(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液吐出口に連通した圧力室を有する本体基板部と、前記圧力室に対応して設けられた圧電素子構造体とを備える液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子構造体は振動板と、圧電膜と該圧電膜をサンドイッチ状に挟む電極とを有する圧電素子と、が積層されており、
前記振動板は、単結晶材料または該単結晶材料に対して当該材料の成分元素と異なる元素がドープされた材料からなる層と該層をサンドイッチ状に挟む酸化物層とを有し、
前記圧電膜は、単一配向結晶または単結晶であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記振動板の膜厚をＤ1 、前記振動板をサンドイッチ状に挟む酸化物層の膜厚をそれぞれｄ1 、ｄ2 とすると、それぞれの膜厚が、ｄ1 ＋ｄ2 ≦Ｄ1 の関係式を成立するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電膜の膜厚をＤ2 とすると、それぞれの膜厚が、ｄ1 ＋ｄ2 ＋Ｄ1 ≦５×Ｄ2 の関係式を成立するように設定されていることを特徴とする請求項２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記圧電膜は、ＰＺＴ，ＰＭＮ，ＰＮＮ，ＰＳＮ，ＰＭＮ−ＰＴ，ＰＮＮ−ＰＴ，ＰＳＮ−ＰＴ，ＰＺＮ−ＰＴの組成のいずれかであり、一層構造あるいは異なる組成の積層構造であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記振動板の、前記圧電膜の側に位置する酸化物層が、ＳｉＯ2 ，ＹＳＺ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬａＡｌＯ3 ，Ｉｒ2 Ｏ3 ，ＭｇＯ，ＳＲＯ，ＳＴＯのうち少なくとも一種以上の酸化物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
液吐出口に連通した圧力室を有する本体基板部と、前記圧力室に対応して設けられた圧電素子構造体とを備え、前記圧電素子構造体は振動板と、圧電膜と該圧電膜をサンドイッチ状に挟む下部電極および上部電極とを有する圧電素子と、が積層されている液体噴射ヘッドの製造方法であって、
シリコン層上に第１の酸化物層を介して単結晶シリコン層のあるシリコン基板上に第２の酸化物層を形成することにより、前記単結晶シリコン層と該単結晶シリコン層をサンドイッチ状に挟む前記第１および前記第２の酸化物層とを有する前記振動板を形成する工程、
前記第２の酸化物層上に前記下部電極を形成する工程、
前記下部電極上に単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜を形成する工程、
前記圧電膜を複数に分離する工程、
前記圧電膜上に前記上部電極を形成する工程、および
前記振動板をその上に形成するための前記シリコン層の一部を除去して前記圧力室を形成する工程、
を含む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、液体噴射ヘッドおよび製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコンなどの印刷装置として液体噴射記録装置を用いたプリンタは、印字性能がよく取り扱いが簡単でかつ低コストである等の理由から広く普及している。この液体噴射記録装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。
【０００３】
一般に、圧電素子を用いた液体噴射装置は、例えば液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内の液体を圧縮することにより液吐出口から液滴を吐出させている。近時、カラー用の液体噴射装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字、さらには液体噴射ヘッドの長尺化が求められている。そのため液体噴射ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を用いて高解像度および高速印字を実現することが試みられている。液体噴射ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるための圧電素子を小型化することが必要になる。さらには、全体のプロセスを一貫した半導体成膜プロセスで完結することが、低コストで精度の高い長尺の液体噴射ヘッドを提供することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような圧電素子における圧電膜は、ＰｂＯ，ＺｒＯ2 およびＴｉＯ2 の粉末をシート状に成型加工した後、焼成することにより形成する方法が採用されていたことから、圧電膜を例えば１０μｍ以下に薄く形成することが困難であった。このために、圧電膜を微細に加工することが困難であり、圧電素子を小型化することが困難であった。また、このように粉末を焼成することにより形成された圧電膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電特性を得ることができなかった。その結果、粉末を焼成することにより形成された圧電膜は、１０μｍ以下になるとインク等の液体を吐出させるための十分な圧電特性を得ることができないという問題点があった。このため、十分な液体の吐出に必要な特性を有する小型の液体噴射ヘッドをこれまで実現することができなかった。
