JP2008087471A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極や圧電体の破壊や上下電極間のショートの発生が抑制された、信頼性が高く、また高速応答が可能で精密な吐出制御が可能な液体吐出ヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】インク吐出口１１２に連通し液体を加圧するための複数のインク圧力室１１１を有する。複数のインク圧力室１１１の各々に対応して設けられ、インク圧力室１１１の側から順に積層された下電極１０５、圧電体層１０７及び上電極１０８を有する複数の圧電素子１０９を有する。インク圧力室１１１同士の間に対応する領域にまで下電極１０５が設けられている。少なくとも複数の圧力室１１１同士の間に対応する領域に設けられた下電極１０５をすべて覆う絶縁体層１０６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体に外部からエネルギを加えることによって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。本発明に係る液体吐出ヘッドは、紙、布、革、不織布、ＯＨＰシート等に印刷するインクジェット記録ヘッドや、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能である。以下、代表的にインクジェット記録ヘッドについて説明する。

パソコンの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタが、印字性能が良く、低コストなので広く利用されるようになっている。このインクジェット記録装置には、熱エネルギによってインクに気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等が開発されている。

上記インクジェット記録装置のうち、圧電素子を用いたものは、インク吐出口に連通したインク流路と、そのインク流路に連通した圧力発生室とを有する。そして、この圧力発生室に設けられ、圧電体薄膜が接合された振動板膜圧電体薄膜に所定の電圧を印加すると、圧電体薄膜が伸縮する。この圧電体薄膜の伸縮によって、圧電体薄膜と振動板膜とが一体となって振動を起こして圧力発生室内のインクが加圧されて圧縮され、それによりインク吐出口からインク液滴が吐出するような構成である。

このようなインクジェット記録ヘッドにおいては、近年の画像形成の高精細化の要求に伴い、流路基板のインク圧力室、及び圧電素子等の圧力発生源を高密度かつ多数配列した高集積化が行われている。

これらの要求に応えるため、ピエゾ型のインクジェット記録ヘッドにおいては、例えば振動板の全面に成膜技術により電極や圧電体を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてインク圧力室に対応した電極や圧電体を加工するものが提案されている。成膜技術とフォトリソグラフィ技術を用いることにより高密度なインクジェット記録ヘッドが実現されている。また流路基板やオリフィスプレートにＳｉ基板や金属部材を用いることで高精度な流路や吐出口の形成が可能となっている。

一般的に、圧電体は各々のインク圧力室に対応しインク圧力室幅より狭い幅になるよう加工される。インク圧力室に対応しない圧電体はすべて除去される。またこれらの圧電体の加工は、近年、塩素系ガス等を用いたドライエッチング技術が導入されている。フッ酸や酸系の溶液でのウエットエッチングに比べてエッチングレートやエッチング形状が制御しやすく、高精度な加工が可能となっている。

圧電素子の絶縁耐圧を向上させる方法として、特許文献１では、Ｐｂ含有ペロブスカイト材料と非Ｐｂ含有ペロブスカイト材料を積層させる技術が開示されている。また、特許文献２には、圧電体層を階段状に形成して、下電極を覆うようにして保護する技術が開示されている。

また、特許文献３においては、圧電素子から外部へ引き出される電極の上電極と下電極の間に層間絶縁層を入れることにより、圧電体層の破壊を防ぐ技術が開示されている。
特開平２００４−１８６５７４号公報 特開平９−２７７５１９号公報 特開２０００−３７８６８号公報

ドライエッチング法による圧電体の加工の際、下電極がパターニングされていない構成の場合は下電極がエッチングストップ層となる。このような構成で圧電体の加工を行うと下電極も僅かながらエッチングされることとなる。特に下電極にＰｔ電極を用いている場合は、圧電体加工に用いる塩素ガスでＰｔ表面をたたき相当量のＰｔ電極がエッチングされてしまう。

特に圧電体としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような難エッチング材料を用いる場合には、スパッタ的要素が強いエッチング条件を使うことが多い。この際、圧電体のエッチングの際に下電極が露出してしまうと、下電極材料がスパッタされ、加工された圧電体の端面に付着することがある。圧電体端面に金属が付着すると上下電極間のショートや圧電体薄膜の破壊を引き起こす原因となる。

