(57)【要約】  基板（２２）上に、第１の電極としての下部電極（２４）、圧電薄膜（２５）、第２の電極としての上部電極（２６）をこの順で積層して、圧電アクチュエータ（２１ａ）が構成されている。圧電薄膜（２５）において、結晶中の酸素欠陥は、上記第２の電極との界面側の領域よりも上記第１の電極との界面側の領域に多く存在している。圧電薄膜（２５）の分極方向は、上記第２の電極から上記第１の電極に向かう方向である。
2015045845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の電極、圧電薄膜、第２の電極をこの順で積層した圧電アクチュエータであって、
前記圧電薄膜において、結晶中の酸素欠陥が、前記第２の電極との界面側の領域よりも前記第１の電極との界面側の領域に多く存在しており、
前記圧電薄膜の分極方向が、前記第２の電極から前記第１の電極に向かう方向である圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記各界面側の領域は、前記圧電薄膜の厚さ方向の長さに対して１％以内の範囲である、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
第１の電極と前記圧電薄膜との間に設けられ、ＰＬＴ、ＬａＮｉＯ3、ＳｒＲｕＯ3のいずれかからなる配向制御層を含む、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えているインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させるインクジェットプリンタ。
【請求項６】
基板上に第１の電極を成膜する第１の工程と、
前記第１の電極上に圧電薄膜を成膜する第２の工程と、
前記圧電薄膜上に第２の電極を成膜する第３の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記第２の電極の成膜後、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第４の工程をさらに有し、
前記第４の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の１／２以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第２の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第１の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記分極反転処理の後に、前記圧電薄膜の特性を安定させるためのエージング処理を行う第５の工程をさらに有し、
前記エージング処理を、前記第４の工程における分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行う請求項６に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記エージング処理は、前記第１の電極および前記第２の電極をショートさせて所定時間放置する処理である請求項７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項９】
前記エージング処理は、前記第４の工程での分極反転処理と同バイアスのパルス波形を前記第２の電極に印加する処理である請求項７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に、第１の電極、圧電薄膜、第２の電極をこの順で成膜した圧電アクチュエータおよびその製造方法と、上記圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形などによるもの）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。【０００３】
圧電式のアクチュエータには、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体（圧電薄膜）を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴を大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。【０００４】
圧電薄膜の材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）と呼ばれる鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、酸素（Ｏ）からなるペロブスカイト構造の結晶を用いることが多い。圧電薄膜を用いた圧電アクチュエータでは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相成長、などの成膜プロセスを用いて、基板上に圧電薄膜を形成する。圧電材料の結晶化には高温が必要となるため、基板にはシリコン（Ｓｉ）が良く用いられる。【０００５】
上記の基板を、フォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いて高精度に加工することにより、圧電アクチュエータを作製することができる。特に、直径６インチや直径８インチといった比較的大きなＳｉウェハ上に圧電薄膜等を成膜して、圧電アクチュエータを高密度で一括して作製することにより、圧電アクチュエータを個別に製造する枚葉製造に比べて、コストを大幅に低減することができる。【０００６】
ところで、スパッタ法等の成膜法でＳｉ基板上に形成した圧電薄膜は、成膜条件の工夫により、１軸配向膜と呼ばれる柱状の多結晶の膜となる。ここで、１軸配向膜とは、結晶のある方向が基板面に垂直となるように優先的に配向した膜を言う。例えば、結晶の（１００）方向が基板面に垂直となるように配向している膜は、（１００）配向膜と呼ばれ、（１１１）方向が基板面に垂直となるように配向している膜は、（１１１）配向膜と呼ばれる。このような１軸配向膜は、分極方向が揃いやすいため、高い圧電特性を得ることができる。【０００７】
