JP2010247495A - 圧電素子及び液体噴射ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】保護膜の耐電圧が高く、圧電体の絶縁破壊が起こりにくい圧電素子を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電体(14)と、この圧電体(14)を挟む二つの電極(13,15)と、圧電体(14)と二つの電極(15)とを被覆する保護層(16,19)と、この保護層の表面(16)及びこの保護層内(16,19)のうち少なくともいずれかに形成される帯電防止層(17)と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】圧電体(14)と、この圧電体(14)を挟む二つの電極(13,15)と、圧電体(14)と二つの電極(15)とを被覆する保護層(16,19)と、この保護層の表面(16)及びこの保護層内(16,19)のうち少なくともいずれかに形成される帯電防止層(17)と、を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電素子及び液体噴射ヘッドに関し、特に、帯電による圧電体の絶縁破壊を防止するようにした圧電素子及び液体噴射ヘッドに関する。
圧電素子は、電圧の印加により、伸張、収縮する特性を持つ。この圧電素子は、例えば、振動板の駆動源として使用され、液体を吐出する液体噴射ヘッド（インクジェットヘッド）のアクチュエータとして使用されている。
微細加工が必要とされる液体噴射ヘッドの圧電素子としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の強誘電性圧電材料が使用される。このＰＺＴは、インクや水分（湿気）等の外部環境に起因して耐圧等が劣化する傾向がある。これを防止するために、例えば、特開２００５−１７８２９３号公報（引用文献１）では、圧電素子を保護層で覆うことを提案している。保護層としては、絶縁性が高く、誘電率は低く、水分バリア性の高い材料が望ましい。また、高変位化するために、ヤング率の低い材料が望ましい。
しかしながら、絶縁性の高い材料の保護層は、通常誘電率も高く、帯電しやすい。また、それほど誘電率が高くない材料であっても周囲環境中の静電気によって保護層が帯電する場合も考えられる。保護層が帯電すると、これに接する圧電体の絶縁破壊の原因となる。
よって、本発明は、静電気の影響を受けにくいようにした圧電素子を提供することを目的とする。また、本発明は静電気の影響を受けにくいようにした圧電型の液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。
上記課題を達成する本発明に係る圧電体素子の一態様は、圧電体と、上記圧電体を挟む二つの電極と、上記圧電体及び上記二つの電極とを被覆する保護層と、上記保護層の膜表面及び上記保護層の層内のうち少なくともいずれかに形成される帯電防止層と、を有する。
かかる構成とすることによって、保護層に生じた正負の電荷が帯電防止層を移動して中和し、保護層内の残留電荷が減少して圧電体における絶縁破壊が防止される。
上記帯電防止層が、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤及びポリマー系帯電防止剤のうち少なくともいずれか一つを含むことが望ましい。これ等材料によれば、膜形成が容易であり、帯電防止とリーク電流の防止の点から適当な比抵抗値を得やすい利点がある。
上記帯電防止層の比抵抗は、１０5〜１０12 ［Ω・ｃｍ］であることが望ましい。それにより、帯電防止とリーク防止とを図ることが可能となる。
上記保護層が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び酸化アルミニウムのうちいずれかを含むことが望ましい。水分バリア性、絶縁性、柔軟性、ヤング率等の点で望ましい材料である。
上記保護層が、パラキシリレン系、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、フェノール系及び有機/無機ハイブリッド系の材料のうちいずれかを含むことが望ましい。これらの材料は、疎水性が高く、ガスをほとんど透過しない。
上記保護層が、感光性材料を含むことが望ましい。それにより、保護層のパターニングが容易となる。
また、本発明に係る液体噴射ヘッドの一態様は、圧電体と、上記圧電体を挟む二つの電極と、上記圧電体及び上記電極とを被覆する保護層と、上記保護膜表面及び上記保護層内のうち少なくともいずれかに形成される帯電防止層と、上記圧電素子が配置された振動板と、上記振動板を壁面の一部とする圧力発生室と、上記圧力発生室に連通する噴射口と、を有する。