また駆動部となる圧電体薄膜近傍の下電極が露出していると、駆動中に上下電極間でショートが生じたり、電極や圧電体薄膜の破壊を招く原因になるという問題点がある。

さらに、圧電体は一般的に高い誘電率を有するため、素子としての静電容量が大きく、駆動波形に対する応答速度が遅く、精密な吐出のための駆動波形に追随しきれない場合がある。特に配線のための引出部分に於ける静電容量は本質的に不要であり、低減することを求められている。

そこで、本発明の目的は前記課題を解決し、電極や圧電体の破壊や上下電極間のショートの発生が抑制された、信頼性が高く、また高速応答が可能で精密な吐出制御が可能な液体吐出ヘッド及びその製造方法の提供を目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための圧力室の複数と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられた液体吐出ヘッドであって、少なくとも前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた前記下電極をすべて覆う絶縁体層が形成されていることを特徴とする。

更に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための圧力室の複数と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を絶縁体層がすべて覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記下電極の上に絶縁体層を形成する工程と、前記絶縁体層の上に前記圧電体層の材料層を形成する工程と、前記圧電体層の材料層の、前記複数の圧電素子同士の間の部分をエッチングして前記絶縁体層を露出させる工程と、を含むことを特徴とする。

以上述べたように本発明によれば、液体吐出ヘッドの加工時に不純物が圧電体側壁に付着することが無くなり、また上下電極間の耐圧が向上し、歩留まり良く耐久性の高くなる。さらに、信頼性が高く、また高速応答が可能で精密な吐出制御が可能な液体吐出ヘッドが得られる。

［第１の実施形態］
図１は本実施形態の液体吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはＳｉウエハが用いられる。Ｓｉ基板１０１上に、ＳｉＯ₂層（ボックス層）１０２、振動板としてＳｉ単結晶層（ＳＯＩ層）１０３、ＳｉＯ₂層１０４、圧電素子として下電極１０５、絶縁体層（以下、「絶縁層」とも称す）１０６、圧電体層１０９、上電極１０８が順次形成されている。

絶縁層１０６としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＣ、ＹＳＺ、ＺｒＯ₂、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＯ₂などの高温に耐えうる電気的に絶縁性の高い膜が用いられる。また絶縁層１０６は、圧電体層１０７と積層されたときに圧電体層１０７の方に大きい電界強度がかかるように、誘電率が圧電体層１０７より高い方が望ましい。更に絶縁層１０６は、エッチングストップ層として用いられるので、圧電体層１０７より被エッチング速度が高いことが望ましい。加えて絶縁層１０６は、薄ければ薄いほど電圧がかからないので望ましいが、膜として成り立って強電界で破壊されない程度の膜厚をもつことが望まれる。具体的には、膜厚は２０〜２００ｎｍが望ましく、４０〜２００ｎｍがより望ましい。

圧電体層１０７としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、リラクサ系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を持つ圧電体が用いられる。

基板１０１には振動板の下にインク圧力室１１１を形成するためにエッチングによって穴が空けられている。さらに、オリフィス用Ｓｉ基板１１３を貼り合わせ、インク圧力室１１１に合わせてインク吐出口１１２が形成されている。

インクを加圧するためのインク圧力室１１１は、エッチングと貼り合わせを組み合わせて作製され、有効にインクに吐出力を待たせられるものであれば、構造はここに記したものに限らない。

振動板は、インク圧力室１１１、インク圧力室１１１を区切る隔壁及び隔壁上に形成されている。また、絶縁層１０６は、隣接する圧電素子間の隔壁上にも形成されている。すなわち、絶縁層１０６は複数のインク圧力室同士の間に対応する領域に設けられた下電極１０５をすべて覆うように形成されている。

また、図２のように下電極上の絶縁体層１０６に加えて、絶縁体層１０６が上電極１０８の下に位置してもかまわない。図２は別の実施形態の記録ヘッドの長手方向の断面模式図である。本実施形態では、図中に示す配線部において上電極１０８の下にも絶縁層１０６を設けている。この構成により、下電極１０５と上電極１０８間のショートの発生防止をより確実にするとともに、配線部の静電容量を大幅に低減することができる。