このような１軸配向膜を成膜する技術は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、スパッタ法によって圧電薄膜を適切な成膜条件（スパッタ条件）で成膜することにより、成膜後の時点で膜の分極方向が上向き（下部電極から上部電極に向かう方向）に揃った、分極処理が不要な１軸配向膜を成膜するようにしている。なお、一般的に、スパッタ法やゾルゲル法によって、分極方向は上向きになる。特に、圧電特性を向上させるために圧電薄膜に添加物を入れることで、分極方向は上向きとなりやすい。【０００８】
図９は、特許文献１の圧電アクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。なお、図中の実線の矢印は、膜の分極方向を示す。上記圧電アクチュエータにおいては、シリコンからなる基板１０１上に、白金（Ｐｔ）からなる下部電極１０２、ＰＺＴからなる圧電薄膜１０３、Ｐｔからなる上部電極１０４がこの順で成膜されている。このように圧電薄膜１０３の分極方向が上向きに揃った圧電アクチュエータでは、圧電薄膜１０３の成膜時に生じる酸素欠陥Ｐが、圧電薄膜１０３における上部電極１０４との界面側の領域よりも下部電極１０２との界面側の領域に多く偏在する。これは、圧電薄膜１０３のＰＺＴを構成するＰｂの蒸気圧が低いため、ＰＺＴの成膜初期において、成膜時の高温でＰｂが蒸発し、そのＰｂ（イオンの状態では正イオン）の蒸発に引きずられてＰＺＴを構成する酸素（イオンの状態では負イオン）が抜けやすくなるためである。また、下部電極１０２と圧電薄膜１０３とは異種材料であるために、圧電薄膜１０３の成膜初期においては、下部電極１０２上に圧電薄膜１０３が所望の組成比で成膜されにくいというのも理由として考えられる。【０００９】
上記の酸素欠陥Ｐは、圧電薄膜１０３の結晶の中を比較的低いエネルギーで移動することができ、結晶表面付近で大気中の水分と反応してリークによる絶縁破壊を引き起こしたり、結晶内部で分極ドメインを固定化して圧電特性の低下を引き起こしたりすることが知られている。【００１０】
特許文献１のように、成膜時に分極方向が上向きに揃った圧電薄膜１０３を含む圧電アクチュエータを使用する際に、下部電極１０２をコモン電極とする一般的な駆動方法では、上部電極１０４に負の電界を印加する必要がある。このような電界を印加すると、圧電薄膜１０３の結晶内で相対的に正の電荷を持つ酸素欠陥Ｐは、上部電極１０４に印加される負の電界に引き付けられ、下部電極１０２との界面側の領域から結晶中を移動して上部電極１０４側に向かう。酸素欠陥Ｐが圧電薄膜１０３と上部電極１０４との界面付近に到達すると、それまでは正常に駆動していた電界を印加しても、酸素欠陥Ｐが原因でリークが生じて絶縁破壊を引き起こしてしまい、アクチュエータの信頼性が低下してしまう。【００１１】
このような酸素欠陥の移動を抑えるためには、上部電極に正の電界を印加して圧電アクチュエータを駆動する方法が考えられる。そのためには、圧電薄膜の分極方向が下向き（上部電極から下部電極に向かう方向）となるように、分極方向を反転させる分極反転処理を行うことが必要となる。【００１２】
この点、特許文献２には、駆動回路や電源コストの低減等が目的ではあるが（酸素欠陥の移動抑制が目的ではないが）、１軸配向の圧電薄膜の分極方向を反転させる技術が開示されている。これによると、分極反転処理には、抗電界が０Ｖ以下になるほどの高温で電界を印加することが、大きな変位量を得る点で好ましく、具体的には、キュリー温度が３５０℃の膜に対して２５０℃以上の高温で電界を印加することが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−３３５４８９号公報（段落〔０００９〕、〔００１８〕、〔００２３〕、〔００３３〕〜〔００３５〕、〔００４７〕等参照）
【特許文献２】特開２００９−２１８３６０号公報（請求項１、段落〔０００８〕、〔００１２〕、〔００１３〕、〔００１６〕、〔００４９〕、〔００５０〕、〔００７０〕〜〔００７３〕、図２１等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、分極反転処理時に、圧電薄膜に対して上記のように高温の状態で電界を印加すると、圧電薄膜における下部電極との界面側の領域に存在していた酸素欠陥が、高温による熱エネルギーによって結晶中に拡散してしまう。その結果、リークによる絶縁破壊が生じやすくなったり、結晶内部で分極ドメインを固定化して圧電特性が低下する。なお、リークによる絶縁破壊は、耐電圧の低下のみならず、変位量の経時的な低下を招き、信頼性の低下につながる。【００１５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、分極反転を行う際の条件や膜中の酸素欠陥の分布を適切に設定することにより、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる圧電アクチュエータの製造方法と、その圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、基板上に、第１の電極、圧電薄膜、第２の電極をこの順で積層した圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜において、結晶中の酸素欠陥が、前記第２の電極との界面側の領域よりも前記第１の電極との界面側の領域に多く存在しており、前記圧電薄膜の分極方向が、前記第２の電極から前記第１の電極に向かう方向である。【００１７】
