JP2007173691A - 圧電素子の製造方法及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】均一で優れた圧電特性を有する圧電素子の製造方法及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】基板上に下電極を形成すると共に下電極上に圧電材料からなる圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて圧電体膜を形成する工程を複数回繰り返し行って圧電体層を形成する際に、１層目の第１圧電体前駆体膜を焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以上の条件として第１圧電体膜を形成し、その後、下電極及び第１圧電体膜をパターニングすると共に犠牲層を形成し、この上から２層目の第２圧電体前駆体膜を形成して焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下の条件とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、基板上に下電極、圧電体層及び上電極をこの順で積層することにより形成される圧電素子の製造方法、及びこの圧電素子を具備するアクチュエータ装置、並びにこのアクチュエータ装置を液体噴射手段として具備する液体噴射ヘッドに関する。

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。

ここで、このような圧電アクチュエータに用いられる圧電素子は、基板上に振動板膜を介して下部電極を形成し、この下部電極上に圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて圧電体膜を形成した後、圧電体膜及び下部電極を所定形状にパターニングし、その後、圧電体膜上に更に圧電体前駆体膜を形成して焼成する工程を複数回繰り返して複数の圧電体膜からなる圧電体層を形成し、この圧電体層上に上部電極を形成することで製造される（例えば、特許文献１参照）。

このような圧電素子の製造方法では、２層目以降の圧電体膜を形成する前に、１層目の圧電体膜及び下部電極を所定形状にパターニングしている。このため、２層目以降の圧電体膜を形成する際に、基板上には下部電極が形成された領域と下部電極が形成されていない領域とがそれぞれ存在している。

そして、このような基板上に下部電極の形成領域と非形成領域とに亘って圧電体前駆体膜を形成した後、これを焼成して圧電体前駆体膜を結晶化させる際に、下部電極の形成領域と、下部電極の非形成領域（振動板膜が露出した領域）との熱吸収の差から、圧電体前駆体膜の焼成ムラが生じてしまう。すなわち、２層目以降の圧電体膜の結晶成長は、下部電極の形成領域と非形成領域とで差が生じることになり、得られた圧電体層の結晶性にばらつきが生じ、その結果、圧電体層の圧電特性にばらつきが発生するという問題がある。また、圧電体層の結晶性にばらつきが生じると、圧電体層の耐電圧が低下する虞もある。

このような問題を有する圧電体層を備えた圧電素子においては、均一な圧電特性が得られず、場合によっては電圧印加時に破壊される等の問題が発生してしまう。また、このような圧電素子をインク滴の吐出手段として備えたインクジェット式記録ヘッドにおいては、インク吐出特性が悪く、圧電素子の破壊によって故障等が発生するため、信頼性が低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２００２−３１４１６３号公報（段落［００５６］〜段落［００５７］）

本発明は、このような事情に鑑み、均一で優れた圧電特性を有する圧電素子の製造方法及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッド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、基板上に下電極を形成すると共に前記下電極上に圧電材料からなる第１圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて第１圧電体膜を形成し、前記下電極及び前記第１圧電体膜をパターニングすることにより所定形状の前記下電極及び前記第１圧電体膜を形成すると共に前記基板上の前記下電極が形成される領域の近傍に金属材料からなる犠牲層を形成する第１工程と、前記第１圧電体膜上から前記犠牲層が形成された領域に亘って圧電材料からなる第２圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて第２圧電体膜を形成し、前記第１圧電体膜及び前記第２圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する第２工程と、前記圧電体層上に上電極を形成する第３工程とを有し、前記第１工程の前記第１圧電体前駆体膜を焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きい条件とし、前記第２工程の前記第２圧電体前駆体膜を焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下の条件とした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、下電極上に成膜された第１圧電体前駆体膜の焼成時の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きくすることにより短時間で良好に結晶成長させて第１圧電体膜を形成しつつ、下電極の形成領域の近傍に犠牲層を形成した後に、下電極の形成領域から犠牲層の形成領域に亘って成膜された第２圧電体前駆体膜の焼成時の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下とすることにより、下地の違いによる結晶成長のばらつきを低減することができる。これにより、均一で優れた圧電特性を有する圧電素子（圧電体層）を製造することができる。

