JP5023461B2 - 圧電素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、圧電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、インクジェット記録装置に代表される、液滴吐出装置に関する。また、この液滴吐出装置に利用される圧電素子、その製造方法、及び液滴吐出ヘッドに関する。

従来、複数のノズルから液滴を吐出し、用紙等の記録媒体に印字を行う液滴吐出装置には、インクジェット記録装置があり、このインクジェット記録装置は、小型で安価、静寂性等の種々の利点があり、広く市販されている。特に、圧電素子を用いて圧力室内の圧力を変化させてインク滴を吐出するピエゾ方式や、熱エネルギーの作用でインクを膨張させてインク滴を吐出するサーマル方式の記録装置は、高速印字、高解像度が得られる等、多くの利点を有している。

サーマル方式に用いる噴射素子（発熱体）に較べ、ピエゾ方式に用いる圧電体は大きな面積を有するため、記録ヘッドの高密度化・長尺化を図ることが難く、圧電素子を碁盤目状（碁盤目状）に配列した構成を検討している。しかし、ピエゾ方式に用いる圧電体は、通常、焼結体から構成されるが、従来から用いられてきた焼結体は充分な圧電性が得られず、その結果、大きな素子面積を必要としていた。

これに対し、気相成長法や液相成長法な等の堆積法により形成した圧電体は、その結晶性・配向性に優れ、焼結体に較べて高い圧電性を有するため、小面積化・高密度化・長尺化が期待されている。このような堆積法による圧電体の形成方法は、一般的な半導体プロセス・大面積電子デバイスプロセスに対する親和性が高く、Ｓｉ基板やガラス基板が用い
られている。

他方、インクジェット記録ヘッドの圧電素子はインクドロップ体積を稼ぐ為にダイアフラムの大きな変位を必要とし、５０００Å以上の厚い圧電体の膜を形成することが要求される。

圧電素子は、例えば、特開２００３−１５４６４６のように圧電体が下電極・上電極に挟まれたサンドイッチ構造が一般的であるが、以下のような問題を有している。

まず、圧電体動作領域（圧力室内で記録液体に変位を与える動作領域の意味）を包括する圧電体領域のうち、圧電体動作領域以外の領域も動作してしまい、無駄なエネルギーを消費してしまう。また、圧電体が下電極・上電極に挟まれたサンドイッチ構造のまま配線引き回しをする場合、配線長さに応じた静電容量が付与され、圧電体毎の静電容量の変動とその増大を引き起こす課題がある。とくに、圧電体は数１００以上の高い比誘電率を有する為、静電容量の増大が甚だしい。また、圧電体毎の静電容量の変動は、圧電体に印加されるエネルギーの変動を誘起し、ヘッド全体の均一な飛翔性を確保することが難しくなる。とくに、高密度化・長尺化を図る為、圧電体を碁盤目に配した２次元構成では、静電容量のビット毎の変動は重要な課題である。

また、このような厚い圧電体膜を気相成長法及び液相成長法によって形成するとき、以下の問題を生じることが判った。

まず、下地が非晶質である領域に圧電体を堆積すると、圧電性に必要なペロブスカイト相結晶化温度（ペロブスカイト結晶相を形成する為に必要な温度）が５０〜１００ｄｅｇ．程度上昇する。

また、下地が非晶質である領域に圧電体を堆積すると、非晶質相やペロブスカイト相・パイロクロア相の混晶を形成する場合があり、均一な圧電体を形成する為には、不適当である。

また、下地が非晶質である領域に於いて、圧電体層の剥離圧電体に亀裂が発生する場合がある。

以上説明した現象は圧電体の膜厚が上昇するに従い、激しくなる傾向にあることがわかってきた。

特開２００３−１５４６４６

従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑み、無駄なエネルギー消費を抑制した圧電素子を提供することである。
また、本発明は、堆積法により圧電体の剥離や亀裂が生じることなく、低温で均一な圧電体を形成可能な圧電素子の製造方法を提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の圧電素子は、圧電体と、前記圧電体を挟持する２つの上部電極及び下部電極と、を有する圧電素子であって、
前記圧電体と前記上部電極との間に、前記圧電体の動作領域を除いて層間絶縁体が介在し、
前記圧電体の動作領域で前記圧電体上に前記上部電極が直接積層していることを特徴としている。

本発明の圧電素子では、圧電体と上部電極との間に圧電体の動作領域を除いて層間絶縁層が介在し、圧電体の動作領域でのみ圧電体４８と上部電極が直接接触している構成としている。このため、圧電体の動作領域は、層間絶縁層によって精度良く規定される。これにより、圧電体の動作領域以外での圧電体動作が防止される。また、圧電体の動作領域周囲の層間絶縁層が介在した領域の静電容量は、下部電極及び上部電極の間に圧電体のみが挟まれた当該動作領域の静電容量に較べて小さくなる。このため、無駄なエネルギー消費が抑制できる。

本発明の圧電素子において、前記上部電極と電気的に接続される上部配線を有し、前記上部電極と前記上部配線との電気的接続領域に位置する前記層間絶縁体に開口部が設けられ、前記圧電体と前記上部電極とが前記圧電体の動作領域と共に当該開口部で電気的に接続している。

