(57)【要約】【課題】圧電素子の圧電体中のグレインサイズを圧電体の各部位ごとに制御することによって、圧電特性を高く保つとともに破損しにくい圧電素子、およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の圧電素子は、振動板１０と、振動板１０の上に設けられた酸化アルミニウム層２０と、酸化アルミニウム層２０の上に設けられた下部電極３０と、酸化アルミニウム層２０の上、および下部電極３０の上に設けられた圧電体層４０と、圧電体層４０の上に設けられた上部電極５０と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、
前記振動板の上に設けられた酸化アルミニウム層と、
前記酸化アルミニウム層の上に設けられた下部電極と、
前記酸化アルミニウム層の上、および前記下部電極の上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の上に設けられた上部電極と、
を含む圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体層は、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物（Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含む。）から構成される圧電素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化アルミニウム層の少なくとも上面は、アモルファス構造である圧電素子。
【請求項４】
振動板の上に酸化アルミニウム層を設ける工程と、
前記酸化アルミニウム層の上に下部電極を設ける工程と、
前記下部電極をパターニングする工程と、
前記酸化アルミニウム層の上、および前記下部電極の上に圧電体層を設ける工程と、
前記圧電体層の上に上部電極を設ける工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、印刷技術として、インクジェットプリンタが広く普及している。インクジェットプリンタによる印刷の質を向上するためには、インクを吐出するインクジェットヘッドの駆動部分であるアクチュエータの性能を高めることが重要である。アクチュエータの性能に対しては、高密度化、高信頼性化などの要求が厳しい。アクチュエータの方式としては、機械的にインクを吐出するものの他、インクの気化を利用してインクを吐出するものなど各種の方式が実用化されている。前者の方式は、アクチュエータを圧電素子の動作によって駆動している。この圧電素子には、高密度化のために、薄膜化および圧電特性の向上が求められている。
【０００３】
圧電素子は、圧電体を２つの電極で挟んで構成され、電極からの電気信号により圧電体が伸縮して動作する。ここで、圧電体とは、電気機械変換が可能な物質のことを指している。圧電体には、セラミック材料が主に用いられ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの材料の多結晶の焼結体が代表的である。また、圧電体は動作を繰り返すことによって破損する場合がある。特に例えば特開２００２−３１４１６３にあるように、圧電体の一部のみが２つの電極に挟まれている構造の素子では、伸縮動作する部分としない部分とを１つの圧電体の中に有することになり、伸縮動作しない部分が、伸縮動作する部分の動作によって応力を受けて破損しやすいという問題となることがあった。
【特許文献１】特開２００２−３１４１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、圧電体に応力が生じたときには結晶粒（グレイン）間の界面に応力集中が発生し圧電体が破損しやすいことに着目した。そして、本発明者は、圧電体中のグレインサイズを圧電体の各部位において制御することができれば、圧電特性を損なわず、かつ応力集中点を分散させることができること、および酸化アルミニウムによって圧電体のグレインサイズを変化させ得ることを見出した。
【０００５】
本発明の目的は、圧電素子の圧電体中のグレインサイズを圧電体の各部位ごとに制御することによって、圧電特性を高く保つとともに破損しにくい圧電素子、およびそ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】
本発明の圧電素子は、振動板と、前記振動板の上に設けられた酸化アルミニウム層と、前記酸化アルミニウム層の上に設けられた下部電極と、前記酸化アルミニウム層の上、および前記下部電極の上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層の上に設けられた上部電極と、を含む。
【０００７】
このような構成をとれば、圧電素子の圧電体中のグレインサイズを圧電体の各部位ごとに制御することができ、圧電特性を高く保つとともに破損しにくい圧電素子となる。
【０００８】