また、本発明の他の側面に係る圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に第１の電極を成膜する第１の工程と、前記第１の電極上に圧電薄膜を成膜する第２の工程と、前記圧電薄膜上に第２の電極を成膜する第３の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第２の電極の成膜後、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第４の工程をさらに有し、前記第４の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の１／２以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第２の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第１の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う。
【発明の効果】
【００１８】
上記の圧電アクチュエータの構成および製造方法によれば、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの概略の構成を示す説明図である。
【図２】上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドのアクチュエータの概略の構成を示す平面図、およびその平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図３】上記インクジェットヘッドの断面図である。
【図４】上記インクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】上記インクジェットヘッドの圧電薄膜を構成するＰＺＴのＸ線回折の測定結果を示すグラフである。
【図６】上記インクジェットヘッドの他の構成を示す断面図である。
【図７】上記圧電アクチュエータの主要部を模式的に示す断面図である。
【図８】分極反転処理した上記圧電アクチュエータに対して、エージング処理を行った場合と行わなかった場合とにおける、変位量の経時変化を示すグラフである。
【図９】従来の圧電アクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２１】
〔インクジェットプリンタの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ１は、インクジェットヘッド部２において、インクジェットヘッド２１が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
【００２２】
インクジェットプリンタ１は、上記のインクジェットヘッド部２と、繰り出しロール３と、巻き取りロール４と、２つのバックロール５・５と、中間タンク６と、送液ポンプ７と、貯留タンク８と、定着機構９とを備えている。
【００２３】
インクジェットヘッド部２は、インクジェットヘッド２１から記録媒体Ｐに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成（描画）を行うものであり、一方のバックロール５の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド２１の詳細については後述する。
【００２４】
繰り出しロール３、巻き取りロール４および各バックロール５は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール３は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Ｐを、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール３は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Ｐを図１のＸ方向へ繰り出して搬送する。
【００２５】
巻き取りロール４は、繰り出しロール３より繰り出されて、インクジェットヘッド部２によってインクが吐出された記録媒体Ｐを周面に巻き取る。
【００２６】
各バックロール５は、繰り出しロール３と巻き取りロール４との間に配設されている。記録媒体Ｐの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール５は、繰り出しロール３によって繰り出された記録媒体Ｐを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール５は、インクジェットヘッド部２との対向位置から巻き取りロール４に向けて、記録媒体Ｐを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
【００２７】
中間タンク６は、貯留タンク８より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク６は、複数のインクチューブ１０と接続され、各インクジェットヘッド２１におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド２１にインクを供給する。
【００２８】
送液ポンプ７は、貯留タンク８に貯留されたインクを中間タンク６に供給するものであり、供給管１１の途中に配設されている。貯留タンク８に貯留されたインクは、送液ポンプ７によって汲み上げられ、供給管１１を介して中間タンク６に供給される。
【００２９】
定着機構９は、インクジェットヘッド部２によって記録媒体Ｐに吐出されたインクを当該記録媒体Ｐに定着させる。この定着機構９は、吐出されたインクを記録媒体Ｐに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにＵＶ（紫外線）を照射することによりインクを硬化させるためのＵＶランプ等で構成されている。
【００３０】
上記の構成において、繰り出しロール３から繰り出される記録媒体Ｐは、バックロール５により、インクジェットヘッド部２との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部２から記録媒体Ｐに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Ｐに吐出されたインクは定着機構９によって定着され、インク定着後の記録媒体Ｐが巻き取りロール４によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ１では、インクジェットヘッド部２を静止させた状態で、記録媒体Ｐを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Ｐに画像が形成される。
