JP2006261412A - 圧電素子及びその製造方法並びに圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 圧電体層の特性を向上でき且つ圧電体層の特性を均一化できる圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】 基板上に設けられた面方位（１００）の下電極６０と、下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０と、圧電体層７０上に設けられた上電極８０とからなり、且つ圧電体層７０内部の下電極６０との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が圧電体層７０の他の領域よりも多い所定厚さのバッファ層７１が存在するようにする。
【選択図】 図２
【解決手段】 基板上に設けられた面方位（１００）の下電極６０と、下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０と、圧電体層７０上に設けられた上電極８０とからなり、且つ圧電体層７０内部の下電極６０との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が圧電体層７０の他の領域よりも多い所定厚さのバッファ層７１が存在するようにする。
【選択図】 図２
Description
本発明は、エピタキシャル成長によって形成される圧電体層を具備する圧電素子及びその製造方法並びにこの圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
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膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体膜は、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。また、このような圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、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、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けることによって圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
印刷品質を向上するために、このような圧電素子の配列の高密度化が図られてきているが、近年、さらなる高密度化が望まれている。しかしながら、圧電素子の超高密度化を図ろうとすると、これに伴って圧電素子を小型化する必要があり、小型化した圧電素子では、所定の変位量が得られないという問題がある。このため、比較的小さな駆動電圧でも大きな変形を得ることができる圧電素子が要望されている。
このような要望に対し、例えば、シリコン基板上にエピタキシャル成長したバッファ層と、バッファ層上にエピタキシャル成長した下部電極と、下部電極上にエピタキシャル成長した強誘電体薄膜（圧電体層）と、強誘電体薄膜上に形成された上部電極とで圧電素子を構成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。このように強誘電体薄膜がエピタキシャル成長により形成された圧電素子では、圧電特性が向上するため、比較的小さな駆動電圧であっても、ある程度の変位量を得ることはできる。
しかしながら、この特許文献１に記載の強誘電体薄膜は、エピタキシャル成長により形成された下部電極上にエピタキシャル成長によって形成されている。すなわち、結晶化された下部電極上に強誘電体薄膜が形成されているため、強誘電体薄膜の結晶は、下部電極の結晶の結晶性と整合性を保つように成長する。このため、強誘電体薄膜の結晶粒径は、下部電極の結晶粒径に拘束されてしまい、所望の結晶粒径を得ることは難しい。その結果、強誘電体薄膜の圧電特性は向上することができるものの、耐久性に劣るという問題がある。例えば、圧電素子としての実使用においては強誘電体薄膜の歪と下部電極の歪の不整合を要因とする応力により、強誘電体薄膜にクラックが発生したり、強誘電体薄膜と下部電極とで剥離が生じたりする等の問題が生じる虞がある。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、他の液体噴射ヘッドにおいても同様に発生する。
本発明は、このような事情に鑑み、圧電体層の圧電特性が向上すると共に耐久性を大幅に向上した圧電素子及びその製造方法並びにその圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、基板上に設けられた面方位（１００）の下電極と、該下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記圧電体層内部の前記下電極との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が当該圧電体層の他の領域よりも多い所定厚さのバッファ層が存在することを特徴とする圧電素子にある。
かかる第１の態様では、圧電体層の圧電特性が向上すると共に圧電素子の耐久性が大幅に向上する。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子が得られる。
かかる第１の態様では、圧電体層の圧電特性が向上すると共に圧電素子の耐久性が大幅に向上する。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子が得られる。
本発明の第２の態様は、基板上に設けられた面方位（１００）の下電極と、該下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記圧電体層内部の前記下電極との境界部分に、チタン酸ジルコン酸鉛の構成元素以外の金属元素、又は半金属元素をさらに含む所定厚さのバッファ層が存在することを特徴とする圧電素子にある。
かかる第２の態様では、圧電体層の圧電特性が向上すると共に圧電素子の耐久性が大幅に向上する。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子が得られる。
かかる第２の態様では、圧電体層の圧電特性が向上すると共に圧電素子の耐久性が大幅に向上する。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子が得られる。
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記金属元素が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）及びビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも一種であり、前記半金属元素が、シリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第３の態様では、バッファ層に、所定の金属元素又は半金属元素が含まれていることで、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
かかる第３の態様では、バッファ層に、所定の金属元素又は半金属元素が含まれていることで、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記バッファ層は、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が前記圧電体層の他の領域よりも多いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる第４の態様では、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
