(57)【要約】【課題】圧電体薄膜の結晶成長方向の乱れを低減し良好な特性をもつ圧電素子を提供する。【解決手段】本発明の圧電素子１６は、第１電極７と、第１電極上に形成された圧電体薄膜８と、圧電体薄膜上に形成された第２電極９と、振動板１１とを有する圧電素子である。平滑な基板面を有する第１基板１の面上に形成した電極層２を第２基板５に転写して、第１電極７が形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に形成された第２電極と、振動板とを有する圧電素子であって、
平滑な基板面を有する第１基板面上に形成した電極層を第２基板に転写して、前記第１電極が形成されることを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高品位の印刷を行うプリンターとしてインクジェットプリンターが普及している。このようなインクジェットプリンターは、印刷用途のみならず捺染、工業用の薬液やパターン材料の塗布など極めて広い応用が期待されるものである。インクジェットプリンターには、代表的なものとして圧電素子を用いる圧電式と、ヒーターによる加熱を用いる熱式があり、いずれも高性能化の開発が進んでいる。
【０００３】
圧電式インクジェットプリンターのヘッド部に用いられる液滴噴射装置においては、一般にPb (ZrxTi(1-x)) O3（以下PZT）系などの圧電性セラミックスを用いた圧電素子と振動板をケーシング部材（インク室）に接着剤を用いて接合した構成をとる。このような液滴噴射装置ではより高い解像度を得るためにインク室やノズルの多素子化・集積化が図られており、圧電体薄膜を用いこれを半導体プロセスで微細加工して圧電素子を作製する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような方法によればノズルの構造が２０００dpiもの多素子化・高密度化を実現することが可能である。上記の特許文献１に開示されている液滴噴射装置においては、その製造方法としては、MgO基板上に電極を形成し、電極上に鉛系誘電体層を形成し、鉛系誘電体層上にさらに第２電極を形成し、第２電極上に振動板を形成した後、MgO基板の全て、もしくは一部を除去し、振動板の上にインク液体を収容するための圧力室を形成する方法である。誘電体層としてはPZT系のc軸方向に配向した結晶性のよい薄膜が用いられている。
【０００４】
また、従来の技術としては、平滑な基板面を有する第１基板上に形成した金属電極層と第２基板とを金属からなる接合層を介して接合し、第１基板を金属電極層から剥離して第１基板の平坦な基板面形状を金属電極層表面に転写して形成される電極基板がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
また、従来の技術としては、MgO単結晶、SrTiO3単結晶、サファイアなどの材料上にはPtなどの電極材料の配向膜を容易に形成できるものがある（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００６】
また、従来の技術としては、陽極接合がある（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００７】
また、従来の技術としては、Si半導体集積回路の配線間や配線―基板間の拡散防止層として一般に用いられる高融点金属化合物薄膜の一例として、反応性物理蒸着により形成されるTiN膜がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００８】
また、従来の技術として、マルチイオンビームスパッタ法により４１５℃という低温でPZT系の配向膜が形成できることが知られている（例えば、非特許文献３参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２８６９５３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３３４５２３号公報
【非特許文献１】
小舟他、日本化学会誌、１９９３年、第１１巻、ｐ．１２２５−１２３０
【非特許文献２】
ワリス、外（G. Wallis et. al.）、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）、第４０巻、１０号、ｐ．３９４６
【特許文献３】
特開平０７―００６９８０号公報
【非特許文献３】
ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics）、１９９３年、第３２巻、ｐ．４０５７
