(57)【要約】【課題】液室のピンホールの発生と基板成分の溶出が抑制されるともに、信頼性が損なわれることがなく、液体吐出ヘッドにおいて安定した吐出性能を実現することができる圧電アクチュエータユニットの製造方法を提供する。【解決手段】液滴を吐出するノズルと連通する液室と、圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドに用いられる圧電アクチュエータユニットの製造方法であって、液室２５が形成されるシリコン基板１１上に振動板１２を形成する工程と、シリコン基板１１に対し、振動板形成面の対向面から、液室２５を区画する側壁１４を形成するための溝部１３を形成する工程と、溝部１３の表面を熱酸化し、酸化物により溝部１３を充填する工程と、振動板１２上に電極を形成する工程と、振動板１２上にフレ−ム２３を形成する工程と、シリコン基板１１の溝部１３に囲まれた液室部分及び溝部１３の酸化物を除去して液室２５を形成する工程と、をこの順に含む。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと連通する液室と、前記液室の一部を構成する振動板に振動を付与して前記液室に圧力変化を発生させる圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドに用いられる圧電アクチュエータユニットの製造方法であって、
前記液室が形成されるシリコン基板上に前記振動板を形成する工程と、
前記シリコン基板に対し、前記振動板形成面の対向面から、前記液室を区画する側壁を形成するための溝部を形成する工程と、
前記溝部の表面を熱酸化し、酸化物により前記溝部を充填する工程と、
前記振動板上に電極を形成する工程と、
前記振動板上にフレ−ムを形成する工程と、
前記シリコン基板の前記溝部に囲まれた液室部分及び前記溝部の酸化物を除去して前記液室を形成する工程と、をこの順に含むことを特徴とする圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【請求項２】
前記溝部が、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【請求項３】
前記液室の内側面に接液膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【請求項４】
前記接液膜は、タンタル及びジルコニウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータユニットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置及びこれらの複合機等の画像形成装置として、例えば、インク液滴を吐出する液体吐出ヘッドを用いた画像形成装置（インクジェット記録装置）が知られている。この画像形成装置は、液体吐出ヘッドから被記録媒体に対してインク滴を吐出して画像形成を行なうものである。
【０００３】
液体吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（加圧室、インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室等とも称される）と、該液室の容積を変化させることにより連通するノズルからインクを吐出させるための素子を備えた構成が知られている。
【０００４】
このような素子としては、圧電素子などの電気機械変換素子、ヒータなどの電気熱変換素子を備えた構成が知られているが、圧力室の壁の一部に振動板を設け、圧電素子により振動板を変位させることにより圧力室の体積を変化させ、圧力を高めて圧力室内のインクをノズルから吐出させる前者の構成（以下、「圧電アクチュエータ」ともいう）は、多様な液滴に対応できる点で後者の構成（サーマル方式）に対し優位性がある。
【０００５】
圧電アクチュエータの作製方法としては、シートの接着やセラミックスのモールドといった手法が採られてきたが、近年、さらなる小型化や高密度化を目指すため、半導体生産技術を応用した、いわゆるＭＥＭＳプロセスを用いた方法が検討されている。
このような圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドにおいては、素子にエネルギーを発生させる際に電圧を与える必要があり、駆動用のＩＣと素子とをつなぐ配線を設け、これらを保護部材により保護したモジュール（以下、「圧電アクチュエータユニット」ともいう）が構成される。
【０００６】
圧電アクチュエータユニットとしては、シリコン（Ｓｉ）基板の表面に振動板と、上下を電極に挟まれた圧電体層を構築し、駆動用ＩＣ接続のための金属配線層、絶縁膜、配線層の酸化を防ぐ保護膜を構築し、シリコン基板の裏面にインクを供給する流路を設け、ノズルを連接することでインクを吐出させる機構が完成する（図１参照）。
【０００７】
このような圧電アクチュエータユニットは、適用される液体吐出ヘッドの安定した吐出性能を得るためにも、製造工程において欠陥無く加工されたものである必要がある。