【０００５】
さらに、これらの粉末シートは、１０００℃以上の高温で、セラミックス等の振動板や構造部材の上に同時に焼成して密度の高いセラミックスを得るために、収縮による寸法変化を無視できない。したがって、サイズに関してはおのずから限界があり、多数の液吐出口（ノズル）を配置することが困難となっている。
【０００６】
また、スパッタ法を用いた半導体プロセスでの微細加工による液体噴射ヘッドの構成とその製造方法は、特開平１１−３４８２８５号公報に提案されている。この液体噴射ヘッドは、単結晶のＭｇＯ上に白金を配向成膜して、その上にＺｒ層を含まないペロブスカイトの層とＰＺＴの層の積層体とすることを特徴としている。
【０００７】
しかし、前記公報に提案されている方式には、以下に示すような大きな問題点が存在する。
【０００８】
（１）前記公報に記載の製造方法では、再現性よく安定した単一配向結晶あるいは単結晶ＰＺＴが得られない。
（２）前記公報に記載の方法では、単結晶のＭｇＯ等の高価な単結晶基板上にしか配向したＰＺＴ層が得られず、非常に高価なプロセスとなってしまう。しかも、ＭｇＯの単結晶基板は大きさに限界があり、大面積の基板を得ることができない。
（３）前記公報に記載の方法は、接着剤等による圧力室（液室）部材と圧電部材との接合部あるいは圧電部材近傍での接合が生じ、微細加工を伴ったマイクロマシーンの領域では、繰り返しの応力等に対する信頼性がなかなか得られない。
（４）前記公報に記載の方法における振動板は、液体噴射ヘッド内のインク等の液体に直接触れ、しかも、製造プロセスに際しては、酸やアルカリ等の化学薬品に触れることとなり、信頼性のある液吐出素子を得ることができない。しかも、製造プロセスが複雑で、安価な液体噴射ヘッドにはなり得ない。
【０００９】
そこで、本発明は、前述した従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、圧電素子を構成する圧電膜や振動板等を薄膜化することで半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とするとともに耐久性や圧電特性にも優れた圧電素子構造体および長尺でかつ高密度に形成された液吐出口を有し、安定した信頼性が高い液体噴射ヘッドおよび製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体噴射ヘッドは、液吐出口に連通した圧力室を有する本体基板部と、前記圧力室に対応して設けられた圧電素子構造体とを備える液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電素子構造体は振動板と、圧電膜と該圧電膜をサンドイッチ状に挟む電極とを有する圧電素子と、が積層されており、前記振動板は、単結晶材料または該単結晶材料に対して当該材料の成分元素と異なる元素がドープされた材料からなる層と該層をサンドイッチ状に挟む酸化物層とを有し、前記圧電膜は、単一配向結晶または単結晶であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の液体噴射ヘッドにおいては、前記振動板の膜厚をＤ1 、前記振動板をサンドイッチ状に挟む酸化物層の膜厚をそれぞれｄ1 、ｄ2 とするとき、それぞれの膜厚が、ｄ1 ＋ｄ2 ≦Ｄ1 の関係式を成立するように設定されていることが好ましく、さらに、前記圧電膜の膜厚をＤ2 とするとき、それぞれの膜厚が、ｄ1 ＋ｄ2 ＋Ｄ1 ≦５×Ｄ2 の関係式を成立するように設定されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電膜は、ＰＺＴ，ＰＭＮ，ＰＮＮ，ＰＳＮ，ＰＭＮ−ＰＴ，ＰＮＮ−ＰＴ，ＰＳＮ−ＰＴ，ＰＺＮ−ＰＴの組成のいずれかであり、一層構造あるいは異なる組成の積層構造であることが好ましい。
【００１３】
本発明の液体噴射ヘッドにおいて、前記振動板の、前記圧電膜の側に位置する酸化物層は、ＳｉＯ2 ，ＹＳＺ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬａＡｌＯ3 ，Ｉｒ2 Ｏ3 ，ＭｇＯ，ＳＲＯ，ＳＴＯのうち少なくとも一種以上の酸化物であることが好ましい。
