(57)【要約】      （修正有）【課題】液体吐出ヘッドに用いられる圧電体素子の圧電体層側面および圧電体層内部の絶縁破壊の両方を簡便に防止し耐電圧を向上し、耐久性を向上させる。【解決手段】下電極１０４と、圧電体層１０５、上電極１０６から構成される圧電体素子において、圧電体層１０５上層部に凹部が長手方向に形成され、かつ凹部内にのみ上電極１０６が形成されていることを特徴とする。また凹部を形成する際に少なくとも凹部内の平均表面粗さＲａを２０ｎｍ以下にする。【選択図】図１
2008055871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する圧力発生室、前記圧力発生室内に満たされた前記液体に圧力を与える振動板、前記振動板を変形させる圧電体素子を少なくとも有するインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電体素子は圧電体層、前記圧電体層をはさんで対向する第1の電極および第2の電極を有し、
前記圧電体層上層部に凹部が形成され、かつ凹部内にのみ第1の電極が形成されていることを特徴とする圧電体素子。
【請求項２】
前記凹部内の平均表面粗さRaが20nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。
【請求項３】
前記振動板に凹部が形成され凹部内にのみ前記第2の電極が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電体素子。
【請求項４】
前記振動板上面と前記第2の電極上面が同一平面内にあることを特徴とする請求項3に記載の圧電体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドを構成する圧電体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
パソコンの印刷装置として液体吐出装置を用いたプリンタが、印字性能が良く低コストなので広く利用されている。この液体吐出装置には、熱エネルギーによって液に気泡を発生させその気泡の圧力により液滴を吐出させるもの、静電力により液体を吸引吐出させるもの、圧電体素子のような振動子の圧力により液滴を吐出させるもの等が開発されている。
【０００３】
上記のうち圧電体素子を用いたものは、液滴量の制御が正確であることや吐出材料の制限が少ないことなどのメリットがあり印刷装置だけでなく配線描画などの産業用途にも利用されている。
【０００４】
構成としては吐出口に連通した流路と、流路の一部に形成された圧力発生室、この圧力発生室に対応して設けられた圧電体素子、この圧電体素子が接合された振動板などを有する。圧電体素子に所定の電圧を印加すると圧電体素子が伸縮し、圧電体素子と振動板とが一体となって変形して圧力発生室内の液が圧縮され、それにより吐出口から液滴が吐出する。
【０００５】
圧電体素子は特開平5-286131に見られるように、振動板の表面全体に成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィ技術により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電体素子を形成したものが提案されている。これによれば圧電体素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ技術という精密でかつ簡便な手法で圧電体素子を形成することができるばかりでなく、圧電体素子の厚みを薄くできて高密度化が可能になるという利点がある。
【０００６】
一般的に薄膜による圧電体素子は、基板上に下電極を形成し、この下電極上に圧電体薄膜を形成し、さらに圧電体薄膜上に上電極を形成して構成される。圧電体薄膜の結晶性は主として、基板材料、下電極材料、圧電体薄膜の化学組成、結晶化させる為の焼成時の温度・時間に影響する。
【０００７】
薄膜技術及びリソグラフィ技術により形成した圧電体素子は厚いバルクの圧電体素子に比べて耐電圧が低く、電圧を印加して駆動を繰り返すと絶縁破壊が発生するという問題がある。この絶縁破壊は圧電体層と上電極又は下電極との境界部分で起こり易く、端部近傍の領域で起こり易い。
【０００８】
これを解決する手段として、特開平6-246914、特開平11-235818、特開2001-260357のように圧電体層に保護膜を形成する方法、特開2000-246892、特開2000-326503のように下電極を覆うように圧電体層を形成する方法、特開2003-347618、特開2004-235599、特開2005-119166のように下電極上に配向制御層などを設けて圧電体薄膜の耐電圧を向上する方法などが提案されている。
【特許文献１】特開平5-286131号公報
【特許文献２】特開平6-246914号公報
【特許文献３】特開平11-235818号公報
【特許文献４】特開2001-260357号公報
【特許文献５】特開2000-246892号公報
【特許文献６】特開2000-326503号公報
【特許文献７】特開2003-347618号公報