【００３１】
なお、インクジェットプリンタ１は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。
【００３２】
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド２１の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド２１のアクチュエータ２１ａ（圧電アクチュエータ）の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図３は、図２のアクチュエータ２１ａにノズル基板３１を接合してなるインクジェットヘッド２１の断面図である。
【００３３】
インクジェットヘッド２１は、複数の圧力室２２ａ（開口部）を有する基板２２上に、熱酸化膜２３、下部電極２４（第１の電極）、圧電薄膜２５、上部電極２６（第２の電極）をこの順で有している。
【００３４】
基板２２は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。なお、図２では、基板２２をＳＯＩ基板で構成した場合を示している。ＳＯＩ基板は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板を接合したものである。基板２２における圧力室２２ａの上壁は、従動膜となる振動板２２ｂを構成しており、圧電薄膜２５の駆動（伸縮）に伴って変位（振動）し、圧力室２２ａ内のインクに圧力を付与する。
【００３５】
熱酸化膜２３は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ2（酸化シリコン）からなり、基板２２の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００３６】
下部電極２４は、複数の圧力室２２ａに共通して設けられるコモン電極であり、Ｔｉ（チタン）層とＰｔ（白金）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、熱酸化膜２３とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１μｍ程度である。
【００３７】
圧電薄膜２５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されており、各圧力室２２ａに対応して設けられている。ＰＺＴは、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ3；ジルコン酸鉛）との固溶体である。圧電薄膜２５の膜厚は、例えば１〜１０μｍ、好適には３〜５μｍ等である。
【００３８】
上部電極２６は、各圧力室２２ａに対応して設けられる個別電極であり、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電薄膜２５とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１〜０．２μｍ程度である。上部電極２６は、下部電極２４との間で圧電薄膜２５を挟むように設けられている。
【００３９】
下部電極２４、圧電薄膜２５および上部電極２６は、圧力室２２ａ内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子２７を構成している。この薄膜圧電素子２７は、駆動回路２８から下部電極２４および上部電極２６に印加される電圧（駆動信号）に基づいて駆動される。インクジェットヘッド２１は、薄膜圧電素子２７および圧力室２２ａを縦横に並べることにより形成される。
【００４０】
圧力室２２ａの振動板２２ｂとは反対側には、ノズル基板３１が接合されている。ノズル基板３１には、圧力室２２ａに収容されるインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔（ノズル孔）３１ａが形成されている。圧力室２２ａには、中間タンク６より供給されるインクが収容される。
【００４１】
上記の構成において、駆動回路２８から下部電極２４および上部電極２６に電圧を印加すると、圧電薄膜２５が、下部電極２４と上部電極２６との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向（基板２２の面に平行な方向）に伸縮する。そして、圧電薄膜２５と振動板２２ｂとの長さの違いにより、振動板２２ｂに曲率が生じ、振動板２２ｂが厚さ方向に変位（湾曲、振動）する。
【００４２】
したがって、圧力室２２ａ内にインクを収容しておけば、上述した振動板２２ｂの振動により、圧力室２２ａ内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室２２ａ内のインクが吐出孔３１ａからインク滴として外部に吐出される。
【００４３】
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド２１の製造方法について以下に説明する。図４は、インクジェットヘッド２１の製造工程を示す断面図である。
【００４４】
まず、基板２２を用意する。基板２２としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に多く利用されている結晶シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ここでは、酸化膜２２ｅを介して２枚のＳｉ基板２２ｃ・２２ｄが接合されたＳＯＩ構造のものを用いている。
【００４５】