しかしながら、図１に示す従来の圧電アクチュエータユニットの製造方法においては、液室２５の加工中及び接液膜２６の成膜中に異物が存在した場合、ピンホールが生じることがある。例えば、圧電アクチュエータの駆動時に当該異物の箇所から接液膜２６の剥がれが生じるなどして基板が液室内のインクに暴露されると、基板成分のシリコンが液室内のインクに溶出してしまうという問題がある。
【０００８】
ところで、平滑な振動板を形成する目的で、シリコン基板の表面に周溝を形成することにより液室（圧力室）の内壁を形成した後、振動板、電極及び圧電素子を積層し、次いで圧力室を形成する工程を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、周溝の形成後に充填材を充填する工程を備えること等が開示されている。このような工程を行うことにより、液室側壁からの基板成分の溶出が抑制される効果が得られると考えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の製造方法において、形成した周溝に充填材を充填する方法によっては、溝の中央でボイドが発生したり、表面を研削して平坦に加工した場合に界面でチッピングが発生したり、充填された充填材の表面張力によって凸部やボイドが生じたりすることがある（図２参照）。
【００１０】
基板に形成された溝部が上記のような欠陥を有する状態で以降の製造工程を行った場合、形成される振動板や電極の平坦性が損なわれ、圧電体膜の成膜に悪影響を及ぼし、結晶性を低下させるおそれがある。また、製造された液体吐出ヘッドにおいて圧電アクチュエータを連続駆動させた場合には、当該欠陥がクラックの発生源となり、信頼性が損なわれるおそれがある。
【００１１】
そこで本発明は、液室のピンホールの発生と基板成分の溶出が抑制されるともに、信頼性が損なわれることがなく、液体吐出ヘッドにおいて安定した吐出性能を実現することができる圧電アクチュエータユニットの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するため、本発明に係る圧電アクチュエータユニットの製造方法は、液滴を吐出するノズルと連通する液室と、前記液室の一部を構成する振動板に振動を付与して前記液室に圧力変化を発生させる圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドに用いられる圧電アクチュエータユニットの製造方法であって、前記液室が形成されるシリコン基板上に前記振動板を形成する工程と、前記シリコン基板に対し、前記振動板形成面の対向面から、前記液室を区画する側壁を形成するための溝部を形成する工程と、前記溝部の表面を熱酸化し、酸化物により前記溝部を充填する工程と、前記振動板上に電極を形成する工程と、前記振動板上にフレ−ムを形成する工程と、前記シリコン基板の前記溝部に囲まれた液室部分及び前記溝部の酸化物を除去して前記液室を形成する工程と、をこの順に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液室のピンホールの発生と基板成分の溶出が抑制されるともに、信頼性が損なわれることがなく、液体吐出ヘッドにおいて安定した吐出性能を実現することができる圧電アクチュエータユニットの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の圧電アクチュエータユニットの製造方法の一例を示す説明図である。
【図２】従来の製造方法における欠陥の例を示す説明図である。
【図３】本実施形態の製造方法において、溝部の形成及び充填を示す説明図である。
【図４】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図５】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図６】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図７】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図８】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図９】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図１０】本実施形態の製造方法における一工程を示す説明図である。
【図１１】耐久性評価の測定結果を示すグラフである。
【図１２】破壊された比較例１の圧電アクチュエータユニットの電子顕微鏡写真である。
【図１３】圧電アクチュエータユニットを備えた画像形成装置の一例を示す斜視説明図である。
【図１４】圧電アクチュエータユニットを備えた画像形成装置の一例を示す側面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ＭＥＭＳプロセスを用いてアクチュエータを作製する工程の従来の例を図１に示す。
図１中（Ａ）〜（Ｆ）の各工程において、上段は短手方向の断面図、下段は長手方向の断面図を示している。