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１に開示されている液滴噴射装置においては、多素子化・集積化を図るためにそれぞれの圧電素子は非常に微細なものとなるが、このような微細な圧電素子で液滴の吐出に充分な振動板の変位量及び圧力を得るためには、用いる圧電体薄膜には高い圧電性が要求される。しかしながら上記従来の技術においては、基板上にPt層などの電極を形成した上に圧電材料を形成しており、このような方法においては電極層表面に金属材料などの結晶粒界による表面凹凸が存在し、その上に積層する圧電材料薄膜の結晶成長方向に乱れを生じさせる。圧電材料の分極方向は結晶軸方向に異方性があるため、この結晶軸方向の乱れが圧電素子の特性を低下させる原因となっていた。
【００１１】
さらにこのような圧電素子を用いた液滴噴射装置の吐出効率を低下させていた。
【００１２】
また、上記従来の技術の製造工程においては、c軸配向させて結晶性のよいPZT薄膜を形成するためにMgO基板を用いているが、この基板は溶解により除去しており、高価なMgO基板を再利用することができず、コスト高を招く問題点があった。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、圧電体薄膜の結晶成長方向の乱れを低減し良好な特性をもつ圧電素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電素子は、第１電極と、第１電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２電極と、振動板とを有する圧電素子であって、平滑な基板面を有する第１基板面上に形成した電極層を第２基板に転写して、第１電極が形成される。
【００１５】
本発明によれば、圧電体薄膜の結晶成長方向の乱れを低減し良好な特性をもつ圧電素子を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、良好な特性を有する圧電素子、及びその圧電素子を用いた液滴噴射装置を製造するものである。
【００１７】
本発明の圧電素子においては、以下のようにして作製する高い平坦性を有する第１電極を形成後に第１電極上に圧電体薄膜を形成するもので、この工程以外の積層、接合及び貼り合わせ、剥離や微細加工などの素子作製プロセスは任意に構成することができる。
【００１８】
本発明の圧電素子においては、まず第１に高い平滑性を有する第１電極を形成する。特許文献２に、平滑な基板面を有する第１基板上に形成した金属電極層と第２基板とを金属からなる接合層を介して接合し、第１基板を金属電極層から剥離して第１基板の平坦な基板面形状を金属電極層表面に転写して形成される電極基板が開示されている。
【００１９】
本発明においては、第１基板として平滑な基板面を有する材料を用いる。好ましいものとしては、結晶の劈開面、溶融したガラス表面、Siウェハーの表面酸化膜面などがあげられる。それらの中でもとりわけ本発明に好適なものは以下の２つである。
【００２０】
（１）Siウェハーの表面熱酸化膜面：現在の半導体技術によれば大面積で原子レベルの平滑性を有するものが安価に提供されている。低コストで平滑性の高い第１電極を形成できる。
【００２１】
（２）酸化物単結晶の劈開面：MgO単結晶などは、＜１００＞方位に容易に劈開して平滑な面を作製できる。このような結晶の劈開面は、必要に応じて研磨、エッチング処理、アニールなどの平坦化、清浄化処理を行うこともできる。好ましい材料として、MgO単結晶、SrTiO3単結晶、サファイアなどがあげられる。このような材料上にはPtなどの電極材料の配向膜を容易に形成できる（非特許文献１）ことから、本発明に好適な高い配向性をもつ圧電体薄膜を積層堆積することが容易となる。
【００２２】
上記の２つの基板材料に共通の特徴として、表面が酸化物であることより後述する金属電極層に用いる貴金属系の材料との化学的結合力が弱く密着性が低いため、界面より容易に剥離することができる。
【００２３】
次に、第１基板上に電極層を形成する。電極層材料としては高い導電性を有し、圧電体薄膜作製工程等の加熱などに耐え得るものの中から適宜選択する。さらに、前記第１基板材料と密着性の低いものが好ましい。好ましいものの例としては、Pt、Au、Pd、Ir，Rh、Ruなどの貴金属系材料があげられる。またこれらの合金、積層膜なども用いることができる。電極層の形成方法としては、従来公知の薄膜形成方法を適宜用いることができるが、基板に対して入射する電極材料粒子のエネルギーが比較的小さく、電極層と基板との物理的な結合力が弱い方法が好ましい。例としてスパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、MBE法などである。
【００２４】
次に、第２基板と電極層とを接合する工程を行う。第２基板は圧電素子の振動板あるいは振動板を形成する材料も用いることができる。接合工程は第１基板と電極層との間の密着性より高い強度で接合できる方法の中から適当な方法を選択するが、好ましいものとして以下の方法があげられる。
【００２５】