かかる第４の態様では、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記バッファ層の厚さが０．５〜２０ｎｍであることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第５の態様では、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
かかる第５の態様では、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性がより確実に向上する。
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、液滴を吐出させるノズルを超高密度に配列しても、圧電素子の駆動により各ノズルから液滴を継続的かつ良好に吐出させることができる。
かかる第６の態様では、液滴を吐出させるノズルを超高密度に配列しても、圧電素子の駆動により各ノズルから液滴を継続的かつ良好に吐出させることができる。
本発明の第７の態様は、第６の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第７の態様では、信頼性及び耐久性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
かかる第７の態様では、信頼性及び耐久性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
本発明の第８の態様は、基板上に面方位（１００）の下電極を形成する工程と、前記基板の少なくとも前記下電極上に、金属材料又は半金属材料のアモルファス酸化物からなる酸化膜を形成する工程と、前記下電極膜上にこの酸化膜を介してチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層をエピタキシャル成長によって形成する工程と、前記圧電体層上に上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にある。
かかる第８の態様では、このように圧電素子を製造した結果、圧電体層内部の下電極膜との境界部分には、酸化膜に含まれる金属材料又は半金属材料を含むバッファ層が形成される。そして、このように圧電体層を形成することで、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性を大幅に向上させることができる。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子を製造することができる。
かかる第８の態様では、このように圧電素子を製造した結果、圧電体層内部の下電極膜との境界部分には、酸化膜に含まれる金属材料又は半金属材料を含むバッファ層が形成される。そして、このように圧電体層を形成することで、圧電体層の圧電特性と共に圧電素子の耐久性を大幅に向上させることができる。したがって、圧電素子を高密度に配列した場合でも、剥離や割れ等が生じることなく良好な変位を継続的に生ずる圧電素子を製造することができる。
本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記金属材料が、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）及びビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも一種からなり、前記半金属材料が、シリコン（Ｓｉ）からなることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第９の態様では、酸化膜が、所定の金属材料又は半金属材料のアモルファス酸化物からなるようにすることで、圧電体層の圧電特性及び圧電素子の耐久性をより確実に向上させることができる。なお、金属材料がジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）である場合、バッファ層は、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が圧電体層の他の領域よりも多く含む層となる。
かかる第９の態様では、酸化膜が、所定の金属材料又は半金属材料のアモルファス酸化物からなるようにすることで、圧電体層の圧電特性及び圧電素子の耐久性をより確実に向上させることができる。なお、金属材料がジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）である場合、バッファ層は、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が圧電体層の他の領域よりも多く含む層となる。
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概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ′断面図である。
（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概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び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、その一方面には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。なお、この弾性膜５０は、本実施形態では、シリコン単結晶板である流路形成基板１０を熱酸化することにより形成した酸化シリコンからなるアモルファス（非晶質）膜であり、流路形成基板１０の表面状態をそのまま維持した平滑な表面状態を有している。
この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板をその一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が幅方向に並設されている。また、その長手方向外側には、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。なお、このインク供給路１４の幅は、本実施形態では、圧力発生室１２の幅よりも小さくなっている。
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とは反対側で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を介して固着されている。
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、少なくとも後述する下電極膜６０の下側に、この下電極膜６０の結晶配向を制御するための配向制御層５５が形成されている。この配向制御層５５は、本実施形態では、例えば、ペロヴスカイト又は酸化金属等からなり、厚さが２〜１０ｎｍ程度の配向制御層５５が形成されている。このようなペロヴスカイトは、例えば、ＭＯＤ法やゾル−ゲル法によりその前駆体を塗布し、乾燥、焼成することにより形成することができ、アモルファス膜である弾性膜５０上に自由成長して（１００）配向の膜として形成される。また、酸化金属は、例えば、スパッタリング法等により形成される。
このような配向制御層５５は、（１００）配向の膜となり、下層の弾性膜５０の表面が平滑であれば、配向の揺らぎが著しく少なく、その上に形成される下電極膜の配向を有効に制御するものとなる。また、特に、表面（上面）側から自由成長するペロヴスカイトは、下層の弾性膜５０の表面平滑性の影響を受け難くなるので、その上に形成される下電極膜の配向を制御するものとして、特に好ましい。
