(57)【要約】【課題】圧電体層の破壊を防止でき圧電素子の安定した変位特性が得られる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供する。【解決手段】圧電素子３００を構成する下電極６０の少なくとも一方の端部が、圧力発生室１２に対向する領域内でパターニングされ、圧電体層７０が複数層の強誘電体膜７１で構成されていると共にこれら複数層の強誘電体膜７１のうちの最下層である第１の強誘電体膜７１ａが下電極６０上のみに形成され且つ他の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆが下電極６０の一方の端面及び第１の強誘電体膜７１ａの端面を覆って形成されており、第１の強誘電体膜７１ａ及び第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２の強誘電体膜７１ｂの結晶密度を、この第２の強誘電体膜７１ｂ上に形成される残りの強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆのそれぞれの結晶密度よりも高くする。【選択図】      図３
2005014265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
前記圧電素子を構成する前記下電極の少なくとも一方の端部が、前記圧力発生室に対向する領域内でパターニングされ、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されていると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに形成され且つ他の強誘電体膜が前記下電極の一方の端面及び第１の強誘電体膜の端面を覆って形成され、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の結晶密度が、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの結晶密度よりも高いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の端面が、前記振動板に対して傾斜する傾斜面となっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧電体層の端部近傍の前記振動板上に、前記下電極と電気的に切断された金属層を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極膜と、該下電極膜上に設けられ複数層の強誘電体膜で構成される圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極膜とからなる圧電素子とを具備し、前記圧電素子を構成する前記下電極膜の少なくとも一方の端部が、前記圧力発生室に対向する領域内でパターニングされ、前記圧電体層が複数の強誘電体膜で構成されていると共にこれら複数の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極膜上のみに形成され且つ他の強誘電体膜が前記下電極膜の一方の端面及び第１の強誘電体膜の端面を覆って形成された液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記流路形成基板の表面に前記下電極膜を形成する工程と、当該下電極膜上に強誘電体前駆体膜を所定厚さで形成し、それを脱脂及び焼成することで前記第１の強誘電体膜とする工程と、前記下電極膜及び第１の強誘電体膜を所定形状にパターニングする工程と、前記第１の強誘電体膜上に強誘電体前駆体を所定厚さで形成し、それを脱脂及び焼成することで第２の強誘電体膜とする工程と、この第２の強誘電体膜上に強誘電体前駆体膜を所定厚さで形成しそれを脱脂及び焼成して前記強誘電体膜を形成する工程を複数回繰り返すことにより前記第２の強誘電体膜上に残りの強誘電体膜を形成して所定厚さの前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成後、当該上電極膜及び前記圧電体層をパターニングして前記圧電素子を形成する工程とを有し、且つ前記第１及び第２の強誘電体膜を脱脂する際に、前記残りの強誘電体膜を脱脂する際の昇温レートよりも低い昇温レートで加熱することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項８】
請求項７において、前記強誘電体前駆体膜を一層形成後、脱脂及び焼成することで前記第１及び第２の強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜を二層以上形成後、脱脂及び焼成することで残りの強誘電体膜を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８において、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングする工程の後に、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種を、前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９の何れかにおいて、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をイオンミリングによってパターニングすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
請求項７〜１０の何れかにおいて、前記強誘電体前駆体膜をゾル−ゲル法により形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴を噴射する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に関し、特に、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って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法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素子を形成したものが知られている。
【０００４】
また、このような圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドでは、この圧電素子の下電極を圧力発生室に対向する領域にパターニングすることで、振動板の初期撓みを抑え、圧電素子の駆動による振動板の変位量を増加させた構造がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２６５０３号公報（第７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パターニングされた下電極上に圧電体層を形成しようとすると、下電極の端部を覆う部分及び振動板上に形成される圧電体層の膜質が悪く、駆動信頼性に欠けるという問題がある。すなわち、下電極上の圧電体層と、振動板上の圧電体層とで結晶性等の特性が異なってしまい、圧電体層は下電極の端部近傍で実質的に不連続となる。このため、圧電体層に電圧を印加するとクラック等の破壊が生じてしまうという問題がある。特に、下電極の長手方向の端部に対応する領域の圧電体層が破壊されやすい。なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の破壊を防止でき圧電素子の安定した変位特性が得られる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子を構成する前記下電極の少なくとも一方の端部が、前記圧力発生室に対向する領域内でパターニングされ、前記圧電体層が複数層の強誘電体膜で構成されていると共にこれら複数層の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極上のみに形成され且つ他の強誘電体膜が前記下電極の一方の端面及び第１の強誘電体膜の端面を覆って形成され、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の結晶密度が、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの結晶密度よりも高いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、圧電体層の結晶性等の膜質が向上する。特に、下電極の端面及び振動板上の圧電体層の膜質が向上し、良好な圧電特性が得られる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第１の強誘電体膜及び当該第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜の厚さが、この第２の強誘電体膜上に形成される残りの強誘電体膜のそれぞれの厚さよりも薄いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１１】
かかる第２の態様では、圧電体層の膜質がより確実に向上する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記下電極及び前記第１の強誘電体膜の端面が、前記振動板に対して傾斜する傾斜面となっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１３】
かかる第３の態様では、下電極及び第１の強誘電体膜上に形成される第２の強誘電体膜等の膜質が向上し、電圧印加時にクラック等の発生が防止される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種が前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、結晶種により第２の強誘電体膜の結晶構造が一方向に配向して略一様に形成されるため、圧電体層の膜質が確実に向上する。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧電体層の端部近傍の前記振動板上に、前記下電極と電気的に切断された金属層を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１７】
かかる第５の態様では、強誘電体膜を焼成する際に、強誘電体膜が全体的に略均一に加熱される。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００１９】
かかる第６の態様では、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【００２０】
本発明の第７の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極膜と、該下電極膜上に設けられ複数層の強誘電体膜で構成される圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極膜とからなる圧電素子とを具備し、前記圧電素子を構成する前記下電極膜の少なくとも一方の端部が、前記圧力発生室に対向する領域内でパターニングされ、前記圧電体層が複数の強誘電体膜で構成されていると共にこれら複数の強誘電体膜のうちの最下層である第１の強誘電体膜が前記下電極膜上のみに形成され且つ他の強誘電体膜が前記下電極膜の一方の端面及び第１の強誘電体膜の端面を覆って形成された液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記流路形成基板の表面に前記下電極膜を形成する工程と、当該下電極膜上に強誘電体前駆体膜を所定厚さで形成し、それを脱脂及び焼成することで前記第１の強誘電体膜とする工程と、前記下電極膜及び第１の強誘電体膜を所定形状にパターニングする工程と、前記第１の強誘電体膜上に強誘電体前駆体膜を所定厚さで形成し、それを脱脂及び焼成することで第２の強誘電体膜とする工程と、この第２の強誘電体膜上に強誘電体前駆体膜を所定厚さで形成しそれを脱脂及び焼成して前記強誘電体膜を形成する工程を複数回繰り返すことにより前記第２の強誘電体膜上に残りの強誘電体膜を形成して所定厚さの前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成後、当該上電極膜及び前記圧電体層をパターニングして前記圧電素子を形成する工程とを有し、且つ前記第１及び第２の強誘電体膜を脱脂する際に、前記残りの強誘電体膜を脱脂する際の昇温レートよりも低い昇温レートで加熱することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２１】
かかる第７の態様では、圧電体層の膜質、特に下電極膜の端面及び振動板上の圧電体層の膜質が向上する。
【００２２】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記強誘電体前駆体膜を一層形成後、脱脂及び焼成することで前記第１及び第２の強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜を二層以上形成後、脱脂及び焼成することで残りの強誘電体膜を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２３】
かかる第８の態様では、圧電体層の膜質を向上できると共に製造効率を向上することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、第７又は８の態様において、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をパターニングする工程の後に、前記圧電体層の結晶の核となる結晶種を、前記第１の強誘電体膜上から前記振動板の表面に亘って連続的に形成する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２５】
かかる第９の態様では、結晶種により第２の強誘電体膜の結晶構造が一方向に配向して略一様に形成されるため、圧電体層の膜質が確実に向上する。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、第７〜９の何れかの態様において、前記下電極膜及び前記第１の強誘電体膜をイオンミリングによってパターニングすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、下電極膜及び第１の強誘電体膜を比較的容易に所望の形状にパターニングすることができる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、第７〜１０の何れかの態様において、前記強誘電体前駆体膜ゾル−ゲル法により形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２９】
かかる第１１の態様では、圧電体層を比較的容易且つ良好な膜質で形成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ’断面図であり、図３は、圧電素子の層構造を示す概略図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００３１】