基板２２を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、Ｓｉ基板２２ｃ・２２ｄの表面にＳｉＯ2からなる熱酸化膜２３ａ・２３ｂをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜２３ａ上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極２４を形成する。
【００４６】
続いて、基板２２を６００℃程度に再加熱し、変位膜となるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の層２５ａをスパッタ法で成膜する。ここで、図５は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）の２θ／θ測定の結果を示している。なお、図５の縦軸の強度（回折強度、反射強度）は、１秒間あたりのＸ線の計数率（ｃｐｓ；count per second）で示しており、１．Ｅ＋ｎは、１×１０+nを示している。得られたＰＺＴの層２５ａは、図５のグラフより、（１００）配向の１軸配向膜となっていることがわかる。この層２５ａは、成膜後の分極方向が上向き（下部電極２４の成膜側から上部電極２６の成膜側に向かう方向）となるような成膜条件（成膜温度等）で成膜される。
【００４７】
次に、基板２２に感光性樹脂４１をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４１の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜２５の形状を転写する。その後、感光性樹脂４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２５ａの形状を加工し、圧電薄膜２５とする。
【００４８】
次に、圧電薄膜２５を覆うように下部電極２４上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層２６ａを形成する。続いて、層２６ａ上に感光性樹脂４２をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４２の不要な部分を除去し、形成する上部電極２６の形状を転写する。その後、感光性樹脂４２をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２６ａの形状を加工し、上部電極２６を形成する。
【００４９】
次に、基板２２の裏面（熱酸化膜２３ｂ側）に感光性樹脂４３をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂４３の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室２２ａの形状を転写する。そして、感光性樹脂４３をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板２２の除去加工を行い、圧力室２２ａを形成してアクチュエータ２１ａとする。
【００５０】
その後、アクチュエータ２１ａの基板２２と、吐出孔３１ａを有するノズル基板３１とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド２１が完成する。なお、吐出孔３１ａに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜１２ｂを除去して、基板２２と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板３１とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに３者（基板２２、中間ガラス、ノズル基板３１）を接合することができる。
【００５１】
以上のことから、圧電アクチュエータ２１ａは、基板２２上に第１の電極としての下部電極２４を成膜する工程（第１の工程）と、下部電極２４上に圧電薄膜２５を成膜する工程（第２の工程）と、圧電薄膜２５上に第２の電極としての上部電極２４を成膜する工程（第３の工程）とを経て製造されていると言える。
【００５２】
なお、下部電極２４を構成する電極材料は、上述したＰｔに限定されるわけではなく、その他にも、例えばＡｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）、ＩｒＯ2（酸化イリジウム）、ＲｕＯ2（酸化ルテニウム）、ＬａＮｉＯ3（ニッケル酸ランタン）、ＳｒＲｕＯ3（ルテニウム酸ストロンチウム）等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。
【００５３】
また、図６に示すように、下部電極２４と圧電薄膜２５との間に、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＬａＮｉＯ3またはＳｒＲｕＯ3からなる配向制御層２９（シード層）を設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、圧電薄膜２５を構成する材料は、上述したＰＺＴに限定されるわけではなく、その他にも、例えばＰＺＴにＬａ（ランタン）や、Ｎｂ（ニオブ）、Ｓｒ（ストロンチウム）を添加したもの、ＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム）、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウム）、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3等の酸化物やこれらの組み合わせが考えられる。
【００５５】
〔分極反転処理について〕
次に、上記のようにして製造されるインクジェットヘッド（またはアクチュエータ）に対する分極反転処理について説明する。本実施形態では、上部電極２６の成膜後、上向き（下部電極２４から上部電極２６に向かう方向）に分極方向を持つように成膜された圧電薄膜２５の上記分極方向を反転させる分極反転処理を行う（第４の工程）。つまり、圧電薄膜２５の成膜後の時点では上向きとなっている分極方向を、下向き（上部電極２６から下部電極２４に向かう方向）となるように分極反転させる分極反転処理を行う。