【００１６】
まず、（Ａ）に示すように基板１１上に振動板１２、下部電極１５、圧電材料１６、上部電極１７を成膜し、（Ｂ）に示すように所定の形状に成形する。次いで、（Ｃ）に示すように保護膜１８、配線層１９を構築し、（Ｄ）に示すように絶縁膜２０を成膜し、インク流路２１及びＩＣ接続部２２を設ける。次いで、（Ｅ）に示すようにフレーム２３を貼り付け、ＩＣ接続部２２上に駆動用ＩＣ２４を搭載する。その後、（Ｆ）に示すように基板１１を研削し、液室２５を形成し、液室２５の内側面に接液膜２６を成膜する。以上のような工程により、圧電アクチュエータが構築される。
【００１７】
上述のような従来の方法で製造された圧電アクチュエータは、駆動時にピンホールが生じ、基板成分のシリコンが液室内のインクに溶出してしまうという問題があった。
この問題対し、液室２５の側壁からの基板成分溶出を防止するための工程を行うことが好ましく、例えば、特許文献１のように液室の内壁部となる溝部を予め形成し、充填材を充填し、熱処理を行う方法を適用することができる。
熱処理により、液室側壁に酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されれば、インクに対するシリコンの溶出速度は約１／２０００となり、溶出抑制が可能になると考えられる。
【００１８】
しかしながら、特許文献１のように、溝部に充填材を充填する工程を行った場合、アクチュエータ直下の振動板の平坦性は確保できるが、充填方法によっては圧電体膜の単結晶成膜性の低下や駆動時におけるクラック発生等の欠陥の原因を生じることがある。
【００１９】
上記欠陥の原因となる例を図２に示す。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、基板１１上に形成した溝部３０に充填材３１を充填した態様を模式的に示したものである。
図２（Ａ）に示すように、充填材３１をスピンコートやスパッタで成膜した場合、溝部３０の中央部でボイド３２が発生することがある。また、図２（Ｂ）に示すように、充填材３１を成膜した後、表面を研削して平坦に加工した場合、溝部３０と充填材３１との界面でチッピング３３が発生し、ボイドとなることがある。さらに、図２（Ｃ）に示すように、溝部３０に充填材３１をインクジェット等で直接挿入した場合、充填材３１の表面張力の関係から凸部３４やボイド３２が発生することがある。
【００２０】
以下、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００２１】
本実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットの製造方法は、液滴を吐出するノズルと連通する液室と、前記液室の一部を構成する振動板に振動を付与して前記液室に圧力変化を発生させる圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドに用いられる圧電アクチュエータユニットの製造方法である。
本実施形態の製造方法は、少なくとも液室２５が形成される基板（シリコン基板）１１上に振動板１２を形成する工程と、シリコン基板１１に対し、振動板形成面の対向面１１ａから、液室２５を区画する側壁（液室側壁）１４を形成するための溝部１３を形成する工程（図４）と、溝部１３の表面を熱酸化し、酸化物１３ａにより溝部１３を充填する工程（図５）と、振動板１２上に電極を形成する工程（図６）と、振動板１２上にフレ−ム２３を形成する工程と、シリコン基板１１の溝部１３に囲まれた液室部分及び溝部１３の酸化物１３ａを除去して液室２５を形成する工程（図１０）と、をこの順に含む。
【００２２】
全体の流れとしては、図４に示すように基板１１上に振動板１２を形成し、対向面１１ａから液室側壁形成のための溝部１３をエッチングにより形成し、図５に示すように、液室側壁１４を形成する。次に、図６に示すように振動板１２上に下部電極１５、圧電材料１６及び上部電極１７を成膜し、図７の形状に成形する。その上に図８のように保護膜１８及び配線層１９を構築し、図８に示すように絶縁膜２０を成膜し、インク流路２１及びＩＣ接続部２２を設ける。その後、図９に示すようにフレーム２３を貼り付け、ＩＣ接続部２２上に駆動用ＩＣ２４を搭載する。その後、図１０に示すように基板１１を研削し、液室２５を形成した後、液室の内側面に接液膜２６を成膜する。以上の工程により圧電アクチュエータユニットが完成する。
【００２３】
本実施形態の製造方法では、図３（Ａ）に示すように、基板１１上に振動板１２を形成した後、図３（Ｂ）に示すように振動板形成面の対向面１１ａから溝部１３を形成し、図３（Ｃ）に示すように溝部１３の表面を熱酸化し、酸化物１３ａにより溝部１３を充填する工程を有する。
溝部１３の形成は、振動板１２の形成後に行われるため、振動板１２は全面が平坦な状態が維持され、図２に示したような圧電アクチュエータ近傍のボイドや段差の発生が改善され、圧電体の均一な単結晶膜を形成でき、かつ駆動中のクラックの発生も抑制される。
【００２４】