【００１４】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、液吐出口に連通した圧力室を有する本体基板部と、前記圧力室に対応して設けられた圧電素子構造体とを備え、前記圧電素子構造体は振動板と、圧電膜と該圧電膜をサンドイッチ状に挟む下部電極および上部電極とを有する圧電素子と、が積層されている液体噴射ヘッドの製造方法であって、シリコン層上に第１の酸化物層を介して単結晶シリコン層のあるシリコン基板上に第２の酸化物層を形成することにより、前記単結晶シリコン層と該単結晶シリコン層をサンドイッチ状に挟む前記第１および前記第２の酸化物層とを有する前記振動板を形成する工程、前記第２の酸化物層上に前記下部電極を形成する工程、前記下部電極上に単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜を形成する工程、前記圧電膜を複数に分離する工程、前記圧電膜上に前記上部電極を形成する工程、および前記振動板をその上に形成するための前記シリコン層の一部を除去して前記圧力室を形成する工程、を含むことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、圧電素子構造体を構成する振動板を酸化物でサンドイッチ状に挟むことにより、機械的変位を繰り返しても微小な亀裂が発生しても、振動板自身の強度が保持され、また、その上に成膜されている圧電膜との密着力が劣化せず、耐久性に優れた素子とすることができる。さらに、基板上に圧電定数の高い単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜を成膜することができ、基板上に順次結晶配向の方位の揃った膜を成膜できるために、周波数特性、耐久性、電歪／圧電性能に優れた圧電素子構造体を得ることができる。
【００１６】
前述した圧電素子構造体を液体噴射ヘッドに組み込むことにより、耐久性に優れ、高密度で吐出力が大きくかつ高周波数に対応でき、さらに各液吐出口毎の素子の性能のばらつきが少なくかつ接合強度の強いデバイスを得ることができる。また、圧電体や振動板等を薄膜化することで半導体プロセスで用いられている微細加工を可能とするとともに耐久性や圧電特性にも優れ、長尺でかつ安定した信頼性が高い液体噴射ヘッドを安価に作製することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１の（ａ）は、本発明に係る液体噴射ヘッドの斜視図であり、同（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す断面図である。図２は、本発明に係る液体噴射ヘッドに適用することができる圧電素子構造体を概略的に示す部分断面図である。
【００１９】
本発明の液体噴射記録ヘッド１は、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、複数の液吐出口（ノズル）２と、各液吐出口２に対応して設けられた複数の圧力室（液室）３と、各圧力室３にそれぞれ対応するように設けられた圧電素子構造体１０とから構成されており、液吐出口２は、オリフィスプレート５に所定の間隔をもって形成され、圧力室３は、本体基板部（液室基板）６に液吐出口２にそれぞれ対応するように並列して形成されており、各圧力室３は、本体基板部６に形成された液流路６ａを介して各液吐出口２にそれぞれ接続される。なお、本実施例では、液吐出口２が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。また、本体基板部６の上面には各圧力室３にそれぞれ対応した開口部６ｂが形成され、本体基板部６の上面において開口部６ｂを塞ぐように圧電素子構造体１０が位置付けられ、圧電素子構造体１０は、振動板１１と圧電素子１２とから構成されている。
【００２０】
圧電素子構造体１０を構成する振動板１１は、図２に示すように、単結晶材料で形成され、第１の酸化物層１３と第２の酸化物層１４でサンドイッチ状に挟まれた構造を有し、また、圧電素子構造体１０を構成する圧電素子１２の圧電膜１５としては、単一配向結晶あるいは単結晶材料が用いられ、その上下の面にはＡｕ，Ｐｔ等からなる電極１６、１７が形成されており、これらの圧電膜１５と電極１６、１７により圧電素子１２を構成する。
【００２１】
このように圧電素子構造体１０を構成することにより、振動板１１が酸化物１３，１４で挟まれているために、機械的変位を繰り返しても、微小な亀裂が発生しても、振動板自身の強度が保持され、また、その上に成膜されている圧電膜との密着力が劣化せず、耐久性に優れた素子とすることができる。
【００２２】
また、振動板１１、振動板１１を挟んで圧電膜１５と反対側に形成されている第１の酸化物層１３および圧電膜１５側にある第２の酸化物層１４においては、振動板１１の膜厚をＤ1 とし、第１の酸化物層１３の膜厚をｄ1 、第２の酸化物層１４の膜厚をｄ2 とするとき、ｄ1 ＋ｄ2 ≦Ｄ1 の関係式が成立するように、それぞれの膜厚を設定することが好ましい。このように、ｄ1 ＋ｄ2 ≦Ｄ1 が成立する場合にさらに耐久性に優れた圧電素子構造体（１０）および液体噴射ヘッド（１）を得ることができる。
【００２３】
振動板１１（膜厚Ｄ1 ）、第１の酸化物層１３（膜厚ｄ1 ）、第２の酸化物層１４（膜厚ｄ2 ）等の具体的な膜厚としては、第１の酸化物層１３の膜厚ｄ1 は５ｎｍ〜５μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜３μｍである。第２の酸化物層１４の膜厚ｄ2 は５ｎｍ〜３μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜１μｍである。振動板１１の膜厚Ｄ1 の具体的な膜厚としては、１００ｎｍ〜１０μｍで、好ましくは５００ｎｍ〜５μｍである。振動板１１の膜厚Ｄ1 が１０μｍ厚を超えると、液体噴射ヘッド用には変位量が低減するため高密度化には不向きとなり好ましくない。
