JP2008147350A - 圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法並びに圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子の変位低下及びリーク特性の劣化を防止して、優れた変位特性を有する圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法並びに圧電素子を提供する。
【解決手段】下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００の製造方法であって、前記上電極８０を形成する際に、前記圧電体層７０側にゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって導電性酸化金属からなる第１の上電極８１を形成すると共に、該第１の上電極８１上にＰＶＤ法により第２の上電極８２を形成する。
【選択図】図２
【解決手段】下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００の製造方法であって、前記上電極８０を形成する際に、前記圧電体層７０側にゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって導電性酸化金属からなる第１の上電極８１を形成すると共に、該第１の上電極８１上にＰＶＤ法により第２の上電極８２を形成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法並びに圧電素子に関する。
圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層は、例えば、結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。
このような圧電素子の製造方法としては、基板（流路形成基板）の一方面側に下電極膜をスパッタリング法等により形成した後、下電極膜上に圧電体層をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法等により形成すると共に、圧電体層上に上電極膜をスパッタリング法により形成し、圧電体層及び上電極膜をパターニングすることで圧電素子を形成している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上電極膜を圧電体層上にスパッタリング法や蒸着法などのＰＶＤ法により形成すると、圧電体層の上電極側の表層にアルゴンイオンの衝突のダメージによる低誘電層が形成されてしまい、低誘電層による電圧降下に伴う圧電素子の変位減少や、低誘電層の電気破壊によるリーク特性の劣化が生じてしまうという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の変位低下及びリーク特性の劣化を防止して、優れた変位特性を有する圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法並びに圧電素子を提供することを目的とする。
本発明の態様は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子の製造方法であって、前記上電極を形成する際に、前記圧電体層側にゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって導電性酸化金属からなる第１の上電極を形成すると共に、該第１の上電極上にＰＶＤ法により第２の上電極を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、第１の上電極をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって、圧電体層の上電極側に低誘電層が形成されるのを防止することができると共に、第１の上電極によって第２の上電極をＰＶＤ法により形成する際に圧電体層に低誘電層が形成されるのを防止することができる。これにより、低誘電層による電圧降下に基づく圧電体層の変位低下及び低誘電層に電荷が集中して電気破壊が発生するなどのリーク特性の劣化が生じることなく、優れた圧電特性を有する圧電素子を形成することができる。
ここで、前記第２の上電極を形成するＰＶＤ法が、スパッタリング法又は蒸着法であることが好ましい。これによれば、第２の上電極膜を容易に且つ高精度な厚さで形成することができる。
また、前記圧電体層を、有機金属化合物のゾルを塗布して、圧電体前駆体膜を形成する工程と、該誘電体前駆体膜を加熱焼成して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程によって形成することが好ましい。これによれば、所望の厚さの圧電体層を高精度に形成することができる。
また、前記第１の上電極を形成する際に、焼成前の前記圧電体前駆体膜上に前記第１の上電極となる第１の上電極前駆体膜を形成し、前記圧電体前駆体膜と前記第１の上電極前駆体膜とを同時に焼成することが好ましい。これによれば、圧電体層と第１の上電極との間に異相が介在するのを防止して、異相による剥離や電荷集中による電気破壊を防止することができる。
また、前記第１の上電極が、バナジウム、タングステン、モリブデン、スズ及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの金属を主成分とする導電性酸化金属からなることが好ましい。これによれば、所定の導電性酸化金属をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により形成することができる。
また、前記第２の上電極が、貴金属から選択される少なくとも１つの金属を主成分とすることが好ましい。これによれば、上電極を第１の上電極のみで、すなわち、上電極を導電性酸化金属の単層で形成するのに比べて上電極の電気抵抗値を低くして、配線としての機能低下を防止することができる。
また、前記第１の上電極を、その厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍで形成することが好ましい。これによれば、第２の上電極をＰＶＤ法により形成した際の逆スパッタにより除去されて圧電体層に低誘電層が形成されるのを防止することができると共に、第１の上電極による上電極の剛性が高くなるのを防止して圧電素子の変位特性が低下するのを防止することができる。
さらに本発明は、上記態様の圧電素子の製造方法によって、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられる流路形成基板の一方面側に前記圧電素子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。これによれば、優れた圧電特性を有する圧電素子を有する液体噴射ヘッドを製造することができ、液体噴射特性を向上することができる。