【特許文献８】特開2004-235599号公報
【特許文献９】特開2005-11916号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら圧電体層に保護膜を形成する方法は、圧電体素子の変位を阻害しないようさまざまな形状が提案されているが、変位の阻害を完全には無くすのは困難である。また圧電体層側面の絶縁破壊を防止することはできるが、焼成後の圧電体層表面の凹凸やボイドを原因とする圧電体層内部の絶縁破壊を防止することはできない。
【００１０】
下電極を覆うように圧電体層を形成する方法も、圧電体層内部の絶縁破壊を防止することはできない。
【００１１】
下電極上に配向制御層などを設けて圧電体薄膜の耐電圧を向上する方法は、圧電体層側面の絶縁破壊を防止することはできない。また最適条件を出すのが容易ではなく、開発コストを上げる恐れがある。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、液体吐出ヘッドに用いられる圧電体素子の圧電体層側面および圧電体層内部の絶縁破壊の両方を簡便に防止し耐電圧を向上し、耐久性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者等は上記の目的を達成するために本発明では、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する圧力発生室、前記圧力発生室内に満たされた前記液体に圧力を与える振動板、前記振動板を変形させる圧電体素子を少なくとも有するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電体素子は圧電体層、前記圧電体層をはさんで対向する第1の電極および第2の電極を有し、前記圧電体層上層部に凹部が形成され、かつ凹部内にのみ第1の電極が形成されていることを特徴とする。これにより圧電体層側面の絶縁破壊を防止することが出来る。
【００１４】
また、前記凹部内の平均表面粗さRaが20nm以下であることを特徴とする。これにより圧電体層内部の絶縁破壊を防止する。
【００１５】
また前記振動板に凹部が形成され凹部内にのみ前記第2の電極が形成されていることを特徴とし、前記振動板上面と前記第2の電極上面が同一平面内にあることを特徴とする。これによりさらなる耐電圧向上を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液体吐出ヘッドに用いられる圧電体素子の圧電体層側面および圧電体層内部の絶縁破壊の両方を簡便に防止し耐電圧を向上し、耐久性を向上させることできる。また、この方法によれば圧電体の特性自体を向上することなしに耐電圧を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
これらについて図面に基づき詳しく説明する。図1は本発明による液体吐出ヘッドに適用する圧電体素子の実施態様例の断面模式図である。基板101には振動板が変位できるように形成された自由空間102が形成されている。自由空間上には、振動板103、下電極104、圧電体薄膜105、上電極106等が形成されている。
【００１８】
本発明による圧電体素子は、圧電体層上層部に形成された凹部内に上電極が形成されることで圧電体層側面に沿った絶縁破壊を防止する。また、検討の結果、凹部を形成する際に少なくとも凹部内の平均表面粗さRaを20nm以下好ましくは5nm以下にすることで圧電体層内部の絶縁破壊を防止することが分かった。また、振動板に形成された凹部内に下電極を形成し、振動板上面と下電極上面を同一平面上になるように加工することで下電極の端部の段差を無くし、絶縁破壊をさらに防止することができる。
【００１９】
以下に、本発明を図面を用いて説明する。図2は本発明の液体吐出ヘッドに用いられる圧電体素子の製造方法を模式的に示す工程図である。以下に各工程について説明する。尚、以下の工程（a）〜（g）は図2（a）〜（g）に対応する。
【００２０】
(a)
基板201を用意する。本発明において、基板としてはSi基板やSOI基板、ガラス基板、MgO基板、Al2O3基板などを用いることができるが、微細加工技術による高密度な駆動回路を作成しやすい点や酸化して良質な絶縁膜を形成しやすい点から好適にSi基板もしくはSOI基板を用いる。基板を微細加工する方法としてはRIE／DeepRIE（ICP)などのドライエッチングやTMAH(テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド)／KOH（水酸化カリウム）による異方性エッチング、サンドブラストなどによる方法が可能であるが、微細加工が容易なRIE／DeepRIE（ICP)を好適に用いる。
【００２１】
Si基板の場合はSi基板上に振動板となる材料層を形成する。Si層、埋め込みSi酸化膜、薄膜Si層から成るSOI基板の場合は、薄膜Siを振動板にすることで膜厚精度の良い、剛性の高い振動板を形成することができる。
【００２２】
以下、本発明においてはSOI基板を例に説明する。Si層202、埋め込みSi酸化膜203、薄膜Si層204である。
