(57)【要約】【課題】環境に有害な酸化鉛系材料を含まない圧電素子をシリコン基板の振動板上に形成し、高密度且つ高精度であり、低コストな圧電素子アクチュエータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】単結晶のシリコン基板１に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２が形成され、シリコン基板１の表面側の酸化シリコン膜層２に、Ｐｔ下部電極３、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜４、およびＡｕ上部電極５が順次積層されている。シリコン基板１の背面側の圧電体厚膜４に対応する位置に、シリコン基板１による振動板６を介して圧力室７が形成されている。圧電体厚膜４は、スクリ−ン印刷法によりチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料を印刷して、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層が形成され、上記シリコン基板の表面側の上記酸化シリコン膜層に、下部電極、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜、および上部電極が順次積層され、上記シリコン基板の背面側の上記圧電体厚膜に対応する位置に、上記シリコン基板による振動板を介して圧力室が形成されたことを特徴とする圧電素子アクチュエータ。
【請求項２】
上記圧電体厚膜は、スクリ−ン印刷法によりチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料を印刷して、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成されたものであることを特徴とする請求項１記載の圧電素子アクチュエータ。
【請求項３】
シリコン基板に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層を形成し、この酸化シリコン膜層の表面に下部電極を形成し、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料をスクリ−ン印刷法により設け、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成して電体厚膜を形成し、この後、上記圧電体厚膜の表面に上部電極を形成することを特徴とする圧電素子アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
上記下部電極は、上記酸化シリコン膜層にＰｔペ−ストをスクリ−ン印刷し、乾燥後、１２００〜１３７０℃程度で焼成することを特徴とする請求項３記載の圧電素子アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
上記シリコン基板の背面側に、上記下部電極の形成前、または上記上部電極の形成後に、エッチングにより圧力室を形成し、上記シリコン基板による振動板を設けることを特徴とする請求項３または４記載の圧電素子アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インク滴を吐出させて印刷を行うインクジェットプリンタ用のインクジェットヘッド等の圧電素子アクチュエータであって、特に環境に有害な酸化鉛系化合物を使用しない材料組成の圧電素子アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平６−４００３０号公報
【特許文献２】特開平１１−２０７９５７号公報
【特許文献３】特開平１１−３１４３７２号公報
【特許文献４】特開２０００−７２５３９号公報
従来、例えばインクジェットプリンタのインクジェットヘッドは、インク滴を溜めて吐出させる圧力室に面して振動板を設け、この振動板を振動させて、圧力室内のインクに吐出圧力を与えている。この圧力室の振動板を振動させるには、一般に圧電素子が用いられており、圧電素子は圧力室の位置に対応して振動板の外側壁面に密着して設けられている。従来、例えば特許文献１に開示されているように、圧力室はジルコニアセラミックスの積層体によって形成され、この上に密着して設けられた圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛系材料を印刷、焼成することによって形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高画質な画像を高速で出力するためのものや、産業用として多数のパタ−ン形成を高速に行うためのプリンタ用のインクジェットヘッドにおいては、多数のノズルを高密度に配置する必要があり、圧力室も高密度に多数配置しなければならない。従って特許文献１に開示されているようなジルコニアセラミックスの積層体では、高密度化に限界があった。そこで、シリコン基板をエッチングにより微細加工することによって、圧力室を形成することが行われている。
【０００４】