【００２４】
さらに、圧電素子構造体においては、圧電膜１５の膜厚をＤ2 とする場合に、ｄ1 ＋ｄ2 ＋Ｄ1 ≦５×Ｄ2 の関係式が成立することが好ましい。ｄ1 ＋ｄ2 ＋Ｄ1 ≦５×Ｄ2 が成立する場合、変位量の大きい圧電素子構造体を得ることができる。なお、圧電膜１５の膜厚Ｄ2 の具体的な膜厚としては、５００ｎｍ〜１０μｍで、好ましくは１μｍ〜５μｍである。
【００２５】
振動板１１の物質としてはＳｉであり、好ましくは単結晶Ｓｉである。また、振動板１１として、Ｂなどの元素でドーピングされていても良い。振動板１１として使用するＳｉの格子定数を利用して圧電膜１５を単一配向結晶あるいは単結晶にすることができる。
【００２６】
振動板１１上に形成する第１の酸化物層１３の物質としては、ＳｉＯ2 ，ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＭｇＯ等であり、また、第２の酸化物層１４の物質としては、ＳｉＯ2 ，ＹＳＺ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬａＡｌＯ3 ，Ｉｒ2 Ｏ3 ，ＭｇＯ，ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3 ）およびＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3 ）等から選ばれた少なくとも１つの材料を用いる。なお、ＳｉＯ2 以外の酸化物を用いる場合は、それらは（１１１）あるいは（１００）などに結晶配向した材料となる。この酸化物層がＳｉＯ2 と他の酸化物の組み合わせである場合、ＳｉＯ2 中に他の酸化物の金属元素を微量含有させた構成が、振動板としての振動特性等に優れる。含有量としては、１０ａｔ％以下で、好ましくは５ａｔ％以下である。
【００２７】
圧電素子構造体１０に使用する圧電膜１５の物質としては、以下のものが選択できる。例えば、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 ］，ＰＭＮ［Ｐｂ（Ｍｇx Ｎｂ1-x ）Ｏ3 ］，ＰＮＮ［Ｐｂ（Ｎｂx Ｎｉ1-x ）Ｏ3 ］，ＰＳＮ［Ｐｂ（Ｓｃx Ｎｂ1-x ）Ｏ3 ］，ＰＺＮ［Ｐｂ（Ｚｎx Ｎｂ1-x ）Ｏ3 ］，ＰＭＮ−ＰＴ｛(1-y )［Ｐｂ（Ｍｇx Ｎｂ1-x ）Ｏ3 ］−y ［ＰｂＴｉＯ3 ］｝，ＰＳＮ−ＰＴ｛(1-y )［Ｐｂ｛Ｓｃx Ｎｂ1-x ｝Ｏ3 ］−y ［ＰｂＴｉＯ3 ］｝，ＰＺＮ−ＰＴ｛(1-y )［Ｐｂ（Ｚｎx Ｎｂ1-x ）Ｏ3 ］−y ［ＰｂＴｉＯ3 ］｝である。ここで、ｘおよびｙは１以下で０以上の数である。例えば、ＰＭＮの場合、ｘは０．２〜０．５で、ＰＳＮでは、ｘは０．４〜０．７が好ましく、ＰＭＮ−ＰＴのｙは０．２〜０．４、ＰＳＮ−ＰＴのｙは０．３５〜０．５、ＰＺＮ−ＰＴのｙは０．０３〜０．３５が好ましい。
【００２８】
本参考例においては、これらの物質を単一配向結晶あるいは単結晶として成膜させることができるために、性能に優れた素子を得ることができる。例えば、スパッタ成膜により圧電膜を単結晶構造にする方法として、成膜温度から３０℃／ｍｉｎ以上の急速冷却を行うことにより、達成することができ、さらに、その他の方法を用いても良い。
【００２９】
また、圧電膜は、単一組成の一層構造であっても良いし、２種類以上の組み合わせによる異なる組成の積層構造でも良い。また、結晶構造制御のために異種の組成のアンカー層を成膜した後に成膜しても良い。例えば、ＰＺＴを単結晶成膜させる場合などはＺｒ成分が最初入りやすくなるために、ＰｂＴｉＯ3 のアンカー層を成膜した後に成膜することが望ましい。また、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。なお、単一配向結晶あるいは単結晶とは、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）のθ−２θ（アウトプレーン）測定により、膜の優先配向度が８０％以上あるものであり、好ましくは８５％以上、より好ましくは９５％以上のものである。
【００３０】
なお、ＰＭＮ−ＰＴあるいはＰＺＮ−ＰＴの単結晶圧電膜を圧電素子として応用した例は、米国特許第５８０４９０７号明細書に記載されているが、この方法はＴＳＳＧ法（Top Seeded Solution Growth method ）により作製されたバルクの結晶体を切断加工処理および振動板となる基板に接合することにより素子化するものである。そのために、微細加工に適さず、さらに、本発明のように圧電膜の膜厚を１０μｍ以下にすることはできない方法である。また、バルク中の結晶方位に合わせて切断する必要があるため、非常な手間と労力が必要となるばかりか、結晶配向の不一致を起こす場合もある。
【００３１】
基板上に順次結晶配向の方位の揃った膜を成膜できるために、上記のような問題は発生せず、液体噴射ヘッドの場合等には各液吐出口（ノズル）毎の素子の性能のばらつきが少なくかつ接合強度の強いデバイスを得ることができる。また、単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜であるため、その耐久性、圧電特性にも優れた素子となる。