次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセス例を図３Ａおよび図３Ｂを用いて順を追って説明する。
（１）ＳＯＩ層１０３を有するシリコン基板１０１に、熱酸化処理により熱酸化膜（ＳｉＯ₂層）１０４を形成する。
（２）この熱酸化膜１０４の上に、下電極１０５としてＰｔ／Ｔｉをスパッタ法などで成膜し、さらにその上にＬＰＣＶＤ法、スパッタ法などにより、絶縁膜１０６を堆積する。下電極１０５の厚さは、３００〜１０００Å、絶縁層１０６の厚さは１０００Å〜１μｍ程度である。
（３）絶縁膜１０６の上に、スパッタやＣＶＤ等の方法でチタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分とした薄膜を堆積し、６００〜８００℃で焼成し圧電体層１０７の材料層とする。圧電体層１０７上に、Ｐｔ／Ｔｉなどの金属を堆積し、パターニングして上層電極１０８を形成する。
（４）圧電体層１０７をエッチングして圧電体素子１０９を形成する。この際に、ドライエッチング法で絶縁層１０６をエッチングストップ層に用いる。絶縁層１０６をエッチングストップ層に用いることによって、下電極１０５のＰｔ／Ｔｉなどがオーバーエッチされてしまい圧電体素子１０９の端面に付着してしまう、といったことが防止できる。このドライエッチングによって少なくとも圧電素子同士の間の部分の絶縁体層が露出する。

また、ドライエッチングによって表面が暴露（露出）された部分の絶縁層１０６は、圧電体層１０７の下の絶縁層１０６より薄くなっている方が好ましい。これは、暴露された絶縁層１０６部分が薄いほど振動板全体の拘束が小さくなるためである。
（５）レジストパターニング後に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法を用いて、圧電素子部の下部にインク圧力室１１１を形成する。
（６）別のシリコン基板に、同じくＩＣＰ法を用いてインク吐出口１１２を形成し、オリフィスプレート１１３とする。
（７）前述したパーツを接合し、インクジェット記録ヘッド１１４が完成する。
［実施例１−１］
図１は本実施例を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはシリコンＳＯＩウエハが用いられる。２００μｍ厚のＳｉ基板１０１上に、ＳｉＯ₂層（ボックス層）１０２が１μｍ、振動板としてＳｉ単結晶層（ＳＯＩ層）１０３が５μｍ、ＳｉＯ₂層１０４が３０００Åを形成した。また、圧電素子として、下電極１０５、絶縁膜１０６、圧電体層１０９、上電極１０８を以下の厚みで順次形成した。下電極１０５はＰｔ／Ｔｉ＝３０００／３００Å、絶縁膜１０６はＡｌ₂Ｏ₃＝４０００Åとした。また、圧電体層１０９はＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃ペロブスカイト型酸化物（ＰＺＴ）＝２．７μｍ、上電極１０８はＰｔ／Ｔｉ＝３０００／３００Åとした。

基板１０１には振動板の下にインク圧力室１１１を形成するためにエッチングによって穴を空けた。さらに、２００μｍ厚のオリフィス用シリコン基板１１３を貼り合わせ、インク圧力室に合わせて直径４０μｍφのインク吐出口１１２を形成した。

