(57)【要約】      （修正有）【課題】振動膜の表面粗さを制御することで結晶配向性の優れた下部電極に優先配向したＰＺＴ膜を安定して再現性よく作成し、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出しても安定したインク吐出特性を得ることが可能な圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに画像形成装置を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータは、基板１上に形成された成膜振動板３と、成膜振動板３上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられる鉛及びジルコニウム及びチタンを含んで構成される圧電体薄膜６と、圧電体薄膜６上に設けられた上部電極７とを有する下部電極は成膜振動板３上に形成された酸化チタン膜を介して白金膜を有し、圧電体薄膜６はを優先配向され、成膜振動板３は、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を含み、最表層はシリコン酸化膜から構成され、その表面粗さが５ｎｍ以下である。【選択図】図２
2016062984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された振動板と、
前記振動板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられる鉛及びジルコニウム及びチタンを含んで構成される圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜上に設けられた上部電極とを有し、
前記下部電極は前記振動板上に形成された酸化チタン膜を介して白金膜を有し、
前記圧電体薄膜は（１００）を優先配向され、
前記振動板は、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を含み、その最表層はシリコン酸化膜から構成され、その表面粗さが５ｎｍ以下である圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電体薄膜をゾルゲル法で複数回成膜するに当たり、初回の成膜における前記圧電体薄膜がチタン酸鉛からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記白金膜の厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一つに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記酸化チタン膜はチタン膜をＲＴＡにて熱酸化することにより形成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１記載の圧電アクチュエータを製造する製造方法であって、
前記圧電体薄膜をゾルゲル法で複数回成膜するに当たり、初回の成膜における前記圧電体薄膜は、チタン酸鉛からなる圧電体前駆体溶液を焼成して圧電体膜とする焼成工程を有することを特徴とする製造方法。
【請求項６】
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドに記録液を供給するインクタンクとを一体的に有する液体カートリッジにおいて、
前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし４の何れか一つに記載の圧電アクチュエータを有することを特徴とする液体カートリッジ。
【請求項７】
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置において、
前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし４の何れか一つに記載の圧電アクチュエータを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置において、
請求項６記載の液体カートリッジを有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置として使用されるインクジェット記録装置及び液体吐出ヘッドが知られている。これらは、インク液滴を吐出するノズル、ノズルが連通する加圧室（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室）と、加圧室内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子、あるいはヒータ等の電気熱変換素子、もしくはインク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなるエネルギ発生手段とを備え、エネルギ発生手段で発生したエネルギで加圧室内のインクを加圧することにより、ノズルからインク液滴を吐出させている。
【０００３】
ピエゾ式のインクジェット記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長及び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、ベントモードの圧電アクチュエータを使用したものとの２種類が知られている。また、ベントモード圧電素子のアクチュエータをさらに薄膜化した薄膜ピアゾアクチュエータは、基板上への種々の薄膜層の成膜とパターニングとを繰り返し、積層成膜してデバイスを形成していく薄膜デバイスである。高い圧電定数を得るためには、圧電体薄膜が面方位（１００）の配向を持つことが有効であることは既に知られている。
【０００４】
また、基板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなる圧電素子の製造方法において、基板上に圧電膜の構成元素を少なくとも１種含むシード層と下部電極とを順次成膜するＡ工程と、非酸化雰囲気中にてシード層に含まれる圧電膜の構成元素を拡散させて下部電極の表面に析出させるＢ工程と、下部電極上に圧電膜を成膜するＣ工程とを順次有する圧電素子の製造方向が知られている（例えば「特許文献１」参照）。この技術によれば、ＭｇＯ等の高価な基板を用いることなく、比較的低温で結晶性に優れ圧電性に優れた圧電膜を成膜することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