このような圧力発生室１２等は、弾性膜５０とは反対側の面から流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されている。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０が面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなるため、シリコン単結晶基板の（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。すなわち、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３２】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【００３３】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３４】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０−６／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３５】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００３６】
ここで、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、圧力発生室１２の両端部近傍でそれぞれパターニングされ、圧力発生室１２の並設方向に沿って連続的に設けられている。また、本実施形態では、各圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０の端面は、絶縁体膜５５に対して所定角度で傾斜する傾斜面となっている。
【００３７】
また、圧電体層７０は、各圧力発生室１２毎に独立して設けられ、図３に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電材料からなる複数層の強誘電体膜７１（７１ａ〜７１ｆ）で構成され、それらのうちの最下層である第１の強誘電体膜７１ａは下電極膜６０上のみに設けられている。そして、この第１の強誘電体膜７１ａの端面は、下電極膜６０の端面に連続する傾斜面となっている。また、この第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２〜６の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆは、第１の強誘電体膜７１ａ上から絶縁体膜５５上まで、第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０の傾斜した端面を覆って設けられている。
【００３８】
ここで、第１の強誘電体膜７１ａ及びこの第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２の強誘電体膜７１ｂは、残りの第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆよりも結晶密度が高くなるように形成されている。これにより、各強誘電体膜７１の結晶の配向性、緻密性が向上し、圧電体層７０の膜質を著しく向上することができる。
また、第１の強誘電体膜７１ａ及び第２の強誘電体膜７１ｂは、他の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆよりも薄く形成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂが、約０．１μｍの厚さで形成され、他の第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆが、約０．２μｍの厚さで形成されている。
【００３９】
なお、上電極膜８０は、圧電体層７０と同様に各圧力発生室１２毎に独立して設けられている。そして、各上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなる絶縁体膜５５上まで延設されるリード電極９０がそれぞれ接続されている。
また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合されている。また、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。さらに、封止基板３０上には、剛性が低く可撓性を有する材料で形成される封止膜４１と金属等の硬質の材料で形成される固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。なお、固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は封止膜４１のみで封止されている。
【００４０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００４１】
以下、このような本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法、特に、圧電素子の形成方法について図４〜図８を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコンウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を全面に形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５上に形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、本実施形態のように、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウム等が好適である。
【００４２】
次いで、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成する。圧電体層７０は、上述したように複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆを積層することによって形成され、本実施形態では、これらの強誘電体膜７１をいわゆるゾル−ゲル法を用いて形成している。すなわち、金属有機物を触媒に溶解・分散しゾルを塗布乾燥しゲル化して強誘電体前駆体膜７２を形成し、さらにこの強誘電体前駆体膜７２を脱脂して有機成分を離脱させた後、焼成して結晶化させることで各強誘電体膜７１を得ている。
【００４３】
具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上に、チタン又は酸化チタンからなる結晶種（層）６５をスパッタ法により形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、例えば、スピンコート法等の塗布法により未結晶の強誘電体前駆体膜７２ａを所定の厚さ、本実施形態では、一層当たりの焼成後の厚みが０．１μｍ程度になるように形成する。なお、強誘電体前駆体膜７２ａは、一度の塗布によって約０．１５μｍ程度の厚さで形成される。次いで、この強誘電体前駆体膜７２ａを所定温度で所定時間乾燥させて溶媒を蒸発させる。強誘電体前駆体膜７２ａを乾燥させる温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下であることが好ましく、好適には１８０℃程度である。また、乾燥させる時間は、例えば、５分以上１５分以下であることが好ましく、好適には１０分程度である。
