(57)【要約】【課題】信頼性の高い圧電体膜を得ることができる圧電体膜の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電体膜１２０の製造方法は、基板１１０を準備する工程と、第１の面１２ａ側に開口部１４が形成され、第１の面１２ａと反対側の第２の面１２ｂ側に開口部１４に連通する供給孔１６が形成された原版１０を準備する工程と、原版１０の第１の面１２ａを、基板１１０に密接させる工程と、供給孔から開口部１４に原料溶液２０を供給して、開口部１４に原料溶液２０を充填する工程と、熱処理によって原料溶液２０を脱脂して、前駆体膜２２を形成する工程と、原版１１０から前駆体膜２２を剥離する工程と、前駆体膜２２を焼成して、前駆体膜２２を結晶化させる工程と、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を準備する工程と、
第１の面側に開口部が形成され、前記第１の面と反対側の第２の面側に前記開口部に連通する供給孔が形成された原版を準備する工程と、
前記原版の前記第１の面を、前記基板に密接させる工程と、
前記供給孔から前記開口部に原料溶液を供給して、前記開口部に前記原料溶液を充填する工程と、
熱処理によって前記原料溶液を脱脂して、前駆体膜を形成する工程と、
前記原版から前記前駆体膜を剥離する工程と、
前記前駆体膜を焼成して、前記前駆体膜を結晶化させる工程と、
を含む、圧電体膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記原版は、前記第２の面側に前記開口部と連通し、前記開口部から前記原料溶液を排出させる排出孔が形成されている、圧電体膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記開口部は、複数形成されている、圧電体膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電体膜の製造方法によって前記圧電体膜を形成する工程を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電素子の製造方法によって前記圧電素子を形成する工程を含み、
前記基板は、前記圧電素子の動作によって変形する振動板を有する、圧電アクチュエーターの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電アクチュエーターの製造方法によって前記圧電アクチュエーターを形成する工程と、
前記圧電アクチュエーターの動作によって容積が変化する圧力室を形成する工程と、
前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板を形成する工程と、
を含む、液体噴射ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体膜の製造方法、圧電素子の製造方法、圧電アクチュエーターの製造方法、および、液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧印加によりその形状を変化させる特性を有する素子であり、圧電体膜を下部電極および上部電極で挟んだ構造を有する。圧電素子は、例えばインクジェットプリンターの液滴吐出ヘッド部分や、各種アクチュエーターなど多様な用途に用いられている。
【０００３】
圧電素子は、例えば下部電極上に圧電体膜を成膜し、該圧電体膜をパターニングした後、上部電極を形成することよって製造される（例えば、特許文献１参照）。圧電体膜をパターニングする工程は、一般的に、焼成された圧電体膜をエッチング法等によりパターニングすることにより行われる。しかしながら、このようなパターニング工程では、圧電体膜がダメージを受ける場合があり、信頼性低下の要因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、信頼性の高い圧電体膜を得ることができる圧電体膜の製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上述の圧電体膜の製造方法を含む圧電素子の製造方法、圧電アクチュエーターの製造方法、および、液体噴射ヘッドの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電体膜の製造方法は、
基板を準備する工程と、
第１の面側に開口部が形成され、前記第１の面と反対側の第２の面側に前記開口部に連通する供給孔が形成された原版を準備する工程と、
前記原版の前記第１の面を、前記基板に密接させる工程と、
前記供給孔から前記開口部に原料溶液を供給して、前記開口部に前記原料溶液を充填する工程と、
熱処理によって前記原料溶液を脱脂して、前駆体膜を形成する工程と、
前記原版から前記前駆体膜を剥離する工程と、
前記前駆体膜を焼成して、前記前駆体膜を結晶化させる工程と、
を含む。
【０００７】
このような圧電体膜の製造方法によれば、信頼性の高い圧電体膜を得ることができる。
【０００８】
本発明に係る圧電体膜の製造方法において、
前記原版は、前記第２の面側に前記開口部と連通し、前記開口部から前記原料溶液を排出させる排出孔が形成されていることができる。
【０００９】
このような圧電体膜の製造方法によれば、前記開口部に前記原料溶液を容易に充填することができる。
【００１０】
本発明に係る圧電体膜の製造方法において、
前記開口部は、複数形成されていることができる。
【００１１】
このような圧電体膜の製造方法によれば、複数の圧電体膜を得ることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
本発明に係る圧電体膜の製造方法によって前記圧電体膜を形成する工程を含む。
【００１３】
このような圧電素子の製造方法によれば、本発明に係る圧電体膜の製造方法によって前記圧電体膜を形成する工程を含むため、信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電アクチュエーターの製造方法は、
本発明に係る圧電素子の製造方法によって前記圧電素子を形成する工程を含み、
前記基板は、前記圧電素子の動作によって変形する振動板を有する。
【００１５】
このような圧電アクチュエーターの製造方法によれば、本発明に係る圧電素子の製造方法によって前記圧電素子を形成する工程を含むため、信頼性の高い圧電アクチュエーターを得ることができる。