（１）金属などからなる接合層を介した圧着：第２基板上に金属などからなる接合層を形成し、電極層と面同士を合わせた後、両基板を押し付け合うように加圧して接合する。この際必要に応じて加熱を行う。接合層としては金属元素同士結合を阻害する酸化皮膜が形成されにくく展性に富む金属が好ましく、例としてはAuがあげられる。また他にPt、Pd、Ir、Rh、Ruなどの貴金属系材料もあげられる。またこれらの合金、積層膜なども用いることができる。またこれら接合層と第２基板の間には充分な密着性が必要であるため、第２基板表面にTi、Cr、W、Taなどよりなる密着層を予め形成しておくことが好ましい。またこのような接合層は必要に応じて電極層上にも形成する。
【００２６】
（２）陽極接合：第２基板と電極層とを両同士を合わせた後、両基板を押し付け合うようにした状態で、第２基板と電極層との間に電界を印加して陽極接合（非特許文献２）を行う。この際必要に応じて加熱を行う。電極層上には、必要に応じて予め陽極接合に適した、例えばAlなどの材料を接合層として形成しておくこともできる。このような方法では、第２基板としてガラス材料を用いる。
【００２７】
（３）共晶化を用いた接合：第２基板と電極層とを電極層と面同士を合わせた後、両基板を押し付け合うようにした状態で、第２基板材料と電極層との共晶点以上の温度に加熱し、界面での共晶化を行う。第２基板と電極層上には、必要に応じて予め共晶化する材料を接合層として形成しておくこともできる。共晶化は上記界面のみで起こればよいので加熱は短時間とし、RTA (Rapid Thermal Anneal) などの手法を用いる。
【００２８】
（４）積層堆積：電極層上に第２基板を構成する材料を積層堆積して形成する。例としてはスパッタリングなどによりSiO2やガラス材料など圧電素子の振動板を堆積することがあげられる。
【００２９】
上記の圧着あるいは陽極接合における接合層としてAuあるいはAlなどの拡散速度の大きな材料を用いる場合、後述する圧電体薄膜の形成などの高温工程における第１基板あるいは電極層、圧電体薄膜との相互拡散を防止するために、必要に応じて拡散防止層を設ける。
【００３０】
拡散防止層としては上記密着層として用いるTi、Cr、W、Taなどをバリアメタルとしてそのまま利用することもできる。さらにSi半導体集積回路の配線間や配線―基板間の拡散防止層として一般に用いられる高融点金属化合物薄膜も好ましく用いられる。一例として、特許文献３に開示されている反応性物理蒸着により形成されるTiN膜などがあげられ、６００℃程度までの高温工程においても剥離などが発生しないため本発明に用いる拡散防止層として好適である。なお、これら接合層及び拡散防止層は後工程において適宜除去する。
【００３１】
次に、第１基板を電極層より剥離して第１基板の平坦な基板面形状を電極層表面に転写して形成する工程を行う。剥離は第１基板と電極層の界面の基板端部より鋭利な刃状の剥離用治具を挿入して引き剥がす方法などを用いることができる。また、第１基板を溶解除去する方法も用いることができる。
【００３２】
以上の工程により、第１基板の平坦な基板面形状を転写した第１電極を形成することができる。このような第１電極は、第２基板とほぼ同等の平滑性を有する表面を有する。
【００３３】
次に、このようにして作製した第１電極上に、圧電体薄膜を形成する工程を行う。圧電材料としては所望の駆動特性が得られるものであれば特に限定されず用いることができる。例としては、PZT系材料、ZnO等である。薄膜の作製方法としては、スパッタ法、CVD法などの気相成長や、ゾルゲル法など公知の方法が必要に応じて用いられる。また、本発明における圧電体薄膜形成は基板上の接合層／拡散防止層／第１電極の層間拡散や熱応力による剥離などを防止するために、できるだけ低温で圧電体薄膜を形成できる方法によることが好ましい。例としてマルチイオンビームスパッタ法によれば４１５℃という低温でPZT系の配向膜が形成できることが知られており（非特許文献３)、本発明にも好ましく用いられる。膜厚は１０μｍ以下とすることでフォトリソグラフィーなどの半導体加工プロセスを利用して多数の圧電素子を一括して作製できる。
【００３４】
次に、圧電体薄膜上に第２電極を形成する工程を行う。第２電極材料としては高い導電性を有するものの中から適宜選択する。また圧電体薄膜と十分な密着性をもつものが好ましい。
【００３５】
以上のようにして作製した第１電極、圧電体薄膜、第２電極を振動板に接合すると共に所望の形状に加工し、圧電素子を作製する。振動板材料として好ましく用いられるものに薄片化したガラス質材料、スパッタリングなどの方法により作製するSiO2、金属材料などがあげられる。接合方法や関連する工程は特に限定されないが、例として以下のようにして行う。
（１）振動板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極を積層して形成する。この方法においては、第１基板上に形成した電極層上に振動板を積層・堆積して形成した後第１基板と電極層を界面より剥離して第１電極を形成し、圧電体薄膜、第２電極を積層して形成してもよい。
