JP2005203761A

JP2005203761A - 圧電膜素子およびその製造方法ならびに液体吐出ヘッド

Info

Publication number: JP2005203761A
Application number: JP2004362145A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Nakanishi; 宏一郎中西
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】圧電膜を形成する工程で基体との熱膨張差による応力を低減し、応力によるクラックや膜剥がれのない高品質な圧電膜素子を製造する。
【解決手段】例えば液体吐出ヘッドの振動板となる基体１１上に、陽極化成等による多孔質シリコン等の多孔質層１２を形成し、その上に単結晶薄膜１３をエピタキシャル成長させる。単結晶薄膜１３上に、下電極１４、圧電膜１５、上電極１６を積層し、加熱処理によって圧電膜１５を単結晶化または高配向の多結晶にする。多孔質層１２を介在させることで、基体１１と圧電膜１５の間の熱膨張差による応力を緩和できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェットプリンター等液体吐出記録装置の液体吐出ヘッド、マイクロホン、スピーカーなどの発音体、各種振動子や発振子、さらには各種センサー等の駆動部などに適用される圧電膜素子およびその製造方法ならびに液体吐出ヘッドに関するものである。

圧電性を有する誘電体薄膜（圧電膜）を用いた圧電膜素子は従来より、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するエネルギー変換素子として、センサーやアクチュエーターに広く利用されてきており、特に最近の目立った応用例として、インクジェットプリンター等に搭載される液体吐出ヘッドの圧電アクチュエーターがある。

この液体吐出ヘッドの圧電アクチュエーターの圧電膜素子は、一般的に圧電膜とこの圧電膜を挟んで配置された上電極、下電極とから構成されている。圧電膜の組成としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする二成分系、またはこの二成分に第三の成分を添加した、三成分系が知られており、また、圧電膜の製法としては、スパッタ法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法などが用いられる。

特許文献１にはこのようなＰＺＴを主成分とする圧電膜、およびインクジェット式記録ヘッドが開示されている。

図５は、特許文献１において開示された一般的な圧電膜素子の膜構成を示すもので、この圧電膜素子は、基体であるシリコン基板１０１、シリコン熱酸化膜１０２、下電極１０３、圧電膜１０４、上電極１０５を有し、上、下電極１０３、１０５と圧電膜１０４の間にはそれぞれ密着層１０３ａ、１０５ａが設けられる。

近年のインクジェット式プリンターは写真に迫る画質を達成しているが、より一層の画質の向上や、印刷速度の向上を求める消費者のニーズはさらに大きくなっており、液体吐出記録装置の圧電アクチュエーターには、より大きな変位量とともに、低電力化、小型化が求められており、このため、より高い圧電特性を有する圧電膜の開発が望まれている。

圧電膜において良好な圧電定数を得るためには通常５００℃から７００℃以上で熱処理を行う必要があるが、従来の圧電膜素子においては、図５に示したようにシリコン基板、圧電膜、下電極、上電極など熱膨張係数の異なる物質の積層構造となっており、上述の加熱工程によって熱膨張の差に基づく応力が発生し、これによって圧電膜の圧電性の低下やクラックの発生などを引き起こしていた。基体として、圧電膜と同等の熱膨張係数をもつ材料を用いれば圧電膜への応力は低減できるが、使用できる基板材料、作製プロセスが極めて限定されるという問題点がある。また、基体の厚さを圧電膜と概略同等あるいはそれ以下の厚みにしても応力は低減できるが、数μｍから数十μｍの厚みとなるため、ハンドリングが極めて困難になり、不可能とはいわないまでも現実的ではない。

応力緩和の一案として、特許文献２においては、下電極を二層以上の金属膜とし、第１層目の金属膜粒子を第２層目の金属膜粒子より小さくする構造が提案されている。この構成により、下電極が基板の反りと反対方向の反りを与えるため、圧電膜への応力を小さくできるとしている。
特開平０８−０７８７４８号特開平１０−０９５１１１号

しかしながら、上記特許文献２に開示された膜構成では、少なくとも圧電膜をアクチュエーターとして使用する際には下電極の厚みを圧電膜と同等以下にする必要があり、通常は０．５μｍ以下である。これに対して基板の厚みは通常４００μｍ以上であり、下電極によって基板の熱歪みの影響を低減する効果は小さいものであると思われる。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、圧電膜素子の基体と圧電膜との間に多孔質層を介在させることで、基体との熱膨張の差などによって発生する応力を低減し、製造工程における圧電膜の性能劣化および剥がれやクラック等の発生を抑えて、液体吐出ヘッド等の高性能かつ高密度化、低価格化等に貢献できる圧電膜素子およびその製造方法ならびに液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の圧電膜素子は、基体と、該基体上に形成された多孔質層と、該多孔質層上に形成された単結晶または単一配向性の薄膜と、該薄膜上に形成された圧電膜と、を有することを特徴とする。

