JP2010199265A - 液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエーター装置の製造方法 - Google Patents

液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエーター装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】良好な変位特性を得ることができる液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエーター装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極を形成する工程と、第１電極の上方に圧電体前駆体膜を形成する工程と、圧電体前駆体膜を熱処理により結晶化させ、圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、第２電極を形成する工程と、第１電極と第２電極間との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で、圧電体膜で構成される圧電体層を加熱処理する第２の加熱工程と、を具備する。
【選択図】なし

Description

本発明は、第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子を有する液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエーター装置の製造方法に関する。
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つの電極で挟んで構成されたものがある。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、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等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分け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ある。
特開２００３−１６３３８７号公報
このような構成の圧電素子では、圧電材料層の変位特性のばらつきが比較的大きいことが問題となっていた。圧電体層が良好な変位特性を有していない場合、圧電素子の動きが低下してしまい、インクジェット式記録ヘッドの液体吐出条件の変更が必要となることがあった。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限定されず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、良好な変位特性を有する液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエーター装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極と、前記第１電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、前記圧電素子により圧力発生室に圧力を発生させてノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極の上に圧電体前駆体膜を形成する工程と、前記圧電体前駆体膜を熱処理により結晶化させ、圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、前記第２電極を形成する工程と、前記第１電極と前記第２電極間との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で、前記圧電体膜で構成される前記圧電体層を加熱処理する第２の加熱工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、圧電体層を構成する結晶に複合欠陥が生じても、第２の加熱工程において、複合欠陥を除去することができる。また、第２の加熱工程後の複合欠陥の再発生が抑制される。これにより、圧電体層の複合欠陥を低減し、良好な変位特性を有する圧電素子とすることができる。この結果、良好な液体吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。
また、前記第２の加熱工程は、前記第２電極を成膜し、前記圧電体層及び前記第２電極をパターニングした後に行うことが好ましい。これによれば、パターニングの際に複合欠陥が生じても、除去することができる。
前記第２の加熱工程は、酸素雰囲気下で行うのが好ましい。これによれば、圧電体層を構成する結晶に酸素欠陥（酸素空孔）が生じても、酸素欠陥に酸素を導入することができ、複合欠陥を除去できる。また、第２の加熱工程後の複合欠陥の再発生をより抑制できる。これにより、圧電体層の複合欠陥を低減し、良好な変位特性を有するものとすることができる。
前記第２の加熱工程では、前記第１電極と前記第２電極との間に１〜３０Ｖの電圧を印加するのが好ましい。これによれば、第２の加熱工程において圧電体層を構成する結晶の複合欠陥を好適に除去することができる。
前記圧電体層は厚さが５μｍ以下の場合、複合欠陥が生じやすいが、圧電体層の複合欠陥を低減させることができ、良好な変位特性を有するものとすることができる。
前記第１電極及び前記第２電極の少なくともいずれか一方が、ニッケル、銅、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、錫、オスミウム、イリジウム、白金、金及びビスマスからなる群から選択される少なくとも１つを含む場合でも、圧電体層の複合欠陥を低減させることができ、良好な変位特性を有するものとすることができる。
前記圧電体前駆体膜上に前記第２電極を形成した後、前記第１の加熱工程と、前記第２の加熱工程とを同時に行うのが好ましい。これによれば、少ない工程で、圧電体層の複合欠陥を低減し、良好な変位特性を有するものとすることができる。
前記圧電体前駆体膜を形成する工程及び前記第１の加熱工程を繰返し行って複数の圧電体膜を形成した後、当該圧電体膜上に最上層の圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜上に前記第２電極を成膜した後、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で加熱処理することにより、最上層の圧電体前駆体膜を熱処理して結晶化させ、最上層の圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、前記第２の加熱工程とを同時に行うのが好ましい。これによれば、最上層の圧電体膜を形成すると同時にその他の圧電体膜の複合欠陥を除去することができる。