本発明の圧電素子において、前記層間絶縁体は、前記圧電体の側壁を覆うように形成させることがよい。

本発明の圧電素子において、前記層間絶縁体の比誘電率が圧電体に対して１／１０以下であることがよい。これにより、静電容量の増大を抑制することができる。

本発明の圧電素子において、前記圧電体の動作領域を除く領域で、前記上部電極及び前記下部電極とそれぞれ電気的に接続される上部配線及び下部配線を独立して有することがよい。この場合、前記上部配線と前記下部配線とは、互いに異なる階層に配設していることがよい。

本発明の圧電素子において、前記下部電極が結晶化層を含んで構成されることがよい。また、前記結晶化層は、ルテニウム酸化物で構成されることがよい。また、前記圧電体は、気相成長法又は液相成長法により形成されることがよい。

また、本発明の液滴吐出ヘッドは、上記本発明の圧電素子を有することを特徴としている。また、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、圧電素子は、碁盤目状に配列させることができる。

また、本発明の液滴吐出装置は、上記本発明の液滴吐出ヘッドを有することを特徴としている。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、
電気伝導性の結晶化層を形成して、当該結晶化層上に気相成長法又は液相成長法により堆積層を形成した後、当該結晶化層及び堆積層を描画して、結晶化層からなる下部電極及び堆積層からなる圧電体を順次形成する工程と、
前記下部電極及び前記圧電体上に層間絶縁層を形成した後、前記圧電体の動作領域と共に上部電極が配線と接続される電気的接続領域に位置する前記層間絶縁層に開口部を描画する工程と、
前記層間絶縁層上と共に当該層間絶縁層の開口部に露出した前記圧電体上に前記圧電体上に導電層を形成した後、これを描画して当該導電層からなる上部電極を形成する工程と、
を有することを特徴としている。

本発明の圧電素子の製造方法では、気相成長法又は液相成長法により堆積層を結晶化層上に形成し、これを描画して圧電体を形成するので、圧電性に必要なペロブスカイト相結晶化温度、即ちペロブスカイト結晶相を形成する為に必要な温度を上昇させることなく、しかも、ペロブスカイト相・相の混晶が生じることがなくなる。また、圧電体の剥離や亀裂も生じることがなくなる。

本発明によれば、無駄なエネルギー消費を抑制した圧電素子を提供することができる。
また、本発明は、堆積法により圧電体の剥離や亀裂が生じることなく、低温で均一な圧電体を形成可能な圧電素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明について図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には全図面通して同じ符合を付与し、重複する説明は省略する場合がある。また、以下の実施形態においては、インク（液体）の流路構成については図面も含め省略して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るインクジェット記録装置を示す概略構成図である。図２は、第１実施形態のインクジェット記録ユニットによる印字領域を示す図である。

本実施形態に係るインクジェット記録装置１０（液滴吐出装置）は、図１に示すように、用紙を送り出す用紙供給部１２と、用紙の姿勢を制御するレジ調整部１４と、インク滴（液滴）を吐出して記録媒体Ｐに画像形成する記録ヘッド部１６と、記録ヘッド部１６のメンテナンスを行なうメンテナンス部１８とを備える記録部２０と、記録部２０で画像形成された用紙を排出する排出部２２とから基本的に構成される。

用紙供給部１２は、用紙が積層されてストックされているストッカ２４と、ストッカ２４から１枚ずつ枚葉してレジ調整部１４に搬送する搬送装置２６とから構成されている。

レジ調整部１４は、ループ形成部２８と用紙の姿勢を制御するガイド部材２９が備えられており、この部分を通過することによって用紙のコシを利用してスキューが矯正されると共に搬送タイミングが制御されて記録部２０に進入する。

排出部２２は、記録部２０で画像が形成された用紙が排紙ベルト２３を介してトレイ２５に収納するものである。

記録ヘッド部１６とメンテナンス部１８の間には、記録媒体Ｐが搬送される用紙搬送路が構成されている。スターホイール１７と搬送ロール１９とで記録媒体Ｐを挟持しつつ連続的に（停止することなく）搬送する。そして、この用紙に対して、記録ヘッド部１６からインク滴が吐出され当該記録媒体Ｐに画像が形成される。

メンテナンス部１８は、インクジェット記録ユニット３０（記録ヘッド３２）に対して対向配置されるメンテナンス装置２１で構成されており、インクジェット記録ユニット３０（記録ヘッド３２）に対するキャッピングや、ワイピング、さらにダミージェットやバキューム等の処理を行うことができる。

インクジェット記録ユニット３０のそれぞれは、インクジェット記録ヘッド３２を１つ又は複数備えている。また、図示しないが、複数のインクジェット記録ヘッド３２が備えられている場合、記録ヘッド３２は用紙搬送方向と直交する方向に配置される。用紙搬送路を連続的に搬送される記録媒体Ｐに対し、記録ヘッド３２のノズル（不図示）からインク滴を吐出することで、記録媒体Ｐ上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット３０は、たとえば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、ＹＭＣＫの各色に対応して、少なくとも４つ配置されている。

また、図２に示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット３０による印字領域幅は、このインクジェット記録装置１０での画像記録が想定される記録媒体Ｐの用紙最大幅ＰＷよりも長くされており、インクジェット記録ユニット３０を紙幅方向に移動させることなく記録媒体Ｐの全幅にわたる画像記録が可能とされている（いわゆるＦｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＦＷＡ））。ここで、印字領域とは、用紙の両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅ＰＷよりも大きくとっている。これは、用紙が搬送方向に対して所定角度傾斜して（スキューして）搬送されるおそれがあること、また縁無し印字の要請が高いためである。

