(57)【要約】      （修正有）【課題】電極で覆われない圧電体層の領域における欠陥の発生を未然に防止し、長期に亘り安定した所定動作が保証される圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】上電極４０および下電極２０と、上電極４０および下電極２０との間に挟持されるとともに上電極４０と重なる第１の部分３ａおよび重ならない第２の部分３ｂを有する圧電体層３０と、上電極４０の端部の少なくとも一部を覆うとともに第１の部分３ａと第２の部分３ｂに跨って形成された保護膜８０とを有する圧電素子の製造方法であって、単一種類の原子でなる水素を含まない前駆体を用いて第１の部分３ａと第２の部分３ｂに跨がる膜を成膜する成膜工程と、成膜工程で成膜した膜を酸化して保護膜８０を作成する酸化工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極との間に挟持されるとともに前記第１の電極と重なる第１の部分および重ならない第２の部分を有する圧電体層と、前記第１の電極の端部の少なくとも一部を覆うとともに前記第１の部分と第２の部分に跨って形成された保護膜とを有する圧電素子の製造方法であって、
単一種類の原子でなる水素を含まない前駆体を用いて前記第１の部分と第２の部分に跨がる膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程で成膜した膜を酸化して前記保護膜を作成する酸化工程とを有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する圧電素子の製造方法において、
前記第１の電極は共通電極であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する圧電素子の製造方法において、
前記成膜工程は、スパッタリング法で実現したことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載する圧電素子の製造方法において、
前記成膜工程は、蒸着法で実現したことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載する圧電素子の製造方法において、
前記前駆体は、Ａｌ、Ｔｉ、ＴａまたはＷ中のいずれか一種類であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項６】
流路形成基板に形成された圧力発生室内に充填された液体に圧力を作用させ、ノズル開口を介して前記液体をノズル開口から吐出する液体噴射ヘッドであって、
前記液体に前記圧力を発生させる圧力発生手段として請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載する圧電素子の製造方法により得る圧電素子を前記流路形成基板上に配設したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子および液体噴射ヘッドに関し、特に圧電体層の表面の一部が露出され、当該露出部と上電極との間に跨って保護膜を形成する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
結晶を歪ませると帯電し、また電界中に置くと歪む特徴を持つ圧電素子は、インクジェットプリンターといった液体噴射装置、アクチュエーター、センサー等に広く使用されている。かかる圧電素子として下電極を圧電体層毎の個別電極とし、上電極を複数の個別電極に対して共通の共通電極とするものが知られている。
【０００３】
このように上電極を共通電極とする圧電素子においては、圧電体層の表面の一部が上電極で覆われない場合が発生する。圧電体層の表面の一部が上電極で覆われていない場合、上電極または配線をパターニングする際に用いられる薬品等により圧電体層の組成が不安定になる。このため、圧電体層の表面にクラックや焼損を生起することがあった。また、この場合には下電極を引出す際に上電極と交差する端部ができるが、かかる端部は応力や電界の集中により壊れやすいため、何らかの対策を講じるのが望ましい。
【０００４】
そこで、圧電体層の表面の露出部と上電極との間に跨って保護膜を形成した圧電素子が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１１８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の、例えば特許文献１に開示するように、従来の保護膜は、ＡＬＤ（原子層堆積法）やＣＶＤ（化学的気相成長法）により作製するＡｌ２Ｏ３膜やＴａＯｘ膜を用いてきた。しかしながら、ＡＬＤやＣＶＤの前駆体は、有機金属でＨを含むため、成膜の際に分解してＨ＋が生起される。このようにＨ＋が生起されると上電極の端部近傍で露出されている圧電体層のＯがＨ＋と結合する結果、圧電体層からＯが抜け、欠陥を生起し圧電体層の耐久性を悪化させる。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、電極で覆われない圧電体層の領域における欠陥の発生を未然に防止し、長期に亘り安定した所定動作が保証される圧電素子の製造方法および液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の態様は、第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極との間に挟持されるとともに前記第１の電極と重なる第１の部分および重ならない第２の部分を有する圧電体層と、前記第１の電極の端部の少なくとも一部を覆うとともに前記第１の部分と第２の部分に跨って形成された保護膜とを有する圧電素子の製造方法であって、単一種類の原子でなる水素を含まない前駆体を用いて前記第１の部分と第２の部分に跨がる膜を成膜する成膜工程と、前記成膜工程で成膜した膜を酸化して前記保護膜を作成する酸化工程とを有することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