【００４４】
そして、乾燥した強誘電体前駆体膜７２ａを所定温度で脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、強誘電体前駆体膜７２ａの有機成分、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等を離脱させることである。なお、脱脂時のシリコンウェハ１１０の加熱温度は、３００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。温度が高すぎると強誘電体前駆体膜７２ａの結晶化が始まってしまい、温度が低すぎると十分な脱脂が行えないためである。例えば、本実施形態では、ホットプレートによってシリコンウェハ１１０を４００℃程度に加熱して、強誘電体前駆体膜７２ａの脱脂を行った。また、本発明では、この脱脂時の昇温レートを、後の工程で形成される強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆの場合よりも低くしている。この脱脂時の昇温レートは、具体的には、例えば、２５０℃から４００℃に上昇する際に１．５〜２℃／秒程度の昇温レートであることが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜７２ａに結晶核を多く発生させることができるため、後述する焼成工程を経て得られる第１の強誘電体膜７１ａの緻密性及び配向性が向上する。
このように強誘電体前駆体膜７２ａの脱脂を行った後、シリコンウェハ１１０を所定の拡散炉に挿入し、強誘電体前駆体膜７２ａを約７００℃の高温で焼成して結晶化することにより、最下層の強誘電体膜である第１の強誘電体膜７１ａとする。
【００４５】
次に、下電極膜６０と第１の強誘電体膜７１ａとを同時にパターニングする。具体的には、まず図５（ｃ）に示すように、第１の強誘電体膜７１ａ上にレジストを塗布してマスクを用いて露光し現像することにより所定パターンのレジスト膜２００を形成する。ここで、レジストは、例えば、ネガレジストをスピンコート法等により塗布して形成し、レジスト膜２００は、その後、所定のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより形成する。勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。また、本実施形態では、レジスト膜２００の端面２０１が所定角度で傾斜するように形成している。このレジスト膜２００の端面の傾斜角度は、ポストベークの時間が長いほど小さくなる。また、過剰に露光することによっても傾斜角度を調整することができる。
【００４６】
そして、図６（ａ）に示すように、このようなレジスト膜２００を介して下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａをイオンミリングによってパターニングする。このとき、これら下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａは、レジスト膜２００の傾斜した端面２０１に沿ってパターニングされ、これらの端面は、振動板に対して所定角度で傾斜する傾斜面となる。このように下電極膜６０及び第１の強誘電体膜７１ａの端面を傾斜面とすることで、第１の強誘電体膜７１ａ上に他の強誘電体膜を良好な膜質で形成することができる。
【００４７】
次に、図６（ｂ）に示すように、第１の強誘電体膜７１ａ上を含むシリコンウェハ１１０の全面に、再び結晶種（層）６５Ａを形成後、スピンコート法等により強誘電体前駆体膜７２ｂを所定厚さ、本実施形態では、約０．１５μｍの厚さで形成する。そして、この強誘電体前駆体膜７２ｂを乾燥・脱脂・焼成することにより第２の強誘電体膜７１ｂを形成する。なお、この第２の強誘電体膜７１ｂとなる強誘電体前駆体膜７２ｂの脱脂時も、第１の強誘電体膜７１ａの場合と同様に、強誘電体前駆体膜７２ｂの昇温レートは比較的低くすることが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜７２ｂに結晶核を多数良好に発生させることができる。すなわち、下電極膜６０に対向する領域から絶縁体膜５５に対向する領域まで多数の結晶核が略均等に形成された第２の強誘電体膜７１ｂが得られる。
【００４８】
次いで、図６（ｃ）に示すように、この第２の強誘電体膜７１ｂ上に強誘電体前駆体膜７２ｃを所定の厚さ、本実施形態では、焼成後で０．２μｍの厚さとなるように形成する。一度の塗布による強誘電体前駆体膜７２ｃの厚さは、約０．１５μｍ程度であり、本実施形態では、二度の塗布により所望の厚さの強誘電体前駆体膜７２ｃを得ている。次いで、この強誘電体前駆体膜７２ｃを乾燥・脱脂後、焼成して結晶化させて強誘電体膜７１ｃとする。そして、このように、二度の塗布によって強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを形成する工程と、その強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを乾燥・脱脂後、焼成する工程とを複数回、本実施形態では、４回繰り返すことにより、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆを形成する。これにより、複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆからなり、厚さが約１μｍの圧電体層７０が形成される。
【００４９】
ここで、これら第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆを構成する強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを脱脂する際、その昇温レートを比較的高く、例えば、第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂを構成する強誘電体前駆体膜７２ａ，７２ｂを脱脂する際の昇温レートよりも高くしている。これにより、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆとなる強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆには結晶核が形成されにくくなる。このため、強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを焼成すると、それ以前に結晶化された強誘電体膜７１ａ，７１ｂの結晶を核として結晶が成長する。すなわち、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆの結晶は、優先配向しており、且つ第２の強誘電体膜７１ｂの結晶から連続して柱状に形成される。また、各強誘電体膜７１ｂ〜７１ｆは、下電極膜６０に対向する領域から絶縁体膜５５に対向するまで連続して良好に結晶化される。
【００５０】
なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。
このように形成される圧電体層７０（強誘電体膜７１）の材料として、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、インクジェット式記録ヘッドに使用する材料としては、良好な変位特性を得られればチタン酸ジルコン酸鉛系の材料に限定されない。
【００５１】