次に、インクジェット記録ユニット３０のインクジェット記録ヘッド３２について詳細に説明する。図３は、第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの底面図である。図４は、第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける圧電体周辺を示す部分拡大平面図である。図５は、図４のＡ−Ａ端面図である。図６は、図４のＢ−Ｂ端面図である。なお、図４中、わかり易く図示するために、共通電極４６、圧電体４８、信号配線６２は実線で示す、その他の部材は点線で示す。以下、同様である。

インクジェット記録ヘッド３２は、図３に示すように、圧電素子３４（圧電体４８）が、例えば、２５６０ｂｉｔｓ（例えば、８行×３２０列）の碁盤目状に配列されており（但し、各行の位相シフトした配置構成）、各行毎で列方向（記録媒体Ｐに沿って２１μｍシフトしている。これにより、１２００ｄｐｉの解像度を得ることができるようになっている。

２５６０ｂｉｔｓの圧電素子３４で構成される圧電体群の幅方向の両端部には、支持基板４０の長手方向に沿って、複数の駆動チップ４２が等間隔で配設されている。

そして、各圧電素子３４を構成する信号電極５０（信号配線６２）に接続された引き回し配線４４は、支持基板４０の長手方向に対して直交する方向（幅方向）へ引き回され、最終的に駆動チップ４２のパッドのピッチとの整合性を図り、電気的接続が行われる。ここで、引き回し配線４４の配線長を短くする為には、支持基板４０の幅方向で圧電素子３４を二つに分け、支持基板４０の幅方向に沿って引き回し配線４４を引き回す方が望ましい。

また、ここでは、圧電素子３４を２５６０ｂｉｔｓの碁盤目状に配列し、圧電素子３４の各行毎で列方向に沿って２１μｍシフトさせ、インクジェット記録ヘッド３２に対して記録媒体Ｐが１回通過することで、記録媒体Ｐには１２００ｄｐｉの画像が形成されることになるが、必ずしも、圧電素子３４の各行毎で列方向に沿ってシフトさせる（圧電素子３４の各行を千鳥配列させる）必要はない。

例えば、インクジェット記録ヘッド３２を搬送される記録媒体Ｐの幅方向に沿って移動可能とし、インクジェット記録ヘッド３２に対して記録媒体Ｐが１回通過する毎に、インクジェット記録ヘッド３２を相対的にシフトさせることにより、記録媒体Ｐのｎ回の通過で所望の解像度が得られるようにしても良い。

インクジェット記録ヘッド３２は、図４〜６に示すように、圧電素子３４（圧電体４８）が、２５６０ｂｉｔｓ（８行×３２０列）の碁盤目状に配列され、各行毎で列方向に沿って例えば２１μｍシフトしている。

圧電素子３４は、振動板（ダイアフラム）を有する基板５２上に設けられており、共通電極４６（下部電極）、圧電体４８、及び信号電極５０（上部電極）がこの順で積層して構成されている。図５〜６中、５２Ａはダイアフラム、５２Ｂはインク（液体）の圧力室を示す。

また、圧電体４８上表面（信号電極５０側表面）には、圧電体４８の動作領域４８Ａ（圧電体４８が圧力室内でインク（液体）に変位を与える動作領域）を除いて第１層間絶縁層５４が設けられており、当該領域を除いて第１層間絶縁層５４が圧電体４８と信号電極５０の間に介在している。また、第１層間絶縁層５４は圧電体の側壁にも延在して当該側壁を覆うと共に、圧電体４８の積層部位以外の共通電極４６をも覆って設けられている。

そして、第１層間絶縁層５４には、圧電体４８の非動作領域であって後述する信号電極５０と信号配線６２との電気的な接続領域に開口が設けられ、当該開口において圧電体４８と信号電極５０との電気的な接続を図っている。また、第１層間絶縁層５４には、圧電体４８の非動作領域であって後述する共通電極４６と共通配線６０との電気的な接続を図るための開口が設けられ、当該開口において信号配線６２を介在させて共通電極４８と共通電極４６との電気的な接続を図っている。

一方、信号電極５０表面（圧電体４８とは反対側表面）、及び後述する共通電極４６と電気的に接続される共通配線６０表面には、第２層間絶縁層５６が配設されている。また、後述する信号電極５０と電気的に接続される信号配線６２表面には、保護層５８が配設されている。但し、この保護層５８は、信号配線６２のみを被覆するようにして、圧電体４８の動作領域４８Ａを除いて配設されている。

以下、共通電極４６及び信号電極５０について説明する。共通電極４６は、各圧電体４８の行毎に形成され、３２０ｂｉｔｓの圧電体４８に対して共通化されている。そして、共通電極４６には、これとは異なる階層に配設された共通配線６０と圧電体４８の非動作領域において接続されている。この共通配線６０により、共通電極の電流密度が低減され、電極素材の劣化が予防される。また、共通配線６０は共通電極４６とは独立して設けることができ、この電極材料としてＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ等の固有抵抗値１０μΩｃｍ以下の材料を適用することで、配線抵抗を十分低下させることができる。

一方、信号電極５０は、各圧電体４８毎に形成され、それぞれ、これとは異なる階層に配設された信号配線６２と圧電体４８の非動作領域において接続されている。信号配線６２は共通電極４６とは独立して設けることができ、この電極材料としてＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ等の固有抵抗値１０μΩｃｍ以下の材料を適用することで、配線抵抗を十分低下させることができる。