シリコン基板上にチタン酸ジルコン酸鉛系材料を印刷、焼成し、圧電素子を形成することは、特許文献２，特許文献３に開示されている。しかし、実際に１０００℃でチタン酸ジルコン酸鉛系材料を焼成した場合には、シリコン基板と蒸発した酸化鉛が反応し、シリコン基板表面にガラスが形成されてしまうという問題があった。このため、従来、特許文献２に開示されているように、酸化鉛の蒸発が起きない低温でチタン酸ジルコン酸鉛系材料を焼成することが、種々検討されているが、十分な圧電特性を示す材料は得られていない。
【０００５】
そこで、シリコン基板をエッチングにより微細加工して圧力室を形成し、別途作製された積層型の圧電素子等を、この圧力室の位置に対応して振動板の表面に接着剤で張り合わせ、切断して分割することも行われている。しかし、この方法は、製造コストがかかり、密着性にも問題がある。
【０００６】
一方、チタン酸バリウム系圧電体厚膜のシリコン基板上への形成の可能性について、特許文献３に開示されているが、具体的な形成条件および形成例は全く述べられていない。チタン酸バリウム系圧電体の焼成温度は、特許文献４に開示されているように、一般的に１３００℃程度必要であり、さらに下部電極およびバリア層としてのＰｔ層も、１３００℃程度で形成することが必要である。したがって、融点が１４１４℃のシリコン基板をこのような高温で処理することは、材料の変質や損傷等が生じ、チタン酸バリウム系圧電体をシリコン基板上に形成することは事実上不可能であった。
【０００７】
この発明は、環境に有害な酸化鉛系材料を含まない圧電素子をシリコン基板の振動板上に形成し、高密度且つ高精度であり、低コストな圧電素子アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究した結果、シリコン基板上に、通常の半導体ＩＣ製造プロセスやマイクロマシン加工プロセスで使用される０．１〜１．５μｍの酸化シリコン膜よりも、さらに厚い１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層を形成することにより、その後のＰｔ層およびチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜の形成を、１３００℃前後の高温で行っても、変形や反応が生じないことを見出し、本発明を完成するに至った。この発明の圧電素子アクチュエータは、インクジェットヘッド、マイクロポンプ等において、その素子の作動部であるマイクロアクチュエータとして利用されるものを言う。
【０００９】
この発明の圧電素子アクチュエータは、単結晶のシリコン基板に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層が形成され、上記シリコン基板の表面側の上記酸化シリコン膜層に、Ｐｔ下部電極、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜、およびＡｕ上部電極が順次積層され、上記シリコン基板の背面側の上記圧電体厚膜に対応する位置に、上記シリコン基板による振動板を介して圧力室が形成されたものである。上記圧電体厚膜は、スクリ−ン印刷法によりチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料を印刷して、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成されたものである。
【００１０】
この発明の圧電素子アクチュエータの製造方法は、単結晶のシリコン基板に、熱酸化法等により厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層を形成し、この酸化シリコン膜層の表面にＰｔ下部電極を形成し、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料をスクリ−ン印刷法により設け、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成し、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜を形成し、この後、上記圧電体厚膜の表面にＡｕ上部電極を形成するものである。焼成の温度範囲は、圧電体の特性及び焼成時間の短さから、１３４０〜１３７０℃程度が好ましく、より好ましくは１３７０℃で１時間の焼成によるものが良い。
【００１１】
上記下部電極は、上記酸化シリコン膜層にＰｔペ−ストをスクリ−ン印刷し、乾燥後、１２００〜１３７０℃程度で焼成するものである。さらに、上記シリコン基板の背面側に、上記下部電極の形成前、または上記上部電極の形成後に、エッチングにより圧力室を形成し上記シリコン基板による振動板を設けるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１、図２は、この発明の圧電素子アクチュエータ及びその製造方法の第一実施形態を示す。この実施形態の圧電素子アクチュエータはインクジェットヘッド１０についてのもので、例えば厚み２００μｍの単結晶のシリコン基板１の両面に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２が形成され、Ｐｔ下部電極３、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜４、およびＡｕ上部電極５が順次形成されている。また、その背面側には、シリコン基板１の背面がエッチングされて矩形の空間である圧力室７が形成されている。圧力室７には、その表側壁面と酸化シリコン膜層２との間が、シリコン基板１を所定厚さで残して形成された振動板６が設けられている。