【００１６】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法は、
本発明に係る圧電アクチュエーターの製造方法によって前記圧電アクチュエーターを形成する工程と、
前記圧電アクチュエーターの動作によって容積が変化する圧力室を形成する工程と、
前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板を形成する工程と、
を含む。
【００１７】
このような液体噴射ヘッドの製造方法によれば、本発明に係る圧電アクチュエーターの製造方法によって前記圧電アクチュエーターを形成するため、信頼性の高い液体噴射ヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図２】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図３】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図４】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図５】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図６】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図７】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図８】本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図。
【図９】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図１０】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
１．  圧電体膜および圧電素子の製造方法
まず、本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造方法について説明する。図１〜図８は、本実施形態に係る圧電体膜および圧電素子の製造工程を模式的に示す図である。
【００２１】
図１に示すように、基板１１０を準備する。基板１１０は、後述する工程により、該基板１１０に圧電体膜１２０を形成することができれば、特に限定されない。基板１１０は、例えば単結晶シリコン基板であってもよい。基板１１０は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。図示の例では、基板１１０は、振動板１１２と、下部電極１１４と、からなることができる。この場合、圧電素子１００は、圧電アクチュエーターとして機能することができる。振動板１１２は、可撓性を有し、圧電体膜１２０の動作によって変形（屈曲）することができる。振動板１１２としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とを積層したものを用いることができる。下部電極１１４は、圧電体膜１２０に電圧を印加するための一方の電極であり、下部電極１１４の材質としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）などを列挙することができる。下部電極１１４は、例えば、スパッタ法、めっき法などにより形成することができる。
【００２２】
図２に示すように、原版１０を準備する。図２（Ａ）は、原版１０を第２の面１２ｂ側から平面的にみた図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。原版１０は、第１の面１２ａと、第１の面１２ａと反対側の第２の面１２ｂと、を有する。原版１０は、第１の面１２ａ側に開口部１４が形成され、第２の面１２ｂ側に供給孔１６が形成されている。原版１０は、後述するように、圧電体膜１２０の型であり、原版１０の開口部１４の形状によって、圧電体膜１２０の形状を制御することができる。図示の例では、開口部１４は、６つ形成されているが、その数は限定されない。複数の開口部１４を形成することにより、複数の圧電体膜１２０を得ることができる。各開口部１４は、例えば、所望の圧電体膜１２０の形状と同じに形状になるように形成される。各開口部１４の形状は、例えば、幅が数十μｍ、長さが数百μｍ、高さが１μｍ程度に形成される。供給孔１６は、開口部１４と連通している。供給孔１６は、圧電体膜１２０の原料溶液２０を開口部１４に供給するための孔である。図示の例では、供給孔１６は、１つの開口部１４に対して１つ形成されているが、１つの開口部１４に対して複数形成されていてもよい。原版１０は、さらに、第２の面１２ｂ側に開口部１４と連通する排出孔１８を有することができる。排出孔１８は、図示の例では、１つの開口部１４に対して２つ形成されているが、その数は限定されない。原版１０では、排出孔１８によって、開口部１４から過剰に供給された原料溶液２０を排出させることができる。原版１０は、例えば、単結晶シリコン、金属からなることができる。原版１０が、単結晶シリコンからなる場合、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を用いて、開口部１４、供給孔１６、および排出孔１８を形成することができる。
【００２３】
図３に示すように、原版１０の第１の面１２ａを基板１１０に密接させる。具体的には、原版１０の第１の面１２ａを基板１１０に押し当てることで密接させることができる。図示の例では、基板１１０の下部電極１１４の上面に原版１０を密接させている。
【００２４】