図示しないが、共通配線６０及び信号配線６２は引き回されて、それぞれ第１層間絶縁層５４及び第２層間絶縁層５６に設けられた開口に設けられたパッドを通じて引き回し配線４４（図３参照）と接続され、これを介して駆動チップ４２と接続される。

なお、共通電極４６、共通配線６０及び信号配線６２は、図示しないが、それぞれ吸着層（例えば、Ｔｉ １００Å）を介して積層されている。

また、共通配線６０及び信号配線６２は、互いに異なる階層（第２層間絶縁層５６を介して積層）に設けられており、これにより、圧電体４８を碁盤目状（但し、各行の位相シフトした配置構成）に配設し高画素密度化を図ることができる。また、図示しないが、同様の観点や、配線抵抗値を低減させるため、圧電体４８における各行の信号配線６２を異なる階層に設けることもできる。

そして、共通電極４６は、結晶化層から構成されている。結晶化層としては、結晶化金属層、結晶化電気伝導性金属酸化物層（結晶化配向層）が存在する。ここで、結晶化層とは単純立方、体心立方、面心立方等の立方晶系、単純正方、体心正方等の正方晶系、単純斜方、体心斜方、一面心斜方、面心斜方等の斜方晶系、菱面体晶系、六方晶系、単純単斜、一面心単斜等の単斜晶系、三斜晶系のいずれかの結晶体を形成した薄膜を意味する。結晶化金属層とは上記結晶系何れかを形成する金属層、金属窒化物、金属珪化物、金属硼化物の何れかである。結晶化電気伝導性金属酸化物層とは、上記結晶系のいずれかを有する電気伝導性酸化物である。

以下、結晶化層の具体的な構成材料例を列挙する。
−結晶化金属層−
・貴金属（例えばＡｕ，Ａｇ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ等）
・貴金属酸化物（例えば、ＩｒＯ₂，ＲｕＯ₂等）、高融点金属（例えばα−Ｔａ（ｂｃｃ−Ｔａ），ｂｃｃ−Ｖ，ｂｃｃ−Ｎｂ，ｂｃｃ−Ｍｏ，ｂｃｃ−Ｗ，ｈｃｐ−Ｔｉ，ｈｃｐ−Ｚｒ，ｈｃｐ−Ｈｆ，ＴａＭｏ，ＴａＴｉ，ＴｉＡｌ，β−Ｔａ，ｂｃｃ−Ｔｉ，ｂｃｃ−Ｚｒ，ｂｃｃ−Ｔｉ，ｂｃｃ−Ｚｒ等）、
・金属窒化物・金属珪化物・金属硼化物（例えばＴａ₂Ｎ，ＴａＮ_0.1，ＴａＮ_0.8，ＴａＮ，Ｔａ₆Ｎ_2.57，Ｔａ₄Ｎ，
ＴａＢ₂，ＴａＢ，
ＴａＳｉ₂，Ｔａ₅Ｓｉ，β−Ｔａ₅Ｓｉ₃，α−Ｔａ₅Ｓｉ₃，Ｔａ₂Ｓｉ，Ｔａ₃Ｓｉ，Ｔａ₄Ｓｉ，Ｔａ_3.28Ｓｉ_0.72，，
ＶＮ，Ｖ₂Ｎ，Ｖ₆Ｎ_2.7，ＶＮ_0.2，ＶＮ_0.35，，ＶＢ₂，Ｖ_1.54Ｂ₅₀，
ＶＳｉ₂，Ｖ₃Ｓｉ，Ｖ₅Ｓｉ₃，
Ｎｂ₂Ｎ，ＮｂＮ，ＮｂＮ_0.95，Ｎｂ_4.62Ｎ_2.14，Ｎｂ₄Ｎ_3.92，Ｎｂ₄Ｎ₃，

ＮｂＳｉ₂，Ｎｂ₃Ｓｉ，，
ＭｏＮ，Ｍｏ₂Ｎ，
ＭｏＢ₄，Ｍｏ_0.8Ｂ₃，Ｍｏ₂Ｂ，
ＭｏＳｉ₂，Ｍｏ₅Ｓｉ₃，
ＷＮ，Ｗ₂Ｎ，
ＷＢ₄，Ｗ₂Ｂ₅，
Ｗｓｉ₂，Ｗ₅Ｓｉ₃，Ｗ₃Ｓｉ，，
ＴｉＮ，Ｔｉ₂Ｎ，ＴｉＮ_0.26，ＴｉＮ_0.30，
ＴｉＢ₂，
ＴｉＳｉ₂，ＴｉＳｉ，Ｔｉ₅Ｓｉ₄，Ｔｉ₅Ｓｉ₃，
ＺｒＮ_0.28，ＺｒＮ，
ＺｒＢ₂，
ＺｒＳｉ₂，ＺｒＳｉ，Ｚｒ₅Ｓｉ₃，
ＨｆＢ₂，ＨｆＮ_0.40，ＨｆＮ，
ＨｆＢ，
ＨｆＳｉ₂，Ｈｆ₅Ｓｉ₄，Ｈｆ₂Ｓｉ，Ｈｆ₅Ｓｉ₃，等）

−結晶化電気伝導性金属酸化物層−
ＢａＲｕＯ₃，ＳｒＲｕＯ₃，（Ｂａ，Ｓｒ）ＲｕＯ₃，ＢａＰｂＯ₃，ＬａＣｕＯ₃，ＬａＮｉＯ₃，ＬａＣｏＯ₃，ＬａＴｉＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃，ＬｕＮｉＯ₃，ＣａＶＯ₃，ＣａＩｒＯ₃，ＣａＲｕＯ₃，ＣａＦｅＯ₃，ＳｒＶＯ₃，ＳｒＣｒＯ₃，ＳｒＩｒＯ₃，ＳｒＦｅＯ₃，ＲｅＯ₃，等