前記基体がシリコンからなり、前記多孔質層が多孔質シリコンからなるとよい。

前記圧電膜と前記薄膜との間に酸化膜層が介在するとよい。

本発明の圧電膜素子の製造方法は、基体上に多孔質層を形成する多孔質形成工程と、前記多孔質層上に単結晶または単一配向性の薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、前記薄膜上に圧電膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。

前記多孔質形成工程が、基体の表面の陽極化成によって多孔質層を形成する工程であるとよい。

前記圧電膜と前記薄膜との間に導電層を設けるとよい。

本発明の液体吐出ヘッドは、圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧して吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧力発生室が設けられた流路基板と、該流路基板に前記圧力発生室に対応するように設けられた振動板と、該振動板上に形成された多孔質層と、該多孔質層上に形成された単結晶または単一配向性の薄膜と、該薄膜上に形成された圧電膜と、該圧電膜に電力を供給する電極と、を有することを特徴とする。

圧電膜を単結晶化または高配向の多結晶にするための単結晶または単一配向性の薄膜は、基体上の多孔質層を介して積層された膜であり、単結晶または単一配向性の薄膜の厚さを圧電膜と同等の厚さにできる。加えて、多孔質層が応力緩和層として機能するため、基体からの拘束が弱まり、熱膨張係数の差によって圧電膜に発生する応力を大幅に低減し、高品質な圧電膜を得ることができる。

単結晶または単一配向性の薄膜がシリコンであり、多孔質層が多孔質シリコンであり、基体がシリコンであれば、半導体材料、またＭＥＭＳの材料として広く研究され、利用されてきたシリコンを用いることにより、低コスト化を促進できる。また、加工法も広く検討されており、多種多様な加工法を選ぶことができる。

圧電膜と単結晶または単一配向性の薄膜との間に設けられる酸化膜層は、圧電膜を熱処理する際の相互拡散の防止層として有用である。特に圧電材料として、鉛などの拡散しやすい元素を含むものを使用する際に好適である。

また、酸化膜層として配向性の高い膜または単結晶酸化膜を用いると、圧電膜として単結晶を用いる場合に好適である。この酸化膜層に導電性酸化膜を用いて電極とする形態も好ましい。圧電膜が鉛、チタン、ジルコニウムのいずれかもしくは全てを含む圧電膜であれば、すぐれた圧電性能を有する圧電膜を得ることができる。

このように、多孔質層上に単結晶または単一配向性の薄膜を形成し、単結晶または単一配向性の薄膜上に圧電膜を配設することで、圧電膜への応力を低減し、低応力で高性能な圧電膜の形成が可能となる。

多孔質層を形成する方法が陽極化成によるものであれば、所望の密度の多孔質を形成することが可能である。

このように低応力で安定して製造される高品質な圧電膜を用いることで、液体吐出ヘッド等の高精細化や低コスト化等に貢献できる。

図１は第１の実施の形態による圧電膜素子の膜構成を示すもので、単結晶基体１１上に、多孔質層１２が形成され、多孔質層１２上に単結晶または単一配向性の薄膜（以下、「単結晶薄膜」と称する）１３が成膜され、その上に下電極１４、圧電膜１５、上電極１６が順次積層される。

図２は第２の実施の形態による圧電膜素子の膜構成を示すもので、単結晶薄膜１３と下電極１４の間に拡散防止のための酸化膜層２３が設けられる。基体１１、多孔質層１２、単結晶薄膜１３、圧電膜１５と電極手段である上下電極１６、１４については第１の実施の形態と同様であるから同一符号で表わし、説明は省略する。

次に、図３に基づいて図１の圧電膜素子の作製工程を説明する。まず図３の（ａ）に示すように、基体１１上に多孔質層１２を形成する。多孔質層１２の形成方法としては、陽極化成法やゾルゲル法などを用いることができる。多孔質層１２の材料としては、多孔質シリコン、多孔質ガリウム砒素、多孔質アルミナ、多孔質酸化チタンなどを用いることができる。また、カーボンまたは未焼結性のセラミックスを含有する材料から構成することもできる。多孔質層１２の厚さとしては数μｍ〜数十μｍ程度で充分である。