また本発明は、上記態様の圧電素子の製造方法によって形成されたことを特徴とする圧電素子にある。これによれば、圧電体層に低誘電層が形成されていないため、低誘電層による電圧降下に基づく圧電体層の変位低下及び低誘電層に電荷が集中して電気破壊が発生するなどのリーク特性の劣化が生じることなく、優れた圧電特性を有する圧電素子を実現できる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
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って二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。
インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。
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によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍ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ステンレス鋼などからなる。
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１．１μｍ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を圧電素子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。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アクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する酸化物の誘電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜５μｍ前後の厚さで形成した。
また、上電極膜８０は、本実施形態では、圧電体層７０側に設けられた導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１と、第１の上電極膜８１上に設けられた金属からなる第２の上電極膜８２とで構成されている。
第１の上電極膜８１は、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、スズ（Ｓｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの金属を主成分とする導電性酸化金属が挙げられる。このような導電性酸化金属の一例としては、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ＳｎＯ、ＺｎＯなどが挙げられる。
なお、第１の上電極膜８１は、詳しくは後述するが、圧電体層７０上にゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって形成されたものである。
第２の上電極膜８２は、第１の上電極膜８１上に形成されたものであり、導電性の高い金属材料からなる。第２の上電極膜８２としては、例えば、貴金属、すなわち、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｂ）及び銀（Ａｇ）から選択される少なくとも１つを主成分とする金属が挙げられる。
なお、第２の上電極膜８２は、詳しくは後述するが、スパッタリング法又は蒸着法などのＰＶＤ法によって形成されたものである。
このように、上電極膜８０を第１の上電極膜８１及び第２の上電極膜８２で構成し、第１の上電極膜８１をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって形成することで、圧電体層７０の上電極膜８０側に低誘電層が形成されることがない。これにより、低誘電層による電圧降下に基づく圧電体層７０の変位低下や、低誘電層に電荷が集中して電気破壊が発生するなどのリーク特性の劣化が生じることなく、優れた圧電特性を有する圧電素子３００とすることができる。ちなみに、圧電体層７０上に上電極膜をスパッタリング法又は蒸着法などのＰＶＤ法によって形成すると、圧電体層７０の上電極膜側の表層にアルゴンイオンのダメージによる低誘電層が形成されてしまうが、第１の上電極膜８１をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって形成することで、圧電体層７０に低誘電層が形成されることなく、また、第２の上電極膜８２を形成する際に、圧電体層７０は第１の上電極膜８１によってアルゴンイオンが衝突されるのを保護されるため、圧電体層７０に低誘電層が形成されることがない。
また、第１の上電極膜８１は、導電性を有するため、第１の上電極膜８１によって圧電体層７０に印加する電圧の低下が発生することなく、圧電素子３００の変位特性が劣化するのを防止することができる。
なお、上電極膜８０を第１の上電極膜８１のみで、すなわち、上電極膜８０を導電性酸化金属の単層で形成した場合、抵抗が高くなってしまう。このため、上電極膜８０を導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１と、貴金属等の導電性の高い金属からなる第２の上電極膜８２とで構成することで、上電極膜８０の抵抗値を低くして、配線としての機能低下を防止することができる。
また、第１の上電極膜８１は、その厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍであるのが好ましい。これは、詳しくは後述するが、第１の上電極膜８１が５０ｎｍよりも薄いと、第２の上電極膜８２をスパッタリング法により形成した際の逆スパッタにより第１の上電極膜８１が除去されてしまい、圧電体層７０にアルゴンイオンのダメージによる低誘電層が形成されてしまうからである。
さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が固定されている。この駆動回路２００としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路２００とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板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となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口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、駆動回路２００からの記録信号に従い、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、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。