【００２３】
(b)
振動板となる薄膜Si層に凹部を形成する。微細加工が容易なRIEまたはDeepRIE（ICP)を好適に用いる。RIEの場合にはエッチングガスとしてCl系、Br系、O2などの混合ガスを用いる。DeepRIE（ICP)の場合にはF系、CF系ガスを用いたBOSHプロセスを利用する。所望の深さ加工した後、基板に熱酸化法やCVD法などでSiO2を形成する。
【００２４】
振動板に凹部を形成する際、上記のようにSiを凹加工した後にSiO2を形成しても良いし、SiO2を形成してから凹加工しても良い。SiO2を凹加工する際は、エッチングガスとしてCF系、CHF系、Arなどの混合ガスを用いたRIEを行う。
【００２５】
リソグラフィ技術によって自由空間209を設けるための所望のエッチングマスク層205をSi層側に形成する。
【００２６】
(c)
下電極206を形成する。下電極としては導電性が高く、圧電体薄膜形成工程等の焼成などに耐えうるものの中から適宜選択される。好ましいものの例としては、Au、Pt、Pd、Ir、Rh、Ruなどの貴金属材料が挙げられる。また、これら貴金属材料からなる合金や積層膜なども用いることができる。成膜方法としては膜厚制御が容易で膜厚分布も良好な蒸着法やスパッタ法などの気相法を用いる。厚さは適宜決定されてよいが、抵抗および応力の点から0.1〜1μm程度が好ましい。基板との密着性をあげるために、TiやTaなどを成膜するのが好ましい。厚さとしては耐電圧を低下させないために5nm〜30nmが好ましい。
【００２７】
下電極を所望の形状にパターニング後、研磨することで振動板上面と上電極上面をフラットにする。
【００２８】
(d)
下電極上にスパッタ法等の気相法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電体薄膜207の成膜および焼成を行う。
【００２９】
(e)
圧電体薄膜上層部に凹部をリソグラフィ技術を利用して所望の形状に形成する。ガスとしてはCF系、Cl系、F系、O2、N2、Arなどのガスまたは混合ガスを使い、凹部内の表面粗さが20nm以下になるようにエッチングする。
【００３０】
(f)
圧電体薄膜上に上電極208を形成する。上電極としては電極として慣用されているものを利用することができ、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ir、Rh、Ruなどの貴金属材料を用いることができる。上電極と圧電体薄膜の密着を上げるために、TiやTaなどを成膜するのが好ましい。
【００３１】
その後、リソグラフィ技術を利用して上電極、圧電体薄膜、下電極などを所望の形状にパターニングする。
【００３２】
(g)
DeepRIE（ICP)を用いて、自由空間209を形成する。F系、CF系ガスを用いたBOSHプロセスを利用し、埋め込みSi酸化膜をエッチングストップ層にして自由空間を形成する。埋め込みSi酸化膜は変位の阻害となるので、ウェットまたはドライエッチングで除去する。
【００３３】
以上で本発明の液体吐出ヘッドに用いられる圧電体素子の製造工程が完了する。この後、図3のように吐出口などが形成された基板307を自由空間側に接合したり、図4のように振動板側に圧力発生室や吐出口などが形成された基板407を接合することで液体吐出ヘッドを製造することが出来る。
【００３４】
次に本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３５】
基板として6インチのSOI基板を利用した。構成としてはSi層が厚さ200μｍ、埋め込みSi酸化膜が0.5μm、薄膜Si層が5μmである。その後、基板の表裏面に厚さ0.6μmのSi酸化膜を熱酸化法により形成した。次に基板のSi層側表面にプラズマCVDによるSiO2を2μm形成した。リソグラフィ技術によりSi層側のSi酸化膜を、後のDeepRIE（ICP)によって圧力発生室を形成する際のエッチングマスクとなるようにパターニングした。エッチングガスはCF4、CHF3、Arの混合ガスを用いた。
【００３６】
Ti/Ptを0.5nm/300nmをスパッタ法により成膜し、リソグラフィ技術を用いて所望のパターニングを行った。この時BCl3ガスを用いたプラズマエッチングを行った。
【００３７】
次にアモルファスPZT層をスパッタ法にて4μm表面に形成した。アモルファスPZT層は650℃の後熱処理により無配向PZT層となる。形成した膜を酸素雰囲気中で昇温1℃/分、650℃で5時間アニールし結晶化を行った。焼成後、室温まで1℃/分で徐冷を行った。
【００３８】
次にリソグラフィ技術を利用してPZT層に所望の凹部（0.9μm）を形成した。この時C4F8とCl2の混合ガスを用いたプラズマエッチングを行った。さらにArガスを用いたプラズマエッチングを行って平滑化を行った。この時のエッチング量は0.1μm、平均表面粗さRaは20nmであった。
【００３９】
次にTi/Ptを0.5nm/300nmをスパッタ法により成膜し、その後所望のパターニングを行った。Ti/PtはBCl3を、PZTはC4F8とCl2の混合ガスを用いてエッチングを行った。