インク圧力室の幅は１００μｍ、奥行きは３ｍｍ、素子間のピッチは１２０μｍとした。

このヘッドを使い、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行ったところ、２×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
［比較例１−１］
図４は、本発明との比較のために作製したインクジェット記録ヘッドの模式的な断面図である。絶縁膜１０６を設けない点以外は実施例１と同様の素子を作製した。このヘッドを使い、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行ったところ、５×１０⁹回で不吐出の部分が発生した。
［実施例１−２］
図５のように、絶縁層１０６をオーバーエッチングして、圧電体層１０７下以外の部分の膜厚１１４を２０００Åと薄くした。他の構造は、実施例１−１と同様にした。アクチュエータ部の変形を測定したところ、３０Ｖの電圧を印可したときの変位が、実施例１のものに比べて、８％大きくなっていた。印字テストでは、２×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
［実施例１−３］
次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセスを再び図３Ａ、図３Ｂを用いて順を追って説明する。
（１）１μｍのボックス層１０２、５μｍのＳＯＩ層１０３を持った、厚さ２００μｍのシリコン基板１０１に、熱酸化で３０００Åの熱酸化膜（ＳｉＯ₂層）１０４を形成した。
（２）この上に、下電極１０５としてＰｔ／Ｔｉ＝３０００／３００Åをスパッタ法で成膜し、さらにその上にスパッタ法により、絶縁膜１０６としてＴａ₂Ｏ₅を３０００Å堆積した。
（３）この絶縁膜１０６に、スパッタ法でＰＺＴを３μｍ堆積し、７００℃で５時間焼成し圧電体層１０７とした。圧電体層１０７上に電極として、Ｐｔ／Ｔｉ＝３０００／３００Åをスパッタ法で成膜し、パターニングして上電極１０８を形成した。
（４）圧電体層１０７をＣ₄Ｆ₈とＣｌ₂を使ってドライエッチングして圧電体素子１０９を形成した。この際に、Ｔａ₂Ｏ₅層がエッチングストップ層として機能した。
（５）レジストパターニング後に、ＳＦ₆とＣ₄Ｆ₈を交互に導入しＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法を用いて、Ｓｉをボックス層まで掘り込み、圧電素子部の下部にインク圧力室１１１を形成した。
（６）厚さ１５０μｍの別のシリコン基板に、同じくＩＣＰ法を用いて直径４０μｍのインク吐出口１１２を形成し、オリフィスプレート１１３とする。
（７）前述したパーツにＡｕ／Ｔｉ＝１０００／３００Åスパッタで成膜し、真空接合機にて３００℃で３ＭＰａの圧力を掛け接合した。これで、インクジェット記録ヘッド１１４が完成する。

ヘッド各部の寸法は、実施例１−１のものと同様とした。このヘッドを使い、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行ったところ、３×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。

以上本実施形態によれば、圧電体膜と下電極の間に積層した絶縁層によって、圧電素子エッチング後に形成される圧電素子の端面部の電気的リークによる故障が抑制される。また、圧電材料とエッチング速度の異なる絶縁層を下電極上に設けることにより、下電極がオーバーエッチされることがなくなり、下電極物質の飛散による素子部の汚染が抑制される。
［第２の実施形態］
図６（Ａ）は本実施形態のインクジェット記録ヘッドの断面模式図であり、図６（Ｂ）のＡ−Ａ'部における断面を示している。基板としてはＳｉウエハが用いられる。Ｓｉ基板１０１上に、ＳｉＯ₂層（ボックス層）１０２、振動板としてＳｉ単結晶層（ＳＯＩ層）１０３、圧電素子として下電極１０５、絶縁層１０６、圧電体層１０７、上電極１０８が順次形成されている。

絶縁層１０６としては、第１の実施形態に記載した通りである。

圧電体層１０７としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、リラクサ系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を持つ圧電体が用いられる。

基板１０１には振動板の下にインク圧力室１１１がエッチングによって穴が空けられて形成されている。さらにインク連通部１１５、インク吐出口１１２が形成されたオリフィスプレート１１３が接合されてインクジェット記録ヘッドが形成されている。オリフィスプレート１１３としてはＳＵＳ基板やＳｉ基板を用いることができる。

インク圧力室は、液体であるインクに有効に吐出力を持たせられるものであれば、構造や材質、製法はここに記したものに限らない。また、電極材料や絶縁膜、圧電体の形成方法も適宜適当な形成方法を用いることができる。

振動板は、インク圧力室を区切る隔壁及び隔壁上に形成されている。また、絶縁層１０６は、隣接する圧電素子間の隔壁上にも形成されている。

また、図６（Ｂ）は本発明によるインクジェット記録ヘッドの圧電素子部の俯瞰模式図である。ここで、圧電素子部とは、インク圧力室１１１に対応する部分の下電極１０５、圧電体層１０７、上電極１０８を意味する。上電極１０８の幅は圧電体層１０７の幅よりも狭く、下電極１０５の幅は圧電体層１０７の幅よりも広い。絶縁層１０６は、圧電体層１０７と下電極１０５との間に設けられており、圧電体層１０７の下部分の圧電体下絶縁層１０６ｃと、下電極１０５と圧電体層１０７とを電気的に接触させるための非形成領域１０６ｄとが形成されている。また、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、圧電素子部の外周部に絶縁層１０６が形成され、下電極１０５を被覆している構造になっている。