本発明の第２の態様は、前記基板上に密着性金属からなる密着層を形成すると共に前記密着層上に金属層を積層して前記密着層と前記金属層とからなる前記下電極を形成することを特徴とする第１の態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第２の態様では、基板上に、高い密着性を有する圧電素子を製造することができる。

本発明の第３の態様は、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなる群から選択される少なくとも１種の材料を用いて前記密着層を形成することを特徴とする第２の態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第３の態様では、基板上に、より高い密着性を有する圧電素子を製造することができる。

本発明の第４の態様は、前記第１工程又は前記第２工程の焼成を少なくとも前記基板の前記下電極が形成される一方面側とは反対の他方面側からの加熱処理で行うことを特徴とする第１〜３の態様の何れかの圧電素子の製造方法にある。
かかる第４の態様では、第１圧電体前駆体膜又は第２圧電体前駆体膜を下電極側から結晶成長させて、優れた結晶性を有する圧電体層を形成することができる。

本発明の第５の態様は、ＲＴＡ処理により前記第１圧電体前駆体膜を焼成することを特徴とする第１〜４の何れかの態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第５の態様では、第１圧電体前駆体膜を良好に焼成して結晶を均一に成長させることができる。

本発明の第６の態様は、ＲＴＡ処理により前記第２圧電体前駆体膜を焼成することを特徴とする第１〜５の何れかの態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第６の態様では、第２圧電体前駆体膜を良好に焼成して結晶を均一に成長させることができる。

本発明の第７の態様は、前記第２圧電体膜上に１層以上の圧電体膜をさらに形成すると共に前記１層以上の圧電体膜を形成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下とすることを特徴とする第１〜６の何れかの態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第７の態様では、結晶が均一に成長し、優れた結晶性を有する複数の圧電体膜からなる圧電体層を形成することができる。

本発明の第８の態様は、前記犠牲層を前記下電極と同一層で形成することを特徴とする第１〜７の何れかの態様の圧電素子の製造方法にある。
かかる第８の態様では、犠牲層の存在により焼成ムラを大幅に低減することができる。

本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様の圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子を具備することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第９の態様では、均一な圧電特性が得られ、且つ信頼性、耐久性等に優れたアクチュエータ装置を実現することができる。

本発明の第１０の態様は、第９の態様のアクチュエータ装置を液体噴射手段として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１０の態様では、均一な液体噴射特性が得られ、且つ信頼性、耐久性に優れた液体噴射ヘッドを実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。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り形成した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、複数の圧力発生室１２がその幅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の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

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を介して固着されている。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不錆鋼などからなる。

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の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５５が形成されている。また、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１．０μｍ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。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、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、本実施形態では、下電極膜６０が複数の圧電素子３００の並設方向に亘って設けられ、下電極膜６０の圧力発生室１２の長手方向の端部が、圧力発生室１２に相対向する位置となるように設けられている。なお、本実施形態では、下電極膜６０の端面は、絶縁体膜５５の上面に対して略垂直な面となっている。

ここで、下電極膜６０は、例えば、本実施形態では、絶縁体膜５５上に形成された密着性金属からなる密着層６１と、この密着層６１上に形成された金属層６２とからなる２層構造の積層電極となっている。密着層６１を形成する材料としては、高融点金属材料、より詳細には、後述する圧電体層７０の形成時の焼成で拡散又は酸化が生じ難い金属、例えば、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなる群から選択される少なくとも１種の材料を用いるのが好ましい。これにより、下電極膜６０の密着性を十分に確保することができる。例えば、本実施形態の下電極膜６０は、絶縁体膜５５上に形成されたＺｒからなる密着層６１と、この密着層６１上に形成されたＰｔからなる金属層６２とからなる積層電極とした。

また、本実施形態では、図３に示すように、下電極膜６０が形成された領域の近傍には、上述した下電極膜６０の層構造と同一層、すなわち、密着性金属からなる密着層６１０と、この密着層６１０上に形成された金属層６２０とからなる犠牲層６００が設けられている。