【００３２】
次に、圧電素子構造体の具体的な層構成を列挙する。層構成の表示は、上部電極１７／／圧電膜１５／／下部電極１６／／第２の酸化物層１４／／振動板１１／／第１の酸化物層１３とする（なお、数字は図２における符号を示す）。
【００３３】
例１：Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//SiO2 
この層構成での振動板はＳｉ（１００）であり、振動板を挟む酸化物層は、ＭｇＯ（１００）とＳｉＯ2 である。以下、同様に例示する。
例２：Au//PZT(001)/PT(001)//PT(100)//YSZ(111)/SiO2 //Si(111)//SiO2 
例３：Au//PZT(111)/PT(111)//PT(111)//YSZ(100)/SiO2 //Si(100)//SiO2 
例４：Pt//PZT(111)/PT(111)//Pt(111)//YSZ(100)/Zr//Si(100)//SiO2 
例５：Pt//PZT(111)/PT(111)//Pt(111)//MgO(111)//Si(100)//SiO2 
例６：Au//PZT(001)//SRO(001)//Si(100)//SiO2 
例７：Al//PZT(111)//SRO(111)//Si(111)//SiO2 
例８：Au//PZT(111)/PT(111)//Pt(111)//YSZ(100)/SiO2 //Si(100)//YSZ(100)
例９：Pt//PZT(001)//SRO(001)//Si(100)//YSZ(100)
例１０：Au//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//YSZ(100)
例１１：Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//YSZ(100)
例１２：Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//Al2 O3 (100)//Si(100)//SiO2 
例１３：Ag//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//LaAlO３ (100)//Si(100)//SiO2 
【００３４】
なお、例６、７および９においては、ＳＲＯが、導電性を有しているので、第２の酸化物層１４と下部電極１６を兼用する構造である。また、前記の具体例では、圧電膜として、ＰＺＴあるいはＰＺＴ／ＰＴの積層構造を例示したが、これらは、前述したように、ＰＭＮ，ＰＺＮ，ＰＳＮ，ＰＮＮ，ＰＭＮ−ＰＴ，ＰＳＮ−ＰＴ，ＰＺＮ−ＰＴに適宜変更させた層構成でも良い。
【００３５】
例えば、
Au//PMN(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//SiO２；
Pt//PMN-PT(001)//Pt(100)//MgO(100)/SiO２ //Si(100)//SiO２；
Al//PMN-PT(001)/PT(001)//Pt(100)//YSZ(111)/SiO２ //Si(111)//SiO２
等のようにすることもできる。
【００３６】
なお、前記の層構成の表示において、括弧内に示した結晶方位は、前述したように８０％以上、好ましくは８５％以上、より好ましくは９５％以上の優先配向する結晶配向を示している。
【００３７】
第２の酸化物層１４として、Ｓｉの酸化膜であるＳｉＯ2 を選択するか、あるいは、他の酸化物ＹＳＺ，ＭｇＯ，Ｉｒ2 Ｏ3 を選択するかは、製造プロセスの変更等により適宜選択することができる。例えば、ＹＳＺの成膜時に金属ターゲットからＹＳＺを成膜することによりＳｉＯ2 の生成を抑制することができる。また、Ｓｉ層の上に金属膜（例えばＺｒ等）を薄膜成膜しておけば、ＳｉＯ2 の生成を防ぐことができる。
【００３８】
次に、本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法について詳細に説明する。
【００３９】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、液吐出口に連通した圧力室を有する本体基板部と、前記圧力室に対応して設けられた圧電素子構造体とを備え、前記圧電素子構造体は振動板と、圧電膜と該圧電膜をサンドイッチ状に挟む下部電極および上部電極とを有する圧電素子と、が積層されている液体噴射ヘッドの製造方法であって、シリコン層上に第１の酸化物層を介して単結晶シリコン層のあるシリコン基板上に第２の酸化物層を形成することにより、前記単結晶シリコン層と該単結晶シリコン層をサンドイッチ状に挟む前記第１および前記第２の酸化物層とを有する前記振動板を形成する工程、前記第２の酸化物層上に前記下部電極を形成する工程、前記下部電極上に単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜を形成する工程、前記圧電膜を複数に分離する工程、前記圧電膜上に前記上部電極を形成する工程、および前記振動板をその上に形成するための前記シリコン層の一部を除去して前記圧力室を形成する工程、を有する
【００４０】
以下、前記の各工程について順次説明する。