さらに本発明の他の態様は、第１電極と、前記第１電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備するアクチュエーター装置の製造方法であって、前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極の上方に圧電体前駆体膜を形成する工程と、前記圧電体前駆体膜を熱処理により結晶化させ、圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、前記第２電極を形成する工程と、前記第１電極と前記第２電極間との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で、前記圧電体膜で構成される前記圧電体層を加熱処理する第２の加熱工程と、を具備することを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法にある。
かかる態様では、圧電体層を構成する結晶に複合欠陥が生じても、第２の加熱工程において、複合欠陥を除去することができる。また、第２の加熱工程後の複合欠陥の再発生が抑制される。これにより、圧電体層の複合欠陥を低減し、良好な変位特性を有するアクチュエーター装置を製造することができる。
実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 複合欠陥が形成されるメカニズムの模式図である。 複合欠陥が除去されるメカニズムの模式図である。 複合欠陥が除去されるメカニズムの模式図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 記録装置の概略構成の一例を示す斜視図である。
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一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、流路形成基板の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化膜からなる弾性膜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及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバー部３１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ーの一部を構成する。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。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
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によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
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、弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極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、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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。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アクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極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、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
本実施形態では、圧電素子３００は、白金からなる第１電極６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０と、イリジウムからなる第２電極８０とからなる。本実施形態では、第１電極６０が白金からなり、第２電極８０がイリジウムからなるようにしたが、特にこれに限定されず、第１電極６０及び第２電極８０は、それぞれ、例えば、ニッケル、銅、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、錫、オスミウム、イリジウム、白金、金、ビスマス、もしくはこれらの積層又は合金等の金属材料からなるようにしてもよい。なお、勿論、第１電極６０、第２電極８０は、これ以外の導電性材料から構成されていてもよい。
ここで、圧電体層７０は、詳しくは後述する製造方法によって形成されるものである。圧電体層７０の材料としては、実使用時に変位が十分得られるものであれば特に限定されないが、一般式ＡＢＯ３で示される酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト型構造を有するものが好ましい。圧電体層７０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、圧電体層７０は１〜５μｍの厚さであるのが好ましく、本実施形態では、圧電体層７０を１μｍ前後の厚さで形成した。
また、圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバー部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ー１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバーと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
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。圧電素子保持部３２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。
このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバー１００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、リザーバー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。