以下、図４〜図１０に基づき、本実施形態にかかる圧電アクチュエータユニットの製造方法の工程を詳しく説明する。各図の上段は短手断面、下段は長手断面を示している。
【００２５】
まず、図４及び図５に示す工程の構成について説明する。
基板１１の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６５０μｍの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種あるが、半導体産業では一般的に（１００）、（１１１）が広く使用されており、本実施形態においては（１００）基板を用いる。
【００２６】
振動板１２は、圧電材料１６によって発生した力を受け、変形変位して液室２５のインク滴を吐出させる部材であるため、所定の強度を有したものであることが好ましい。
振動板１２の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。さらに、Ｓｉとのエッチング選択比が高く、かつアクチュエータ（下部電極１５、圧電材料１６、及び上部電極１７）の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
本実施形態において振動板１２は、基板１１との界面がエッチングストップ層として用いられることから、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４を第一層として用いることが好ましい。
【００２７】
振動板１２の線膨張係数としては、圧電材料１６において一般的に材料としてＰＺＴが使用されることから、線膨張係数８×１０−６(１／Ｋ)に近い線膨張係数として、５×１０−６〜１０×１０−６の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには７×１０−６〜９×１０−６の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
【００２８】
形成される膜厚としては０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍがさらに好ましい。膜厚が０．１μｍ未満または１０μｍを超える場合、変形しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
【００２９】
また、振動板１２は、引張応力あるいは圧縮応力を備える複数の膜をＬＰＣＶＤにより積層させることで構築されていることが好ましい。単層膜の例としてはＳＯＩウェハが挙げられるが、ウェハコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとした時に任意の膜応力に設定することができない。これに対し、積層された振動板の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板１２の剛性と膜応力を所望の値に設定する自由度を得ることができる。積層化と膜厚、及び積層構成の組み合わせにより振動板１２の全体の剛性と応力の制御を実現できることから、圧電アクチュエータを構成する層の材料及び膜厚に適時対応でき、焼成温度による振動板１２の剛性及び応力の変動を低減させることができる。このように安定した振動板１２を形成することにより、液体吐出ヘッドに適用したとき、高精度な液滴吐出特性と安定した吐出を実現することができる。
【００３０】
液室側壁１４を形成する溝部１３は、Ｓｉエッチングにより形成される。
Ｓｉのエッチングとしては、例えば、ウェットエッチング及びドライエッチングが一般的であるが、パターン形状の自由度を考慮すると、本実施形態においてはドライエッチングが好ましい。
【００３１】
溝部１３の幅は適宜選択することができるが、アスペクト比が高すぎると、形状の不安定化やその後の工程において充填を行う場合に成膜不具合を起こすことがあるため、適切なアスペクト比を選択することが好ましい。
【００３２】
溝部１３の表面を熱酸化し、酸化物により溝部１３を充填する工程を行うことにより、液室側壁１４は、金属酸化物もしくはＳｉ酸化物により構成される。酸化物は定常状態においても、酸・塩基中においても安定な挙動を示すものが多いため好ましい。
溝部１３の表面を熱酸化することにより、緻密なシリコン酸化膜が形成される。溝部１３のアスペクト比が大きい場合は、熱酸化による表面の膜厚増大効果により溝部１３が充填される。一方、溝部１３のアスペクト比が小さい場合、熱酸化工程後に、別途充填する工程が必要となる。溝部１３を酸化物により充填する方法としては、ＣＶＤやＡＬＤ、スパッタに代表される成膜方法が挙げられる。
なお、熱酸化を行う際、溝部１３内側の残渣物は薬液等で除去する必要がある。
【００３３】
次に図６に示す工程の構成について説明する。
下部電極１５及び上部電極１７は、金属材料と密着層から成り立っている。
金属材料としては、耐食性に優れているＰｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びこれらの合金膜が挙げられる。これらの金属は、下地（特にＳｉＯ２）との密着性が悪いために、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ３Ｎ５等を先に積層し、電極下地層とすることが好ましい。
