JP2007042949A - 圧電素子の製造方法及び圧電素子並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子の圧電特性を略均一にすることができると共に、最大出力で駆動することができる圧電素子の製造方法及び圧電素子並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供すること。
【解決手段】 酸化ジルコニウム層１０１、該酸化ジルコニウム層１０１上に酸化セリウム層１０２と、イットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる導電体層１０３と、ルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極６０とを形成した後、該下電極６０上にＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３でｘ＝０．６〜０．７５の組成である圧電体前駆体膜７１を塗布して、乾燥、脱脂及び焼成を行い、圧電体膜７２を形成する工程を複数回繰り返して複数の前記圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成する際に、１層目の前記圧電体膜７２を６５０〜７５０℃で、２層目以降の前記圧電体膜７２を６００℃以下で焼成することにより、前記圧電体層７０をエピタキシャル成長させる。
【選択図】 図９

Description

本発明は、エピタキシャル成長によって形成する圧電素子の製造方法及び圧電素子並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、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。

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。このようなアクチュエータでは、高密度に配置するために、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子、すなわち変位の大きな圧電素子が求められている。

ここで、圧電素子は、例えば、シリコン単結晶基板の一方面側に下電極、圧電体層及び上電極を順々に積層することによって形成されている。また、圧電体層は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる多結晶薄膜であり、各結晶間の界面、すなわち、粒界が数多く存在した柱状の結晶構造を有している。

しかしながら、圧電体層の結晶構造内に粒界が数多く存在しているため、この粒界が圧電体層の伸縮、すなわち、柱状結晶の伸縮を妨げる原因となる。このため、圧電素子の変位量を所定値にすることができず、圧電体層に一定の駆動電界を発生させた場合の圧電素子の変位量が最大の状態、すなわち、最大出力でのインク吐出を行うことができないという問題がある。また、圧電体層に所定の駆動電界を発生させても、このように粒界の影響によって、圧電素子の圧電特性が実質的にバラついてしまうという問題もある。

このため、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）からなる下電極上に圧電体層を形成することで、圧電体層の結晶面方位を（１００）配向とすると共に、単結晶の圧電体層を得る液体噴射ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のようにＳＲＯなどのエピタキシャル成長させた下電極上に圧電体層を形成しても、圧電体層のジルコニウム（Ｚｒ）組成比が低かったため、圧電体層がテトラ結晶になりやすく、単結晶の特性を示していなく、圧電特性を均一にすることが困難であると共に優れた圧電特性を得ることができないという問題がある。

なお、このような問題は、インクを吐出する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。

特開２００４−４２２８７号公報（第５〜１１頁、第１〜３図）

本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の圧電特性を略均一にすることができると共に最大出力で駆動することができる圧電素子の製造方法及び圧電素子並びに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、酸化ジルコニウム層、該酸化ジルコニウム層上に形成された酸化セリウム層、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる導電体層上に、ルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極を形成した後、該下電極上にＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３でｘ＝０．６〜０．７５の組成である圧電体前駆体膜を塗布して、乾燥、脱脂及び焼成を行い、圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回繰り返して複数の前記圧電体膜からなる圧電体層を形成する際に、１層目の前記圧電体膜を６５０〜７５０℃で焼成して形成すると共に、２層目以降の前記圧電体膜を６００℃以下で焼成することにより、エピタキシャル成長させた単結晶からなる前記圧電体層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。
かかる第１の態様では、圧電体層の組成及び焼成温度を規定することによって、圧電体層の結晶構造の単結晶化を実現することができる。これにより、圧電素子の圧電特性を略均一にすることができると共に最大出力で駆動することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電体層を形成する際に、１層目の前記圧電体膜の厚さより、２層目以降の前記圧電体膜の厚さを厚く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２の態様では、圧電体層を形成する際に、圧電体膜の厚さを制御することで、圧電体層の結晶構造の単結晶化を実現することができる。