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と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー１００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、駆動回路１２０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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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、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、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。
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０が複数一体的に形成されるシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図３（ｃ）に示すように、白金からなる第１電極６０を絶縁体膜５５上に形成する。第１電極６０の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、物理蒸着法（ＰＶＤ法）などが挙げられる。この第１電極６０の材料は、上述したように特に限定されないが、本実施形態のように圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましいため、第１電極６０の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。
次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０を流路形成基板用ウェハー１１０の全面に形成する。なお、圧電体層７０の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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。なお、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な作成手順を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、第１電極６０上に圧電体膜の組成液７１を塗布する（塗布工程）。塗布工程で塗布する組成液７１は、ＰＺＴ前駆体膜を形成するための有機金属化合物を含むゾルのことである。
次いで、圧電体膜の組成液７１を熱処理することで、図４（ｂ）に示す非晶質の圧電体前駆体膜７２を形成した。具体的には、圧電体膜の組成液７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させて圧電体前駆体膜７２を形成する（乾燥工程）。例えば、本実施形態の乾燥工程では、流路形成基板用ウェハー１１０上に塗布された組成液７１を１５０〜１７０℃で３〜３０分保持することで乾燥することができる。
次に、乾燥工程によって乾燥した圧電体前駆体膜７２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）。本実施形態では、乾燥された圧電体前駆体膜７２を３００〜４００℃に加熱して約３〜３０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７２に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。
次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７２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７３を形成する（焼成工程）。この焼成工程では、圧電体前駆体膜７２を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、６８０℃で５〜３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７２を焼成して圧電体膜７３を形成した。この焼成工程は、請求項１の「第１の加熱工程」に該当する。
なお、このような乾燥工程、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。
次に、図５（ａ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７３を形成した段階で、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７３をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。これにより、２層目の圧電体膜７３を形成する際に、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７３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、下地の違いによる２層目の圧電体膜７３の結晶性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、第１電極６０とそれ以外の部分との境界近傍において、２層目の圧電体膜７３の結晶成長が良好に進み、結晶性に優れた圧電体層７０を形成することができる。また、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７３の側面を傾斜させることで、２層目以降の圧電体膜７３を形成する際の付き回りを向上することができる。これにより、密着性及び信頼性に優れた圧電体層７０を形成することができる。なお、第１電極６０及び１層目の圧電体膜７３のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
次に、図５（ｂ）に示すように、１層目の圧電体膜７３上を含む流路形成基板用ウェハー１１０上に、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を順次繰り返し行うことにより、複数層の圧電体膜７３からなる厚さ１μｍの圧電体層７０を形成する。ちなみに、本実施形態では、圧電体層７０が複数層の圧電体膜７３で構成されたものを例示したが、圧電体層７０は、一層の圧電体膜７３からなるものであってもよい。
次に、複数層の圧電体膜７３からなる圧電体層７０上に亘ってイリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０を成膜した後、図３（ｄ）に示すように、圧電体層７０及び第２電極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、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。圧電体層７０及び第２電極８０のパターニング方法としては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。