【００３４】
下部電極１５及び上部電極１７の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が挙げられる。
形成される膜厚としては、０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍがさらに好ましい。
【００３５】
また、圧電材料１６の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、下部電極１５及び上部電極１７と圧電材料１６との間に、ルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を電極部として積層することが好ましい。
【００３６】
圧電材料１６としては、主にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用した。
ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３:４７の割合であり、化学式で示すとＰｂ(Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７)Ｏ３、一般ＰＺＴ(５３／４７)と示される。より大きな変位量をえるために、Ｐｂ(Ｚｒ０．４９，Ｔｉ０．５１)Ｏ３とすることもできる。
【００３７】
ＰＺＴ以外の複合酸化物としては、チタン酸バリウムなどが挙げられる。この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
【００３８】
これら材料は一般式ＡＢＯ３で記述され、ＡとしてＰｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＢとしてＴｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂを主成分とする複合酸化物が該当する。
その具体的な記述としては（Ｐｂ１−ｘ，Ｂａｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ）（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｎｂ１−ｘ−ｙ）Ｏ３等があり、前者はＡサイトのＰｂを一部Ｂａで置換した場合、後者はＢサイトのＺｒ、Ｔｉを一部Ｎｂで置換した場合である。このような置換は、ＰＺＴの変形特性（変位特性）の応用に向けた材料改質で行なわれる。
【００３９】
ＰＺＴの作製方法としては、スパッタ法、ゾルゲル法を用いてスピンコータにて作製する方法が挙げられる。この場合、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
【００４０】
ＰＺＴをゾルゲル法により作製した場合、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、及びチタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させて均一溶液を得ることで、ＰＺＴ前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、該前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。
【００４１】
下地基板全面にＰＺＴ膜を得る場合は、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことにより得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには、一度の工程で１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように濃度の調整が必要となる。
【００４２】
膜厚としては０．５〜５μｍが好ましく、１μｍ〜２μｍがより好ましい。０．５μｍよりも小さいと十分な変位を発生することが出来なくなり、５μｍを超える場合は積層工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
【００４３】
次に、図７に示す工程の構成について説明する。
保護膜１８の材料としては、酸化物や窒化物を用いることが好ましい。特にＡｌ２Ｏ３は耐候性や耐薬品性に優れており、保護膜１８の材料として特に適している。
保護膜１８の厚さは、保護を目的とした場合は厚いほうが望ましいが、アクチュエータの駆動部であるＰＺＴ上に保護膜が厚く堆積するとアクチュエータの特性を損なうこととなってしまう。そのため、膜厚としては基本的には３０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、６０ｎｍ〜９０ｎｍがより好ましい。また、Ａｌ２Ｏ３を保護膜１８として用いる場合、その膜は非常に緻密である必要がある。そのため、製法としてはスパッタ法ではなくＡＬＤ法を用いることが好ましい。