（２）第２基板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極を積層した後、振動板に接合し、第２基板を除去する。
【００３６】
また、本発明の液滴噴射装置は、上記圧電素子を、凹状部分及び開口部をもつケーシング部材（インク室）に直接接合して作製される。ケーシング部材は、ガラス、樹脂、金属などで作製される。好ましい例としてSi単結晶基板の異方性エッチング形成されるものがあげられ、このようにすることで半導体加工プロセスを用いてノズルの多素子化・集積化が可能で、インクジェットとして高い解像度を得ることができる。またケーシング部材には必要に応じて電極や駆動などに用いる回路などを予め形成することもできる。
【００３７】
本発明によれば、圧電体薄膜の結晶成長方向の乱れを低減し良好な特性をもつ圧電素子を提供し、これを用いた高効率の液滴噴射装置を低コストに提供することができる。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。
【００３９】
［実施例１］
本実施例の圧電素子及び液滴噴射装置の作製工程図を図１に示す。図１は断面方向の概略を示している。
【００４０】
まず図１（a）に示すように、第１基板１上に電極層２を形成した。第１基板１としてはMgO単結晶を用いた。この第１基板１は面方位（１００）で、表面をtapping-mode AFM （デジタルインスツルメント社製NanoScope III）による観察で１μｍ平方において表面粗さRaは０.４nm以下のものである。この第１基板１上に、スパッタ法を用いてPtを２００nm堆積し、電極層２を形成した。成膜方法は、ターゲットとしてPtを用い、Arガスで、ターゲットに対して高周波パワーが４W／cm2となるように印加し、基板温度は７００℃として行った。このようにして得られた電極層２をX線回折装置（理学電機（株）製RAD―2R）により評価したところ結晶軸（１００）が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、この電極層２の表面（第１基板１と接しない側）についてtapping-mode AFM（デジタルインスツルメント社製NanoScope III）による観察を行ったところ、１μｍ平方において表面粗さRaは０.８nm乃至１.０nm程度で、結晶粒界の凹凸部分が観察された。
【００４１】
次に、図１（b）に示すように、電極層２上に拡散防止層３と第１の接合層４を順に形成した。拡散防止層４としては、反応性スパッタ法を用い、別途イオンガンよりArイオンビームを照射しながらTiを１００nm、TiNを１００nm連続して堆積して形成した。続いて接合層３としてスパッタ法によりAuを２０nm堆積した。
【００４２】
次に、図１（c）に示すように、第２基板５上に第２の接合層６としてTiを１００nm、Auを５０nm連続的に堆積した。第２基板５としては第１基板１と同じMgO単結晶を用いた。
【００４３】
次に、図１（d）に示すように、第１基板１と第２基板５を接合層面同士を合わせて接合面を密着させた後、両基板を押し付け合うように加圧した。圧力は１０kg／cm2とし、１分間保持した。この際両基板は１５０℃に保持し、圧力解放後に室温まで冷却した。
【００４４】
次に、図１（e）に示すように、第１基板１を電極層２との界面より剥離し、第１基板の平坦な基板面形状を表面に転写した第１電極７を形成した。剥離は界面に基板端部より鋭利な刃状の剥離用治具を挿入して行った。このようにしてられた第１電極７の表面（第１基板１に接していた側）をtapping-mode AFM（デジタルインスツルメント社製NanoScope III）により観察したところ、１μｍ平方において表面粗さRaは0.５nm以下で、第１基板１の表面性を反映した平滑性を有していた。
【００４５】
次に、図１（f）に示すように、第１電極７表面上に圧電体薄膜８を形成した。圧電体薄膜としてはマルチイオンビームスパッタ法を用いてPZT系材料を３μｍ堆積した。成膜方法は、ターゲットとしてPb、Zr、Ti及びLaの金属を用い、それぞれのターゲットに約１kVに加速したArイオンビームを照射してスパッタリングし、同時にO2ガスを基板近傍に供給しながら基板温度４５０℃として成膜を行った。薄膜形成の初期にPb（LaxTi(1-x))Oxのバッファー層を堆積した後、膜組成がPb1.0Zr0.5Ti0.5Oxとなるように各ターゲットに照射するイオンビームのイオン電流を調整して堆積した。
【００４６】
このようにして得られた圧電体薄膜８をX線回折装置（理学電機（株）製RAD―2R）により評価したところ結晶のc軸が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、圧電体薄膜８の断面を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製S―５０００H）にて観察したところ、基板面に垂直な柱状の結晶構造が観察された。