なお、ペロヴスカイトとしては、例えば、ＫＮｂＯ３、ＢａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＳｒＣｅＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴａＯ３、ＣａＴｉＯ３等を挙げることができるが、勿論、これに限定されるものではない。また、この中では、ＢａＴｉＯ３は、表面（上面）側から自由成長するので、特に好ましい。また、酸化金属としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を挙げることができる。勿論、配向制御層５５の材料は、下電極膜６０が（１００）配向となるように制御できるものであれば、特に限定されない。
また、本実施形態では、配向制御層５５が、弾性膜５０上に直接形成されているが、アモルファスで表面状態を維持できるという条件を満たせば、弾性膜５０上に、例えば、酸化ジルコニウム等からなる他の層を設け、その上に配向制御層５５が形成されていてもよい。また、配向制御層５５が表面（上面）側から結晶化して下層である弾性膜５０の表面平滑性の影響を大きく受けないものであれば、配向制御層５５の結晶配向に影響を与えないという条件で、弾性膜５０上に他の層が設けられていてもよい。
このような配向制御層５５の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。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は圧電素子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。何れの場合においても、圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。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圧電アクチュエータと称する。
なお、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極８５がそれぞれ接続されている。このリード電極８５は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上にそれぞれ延設されて後述する駆動ＩＣと接続されている。
ここで、下電極膜６０は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）等の金属材料で形成されている。また、下電極膜６０は、これらの金属材料からなる複数の層を積層したものであってもよい。なお、積層した場合には、後のプロセスにより、結果的に混合層となってもよい。例えば、本実施形態では、イリジウム（Ｉｒ）を用いて下電極膜６０を形成している。そして、このような下電極膜６０は、（１００）配向の配向制御層５５により配向制御されて（１００）配向となっている。特に、配向制御層５５の格子定数が下電極膜６０のそれと近いと、下電極膜６０はエピタキシャル成長し、ほぼ完全に配向制御されて（１００）配向となる。
また、圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）からなる強誘電体薄膜であり、下電極膜６０上にエピタキシャル成長によって形成されている。そして、このように結晶がエピタキシャル成長した圧電体層７０は、下地である下電極膜６０の拘束を受けて結晶化しているため、下電極膜６０と同様に（１００）配向となっている。
ここで、このような圧電体層７０内部の下電極膜６０との境界部分には、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が、圧電体層７０の他の領域よりも多いバッファ層７１が、０．５〜２０ｎｍ程度の厚さで存在している。例えば、本実施形態では、ジルコニウム（Ｚｒ）の含有量が他の領域よりも多いバッファ層７１が、約１０ｎｍ程度の厚さで存在している。なお、詳しくは後述するが、圧電体層７０は、下電極膜６０上に、アモルファス酸化物からなる酸化膜を介して形成され、その結果、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、このようなバッファ層７１が形成される。
そして、このようなバッファ層７１が存在する圧電体層７０は、下電極膜６０上に良好にエピタキシャル成長して形成されているため、圧電体層７０の結晶性が大幅に向上している。したがって、圧電体層７０の変位特性が大幅に向上し、例えば、圧電素子３００を、６００ｄｐｉ程度と高密度に配列した場合でも、圧電素子３００の駆動により振動板を良好に変形させることができる。さらに、圧電体層７０の結晶粒径をｎｍオーダーで制御でき、圧電体層７０の歪と下電極６０の歪の不整合から生じる応力を圧電体層７０の結晶粒界で緩和することができる。したがって、圧電体層７０の剥がれやクラックの発生を防止することができ、信頼性に優れた圧電素子３００が得られる。
なお、このような圧電素子３００が設けられた側の流路形成基板１０上には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に形成されている。また、保護基板３０には、各圧力発生室１２に共通するリザーバ９０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されてリザーバ９０を構成している。
さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間には、この保護基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３３が設けられている。また、保護基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側の表面には、各圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ３４が実装されている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極８５は、接続孔３３まで延設されており、図示しないが、例えば、ワイヤボンディング等からなる接続配線を介して駆動ＩＣ３４と接続されている。
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９０に対向する領域には、厚さ方向に完全に除去された開口部４３が形成され、リザーバ９０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。
なお、このような液体噴射ヘッドは、図示しない外部液体供給手段から液体を取り込み、リザーバ９０からノズル開口２１に至るまで内部を液体で満たした後、図示しない駆動回路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から液滴が吐出する。
ここで、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６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、圧力発生室１２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膜５１を形成する。なお、上述したように、この二酸化シリコン膜５１は、アモルファス膜である。また、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。