【００４４】
配線層１９の材料としては、貴金属材料を用いることが好ましい。半導体やＭＥＭＳデバイスでは主にＡｌ、Ｃｕ、ＡｌとＣｕの合金が用いられることが多いが、本実施形態においては、ウェットエッチング時に配線の一部がエッチング液に暴露されてしまうため、エッチング液に溶解しないＡｕやＰｔ等の貴金属が用いられる。
配線層１９の膜厚は、図６の工程で形成されたアクチュエータの段差を被覆するために十分な膜厚である必要があり、１００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４５】
次に、図８に示す工程の構成について説明する。
絶縁膜２０は、図７の工程で形成した保護膜１８と同様に酸化膜および窒化膜が好ましい。また、膜厚としては２０ｎｍ〜５０ｎｍが好ましい。
【００４６】
インク流路２１は、ドライエッチングにより形成される。このインク流路２１に対し、対向して裏面から液室２５を形成することで、アクチュエータをインクジェットとして機能させることが可能となる。インク流路２１や液室２５には、インク流量を制御する流体抵抗を形成する場合もある。
ＩＣ接続部２２は、インク流路２１と同時に加工することにより形成することができる。
【００４７】
次に、図９に示す工程の構成について説明する。
フレーム２３は、シリコン基板を用いて形成される。具体的には、インク流路２１やＩＣ接続部２２といった基板１１を貫通している部分と、アクチュエータを封止するための空隙をエッチングにて形成した後、表面をＳｉＯ２で保護することにより作製する。
【００４８】
駆動用ＩＣ２４は、図８の工程により形成されたＩＣ接続部２２と電気的に接続される。
本実施形態においては、スタッドバンプにより金のバンプを駆動用ＩＣ２４およびＩＣ接続部２２それぞれに作製した後、フリップチップボンダーにより電気的に接続する。
【００４９】
次に、図１０に示す工程の構成について説明する。
液室２５は、ドライエッチングにより形成される。具体的には、基板１１の最表面のＳｉＯ２をドライエッチングで取り除いた後、溝部１３に囲まれた内部のＳｉをドライエッチングで取り除くことにより形成される。
【００５０】
ドライエッチングの方法としては、ボッシュプロセスが挙げられる。ボッシュプロセスを用いることで、擬似的に異方性エッチングを行うことが可能であり、レジストパターンに応じた孔を基板に垂直に形成することができる。
【００５１】
接液膜２６は、金属酸化物の緻密な膜からなることが好ましく、またタンタル及びジルコニウムの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
緻密な膜の形成方法としては、金属原子と酸素原子を交互に成膜して酸化膜を形成するＡＬＤを用いる方法が挙げられる。
【００５２】
以上の工程を有する製造方法により、液室のピンホールの発生と基板成分の溶出が抑制されるともに、信頼性が損なわれることがなく、液体吐出ヘッドにおいて安定した吐出性能を実現することができる圧電アクチュエータユニットが得られる。
【００５３】
以下、具体的な実施例について、比較例とともに説明する。
【００５４】
〔実施例１〕
基板１１として厚さ３００μｍの(１００)シリコンウエハ上に、ＳｉＯ２（膜厚６００ｎｍ）、Ｓｉ３Ｎ４（膜厚２５０ｎｍ）、ＳｉＯ２（膜厚６００ｎｍ）、Ｓｉ（膜厚２００ｎｍ）、ＳｉＯ２（膜厚５００ｎｍ）の積層膜からなる振動板１２を形成した。
【００５５】
その後、基板１１の振動板形成面の対向面に、フォトレジストで液室側壁１４を形成するための溝部１３（幅５μｍ）のパターニングを行い、ドライエッチングにて溝部１３の形成を行った。
【００５６】
次いで、熱酸化炉にて２４時間の熱酸化を行った。溝部１３の表面のシリコンを熱酸化させて厚さ２.５μｍの酸化物からなる熱酸化膜を形成し、溝部１３を充填した。溝部１３が埋没した状態で基板の表面（振動板形成面の対向面）を研磨し平坦化した。
【００５７】
次に、振動板１２表面のＳｉＯ２層に対してプラズマで表面処理を行った後、これに電極下地層として、Ｔｉを２０ｎｍ成膜し、ＲＴＡ（急速熱処理）により７００℃でＴｉＯ２膜を作製した。ＴｉＯ２膜は、ＳｉＯ２と電極（Ｐｔ膜）の間の密着層としての役割を有する。
次いで下部電極１５としてＰｔ膜（膜厚１６０ｎｍ）を成膜した後、圧電材料１６の配向を制御するシード層としてスピンコート法により７ｎｍのＰｂＴｉＯ３を成膜した。
【００５８】
圧電材料１６を構成するＰＺＴ膜の材料として、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１５０：４９：５１の組成比で調合した塗布液を調製した。
出発材料として、酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでＰＺＴ前駆体溶液を合成した。ＰＺＴ濃度は０.３ｍｏｌ／Ｌとした。
【００５９】
得られた溶液をスピンコート法により塗布した後、ホットプレートにより１２０℃乾燥→５００℃熱分解を行った。