今までは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる薄膜の結晶構造を面方位（１００）配向に規定し、特性改善を図った圧電体素子が開発されている。しかし、従来の圧電体素子製造工程では、圧電体薄膜の所望の結晶面（１００）配向を安定して得ることが困難であるという問題点があった。また、圧電体薄膜の所望の結晶面（１００）配向を安定して得ることが困難であったため、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出しても安定したインク吐出特性を得ることが困難であるという問題点があった。
【０００６】
本発明は上述の問題点を解決し、振動膜の表面粗さを制御することで結晶配向性の優れた下部電極、（１００）に優先配向したＰＺＴ膜を安定して再現性よく作成し、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出しても安定したインク吐出特性を得ることが可能な圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに画像形成装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、基板上に形成された振動板と、前記振動板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられる鉛及びジルコニウム及びチタンを含んで構成される圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜上に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極は前記振動板上に形成された酸化チタン膜を介して白金膜を有し、前記圧電体薄膜は（１００）を優先配向され、前記振動板は、ポリシリコン膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜を含み、その最表層はシリコン酸化膜から構成され、その表面粗さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、振動板の表面粗さを５ｎｍ以下とすることにより、結晶配向性の優れた下部電極、（１００）に優先配向したＰＺＴ膜を安定して再現性よく作製することができる。これにより、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出を行っても安定したインク吐出特性を得ることが可能な圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体カートリッジ及び画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に用いられる圧電アクチュエータを説明する概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に用いられる圧電アクチュエータの概略構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に用いられる液滴吐出ヘッドを説明する概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に用いられる成膜振動板の構成を説明する概略図である。
【図５】本発明の効果を説明する表である。
【図６】本発明の第３の実施形態に用いられるインクカートリッジの概略斜視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に用いられるインクジェット記録装置の概略斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に用いられるインクジェット記録装置の概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明の第１の実施形態に用いられる圧電アクチュエータの概略構成図を、図２は図１に示した圧電アクチュエータのより具体的な構造をそれぞれ示している。図１に示した圧電アクチュエータは、基板１、基板１上に設けられた圧電体薄膜素子２を有している。圧電体薄膜素子２は、基板１上に設けられた（積層された）成膜振動板３、成膜振動板３上に積層された電気−機械変換素子４を有している。電気−機械変換素子４は、成膜振動板３上に積層された下部電極５、下部電極５上に積層された圧電体薄膜（圧電体または圧電膜ともいう）６、圧電体薄膜６上に積層された上部電極７を有している。
【００１１】
次に、圧電アクチュエータのより具体的な構成について説明する。図１に示すように圧電アクチュエータは、基板１とこの上に設けられた圧電体薄膜素子２とを有している。そして、圧電体薄膜素子２を構成する下部電極５として、図２に示すように金属製の第１の電極である白金電極（白金電極層である白金電極薄膜、すなわち白金膜）５ａを有している。白金電極５ａは、酸化チタン密着層（酸化チタン膜）８を介して成膜振動板３上に積層されている。成膜振動板３は、電気−機械変換素子４によって発生した力を受けて変形変位する。そのため、成膜振動板３は所定の強度を有するものであることが好ましい。
【００１２】
次に、圧電アクチュエータの製造方法について説明する。先ず、基板１としてシリコン製のシリコン基板を用い、その表面に成膜振動板３を形成する。成膜振動板３はＬＰＣＶＤ法により作製し、表面粗さを算術平均粗さで４ｎｍ以下としたものを用いる。粗さについては、この範囲を超えるとその後に成膜したＰＺＴの絶縁耐性が非常に悪く、リークし易くなる。成膜振動板３の材料としては、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やその組み合わせが挙げられ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の少なくとも一方を含む構成である。ＬＰＣＶＤ法で成膜された膜自身としては、半導体、ＭＥＭＳデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり、加工もし易いことから新たなプロセス課題を持ち込まず、ＳＯＩ等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板を得ることができる。成膜振動板３は、熱処理成膜法で成膜してもよい。