【００５６】
図７は、本実施形態の圧電アクチュエータ２１ａの概略の構成を模式的に示す断面図である。なお、図７における実線の矢印は、圧電薄膜２５の分極反転処理後の分極方向を示している。本実施形態では、圧電薄膜２５の分極反転を、圧電薄膜２５のキュリー温度の１／２以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を上部電極２６に印加することにより行う。
【００５７】
分極反転処理時の温度を、圧電薄膜２５のキュリー温度の１／２以下の温度とすることにより、図７に示すように、圧電薄膜２５の膜中で下部電極２４側に多く偏在する酸素欠陥Ｐの、熱による上部電極２６側への拡散が抑制される。そして、この状態で、抗電界よりも大きい正の電界を上部電極２６に印加することにより、膜中の酸素欠陥Ｐを下部電極２４との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転を行うことができる。これにより、上部電極２６との界面側の領域でのリークによる絶縁破壊や、結晶内部での分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、絶縁破壊による耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて、信頼性を向上させることができるとともに、分極ドメインの固定による圧電特性の低下を抑えることができる。
【００５８】
このように、本実施形態の分極反転処理では、圧電薄膜２５の結晶中の酸素欠陥Ｐを、上部電極２６との界面側の領域よりも下部電極２４との界面側の領域に多く偏在させたまま、分極反転を行うことができることから、そのような分極反転処理が施された圧電アクチュエータ２１ａは、以下のように表現することができる。
【００５９】
すなわち、本実施形態の圧電アクチュエータ２１ａは、図７に示すように、基板２２上に、下部電極２４、圧電薄膜２５、上部電極２６をこの順で積層した構成であって、圧電薄膜２５において結晶中の酸素欠陥Ｐが、上部電極２６との界面側の領域よりも下部電極２４との界面側の領域に相対的に多く存在しており、圧電薄膜２５の分極方向が下向き、つまり、上部電極２６から下部電極２４に向かう方向である。この構成では、圧電薄膜２５の酸素欠陥Ｐが下部電極２４側に多く存在しており（酸素欠陥Ｐの上部電極２６側への拡散が抑えられており）、駆動時においても、上部電極２６に正の電界を印加する駆動を行って、膜中の酸素欠陥の下部電極２４側から上部電極２６側への移動を抑えることができるため、酸素欠陥Ｐの拡散に起因するリークによる絶縁破壊や分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて信頼性を向上させ、かつ、圧電特性の低下を抑えた圧電アクチュエータ２１ａを実現することができる。
【００６０】
上記のように、圧電薄膜２５の結晶中の酸素欠陥Ｐが、上部電極２６との界面側の領域よりも下部電極２４との界面側の領域に多く存在しているか否かは、例えばＴＥＭ−ＥＤＳによる圧電薄膜２５の断面の解析によって調べることができる。ＴＥＭは、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope）のことであり、ＥＤＳは、エネルギー分散型Ｘ線分光（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）のことである。すなわち、ＴＥＭ−ＥＤＳは、電子線を試料に照射したときに放射されるＸ線のエネルギーを分析することにより、電子線照射領域の組成を解析する手法である。したがって、この手法を用いることにより、圧電薄膜２５の膜厚方向の組成を解析して、酸素欠陥Ｐの偏在状態を調べることができる。ここで、上記した各界面側の領域とは、例えば圧電薄膜２５の厚さ方向の長さに対して１％以内の範囲（領域）をそれぞれ指す。
【００６１】
次に、分極反転処理を種々の条件（温度、電圧）で行い、各処理条件で得られる圧電特性および信頼性（絶縁破壊の耐電圧、変位量の経時変化）について調べた。
【００６２】
圧電特性については、アクチュエータの変位量をレーザードップラー振動計により測定し、圧電定数ｄ31に換算して調べた。耐電圧については、Ｉ−Ｖ特性（電流−電圧特性）において、リーク電流が急激に１桁以上大きくなる点の電圧を絶縁破壊の耐電圧とした。変位量の経時変化については、ヘッドにインク吐出パルスを１００億回印加する前後でのアクチュエータの変位量の低下の割合で示した。そして、以下の基準に基づき、アクチュエータを総合的に評価した。なお、圧電薄膜はＰＺＴ膜であり、その厚さは５μｍとした。
【００６３】
（評価基準）
◎：圧電定数ｄ31の絶対値が１６０ｐｍ／Ｖ以上であり、耐電圧が７０Ｖ以上であり、経時変化が５％以下である。
○：圧電定数ｄ31の絶対値が１６０ｐｍ／Ｖ以上であり、耐電圧が７０Ｖ以上であり、経時変化が１０％以下である。
×：圧電定数ｄ31の絶対値が１６０ｐｍ／Ｖ未満であり、耐電圧が７０Ｖ未満であり、経時変化が１０％よりも大きい。
【００６４】
表１は、分極反転処理時の温度（分極温度）、電界（分極電圧）、圧電特性、耐電圧、変位量の経時変化および総合評価をまとめて示したものである。なお、分極電圧は、下部電極を基準として上部電極に印加する電圧を示す。表１において、分極方向（分極反転処理後の分極方向）は、下向き（上部電極から下部電極に向かう方向）を‘＋’で示し、上向き（下部電極から上部電極に向かう方向）を‘−’で示している。また、評価が◎または○のものを本発明の実施例と位置付け、評価が×のものを比較例と位置付けている。
【００６５】
【表１】
2015045845.tif 000003
【００６６】
表１の結果より、分極温度が、圧電薄膜のキュリー温度である３６０℃の１／２以下の１８０℃以下で、分極電圧が、抗電界（２５Ｖ）よりも大きい３０Ｖ以上であるときに、圧電特性、耐電圧、変位量の経時変化の全てについて目標値を達成しており、圧電特性が高く、信頼性の高いアクチュエータが得られていることがわかる。なお、抗電界は、圧電薄膜がＰＺＴの場合、５ｋＶ／ｍｍであることから、ＰＺＴの厚さ５μｍで換算すると、２５Ｖとなる。