【００４７】
次に、図１（g）に示すように、圧電体薄膜８の表面にスパッタ法を用いてPtを２００nm、Alを１０nm堆積し、第２電極９を形成した。
【００４８】
次に、図１（h）に示すように、第２電極９上に振動板材料１０を接合する工程を行った。振動板材料１０としては厚さ４０μｍのコーニング＃７７４０ガラスを用いた。接合は、第２電極９表面と振動板材料１０の接合面を清浄化して重ね合わせ、３５０℃に加熱し、振動板材料１０と第２電極９の間に第２電極９側の陽極として２００Vの電圧を印加し、さらに押し付けた。
【００４９】
次に、図１（i）に示すように、振動板材料１０を研磨薄片化する工程を行った。研磨薄片化は、ラッピングマシンと研磨剤を用いて、振動板材料１０を研磨して平均で３μｍの厚さまで薄片化すると同時に、凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨の際、研磨剤粒子径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして平坦な研磨面を有する振動板１１を形成した。
【００５０】
次に、図１（j）に示すように、振動板１１の表面とケーシング部材１２を直接接合する工程を行った。ケーシング部材は、面方位（１００）のSi単結晶基板にフォトリソグラフィーとTMAH溶液による異方性エッチングで空隙１３、凹部１４、吐出口１５を形成したものを用いた。この接合工程は、上記圧電素子と振動板との接合と同様の方法で行った。ただ接合時の加熱温度は１５０℃、印加電圧は２５０Vとした。
【００５１】
続いて図１（k）に示すように、第２基板５を除去した。第２基板５の除去は、予めレジストなどを保護剤として第２基板５の露出面以外の箇所に塗布し、リン酸溶液に浸して第２基板５のMgOを溶解除去した。この際の条件は、リン酸８５％のものを用い、温度を８０℃に保ちながら撹拌し、約３時間で溶解した。
【００５２】
最後に図１（l）に示すように、拡散防止層３、第１の接合層４、第２の接合層６を除去した後、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて第１電極７、圧電体薄膜８、第２の電極９をパターニング加工した。幅１００μｍ、長さ１mmとした。さらにダイシングソーを用いて吐出口部先端部分を切断して開口を形成した。以上のようにして圧電素子１６、及び液滴噴射装置１７を作製した。
【００５３】
以上のようにして作製した本実施例の圧電素子は、電圧印加によって十分なたわみ変位を得ることができた。さらに本実施例の液滴噴射装置は上記の電圧印加によって良好な液滴噴射特性を示した。
【００５４】
以上本実施例によれば、平滑性の高い電極上に圧電体薄膜を成長させることにより、分極方向である結晶軸方向の乱れを低減し、良好な特性を有する圧電素子を作製することができた。
【００５５】
さらに本実施例によれば、微細な圧電素子でも液滴の吐出に十分な振動板の変位量及び圧力を得ることができ、高効率の液滴噴射装置を提供することができた。
【００５６】
［実施例２］
本実施例は、第１基板上に形成した電極層をケーシング部材に接合した振動板上に転写して第１電極を形成し、その上に圧電体薄膜、第２電極を順に形成し、圧電素子を形成した例である。
【００５７】
本実施例の圧電素子及び液滴噴射装置の作製工程図を図２に示す。図２は断面方向の概略を示している。
【００５８】
まず図２（a）に示すように、第１基板１上に電極層２を形成した。第１基板１としては表面に熱酸化膜を３００nm形成したSiウェハーを用いた。この第１基板１は表面を実施例１と同様のAFMによる観察で１μｍ平方において表面粗さRaは０.２nm以下のものである。この第１基板１上に、スパッタ法を用いてPtとAuの合金を２００nm堆積し、電極層２を形成した。成膜方法は、ターゲットとしてPt及びAuを用い、Arガスで、ターゲットに対して高周波パワーが４W乃至７W／cm2としてPtとAuの比率は１：１となるように調整して印加し、基板加熱はなしとして行った。このようにして得られた電極層２を実施例１と同様にX線回折装置により評価したところPt―Au合金の結晶軸（１１１）が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、この電極層２の表面（第１基板１と接しない側）について同様にAFMによる観察を行ったところ、１μｍ平方において表面粗さRaは０.６nm乃至０.８nm程度で、結晶粒界の凹凸部分が観察された。
【００５９】
次に、図２（b）に示すように、電極層２上に第１の接合層４としてAuを２０nm堆積した。
【００６０】
次に、図２（c）に示すように、第２基板５上に第２の接合層６としてTiを５nm、Auを２０nm連続的に堆積した。本実施例においては第２基板５として振動板１１を予めケーシング部材１２に接合したものを用いている。
【００６１】