本態様によれば、Ｈ＋の発生を防止することができるので、圧電体層の表面の一部が露出していてもＨ＋の作用によるＯの抜け、およびこれに伴う欠陥を生起することはない。したがって、長期に亘って安定な所定動作が担保される。
【０００９】
ここで、第１の電極は共通電極であることが望ましい。この場合には、第１の電極が上電極となり、個別電極である下電極を引出す際に上電極と交差する端部が形成され、かかる端部の補強を図る必要があるからである。また、前記成膜工程は、スパッタリング法で実現できる。さらに、前記成膜工程は、蒸着法で実現することもできる。
【００１０】
前記前駆体は、Ａｌ、Ｔｉ、ＴａまたはＷ中のいずれか一種類であるのが望ましい。成膜に際しＨ＋を発生することはないからである。
【００１１】
本発明の他の態様は、流路形成基板に形成された圧力発生室内に充填された液体に圧力を作用させ、ノズル開口を介して前記液体をノズル開口から吐出する液体噴射ヘッドであって、前記液体に前記圧力を発生させる圧力発生手段として上述のごとき圧電素子の製造方法により得る圧電素子を前記流路形成基板上に配設したことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本態様によれば、圧電体層におけるＯの抜けに起因する欠陥を防止した圧電素子により長期に亘り安定した印刷等、所定の動作が担保される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】圧電素子を示す一部上面図（ａ）、垂直断面図（ｂ）である。
【図２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】インクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】インクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、この実施の形態に記載する構成は一例にすぎずこれに限定されない。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る液体噴射ヘッドに含まれる圧電素子の要部を示す一部上面図、図１（ｂ）はその垂直断面図である。また、図２は、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）１を分解して示す分解斜視図である。
【００１５】
図２に示すように、例示する記録ヘッド１は、圧電体層３０、下電極２０、および上電極４０を有する圧電素子３と、ノズル開口７１に連通し圧電素子３により圧力変化が生じる圧力発生室１２とを備えている。より具体的には、圧電素子３は、弾性膜を備える振動板１６上に下電極２０、圧電体層３０および上電極４０の順に積層して構成されている。本形態においては、上電極４０が共通電極で第１の電極、下電極２０が個別電極で第２の電極となっている。なお、場合によっては上電極を個別電極、下電極を共通電極とすることもできる。
【００１６】
振動板１６の圧電素子３が積層されない側は、流路形成基板１０に固着されている。この流路形成基板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の圧力発生室の長手方向外側の領域には連通路１３が形成され、連通路１３と圧力発生室１２とが、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。
【００１７】
一方、流路形成基板１０の振動板１６が固着されない側には、ノズルプレート７０が固着されている。このノズルプレート７０にはインクが吐出する流路の一部と成るノズル開口７１が複数穿設されている。さらに、振動板１６の圧電素子３が固着される側には、コンプライアンス基板６０が固着された保護基板５０が固着されている。
【００１８】
次に、図１を参照して、圧電素子３の構成を説明する。図１（ａ）に示すように、圧電素子３は、上電極４０を共通電極とする構成であり、振動板１６上に積層されて形成されている。すなわち、図１（ｂ）に示すように、振動板１６の直上には、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ir）とチタン（Ｔｉ）の少なくとも一つを含有する層を有する下電極２０が積層されている。下電極２０は、個別電極である。したがって、圧電素子３毎に形成されている。下電極２０の直上には、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）を少なくとも含む圧電体層３０が積層されている。この圧電体層３０は、ペロブスカイト型酸化物により構成されている。
【００１９】
圧電体層３０の直上には、上電極４０が積層されている。上電極４０は、全ての圧電素子３に共通する共通電極であり、各圧電体層３０に連続して形成されている。上電極４０を構成する金属は、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。無論これ以外にも、上記した金属に異なる金属を含有するものであってもよい。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、下電極２０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。また、各圧力発生室１２に対応するパターニングされた上電極４０の長手方向端部は、下電極２０が形成される領域の長手方向端部より圧力発生室１２側に位置する。ここで、上電極４０の長手方向端部は、圧力発生室１２の長手方向端部より外側まで延設している。すなわち、圧電体層３０は、上電極４０と重なる第１の部分３ａおよび重ならない第２の部分３ｂを有している。すなわち、圧電体層３０には、下電極２０上に位置するが上電極４０に覆われない領域と、下電極２０上に位置し、且つ上電極４０に覆われる領域とが存在することとなる。そして、上電極４０に覆われない領域である第２の部分３ｂでは、圧電体層３０の表面が露出される。
【００２１】
なお、下電極２０と上電極４０との長手方向端部の位置関係は一例にすぎず、例えば、上電極４０の長手方向端部が、圧力発生室１２の長手方向端部より手前に形成されていてもよい。