さらに、この犠牲層６００は、下電極膜６０と電気的に接続しない不連続なパターンとして設けられている（図１参照）。例えば、本実施形態では、犠牲層６００は、下電極膜６０の長手方向に沿ってその両側にそれぞれ設けた。詳細には、一方側の犠牲層６００ａは、下電極膜６０の幅方向一端部近傍で且つ絶縁体膜５５上のインク供給路１４に対向する部分に、圧電素子３００の並設方向に亘って下電極膜６０とは不連続で設けられている。他方側の犠牲層６００ｂは、下電極膜６０の幅方向他端部近傍で且つ流路形成基板１０の端部近傍に、圧電素子３００の並設方向に亘って下電極膜６０とは不連続で設けられている。

ここで、このような犠牲層６００は、下電極膜６０に限りなく近い部分に形成されているのが好ましい。これは、詳細は後述するが、圧電体層７０を形成する際に、下地の影響が小さくなって、圧電体層７０を形成する際の焼成ムラが大幅に低減され、均一に結晶成長した圧電体層７０が得られるからである。すなわち、犠牲層６００は、圧電体層７０を形成する際に焼成ムラが生じて結晶が不均一に成長するのを防止するために下地として設けられた層である。

また、圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、各圧力発生室１２に対向する領域に個別に切り分けられてその幅方向に並設されている。さらに、各圧電体層７０は、その長手方向において、下電極膜６０の圧力発生室１２の長手方向の端部を覆って絶縁体層５５及び犠牲層６００の縁部上に達するまでそれぞれ延設されている。

そして、圧電体層７０は、詳細は後述するが、複数の圧電体膜を積層することで形成されたものであり、複数層の圧電体膜のうちの１層目を構成する第１圧電体膜は、下電極膜６０上のみに設けられている。また、２層目以降の圧電体膜は、下電極膜６０上からその外側の領域、具体的には、下電極膜６０と犠牲層６００との隙間に露出した絶縁体膜５５を跨いで犠牲層６００の縁部上に達するまで延設されている。

なお、本実施形態では、犠牲層６００及び圧電素子３００が存在する領域、すなわち、犠牲層６００ａ及び６００ｂが形成された領域と、圧電素子３００が並設されたパターン領域上には、例えば、無機絶縁材料からなる絶縁膜１００が設けられ、圧電素子３００を構成する各層及び犠牲層６００は、この絶縁膜１００で覆われている。この絶縁膜１００を形成する材料としては、特に限定されないが、アルミナ等が挙げられる。このような構造とすることで、水分等に起因する圧電素子３００（圧電体層７０）の絶縁破壊を有効に防止することができる。

また、このような絶縁膜１００上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられ、このリード電極９０の一端部側は、絶縁膜１００に形成されたコンタクトホール１００ａを介して各圧電素子３００の一端部側で上電極膜８０と接続されている。そして、各圧電素子３００には、このようなリード電極９０を介して選択的に電圧が印加されるようになっている。なお、図示しないが、このようなリード電極９０上に絶縁膜をさらに形成して、絶縁膜によってリード電極９０を覆ってもよい。

なお、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合されている。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ため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部３１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。

また、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２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の並設方向に沿って設けられており、上述した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１１０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との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出され、これら下電極膜６０及びリード電極９０には、図示しないが、駆動ＩＣから延設される接続配線の一端が接続される。

なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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。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３２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１１０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１１０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からインクを取り込み、リザーバ１１０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、図示しない駆動ＩＣ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、絶縁体膜５５、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。

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４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図８は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。まず、図４（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１２０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、本実施形態では、流路形成基板１０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４（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、ＤＣスパッタ法又はＲＦスパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成し、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５上に下電極膜６０を形成する。本実施形態では、例えば、スパッタ法等により、絶縁体膜５５の全面にＺｒからなる密着層６１を形成すると共にこの密着層６１上にＰｔからなる金属層６２を形成する。これにより、絶縁体膜５５上に密着層６１と金属層６２とからなる下電極膜６０が形成される。このように金属層６２と絶縁体膜５５との間に密着層６１を介在させることにより、下電極膜６０の密着性を高めることができる。