本発明の圧電素子は、前記圧電体層が一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物（Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含む。）から構成されることができる。
【０００９】
本発明の圧電素子は、前記酸化アルミニウム層の少なくとも上面が、アモルファス構造であることができる。
【００１０】
本発明の圧電素子の製造方法は、振動板の上に酸化アルミニウム層を設ける工程と、前記酸化アルミニウム層の上に下部電極を設ける工程と、前記下部電極をパターニングする工程と、前記酸化アルミニウム層の上、および前記下部電極の上に圧電体層を設ける工程と、前記圧電体層の上に上部電極を設ける工程と、を含む。
【００１１】
このようにすれば、圧電素子の圧電体中のグレインサイズが圧電体の各部位ごとに制御され、圧電特性が高く、破損しにくい圧電素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に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。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の一例として記述される。
【００１３】
１．圧電素子１００
図１は、本実施形態の圧電素子１００を模式的に示す断面図である。圧電素子１００は、振動板１０と、振動板１０の上に設けられた酸化アルミニウム層２０と、酸化アルミニウム層２０の上に設けられた下部電極３０と、酸化アルミニウム層２０の上、および下部電極３０の上に設けられた圧電体層４０と、圧電体層４０の上に設けられた上部電極５０とを含む。
【００１４】
振動板１０は、圧電素子１００の基体を構成する。振動板１０は、図１においては、説明の簡便のために下部に描かれている。振動板１０は、たとえば、インクジェットヘッドの可動部分を構成していてもよく、圧力発生室などの壁の一部を構成していてもよい。振動板１０は、圧電体層４０の動作により、たわんだり振動したりすることができる。振動板１０の材質には、剛性および機械的強度の高い材料を用いることが望ましい。振動板１０の厚みは、用いる材質の弾性率、その他の要因（たとえば、さらにその下に設けられる部材の性質など）にしたがって、最適に選ばれる。振動板１０の材質としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を好適に用いることができる。振動板１０は、２種以上の物質の積層構造であってもよい。
【００１５】
酸化アルミニウム層２０は、振動板１０の上に設けられる。酸化アルミニウム層２０は、その上に形成される圧電体層４０中のグレインサイズを制御するために設けられる。酸化アルミニウム層２０の材質は酸化アルミニウムである。酸化アルミニウム層２０の上面は、その上に圧電体層４０が形成されたときに、圧電体層４０のグレインサイズを小さくする機能を有する。酸化アルミニウム層２０の少なくとも上面は、アモルファス（非晶質）で構成される。酸化アルミニウム層２０は、上面が非晶質構造であれば、その他の部分は結晶構造を含んでいてもよい。
【００１６】
下部電極３０は、振動板１０の上に接して形成される。下部電極３０の厚みは、少なくとも振動板１０に圧電体層４０の変形が伝達できる範囲であれば任意である。下部電極３０は、酸化アルミニウム層２０の一部を露出するようにパターニングされる。下部電極３０は、上部電極５０と対になり、圧電体層４０を挟んでおり、キャパシタ構造の一方の電極としての機能を有する。下部電極３０の厚みは、たとえば１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることができる。下部電極３０は、その上面に圧電体層４０が形成される場合、圧電体層４０の結晶の配向およびグレインサイズを圧電動作に適したものとする機能を有する。下部電極３０の材質は、この機能を満足する導電性を有する物質である限り、特に限定されない。下部電極３０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物など、を用いることができる。また、下部電極３０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。たとえば、下部電極３０は、材質を白金とし、２００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００１７】
圧電体層４０は、下部電極３０の上、および酸化アルミニウム層２０の上に接して形成される。圧電体層４０の厚みは、機械的な信頼性を維持するために５００ｎｍ〜１５００ｎｍとすることができる。圧電体層４０は、下部電極３０および、上部電極５０によって電界が印加される部分が伸縮変形し、これにより振動板１０をたわませたり振動させたりする機能を有する。本実施形態の圧電体層４０は、下部電極３０の上、および酸化アルミニウム層２０の上に形成されるため、一対の電極に挟まれない部分を有する。圧電体層４０は、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層４０の材質としては、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物（Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含む。）が好適に用いられる。たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴＮ）などは、圧電性能が良好なため、圧電体層４０の材質として好ましい。圧電体層４０の材質は、前記材料の焼結体であり、グレインと称する結晶粒を有することがある。