【００１３】
そして、別途ドライエッチングにより、ノズル８が形成された単結晶シリコンの基板によるノズル板９が、シリコン基板１の圧力室７の開口を塞いで張り合わせられ、インクジェットヘッド１０が形成されている。なお、圧力室７には図示しないインク流路が形成され、インクが供給される。
【００１４】
次に、この実施形態のインクジェットヘッド１０の製造方法について、図２（ａ）〜（ｆ）を基にして説明する。まず、図２（ａ）に示すように、厚み２００μｍで面方位（１００）の単結晶シリコン基板１を複数用意し、熱酸化法により各種厚みの酸化シリコン膜層２を形成した。次に図２（ｂ）に示すように、Ｐｔペ−ストをスクリ−ン印刷し、乾燥後、１３７０℃で１時間焼成した。これにより形成されたＰｔ下部電極３の厚みは２μｍであった。
【００１５】
ここで、酸化シリコン膜層２の膜厚の範囲は、膜厚が１．７μｍ未満の場合は、Ｐｔ下部電極３中に黒色の部分が発生した。Ｘ線マイクロ分析およびＸ線回折により調べたところ、この黒色の部分はＰｔとＳｉの化合物であることが判明した。この化合物は、１３７０℃１時間の焼成中に酸化シリコン膜層２中をＰｔとＳｉが相互に拡散し、膜厚が１．７μｍ未満の場合には、ＰｔとＳｉが直接結びついて形成された化合物であることが、グロ−放電発光分析装置を用いた深さ方向の元素分析により確認された。一方、酸化シリコン膜層２の膜厚が３．０μｍを越える場合は、酸化シリコン膜層２にクラックが発生した。以上より、単結晶のシリコン基板１に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２を形成した場合にのみ、１３７０℃での焼成においても、良好なＰｔ下部電極３が形成可能であり、かつ酸化シリコン膜層２にもダメ−ジを与えないことが判明した。
【００１６】
なお、酸化シリコン膜層２の形成方法としては、熱酸化法以外に、スパッタ法やＣＶＤ法も利用可能である。ここでは、上下面とも一様な酸化シリコン膜層２が形成可能な熱酸化法がより好適であった。
【００１７】
次に、水熱合成法により形成されたＢａＴｉＯ３とＢａＴｉ０．９Ｚｒ０．１Ｏ３粉末を用いて、ＢａＴｉ０．９７５Ｚｒ０．０２５Ｏ３となるように秤量混合し、エチルセルロ−ス系のビヒクルを加え３本ロ−ルで混練することにより圧電体厚膜ペ−ストを作製した。この組成は、室温では斜方晶であり、厚膜においても最も大きい残留分極を示すことがわかっている。そして、図２（ｃ）に示すように、この圧電体厚膜ペーストを、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２が形成されたＰｔ下部電極３上にスクリーン印刷し、１３７０℃１時間の焼成を行った。焼成された圧電体厚膜４をＸ線回折により生成化合物を調べところ、斜方晶のペロブスカイトのみが生成され、他の化合物は形成されていないことが分かった。従って、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２が形成されたＰｔ下部電極３上に、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜４を、１３７０℃焼成にて良好に形成することができることが確かめられた。
【００１８】
なお、焼成温度が１２７０℃未満の場合は、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜における結晶粒の成長が小さく、圧電定数はｄ３３＝９０ｐＣ／Ｎ未満であった。インクジェトヘッドに利用する圧電体としては、ｄ３３＝９０ｐＣ／Ｎ以上の圧電定数が必要である。また、焼成温度が１３７０℃を越える場合には、シリコン基板とＰｔの反応が生じ、下部電極３に問題が生じた。したがって、圧電体厚膜４を形成する焼成温度は、１２７０〜１３７０℃の温度範囲が好適であると言える。特に、圧電体の特性及び焼成時間の短さから、１３４０〜１３７０℃程度がより好ましい。
【００１９】
次に、図２（ｄ）に示すように、Ａｕペーストをスクリーン印刷し、８１０℃で１０分の焼成によりＡｕ上部電極５を作製した。そして、図２（ｄ）の状態の試料について、上下電極５，３間に１０ｋＶ／ｃｍの電界を印加し、膜厚方向の歪みを測定することにより、圧電定数を測定したところ、ｄ３３＝４２０ｐＣ／Ｎの値が得られた。
【００２０】
さらに、図２（ｅ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、シリコン基板１の裏側で、圧電体厚膜４に対応した位置を厚み方向にエッチングし、圧力室７を形成し、シリコン基板１の一部を所定厚で残して振動板６を設けた。
【００２１】
次に、図２（ｆ）に示すように、別途、ＩＣＰドライエッチングによりノズル８が形成された他の単結晶シリコンの基板であるノズル板９を、陽極酸化接合により圧力室７が形成されたシリコン基板１の裏面に張り合わせることによって、インクジェットヘッド１０を完成した。
【００２２】
この実施形態のインクジェットヘッド１０は、シリコン基板１に高密度で圧力室７を形成することができ、しかも、シリコン基板に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２を形成したことにより、鉛を用いないチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜４を、シリコン基板１上に高密度に形成することができた。