（１）の工程における「シリコン層上に酸化物層を介して単結晶シリコン層のあるシリコン基板」とは、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板を用いても良いし、また、シリコン基板上に単結晶酸化物を成膜し、その上に単結晶シリコン層を成膜したものを用いても良い。ＳＯＩ基板の場合、シリコン層上の酸化物層とは、例えばＳｉＯ2 であり、また、単結晶酸化物とは、例えばＹＳＺ（１００），ＹＳＺ（１１１），ＭｇＯ（１００），ＭｇＯ（１１１），ＳＴＯ（１００），ＳＴＯ（１１１）等である。酸化物層の膜厚（ｄ1 ）は５ｎｍ〜５μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜３μｍである。これらの酸化物層は、（５）の工程における圧力室を形成する場合のエッチングストップ層として利用することもできる。
【００４１】
単結晶シリコンの上に形成する第２の酸化物層は、（２）の工程および／あるいは（３）の工程の前に成膜することが好ましい。第２の酸化物層としては、例えば、ＳｉＯ2 ，ＹＳＺ（１００），ＹＳＺ（１１１），ＳＲＯ（００１），ＳＲＯ（１１１），ＭｇＯ（１００），ＭｇＯ（１１１），Ｉｒ2 Ｏ3 （１００），Ｉｒ2 Ｏ3 （１１１），Ａｌ2 Ｏ3 （１００），Ａｌ2 Ｏ3 （１１１），ＬａＡｌＯ3 （１００），ＬａＡｌＯ3 （１１１），ＳＴＯ（１００），ＳＴＯ（１１１）等である。これらの膜厚（ｄ2 ）は、前述したように５ｎｍ〜３μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜１μｍである。
【００４２】
前述した層構成において、第２の酸化物層は、例１では、ＭｇＯであり、例２では、ＹＳＺとＳｉＯ2 である。このＳｉＯ2 は、緩衝膜であるＹＳＺの成膜時の酸化反応で生成させるか、あるいは、成膜後の熱処理により成膜させても良い。第２の酸化物層にＳｉＯ2 が含まれる場合、ＳｉＯ2 中には他の酸化物層（緩衝膜）の金属元素を微量含有させることが好ましく、その含有方法としては他の酸化物層の成膜方法として酸化物ターゲットを使用したスパッタ法を用いることが好ましい。ＳｉＯ2 の膜厚は、ＹＳＺの成膜した最高温度からの降温プロセスおよびその温度保持時間、さらには再熱処理条件およびその保持時間を選択することによりその膜厚を制御することができ、例えば、スパッタ成膜温度でそのまま温度保持し、そのときの雰囲気を水蒸気にすれば、さらにＳｉＯ2 の膜厚を厚くすることができる。また、金属Ｚｒターゲットから最初に金属層を形成しその後にＹＳＺを成膜すれば、ＹＳＺとＳｉの界面にＳｉＯ2 層の生成は防ぐことができる。なお、ＳｉＯ2 層を生成させるかどうかは、材料と性能により適宜選択することができる。
【００４３】
（２）の圧電膜を形成する工程では、ＰＺＴ，ＰＭＮ，ＰＺＮ，ＰＳＮ，ＰＮＮ，ＰＭＮ−ＰＴ，ＰＳＮ−ＰＴ，ＰＺＮ−ＰＴ等の組成のいずれかを用いて、一層構造あるいは積層構造の圧電膜を形成する。また、圧電膜は、単一配向結晶あるいは単結晶として成膜することが好ましい。
【００４４】
（３）の工程における圧電膜上への上部電極の形成は、スパッタ法、蒸着法あるいは塗布法などにより形成することができる。電極材料としては、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｎｉ等の金属材料やＳＲＯ，ＩＴＯ等の導電性酸化物でも良い。上部電極は、圧電膜上へのベタ電極でも良いし、櫛型電極でも良い。
【００４５】
液体噴射ヘッドの製造方法において、（４）の圧電膜を分離する工程とは、上記（２）の工程で成膜した圧電膜をパターニングする工程である。パターニングは、液吐出口（ノズル）と圧力室の各々にそれぞれ対応するように分離するものであるが、そうでなくても良い。パターニング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチングあるいは機械的切断等がある。ウェットエッチングおよびドライエッチングにおいては、パターニングのためにレジスト処理を施すとともに、シリコン基板保護のための保護膜形成を必要に応じて行っても良い。また、分離された圧電膜の間に圧電膜の伸縮を阻害しない剛性の低い樹脂等を充填しても良い。
【００４６】
（５）の圧力室を形成する工程は、圧電膜がのった反対側のシリコン層の加工工程および／あるいは別途、圧力室部を形成した別基板を上記シリコン基板と接合する工程である。シリコン層の加工工程としては、ウェットエッチング、ドライエッチング、機械的加工（例えば、サンドブラスト処理等）である。なお、圧力室部を形成した別基板に用いられる基板とは、シリコン基板、ＳＵＳ基板あるいはポリマー材料で形成された基板などである。シリコン基板、ＳＵＳ基板を用いた場合の接合方法としては、陽極酸化接合法、活性金属法等の方法で行う他に接着剤を用いて行うこともできる。ポリマー材料を用いた場合は、例えば、レジスト材料を用いて、エッチング処理により形成しても良いし、予め加工された基板を用いても良い。圧力室の形状は、長方形、円形、楕円形等各種選択することができる。また、サイドシューターの場合の圧力室の断面形状をノズル方向に絞った形状にすることもできる。
【００４７】