これらの列挙した構成材料の中でも、電気伝導性が低く、取り扱い性が容易で特性の安定が高い観点から、ルテニウム酸化物（例えばＲｕＯ₂、ＢａＲｕＯ₃，ＳｒＲｕＯ₃，（Ｂａ，Ｓｒ）ＲｕＯ₃）が特に好適である。

なお、本実施形態では、下部電極を共通電極４６、上部電極を信号電極５０として適用した形態を説明したが、これに限定されるわけではない。即ち、下部電極を信号電極５０、上部電極を共通電極４６として適用した形態であってもよい。ここで、上部電極は公知の電極構成とすることができる。

以下、圧電体について説明する。圧電体４８は、スパッタリング法（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ゾルゲル法（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ）、水熱法（Ｈｙｄｒｏ−Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｔｈｏｄ）等の気相成長法或いは液相成長法で形成されていることがよい。この気相成長法或いは液相成長法は、従来の焼結後の圧電体を研磨・張り合わせなどによる機械的形成方法に比べ、圧電体の高密度化・高精度化・低コスト化が実現可能となる。

ここで、スパッタリング法とは、イオン衝撃によって被膜生成源の表面から被膜材料(ターゲット)を構成する原子、分子が飛び出し、周囲の物体が被膜する結果となることで、これを利用して物体表面に薄膜を形成させる方法である。また、ＣＶＤ法とは、気相の分子を加熱した基板上に流し、熱分解反応などによる生成物を基板上に蒸着させる方法である。

さらに、ソルゲル法とは、液体中に固体微粒子が均一に分散したゾル状態から微粒子間に引力相互作用が働き３次元網目構造へ発展したゲル状態を経て成膜する方法である。

また、気相成長法或いは液相成長法では、堆積時（気相成長時或いは液相成長時）に圧電体４８を結晶化させる方法と、圧電体４８の前駆体を堆積（気相成長又は液相成長）した後、熱過程により圧電体４８を結晶化させる方法がある。前者の方法により得られる圧電体４８としての結晶体は例えば５００℃以上高温雰囲気下で形成され、後者の方法により得られる圧電体４８の前駆体は例えば５００℃以下の低温雰囲気下で形成される。特に、スパッタリング法及びＭＯＣＶＤ法では高温雰囲気下の結晶成長が可能である。一方、ゾルゲル法及びエアロゾル法では、低温雰囲気下の前駆体形成後、結晶化する方法を適用することが必要である。

そして、圧電体４８は、上述した結晶化層からなる共通電極４６（下部電極）上に気相成長法或いは液相成長法により形成している。

また、圧電体４８を構成する材料としては電圧を印加した際に変形可能な公知の圧電体材料であれば特に限定されないが、例えば液滴吐出用としては、その必要とされる特性上の観点から、圧電定数が比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電体を用いることがよい。

以下、絶縁層としての第１層間絶縁層５４、第２層間絶縁層５６、保護層５８について説明する。これらの絶縁層の絶縁材料としては、絶縁性と耐気体（酸素）透過性と耐液性を有していれば特に制限はないが、特に、圧電体４８と接触する絶縁層の場合、圧電素子３４の静電容量を上昇させてしまうことがあるため、低い比誘電率を有する絶縁材料、すなわち、圧電体素材に対して例えば１／１０以下（好ましくは１〜７０、より好ましくは１〜１０）の比誘電率素材を用いることがよい。具体的には、例えば、圧電体４８の比誘電率は５００以上であり、絶縁層の比誘電率は１００以下が要求される。このような絶縁材料としては、酸化珪素（ＵＳＧ： Ｕｎ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ），窒化珪素，ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ），ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）， Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ， ＦＤＬＣ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）， 珪素酸窒化物， ＵＳＧにＣを添加したＳｉＣＯ，炭化珪素，タンタル酸化物，アルミニウム酸化物、ジルコニア酸化物，チタニウム酸化物等の無機絶縁材料が挙げられる。

以下、本実施形態に係る圧電素子の製造方法の具体的一例を示す。図７は、図５における製造工程を示す工程図である。図８は、図６における製造工程を示す工程図である。

まず、図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、ホウ素（Ｂｏｒｏｎ）を深さ４.０μｍまで拡散させた単結晶珪素３００μｍからなる基板５２の片面に、スパッタリング法によりＴｉ １００Å（図示せず）／Ｉｒ ２５００Åを堆積してＩｒからなる結晶化層４６Ａを形成した後、続けて、５５０℃雰囲気下でスパッタリング法によりＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ：比誘電率７００）からなる堆積層４８Ｂを堆積させた。

次に、図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示すように、堆積した図示しないＴｉの層と共に、結晶化層４６Ａ及び堆積層４８Ｂ（Ｉｒ／ＰＺＴ）を反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により描画し、結晶化層４６Ａからなる共通電極及び堆積層４８Ｂからなる圧電体４８を得た。本実施形態では、異なるフォトマスクを用いて上層の圧電体４８に対し、下層の共通電極４６（Ｔｉの層も含む）は１μｍ程度大きく描画している。無論、圧電体４８と共通電極４６の大きさは同じであってもよい。