本発明の第３の態様は、酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる導電体層と、該導電体層上に形成されたルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極と、該下電極上に形成されたＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３の組成でｘ＝０．６〜０．７５であるエピタキシャル成長させた単結晶からなり、（１００）半価幅が０．１〜０．２度である圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを具備す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、圧電体層の組成を規定することで、圧電体層の結晶構造の単結晶化を実現することができると共に、圧電素子の圧電特性を略均一にすることができ、最大出力で駆動することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記下電極の結晶面方位が（１００）配向となっており、前記圧電体層の結晶面方位が（１００）配向となっている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、圧電体層の結晶面方位が（１００）配向となり、圧電素子の圧電特性を実質的に高めることができる。

本発明の第５の態様は、第３又は４の態様の圧電素子を、ノズル開口から液体を噴射する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面に振動板を介して設けたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、最大出力で液体を噴射することができ、液体噴射特性を向上することができる。

本発明の第６の態様は、第５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６の態様では、圧電素子の圧電特性が略均一であり且つ最大出力で液体吐出を行うことができる液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置を提供することができる。

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。また、図３は、図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１００）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ０．５〜２．０μｍの弾性膜５０が形成されている。

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ドライ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。このような圧力発生室１２の長手方向は、後述する圧電体層の結晶面方位（１００）に含まれる（１００）方向と同一又は４５°の方向であることが好ましい。本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向を圧電体層の（１００）方向と同一方向とした。

また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する保護基板３０のリザーバ部３１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液体供給路１４を介して連通されている。なお、このような液体供給路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。

なお、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２の液体供給路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上には、図３に示すように、酸化ジルコニウム層１０１と、酸化セリウム層１０２と、導電体層１０３とが順々に積層形成されている。これら、酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及び導電体層１０３の全体の厚さは、例えば、約１０ｎｍである。

酸化ジルコニウム層１０１は、フルオライト（ＣＦ_３）構造を有しており、弾性膜５０上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この酸化ジルコニウム層１０１の結晶性は、流路形成基板１０と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。なお、酸化ジルコニウム層１０１を形成する材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やジルコニア（ＺｒＯ_２）等を挙げることができ、本実施形態では、ＹＳＺを用いた。

また、酸化セリウム層１０２は、酸化ジルコニウム層１０１と同様に、フルオライト（ＣＦ_３）構造を有しており、酸化ジルコニウム層１０１上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この酸化セリウム層１０２の結晶性も酸化ジルコニウム層１０１と同様に、下地である酸化ジルコニウム層１０１と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。

さらに、導電体層１０３は、ペロブスカイト構造に類似した結晶構造を有しており、酸化セリウム層１０２上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この導電体層１０３の結晶性も酸化セリウム層１０２と同様に、下地である酸化セリウム層１０２と同じ配向性、すなわち、結晶面方位が（１００）に配向している。なお、導電体層１０３を形成する材料は、イットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）であり、例えば、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化銅（II）（ＣｕＯ）からなる複合酸化物が挙げられる。

また、このような結晶面方位が（１００）配向した導電体層１０３上には、厚さが例えば、約１００ｎｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、０．２〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、５０〜１００ｎｍの上電極膜８０とが順々に積層形成され、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、各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。そして、振動板は、本実施形態では、弾性膜５０、酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２、導電体層１０３及び下電極膜６０から構成されている。

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９０がそれぞれ接続されている。そして、このようなリード電極９０は、後述する駆動ＩＣと電気的に接続されている。

ここで、圧電体層７０の下地である下電極膜６０は、本実施形態では、上述した酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及び導電体層１０３の３層と同様に、導電体層１０３上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、この下電極膜６０は、下地である導電体層１０３と同じ配向性、すなわち、結晶面方位（１００）に配向している。なお、このような下電極膜６０は、本実施形態では、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）からなる酸化物導電体であり、ペロブスカイト構造を有している。