また、図７のように圧電素子部においては、圧電素子部の長手方向の外縁に沿って絶縁膜で覆い、短手方向周辺を絶縁膜で覆わない構造も取りうる。この場合、図６（Ｂ）に示す構造に比べ、圧電素子部の短手方向周辺の下電極１０５が露出するため、上下電極間のショート発生確率が若干上昇してしまう。しかしながら、絶縁層１０６による圧電素子部の拘束が弱まるため、同じ電圧をかけたときの変位は向上する。

図６（Ｂ）、図７のいずれの構造においても、引出電極などのために圧電体層１０７は圧電素子部以外の部分にも延長され、また、圧電体層１０７の一端の少なくとも一端はインク圧力室の一端を跨いでインク圧力室の領域外にも延設されている（不図示）。この圧電素子部以外に存在する圧電体層１０７と下電極１０５の間には絶縁層１０６を設けることにより、電極間の間に絶縁層１０６のみ、または圧電体層１０７のみが存在する場合よりも静電容量を低減できるため、高速な駆動が可能となる。特に、本実施形態の場合、非形成領域１０６ｄが形成されていることで下電極１０５と圧電体層１０７とが電気的に接触している。絶縁層を介して電極と圧電体層が存在する構成のほうが圧電体層に電界はかかるものの、下電極１０５と圧電体層１０７とが接触する本実施形態のほうが圧電素子としての性能がよりよい。

図８は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの長手方向断面図であり、図６（Ｂ）のＢ−Ｂ'断面の模式図である。図８においてはオリフィスプレートなどの構造は省略している。図８に示すように、インク圧力室上以外の圧電体層１０７や下電極１０５の存在する部分は、単に配線のために存在する。配線部分においては、上電極１０８、圧電体層１０７、下電極１０５の構造はコンデンサとなり、不要な静電容量が生じる。従って、この部分の下電極１０５と圧電体層１０７は絶縁層１０６によって完全に遮断しておくことが望ましい。絶縁層１０６として、圧電体層１０７よりも誘電率の低い材料を選択することにより、この部分の静電容量を低減することができ、より高速な応答が可能となる。

次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドのプロセス例を図９Ａ、図９Ｂを用いて順を追って説明する。
（Ａ）ＳＯＩ層である振動板層１０３、ボックス層である酸化膜１０２を持ったシリコン基板１０１に、下電極１０５としてＰｔ／Ｔｉを形成し、さらにその上に絶縁層１０６を形成する。絶縁層としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＣなどが適用可能である。
（Ｂ）形成した絶縁層１０６をパターニングし、非形成領域１０６ｄを形成する。
（Ｃ）パターニングした絶縁層１０６上に、チタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分とした薄膜を堆積し、６００〜８００℃で焼成し圧電体層１０７とする。圧電体層１０７上に下電極１０６として、Ｐｔ／Ｔｉなどの金属を形成する。
（Ｄ）上電極１０８のパターニングを行う。
（Ｅ）圧電体層１０７をエッチングして素子分離を行い、圧電素子１０９を形成する。この際に、ドライエッチング法で絶縁層１０６をエッチングストップ層に用いる。絶縁層１０６をエッチングストップ層に用いることによって、下電極１０５のＰｔ／Ｔｉなどがスパッタされて、圧電体素子端面に付着することが防止できる。