図４に示すように、供給孔１６から開口部１４に原料溶液２０を供給して、開口部１４に原料溶液２０を充填する。開口部１４に過剰に充填された原料溶液２０は、排出孔１８によって、開口部１４から排出されることができる。したがって、開口部１４に原料溶液２０を容易に充填することができる。原料溶液２０は、例えば、圧電体膜１２０の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属を各金属が所望のモル比となるように混合し、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作成することができる。例えば、圧電体膜１２０がチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３：ＰＺＴ）からなる場合、有機金属としては、以下のものを挙げることができる。鉛（Ｐｂ）を含む有機金属としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム（Ｚｒ）を含む有機金属としては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。チタン（Ｔｉ）を含む有機金属としては、例えばチタンイソプロポキシドなどが挙げられる。なお、ＰＺＴの構成金属を含んでなる有機金属としては、これらに限定されるわけではない。また、圧電体膜１２０は、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、その他の圧電材料からなってもよい。原料溶液２０には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加してもよい。
【００２５】
図５に示すように、熱処理によって原料溶液２０を脱脂して、前駆体膜２２を形成する。脱脂工程では、原料溶液２０中に残存する有機成分を二酸化窒素，二酸化炭素，水などに、熱分解して離脱させることができる。脱脂工程は、例えば、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、２００〜３００度程度で熱処理を行う。原料溶液２０を脱脂することで、アモルファス状態の前駆体膜２２を得ることができる。
【００２６】
図６に示すように、原版１０から前駆体膜２２を剥離する。これにより、基板１１０上パターニングされた前駆体膜２２を得ることができる。前駆体膜２２から剥離された原版１０は、好ましくは上記原料溶液の溶解または分散に用いたアルコールなどの有機溶剤で洗浄し、程度によってはドライアッシング等を併用してクリーニングすることにより、繰り返し使用することができる。図示はしないが、原版１０の開口部１４の断面形状を第１の面１２ａ側ほど幅が広い形状にすることにより、原版１０から前駆体膜２２を剥離しやすくすることができる。
【００２７】
図７に示すように、前駆体膜２２を焼成する。これにより、前駆体膜２２を結晶化させることができる。パターニングされた前駆体膜２２を焼成して、結晶化させることにより、開口部１４の形状に対応した圧電体膜１２０を形成することができる。焼成温度は、例えば７００度である。焼成工程に用いる装置としては、特に限定されず、拡散炉やＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置などを用いることができる。焼成工程の後に基板１１０に付着した残渣を除去する工程を含んでもよい。これにより、前駆体膜２２を結晶化させる工程の前に残渣を除去する工程を行う場合と比較して、残渣の除去を容易に行うことができる。
【００２８】
以上の工程により圧電体膜１２０を形成することができる。
【００２９】
図８に示すように、上部電極１３０を形成する。上部電極１３０は、圧電体膜１２０に電圧を印加するための他方の電極であり、上部電極１３０の材質としては、例えば、上述した下部電極１１４の材料として使用可能なものを用いることができる。上部電極１３０は、例えば、圧電体膜１２０の上面のみを露出させるハードマスクを用いて、スパッタ法等で成膜することにより形成することができる。
【００３０】
以上の工程により圧電素子１００を形成することができる。
【００３１】
本実施形態に係る圧電体膜１２０および圧電素子１００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
【００３２】
本実施形態に係る圧電体膜の製造方法によれば、上述したとおり、パターニングされた前駆体膜２２を結晶化させることで、圧電体膜１２０を得ることができる。すなわち、本実施形態に係る圧電体膜の製造方法によれば、圧電体膜１２０を直接パターニングする工程を有さない。したがって、パターニング工程において、圧電体膜１２０へのダメージが生じないため、信頼性の高い圧電体膜を得ることができる。
【００３３】
本実施形態に係る圧電体膜の製造方法によれば、原版１０の開口部１４の形状によって、圧電体膜１２０の形状を制御することができる。例えば、圧電体膜１２０の成膜方法としてゾル・ゲル法を用いた場合、圧電体膜１２０の膜厚を厚くするためには、ゾル・ゲル溶液の塗布および焼成を複数回繰り返す必要がある。本実施形態に係る圧電体膜の製造方法によれば、原版１０の開口部１４の形状によって、圧電体膜１２０の形状を制御することができるため、膜厚の厚い圧電体膜１２０を容易に形成することができる。また、高いアスペクト比を有し、高密度に配列された圧電体膜１２０を容易に形成することができる。
【００３４】
本実施形態に係る圧電素子の製造方法によれば、本発明に係る圧電体膜の製造方法によって圧電体膜を形成する工程を含むため、信頼性の高い圧電素子を得ることができる。
【００３５】
２．  液体噴射ヘッド
次に、本発明に係る圧電素子が圧電アクチュエーターとして機能している液体噴射ヘッド２００について説明する。図９は、液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。図１０は、液体噴射ヘッド２００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
【００３６】
液体噴射ヘッド２００は、本発明に係る圧電素子を有することができる。以下の例では、圧電素子として圧電素子１００を有する液体噴射ヘッド２００について説明する。なお、上述のとおり、圧電素子１００が圧電アクチュエーターとして機能する場合、基板１１０は、可撓性を有し圧電体膜１２０の動作によって変形する振動板１１２と、下部電極１１４とからなることができる。
【００３７】
液体噴射ヘッド２００は、図９および図１０に示すように、ノズル孔２１２を有するノズル板２１０と、圧力室２２２を形成するための圧力室基板２２０と、圧電素子１００（圧電アクチュエーター１００ともいえる）と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド２００は、図１０に示すように、筐体２３０を有することができる。なお、図１０では、圧電素子１００の積層体１４０（下部電極１１４、圧電体膜１２０および上部電極１３０からなる積層体１４０）を簡略化して図示している。
【００３８】