振動板材料１０としては厚さ４０μｍのコーニング＃７７４０ガラスを用いた。ケーシング部材としては実施例１と同様に面方位（１００）のSi単結晶基板にフォトリソグラフィーとTMAH溶液による異方性エッチングで空隙１３、凹部１４、吐出口１５を形成したものを用いた。接合はケーシング部材１２表面と振動板材料１０の第１の接合面１０を清浄化して重ね合わせ、２５０℃に加熱し、振動板材料１０とケーシング部材１２の間にケーシング部材側を陽極として２００Vの電圧を印加し、さらに押し付けた。さらに振動板材料１０は研磨薄片化して振動板１１を形成した。研磨薄片化は、ラッピングマシンと研磨剤を用いて、振動板材料１０を研磨して平均で３μｍの厚さまで薄片化すると同時に、凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨の際、研磨剤粒子径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして平坦な研磨面を有する振動板１１を形成した。
【００６２】
次に、図２（d）に示すように、第１基板１と第２基板５を接合層同士を合わせ接合面を密着させた後、両基板を押し付け合うように加圧した。圧力は１０kg／cm2とし、１分間保持した。この際両基板は１５０℃に保持し、圧力解放後に室温まで冷却した。
【００６３】
次に、図２（e）に示すように、第１基板１を電極層２との界面より剥離し、第１基板の平坦な基板面形状を表面に転写した第１電極７を形成した。剥離は前記界面に基板端部より鋭利な刃状の剥離用治具を挿入して行った。このようにして得られた第１電極７の表面（第１の基板１に接していた側）を実施例１と同様にAFMにより観察したところ、１μｍ平方において表面粗さRaは０.４nm以下で、第１基板１の表面性を反映した平滑性を有していた。
【００６４】
次に、図２（f）に示すように、第１電極７表面上に圧電体薄膜８を形成した。圧電体薄膜としてはRFスパッタ法を用いてZnOを８μｍ堆積した。成膜方法は、ターゲットとしてZnO焼結体を用い、ArとO2を１：１に混合したガスで、ターゲットに対して高周波パワーが４W／cm2となるように印加し、基板温度は２５０℃として行った。
【００６５】
このようにして得られた圧電体薄膜８を実施例１と同様にX線回折装置により評価したところ結晶のc軸が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、圧電体薄膜８の断面を実施例１と同様に走査型電子顕微鏡にて観察したところ、基板面に垂直な柱状の結晶構造が観察された。
【００６６】
次に、図２（g）に示すように、圧電体薄膜８の表面にスパッタ法を用いてPtを２００nm堆積し、第２電極９を形成した。
【００６７】
最後に図２（h）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて第１電極７、圧電体薄膜８、第２電極９をパターニング加工した。幅１５０μｍ、長さ１.２mmとした。さらにダイシングソーを用いて吐出口部先端部分を切断して開口を形成した。以上のようにして圧電素子１６、及び液滴噴射装置１７を作製した。
【００６８】
以上のようにして作製した本実施例の圧電素子は、電圧印加によって十分なたわみ変位を得ることができた。さらに本実施例の液滴噴射装置は上記の電圧印加によって良好な液滴噴射特性を示した。
【００６９】
以上本実施例によれば、平滑性の高い電極上に圧電体薄膜を成長させることにより、分極方向である結晶軸方向の乱れを低減し、良好な特性を有する圧電素子を作製することができた。さらに本実施例によれば、微細な圧電素子でも液滴の吐出に十分な振動板の変位量及び圧力を得ることができ、高効率の液滴噴射装置を提供することができた。
【００７０】
また、実施例１と比較して低コストで平滑性の高い第１電極を形成でき、低コスト化を図ることができた。
【００７１】
［実施例３］
本実施例は、第１基板上に形成した高い配向性を有する電極層と振動板を積層してケーシング部材に接合・転写して第１電極を形成し、その上に高い配向性を有する圧電体薄膜を直接形成し、さらに第２電極を形成して圧電素子を形成した例である。
【００７２】
本実施例の圧電素子及び液滴噴射装置の作製工程図を図３に示す。図３は断面方向の概略を示している。
【００７３】
まず図３（a)に示すように、第１基板１上に電極層２を形成した。第１基板１としてはMgO単結晶を用いた。この第１基板１は面方位（１００）で、表面を実施例１と同様なAFMによる観察で、１μｍ平方において表面粗さRaは０.４nm以下のものである。この第１基板１上に、スパッタ法を用いてPtを２００nm堆積し、電極層２を形成した。成膜方法は、ターゲットとしてPtを用い、Arガスで、ターゲットに対して高周波パワーが４W／cm2となるように印加し、基板温度７００℃として行った。このようにして得られた電極層２を実施例１と同様にX線回折装置により評価したところ結晶軸（１００）が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、この電極層２の表面（第１基板１と接しない側）について実施例１と同様にAFMによる観察を行ったところ、１μｍ平方において表面粗さRaは０.８nm乃至１.０nm程度で、結晶粒界の凹凸部分が観察された。