【００１３】
成膜振動板３のポリシリコン膜をＬＰＣＶＤ法で成膜すると、数十ｎｍの表面粗さとなる。シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を積層することで、さらに表面粗さを低下させる。しかし、一般的な手法で従来知られている構造を形成すると、積層を行っても表面粗さは通常１０ｎｍ程度となり、５ｎｍ以下とすることは難しい。そこで、ＬＰＣＶＤ法で成膜した成膜振動板３の表面粗さを５ｎｍ以下とする手法を本発明者等は開発した。以下、ＬＰＣＶＤ法で成膜した成膜振動板３の表面粗さを５ｎｍ以下とする手法について述べる。
【００１４】
成膜振動板３の最表面はシリコン酸化膜とする。次に、酸素ガスを用いたＲＩＥ装置にてシリコン酸化膜をエッチバックすることで表面粗さを５ｎｍ以下とすることができる。例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ＲＩＥ装置を用い、酸素ガスにてシリコン酸化膜のエッチバックを行うことで表面粗さを５ｎｍ以下とすることができる。この成膜振動板３上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用い、６５０〜８００℃、１〜１０分、Ｏ２雰囲気でチタン膜を熱酸化してチタン膜を酸化チタン膜に変性させる。これにより、成膜振動板３の上に酸化チタン膜製の酸化チタン密着層８を形成する。チタン膜の膜厚は２０〜５０ｎｍが好ましく、酸化チタン膜の作製は反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。
【００１５】
酸化チタン密着層８上には、下部電極５となる白金電極５ａをスパッタ成膜にて形成する。圧電体薄膜（圧電体）６としては、Ｚｒ：チタン比が５２：４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が通常よく用いられ、圧電性能も良好で特性も安定しているため主流として用いられている。圧電体薄膜６の作製に当たっては、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ｘ）：ｙ：（１−ｙ）の組成比で調合した溶液を準備した。具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対して鉛量を過剰にしてあるのは、熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上述の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでＰＺＴ前駆体溶液を合成した。このＰＺＴ濃度は０．５モル／リットルとした。
【００１６】
圧電体薄膜６の製造プロセスとしては、ゾルゲル法すなわちゾルゲル液のスピンコーティング法を用いている。ＰＺＴを例に取ると、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を下部電極膜（下部電極５の膜）上に塗布する。その後、コーティングした圧電体層の固化のための焼成工程、次に圧電体層の結晶化のための焼成工程を経ることにより、圧電体層を圧電体薄膜６として形成することができる。この固化のための焼成工程は、通常は塗布一層毎に行う。圧電体層の結晶化のための焼成工程は、固化焼成数層分まとめて行う。固化のための焼成をＭ回、結晶化のための焼成をＮ回行い、一連の工程を繰り返すことにより所望の膜厚の圧電体層を得ることができる。乾燥工程の温度は３５０〜５５０℃、結晶化加熱処理工程の温度は６５０〜８００℃程度である。加熱時間は、ＲＴＡを用いる場合には数十秒〜数分程度である。圧電体層の膜厚は、例えば数十ｎｍ〜数μｍとすることができる。
【００１７】
次に、本実施形態におけるゾルゲル法により圧電体薄膜６を形成する工程を説明する。先ず、Ｚｒが含まれない（ｙ＝０）チタン酸鉛からなる圧電体前駆体溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法により白金膜上に塗布する。次に、一定温度で一定時間乾燥させて溶媒を蒸発させる。具体的には、１層からなる圧電体前駆体膜をスピンコートにより成膜した。また、チタン酸鉛からなる圧電体前駆体膜を成膜後、１２０℃で乾燥を行った。
【００１８】
次に、焼成工程について説明する。圧電体前駆体溶液をスピンコートにより成膜し、成膜後に１２０℃乾燥及び４００℃熱分解を行った。３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（７００℃）をＲＴＡ（急速熱処理）にて行った。このとき、ＰＺＴの膜厚は２５０ｎｍであった。この工程を８回（２４層）実施し、約２μｍのＰＺＴ膜厚を得た。
【００１９】
これにより本実施形態では、初回の焼成工程において（１００）面配向度の高い圧電体薄膜６を得ることができる。他の回の焼成工程においては、初回に形成された圧電体薄膜６が有する結晶配向の影響を受けて結晶化するため、圧電体薄膜６全体の圧電特性を向上することができる。これにより、均一で信頼性の高い圧電体薄膜６を得ることができる。
【００２０】
次に、上部電極７として白金膜をスパッタ成膜により形成した。上部電極においては、白金膜の他、イリジウムや金等の金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極との積層膜を用いることも可能である。酸化物電極層として、ＩｒＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＲｕＯ２、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ３等が用いられ、また金属電極層として白金、イリジウム、金等が用いられる。上述した製造方法により、図２に示した圧電アクチュエータ（圧電体薄膜素子２）を形成した。この圧電体薄膜素子２は、基板１上に、成膜振動板３、酸化チタン密着層８、白金電極５ａ、酸化チタン膜、圧電体薄膜６、上部電極７がこの順に積層されて構成されている。