また、このような下電極膜６０上に形成される圧電体層７０は、ペロブスカイト構造を有しており、下地である下電極膜６０上にエピタキシャル成長させた薄膜である。そして、圧電体層７０の結晶性は、下地である下電極膜６０と同じ配向性、すなわち、結晶面方位（１００）に配向している。

このような圧電体層７０の結晶面方位（１００）に含まれる（１００）方向は、上述した圧力発生室１２の長手方向と同一又は４５°の方向であることが好ましい。本実施形態では、圧電体層７０の（１００）方向を圧力発生室１２の長手方向と同一方向とした。これにより、圧電体層７０の圧電特性を高めることができる。このような圧電体層７０を形成する材料としては、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）からなる強誘電体材料である。したがって、圧電体層７０は、結晶面方位が（１００）配向した単結晶ＰＺＴ薄膜である。

そして、圧電体層７０は、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３の組成でｘ＝０．６〜０．７５、すなわち、ジルコニウム組成比が０．６〜０．７５の単結晶ＰＺＴ膜であり、且つ（１００）半価幅が０．１〜０．２度のものである。このようなジルコニウム組成比で圧電体層７０を形成することにより、圧電体層７０の結晶面方位が（１００）配向した単結晶ＰＺＴ薄膜を形成することができる。

ここで、Ｘ線回折広角法によって圧電体層７０を測定すると、（１００）面に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「半価幅」とは、Ｘ線回折広角法により測定されたＸ線回折チャートで示されるロッキングカーブの各結晶面に相当するピーク強度の半価での幅のことを言う。

また、圧電体層７０のジルコニウム組成比を変化させた場合の圧電体層の特性について説明する。結晶面方位が（１００）配向した下電極膜６０上にジルコニウム組成比を変えて、エピタキシャル成長させた単結晶の圧電体層を形成し、この（１００）強度と、（１００）半価幅を測定した。この結果を図４及び図５に示す。

図４に示すように、ジルコニウム組成比を変化させることによってエピタキシャル成長させた単結晶ＰＺＴ膜である圧電体層の（１００）強度が変化し、且つ（１００）強度が３５０００ｃｐｓ以上となるのはジルコニウム組成比が０．６〜０．７５であった。

また、図５に示すように、ジルコニウム組成比を変化させることによってエピタキシャル成長させた単結晶ＰＺＴ膜である圧電体層の（１００）面の半価幅が変化し、且つ（１００）半価幅が０．１〜０．２度となるのは、ジルコニウム組成比が０．６〜０．７５であった。

なお、図５に示すように、従来の多結晶ＰＺＴ膜の圧電体層は、（１００）強度は、１０００ｃｐｓ程度であり、また、（１００）半価幅は、特に図示しないがジルコニウム組成比に関わらず０．３５度程度であった。

そして、本実施形態のエピタキシャル成長させた単結晶ＰＺＴ膜である圧電体層７０と、従来の多結晶ＰＺＴ膜である圧電体層とのそれぞれの電圧に対する変位量及び変位定数を測定した。これらの結果を図６及び図７に示す。

図６に示すように、本実施形態の単結晶ＰＺＴ膜である圧電体層は、電圧と変位との関係が直線状となっているのに対し、従来の多結晶ＰＺＴ膜の圧電体層では、電圧と変位との関係が直線状ではないことが分かる。また、同一電圧で駆動した際の変位量は、本実施形態の単結晶ＰＺＴ膜の圧電体層の方が、従来の多結晶ＰＺＴ膜の圧電体層の変位量より大きな値となっており、優れた圧電特性を示している。

さらに、図７に示すように、本実施形態の単結晶ＰＺＴ膜の圧電体層は、何れの電圧であっても一定の優れた変位定数を示すのに対し、従来の多結晶ＰＺＴ膜の圧電体層は、電圧によって変位定数が安定しなかった。