【００１８】
圧電体層４０の内部で、下部電極３０の上に位置する領域（図１の符号４２）では、圧電体層４０は、大きさが０．１μｍないし０．５μｍ程度のグレインを有する。酸化アルミニウム層２０の上に位置する領域（図１の符号４４）では、圧電体層４０は、グレインを有しないか、または領域４２のグレインサイズよりも小さいグレインを有する。このことは、次に述べる実験により確かめられている。
【００１９】
図５は、圧電体層４０のグレインサイズが、その下に形成される物質によって異なることを示すＳＥＭ観察結果である。図６は、図５のＳＥＭ写真に対応して描いた各部位のグレインサイズ示す模式図である。図５の試料は、表面がアモルファスの酸化アルミニウム層２０の上に、下部電極３０（この実験では白金を用いた。）をパターニングして形成し、その上に圧電体層４０（この実験ではＰＺＴを用いた。）を形成し、７００℃で焼成したものである。図５において、領域４２、すなわち下部電極３０の上方の圧電体層４０の表面には、グレインが観察された。一方、図５において、領域４４、すなわち表面がアモルファスの酸化アルミニウム層２０の上の圧電体層４０の表面には、グレインが観察されなかった。すなわち、領域４４は、圧電体のグレインを有しないか、または、グレインサイズがＳＥＭ観察の分解能よりも小さいために観察されないかのいずれかと考えられる。
【００２０】
上記実験結果から、アモルファスの酸化アルミニウム層２０の表面に接して形成された圧電体層４０は、非常に小さいグレインを有するか、または、グレインを有しないことが判明した。図６の符号Ｇが示す区画は、ＳＥＭ観察されたグレインを単純化して描いたものである。このように、酸化アルミニウム層２０を利用することで、同一の圧電体層４０において、電極上の領域４２ではグレインを形成でき、それ以外の領域４４では小さいグレインを形成できることが分かった。
【００２１】
図５における領域４２は、図１における領域４２に対応し、この領域の圧電体層４０は、比較的大きいグレインを有しているため、圧電素子１００の圧電特性（たとえば、電気機械変換効率）が十分に高い。一方、図５における領域４４は、図１における領域４４に対応し、この領域の圧電体層４０は、小さいグレインを有するか、グレインを有しないため、応力集中点が分散または消滅して、変形による応力を受けたときに破損しにくくなっている。したがって、圧電素子１００は、１つの圧電体層４０の中に、電極に挟まれて伸縮動作する領域４２と、これにともなって、伸縮変形を受ける領域４４とを有するにもかかわらず、圧電体層４０の破壊が生じにくくなっている。
【００２２】
上部電極５０は、圧電体層４０の上に接して形成される。上部電極５０の厚みは、圧電素子１００の動作に悪影響を与えない範囲であれば限定されない。上部電極５０の厚みは、たとえば５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。上部電極５０は、下部電極３０と対になり、キャパシタ構造の一方の電極としての機能を有する。上部電極５０の材質は、前記機能を満足する導電性を有する物質である限り、特に限定されない。上部電極５０の材質は、ニッケル、イリジウム、金、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物など、を用いることができる。また、上部電極５０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００２３】
２．圧電素子１００の製造方法
図２ないし図４は、図１の圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２４】
本実施形態の圧電素子１００の製造方法は、振動板１０の上に酸化アルミニウム層２０を設ける工程と、酸化アルミニウム層２０の上に下部電極３０を設ける工程と、下部電極３０をパターニングする工程と、酸化アルミニウム層２０の上、および下部電極３０の上に圧電体層４０を設ける工程と、圧電体層４０の上に上部電極６０を設ける工程と、を含む。
【００２５】
図２に示すように、まず、振動板１０を準備する。次に、図２に示すように、振動板１０の上に、酸化アルミニウム層２０を形成する。酸化アルミニウム層２０は、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。次に下部電極３０ａを形成する。下部電極３０ａは、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。次に図３に示すように、下部電極３０ａをパターニングして、下部電極３０を形成し、酸化アルミニウム層２０を露出させる。下部電極３０ａのパターニングは、たとえば、下部電極３０ａの上にマスク層（図示せず）を形成してマスク層をマスクとしてエッチングし、当該マスク層を除去して行われる。エッチングの方法には、ドライエッチング、ウェットエッチングなどの方法、または、それらの組み合わせを用いることができる。特に、ドライエッチングにおいてハロゲンガスと酸素を含んだプラズマを使用すると、電極材料を酸化アルミニウムに対して選択的に除去できる。