【００２３】
次にこの発明の第二実施形態について、図３を用いて説明する。ここで上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して、一部説明を省略する。この実施形態では、シリコン基板１の圧力室７の形成を先に行い、その後にチタン酸バリウム系圧電体厚膜４の形成を行った。
【００２４】
まず、図３（ａ）に示すように、厚み２００μｍで面方位（１１０）の単結晶のシリコン基板１に熱酸化法により、各種厚みの酸化シリコン膜層２を形成した。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＫＯＨ溶液を用いて異方正ウエットエッチングを行い、振動板６を構成する厚みを残して圧力室７を形成した。このとき、酸化シリコン膜もある程度エッチングされるため、ウエットエッチング後においても、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層２が存在している試料を選んだ。
【００２６】
この後、図３（ｃ）に示すように、圧力室７および振動板６に対応する位置に、Ｐｔペ−ストをスクリ−ン印刷し、１３７０℃で１時間焼成し下部電極３を形成した。
【００２７】
さらに、図３（ｄ）に示すように、この下部電極３上に、先に述べたチタン酸ジルコン酸バリウム系ペ−ストをスクリ−ン印刷し、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で、１〜数時間の焼成を行った。
【００２８】
次に、図３（ｅ）に示すように、Ａｕペーストをスクリーン印刷し、８１０℃１０分の焼成により上部電極５を作製した。
【００２９】
そして、図３（ｆ）に示すように、別途、ＩＣＰドライエッチングによりノズル８が形成された単結晶シリコンの基板によるノズル板９を陽極酸化接合により、シリコン基板１の裏面に張り合わせることによって、インクジェットヘッド１０を完成した。この実施形態によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができた。
【００３０】
なお、この発明の圧電素子アクチュエータ及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、上下電極の組成及び形成方法は適宜選択し得るものであり、圧電体厚膜の形成材料もチタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体材料であれば良く、適宜の組成を選択し得る。さらに、圧力室やノズル板も適宜設定可能なものである。また、この発明の圧電素子アクチュエータの構造は、インクジェットヘッドの他、圧電素子をマイクロアクチュエータとして利用する医療用や環境分析用のマイクロポンプなどにも利用することができる。この場合も高精度なマイクロポンプ等を、有害な酸化鉛系化合物を含まない部品により形成することができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明の圧電素子アクチュエータ及びその製造方法によれば、シリコン基板を用いて高密度かつ高精度で圧力室を形成することができるものである。特に、シリコン基板の振動板表面側に、厚み１．７〜３．０μｍの酸化シリコン膜層を形成したことにより、環境に有害な酸化鉛系化合物を圧電体として使用しないで、チタン酸ジルコン酸バリウム系の圧電体厚膜を振動板に積層した圧電素子アクチュエータを製造することができる。さらに、異方性エッチングにより圧電素子アクチュエータの圧力室を高精度かつ高密度に形成することができ、特に、インクジェットヘッドに適用した場合には、多数のノズルを高密度に配置したインクジェットヘッドを形成することができる。従って、高画質な画像を高速で出力するためのものや、産業用として多数のパタ−ン形成を高速に行うためのインクジェットヘッドを高精度に作製することができる。
【００３２】
また、この発明の圧電素子アクチュエータの製造方法は、シリコン基板の振動板の表面側に、圧電体厚膜が印刷、焼成によって形成されるので、密着性がよく、組み立て工数が削減されてコストダウンを達成することができる。しかも圧電体厚膜を印刷技術により印刷形成するので、圧電体を限界まで小さく薄く高密度に形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一実施形態のインクジェットヘッドの概略を示す縦断面図である。
【図２】この実施形態のインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図（ａ）〜（ｆ）である。
【図３】この発明の第二実施形態のインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図（ａ）〜（ｆ）である。
【符号の説明】
１    シリコン基板
２    酸化シリコン膜層
３    下部電極
４    圧電体厚膜
５    上部電極
６    振動板
７    圧力室
８    ノズル
９    ノズル板
１０    インクジェットヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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