次に、このような下電極膜６０上に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０を形成する。なお、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。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の形成手順の一例としては、まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である第１圧電体前駆体膜７１ａを成膜する。すなわち、流路形成基板用ウェハ１２０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する。次いで、第１圧電体前駆体膜７１ａを、所定温度に加熱して一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させることで第１圧電体前駆体膜７１ａを乾燥させる。さらに、大気雰囲気下において一定の温度で一定時間、第１圧電体前駆体膜７１ａを脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、ゾル膜の有機成分を、例えば、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。

次に、図５（ｂ）に示すように、この第１圧電体前駆体膜７１ａをＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置等で加熱処理することによって結晶化させて第１圧電体膜７２ａを形成する。なお、このように形成した第１圧電体膜７２ａの結晶は（１００）面に優先配向する。

ここで、本実施形態では、第１圧電体前駆体膜７１ａを焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きい値とした。第１圧電体膜７２ａの形成方法は、特に限定されないが、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法等を用いて、昇温レートを比較的速くすることが好ましい。例えば、本実施形態では、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置を用いて、第１圧電体前駆体膜７１ａを比較的速い昇温レートで加熱した。このようにして行われる第１圧電体前駆体膜７１ａの焼成時には、この第１圧電体前駆体膜７１ａの下地が下電極膜６０のみで構成されているため、このように比較的速い昇温レートで加熱することにより、第１圧電体前駆体膜７１ａの結晶が均一に成長する。詳細には、下地に材質的な違いがないため、赤外線が均等且つ効率的に吸収され、その結果、下電極膜６０上にその表面側から順に第１圧電体前駆体膜７１ａの結晶が均一に成長する。これにより、下電極膜６０上には、均一な結晶性を有する第１圧電体膜７２ａを短時間で形成することができる。

なお、このような焼成工程では、少なくとも流路形成基板用ウェハ１２０の絶縁体膜５５側である一方面（表面）側とは反対側の他方面（裏面）側から加熱処理するのが好ましい。第１圧電体前駆体膜７１ａを下電極膜６０（金属層６２）側から均一に結晶成長させて、優れた結晶性を有する第１圧電体膜７２ａを形成することができるからである。

そして、このようにして絶縁体膜５５の全面に形成された下電極膜６０（密着層６１及び金属層６２）、第１圧電体膜７２ａをパターニングすることにより、図５（ｂ）に示すように、所定形状の下電極膜６０及び第１圧電体膜７２ａを形成する。

また、このような下電極膜６０等のパターニング工程では、下電極膜６０が形成された領域の近傍、本実施形態では、下電極膜６０の幅方向の両外側に対応する領域に、圧電素子３００の並設方向に亘って、下電極膜６０と同一の層であって且つこの下電極膜６０とは電気的に接続しない不連続なパターンである犠牲層６００を同時に形成する。犠牲層６００は、下電極膜６０と同一の層構造、すなわち、密着性金属からなる密着層６１０と、この密着層６１０上に形成された金属層６２０とで構成される。そして、この時点では、犠牲層６００上には、下電極膜６０上と同様に第１圧電体膜７２ａが形成されている。

次に、第１圧電体膜７２ａ上に更に複数層の圧電体膜を積層して圧電体層７０を形成する。具体的には、図５（ｃ）に示すように、まず、第１圧電体膜７２ａ上から犠牲層６００が形成された領域に亘って、実際には、流路形成基板用ウェハ１２０の全面に、スピンコート法等により圧電材料を所定厚さ、本実施形態では、約０．１５μｍ程度の厚さで塗布して乾燥させることにより第２圧電体前駆体膜７１ｂを形成する。すなわち、第２圧電体前駆体膜７１ｂを、下電極膜６０が形成された領域、犠牲層６００が形成された領域、下電極膜６０と犠牲層６００との隙間において絶縁体膜５５が露出した領域に亘って連続的に形成する。