【００６７】
〔エージング処理について〕
上述の分極反転処理（第４の工程）の後、圧電薄膜の特性を安定させるためのエージング処理（第５の工程）を行ってもよい。このようなエージング処理としては、下部電極および上部電極をショートさせて所定時間放置する処理であってもよいし、分極反転処理と同バイアスのパルス波形を上部電極に印加する処理であってもよい。エージング処理を行うことにより、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和して、圧電薄膜の特性を安定させることができる。
【００６８】
図８は、分極反転処理した圧電アクチュエータに対して、エージング処理を行った場合と行わなかった場合とにおいて、ヘッドにインク吐出パルスを１００億回印加する過程での変位量の経時変化を示している。図中、太い実線は、分極反転処理した実施例２の圧電アクチュエータに対して、電界を印加しない状態で下部電極および上部電極をショートさせ、分極温度と同じ１００℃のままで２４時間放置することでエージング処理を行った後の変位量の経時変化を示し、太い破線は、実施例２の圧電アクチュエータに対して上記のエージング処理を行わなかった場合（実施例２そのもの）の変位量の経時変化を示している。また、図中、細い実線は、分極反転処理した実施例１の圧電アクチュエータに対して、分極温度と同じ８０℃のままで、分極反転処理と同バイアスの（同じ正極性ユニポーラの）三角波を上部電極に１億パルス印加することでエージング処理を行った後の変位量の経時変化を示し、細い破線は、実施例１の圧電アクチュエータに対して上記のエージング処理を行わなかった場合（実施例１そのもの）の変位量の経時変化を示している。
【００６９】
図８より、分極反転処理の後にエージング処理を行った場合、変位量の経時変化（変位量の低下の割合）がほぼ３％に抑えられており、エージング処理を行わなかった場合に比べて変位量の経時的な低下がさらに抑えられていることがわかる。なお、エージング処理の際の温度は、上記の例では分極温度と同じ温度としているが、分極温度よりも低い温度でエージング処理を行えば、エージング処理なしの場合よりも変位量の低下が抑えられる（変位量の低下の割合が３％と１０％との間に抑えられる）ことがわかった。また、圧電特性および耐電圧については、エージング処理の有無でほとんど変化しないことがわかった。
【００７０】
以上のように、圧電アクチュエータに対して分極反転処理後、分極温度以下の温度でエージング処理を行うことにより、圧電特性の低下や耐電圧の低下を招くことなく、変位量の経時的な低下をさらに抑えて、信頼性をさらに向上させることができる。これは、分極温度以下の温度でエージング処理を行うことで、エージング処理における圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥の熱による拡散を抑制しながら、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和できるためと考えられる。また、エージング処理として、上部電極および下部電極をショートさせて所定時間放置したり、分極反転処理と同バイアスのパルス波形を上部電極に印加することにより、エージング処理によって信頼性を向上させる上記の効果を確実に得ることができる。
【００７１】
なお、エージング時間は、上記の例では２４時間としているが、これよりも長い４８時間、６０時間等でも上記と同様の結果が得られることがわかった。したがって、エージング時間は、２４時間には限定されない。また、エージング処理を行うときの印加パルス数は、上記の例では１億としているが、これ以上のパルス数でも上記と同様の結果が得られることがわかった。したがって、印加パルス数は、１億には限定されない。
【００７２】
なお、エージング処理を行うときの印加パルスは、上記の例では三角波としているが、波形はこれに限定されず、正弦波、方形波、台形波などの他の波形であってもよい。また、パルス間隔も一定の周期（周波数）には限定されず、パルス間隔を変化させながらパルスを印加してもよい。
【００７３】
以上で説明した本実施形態の圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電アクチュエータの製造方法は、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。
【００７４】
本実施形態の圧電アクチュエータは、基板上に、第１の電極、圧電薄膜、第２の電極をこの順で積層した圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜において結晶中の酸素欠陥が、前記第２の電極との界面側の領域よりも前記第１の電極との界面側の領域に多く存在しており、前記圧電薄膜の分極方向が、前記第２の電極から前記第１の電極に向かう方向である。
【００７５】
この構成では、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥が、第２の電極との界面側よりも第１の電極との界面側に多く存在し、第２の電極との界面側の領域への酸素欠陥の拡散が抑えられている。また、圧電薄膜の分極方向が下向き（第２の電極から第１の電極に向かう方向）であるので、駆動時には、第２の電極に正の電界を印加する駆動を行って、膜中の酸素欠陥の第１の電極から第２の電極側への移動を抑えることができる。これにより、酸素欠陥の拡散に起因するリークによる絶縁破壊や分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、信頼性の低下を抑え、かつ、圧電特性の低下を抑えた圧電アクチュエータを実現することができる。
【００７６】
上記の圧電アクチュエータにおいて、前記各界面側の領域は、前記圧電薄膜の厚さ方向の長さに対して１％以内の範囲を考えることができる。
【００７７】