次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に配向制御層５５を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、スパッタリング法により、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる（１００）配向の配向制御層５５を、５ｎｍ程度の厚さで形成した。次いで、図３（ｃ）に示すように、配向制御層５５上に下電極膜６０を形成する。例えば、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、スパッタリング法によってイリジウム（Ｉｒ）からなる金属層６１を形成し、その後、この金属層６１を所定形状にパターニングすることによって下電極膜６０を形成した。このように形成された下電極膜６０は、上述したようにエピタキシャル成長により形成され、配向制御層５５によって配向制御されて（１００）配向となる。
次に、図３（ｄ）に示すように、この下電極膜６０上に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）のアモルファス酸化物からなる酸化膜６５を形成する。例えば、本実施形態では、スパッタリング法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℃程度の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる酸化膜６５を形成している。なお、この酸化膜６５の厚さは、成膜温度特に限定されないが、例えば、０．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚さであることが好ましく、本実施形態では、１０ｎｍ程度としている。
次いで、図４（ａ）に示すように、この酸化膜６５上に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）からなる圧電体層７０を形成する。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・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を形成した。
ここで、酸化膜６５はアモルファス膜であるため、酸化膜６５が圧電体層７０の結晶成長に影響を及ぼすことはなく、圧電体層７０は酸化膜６５の下側の下電極膜６０の拘束を受けて結晶化する。実際には、圧電体層７０が結晶化する際に、酸化膜６５も同時に結晶化し、結果的に、エピタキシャル成長した圧電体層７０が下電極膜６０上に形成される。より具体的には、圧電体層７０が結晶化される際、酸化膜６５に圧電体層７０が拡散（混合）し、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）の含有量が他の領域よりも多いバッファ層７１が形成される。この結果、下電極膜６０上には、バッファ層７１を有する圧電体層７０が形成される。そして、このように形成された圧電体層７０の結晶は、下電極膜６０と同様に、面方位（１００）に配向する。
また、このように圧電体層７０を形成した後は、酸化膜６５が単独の層として存在していないようにする。すなわち、酸化膜６５が存在しなくなる条件で圧電体層７０を形成する。酸化膜６５は誘電率が低いため、残っていると圧電素子３００の変位量が低下してしまうからである。
そしてこのような方法で圧電体層７０を形成し、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在するようにすることで、圧電体層７０の結晶を下電極膜６０上に良好にエピタキシャル成長させることができる。したがって、下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在する圧電体層７０は、圧電特性が大幅に向上し且つ結晶性も大幅に向上する。また、このようなバッファ層７１が存在する圧電体層７０の結晶粒径は、製造条件等によってナノメートルオーダー、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲で制御することができる。これにより、圧電体層７０の歪と下電極膜６０の歪の不整合から生じる応力を圧電体層７０の結晶粒界で緩和することができ、圧電体層７０の剥がれやクラックの発生等を防止することができる。例えば、圧電素子３００を、６００ｄｐｉ程度と超高密度に配列した場合でも、圧電体層７０の剥がれ等を生じさせることなく、且つ圧電素子３００の変位によって振動板を良好に変形させることができる。
さらに、下電極膜６０と圧電体層７０とは格子定数が異なるため、下電極膜６０上に圧電体層７０を直接形成した場合、ミスフィットにより圧電体層７０の結晶が良好に成長しない虞がある。しかしながら、圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在することで、下電極膜６０と圧電体層７０とのミスフィットが緩和され、圧電体層７０の結晶が良好にエピタキシャル成長するという効果もある。
なお、本実施形態では、圧電体層７０をゾル−ゲル法によって成膜するようにしたが、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＯＤ法等であってもよい。
また、このように圧電体層７０を形成した後は、図４（ｂ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図４（ｃ）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。次いで、図５（ａ）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）等からなる金属層８６を形成し、その後、この金属層８６を圧電素子３００毎にパターニングすることによりリード電極８５を形成する。
次に、図５（ｂ）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、例えば、厚さが４００ｎｍ程度のシリコンウェハからなり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接合する。次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
なお、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インクジェット式記録ヘッドとする。
（実施形態２）
本実施形態は、バッファ層７１の他の例であり、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、ジルコニア又はチタンの含有量が圧電体層７０の他の領域より多いバッファ層７１の替わりに、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の構成元素以外の金属元素、又は半金属元素をさらに含むバッファ層７１が存在するようにした以外は、実施形態１と同様である。
本実施形態は、バッファ層７１の他の例であり、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０の下電極膜６０との境界部分に、ジルコニア又はチタンの含有量が圧電体層７０の他の領域より多いバッファ層７１の替わりに、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の構成元素以外の金属元素、又は半金属元素をさらに含むバッファ層７１が存在するようにした以外は、実施形態１と同様である。
ここで、バッファ層７１に含まれる金属元素としては、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）及びビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。また、半金属元素としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）であることが好ましい。
また、このような本実施形態のバッファ層７１が存在する圧電体層７０も実施形態１と同様にして形成される。すなわち、下電極膜６０上に、例えば、上記のような金属材料又は半金属材料の酸化物からなる酸化膜６５を形成し、その後、この酸化膜６５を介して下電極膜６０上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０を形成する。これにより、下電極膜６０との境界部分にバッファ層７１が存在する圧電体層７０が形成される。