このように、圧電体層７０として、エピタキシャル成長させた単結晶ＰＺＴ膜を用い、しかもＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３の組成でｘ＝０．６〜０．７５とし、且つ（１００）半価幅が０．１〜０．２度とすることで、変位特性などの圧電特性が優れた圧電体層７０を得ることができる。すなわち、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができ、変位の大きな圧電素子３００を実現できる。

このような圧電体層７０は、その結晶面方位が（１００）に配向した単結晶構造となり、結晶構造内に粒界は実質的に存在しない。これにより、粒界が圧電素子３００の変位に悪影響を及ぼすことなく、圧電体層７０に所定の駆動電界を発生させて圧電素子３００に所定の変位を行わせることができる。したがって、圧電素子３００の変位量を所定値にすることができ、圧電素子３００の圧電特性を略均一にすることができる。また、実質的に最大出力での液体吐出を行うことができる。

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が接着剤等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。保護基板３０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。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間、すなわち液体供給路１４に対応する領域には、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３２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ＩＣ１１０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９０は、この接続孔３３まで延設されており、例えば、ワイヤボンディング等により駆動ＩＣ１１０と電気的に接続される。

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１００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。

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１００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，酸化ジルコニウム層１０１，酸化セリウム層１０２，導電体層１０３，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。

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、圧電素子３００の製造方法を合わせて説明する。なお、図８〜図１０は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

図８（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。次いで、図８（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に、酸化ジルコニウム層１０１と、酸化セリウム層１０２と、導電体層１０３とを順次積層して形成する。酸化ジルコニウム層１０１、酸化セリウム層１０２及び導電体層１０３は、順々にエピタキシャル成長させて形成するようにした。これにより、導電体層１０３上に形成する下電極膜６０の結晶面方位を（１００）配向とすることができる。

次に、図８（ｃ）に示すように、導電体層１０３上に下電極膜６０を形成する。本実施形態では、例えば、白金とイリジウムとを弾性膜５０上に積層形成した後、所定形状にパターニングすることで下電極膜６０を形成した。

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。金属アルコキシド等の有機金属化合物をアルコールに溶解し、これに加水分解抑制剤等を加えて得たコロイド溶液からなるＭＯＤ液を塗布した後、これを乾燥して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ＭＯＤ法（Metal Organic Deposition）を用いて圧電体層７０を形成している。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図９（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上に有機金属化合物を含むＭＯＤ液を塗布する（塗布工程）。この圧電体前駆体膜７１は、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３でｘ＝０．６〜０．７５の組成のものを用いる。これにより、圧電体膜７２の組成をＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３でｘ＝０．６〜０．７５とすることができる。

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。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、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ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９（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、１層目の圧電体膜７２を形成する場合、圧電体前駆体膜７１を６５０〜７００℃に加熱する。本実施形態では、６５０℃で３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７１を焼成して１層目の圧電体膜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。

そして、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９（ｃ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。このような圧電体膜形成工程を複数回繰り返す際に、２層目以降の圧電体膜７２の焼成温度を６００℃以下とし、加熱時間は１層目の圧電体膜７２とほぼ同様とする。また、２層目以降の圧電体膜７２は、１層目の圧電体膜７２の厚さよりも厚く形成するのが好ましい。

このように圧電体層７０を形成することで、圧電体層７０を結晶面方位が下地と同じ（１００）配向となるようにエピタキシャル成長させて単結晶ＰＺＴ膜で形成することができる。また、圧電体層７０を下地の結晶構造及び格子面間隔と類似するように形成することができる。さらに、圧電体層７０と下地の表面との間に静電相互作用による反発力のない結晶構造とすることができる。なお、本実施形態では、上述したペロブスカイト構造とフルオライト構造とは構造的に類似しているので、圧電体層７０等の各層をエピタキシャル成長させることができる。

何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が単独配向しており、且つ上述したように、圧電体層７０は、結晶が菱面体晶に形成されている。なお、単独配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面が一定の方向に向いている状態をいう。