【００２２】
また、圧電素子３の内、電界の作用により変形する領域を能動部、電界の作用によっては変形しない領域を非能動部と規定すると、第１の部分３ａが能動部、第２の部分３ｂが非能動部ということになる。かかる能動部と非能動部との境界部分、すなわち第１の部分３ａと第２の部分３ｂとの境界部分には、この境界領域を覆うように第１の部分３ａと第２の部分３ｂとに跨る保護膜８０が形成されている。本形態における保護膜８０は水素を含まない前駆体を用いて形成してある（製法の詳細に関しては後述する）。かくして、保護膜８０に起因するＨ＋が圧電体層３０のＯと反応することによるＯの抜けを防止して圧電体層３０の劣化を未然に防止し得る構造となっている。
【００２３】
ここで、保護膜８０の長手方向における上電極４０側の端部は、圧力発生室１２上より手前に形成されることが好ましい。すなわち、圧力発生室１２が形成される領域の上方には、保護膜８０が形成されないことが好ましい。保護膜８０を圧力発生室１２が形成される領域にかからないようにすることで、圧電素子３の駆動を阻害することを防止するためである。
【００２４】
本形態における保護膜８０は、無機材料である、例えばＡｌ２Ｏ３で良好に形成することができる。その他にも、Ｔｉ、Ｔａ、またはＷを前駆体として作製した膜の酸化膜で好適に形成することができる。
【００２５】
次に、図３および図４を参照して、上述した上述の如き圧電素子３を有する記録ヘッド１の製造方法を圧電素子３の製造方法とともに説明する。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｃ）および図４（ａ）〜（ｃ）は、記録ヘッド１の製造工程を説明するための断面図である。なお、本形態の保護膜８０はＡｌ２Ｏ３であるが、前述の如く、Ｔｉ、Ｔａ、またはＷを前駆体として作製した膜の酸化膜であっても構わない。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板等から流路形成基板１０を形成して、例えば、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコン基板１５を約１１００℃の拡散路で熱酸化等することによって二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る弾性膜（振動板１６）を一体的に形成する。弾性膜の厚さは、弾性を有する限り特には限定されないが、例えば０．５μｍ〜２μｍ程度とするのが好適である。次いで、スパッタ法等により振動板１６上に下電極２０を構成するための下電極膜を形成する。下電極２０の構成金属は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｔｉ等の１種類以上の金属を用いることができる。下電極２０の厚さは、特に限定されないが、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）膜、Ｉｒ膜、ＩｒＯ（酸化イリジウム）膜、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）膜等の層を振動板１６上に形成したうえで、下電極２０を形成してもよい。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、前工程で形成された圧電体層３０の上に、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。上電極４０を構成する金属には、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ等の１種類以上の金属を用いることができる。また、上電極４０の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることができる。
【００２９】
図３（ｃ）に示す本例では、上電極膜を形成した後に、上電極膜を各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３を形成している。また、下電極２０や上電極４０は、ＤＣ（直流）マグネトロンスパッタリング法といったスパッタ法等によって形成することができる。各層の厚さは、スパッタ装置の印加電圧やスパッタ処理時間を変えることにより調整することができる。
【００３０】
次に、図３（ｂ）に示すように、塗布した前駆体溶液を結晶化させて圧電体層３０を形成するとともに、こうして形成された圧電体層３０の上に、スパッタ法等によって上電極４０を形成する。
【００３１】
その後、図３（ｃ）に示すように、圧電体層３０の能動部である第１の部分３ａ（図１（ｂ）参照）と非能動部である第２の部分３ｂとの境界において上電極４０と圧電体層３０とに跨る保護膜８０を形成するための膜を成膜する。具体的には、まず上電極４０を含む圧電体層３０上にＡｌ膜を成膜する。かかる成膜は、スパッタリング法や蒸着法（物理的蒸着法および化学的蒸着法）により好適に実施し得る。
【００３２】
このようにして成膜した無機膜を酸化して例えばＡｌ２Ｏ３膜である保護膜８０を生成する。
【００３３】
なお、ここで、本形態では、保護膜８０を作製する場合の前駆体としてＡｌを用いたが、単一種類の原子からなる水素を含まない前駆体であれば、特に限定はされない。他に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ等が考えられる。これらの前駆体を用いて所定の膜を成膜し、その後酸化させることによりＡｌ２Ｏ３膜と同機能の保護膜８０を成膜することができる。
【００３４】
次に、図４（ａ）に示すように、前工程で成膜したＡｌ２Ｏ３膜を、例えばレジスト等からなるマスクパターンを用いて所定の形状に、パターニングし、さらにドライエッチングを行うことにより保護膜８０を形成するとともに、保護膜８０上にリード電極４５を形成する。例えば、流路形成基板１０の前面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子３毎にパターニングすることにより、リード電極４５を形成する。