【００７４】
次に、図３（b）に示すように、電極層２上に拡散防止層３と第１の接合層４を順に形成した。形成方法は実施例１と同様とした。ただし拡散防止層３の膜厚は実施例１の１／２とした。
【００７５】
次に、図３（c）に示すように、第２基板を形成した。第２基板としては、面方位（１００）のSi単結晶基板両面にLP―CVC法により窒化シリコン被膜１８を１５０nmの厚さで形成した後、片側の面に振動板材料１０となるSiO2をスパッタリングにより３μｍの厚さに形成した。
【００７６】
次に、図３（d）に示すように、第２基板５の振動板材料１０上に拡散防止層１９及び第２の接合層６を順に形成した。拡散防止層及び接合層の膜厚及び形成方法は図３（b）に示した工程とそれぞれ同様とした。
【００７７】
次に、図３（e）に示すように、第１基板１と第２基板５を接合層面同士を合わせ接合面を密着させた後、両基板を押し付け合うように加圧した。圧力は１０kg／cm2とし、１分間保持した。この際両基板は１５０℃に保持し、圧力解放後に室温まで冷却した。
【００７８】
次に、図３（f）に示すように、第１基板１を電極層２との界面より剥離し、第１基板の平坦な基板面形状を表面医転写した第１電極７を形成した。剥離は界面に基板端部より鋭利な刃状の剥離用治具を挿入して行った。このようにして得られた第１電極７の表面（第１の基板１に接していた側）を実施例１と同様にAFMにより観察したところ、１μｍ平方において表面粗さRaは０.４nm以下で、第１基板１の表面性を反映した平滑性を有していた。
【００７９】
次に、図３（g）に示すように、第１電極７表面上に圧電体薄膜８を形成した。圧電体薄膜としてはPZT系材料を３μｍ堆積した。成膜方法は実施例１と全く同様とした。
【００８０】
このようにして得られた圧電体薄膜８を実施例１と同様にX線回折装置により評価したところ、配向の程度は実施例１よりも低いもののほぼ同様に結晶のc軸が基板面に垂直方向に配向していることが確認された。また、圧電体薄膜８の断面を実施例１と同様に走査型電子顕微鏡にて観察したところ、基板面に垂直な柱状の結晶構造が観察された。
【００８１】
次に、図３（h）に示すように、圧電体薄膜８の表面にスパッタ法を用いてPtを２００nm堆積し、第２電極９を形成した。
【００８２】
次に、図３（i）に示すように、第２基板の圧電体薄膜に対向する側の窒化シリコン被膜１７をフォトリソグラフィーを用いてパターニングしてエッチングマスクとし、TMAH溶液による異方性エッチングで凹部１４、吐出口１５を形成した。さらに振動板１１もメンブレン構造に形成した。
【００８３】
次に、図３（ｊ）に示すように、図中下方よりArプラズマによるドライエッチングを行い、図示した箇所の窒化シリコン被膜１８を除去した。
【００８４】
最後に次に、図３（k)に示すように、空隙１３を形成した第３基板２０を接合し液滴噴射装置を完成させた。以上のようにして圧電素子１６、及び液滴噴射装置１７を作製した。
【００８５】
以上のようにして作製した本実施例の圧電素子は、電圧印加によって充分なたわみ変位を得ることができた。さらに本実施例の液滴噴射装置は上記の電圧印加によって良好な液滴噴射特性を示した。
【００８６】
なお、本実施例の図３（f）に示した工程において剥離した第１基板であるMgO単結晶基板を簡単な研磨及びエッチングによる平坦化処理を施した後に、これを用いて再度本実施例の圧電素子及び液滴噴射装置を作製したところ、全く同様に作製することができた。
【００８７】
以上本実施例によれば、平滑性の高い電極上に圧電体薄膜を成長させることにより、分極方向である結晶軸方向の乱れを低減し、良好な特性を有する圧電素子を作製することができた。さらに本実施例によれば、微細な圧電素子でも液滴の吐出に十分な振動板の変位量及び圧力を得ることができ高効率の液滴噴射装置を提供することができた。
【００８８】
さらに本実施例によれば、高効率な圧電素子に必要なc軸配向させた結晶性のよいPZT薄膜を形成するにあたり用いる、高価なMgO基板を再利用することが可能となり、低コストで圧電素子及びこれを用いた液滴噴射装置を提供することもできた。
【００８９】
また本実施例では、実施例１とほぼ同様な高い配向性を有する圧電体薄膜を振動板上に直接形成することが可能で、実施例１に比較して接合工程を削減できる。
【００９０】
以上、本発明の３つの実施例が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内特定の説明と図に限定されるのではなく、本特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００９１】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００９２】