３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７３０℃）をＲＴＡにて行った。このときＰＺＴの膜厚は２５０ｎｍであった。
この工程を計８回（２４層）実施し、膜厚が約２.０μｍのＰＺＴ膜厚を得た。
【００６０】
次に上部電極１７としてＳｒＲｕＯ３膜(膜厚４０ｎｍ)、Ｐｔ膜（膜厚１２５ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板温度は３００℃とした。ＳｒＲｕＯ３膜には、ＲＴＡ処理にて酸素雰囲気中で５５０℃／３００sのポストアニール処理をした。
【００６１】
次いで、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ＩＣＰエッチング装置を用いてＰＺＴ並びに電極のエッチングを行った。
【００６２】
その後、保護膜１８として５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３、配線層１９として５μｍのＡｌ、絶縁膜２０として５０μｍのＳｉＯ２を成膜とエッチングを順次行なうことにより形成し、続いてインク流路２１をエッチングにより形成した。
【００６３】
フレーム２３は貫通部と非貫通部に分けられ、４００μｍのＳｉ基板に対し、非貫通部形成のためのハードマスクを形成した後、貫通部のレジストマスクを形成し、先に貫通部を形成した後レジストマスクを除去し、ハードマスクで非貫通部の形成を行うことにより作製した。
【００６４】
上述の方法で先に作製されたアクチュエータを備えたウェハに対し、フレーム２３を接着剤で接着し、配線層１９と駆動用ＩＣ２４をフリップチップ接続し、樹脂で接続部を埋没させた後、ウェハ裏面（基板１１の振動板形成面の対向面）から高さ７５μｍとなるまで研削を行った。
【００６５】
次いで、液室２５をドライエッチングで形成した。
形成された液室２５の内側に接液膜２６として５０ｎｍのＴａ２Ｏ５膜をＡＬＤで成膜し、圧電アクチュエータユニットを完成させた。
【００６６】
〔比較例１〕
実施例１の圧電アクチュエータユニットの製造方法において、基板１１一方の表面にフォトレジストで液室側壁１４を形成するための溝部１３（幅５μｍ）のパターニングを行い、ドライエッチングにて溝部１３の形成を行い、熱酸化炉にて２４時間の熱酸化を行って溝部１３を酸化物により充填し、溝部１３が埋没した状態とした後、振動板１２を成膜した以外は、実施例１と同様にして圧電アクチュエータユニットを作製した。
【００６７】
〔比較例２〕
実施例１の圧電アクチュエータユニットの製造方法において、液室側壁１４を形成するための溝部１３の形成を行わない以外は、実施例１と同様にして圧電アクチュエータユニットを作製した。
【００６８】
〔評価〕
上述の実施例１、比較例１及び比較例２により作製した圧電アクチュエータユニットについて、性能を評価するために以下の試験を行った。
【００６９】
（１）基板成分溶出試験
製造された圧電アクチュエータユニットの液室の内壁面に傷を付け、ピンホールを生じさせた。ピンホール箇所が浸るように、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの各インクに７２時間浸漬させた後、液室を区画する隔壁の厚みを測定し、浸漬前の厚みと比較した。ピンホール箇所からの基板成分の溶出により隔壁厚みは減衰するものと考えられる。
浸漬後の隔壁の厚みの減衰量が５ｎｍ未満であれば合格（評価：○）とし、減衰量が５ｎｍ以上であれば不合格（評価：×）とした。結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
2019123088.tif 000003
【００７１】
表１に示すように、液室の側壁がＳｉＯ２により構成されている実施例１及び比較例１の方法で製造された圧電アクチュエータユニットにおいては、いずれのインクに対しても減衰量が５ｎｍ未満であった。一方、比較例２の方法により製造された圧電アクチュエータユニットにおいてはいずれも減衰量が５ｎｍ以上であり、インクへの基板成分の溶出のおそれがあることがわかった。
【００７２】
（２）結晶性評価
製造された圧電アクチュエータユニットを構成する圧電材料について、Ｘ線回折のθ−２θ法による測定を行い、ＰＺＴの配向率の評価を行った。
配向率の定義は、ＰＺＴの(１００)面、(１１０)面、(１１１)面の回折強度の百分率を算出し、(１００)の配向率が９８％以上となれば合格（評価：○）とし、９８％未満であれば不合格（評価：×）とした。結果を表２に示す。
【００７３】
【表２】
2019123088.tif 000004
【００７４】
表２に示すように、実施例１及び比較例２の方法により製造された圧電アクチュエータユニットにおいては、ＰＺＴ(１００)の配向率がともに９８％以上であったのに対し、比較例１の方法により製造された圧電アクチュエータユニットでは、ＰＺＴ(１００)の配向率は８８％程度であった。比較例１の製造方法では、高品位な結晶性を有するＰＺＴ膜が形成されないことがわかった。
【００７５】
（３）耐久性評価