【００２１】
図３は本発明の第２の実施形態を示しており、図１、図２に示した圧電アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの概略構成を示している。液滴吐出ヘッド１０は、基板１に上下端が開放された圧力室（加圧室）１ａが設けられている。そして、圧力室１ａの下部開放端を閉成可能に基板１の下端にノズル板９が取り付けられ、圧力室１ａに連通して圧力室１ａ内のインクを滴下させるノズル孔９ａがノズル板９に複数設けられている。圧力室１ａの上部開放端は成膜振動板３で閉成されている。
【００２２】
次に、図３に示した液滴吐出ヘッド１０の製造プロセスについて説明する。基板１に用いるシリコン基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６５０μｍの厚みを有することが好ましい。また圧力室１ａを作製する場合、シリコン単結晶基板が用いられた基板１をエッチングにより加工する。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いる。
【００２３】
圧電体薄膜素子２を液滴吐出ヘッド１０に適用する場合、基板１内には圧力室１ａが形成される。この場合の成膜振動板３としては、圧電体薄膜６によって発生した力を受けて成膜振動板３の下地が変形変位して基板１内に形成される圧力室１ａのインクを吐出させるため、成膜振動板３の下地としては所定の強度を有するものが好ましい。
【００２４】
成膜振動板３の下地の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。成膜振動板３はＬＰＣＶＤ法により作製し、その表面粗さを算術平均粗さで５ｎｍ以下としたものを用いる。表面粗さについては、この範囲を超えるとその後に成膜したＰＺＴの圧電性能が悪く、液滴吐出特性及び安定性が悪くなる。成膜振動板３の材料としては、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やその組み合わせが挙げられ、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜の少なくとも一方を含む構成となっている。ＬＰＣＶＤ法で成膜された膜自身としては、半導体、ＭＥＭＳデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり、加工もし易いことから新たなプロセス課題を持ち込まず、ＳＯＩ等の高価な基板を用いることなく、安定した成膜振動板を得ることができる。成膜振動板３は、熱処理成膜法で成膜してもよい。
【００２５】
また成膜振動板３は、実際にはさらに多層の、例えば図４に示す９層構造となっている。この成膜振動板３は、先ずシリコン単結晶基板に熱処理成膜法（あるいはＬＰＣＶＤ法）でシリコン酸化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でポリシリコン膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン酸化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン窒化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン酸化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン窒化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン酸化膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でポリシリコン膜を成膜する。次にＬＰＣＶＤ法でシリコン酸化膜を成膜する。これで振動板構成膜の成膜が完了する。ここで、各振動板構成膜の膜厚は、振動板の９層全体で所望の振動板剛性及び応力となるように設定される。
【００２６】
成膜振動板３のポリシリコン膜をＬＰＣＶＤ法で形成すると、数十ｎｍの表面粗さとなり、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を積層することで表面粗さを低下させることができる。しかし、一般的な手法で従来知られている構造を形成すると、積層を行っても表面粗さは通常１０ｎｍ程度となり、５ｎｍ以下とすることが難しい。そこで、ＬＰＣＶＤ法で成膜した成膜振動板３の表面粗さを５ｎｍ以下とする手法を本発明者等は開発した。以下、ＬＰＣＶＤ法で成膜した成膜振動板３の表面粗さを５ｎｍ以下とする手法について述べる。
【００２７】
成膜振動板３の最表面はシリコン酸化膜とする。次に、酸素ガスを用いたＲＩＥ装置にてシリコン酸化膜をエッチバックすることで表面粗さを５ｎｍ以下とすることができる。例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ＲＩＥ装置を用い、酸素ガスにてシリコン酸化膜のエッチバックを行うことで表面粗さを５ｎｍ以下とすることができる。本実施形態では、表面粗さを０．８ｎｍとした、
次に、下部電極５を形成する前に、先ず厚さ２０〜５０ｎｍのチタン膜をスパッタ法により成膜振動板３上に形成する。続いてＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用い、６５０〜８００℃、１〜１０分、Ｏ２雰囲気でチタン膜を熱酸化してチタン膜を酸化チタン膜に変性させる。これにより、成膜振動板３の上に酸化チタン膜製の酸化チタン密着層８を形成する。酸化チタン膜の作製は反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに一般の炉による酸化よりもＲＴＡ装置による酸化の方が酸化チタン膜の結晶性が良好となる。これは、通常の加熱炉による酸化では、酸化し易いチタン膜は低温においていくつもの結晶構造を作るためである。従って、昇温速度が速いＲＴＡ装置による酸化の方が良好な結晶を形成するためには有利となる。次に、酸化チタン密着層８上に下部電極５となる２００ｎｍ以下の厚さの白金電極５ａをスパッタ成膜にて形成する。
【００２８】