そして、このような本実施形態の構成においても、実施形態１と同様に、圧電体層７０の圧電特性、結晶性等を大幅に向上することができ、信頼性に優れた圧電素子３００が得られる。
なお、バッファ層７１には、複数種類の金属元素等が含まれていてもよいことは言うまでもない。また、バッファ層７１には、ジルコニア又はチタンが圧電体層７０の他の領域より多く含まれ且つ上記のような金属材料又は半金属材料がさらに含まれていてもよい。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。また、このような本発明の液体噴射ヘッドは、液体カートリッジ等と連通する液体流路を具備する噴射ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置に搭載される。図７は、その液体噴射装置の一例を示す概略図である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。また、このような本発明の液体噴射ヘッドは、液体カートリッジ等と連通する液体流路を具備する噴射ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置に搭載される。図７は、その液体噴射装置の一例を示す概略図である。
図７に示すように、液体噴射ヘッドを有する噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体として、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
ここで、上述した実施形態においては、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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の各種の記録ヘッド、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（面発光ディスプレー）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にも適用することができる。勿論、このような液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置も特に限定されるものではない。さらに、本発明は、液体噴射ヘッドに利用される圧電素子に限定されず、他のあらゆる装置、例えば、マイクロホン、発音体、各種振動子、発信子等に搭載される圧電素子にも適用できることは言うまでもない。
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 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、６０ 下電極膜、７０ 圧電体層、 ７１ バッファ層、 ８０ 上電極膜、９０ リザーバ
Claims (9)
- 基板上に設けられた面方位（１００）の下電極と、該下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記圧電体層内部の前記下電極との境界部分に、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が当該圧電体層の他の領域よりも多い所定厚さのバッファ層が存在することを特徴とする圧電素子。
- 基板上に設けられた面方位（１００）の下電極と、該下電極上にエピタキシャル成長により形成された面方位（１００）のチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とからなり、且つ前記圧電体層内部の前記下電極との境界部分に、チタン酸ジルコン酸鉛の構成元素以外の金属元素、又は半金属元素をさらに含む所定厚さのバッファ層が存在することを特徴とする圧電素子。
- 請求項２において、前記金属元素が、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）及びビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも一種であり、前記半金属元素が、シリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする圧電素子。
- 請求項２又は３において、前記バッファ層は、ジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）の含有量が前記圧電体層の他の領域よりも多いことを特徴とする圧電素子。
- 請求項１〜４の何れかにおいて、前記バッファ層の厚さが０．５〜２０ｎｍであることを特徴とする圧電素子。
- 請求項１〜５の何れかの圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項６の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
- 基板上に面方位（１００）の下電極を形成する工程と、前記基板の少なくとも前記下電極上に、金属材料又は半金属材料のアモルファス酸化物からなる酸化膜を形成する工程と、前記下電極膜上にこの酸化膜を介してチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層をエピタキシャル成長によって形成する工程と、前記圧電体層上に上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。
- 請求項８において、前記金属材料が、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、亜鉛（Ｚｎ）及びビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも一種からなり、前記半金属材料が、シリコン（Ｓｉ）からなることを特徴とする圧電素子の製造方法。
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| JP2005077240A JP2006261412A (ja) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | 圧電素子及びその製造方法並びに圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2015099838A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | 株式会社リコー | 強誘電体膜の成膜方法、電子素子、電子機器 |
-
2005
- 2005-03-17 JP JP2005077240A patent/JP2006261412A/ja active Pending
Cited By (6)
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| JP2013146928A (ja) * | 2012-01-19 | 2013-08-01 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、及び、圧電素子 |
| US8783838B2 (en) * | 2012-01-19 | 2014-07-22 | Seiko Epson Corporation | Liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and piezoelectric element |
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