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図８を参照して説明する。なお、図３〜図８は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、白金及びイリジウムからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５の全面に亘って形成する。下電極膜６０は、例えば、スパッタリング法や蒸着法などのＰＶＤ法により形成することができる。
次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、例えば、リラクサ強誘電体（例えば、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＮＮ-ＰＴ等）の他の圧電材料を用いてもよい。また、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図４（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分間保持することで乾燥することができる。また、乾燥工程での昇温レートは０．５〜１．５℃／ｓｅｃが好適である。なお、ここで言う「昇温レート」とは、加熱開始時の温度（室温）と到達温度との温度差の２０％上昇した温度から、温度差の８０％の温度に達するまでの温度の時間変化率と規定する。例えば、室温２５℃から１００℃まで５０秒で昇温させた場合の昇温レートは、（１００−２５）×（０．８−０．２）／５０＝０．９［℃／ｓｅｃ］となる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを０．５〜１．５℃／ｓｅｃとするのが好ましい。
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。焼成工程では、圧電体前駆体膜７１を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、６８０℃で５〜３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜７２を形成した。また、焼成工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以下とするのが好ましい。このように、圧電体膜７２を焼成により形成する際には、圧電体前駆体膜７１を３０分以上加熱するのが好ましい。これにより優れた特性の圧電体膜７２を得ることができる。
なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。
そして、図４（ｃ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階で、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２を同時にパターニングする。なお、下電極膜６０及び圧電体膜７２のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
この下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２をパターニングした後、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図５（ａ）に示すように複数層の圧電体膜７２を形成する。ちなみに、例えば、ゾルの１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、例えば、１０層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。
また、本実施形態では、最上層の圧電体膜７２を形成する際に、最上層の圧電体前駆体膜７１を形成した段階で、この圧電体前駆体膜７１上に第１の上電極膜８１となる第１の上電極前駆体膜８３を形成し、圧電体前駆体膜７１と第１の上電極前駆体膜８３とを同時に焼成することで、最上層の圧電体膜７２と第１の上電極膜８１とを同時に形成する。
詳しくは、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程を行って最上層の圧電体前駆体膜７１を形成した後、図５（ｂ）に示すように、第１の圧電体前駆体膜７１上に第１の上電極膜８１となる第１の上電極前駆体膜８３を形成する。
第１の上電極前駆体膜８３としては、例えば、第１の上電極膜８１として、バナジウム（Ｖ）を用いる場合には、Ｖ（ＯＲ）４を原料として、エタノール等のアルコール系を溶媒としたゾルを用いることができる。なお、Ｒとしては、例えば、エトキシド、プロポキシド又はブトキシド等が挙げられる。
また、第１の上電極膜８１として、タングステン（Ｗ）を用いる場合には、ＷＣｌ４と、Ｗ（ＯＲ）４とを原料として、エタノール等のアルコール系を溶媒としたゾルを用いることができる。なお、Ｒとしては、例えば、ペンタエトキシ又はペンタイソプロポキド等が挙げられる。
さらに、第１の上電極膜８１として、モリブデン（Ｍｏ）を用いる場合には、ＭｏＣｌ４と、Ｍｏ（ＯＲ）４とを原料として、エタノールなどのアルコール系を溶媒としたゾルを用いることができる。なお、Ｒとしては、例えば、ペンタエトキシ等が挙げられる。
また、第１の上電極膜８１として、スズ（Ｓｎ）を用いる場合には、塩化スズ２水和物（ＳｎＣｌ２・２Ｈ２Ｏ）を原料として、エタノール又はアルコール系を溶媒としたゾルを用いることができる。
また、第１の上電極膜８１として、亜鉛（Ｚｎ）を用いる場合には、亜鉛アセチルアセトナート（Ｚｎ（ＣＨ３ＣＯＣＨＣＯＣＨ３）２）を原料として、酢酸を分散剤（添加した）としたエタノールなどのアルコール系を溶媒としたゾルを用いることができる。なお、酢酸の添加量は、亜鉛１モルに対して酢酸１〜３モルが好ましい。
このようなゾルを圧電体前駆体膜７１上に塗布し、これを乾燥、脱脂することで、第１の上電極前駆体膜８３を形成する。第１の上電極前駆体膜８３となるゾルの塗布方法は特に限定されないが、例えば、スピンコート式塗布方法によって行うことができる。