次に、本実施形態におけるゾルゲル法により圧電体薄膜６を形成する工程を説明する。先ず、Ｚｒが含まれない（ｙ＝０）チタン酸鉛からなる圧電体前駆体溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法により白金膜上に塗布する。次に、一定温度で一定時間乾燥させて溶媒を蒸発させる。具体的には、１層からなる圧電体前駆体膜をスピンコートにより成膜した。また、チタン酸鉛からなる圧電体前駆体膜を成膜後、１２０℃で乾燥を行った。
【００２９】
次に、焼成工程について説明する。圧電体薄膜（圧電体）６としては、Ｚｒ：チタン比が５２：４８のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が通常よく用いられ、圧電性能も良好で特性も安定しているため主流として用いられている。チタン酸ジルコン酸鉛として、上述の組成にこだわらず、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物として、様々な比率によりまた添加物を混合したり置換したりして用いてもよい。
【００３０】
圧電体薄膜６の製造プロセスとしては、ゾルゲル法すなわちゾルゲル液のスピンコーティング法を用いている。ＰＺＴを例に取ると、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を下部電極膜（下部電極５の膜）上に塗布する。その後、コーティングした圧電体層の固化のための焼成工程、次に圧電体層の結晶化のための焼成工程を経ることにより、圧電体層を圧電体薄膜６として形成することができる。この固化のための焼成工程は、通常は塗布一層毎に行う。圧電体層の結晶化のための焼成工程は、固化焼成数層分まとめて行う。固化のための焼成をＭ回、結晶化のための焼成をＮ回行い、一連の工程を繰り返すことにより所望の膜厚の圧電体層を得ることができる。乾燥工程の温度は３５０〜５５０℃、結晶化加熱処理工程の温度は６５０〜８００℃程度である。加熱時間は、ＲＴＡを用いる場合には数十秒〜数分程度である。圧電体層の膜厚は、例えば数十ｎｍ〜数μｍとすることができる。
【００３１】
本実施形態では、圧電体薄膜６の作製に当たっては、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝（１＋ｘ）：ｙ：（１−ｙ）の組成比で調合した溶液を準備した。圧電体前駆体溶液をスピンコートにより成膜し、成膜後に１２０℃乾燥及び４００℃熱分解を行った。３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（７００℃）をＲＴＡ（急速熱処理）にて行った。このとき、ＰＺＴの膜厚は２５０ｎｍであった。この工程を８回（２４層）実施し、約２μｍのＰＺＴ膜厚を得た。圧電体薄膜素子２に適した（１００）配向度を安定して再現性よく得ることにより、安定した高い圧電特性を備えた圧電体素子を実現することができる。
【００３２】
圧電体薄膜６の上層には上部電極７を形成する。上部電極７の材料は、下部電極５の材料と同じものを用いることができる。また上部電極７の材料は、下部電極５とは異なり圧電体薄膜６を形成する際の高温のプロセスが後工程でなく、圧電体薄膜６とのマッチングも必要とならないため、材料の選択幅が下部電極５に比して広くなる。上部電極７においては、白金膜、イリジウムや金等の金属電極を用いることができ、また酸化物電極層と金属電極との積層膜を用いることもできる。酸化物電極層として、ＩｒＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＲｕＯ２、ＳｒＯ、ＳｒＲｕＯ３等が用いられる。
【００３３】
上部電極７の形成プロセスは、主にスパッタ成膜方式が採用される。その他、真空蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の方法が採用可能である。上部電極７の膜厚は５０〜３００ｎｍ程度の範囲で形成することができる。通常は下部電極５の形成後に圧電体薄膜６すなわち圧電体層素子部の形成を行い、この圧電体層素子部の上に上部電極７を形成する。素子部（圧電体薄膜６）は、通常は感光性レジストのパターニングによりエッチング時のマスク層を下部電極５の上に形成した後、ドライまたはウェットのエッチングを施すことにより下部電極５の上に形成する。
【００３４】
通常は上部電極７の形成後に圧電体素子部の形成を行い、素子部の形成には通常は感光性レジストのパターニングによりエッチング時のマスクを形成し、ドライまたはウェットのエッチングにより素子部を形成する。感光性レジストのパターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術により実施することができる。すなわち、エッチング対象試料基板に感光性レジストをスピンコータまたはロールコータにより塗布し、その後に予め所望のパターンが形成されたガラスフォトマスクにより紫外線露光後、パターン現像、水洗、乾燥を行い感光性レジストマスク層を形成する。形成された感光性レジストマスク層は、そのパターンの端部傾斜がエッチング時の傾斜断面に影響するので、所望の傾斜角度に応じレジスト選択比（被エッチング材料とマスク材料のエッチングレートの比）を考慮して選択すればよい。エッチング後、膜上に残った感光性レジストは、専用の剥離液または酸素プラズマアッシングにより除去することができる。
【００３５】
エッチングは、形状の安定性から反応性ガスを用いたドライエッチングが選択されるが、エッチングガスは塩素系、フッ素系等、ハロゲン系のガスあるいはハロゲン系のガスにアルゴンや酸素を混合させたガスにより実施することができる。エッチングガスあるいはエッチング条件を変化させることにより、上部電極７、さらに圧電体薄膜６と連続してエッチングすることも可能であり、一度レジストパターンをし直して数回に分けてエッチングを実施することも可能である。
【００３６】
保護層は、電極に挟まれた圧電体素子部及び素子の形状を形成したその断面部分を湿度等の駆動環境から受ける影響から遮断する目的で配置される。保護層の材料は酸化物が用いられ、緻密性が要求されることから特にＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法のプロセスが用いられている。具体的には、Ａｌ２Ｏ３のＡＬＤ膜が用いられ、その膜厚は３０〜１００ｎｍ程度である。