このように、本実施形態では、圧電体層７０は、その結晶面方位が（１００）に配向した単結晶構造となり、結晶構造内に粒界は実質的に存在しない。これにより、粒界が圧電素子３００の変位に悪影響を及ぼすことなく、圧電体層７０に所定の駆動電界を発生させて圧電素子３００に所定の変位を行わせることができる。したがって、圧電素子３００の変位量を所定値にすることができ、圧電素子３００の圧電特性を略均一にすることができる。また、実質的に最大出力での液体吐出を行うことができる。

なお、圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ法やＭＯＤ法、スピンコートにより塗布する方法などで形成してもよい。また、積層する圧電体膜毎でスパッタ法、ＭＯＤ法及びスピンコート法などの異なる方法を用いるようにしてもよい。

また、上述した乾燥工程、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。

上述したように、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示す工程によって圧電体層７０を形成した後は、図１０（ａ）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１０の全面に形成し、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。次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図１０（ｂ）に示すように、流路形成基板１０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１０（ｃ）に示すように、パターニングされた複数の圧電素子３００を保持する保護基板３０を、流路形成基板１０上に接着剤３４を介して接合する。なお、保護基板３０には、リザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成されている。また、保護基板３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単結晶基板からなり、保護基板３０を接合することで流路形成基板１０の剛性は著しく向上することになる。

次に、図１０（ｄ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００が形成された面とは反対側の面から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、流路形成基板１０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。

その後は、流路形成基板１０の保護基板３０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３０にコンプライアンス基板４０を接合することで、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッドが形成される。

なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、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毎に分割することでインクジェット式記録ヘッドが形成される。

（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。

例えば、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型の液体噴射ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の液体噴射ヘッドにも本発明を採用することができる。

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１１は、その液体噴射装置の一例を示す概略斜視図である。

図１１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。

本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態１に係る圧電体層の（１００）強度を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る圧電体層の（１００）半価幅を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る圧電体層の電圧−変位量を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る圧電体層の電圧−変位定数を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体噴射装置の概略斜視図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ 液体供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 封止基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ３３ 接続孔、 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 圧電体前駆体膜、 ７２ 圧電体膜、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １０１ 酸化ジルコニウム層、 １０２ 酸化セリウム層、 １０３ 導電体層、 ３００ 圧電体層

Claims (6)

1. 酸化ジルコニウム層、該酸化ジルコニウム層上に形成された酸化セリウム層、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる導電体層上に、ルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極を形成した後、該下電極上にＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３でｘ＝０．６〜０．７５の組成である圧電体前駆体膜を塗布して、乾燥、脱脂及び焼成を行い、圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回繰り返して複数の前記圧電体膜からなる圧電体層を形成する際に、１層目の前記圧電体膜を６５０〜７５０℃で焼成して形成すると共に、２層目以降の前記圧電体膜を６００℃以下で焼成することにより、エピタキシャル成長させた単結晶からなる前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
2. 請求項１において、前記圧電体層を形成する際に、１層目の前記圧電体膜の厚さより、２層目以降の前記圧電体膜の厚さを厚くすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
3. 酸化ジルコニウム層と、該酸化ジルコニウム層上に形成された酸化セリウム層と、該酸化セリウム層上に形成されたイットリウム−バリウム−銅−酸素系材料（ＹＢＣＯ）からなる導電体層と、該導電体層上に形成されたルテニウム酸ストロンチウムからなる下電極と、該下電極上に形成されたＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３の組成でｘ＝０．６〜０．７５であるエピタキシャル成長させた単結晶からなり、（１００）半価幅が０．１〜０．２度である圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを具備することを特徴とする圧電素子。
4. 請求項３において、前記下電極の結晶面方位が（１００）配向となっており、前記圧電体層の結晶面方位が（１００）配向となっていることを特徴とする圧電素子。
5. 請求項３又は４の圧電素子を、ノズル開口から液体を噴射する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面に振動板を介して設けたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項５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。
   

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