上記の圧電アクチュエータは、前記第１の電極と前記圧電薄膜との間に設けられ、ＰＬＴ、ＬａＮｉＯ3、ＳｒＲｕＯ3のいずれかからなる配向制御層を含んでいてもよい。この場合、配向制御層により、圧電薄膜の結晶性および配向性を向上させて、圧電特性をさらに向上させることが可能となる。
【００７８】
本実施形態のインクジェットヘッドは、上記の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている。これにより、信頼性の高い、高性能なインクジェットヘッドを実現することができる。
【００７９】
本実施形態のインクジェットプリンタは、上記のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる構成である。これにより、信頼性の高い、高性能なインクジェットプリンタを実現することができる。
【００８０】
本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に第１の電極を成膜する第１の工程と、前記第１の電極上に圧電薄膜を成膜する第２の工程と、前記圧電薄膜上に第２の電極を成膜する第３の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第２の電極の成膜後、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第４の工程をさらに有し、前記第４の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の１／２以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第２の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第１の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う。
【００８１】
分極反転を、圧電薄膜のキュリー温度の１／２以下の温度で行うことにより、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥の熱による拡散が抑制される。この状態で、抗電界よりも大きい電界を第２の電極に印加することにより、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥を、第２の電極との界面側の領域よりも第１の電極との界面側の領域に多く閉じ込めたまま分極反転を行うことができる。これにより、第２の電極との界面側の領域でのリークによる絶縁破壊や、結晶内部での分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、絶縁破壊による耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて、信頼性の低下を抑えることができるとともに、分極ドメインの固定による圧電特性の低下を抑えることができる。つまり、分極反転を行っても、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる。
【００８２】
上記圧電アクチュエータの製造方法は、前記分極反転処理の後に、前記圧電薄膜の特性を安定させるためのエージング処理を行う第５の工程をさらに有し、前記エージング処理を、前記第４の工程における分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行うことが望ましい。
【００８３】
分極反転処理後にエージング処理を行うことにより、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和して、圧電薄膜の特性を安定させることができる。しかも、このエージング処理を、分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行うことにより、結晶中の酸素欠陥の熱による拡散を抑制しながら、応力や歪みを緩和することができる。その結果、圧電薄膜の特性がさらに安定し、変位量の経時的な低下をさらに抑えて信頼性を向上させることができる。
【００８４】
前記エージング処理は、前記第１の電極および前記第２の電極をショートさせて所定時間放置する処理であってもよい。また、前記エージング処理は、前記第４の工程での分極反転処理と同バイアスのパルス波形を前記第２の電極に印加する処理であってもよい。このようなエージング処理により、変位量の経時的な低下をさらに抑えて信頼性を向上させるという上記の効果を確実に得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、例えばインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに適用される圧電アクチュエータおよびその製造に利用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１      インクジェットプリンタ
２１      インクジェットヘッド
２１ａ    アクチュエータ（圧電アクチュエータ）
２２      基板
２２ａ    圧力室（開口部）
２４      下部電極（第１の電極）
２５      圧電薄膜
２６      上部電極（第２の電極）
２９      配向制御層
３１      ノズル基板
３１ａ    吐出孔（ノズル孔）
【図１】
2015045845.tif 000004
【図２】
2015045845.tif 000005
【図３】
2015045845.tif 000006
【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】
2015045845.tif 000012
【国際調査報告】
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2015045845.tif 000015
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