次に、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で圧電体層７０を加熱処理する（第２の加熱工程）。この第２の加熱工程により、圧電体層７０を構成する結晶に複合欠陥が生じていても、この複合欠陥を除去することができ、これにより、インクジェット式記録ヘッドの不良率を著しく減少させることができる。本願発明は、良好な変位特性が得られない原因の１つが圧電体層に形成される複合欠陥であるという知見に基づくものであり、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら、すなわち、圧電体層７０に電界を発生させた状態で、１５０℃以上の温度で加熱処理することにより、圧電体層の複合欠陥を有効に除去するというものである。
ここで、ＰＺＴからなる圧電体層７０に複合欠陥が形成されるメカニズムは、次のように予測される。図６（ａ）に、結晶に欠陥が生じる前のＰＺＴの結晶構造を示す。ＰＺＴの結晶が劣化することにより、図６（ｂ）に示すように、結晶中に＋２の電荷を持った酸素欠陥（Ｖ０ ２＋）ができる。また、ＰＺＴのＴｉ原子の位置に、Ｐｂ又は電極の材料に用いられている原子等が置換する。ここでは、Ｔｉ原子が第１電極６０の材料に用いられているＰｔ原子に置換した状態（ＰｔＴｉ ０）を示す。このＰｔＴｉ ０は、中性であるが、電子を取り込んで負に帯電することができる。
図６（ｃ）に示すように、ＰｔＴｉ ０が電子を取り込んで負に帯電してＰｔＴｉ −２となると、Ｖ０ ２＋とＰｔＴｉ −２が電気的に結合して、複合欠陥Ｖ０ＰｔＴｉが形成されると推定される。複合欠陥が形成される過程を下記式（１）に示す。
［式１］
２ｅ−＋ＰｔＴｉ ０＋Ｖ０ ２＋ → ＰｔＴｉ −２＋Ｖ０ ２＋
→ Ｖ０ＰｔＴｉ
この複合欠陥はエネルギー的に安定であり（１ｅＶ以上）、一度できると簡単には壊すことができない。すなわち、図６（ｃ）に示すように、複合欠陥が生じた場合、図６（ａ）に示すような、結晶構造に回復することは難しい。そして、圧電体層７０に複合欠陥が生じると、所望の変位特性を得ることができなくなってしまう。
このようにして形成したＰＺＴからなる圧電体層の複合欠陥は、第２の加熱工程で除去することができる。具体的には、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で加熱処理することにより、図７（ａ）に示すように、複合欠陥が乖離すると共に電圧の印加によりホールが注入される。言い換えれば、熱エネルギー及び電気的な反発により、複合欠陥が乖離すると共に負に帯電したＰｔＴｉ −２が中性となる（ＰｔＴｉ ０）。その結果、図７（ｂ）に示すように、複合欠陥が除去できる。複合欠陥が除去される過程を下記式（２）に示す。
［式２］
２ｈ＋＋Ｖ０ＰｔＴｉ → ［Ｖ０ＰｔＴｉ］２＋
→ ＰｔＴｉ ０＋Ｖ０ ２＋
このように、複合欠陥を乖離するだけではなく、結晶にホールを注入して負に帯電したＰｔＴｉ −２を中性に戻すことにより、圧電体層７０に複合欠陥が再形成され難くなる。すなわち、圧電体層７０の複合欠陥の再形成が抑制される。
この第２の加熱工程における電圧は、ショットキーバリアよりも高く且つ実使用の際の電圧よりも低くするのが好ましく、例えば、１〜３０Ｖが好ましい。また、第２の加熱工程の加熱温度は、１５０℃以上であり、液体噴射ヘッドの性能を劣化させることのない程度であれば特に限定されないが、第２電極８０の形成後すぐに第２の加熱工程を行う場合は、例えば、２００℃〜４００℃とすることができる。本実施形態では、印加電圧を２０Ｖとし、３００℃で３分間加熱した。
本実施形態では、第２の加熱工程を酸素雰囲気下で行った。なお、酸素雰囲気下とは、酸素の体積比率が５０〜１００％の雰囲気下であればよく、本実施形態では、酸素の体積比率が１００％の雰囲気下で第２の加熱工程を行った。第２の加熱工程を酸素雰囲気下で行うことにより、図８（ａ）に示すように、複合欠陥の乖離と同時に負に帯電したＰｔＴｉ −２が中性に戻ってＰｔＴｉ ０となる際に、酸素欠陥に酸素原子を導入することができる。その結果、図８（ｂ）に示すように、もとの結晶構造（図６（ａ）参照）と類似の結晶構造となる。これにより、複合欠陥の再形成をより抑制することができる。また、図６（ｂ）に示すような複合欠陥となる前の状態の結晶の酸素欠陥に、酸素原子を導入することができ、複合欠陥の発生を抑制することができる。
上述した複合欠陥は、圧電体層７０及び第２電極８０のパターニングの際に比較的多く発生しやすいが、本実施形態のように、圧電体層７０及び第２電極８０をパターニングした後に第２加熱工程を行うことにより、パターニングの際に圧電体層７０に複合欠陥が生じても除去することができる。このように圧電体層７０の複合欠陥を低減することで、圧電素子３００を駆動した際に、複合欠陥が要因となる変位特性の低下を抑制することができる。
次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０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９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５によって接合する。なお、保護基板３０には、リザーバー部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。そして、図９（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さにする。
次いで、図１０（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜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１０（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５２を介して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、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。
圧力発生室１２を形成後、所定の電圧である分極信号を圧電素子３００に所定時間印加して圧電素子３００を構成する圧電体層７０を分極させる分極処理工程を行う。これにより、電圧を繰返しかけても圧電素子３００の変位量は一定となる。この分極処理工程は、例えば、圧電素子３００に、使用予定の駆動電圧よりも十分に高い電圧（分極電圧）、例えば、１０〜３０ｋｖ／ｃｍの直流電界がかかる高電圧をかけて分極を行う。本実施形態では、駆動電圧が３０Ｖ前後であり、分極電圧は７０Ｖ前後に設定される。この分極処理工程により発生した分極の正負の向きによって圧電効果の正負が定まるため、分極処理工程の際に圧電素子３００にかける直流の電界の方向は、ヘッドの駆動素子として機能する圧電効果になるように極性を決定する。
その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー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、保護基板用ウェハー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ー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、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