ここで、図示しないＴｉは下地基板との吸着層である。なお、図中、共通電極４６は、圧電体４８の動作領域４８Ａを包含する帯状パターンに描画されているが、この限りではない。

また、圧電体４８の領域境界（端面）は基板面に対して１０〜８０°の傾斜を設けることが望ましい。８０°以上の急激な傾斜では、充分なステップ・カバリッジを得ることができず、信号電極５０と電気的接続される信号配線６２の断線を招くことがある。１０°以下の穏やかな傾斜では、圧電体４８の間隔や圧電体と共通配線６０との間隔が拡がり、圧電体４８の配列を高密度に配置することが難しくなることがある。

そして、圧電体４８の露出面（表面及び側面）、共通電極４６の露出面及び基板５２露出面に渡って、第１層間絶縁層５４としてＳｉＯ₂（比誘電率１．３） ５０００ÅをＣＶＤ法により形成する。そして、圧電体４８の動作領域４８Ａを規定するための開口５４Ａ、信号電極５０及び信号配線６２の電気的接続領域での圧電体４８と信号電極５０との電気的接続を図るためのＶｉａ領域の開口５４Ｂを、ホトリソグラフィ及びエッチングにより設ける。また、同時に、圧電体４８の非動作領域における第１層間絶縁層５４をエッチングして開口５４Ｃを設け、共通電極４６を露出させる。開口５４Ｃ（共通電極４６露出領域）には、後に、信号電極５０・共通配線６０が順次堆積・描画される。これにより、共通電極４６の配線抵抗を低減することができる。なお、開口５４Ａと開口５４Ｂとは別に設けた形態を説明したが、これらを一つの開口とすることもできる。

次に、図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）に示すように、基板５２上の全面にＩｒ ２５００Åを堆積し、反応性イオンエッチング法によりＩｒの層を描画して、Ｉｒからなる信号電極５０を形成する。これにより、信号電極５０は開口５４Ａ（圧電体４８の動作領域４８Ａ）と共に開口５４ＢＢでも圧電体４８と電気的な接続が図られる。また、開口５４Ｃに露出した共通電極４６上にも信号電極５０が形成される。

次に、図７（Ｄ）及び図８（Ｄ）に示すように、ＴｉＮｘ １００Å／Ｔｉ １００Å／Ａｌ ５０００Å／Ｔｉ １００Å／ＴｉＮｘ２００Åを堆積し描画・エッチングを行い、共通配線６０を形成すると共に信号電極５０を介して共通電極４６と電気的に接続する。

次に、図７（Ｅ）及び図８（Ｅ）に示すように、第２層間絶縁層５６として酸窒化珪素ＳｉＯｘＮｙ ５０００Åをプラズマ（Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ法により堆積し、露出している信号電極５０及び共通配線６０を覆うように形成する。そして、信号電極５０と信号配線６２との電気的接続を図るため、圧電体４８の非動作領域における第２層間絶縁層５６をエッチングして開口５６Ａを設け、信号電極５０を露出させる。ここで、信号電極５０と信号配線６２との電気的接続領域（開口５６Ａ）は、圧電体４８の非動作領域における圧電体４８と信号電極５０との電気的な接続領域（開口５４Ｂ）に位置している。

次に、図７（Ｆ）及び図８（Ｆ）に示すように、Ｔｉ １００Å／Ａｌ ７０００Åを堆積・描画し、開口５６Ａにより露出した信号電極５０上に信号配線６２を形成して信号電極５０と電気的に接続する。

なお、信号電極５０と信号配線６２の電気的接続は圧電体４８の動作領域４８Ａ近傍にて図られている。また、第２層間絶縁層５６は、共通配線６０と信号配線６２とのの層間分離を行い、両者を異なる階層に設ける為に機能している。

次に、図７（Ｇ）及び図８（Ｇ）に示すように、保護層５８として、窒化珪素ＳｉＮｘ ５０００Åをプラズマ（Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ法により堆積・描画し、信号配線６２のある領域を被覆する。

ここで、圧電体４８の動作領域４８Ａに堆積した膜は圧電体変位に束縛を与える場合がある。このため、保護層５８は、圧電体４８の動作領域４８Ａを除くように信号配線６２のある領域のみを被覆している。なお、これに限られず、保護層５８を、圧電体４８の動作領域４８Ａを含む全面を被覆するように形成することも可能である。

そして、基板５２の裏面側から、圧電体４８の動作領域４８Ａのエッチングを行い、インク（液体）の圧力室５２Ｂを形成すると共に、ホウ素が拡散された４μｍ厚みのダイアフラム５２Ａを形成する。

このようにして、圧電素子３４を形成することができる。

以上説明した本実施形態に係るインクジェット記録装置では、圧電素子３４の構成を、圧電体４８と信号電極５０との間に圧電体４８の動作領域４８Ａを除いて第１層間絶縁層５４が介在し、圧電体４８の動作領域４８Ａでのみ圧電体４８と信号電極５０が直接接触している構成としている。このため、圧電体４８の動作領域４８Ａは、第１層間絶縁層５４により、即ちその開口５４Ａ境界によって精度良く規定される。これにより、圧電体４８の動作領域４８Ａ以外での圧電体動作が防止される。また、圧電体４８の動作領域４８Ａ周囲の第１層間絶縁層５４が介在した領域の静電容量は、共通電極４６及び信号電極５０の間に圧電体４８のみが挟まれた当該動作領域４８Ａの静電容量に較べて小さくなる。このため、無駄なエネルギー消費が抑制できる。