製造された圧電アクチュエータユニットに対し、印加電界１５０ｋＶ/ｃｍ、立ち上がり１μｓ、立ち下がり１μｓ、パルス幅４μｓ、１００ｋＨｚのパルス波形を用いた連続駆動を行い、耐久性の評価を行った。変位はレーザードップラ振動計を用いて計測した。
駆動耐久性の評価は、破壊が生じるまでの駆動回数を測定し、１０８回以上であれば合格（評価：○）、１０８回未満であれば不合格（評価：×）とした。結果を表３に示す。
【００７６】
【表３】
2019123088.tif 000005
【００７７】
表３に示すように、実施例１及び比較例２の方法により製造された圧電アクチュエータユニットにおいては、破壊されるまでの駆動回数が１０８回以上であったのに対し、比較例１の方法により製造された圧電アクチュエータユニットは１０８回未満であった。
【００７８】
なお、合格基準に満たない回数で破壊された比較例１の方法により製造された圧電アクチュエータユニットについて、破壊された後のアクチュエータ周辺の電子顕微鏡写真を図１２に示す。アクチュエータ周辺にクラックが発生していることがわかる。
【００７９】
以上の試験結果から、本実施形態にかかる実施例１の製造方法により製造された圧電アクチュエータユニットのみが、すべての評価において合格基準を満たすものであることがわかった。
本実施形態の圧電アクチュエータユニットの製造方法によれば、液室のピンホールの発生と基板成分の溶出が抑制されるともに、信頼性が損なわれることがなく、液体吐出ヘッドにおいて安定した吐出性能を実現することができる圧電アクチュエータユニットを製造することができる。
【００８０】
次に、本発明に係る製造方法により製造された圧電アクチュエータユニットを備える液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置の一例について、図１３及び図１４に基づき説明する。
図１３及び図１４は、液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置であり、図１３は斜視説明図、図１４は機構部の側面説明図である。
【００８１】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。
【００８２】
印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッドからなるヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３にはヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
ヘッド９４は本発明の製造方法により製造された圧電アクチュエータユニットを備える。
【００８３】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００８４】
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００８５】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００８６】
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５，１１６とを配設している。
【００８７】
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００８８】
また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００８９】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【符号の説明】
【００９０】
１１    基板（シリコン基板）
１２    振動板
１３    溝部
１４    液室側壁
１５    下部電極
１６    圧電材料
１７    上部電極
１８    保護膜
１９    配線層
２０    絶縁膜
２１    インク流路
２２    ＩＣ接続部
２３    フレーム
２４    駆動用ＩＣ
２５    液室
２６    接液膜
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９１】
【特許文献１】特開２００７−３３１１７５号公報
【図１】
2019123088.tif 000006
【図２】
2019123088.tif 000007
【図３】
2019123088.tif 000008
【図４】
2019123088.tif 000009
【図５】
2019123088.tif 000010
【図６】
2019123088.tif 000011
【図７】
2019123088.tif 000012
【図８】
2019123088.tif 000013
【図９】
2019123088.tif 000014
【図１０】
2019123088.tif 000015
【図１１】
2019123088.tif 000016
【図１２】
2019123088.tif 000017
【図１３】
2019123088.tif 000018
【図１４】
2019123088.tif 000019