その後、このような第２圧電体前駆体膜７１ｂの乾燥、脱脂を行うと共に、焼成することにより、第２圧電体膜７２ｂを形成する。具体的には、本実施形態では、第２圧電体前駆体膜７１ｂを焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下とした。このように、第２圧電体前駆体膜７１ｂを焼成する際に、比較的遅い昇温レートで加熱することにより、下地の影響を抑えて、良好に結晶成長させることができる。なお、このような第２圧電体前駆体膜７１ｂの焼成工程では、上述した第１圧電体前駆体膜７１ａと同様に流路形成基板用ウェハ１２０の裏面側から加熱処理するのが好ましい。また、第２圧電体前駆体膜７１ｂの焼成には、上述した第１圧電体前駆体膜７１ａと同様にＲＴＰ装置を用いた。

ここで、第２圧電体前駆体膜７１ｂの焼成時は、この第１圧電体前駆体膜７１ａの下地となった下電極膜６０、犠牲層６００、及び絶縁体膜５５となる。具体的には、下電極膜６０と犠牲層６００とが形成された領域は、下地としては同一であるが、下電極膜６０と犠牲層６００との僅かな隙間に絶縁体膜５５が露出している。特に、本実施形態では、上述したように密着層６１をＺｒ（高融点金属材料）で形成しているので、金属層６２は合金化しておらず、無垢の金属層６２のままとなる。すなわち、下電極膜６０が形成された領域では無垢の金属層６２が存在し、その他の領域では絶縁体膜５５が露出しているため、このような表面の材質的な違いから、これらの領域の間では、熱吸収の差、より詳細には赤外線吸収の差が比較的大きくなる。

本実施形態では、このように第２圧電体前駆体膜７１ｂの下地に違いが生じていても、上述したように、第２圧電体前駆体膜７１ｂを焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きい値としているので、第２圧電体前駆体膜７１ｂの結晶成長のばらつきを低減、すなわち、結晶が均一に成長し、優れた結晶性を有する第２圧電体膜７２ｂが形成される。

その後は、図５（ｃ）に示すように、この第２圧電体膜７２ｂ上にさらに圧電材料を所定の厚さで塗布し乾燥させることにより第３圧電体前駆体膜７１ｃを形成する。なお、本実施形態では、圧電材料を二度塗布し乾燥させることにより所望の厚さの第３圧電体前駆体膜７１ｃを得ている。次いで、この第３圧電体前駆体膜７１ｃを脱脂後、焼成して結晶化させて第３圧電体膜７２ｃとする。そして、このように二度の塗布によって第３〜第６圧電体前駆体膜７１ｃ〜７１ｆを形成する工程と、その第３〜第６圧電体前駆体膜７１ｃ〜７１ｆを脱脂する工程と、第３〜第６圧電体前駆体膜７１ｃ〜７１ｆを焼成して圧電体膜を形成する工程とを複数回、本実施形態では、４回繰り返すことにより圧電体膜７２ｃ〜７２ｆを形成する。これにより、複数層の圧電体膜７２ａ〜７２ｆからなり、厚さが約１μｍの圧電体層７０が形成される。なお、本実施形態では、このような３層目以降の第３〜第６圧電体前駆体膜７１ｃ〜７１ｆの焼成においては、第２圧電体前駆体膜７２ｂの焼成と同一条件で行った。

以上説明したように、本実施形態では、下電極膜６０上に形成された第１圧電体前駆体膜７１ａの焼成時の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きい値することにより短時間で均一に結晶成長させて第１圧電体膜７２ａを形成しつつ、下電極膜６０の形成領域の近傍に犠牲層６００を形成した後に、下電極膜６０の形成領域から犠牲層６００の形成領域に亘って成膜された第２〜第６圧電体前駆体膜７１ｂ〜７１ｆの焼成時の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下とすることにより、下地の違いによる結晶成長のばらつきを低減することができる。さらに、第２〜第６圧電体前駆体膜７１ｂ〜７１ｆの焼成時に、前記下電極６０が形成されている面とは反対の面から加熱することにより、各圧電体膜は下電極膜６０側から結晶成長する。これにより、均一で優れた圧電特性を有する圧電体層７０を形成することができる。すなわち、第１〜第６圧電体膜７２ａ〜７２ｆからなる圧電体層７０は、結晶が均一となり、均一な圧電特性が得られる。また、圧電体層７０の結晶が均一であるので、所望の耐電圧を有する圧電体層７０となり、電圧印加によって駆動させる際に、圧電体層７０が破壊されることを有効に防止することができる。