次に図３の（ｂ）に示すように、多孔質層１２上にエピタキシャル成長によって単結晶薄膜１３を形成する。単結晶薄膜１３の膜厚は、圧電膜１５の材料、膜厚を考慮して、決定するが、圧電膜１５の膜厚と概略同程度以下、好ましくは２μｍ以下である。この時のエピタキシャル成長法としてはＣＶＤ法やＰＶＤ法などを用いることができる。また、別基板にエピタキシャル成長によって積層された単結晶を多孔質層１２に接合して単結晶薄膜１３としてもよい。

また、図２に示すように、単結晶薄膜１３上に酸化膜層２３が形成されていると、拡散しやすい元素を用いる場合の拡散を防止することができる。また、圧電膜１５として配向性の高い膜や、単結晶膜を用いるときに好適である。酸化膜層２３の材料としては、ＳｉＯ₂や、ＹＳＺ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬａＡｌＯ₃、Ｉｒ₂Ｏ₃、ＳＲＯ、ＳＴＯなどを用いることができる。

単結晶薄膜１３を形成した後、図３の（ｃ）に示すように、下電極１４、圧電膜１５、上電極１６を順に形成する。下電極１４としては例えばＴｉ膜と白金膜などのような密着層と金属層の組み合わせや、Ｉｒ₂Ｏ₃などの導電性酸化物結晶などを用いることができるが、圧電膜１５の材料、作製方法を考慮して、好ましい材料を選択する。

下電極１４を形成した後、圧電膜１５を形成する。圧電膜１５の材料としては例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、あるいはそれらにＭｎ、Ｎｂ、Ｌａ、Ｇｅ等の元素を添加したものでもよい。また、単結晶であっても多結晶であってもよい。圧電膜１５の形成方法としては、スパッタ法、ゾルゲル法、水熱合成法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、ガスデポジション法などを用いることができる。圧電膜１５の形成後、上電極１６を形成する。上電極１６の材料としては下電極１４と同様なものを用いることができる。

図４は、図１の圧電膜素子を搭載する液体吐出ヘッドの構成を示す。図４の（ａ）に示すように、流路基板であるＳｉ基板からなる本体部１は、吐出口２、圧力発生室３、共通液室４等となる溝を有し、本体部１の上部開口を塞ぐように、圧電膜素子の基体１１が接合され、圧電膜１５および上電極１６は、同図の（ｂ）に示す圧力発生室３の形状に従ってパターニングされる。圧電膜素子の下電極１４、上電極１６に駆動電力を供給することで圧電膜１５に変形歪みを発生させ、振動板である基体１１を介して圧力発生室３内の液体を加圧し、吐出口２から吐出する。

本実施例は、図１の膜構成の圧電膜素子において、シリコン基体上に多孔質シリコンを形成し、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させた上に多結晶のＰＺＴを形成したものである。まず図３の（ａ）に示すように、基体１１として、厚さ６２５μｍの５インチｐ型（１００）単結晶シリコン基板を用い、４９％ＨＦ溶液中において陽極化成を行い、多孔質層１２となる多孔質シリコン層を形成した。電流密度を１００ｍＡ／ｃｍ²とした時の多孔質化速度は８．４μｍ／ｍｉｎであり、約２．５分間陽極化成を行って２０μｍの厚みの多孔質層を得た。次に図３の（ｂ）に示すように、多孔質層１２の上にＣＶＤ法により単結晶シリコンを２μｍエピタキシャル成長し、シリコンの単結晶薄膜１３とした。エピタキシャル成長条件は以下の通りである。

使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｈ₂
ガス流量：０．６２／１４０（１／ｍｉｎ）
温度：７５０℃
圧力：１０６４０Ｐａ
成長レート：０．１２μｍ／ｍｉｎ

次に、拡散防止のために、水蒸気雰囲気中で１１００℃の熱処理を行い、エピタキシャル層である単結晶薄膜１３上に０．１μｍ厚さの図示しない熱酸化膜を形成した。

続いて、図３の（ｃ）に示すように、下電極１４、圧電膜１５、上電極１６を順次形成した。まず、下電極１４としてＴｉを４ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ、スパッタ法により順次積層した。スパッタ条件は以下の通りである。

ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
ＲＦパワー：３００Ｗ
スパッタ圧力：０．６７Ｐａ
Ａｒ流量：３０ｓｃｃｍ

この条件において、Ｔｉの成膜レートは略４．８ｎｍ／ｍｉｎであり、Ｐｔの成膜レートは略１４ｎｍ／ｍｉｎであった。次にＰＺＴをスパッタ法により略３μｍ成膜した。ＰＺＴのスパッタ条件を以下に示す。

ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
ＲＦパワー：２００Ｗ
スパッタ圧力：３Ｐａ
Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ

この条件におけるＰＺＴの成膜レートは略５．５ｎｍ／ｍｉｎであった。スパッタ法で成膜した後、酸素雰囲気中で７００℃の熱処理を５時間行い、圧電膜１５を形成した。この圧電性を有するＰＺＴ膜をＸ線回折で評価したところ、高配向の多結晶であることが確認された。最後にＴｉを４ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ、スパッタ法によって順に積層し、上電極１６とした。スパッタ条件は下電極１４と同じである。

本実施例は、図２に示す膜構成の圧電膜素子において、シリコン基体上に多孔質シリコンを形成し、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させた上に単結晶のＰＺＴを形成したものである。図２における基体１１は、６２５μｍ厚の５インチｐ型（１００）シリコン、多孔質層１２は多孔質シリコン、単結晶薄膜１３はエピタキシャル成長された単結晶シリコン、下電極１４は導電性酸化物単結晶、圧電膜１５は単結晶ＰＺＴ、その上に上電極１６が形成される。

実施例１と同様に、ｐ型シリコンの基体１１をＨＦ溶液中で陽極化成し、多孔質シリコンからなる多孔質層１２を形成した。多孔質シリコン層の厚み、陽極化成の条件は実施例１と同じである。次に実施例１と同様にして厚さ２μｍのエピタキシャル単結晶（１００）シリコン膜からなる単結晶膜１３を形成した。次に酸化膜層２３として（１００）ＹＳＺを８００℃でスパッタ成膜し、４０℃以上の冷却速度で冷却し、単結晶ＹＳＺを０．３μｍ形成した。

その後、下電極１４としてスパッタ法により（１１１）Ｐｔを０．５μｍ形成し、その上に（１１１）ＰＴ、（１１１）ＰＺＴを順次６００℃で形成し、３．５μｍの厚さの圧電膜１５とした。また、このとき、（１００）ＹＳＺからなる酸化膜層２３とエピタキシャル単結晶（１００）シリコン膜からなる単結晶薄膜１３の界面には０．０２μｍのＳｉＯ₂が形成されていた。また、Ｘ線回折法によって圧電膜１５の結晶性を調べたところ、（１１１）配向が９９％以上の単結晶ＰＺＴであることを確認した。最後に上電極１６として、Ｔｉを４ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ、スパッタ法によって積層した。

上記の実施例１および実施例２において、基体上に形成された多孔質層を介在させることで、基体との熱膨張係数の違いなどによって圧電膜に発生する応力が低減され、製造工程における圧電膜の剥がれやクラックの発生等を効果的に回避して、すぐれた圧電特性を有する圧電膜素子を高密度で安定して製造できる。このような圧電膜素子を圧電アクチュエーターとして搭載することで、液体吐出ヘッドの高性能化、高精細化、低価格化に貢献できる。

第１の実施の形態による圧電膜素子の膜構成を示す図である。第２の実施の形態による圧電膜素子の膜構成を示す図である。図１の圧電膜素子の製造工程を説明する工程図である。液体吐出ヘッドの主要部を示すもので、（ａ）はその模式部分断面図、（ｂ）は圧力発生室等のパターンを示す平面図である。一従来例による圧電膜素子の膜構成を示す図である。

符号の説明

１本体部
２吐出口
３圧力発生室
４共通液室
１１基体
１２多孔質層
１３単結晶薄膜
１４下電極
１５圧電膜
１６上電極
２３酸化膜層

Claims

基体と、該基体上に形成された多孔質層と、該多孔質層上に形成された単結晶または単一配向性の薄膜と、該薄膜上に形成された圧電膜と、を有することを特徴とする圧電膜素子。
前記基体がシリコンからなり、前記多孔質層が多孔質シリコンからなることを特徴とする請求項１記載の圧電膜素子。
前記圧電膜と前記薄膜との間に酸化膜層が介在することを特徴とする請求項１記載の圧電膜素子。
基体上に多孔質層を形成する多孔質形成工程と、
前記多孔質層上に単結晶または単一配向性の薄膜をエピタキシャル成長させる工程と、
前記薄膜上に圧電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする圧電膜素子の製造方法。
前記多孔質形成工程が、基体の表面の陽極化成によって多孔質層を形成する工程であることを特徴とする請求項４記載の圧電膜素子の製造方法。
前記圧電膜と前記薄膜との間に導電層を設けることを特徴とする請求項４記載の圧電膜素子の製造方法。
圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧して吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧力発生室が設けられた流路基板と、該流路基板に前記圧力発生室に対応するように設けられた振動板と、該振動板上に形成された多孔質層と、該多孔質層上に形成された単結晶または単一配向性の薄膜と、該薄膜上に形成された圧電膜と、該圧電膜に電力を供給する電極と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。