本発明の実施態様は、第１電極と、第１電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２電極と、振動板とを有する圧電素子であって、平滑な基板面を有する第１基板面上に形成した電極層を第２基板に転写して、第１電極が形成される圧電素子である。
【００９３】
本実施態様によれば、平滑性の高い電極上に圧電体薄膜を成長させることにより、分極方向である結晶軸方向の乱れを低減し、良好な特性を有する圧電素子を作製することができる。
【００９４】
また、本発明においては、第１基板として、酸化物単結晶を用いることが好ましい。
【００９５】
本実施態様によれば、好適な高い配向性をもつ圧電体薄膜を積層堆積することが容易となる。
【００９６】
また、本発明においては、第１基板として、表面に熱酸化膜を形成したSiウェハーを用いることが好ましい。
【００９７】
本実施態様によれば、低コストで平滑性の高い第１電極を形成できる。
【００９８】
また、本発明においては、第２基板と電極層が、第２基板上及び／または電極層上に形成した接合層を介した接合であることが好ましい。
【００９９】
また、本発明においては、接合層と第２基板及び／または電極層との間に拡散防止層を有することが好ましい。
【０１００】
本実施態様によれば、圧電体薄膜の形成などの高温工程における第１基板あるいは電極層、圧電体薄膜との相互拡散を防止することができる。
【０１０１】
本発明の他の実施態様は、上記の圧電素子を凹状部分及び開口部をもつケーシング部材（インク室）に直接接合してなる液滴噴射装置である。
【０１０２】
本実施態様によれば、微細な圧電素子でも液滴の吐出に十分な振動板の変位量及び圧力を得ることができ、高効率の液滴噴射装置を提供することができる。
【０１０３】
本発明の他の実施態様は、第１電極と、第１電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された第２電極と、振動板とを有する圧電素子の製造方法であって、平滑な基板面を有する第１基板面上に電極層を形成する工程と、第２基板と電極層とを接合する工程と、第１基板を前記電極層より剥離して前記第１基板の平坦な基板面形状を電極層表面に転写して、第１電極が形成される工程とを有する圧電素子の製造方法である。
【０１０４】
本実施態様によれば、高効率な圧電素子に必要なc軸配向させた結晶性のよいPZT薄膜を形成するにあたり用いる、高価なMgO基板を再利用することが可能となり、低コストで圧電素子を提供することができる。
【０１０５】
本発明の他の実施態様は、上記の圧電素子の製造方法により、圧電素子を製造する工程と、圧電素子を凹状部分及び開口部をもつケーシング部材（インク室）に直接接合する工程とを有する液滴噴射装置の製造方法である。
【０１０６】
本実施態様によれば、高効率な圧電素子に必要なc軸配向させた結晶性のよいPZT薄膜を形成するにあたり用いる、高価なMgO基板を再利用することが可能となり、低コストで液滴噴射装置を提供することができる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明には以下の効果がある。
【０１０８】
本発明によれば、平滑性の高い電極上に圧電体薄膜を成長させることにより、分極方向である結晶軸方向の乱れを低減し、良好な特性を有する圧電素子を作製することができる。
【０１０９】
さらに本発明によれば、微細な圧電素子でも液滴の吐出に十分な振動板の変位量及び圧力を得ることができ、高効率の液滴噴射装置を提供することができる。
【０１１０】
さらに本発明によれば、高効率な圧電素子に必要なc軸配向させた結晶性のよいPZT薄膜を形成するにあたり用いる、高価なMgO基板を再利用することが可能となり、低コストで圧電素子及びこれを用いた液滴噴射装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の圧電素子及び液滴噴射装置の作製方法の工程図である。
【図２】実施例２の圧電素子及び液滴噴射装置の作製方法の工程図である。
【図３】実施例３の圧電素子及び液滴噴射装置の作製方法の工程図である。
【符号の説明】
１    第１基板
２    電極層
３    拡散防止層
４    第１の接合層
５    第２基板
６    第２の接合層
７    第１電極
８    圧電体薄膜
９    第２電極
１０    振動板材料
１１    振動板
１２    ケーシング部材（インク室）
１３    空隙
１４    凹部
１５    吐出口
１６    圧電素子
１７    液滴噴射装置
１８    窒化シリコン被膜
１９    拡散防止層
２０    第３基板
【図１】
2004214308.tif 000003
【図２】
2004214308.tif 000004
【図３】
2004214308.tif 000005