また、圧電体４８の側壁にも第１層間絶縁層５４を覆うように形成しているため、圧電体４８の側壁と信号電極５０との電気的絶縁を十分に図られ、圧電体４８の側壁での放電・短絡が防止され、圧電体４８に印加する電場を均一化することができる。特に、作製上、共通電極４６（下部電極）・圧電体の順次堆積後、それぞれを描画し、第１層間絶縁層５４を堆積せずに信号電極５０（上部電極）を堆積・描画した場合には、５０００Åから数ｕｍ程度に厚い圧電体４８の境界近傍の信号電極５０（上部電極）をエッチングすることは難しいため、圧電体４８と信号電極５０との間に圧電体４８の動作領域４８Ａを除いて第１層間絶縁層５４を介在させ、尚且つ第１層間絶縁層５４を圧電体４８の側壁を覆うことは有効である。

また、第１層間絶縁層５４により共通電極４６（下部電極）と信号電極５０（上部電極）の電気的絶縁が図れ、圧電素子として充分な信頼性で機能することができる。同時に、第１層間絶縁層５４は圧電体４８、特にその側壁の保護層として機能し、圧電体４８の構成素材の拡散や酸素の侵入を抑制でき、圧電素子の信頼性を飛躍的に改善できる。更に、圧電体４８の動作領域４８Ａ以外の第１層間絶縁層５４の介在した領域の静電容量が減少し、素子全体の静電容量を下げることができる。

また、信号電極５０と信号配線６２との電気的接続領域（開口５６Ａ）が圧電体４８の非動作領域における圧電体４８と信号電極５０との電気的な接続領域（開口５４Ｂ）に重なるため、当該領域では圧電体・信号電極・信号配線の積層構成となり、オーミックコンタクトが実現され、確実な電気的接続を図ることができる。

本実施形態に係るインクジェット記録装置では、圧電素子３４の作製において、気相成長法又は液相成長法により圧電体４８となる堆積層４８Ｂを共通電極４６となる結晶化層４６Ａ上に形成し、これを描画して共通電極４６及び圧電体４８を形成するので、圧電性に必要なペロブスカイト相結晶化温度、即ちペロブスカイト結晶相を形成する為に必要な温度を上昇させることなく、しかも、ペロブスカイト相・相の混晶が生じることなくなる。また、圧電体の剥離や亀裂も生じることがなくなる。このため、圧電体の結晶性・配向性を損なうことなく、また、亀裂・剥離等を発生せず、低温での堆積法により圧電素子３４を得ることができる。

ここで、例えば、ＰＺＴ（ＰｂＺｒ_(1-x)Ｔｉ_xＯ₃）素材をスパッタリング法により５．０μｍ堆積し、圧電体を形成する場合、下地層として面心立方晶Ｉｒの層上では雰囲気温度５５０ｄｅｇ．において正方晶系のペロブスカイト結晶相を形成できるのに対して、下地層がＳｉＯ₂の層上では、同雰囲気温度に於いて、非晶質相、又は、ペロブスカイト相と非晶質相、又は、ペロブスカイト相とパイロクロア相の混晶系を呈してしまい、ペロブスカイト単相を成長させる為には雰囲気温度６２０ｄｅｇ．が必要であることがわかった。これにより、結晶化層上に圧電体を堆積法により形成することで、圧電体の結晶性・配向性を損なうことなく、且つ低温で圧電体を得られることがわかる。

また、上記同様に５０００Å以上の厚い圧電体を非晶質ＳｉＯ₂の層上に堆積した場合、１．０μｍ程度の亀裂の発生や、剥離が発生した。他方、下地が非晶質ＳｉＯ₂の層上に、予め、結晶化層としてＩｒを厚さ２０００Å堆積し、上記同様にその結晶化層上に５０００Å以上の厚い圧電体を堆積した場合には亀裂・剥離は発生しなかった。これにより、結晶化層上に圧電体を堆積法により形成することで、亀裂・剥離の発生も防止されることがわかる。

また、上記同様に、下地層として、厚み２０００Åのルテニウム酸化物（ＢａＲｕＯ₃，（Ｂａ，Ｓｒ）ＲｕＯ₃，ＳｒＲｕＯ₃）からなるそれぞれの結晶化層上に、雰囲気温度５５０ｄｅｇでＰＺＴ（ＰｂＺｒ_(1-x)Ｔｉ_xＯ₃）素材をスパッタリング法により５．０μｍ堆積したところ、正方晶系のペロブスカイト結晶相の圧電体を形成でき、しかも、亀裂や剥離は発生しなかった。加えて、下地層としてのルテニウム酸化物は化学的安定性が高く取り扱い性が優れ、しかも、電気伝導度が数ｍΩｃｍ〜数１０ｍΩｃｍ程度と電気伝導性が高く、圧電体を駆動するための電極として最適な特性を持つことがわかった。

以上のことから、結晶化層上に圧電体を堆積法により形成することで、圧電体の結晶性・配向性を損なうことなく、また、亀裂・剥離等を発生せず、低温での圧電素子を得られることがわかる。

なお、第１実施形態では、共通電極、圧電体、信号電極を堆積法により連続的に形成した形態を説明したが、無論、各構成部材を貼り合わせて作製することもできる。

（参考例）
図９は、参考例に係るインクジェット記録ヘッドにおける圧電体周辺を示す部分拡大平面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ端面図である。図１１は、図９のＢ−Ｂ端面図である。