【００３７】
次に層間絶縁膜は、次工程で積層される配線電極と圧電体素子の上下電極とのコンタクトのための絶縁層として用いられる。材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはこれ等の混合膜により形成される。膜厚は３００〜７００ｎｍである。層間絶縁膜の形成後、配線電極と上下電極とのコンタクトのためのスルーホールを、フォトリソグラフィを用いた後にエッチングを行い形成する。残ったレジストは、酸素プラズマによるアッシング等を行い除去する。
【００３８】
配線電極層としては、強誘電体素子の個別の電極及び共通電極の取り出しとして用い、上下電極材料とオーミックなコンタクトが取れる材料を選択して成膜する。具体的には、純ＡｌまたはＡｌに数アトミック％のＳｉ等、ヒーロック形成阻止成分を含有させた配線材料を用いることができる。また、導電性の点からすれば、Ｃｕを主成分とした半導体用の配線材料を用いてもよい。膜厚は、引き回し距離による抵抗分も考慮した圧電体駆動に支障のない配線抵抗となるように設定する。具体的には、Ａｌ系配線の場合は約１μｍの膜厚とする。このように形成された配線電極層は、フォトリソグラフィの技術を用いて所望の形状を形成する。残ったレジストは、酸素プラズマによるアッシング等を行い除去する。配線材料は、電気的接続に必要な部分を除き耐環境性確保のために酸化物または窒化物の保護層により被覆する。最後に液室部分は、フォトリソグラフィ技術を用いて振動板部分までＳｉ基板をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチングで深堀をして圧電体アクチュエータ素子が形成された基板が完成する。それ以降の工程は、ノズル板、駆動回路、インク液供給機構を組み立てて液滴吐出ヘッド１０とする。
【００３９】
上述した第２の実施形態で示した圧電アクチュエータを実施例１とし、成膜振動板３の最表層の表面粗さを２．５ｎｍとした以外は実施例１と同様に作製した圧電アクチュエータを実施例２とした。また、成膜振動板３の最表層の表面粗さを５．０ｎｍとした以外は実施例１と同様に作製した圧電アクチュエータを実施例３とした。また、成膜振動板３の最表層の表面粗さを５．５ｎｍとした以外は実施例１と同様に作製した圧電アクチュエータを比較例１とした。さらに、成膜振動板３の最表層の表面粗さを６．０ｎｍとした以外は実施例１と同様に作製した圧電アクチュエータを比較例２とした。
【００４０】
上述の各実施例１〜３及び各比較例１，２において、初回の圧電体前駆体溶液／（１００）面配向度と（１００）面の回折強度を図５に示す。成膜振動板の表面粗さは、日本ビーコ社製ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩａＡＦＭを用いて評価した。ＡＦＭ測定において、測定モードはタッピングモード、測定範囲は３μｍ×３μｍ、走査速度は１Ｈｚとした。本願における（１００）面配向度は、Ｘ線回折広角法においてＣｕＫα線を用いたときのＸＹＺ面に対応するピーク（２θ）の回折強度をＩ（ＸＹＺ）と表記したとき、Ｉ（１００）の、Ｉ（１００）とＩ（１１０）とＩ（１１１）との和に対する比率を意味する。（１００）面の回折強度は、実施例１の（１００）面の回折強度で実施例２，３及び比較例１，２の（１００）面の回折強度を除した（規格化）ものである。
【００４１】
また、各実施例１〜３、各比較例１，２で作製した圧電アクチュエータの膜構成において、圧電定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）、液滴速度の劣化率（％）を比較した。この比較における圧電体薄膜は、電界印加（１５０ｋＶ／ｃｍ）による変形量をレーザドップラ振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性を評価した後、耐久性（１０１０回繰り返し印加電圧を加えた直後の特性）評価を実施した。
【００４２】
図５から明らかなように、成膜振動板の最表層の表面粗さを小さくすることにより、（１００）配向度を大きくすることができると共に、（１００）強度を大きくすることができた。また、圧電定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）及び液滴速度の劣化率（％）も成膜振動板の最表層の表面粗さを小さくすることにより良好な結果が得られた。特に液滴速度の劣化率（％）では、各実施例１〜３に比して各比較例１，２は１０％以上も劣化していることが確認され、耐久性で劣ることが判明した。さらに、各実施例１〜３及び各比較例１，２の圧電体薄膜素子２を用い、図３に示した液滴吐出ヘッド１０を作製して液滴の吐出評価を行った。液滴として粘度を５ｃｐに調整したインクを用い、単純Ｐｕｓｈ波形によりマイナス１０〜マイナス３０Ｖの印加電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からもインクが吐出されていることを確認した。
【００４３】
図５から明らかなように、各実施例１〜３については、初期特性及び耐久試験後の結果についても一般的なセラミック焼結体と同等の特性が得られた。各比較例１，２については、１０１０回繰り返し印加電圧を加えた直後の特性において、圧電定数が劣化していることが確認された。また各比較例１，２では、各実施例１〜３に比して圧電定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）が低く、十分な圧電特性が得られていないことが確認できた。
【００４４】
上述したように本発明によれば、成膜振動板の表面粗さを５ｎｍ以下とすることにより、結晶配向性の優れた下部電極、（１００）に優先配向したＰＺＴ膜を安定して再現性よく作製することができる。これにより、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出を行っても安定したインク吐出特性を得ることが可能な圧電アクチュエータ及びその製造方法並びに液体カートリッジ及び画像形成装置を提供することができる。
【００４５】