次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７１と第１の上電極前駆体膜８３とを同時に焼成することにより、最上層の圧電体膜７２と、第１の上電極膜８１とを形成する。すなわち、複数層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０と第１の上電極膜８１とを同時に形成する。なお、最上層の圧電体膜７２及び第１の上電極前駆体膜８３の焼成は、例えば、ＲＴＡ装置や拡散炉などを用いて行うことができる。
このように、圧電体前駆体膜７１と第１の上電極前駆体膜８３との焼成を同時に行うことによって、圧電体層７０と第１の上電極膜８１との間に異相が介在しない積層構造とすることができる。すなわち、圧電体層７０と第１の上電極膜８１との間に異相を介在させないことにより、この異相での剥離や電荷集中による電気破壊などの不具合を防止することができる。
なお、第１の上電極膜８１は、その厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍとなるように形成するのが好ましい。これは、後の工程で、第１の上電極膜８１上に第２の上電極膜８２をスパッタリング法により形成する際に、逆スパッタなどによって除去されず、且つ圧電素子３００の変位を阻害しないようにするためである。ちなみに、第１の上電極膜８１が５０ｎｍよりも薄く形成されていると、第２の上電極膜８２を形成した際に、第１の上電極膜８１が除去されてしまう。また、第１の上電極膜８１が１００ｎｍよりも厚く形成されていると、導電性酸化金属は剛性が高いため、第１の上電極膜８１によって圧電素子３００の変位を阻害してしまうという問題がある。
次に、図６（ａ）に示すように、第１の上電極膜８１上に第２の上電極膜８２を形成して、第１の上電極膜８１及び第２の上電極膜８２からなる上電極膜８０を形成する。第２の上電極膜８２は、例えば、スパッタリング法や蒸着法などのＰＶＤ法により形成することができる。
この第２の上電極膜８２を形成する際に、第１の上電極膜８１にアルゴンイオンが衝突するが、第１の上電極膜８１は、導電性酸化金属からなるため、アルゴンイオンの衝突によるダメージはほとんどなく、また、圧電体層７０は第１の上電極膜８１によってアルゴンイオンが衝突されるのを保護されるため、圧電体層７０にダメージもない。したがって、圧電体層７０にアルゴンイオンによるダメージに基づく低誘電層が形成されることなく、圧電体層７０の低誘電層による変位特性の低下を防止することができると共に、低誘電層に電荷が集中して電気破壊が発生するなどのリーク特性の劣化を防止することができる。したがって、優れた圧電特性を有する圧電素子３００を形成することができる。ちなみに、圧電体層７０上に上電極膜をスパッタリング法又は蒸着法などのＰＶＤ法によって形成すると、圧電体層７０の上電極膜側の表層にアルゴンイオンのダメージによる低誘電層が形成されてしまう。
また、第１の上電極膜８１は、導電性を有するため、第１の上電極膜８１によって圧電体層７０に印加する電圧の低下が発生することなく、圧電素子３００の変位特性を劣化するのを防止することができる。
このような、第２の上電極膜８２としては、例えば、貴金属、すなわち、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｂ）及び銀（Ａｇ）から選択される少なくとも１つを主成分とする金属が挙げられる。
ちなみに、上電極膜８０を第１の上電極膜８１のみで、すなわち、上電極膜８０を導電性酸化金属の単層で形成することも考えられるが、上電極膜８０を導電性酸化金属のみで構成すると、上電極膜８０の電気抵抗値が高くなってしまう。このため、上電極膜８０を導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１と、貴金属等の導電性の高い金属からなる第２の上電極膜８２とで構成することで、上電極膜８０の電気抵抗値を低くして、配線としての機能低下を防止することができる。
このように圧電体層７０及び上電極膜８０を積層形成した後は、図６（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。圧電体層７０及び上電極膜８０のパターニングとしては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。
次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングすることで形成される。
次に、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接着剤３５を介して接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。
次いで、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０にマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク膜５２を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、上電極膜８０を導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１と、貴金属からなる第２の上電極膜８２との２層構造としたが、特にこれに限定されず、例えば、上電極膜８０を３層以上が積層された構成としてもよい。何れにしても上電極膜８０の圧電体層７０側に導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により形成するようにすればよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、上電極膜８０を導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１と、貴金属からなる第２の上電極膜８２との２層構造としたが、特にこれに限定されず、例えば、上電極膜８０を３層以上が積層された構成としてもよい。何れにしても上電極膜８０の圧電体層７０側に導電性酸化金属からなる第１の上電極膜８１をゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により形成するようにすればよい。