【００４０】
次に、SF6、C4F8を用いたBOSHプロセスを利用したDeepRIEにより圧力発生室となる自由空間を形成した。その後、BHF溶液(NH4F+HF+H2O)に浸漬して埋め込みSi酸化膜を除去した。
【００４１】
完成した圧電体素子のPZT層の凹部における高い部分の高さ4μm、低い部分の高さ3μm、凹部幅80μm、PZT層幅100μm、上電極幅75μm、下電極幅90μmであった。図5は断面模式図である。
【００４２】
その後、吐出口などが形成された基板を接着剤にて貼り合せて液体吐出ヘッドを完成させた。
【００４３】
完成したヘッドにおいて、120Vまで電圧をかけても絶縁破壊は生じなかった。また30V、20kHzで駆動させたところ、5×1010パルス駆動させても絶縁破壊は生じなかった。
【実施例２】
【００４４】
基板として6インチのSOI基板を利用した。構成としてはSi層が厚さ200μｍ、埋め込みSi酸化膜が0.5μm、薄膜Si層が5μmである。SF6、C4F8を用いたBOSHプロセスを利用したDeepRIEにより1μmの深さの凹部を形成した。その後、基板の表裏面に厚さ0.6μmのSi酸化膜を熱酸化法により形成した。Ti/Ptを0.5nm/300nmをスパッタ法により成膜し、リソグラフィ技術を用いて所望のパターニングを行った。この時BCl3ガスを用いたプラズマエッチングを行った。研磨を行って基板の薄膜Si層側表面をフラットにした。
【００４５】
次に基板のSi層側表面にプラズマCVDによるSiO2を2μm形成した。リソグラフィ技術によりSi層側のSi酸化膜を、後のDeepRIE（ICP）によって圧力発生室を形成する際のエッチングマスクとなるようにパターニングした。エッチングガスはCF4、CHF3、Arの混合ガスを用いた。
【００４６】
次にアモルファスPZT層をスパッタ法にて4μm表面に形成した。アモルファスPZT層は650℃の後熱処理により無配向PZT層となる。形成した膜を酸素雰囲気中で昇温1℃/分、650℃で5時間アニールし結晶化を行った。焼成後、室温まで1℃/分で徐冷を行った。
【００４７】
次にリソグラフィ技術を利用してPZT層に所望の凹部（0.9μm）を形成した。この時C4F8とCl2の混合ガスを用いたプラズマエッチングを行った。さらにArガスを用いたプラズマエッチングを行って平滑化を行った。この時のエッチング量は0.1μm、平均表面粗さRaは20nmであった。
【００４８】
次にTi/Ptを0.5nm/300nmをスパッタ法により成膜し、その後所望のパターニングを行った。Ti/PtはBCl3を、PZTはC4F8とCl2の混合ガスを用いてエッチングを行った。
【００４９】
次に、SF6、C4F8を用いたBOSHプロセスを利用したDeepRIEにより圧力発生室となる自由空間を形成した。その後、BHF溶液(NH4F+HF+H2O)に浸漬して埋め込みSi酸化膜を除去した。
【００５０】
完成した圧電体素子のPZT層の凹部における高い部分の高さ4μm、低い部分の高さ3μm、凹部幅80μm、PZT層幅100μm、上電極幅75μm、下電極幅90μmであった。図6は断面模式図である。
【００５１】
その後、吐出口などが形成された基板を接着剤にて貼り合せて液体吐出ヘッドを完成させた。
【００５２】
完成したヘッドにおいて、150Vまで電圧をかけても絶縁破壊は生じなかった。実施例1よりも耐電圧が高かった。また30V、20kHzで駆動させたところ、5×1010パルス駆動させても絶縁破壊は生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明における圧電素子の例
【図２】本発明における圧電素子の形成フロー
【図３】本発明における圧電素子を利用した液体吐出ヘッドの例
【図４】本発明における圧電素子を利用した液体吐出ヘッドの例
【図５】実施例１の液体吐出ヘッド
【図６】実施例２の液体吐出ヘッド
【符号の説明】
【００５４】
101  基板
102  自由空間
103  振動板
104  下電極
105  圧電体層
106  上電極
201  基板
202  Si層
203  埋め込みSi酸化膜
204  薄膜Si層
205  エッチングマスク層
206  下電極
207  圧電体薄膜
208  上電極
209  自由空間
301、401、501、601  Si層
302、402、502、602  埋め込みSi酸化膜
303、403、503、603  薄膜Si層
304、404、504、604  下電極
305、405、505、605  圧電体層
306、406、506、606  上電極
307、507、607  吐出口などが形成された基板
407  圧力発生室や吐出口などが形成された基板
【図１】
2008055871.tif 000003
【図２】
2008055871.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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