なお、このように形成される圧電体層７０の材料として、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ_３（ＰＺ）、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。

なお、本実施形態では、ゾルーゲル法を用いて圧電体層７０を形成するようにしたが、圧電体層７０の形成方法は、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（Metal-Organic Decomposition）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６（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１２０の全面に形成する。次いで、図６（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、下電極膜６０及び犠牲層６００が露出するまで、ドライエッチングによりパターニングすることで、圧力発生室１２が形成される領域に対応する部分に圧電素子３００をそれぞれ形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３００を覆う絶縁膜１００を形成する。具体的には、圧電素子３００が並設された領域、及び犠牲層６００の形成領域に亘ってアルミナからなる絶縁膜１００を形成し、所定形状にパターニングすることにより圧電素子３００を構成する各層等を覆う絶縁膜１００を形成する。なお、絶縁膜１００のパターニングでは、絶縁膜１００の各圧電素子３００の一端部に対向する領域にコンタクトホール１００ａを形成しておく。

次いで、リード電極９０を形成する。具体的には、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１２０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層９１を形成する。その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層９１を圧電素子３００毎にパターニングすることで、リード電極９０が形成される。このリード電極９０は、一端部が絶縁膜１００のコンタクトホール１００ａを介して各圧電素子３００の上電極膜８０に接続され、他端部が絶縁膜１００上に延設された形状となるようにパターニングされる。

次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１２０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１２０の剛性は著しく向上することになる。

次いで、図７（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１２０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１２０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、約７０μｍ厚になるように流路形成基板用ウェハ１２０をエッチング加工した。次いで、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１２０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、図８に示すように、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１２０を異方性エッチングすることにより、流路形成基板用ウェハ１２０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１２０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１２０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１２０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、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではない。上述した一実施形態１では、圧電素子３００の長手方向の両端部を圧力発生室１２に対向する領域内に設けた構造を例示して説明したが、勿論これに限定されず、例えば、図９に示すように、圧電素子３００Ａを構成する圧電体層７０の長手方向一端部、具体的にはリード電極９０が引き出される側の端部が、圧力発生室１２の周壁に対向する領域まで延設した構造としてもよい。なお、図９は、本発明の他の実施形態に係る液体噴射ヘッドの要部拡大断面図である。このような構造では、圧電体層７０が延設された圧力発生室１２の周壁に対向する領域に、犠牲層６００が圧電素子３００の並設方向に亘って下電極膜６０と電気的に不連続で設けられている。また、犠牲層６００Ａの幅方向両端部は、各圧電素子３００Ａから延設された圧電体層７０によって覆われている。このような構造においても、上述した一実施形態と同様に焼成時の昇温レートを設定して圧電体層７０を形成することにより、優れた結晶性を有する圧電素子３００Ａとなる。また、このような構造では、リード電極９０と犠牲層６００Ａとの層間絶縁膜（実施形態１の絶縁膜１００）が不要となるという利点がある。勿論、リード電極９０を形成した後に、圧電素子３００を構成する各層及び犠牲層６００を絶縁膜（図示しない）によって覆うようにしてもよい。

また、上述した一実施形態では、下電極膜６０を密着層６１と金属層６２とからなる積層電極としたが、勿論これに限定されず、金属層だけで下電極膜を構成してもよい。

さらに、上述した一実施形態では、犠牲層６００の形成を下電極膜６０のパターニングにより同時に行ったが、勿論これに限定されず、下電極膜６０を形成する前後の工程で別途、犠牲層を形成するようにしてもよい。