【００３５】
このように、本形態では、保護膜８０の形成の後、リード電極４５を形成するためのパターニングを行う。このため、保護膜８０によりリード電極４５をパターニングする際に使用される薬剤から圧電体層３０を保護することもできる。かくして本形態に係る圧電素子３が形成される。
【００３６】
続いて、図４（ｂ）に示すように、圧電素子保持部５２等を予め形成した保護基板５０を流路形成基板１０上に、例えば接着剤によって接合し、さらにシリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。さらに詳言すると、本工程における保護基板５０は、例えばシリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料等を用いることができ、その厚さは、特に限定されないが、例えば４００μｍ程度とすることができる。保護基板５０の厚さ方向に貫通したマニホールド５１は、連通路１３とともに、共通のインク室となるマニホールド９を構成する。圧電素子３に対向する領域に設けられた圧電素子保持部５２は、圧電素子３の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板５０の貫通孔５３内には、各圧電素子３から引き出されたリード電極４５の端部付近が露出する。
【００３７】
次いで、本工程においては、シリコン基板１５をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板１５を所定の厚さ（例えば７０μｍ程度）にする。その後、シリコン基板１５上にマスク膜１７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜１７には、窒化シリコン（ＳｉＮ）等を用いることができる。次いで、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板１５を異方性エッチング（ウェットエッチング）する。これにより、複数の隔壁１１（図２参照）によって区画された圧力発生室１２と細幅のインク供給路１４を備えた複数の液体流路と、各インク供給路１４に繋がる共通の液体流路である連通路１３とが形成される。液体流路（１２，１４）は、圧力発生室１２の短手方向である幅方向へ並べられている。ここで、圧力発生室１２は、圧電素子３の形成前に形成されてもよい。
【００３８】
次に、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１５の保護基板５０とは反対側の面にノズルプレート７０を接合する。ノズルプレート７０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等を用いることができ、流路形成基板１０の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート７０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７１が穿設されている。したがって、圧力発生室１２は、液体を吐出するノズル開口７１に連通している。同時に、封止膜６１および固定板６２を有するコンプライアンス基板６０を保護基板５０上に接合する。封止膜６１は、例えば厚さ６μｍ程度のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムといった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、マニホールド５１の一方の面を封止する。固定板６２は、例えば厚さ３０μｍ程度のステンレス鋼（ＳＵＳ）といった金属等の硬質の材料が用いられ、マニホールド５１に対向する領域が開口部６３とされている。
【００３９】
また、保護基板５０上には、並設された圧電素子３を駆動するための駆動回路６５が固定される。駆動回路６５には、回路基板、半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。駆動回路６５とリード電極４５とは、接続配線６６を介して電気的に接続される。接続配線６６には、ボンディングワイヤーといった導電性ワイヤー等を用いることができる。
最後に、所定のチップサイズに分割することにより記録ヘッド１を形成する。
【００４０】
上述の如き本形態に係る製造方法により得られる圧電素子３は、その保護膜８０にＨを含まないので、Ｈ＋の発生を防止することができる。この結果、圧電体層３０の表面の一部が露出していてもＨ＋の作用によるＯの抜け、およびこれに伴う欠陥を生起することはない。
【００４１】
なお、上記実施の形態においてノズル開口７１から吐出される液滴は、インク滴として説明したが、インク滴に限る必要はない。記録ヘッド１から吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル等の液体であっても構わない。このような液体には、インクの他、液晶等が含まれる。記録ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルターの製造装置、有機ＥＬディスプレー等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置等に搭載可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  記録ヘッド、  ３  圧電素子、  ９  マニホールド、  １０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １５  シリコン基板、  １６  振動板、  ２０  下電極、  ３０  圧電体層、  ４０  上電極、  ４５  リード電極、  ５０  保護基板、  ７０  ノズルプレート、  ８０  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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