インク吐出量のばらつきを抑制するには圧電膜の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましく、結晶配向性に優れた圧電膜が好ましい。また、圧電体素子の電気−機械変換機能は（１００）面優先配向した圧電体薄膜が優れている。振動板の表面粗さを小さくすることでウエハ面内での圧電膜の圧電性能が均一化し、また後工程の加工精度を向上することができ、各液滴吐出ヘッドのインク吐出特性を均一化できる。圧電アクチュエータに適した（１００）配向度を安定して再現性よく得ることにより、安定した高い圧電特性を備えた圧電体素子を実現できる。このような圧電アクチュエータを有する液滴吐出ヘッド及び画像形成装置では、インク吐出特性を良好に保持できると共に連続吐出を行っても安定したインク吐出特性を得ることができる。
【００４６】
また、ＬＰＣＶＤ法で成膜された膜から構成される振動板を備えた圧電アクチュエータでは、振動板の表面粗さが下部電極及びＰＺＴの結晶性及び配向性に大きく影響を与え液滴吐出特性に大きく影響を与える。このことから本発明者等は、振動板の表面粗さの制御が液滴吐出特性に関して重要であることを見出した。具体的には、振動板の表面粗さを５ｎｍ以下とすることで、ウエハ面内での圧電膜の圧電性能の均一性及び再現性が良好で安定して高い圧電特性を備えた圧電体素子を実現できた。これにより、各液滴吐出ヘッドのインク吐出特性を均一化することができた。
【００４７】
本発明では、振動板の表面粗さを５ｎｍ以下とすることで、Ｘ線回折広角法においてＣｕＫα線を用いたときのＸＹＺ面に対応するピーク（２θ）の（１００）回折強度を向上できる。（１００）結晶性が良好な圧電体薄膜を実現することにより、圧電体の劣化を抑制することができる。また、ＬＰＣＶＤ法で成膜された膜で構成された振動板は、半導体、ＭＥＭＳデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり加工もし易い。このことから、新たなプロセス課題を持ち込まず、ＳＯＩ等の高価な基板を用いることなく安定した振動板を得ることができ、高精度でばらつきの少ない液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【００４８】
また、圧電体薄膜をゾルゲル法で複数回成膜するに当たり、初回の成膜における圧電体薄膜をチタン酸鉛とすることにより、良好なＰＺＴ（１００）膜を作製でき、圧電体の特性を向上することができる。また、白金膜の厚さを２００ｎｍ以下とすることにより、良好なＰＺＴ（１００）膜を作製できる。また、酸化チタン膜がチタン膜をＲＴＡにて熱酸化することによって形成することにより、良好なＰＺＴ（１００）膜を作製でき、圧電体の特性を向上することができる。
【００４９】
また、圧電体薄膜をゾルゲル法で複数回成膜するに当たり、初回の成膜における圧電体薄膜はチタン酸鉛からなる圧電体前駆体溶液を焼成して圧電体膜とする焼成工程を有する製造方法で圧電体薄膜素子を製造した。これにより、良好なＰＺＴ（１００）膜を作製でき、圧電体の特性を向上することができる。さらに、液体カートリッジ及び画像形成装置に上述の圧電アクチュエータを用いることにより、耐久性及び信頼性に優れた高品位な液体カートリッジ及び画像形成装置を提供することができる。
【００５０】
次に本発明の第３の実施形態として、上述した液滴吐出ヘッド１０を一体化した液体カートリッジを説明する。  
図６に示す液体カートリッジとしてのインクカートリッジ８０は、ノズル孔９ａ等を有する液滴吐出ヘッド１０と、液滴吐出ヘッド１０にインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。このようなインクタンク８２と液滴吐出ヘッド１０とを一体的に有するインクカートリッジ８０では、アクチュエータ部を高精度化、高密度化及び高信頼化することで歩留まりや信頼性を向上することができる。これにより、インクカートリッジ８０の低コスト化も実現することができる。
【００５１】
次に本発明の第４の実施形態として、上述した液滴吐出ヘッド１０を搭載した画像形成装置としてのインクジェット記録装置を図７及び図８に基づいて説明する。  
画像形成装置としてのインクジェット記録装置９０は、その装置本体内部に主走査方向に対して移動可能であり液滴吐出ヘッド１０を搭載するキャリッジ９８を有している。また装置本体内部には、液滴吐出ヘッド１０及び液滴吐出ヘッド１０にインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等が収納されている。装置本体の下部には、前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）９３が抜き差し自在に装着されている。さらに装置本体には、用紙９２を手差しで給紙する際に開放される手差しトレイ９４が配設されている。インクジェット記録装置９０は、給紙カセット９３または手差しトレイ９４から給紙される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所望の画像を記録した後、画像形成後の用紙９２を後面側に配設された排紙トレイ９５に排出する。
【００５２】
印字機構部９１は、図示しない左右の側板に掛け渡されたガイド部材である主ガイドロッド９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８とを主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ９８には、イエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色インク液滴を吐出する液滴吐出ヘッド１０が設けられている。液滴吐出ヘッド１０は、複数のノズルが主走査方向と交差する方向に並ぶ態様で、インク液滴吐出方向を下方に向けて装着されている。
【００５３】
またキャリッジ９８には、液滴吐出ヘッド１０に各色インクを供給する各インクカートリッジ９９が交換可能に装着されている。インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口を、下方に液滴吐出ヘッド１０へインクを供給する供給口をそれぞれ有している。インクカートリッジ９９の内部にはインクが充填された多孔質体が設けられており、多孔質体の毛管力によって液滴吐出ヘッド１０に供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッド１０としては各色個別のものを用いているが、各色のインク液滴を吐出するノズルを有する単一の液滴吐出ヘッドを用いてもよい。