【００２６】
次に、図４に示すように圧電体層４０ａを、下部電極３０と露出した酸化アルミニウム層３０の上に積層する。圧電体層４０ａは、ゾルゲル法によって形成され、たとえばスピンコート法により、原料溶液を塗布して焼結させて形成される。塗布された圧電体層４０ａは、予備加熱処理が行われた後に焼結されてもよい。予備加熱処理は、圧電体層４０ａの原料溶液に含まれる溶媒等を除去するために、たとえば、２００℃から３００℃に加熱することにより行われる。圧電体層４０ａの焼結（結晶化アニール）は、圧電体層４０ａの材料が結晶化する温度以上、かつ、アモルファスの酸化アルミニウムが結晶化する温度以下の温度範囲で行われることが好ましい。この温度範囲で結晶化アニールを行うと、下部電極３０上の圧電体層４０ａにグレインが形成されるが、酸化アルミニウム層２０上の圧電体層４０ａは、結晶化しないか、非常に小さいグレインサイズを有するように形成される。たとえば、圧電体層４０ａの材質がＰＺＴである場合は、酸素雰囲気で７００℃、５分間程度に加熱することが好ましい。また、原料溶液塗布、予備加熱、結晶化アニールの一連の作業を数回繰り返して所望の膜厚にしても良い。
【００２７】
次に圧電体層４０ａの上に上部電極５０ａが形成される。上部電極５０ａは、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。そして、圧電体層４０ａおよび上部電極５０ａをパターニングして、図１に示すように、圧電素子１００を得ることができる。圧電体層４０ａおよび上部電極５０ａのパターニングは、たとえば、上部電極５０ａの上にマスク層（図示せず）を形成してマスク層をマスクとしてエッチングし、当該マスク層を除去して行われる。エッチングの方法には、ドライエッチング、ウェットエッチングなどの方法、または、それらの組み合わせを用いることができる。例えば、上部電極はハロゲンガスとアルゴンガスの混合ガス、圧電体層はハロゲンガスとフロンガスの混合ガスを用いてドライエッチングを行うことで、良好なパターニングが行える。
【００２８】
３．作用効果
本実施形態の圧電素子１００は、１つの圧電体層４０の中に、電極に挟まれて伸縮動作する領域４２と、これにともなって、伸縮変形を受ける領域４４とを有する。圧電体層４０の領域４２は、比較的大きなグレインサイズを有し、結晶方位のそろった多結晶体のため圧電特性がよい。一方、圧電体層４０の領域４４では、アモルファス状態のためグレインがないか、小さいグレインサイズを有する多結晶体のため、特定の部位に応力が集中せず、破壊が生じにくい。よって、本実施形態の圧電素子１００は、圧電体層４０のグレインサイズが圧電体層４０の各部位ごとに制御されるため、圧電特性が高く、かつ破損しにくいものである。
【００２９】
本実施形態の圧電素子１００の製造方法は、圧電素子１００の圧電体層４０の中のグレインサイズを下部電極３０の上では大きく、酸化アルミニウム層２０の上では小さく制御することができる。よって、本実施形態の圧電素子１００の製造方法は、グレインサイズを圧電体層４０の各部位ごとに制御でき、圧電特性が高く、かつ破損しにくい圧電素子を製造できるものである。
【００３０】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態にかかる圧電素子１００を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態にかかる製造工程を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態にかかる製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態にかかる製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態の圧電体層４０の一例の走査型電子顕微鏡写真。
【図６】図５の走査型電子顕微鏡写真の説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１０  振動板、２０  酸化アルミニウム層、３０，３０ａ  下部電極、４０，４０ａ  圧電体層、４２，４４  領域、５０，５０ａ  上部電極、Ｇ  グレイン、１００  圧電素子
【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６】
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【図５】
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