（６）の液吐出口を形成する工程は、液吐出口が穿設されたオリフィスプレートを各圧力室部に対応して接合しても良いし、レジスト材料等で液吐出口を形成しても良い。また、ポリマー基板を貼り合わせた後にレーザー加工により各圧力室に対応して液吐出口を形成しても良い。レジスト材料で液吐出口を形成する方法では、上記の（５）の工程と同時に行う方法でも良い。また、（４）、（５）、（６）の各工程の順序は、順不同であり、最後に（４）の圧電膜の分離工程を行う等の方法を採っても良い。
【００４８】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、前述した圧電素子構造体と同様、圧電膜が単一配向結晶あるいは単結晶であり、接合強度が高くかつ耐久性の優れた振動板を作成することができるために、高密度で吐出力が大きく、かつ高周波数に対応できる液体噴射ヘッドを得ることができる。
【００４９】
次に、本発明を具体的な例を挙げてさらに説明する。
【００５０】
（参考例１）
本参考例について図３を参照して説明する。なお、図３は、圧電素子構造体の製造方法の一参考例に基づいて作製された圧電素子構造体の部分断面図である。
【００５１】
先ず、６２５μｍ厚のシリコン層２８、０．２μｍ厚のＳｉＯ2 層２３、３μｍ厚の単結晶Ｓｉ（１００）層２１から構成されるＳＯＩ基板２９を用いて、単結晶Ｓｉ（１００）層２１上にスパッタ成膜によりＹＳＺ（１００）２４を８００℃下０．３μｍ厚で成膜した。その後、下部電極Ｐｔ（１１１）２６を０．５μｍ成膜し、その上にＰＴ（１１１），ＰＺＴ（１１１）の圧電膜２２を６００℃で成膜した。ＰＺＴの組成はＰｂ（Ｚｒ0.53Ｔｉ0.47）Ｏ3 で成膜した。圧電膜２２の全体の膜厚は３．５μｍであった。すべての成膜工程において、成膜後の冷却過程を４０℃／分以上の降温速度で行い膜の単結晶性を制御した。また、この工程で、ＹＳＺ（１００）２４とＳｉ（１００）２１の界面には第２の酸化物層としてＳｉＯ2 層２４ａが０．０２μｍの厚みで形成されていた。ＳｉＯ2 層２４ａの膜厚は、８００℃で成膜した後そのまま水蒸気中で１００分温度保持した場合には０．２μｍになっていた。ＳｉＯ2 中のＹおよびＺｒ金属の含有量は４．６ａｔ％であった。圧電膜２２の単結晶性は、ＸＲＤ（Ｘ線回折装置）により（１１１）の配向が９９％以上であることを確認した。
【００５２】
この圧電膜２２の上に上部電極２７としてＡｕを蒸着で付けた。その後、シリコン層２８を、ＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムヒドロキシド）を用いてウェットエッチングにより第１の酸化物層２３で幅１００μｍ、長さ２ｍｍの長方形になるようにエッチングを行った。
【００５３】
以上のようにして作製される圧電素子構造体（図３）において、上下の電極２６、２７を取り出し、駆動周波数３５ｋＨｚで駆動電圧＋５Ｖ／−５Ｖで変位量を測定したところ、中心部で０．２６μｍの変位量であった。また、第２の酸化物層２４を１．０μｍにした構造体においても、０．２５μｍの良好な変位量を測定した。
【００５４】
また、同様の構成で圧電膜が多結晶体（配向性が４３％）である圧電素子構造体を作製して同様に変位量を測定したところ、０．０４μｍであり、各素子間のばらつきも大きいものであるばかりか、耐圧性も低いものであった。
【００５５】
（参考例２）
単結晶Ｓｉ層の結晶配向が（１１１）の基板を用いてスパッタ成膜し、前述した層構成における例２の構造体を作製した。ＰＺＴの結晶配向を（００１）にすることにより、さらに耐圧性の良好な素子を得ることができた。また、実施例１と同様にエッチング処理を行った後に測定した変位量は、０．２５μｍ〜０．２８μｍと良好な値であった。
【００５６】
（実施例１）
本実施例に基づく液体噴射ヘッドの製造方法について図４を参照して説明する。なお、図４は、本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例に基づいて作製された液体噴射ヘッドの部分断面図である。
【００５７】
Ｂドープされた単結晶Ｓｉ（１００）／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ構成の基板３９（各膜厚：２．５μｍ／１μｍ／２５０μｍ）を用いて、Ｂドープされた単結晶Ｓｉ（１００）３１の上にＭｇＯ（１００）３４を０．３μｍの厚みで形成した。さらにＰｔ（１００）３６を０．４μｍ、ＰＭＮ（００１）の圧電膜３２を２．３μｍ厚で成膜した。ＰＭＮの組成は、Ｐｂ（Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 で調整した。ＴＥＭ観察によると、ＭｇＯ３４とＳｉ（１００）３１の界面に０．０５μｍのＳｉＯ２ 層３４ａが形成されていた。上部電極３７にはＡｕをペースト塗布した。そして、Ｓｉ層３８をＳＦ6 とＣ4 Ｆ8 を用いたプラズマエッチング処理により圧力室４１を形成した。その後、圧力室の一部をなすＳｉ中間基板４２およびオリフィスプレート４３を接合し、本実施例の液体噴射ヘッドを得た。
【００５８】
以上のようにして作製される本実施例の液体噴射ヘッドを示す図４において、３１はＢドープされた単結晶Ｓｉからなる振動板、３２はＰＭＮの圧電膜、３３は第１の酸化物層、３４、３４ａは第２の酸化物層、３６は下部電極、３７は上部電極である。また、３８は圧力室４１が形成されたＳｉ層、４２は中間基板、４３は液吐出口４４が形成されたオリフィスプレートであり、圧力室４１の幅は６０μｍ、奥行き２．２ｍｍ、圧力室４１間の隔壁幅は２４μｍである。