以上説明したように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、圧電体層７０上に第２電極８０を成膜し、圧電体層７０及び第２電極８０をパターニングした後に、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら所定の温度で圧電体層７０を加熱処理する第２の加熱工程を酸素雰囲気下で行った。これにより、圧電体層７０は、複合欠陥が低減されたものとなり、良好な変位特性（圧電特性）を有するものとなる。これにより、インク吐出特性（液体噴射特性）に優れたインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
薄膜の圧電体層７０は、複合欠陥が生じやすいが、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、圧電体層の複合欠陥を低減することができ、また、圧電体層の複合欠陥の再形成を抑制することができるため、良好な変位特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。
（実施形態２）
実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図１１を用いて説明する。なお、実施形態２のインクジェット式記録ヘッドは、実施形態１と同様の構成からなる。
ここで、流路形成基板１０上に弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０を順に形成する方法、及び複数の圧電体膜７３の形成方法については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
図１１（ａ）に示すように、複数の圧電体膜７３上に圧電体膜の組成液を塗布し、圧電体膜の組成液を熱処理することで、最上層の圧電体前駆体膜７２を形成する（塗布工程及び乾燥工程）。そして、乾燥工程によって乾燥した圧電体前駆体膜７２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）。なお、複数の圧電体膜７３及び最上層の圧電体前駆体膜７２をあわせて圧電体層前駆体７４とする。
次に、図１１（ｂ）に示すように、圧電体層前駆体７４上に亘って、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極８０を形成する。そして、図１１（ｃ）に示すように、圧電体層前駆体７４及び第２電極８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングする。
次に、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら６５０℃〜７５０℃の温度で加熱処理する。これにより、最上層の圧電体前駆体膜７２を結晶化させて圧電体膜７３とすると共に、既に形成されている複数の圧電体膜７３の結晶に生じた複合欠陥を除去することができる。すなわち、最上層の圧電体前駆体膜７２を熱処理して結晶化させ、最上層の圧電体層を形成する第１の加熱工程と、第２の工程とを同時に行う。これにより、最上層以外の圧電体層７０の複合欠陥の除去と共に圧電体層７０を形成することができ、図１１（ｄ）に示すように、圧電素子３００が形成される。このときの複合欠陥の除去のメカニズムについては、実施形態１で述べた通りである。なお、最上層の圧電体膜７３は、圧電体層前駆体７４及び第２電極８０のパターニング後に結晶化させているため、パターニングによる複合欠陥は生じていない。
その後の工程については、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
以上説明したように、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、圧電体膜７３上に圧電体層７０となる溶液を塗布して最上層の圧電体前駆体膜７２を形成して圧電体層前駆体７４とし、圧電体層前駆体７４上に第２電極８０を形成した後、圧電体層前駆体７４及び第２電極８０を形成してパターニングし、電圧を印加しながら所定の温度で加熱処理した。これにより、最上層の圧電体膜７３を形成すると同時に、既に形成されていた複数の圧電体膜７３の複合欠陥を除去することができる。この方法でも実施形態１と同様に、圧電体層７０の複合欠陥を低減することができ、良好な変位特性（圧電特性）を有するものとすることができる。また、圧電体層７０は複合欠陥の再発生が抑制される。これにより、インク吐出特性（液体噴射特性）に優れたインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態１では、第２の加熱工程を、圧電体層７０及び第２電極をパターニングした後に行ったが、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に保護基板用ウェハー１３０を接合した後や、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成した後に行ってもよい。この場合は、接合時や、圧力発生室１２等の形成時に圧電体層７０に発生する複合欠陥も除去することができる。保護基板用ウェハー１３０の接合以降に第２の加熱工程を行う場合は、第２の加熱工程における加熱温度は、他の特性を劣化させないように、比較的低い温度、例えば、１５０〜４００℃程度に設定するのが好ましい。
また、第２の加熱工程は、圧電体層７０の分極処理工程の前後いずれに行ってもよい。なお、分極処理工程は、実施形態１では圧力発生室１２等を形成した後に行ったが、圧電素子３００を形成した後すぐに行ってもよい。
また、実施形態１及び２では、ＰＺＴからなる圧電体層７０の複合欠陥の除去について説明したが、本発明によれば、他の材料からなる圧電体層の複合欠陥も除去することができる。また、実施形態１及び２では、原子と空孔とが相互作用することによって生じた複合欠陥について説明したが、第２の加熱工程によって除去することができる複合欠陥はこれに限定されない。原子と原子とが相互作用することによって生じた複合欠陥や、空孔と空孔とが相互作用することによって生じた複合欠陥でも、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加しながら所定の温度で圧電体層７０を加熱処理する第２の工程により、除去することができる。
また、実施形態１では、第２の加熱工程を酸素雰囲気下で行ったが、酸素雰囲気下で行わなくてもよい。
また、上述した実施形態１及び２では、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス基板、ＭｇＯ基板等においても本発明は有効である。また、振動板の最下層に二酸化シリコンからなる弾性膜５０を設けるようにしたが、振動板の構成は、特にこれに限定されるものではない。