さらに、上述した一実施形態では、下電極膜６０の端面を絶縁体膜５５の上面に対して略垂直な面で形成したが、勿論これに限定されず、下電極膜の端面（側面）を流路形成基板の上面に対して所定量傾斜させてテーパ面としてもよい。このような下電極膜の端面は、例えば、下電極膜と第１圧電体膜とをパターニングする際に形成することができる。その後は、上述した一実施形態と同様に、このパターニングされた下電極膜及び第１圧電体膜上から、２層目以降の圧電体前駆体膜を積層することで圧電体層を形成する。例えば、第２圧電体前駆体膜の形成時には、下電極膜及び第１圧電体膜が形成された部分とそれ以外の部分との境界近傍において下電極膜の端面（テーパ面）が設けられているため、下電極膜の端面によって下地の違いによる第２圧電体前駆体膜の結晶成長への悪影響を小さく、すなわち、緩和することができる。これにより、下電極膜とそれ以外の部分との境界近傍において第２圧電体前駆体膜の結晶成長が良好に進み、結晶性に優れた圧電体層を良好に形成することができる。また、このように下電極膜の端面をテーパ面とすることで、２層目以降の圧電体前駆体膜の形成時の膜の付き回り、特に下電極膜の端面とそれ以外の部分の上面とで画成された角部への膜の付き回りが向上する。これにより、密着性及び信頼性に優れた圧電体層を良好に形成することができる。なお、上述した一実施形態では、下電極膜６０と共に犠牲層６００を形成しているが、例えば、このような犠牲層の端面をテーパ面としてもよい。

さらに、上述した一実施形態では、アクチュエータ装置を液体吐出手段として具備し液体噴射装置に搭載される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例示したが、本発明は、広くアクチュエータ装置の全般を対象としたものである。したがって、勿論、本発明は、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも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（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が挙げられる。また、本発明は、液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置及びその製造方法に適用できる。なお、アクチュエータ装置が搭載される他の装置としては、上述した液体噴射ヘッドの他に、例えば、センサー等が挙げられる。また、本発明は、このようなアクチュエータ装置及びその製造方法に限定されず、圧電素子の製造方法にも適用可能である。

一実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 他の実施形態に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 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、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ６１ 密着層、 ６２ 金属層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、１００ 絶縁膜、 １１０ リザーバ、 １２０ 流路形成基板用ウェハ、 １３０ 保護基板用ウェハ、 ３００ 圧電素子、 ６００（６００ａ、６００ｂ） 犠牲層

Claims (10)

1. 基板上に下電極を形成すると共に前記下電極上に圧電材料からなる第１圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて第１圧電体膜を形成し、前記下電極及び前記第１圧電体膜をパターニングすることにより所定形状の前記下電極及び前記第１圧電体膜を形成すると共に前記基板上の前記下電極が形成される領域の近傍に金属材料からなる犠牲層を形成する第１工程と、
   前記第１圧電体膜上から前記犠牲層が形成された領域に亘って圧電材料からなる第２圧電体前駆体膜を形成して焼成することにより結晶化させて第２圧電体膜を形成し、前記第１圧電体膜及び前記第２圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する第２工程と、
   前記圧電体層上に上電極を形成する第３工程とを有し、
   前記第１工程の前記第１圧電体前駆体膜を焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃよりも大きい条件とし、前記第２工程の前記第２圧電体前駆体膜を焼成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下の条件としたことを特徴とする圧電素子の製造方法。
2. 前記基板上に密着性金属からなる密着層を形成すると共に前記密着層上に金属層を積層して前記密着層と前記金属層とからなる前記下電極を形成す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。
3. Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｏからなる群から選択される少なくとも１種の材料を用いて前記密着層を形成することを特徴とする請求項２記載の圧電素子の製造方法。
4. 前記第１工程又は前記第２工程の焼成を少なくとも前記基板の前記下電極が形成される一方面側とは反対の他方面側からの加熱処理で行うことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧電素子の製造方法。
5. ＲＴＡ処理により前記第１圧電体前駆体膜を焼成することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の圧電素子の製造方法。
6. ＲＴＡ処理により前記第２圧電体前駆体膜を焼成することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧電素子の製造方法。
7. 前記第２圧電体膜上に１層以上の圧電体膜をさらに形成すると共に前記１層以上の圧電体膜を形成する際の昇温レートを５０℃／ｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の圧電素子の製造方法。
8. 前記犠牲層を前記下電極と同一層で形成することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の圧電素子の製造方法。
9. 請求項１〜８の何れかに記載の圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子を具備することを特徴とするアクチュエータ装置。
10. 請求項９に記載のアクチュエータ装置を液体噴射手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。

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