【００５４】
キャリッジ９８は、後方側である用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装され、前方側である用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置されている。キャリッジ９８を主走査方向に移動走査させるため、主走査モータ１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を掛け渡し、タイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定している。この構成より、主走査モータ１０１の正逆回転により、キャリッジ９８が往復移動される。
【００５５】
一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液滴吐出ヘッド１の下方側へと搬送するため、給紙カセット９３から用紙９２を分離給送する給紙ローラ１０５及びフリクションパッド１０６が配設されている。また、用紙９２を案内するガイド部材１０７、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラ１０８が配設されている。さらに、搬送ローラ１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９、搬送ローラ１０８から用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０が設けられている。搬送ローラ１０８は、図示しない副走査モータによってギヤ列を介して回転駆動される。
【００５６】
キャリッジ９８の主走査方向における移動範囲に対応し、搬送ローラ１０８から送り出された用紙９２を液滴吐出ヘッド１０の下方位置で案内するため、用紙ガイド部材である印写受け部材１１１が配設されている。印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１２及び拍車１１３が設けられている。また、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラ１１４及び拍車１１５と、排紙経路を形成するガイド部材１１６，１１７が配設されている。
【００５７】
上述のインクジェット記録装置９０では、記録時においてキャリッジ９８を移動させつつ画像信号に応じて液滴吐出ヘッド１０を駆動する。これにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後に用紙９２を所定量搬送した後に次の行の記録を行う。記録終了信号または用紙９２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、インクジェット記録装置９０は記録動作を終了させて用紙９２を排紙する。
【００５８】
キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド１０の吐出不良を回復させるための回復装置１１８が配設されている。回復装置１１８は、キャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。キャリッジ９８は印字待機中に回復装置１１８側に移動され、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド１をキャッピングしてノズルを湿潤状態に保つことにより、インク乾燥による吐出不良の発生を防止している。また、記録途中等に記録とは関係のないインクを吐出することにより、全てのノズルのインク粘度を一定にさせて安定した吐出状態を維持している。
【００５９】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド１０のノズルを密封し、チューブを通して吸引手段によりノズルからインクと共に気泡等を吸い出す。そして、ノズル面に付着したインクやごみ等をクリーニング手段によって除去し、これにより吐出不良が回復する。また、吸引したインクは本体下部に設けられた図示しない廃インク溜まりに排出され、廃インク溜まり内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。
【００６０】
上述したインクジェット記録装置９０では、本発明の液滴吐出ヘッド１０を搭載しているので、安定したインク吐出特性を得ることができ、画像品質を向上させることができる。上述の説明では液滴吐出ヘッド１０としてインクを吐出するものを示したが、本発明が適用可能な液滴はインクには限られず、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド１０を適用してもよい。さらには遺伝子分析試料を吐出する装置に液滴吐出ヘッド１０を適用してもよい。また、本発明が適用可能な画像形成装置はプリンタには限られず、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これ等の複合機にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  基板
２  圧電体薄膜素子
３  成膜振動板（振動板）
５  下部電極
６  圧電体薄膜
７  上部電極
１０  液滴吐出ヘッド
８０  液体カートリッジ（インクカートリッジ）
９０  画像形成装置（インクジェット記録装置）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６２】
【特許文献１】特許第４０９１６４１号公報
【図１】
2016062984.tif 000003
【図２】
2016062984.tif 000004
【図３】
2016062984.tif 000005
【図４】
2016062984.tif 000006
【図５】
2016062984.tif 000007
【図６】
2016062984.tif 000008
【図７】
2016062984.tif 000009
【図８】
2016062984.tif 000010