また、ドライエッチングによって表面が暴露された部分の絶縁層１０６は、圧電体層１０７の下の絶縁層１０６ｃより薄くなっている方が好ましい。これは、暴露された絶縁層部分が薄いほど振動板全体の拘束が小さくなるためである。
（Ｆ）レジストパターニング後に、シリコン基板１０１を、圧電素子１０９が形成された面と対向する側からエッチングを行い、圧電素子１０９の下部にインク圧力室１１１を形成する。
（Ｇ）別のシリコン基板に、インク連通部１１５及びインク吐出口１１２を形成し、オリフィスプレート１１３とする。
（Ｈ）前述したパーツを接合し、インクジェット記録ヘッド１１４が完成する。
［実施例２−１］
図６は本発明による実施例を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはシリコンＳＯＩウエハを用いた。２００μｍ厚のＳｉ基板１０１上に、ＳｉＯ２層（ボックス層）１０２が１μｍ、振動板としてＳｉ単結晶層（ＳＯＩ層）１０３が５μｍである。このＳＯＩ層１０３の上に熱酸化膜ＳｉＯ₂層を３００ｎｍ形成している（不図示）。その上に下電極１０５としてＰｔ３００ｎｍ／Ｔｉ３０ｎｍ、絶縁層１０６としてＳｉＯ₂を３００ｎｍを形成し、絶縁層１０６の一部をエッチングによって除去し、非形成領域を形成した。その後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）２．７μｍの圧電体層１０７、Ｐｔ／Ｔｉ＝３００／３０ｎｍの上電極１０８を順次形成し、上電極１０８、圧電体層１０７を順次エッチングして圧電素子１０９を形成した。本実施例に上げた振動板やＰＺＴ、電極、絶縁膜などの厚さは一例を示したのみであり、用途に応じて適宜変更することが可能である。絶縁層１０６は変位の阻害、エッチングストップ層としての機能を考えるとＳｉＯ₂を用いた場合には１０ｎｍ〜１０００ｎｍあたりが適当である。

基板１０１には振動板の下にインク圧力室１１１を形成するためにエッチングによって穴を空けた。さらに、インク連通部１１５、インク吐出口１１２を有する２００μｍ厚のオリフィス用シリコン基板１１３を貼り合わせ、インクジェット記録ヘッドを作製した。

インク圧力室の幅は１００μｍ、奥行きは３ｍｍ、素子間のピッチは２２０μｍとした。

このヘッドを使い、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行ったところ、２×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
［比較例２−１］
絶縁層１０６を形成しない以外は実施例２−１と同様の素子を作製し、このヘッドを使って、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行った。その結果、５×１０⁹回で上下電極間でショートが発生し、不吐出となった。
［実施例２−２］
図１０のように、絶縁層１０６をオーバーエッチングして、圧電体層１０７下以外の部分の絶縁層１０６ｂを２００ｎｍと薄くした。他の構造は、実施例２−１と同様にした。圧電素子部の変形を測定したところ、３０Ｖの電圧を印可したときの変位が、実施例２−１のものに比べて、８％大きくなっていた。印字テストでは、２×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
［実施例２−３］
次に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法を図９Ａ、図９Ｂを使って順を追って説明する。
（Ａ）１μｍのＳｉＯ₂層であるボックス層１０２、５μｍのＳＯＩ層１０３を持った、厚さ２００μｍのシリコン基板１０１に下電極１０５としてＰｔ／Ｔｉ＝３００／３０ｎｍをスパッタ法で成膜した。さらにその上にスパッタ法により、絶縁層１０６としてＴａ₂Ｏ₅を３００ｎｍ堆積した。
（Ｂ）次に形成した絶縁層１０６の一部をエッチングによって除去し、非形成領域１０９を形成した。
（Ｃ）非形成領域１０９を形成した絶縁層１０６上にスパッタ法でＰＺＴを３μｍ堆積し、酸素雰囲気中にて７００℃で５時間焼成し圧電体層１０７とした。さらに圧電体層上に電極として、Ｐｔ／Ｔｉ＝３００／３０ｎｍをスパッタ法で成膜した。
（Ｄ）形成したＰｔ／Ｔｉ＝３００／３０ｎｍをパターニングして上電極１０８を形成した。
（Ｅ）圧電体層１０７をＣ₄Ｆ₈とＣｌ₂をエッチングガスとして用いたドライエッチングを行い、圧電体素子１０９を形成した。この際に、Ｔａ₂Ｏ₅層がエッチングストップ層として機能した。
（Ｆ）レジストパターニング後に、シリコン基板１０１を、圧電素子が形成された面と対向する面からボックス層１０２をストップエッチング層として用い、エッチングを行った。エッチング方法としては垂直深堀りが可能な方法が好適である。本実施例においてはプラズマ源として高密度プラズマを生成できるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用い、エッチングガスとしてＳＦ₆及びＣ₄Ｆ₈を用いた、いわゆるボッシュプロセスを用いてエッチングを行った。ボックス層１０２が露出するまでエッチングを行った後、バッファードフッ酸を用いて露出したボックス層を除去し、インク圧力室１１１を形成した。
（Ｇ）厚さ１５０μｍの別のシリコン基板に、同じくＩＣＰ法を用いてインク連通部１１５と直径３０μｍのインク吐出口１１２を形成し、オリフィスプレート１１３とする。
（Ｈ）前述したパーツにＡｕ／Ｔｉ＝１００／３０ｎｍスパッタ法で成膜し、真空接合機にて３００℃で３ＭＰａの圧力を掛け接合した。これで、インクジェット記録ヘッドが完成する。