また、これらのインクジェット式記録ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図である。
図１２に示すように、本実施形態の液体噴射装置であるインクジェット式記録装置は、例えば、ブラック（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）等の複数の異なる色のインクが貯留される貯留室を有するインクカートリッジ（液体貯留手段）２が装着されたインクジェット式記録ヘッド１（以下、記録ヘッド）を具備する。記録ヘッド１はキャリッジ３に搭載されており、記録ヘッド１が搭載されたキャリッジ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。そして、駆動モーター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、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、図示しない給紙装置等により給紙された紙等の被記録媒体Ｓがプラテン８上を搬送されるようになっている。
また、上述したインクジェット式記録装置では、インクジェット式記録ヘッド１がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッド１が固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
なお、上述した実施形態１及び２では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論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、プリンター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ー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（電界放出ディスプレー）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、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子の製造方法に限られず、他の装置に搭載される圧電素子の製造方法にも適用することができる。
１ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバー部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子

Claims (9)

  1. 第１電極と、前記第１電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を備える圧電素子を具備し、前記圧電素子により圧力発生室に圧力を発生させてノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
    前記第１電極を形成する工程と、
    前記第１電極の上に圧電体前駆体膜を形成する工程と、
    前記圧電体前駆体膜を熱処理により結晶化させ、圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、
    前記第２電極を形成する工程と、
    前記第１電極と前記第２電極間との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で、前記圧電体膜で構成される前記圧電体層を加熱処理する第２の加熱工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
  2. 前記第２の加熱工程は、前記第２電極を成膜し、前記圧電体層及び前記第２電極をパターニングした後に行うことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  3. 前記第２の加熱工程は、酸素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  4. 前記第２の加熱工程では、前記第１電極と前記第２電極との間に１〜３０Ｖの電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  5. 前記圧電体層は厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  6. 前記第１電極及び前記第２電極の少なくともいずれか一方が、ニッケル、銅、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、錫、オスミウム、イリジウム、白金、金及びビスマスからなる群から選択される少なくとも１つを含むものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  7. 前記圧電体前駆体膜上に前記第２電極を形成した後に、前記第１の加熱工程と、前記第２の加熱工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  8. 前記圧電体前駆体膜を形成する工程及び前記第１の加熱工程を繰返し行って複数の圧電体膜を形成した後、当該圧電体膜上に最上層の圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜上に前記第２電極を成膜した後、
    前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で加熱処理することにより、最上層の圧電体前駆体膜を熱処理して結晶化させ、最上層の圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、前記第２の加熱工程とを同時に行うことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  9. 第１電極と、前記第１電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２電極と、を備えた圧電素子を具備するアクチュエーター装置の製造方法であって、
    前記第１電極を形成する工程と、
    前記第１電極の上方に圧電体前駆体膜を形成する工程と、
    前記圧電体前駆体膜を熱処理により結晶化させ、圧電体膜を形成する第１の加熱工程と、
    前記第２電極を形成する工程と、
    前記第１電極と前記第２電極間との間に電圧を印加しながら１５０℃以上の温度で、前記圧電体膜で構成される前記圧電体層を加熱処理する第２の加熱工程と、を具備することを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
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