そして、このような複数層の強誘電体膜７１ａ〜７１ｆからなる圧電体層７０を形成した後は、図７（ａ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を積層形成し、圧電体層７０及び上電極膜８０を各圧力発生室１２に対向する領域内にパターニングして圧電素子３００を形成する（図７（ｂ））。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態では、圧電体層７０を構成する第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂを形成する際に比較的低い昇温レートで強誘電体前駆体膜７２ａ，７２ｂを脱脂し、且つ残りの第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆを形成する際に、比較的高い昇温レートで強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを脱脂するようにした。これにより、第１及び第２の強誘電体膜７１ａ，７１ｂは、結晶核が多く発生し結晶の緻密性、配向性が大幅に向上する。また、第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆの結晶は、第２の強誘電体膜７１ｂの結晶を核として連続的に良好に形成される。したがって、圧電体層７０の膜質が向上すると共に、全ての部分の膜質が略均一となる。よって、圧電素子３００に電圧を印加した際に良好な変位特性が得られ、また、比較的高い電圧を印加しても圧電体層７０が破壊されることがなく、信頼性に優れた圧電素子３００が得られる。
【００５３】
なお、その後は、図８（ａ）に示すように、金（Ａｕ）からなる金属層を流路形成基板１０の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介してこの金属層を各圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。そして、このようにして膜形成を行った後、図８（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１１０に封止基板３０を接合し、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介してシリコンウェハ１１０をエッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する。なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のシリコンウェハ上に多数のチップを同時に形成し、上記プロセス終了後、上述したノズルプレート２０及びコンプライアンス基板４０を接着して一体化し、その後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割することによってインクジェット式記録ヘッドとする。
【００５４】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
本実施形態は、圧電体層の端部近傍の振動板上に金属層を設けるようにした例である。すなわち、図９に示すように、圧電体層７０の長手方向端部近傍に、下電極膜６０と同一の層からなるが下電極膜６０とは電気的に切断された金属層６１が設けられている。そして、圧電体層７０は、これらの金属層６１上の一部までそれぞれ延設されている。
【００５５】
なお、本実施形態では、圧電体層７０のリード電極９０側の端部近傍に設けられる金属層６１Ａは、各圧電素子毎に分離して設けられており、リード電極９０がこの金属層６１Ａ上に延設されている。一方、リード電極９０とは反対側の端部近傍に設けられる金属層６１Ｂは、複数の圧電素子３００に対応する領域に連続的に設けられている。
【００５６】
このような構成では、焼成時に、圧電体層７０となる強誘電体膜７１を略均一に加熱することができ、均一な圧電特性を有する圧電体層７０を形成できる。すなわち、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５は、下電極膜６０に比べて近赤外線の吸収率が低いため、下電極膜６０が形成されていない領域では、焼成時に温度上昇が鈍くなる。このため圧電体層７０の下電極膜６０に対応する領域とそれ以外の領域とで、圧電特性が均一にならない場合がある。しかしながら、本実施形態では、圧電体層７０の両端部に対応する領域に金属層６１Ａ，６１Ｂを設けるようにしたので、焼成時に強誘電体膜７１を均一に加熱することができ、全体的に均一な圧電特性を有する圧電体層７０を形成することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、第２の強誘電体膜７１ｂ上に形成する第３〜第６の強誘電体膜７１ｃ〜７１ｆは、二度の塗布により第３〜第６の強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを形成後、これら第３〜第６の強誘電体前駆体膜７２ｃ〜７２ｆを焼成することによって形成しているが、勿論、一度の塗布により形成した強誘電体前駆体膜を焼成することによって形成してもよい。また、上述の実施形態では、第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０の端面が振動板に対して傾斜するように形成したが、勿論、振動板に対して略垂直な端面であってもよい。また、上述の実施形態では、下電極膜６０が並設された圧力発生室１２に対応する領域に亘って連続的に設けられているが、これに限定されず、例えば、下電極膜６０を櫛歯状に形成し、各圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０が実質的に独立するようにしてもよい。
【００５８】
このような各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
【００５９】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】実施形態１に係る圧電素子の層構造を示す概略図。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図６】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図７】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図８】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図９】実施形態２に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図。
【符号の説明】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ２１ノズル開口、  ３０  封止基板、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ７１  強誘電体膜、  ７２  強誘電体前駆体膜、  ８０  上電極膜、  ９０  リード電極、
３００  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】
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【図１０】
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