本参考例に係るインクジェット記録装置は、図９〜１１に示すように、第１実施形態に係る圧電素子３４において、第１層間絶縁層５４における圧電体の非動作領域であって信号電極５０と信号配線６２との電気的な接続領域に開口を設けない形態、即ち当該電気的な接続領域では、圧電体４８と信号電極５０との電気的な接続を図らず、第１層間絶縁層を介在させた形態である。

これ以外の構成は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

以下、本参考例に係る圧電素子の製造方法の一例を示す。図１２は、図１０における製造工程を示す工程図である。図１３は、図１１における製造工程を示す工程図である。

本参考例に係る圧電素子の製造方法は、図１２及び図１３に示すように、図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）において、第１層間絶縁層５４における圧電体の非動作領域であって信号電極５０と信号配線６２との電気的な接続領域に開口を設けない、即ち第１実施形態（図７（Ｂ）及び図８（Ｂ））において信号電極５０と信号配線６２との電気的な接続領域に開口を設けないこと以外は、第１実施形態と同様である。

本参考例では、圧電体４８の非動作領域であって信号電極５０と信号配線６２との電気的な接続領域で、圧電体４８と信号電極５０との電気的な接続を図らず、第１層間絶縁層を介在させているので、第１実施形態と比べ、第１層間絶縁層５４の介在領域が増えた分静電容量が小さくなるため、無駄なエネルギーを消費することが少なくなる。

なお、本参考例では、共通電極４６（下部電極）が結晶化層の単層構造である形態を説明したが、共通電極４６（下部電極）は非晶質の層と結晶性の層（結晶化層）との積層構造であってよい（但し、当該結晶性の層（結晶化層）が圧電体堆積面となるように構成する）。

また、本参考例では、紙幅対応のＦＷＡの例について説明したが、本発明のインクジェット記録ヘッドは、これに限定されず、主走査機構と副走査機構を有するＰａｒｔｉａｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＰＷＡ）の装置にも適用することができる。

また、本参考例では、記録媒体Ｐ上へ画像（文字を含む）を記録するものであったが、本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、これに限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりする等、工業用的に用いられる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置全般に適用することができる。

第１実施形態に係るインクジェット記録装置を示す概略構成図である。 第１実施形態のインクジェット記録ユニットによる印字領域を示す図である。 第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの底面図である。 第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける圧電体周辺を示す部分拡大平面図である。 図４のＡ−Ａ端面図である。 図４のＢ−Ｂ端面図である。 図５における製造工程を示す工程図である。 図６における製造工程を示す工程図である。 参考例に係るインクジェット記録ヘッドにおける圧電体周辺を示す部分拡大平面図である。 図９のＡ−Ａ端面図である。 図９のＢ−Ｂ端面図である。 図１０における製造工程を示す工程図である。 図１１における製造工程を示す工程図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録装置
１２ 用紙供給部
１４ レジ調整部
１６ 記録ヘッド部
１７ スターホイール
１８ メンテナンス部
２０ 記録部
２１ メンテナンス装置
２２ 排出部
３０ インクジェット記録ユニット
３２ インクジェット記録ヘッド
３４ 圧電素子
４６ 共通電極
４８ 圧電体
５０ 信号電極
５２ 基板
５４ 第１層間絶縁層
５６ 第２層間絶縁層
５８ 保護層
６０ 共通配線
６２ 信号配線

Claims (12)

1. 圧電体と、前記圧電体を挟持する２つの上部電極及び下部電極と、を有する圧電素子であって、
   前記圧電体と前記上部電極との間に、前記圧電体の動作領域を除いて層間絶縁体が介在し、
   前記圧電体の動作領域で前記圧電体上に前記上部電極が直接積層し、
   前記上部電極と電気的に接続される上部配線を有し、前記上部電極と前記上部配線との電気的接続領域に位置する前記層間絶縁体に開口部が設けられ、前記圧電体と前記上部電極とが前記圧電体の動作領域と共に当該開口部で電気的に接続していることを特徴とする圧電素子。
2. 前記層間絶縁体は、前記圧電体の側壁を覆うように形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記層間絶縁体の比誘電率が圧電体に対して１／１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 前記圧電体の動作領域を除く領域で、前記上部電極及び前記下部電極とそれぞれ電気的に接続される上部配線及び下部配線を独立して有することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
5. 前記上部配線と前記下部配線とは、互いに異なる階層に配設していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
6. 前記下部電極が結晶化層を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
7. 前記結晶化層は、ルテニウム酸化物で構成されたことを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
8. 前記圧電体は、気相成長法又は液相成長法により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電素子を有する液滴吐出ヘッド。
10. 前記圧電素子は、碁盤目状に配列されていることを特徴とする請求項９に記載の液滴吐出ヘッド
11. 請求項９又は１０に記載液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置。
12. 電気伝導性の結晶化層を形成して、当該結晶化層上に気相成長法又は液相成長法により堆積層を形成した後、当該結晶化層及び堆積層を描画して、結晶化層からなる下部電極及び堆積層からなる圧電体を順次形成する工程と、
    前記下部電極及び前記圧電体上に層間絶縁層を形成した後、前記圧電体の動作領域と共に上部電極が配線と接続される電気的接続領域に位置する前記層間絶縁層に開口部を描画する工程と、
    前記層間絶縁層上と共に当該層間絶縁層の開口部に露出した前記圧電体上に前記圧電体上に導電層を形成した後、これを描画して当該導電層からなる上部電極を形成する工程と、
    を有することを特徴とする圧電素子の製造方法。

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