また、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７２を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７２を形成するようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態１では、下電極膜６０として、白金及びイリジウムを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、下電極膜６０の絶縁体膜５５側の最下層に密着性を向上するチタン（Ｔｉ）等の密着層を設けるようにしてもよい。また、下電極膜６０として、絶縁体膜５５側から白金とイリジウムとを積層した構成としても、絶縁体膜５５側からイリジウムと白金とを積層した構成としても、絶縁体膜５５側からイリジウムと白金とイリジウムとを積層した構成としてもよい。
また、上述した実施形態１の下電極膜６０の圧電体層７０を形成する表面に、厚さが、３．５〜５．５ｎｍのチタン（Ｔｉ）からなる種チタン層を設けた後、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成するようにしてもよい。このように種チタン層を設けることで、下電極膜６０上に種チタン層を介して１層目の圧電体膜７２を形成する際に、圧電体膜７２の優先配向方位を（１００）又は（１１１）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、種チタン層は、圧電体膜７２が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体膜７２の焼成後には圧電体膜７２内に拡散するものである。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
なお、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の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各種の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレー）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が挙げられる。
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子及びその製造方法に限定されず、他の装置に搭載される圧電素子及びその製造方法にも適用することができる。
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ７２ 圧電体膜、 ８０ 上電極膜、 ８１ 第１の上電極膜、 ８２ 第２の上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ２００ 駆動回路、 ２１０ 接続配線、 ３００ 圧電素子
Claims (9)
- 下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子の製造方法であって、
前記上電極を形成する際に、前記圧電体層側にゾル−ゲル法又はＭＯＤ法によって導電性酸化金属からなる第１の上電極を形成すると共に、該第１の上電極上にＰＶＤ法により第２の上電極を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 前記第２の上電極を形成するＰＶＤ法が、スパッタリング法又は蒸着法であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電体層を、有機金属化合物のゾルを塗布して、圧電体前駆体膜を形成する工程と、該誘電体前駆体膜を加熱焼成して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程によって形成することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子の製造方法。
- 前記第１の上電極を形成する際に、焼成前の前記圧電体前駆体膜上に前記第１の上電極となる第１の上電極前駆体膜を形成し、前記圧電体前駆体膜と前記第１の上電極前駆体膜とを同時に焼成することを特徴とする請求項３記載の圧電素子の製造方法。
- 前記第１の上電極が、バナジウム、タングステン、モリブデン、スズ及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも１つの金属を主成分とする導電性酸化金属からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記第２の上電極が、貴金属から選択される少なくとも１つの金属を主成分とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記第１の上電極を、その厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍで形成することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
- 請求項１〜７の何れか一項に記載の製造方法によって、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられる流路形成基板の一方面側に前記圧電素子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１〜７の何れか一項に記載の製造方法によって形成されたことを特徴とする圧電素子。
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| JP2006331817A JP2008147350A (ja) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | 圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法並びに圧電素子 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2010018011A (ja) * | 2008-07-14 | 2010-01-28 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータ |
| JP2010167570A (ja) * | 2009-01-20 | 2010-08-05 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッドの製造方法、アクチュエーター装置の製造方法、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 |
-
2006
- 2006-12-08 JP JP2006331817A patent/JP2008147350A/ja active Pending
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