ノズル板２１０は、図９および図１０に示すように、ノズル孔２１２を有する。ノズル孔２１２からは、インクが吐出されることができる。ノズル板２１０には、例えば、多数のノズル孔２１２が一列に設けられている。ノズル板２１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを列挙することができる。
【００３９】
圧力室基板２２０は、ノズル板２１０上（図１０の例では下）に設けられている。圧力室基板２２０の材質としては、例えば、シリコンなどを列挙することができる。圧力室基板２２０がノズル板２１０と振動板１１２との間の空間を区画することにより、図１０に示すように、リザーバー（液体貯留部）２２４と、リザーバー２２４と連通する供給路２２６と、供給路２２６と連通する圧力室２２２と、が設けられている。すなわち、リザーバー２２４、供給路２２６および圧力室２２２は、ノズル板２１０と圧力室基板２２０と振動板１１２とによって区画されている。リザーバー２２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１１２に設けられた貫通孔２２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー２２４内のインクは、供給路２２６を介して、圧力室２２２に供給されることができる。圧力室２２２は、振動板１１２の変形により容積が変化する。圧力室２２２はノズル孔２１２と連通しており、圧力室２２２の容積変化によって、ノズル孔２１２からインクが吐出される。
【００４０】
圧電素子１００は、圧力室基板２２０上（図１０の例では下）に設けられている。下部電極１１４、圧電体膜１２０および上部電極１３０からなる積層体１４０は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作（振動、変形）することができる。振動板１１２は、積層体１４０（圧電体膜１２０）の動作によって変形し、圧力室２２２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００４１】
筐体２３０は、図１０に示すように、ノズル板２１０、圧力室基板２２０および圧電素子１００を収納することができる。筐体２３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを列挙することができる。
【００４２】
本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００は、例えばインクジェットプリンターのインクジェット式記録ヘッドとして用いることができる。
【００４３】
液体噴射ヘッド２００によれば、上述のとおり信頼性の高い圧電素子１００を有することができる。これにより、信頼性の高い液体噴射ヘッド２００を得ることができる。
【００４４】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド２００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【００４５】
３．  液体噴射ヘッドの製造方法
次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の製造方法について、説明する。
【００４６】
図９に示すように、圧力室基板２２０となる母材を準備する。母材としては、例えば（１１０）配向のシリコン単結晶基板を用いることができる。
【００４７】
次に、母材上に、上述した圧電素子１００（圧電アクチュエーター）の製造方法によって、圧電素子１００を形成する。
【００４８】
次に、圧力室基板２２０となる母材をパターニングし、圧電体膜１２０に対応する位置にそれぞれ圧力室２２２となる凹部を、また所定の位置にリザーバー２２４および供給路２２６となる凹部を形成する。
【００４９】
本実施形態では、母材として（１１０）配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング（異方性エッチング）が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、例えば振動板１１２をエッチングストッパとして機能させることができる。したがって、圧力室基板２２０の形成をより容易に行うことができる。
【００５０】
このようにして母材を、その厚さ方向に振動板１１２が露出するまでエッチング除去することにより、圧力室基板２２０を形成する。露出した振動板１１２は、振動板としての機能を発揮し得る状態となる。
【００５１】
次に、複数のノズル孔２１２が形成されたノズル板２１０を、各ノズル孔２１２が各圧力室２２２となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数の圧力室２２２、リザーバー２２４および複数の供給路２２６が形成される。ノズル板２１０の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。ノズル孔２１２は、例えば、プレス加工等により形成することができる。次に、圧力室基板２２０を筐体２３０に取り付ける。
【００５２】
以上の工程によって、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド２００を製造することができる。
【００５３】
本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法によれば、本発明に係る圧電アクチュエーターの製造方法によって圧電アクチュエーターを形成することができるため、信頼性の高い液体噴射ヘッドを得ることができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【００５５】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５６】
１０  原版、１２ａ  第１の面、１２ｂ  第２の面、１４  開口部、１６  供給孔、１８  排出孔、２０  原料溶液、２２  前駆体膜、１００  圧電素子、１１０  基板、１１２  振動板、１１４  下部電極、１２０  圧電体膜、１３０  上部電極、２００  液体噴射ヘッド、２１０  ノズル板、２１２  ノズル孔、２２０  圧力室基板、２２２  圧力室、２２４  リザーバー、２２６  供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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