ヘッド各部の寸法は、実施例２−１と同様とした。このヘッドを使って、粘度２ｃｐの水性インクを用いて、３０ＫＨｚで３ｐｌの液滴、幅１２．５ｍｍで印字テストを行ったところ、３×１０¹⁰回まで不吐出のない高品位な印字物が得られた。

以上本実施形態によれば、一部が圧電体の下部まで延長されるように絶縁層を下電極上に設けることにより、下電極が圧電体のエッチングの際に露出してスパッタされることがなく、下電極物質の飛散による素子部の汚染が抑制される。また、圧電体よりも誘電率の低い絶縁体を圧電体と下電極の間に介在させることにより、素子としての静電容量を低減することができ、駆動波形に対してより高速に応答できるため、精密な吐出制御が可能となる。

本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの断面図である。 本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの他の例の断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。 本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。 比較例のインクジェット記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施例１−２によるインクジェット記録ヘッドの断面図である。 本発明の第２の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの断面図および上面図である。 本発明の第２の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの他の例の上面図である。 本発明の第２の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの長手方向断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。 本発明の第２の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの作製フローである。 本発明の実施例２−２におけるインクジェット記録ヘッドの断面図である。

符号の説明

１０５ 下電極
１０６ 絶縁膜
１０７ 圧電体層
１０８ 上電極
１０９ 圧電素子
１１１ インク圧力室
１１２ インク吐出口
１１４ インクジェット記録ヘッド

Claims (7)

1. 液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための複数の圧力室と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する複数の圧電素子と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられた液体吐出ヘッドであって、
   少なくとも前記複数の圧力室同士の間に対応する領域に設けられた前記下電極をすべて覆う絶縁体層が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記圧電体層の少なくとも一端は前記圧力室に対応する領域外へ延設されており、前記圧電体層は幅が前記上電極より広く前記下電極より狭く、前記絶縁体層は少なくとも前記圧電素子の長手方向の外縁に沿って形成されており、前記下電極と前記圧電体層とを電気的に接触させるための、前記絶縁体層が形成されていない部分が設けられている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記絶縁体層は少なくとも前記圧電素子のすべての外周に沿って形成されている請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記絶縁体層は前記圧電体層より厚さが薄い請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記絶縁体層は、前記圧電体層に対応する部分以外の部分が、前記圧電体層に対応する部分より厚さが薄い請求項１ないし４のいずれか１項にに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 液体を吐出する吐出口に連通し液体を加圧するための圧力室の複数と、該複数の圧力室の各々に対応して設けられ、該圧力室の側から順に積層された下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子の複数と、を有し、前記複数の圧力室同士の間に対応する領域にまで前記下電極が設けられ、少なくとも前記領域に設けられた前記下電極を絶縁体層がすべて覆う液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記下電極の上に絶縁体層を形成する工程と、
   前記絶縁体層の上に前記圧電体層の材料層を形成する工程と、
   前記圧電体層の材料層の、前記複数の圧電素子同士の間の部分をエッチングして前記絶縁体層を露出させる工程と、
   を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記エッチングはドライエッチングであり、前記下電極はＰｔを含む請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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