【００５９】
この液体噴射ヘッドを用いて、インクの吐出実験を行った。駆動周波数３５ｋＨｚで＋７Ｖ／−７Ｖの駆動電圧で、最大１２．８ｍ／ｓｅｃの吐出速度を観測した。吐出される液滴サイズは、３ｐｌから２６ｐｌまで、駆動条件の変更により調節することができた。また、耐久試験により１０9 回の変位を繰り返したが変位量の低減は５％以内であった。
【００６０】
また、単結晶シリコン層の膜厚を１０μｍおよび１１μｍとする基板を用い、その他の構成は同様にして、２種類の液体噴射ヘッドを作製した。Ｓｉ層の膜厚が１０μｍの液体噴射ヘッドの変位量は、２．５μｍ厚の液体噴射ヘッドに比べて１０％低減したが、１０ｃｐｓの高粘度の液滴を吐出できた。１１μｍの液体噴射ヘッドは、変位量の低減が１７〜１８％であったが、同様に高粘度の液滴を吐出できた。ただし、１０μｍの液体噴射ヘッドに比べ若干耐久性に劣るものであった。
【００６１】
（実施例２）
前述した実施例１における圧電膜をＰＳＮ−ＰＴ（００１）とし、その他の構成は同様にして液体噴射ヘッドを作製した。ＰＳＮ−ＰＴの組成は0.55［Ｐｂ（Ｓｃ1/2 Ｎｂ1/2 ）Ｏ3 ］−0.45［ＰｂＴｉＯ3 ］に調整した。
圧力室の幅等の大きさは実施例３と同じサイズにし、そして同じ駆動条件で、１４．３ｍ／ｓｅｃの速度でインクを吐出することができた。また、本実施例の構成で圧力室幅を４０μｍ、圧力室長を２．５ｍｍとしても１０ｍ／ｓｅｃ以上の実用に耐える速度でインクを吐出できた。
【００６２】
（実施例３）
前述した実施例２における圧電膜をＰＺＮ−ＰＴ（００１）とし、その他の構成は実施例２と同様にして液体噴射ヘッドを作製した。ＰＺＮ−ＰＴの組成は、0.90｛Ｐｂ（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 ｝−0.10｛ＰｂＴｉＯ3 ｝である。
圧力室の幅を６０μｍとして同様の吐出実験を行うと、インクの吐出速度が１４．１ｍ／ｓｅｃと良好な吐出速度を観測した。また、液滴量も非常に安定していた。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板は、単結晶または該単結晶材料に対して当該材料の成分元素と異なる元素がドープされた材料からなる層と該層をサンドイッチ状に挟む酸化物層を有することにより、機械的変位を繰り返しても微小な亀裂が発生しても、振動板自身の強度が保持され、また、その上に成膜されている圧電膜との密着力が劣化せず、耐久性に優れた素子とすることができる。さらに、基板上に圧電定数の高い単一配向結晶あるいは単結晶の圧電膜を成膜することができ、基板上に順次結晶配向の方位の揃った膜を成膜できるために、周波数特性、耐久性、電歪／圧電性能に優れた圧電素子構造体を得ることができる。
【００６４】
また、前述した圧電素子構造体を液体噴射ヘッドに組み込むことにより、耐久性に優れ、高密度で吐出力が大きくかつ高周波数に対応でき、さらに各液吐出口毎の素子の性能のばらつきが少なくかつ接合強度の強いデバイスを得ることができ、また、圧電体や振動板等を薄膜化することで半導体プロセスで用いられている微細加工を可能とするとともに耐久性や電歪／圧電特性にも優れ、長尺でかつ安定した信頼性が高い液体噴射ヘッドを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明に係る液体噴射ヘッドの斜視図であり、同（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って破断して示す断面図である。
【図２】  本発明に係る液体噴射ヘッドに適用することができる圧電素子構造体を概略的に示す部分断面図である。
【図３】  圧電素子構造体の製造方法の一参考例に基づいて作製された圧電素子構造体の部分断面図である。
【図４】  本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例に基づいて作製された液体噴射ヘッドの部分断面図である。
【符号の説明】
１    液体噴射ヘッド
２    液吐出口
３    圧力室
５    オリフィスプレート
６    本体基板部
１０    圧電素子構造体
１１    振動板
１２    圧電素子
１３    第１の酸化物層
１４    第２の酸化物層
１５    圧電膜
１６    下部電極
１７    上部電極
２１    振動板
２２    圧電膜
２３    第１の酸化物層
２４、２４ａ    第２の酸化物層
２６    下部電極
２７    上部電極
２８    シリコン層
２９    ＳＯＩ基板
３１    振動板
３２    圧電膜
３３    第１の酸化物層
３４、３４ａ    第２の酸化物層
３６    下部電極
３７    上部電極
３８    シリコン基板
３９    基板
４１    圧力室
４３    オリフィスプレート
４４    液吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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