かかる構成とすることによって、保護層に生じた帯電による圧電体の絶縁破壊を防止可能な液体噴射ヘッドが得られて望ましい。
また、本発明に係る圧電素子の製造方法の一態様は、第１の電極層上に圧電体を形成する工程と、上記圧電体上に第２の電極を形成する工程と、上記第２の電極上及び上記圧電体の側面を覆う保護層を形成する工程と、上記保護層の帯電電荷を除く除電処理を行う工程と、除電された上記保護層の上面に帯電防止層を形成する工程と、を含む。
かかる構成とすることによって、帯電防止層の形成前に保護層の残留電荷が除去され、帯電防止層による効果が向上する。
また、本発明に係る液体噴射装置の一態様は、上述した液体噴射ヘッド（圧電素子）を備えることにより、帯電による破壊が防止され、信頼性が向上して望ましいものである。
本発明では、圧電体における絶縁破壊を防止するために、圧電体を被覆する保護膜の表面又は内部に帯電防止層が形成されている。
（実施例１）
図１は、本発明の圧電素子を使用した液体噴射ヘッドの構成例を示している。同図に示すように、液体噴射ヘッド１は、インクが充填される空洞やノズルが形成された基板１１と、基板１１上に形成された弾性体層（振動板）１２と、下部電極１３と、下部電極１３上に形成された圧電体１４と、圧電体１４上に形成された上部電極１５と、圧電体１４の側面及び上部電極１５上を覆って圧電体１４への水分等の侵入を阻止する保護層１６と、保護層１６の上に形成されて保護層１６の帯電を防止する帯電防止層１７等を含んで構成される。
図１は、本発明の圧電素子を使用した液体噴射ヘッドの構成例を示している。同図に示すように、液体噴射ヘッド１は、インクが充填される空洞やノズルが形成された基板１１と、基板１１上に形成された弾性体層（振動板）１２と、下部電極１３と、下部電極１３上に形成された圧電体１４と、圧電体１４上に形成された上部電極１５と、圧電体１４の側面及び上部電極１５上を覆って圧電体１４への水分等の侵入を阻止する保護層１６と、保護層１６の上に形成されて保護層１６の帯電を防止する帯電防止層１７等を含んで構成される。
圧電素子１０は、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５、保護層１６及び帯電防止層１７等によって構成されている。圧電素子１０の上部電極１５は、配線１８に接続されている。
基板１１は、液体の流路や圧力発生室（空洞）１１ａ等が形成された流路形成基板、ノズル１１ｂ等が形成されたノズルプレート等によって構成される。基板１１としては、例えば、シリコン等の半導体基板、樹脂基板等を用途に応じて適宜に用いることができる。
弾性体層１２は、例えば、弾性体としてのシリコン酸化層（ＳｉＯ2）１３ａ及び絶縁体としての酸化ジルコニア層（ＺｒＯ2）１３ｂによって構成され、圧電素子１０によって駆動されて振動する。弾性体層１２は基板１１の空洞の壁面の一部を構成しており、当該空洞を圧力発生室１１ａとして機能させる。弾性体層１２の振動によって圧力発生室１１ａ内に充填された液体（例えば、インクや液体材料）が圧力発生室１１ａと連通するノズル（噴射口）１１ｂから外部に噴射される。
圧電素子１０の下部電極１３及び上部電極１５としては、イリジウム（Ｉｒ)、プラチナ（Ｐｔ）等の高融点金属や、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳｒＲｕＯ3）、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ3）等の酸化物を用いることができる。
圧電体１４としては、例えば、ＰＺＴ[Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ3]、ＰＺＴＮ[Ｐｂ(Ｚｒ,Ｔｉ,Ｎｂ)Ｏ3]、ＢａＴｉＯ3、(Ｋ,Ｎａ)ＮｂＯ3等の酸化物強誘電体を用いることができる。
保護層１６は、圧電素子１０の表面の配線１８以外の部分を覆っている。保護層１６としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5)等を用いることができるが、圧電体の振動の変位を大きくするためにできるだけ柔らかい材料、ヤング率の小さい材料が望ましい。
上記の材料の中では、酸化シリコンが柔らかい材料として知られている。酸化シリコンは、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により形成することが好ましい。ＴＭＳを用いることにより、水素の発生が抑えられるとともに、低温で良質な酸化シリコンを得ることができる。そのため、圧電体１４への還元反応によるプロセスダメージも少ない。
また、保護層１６として、疎水性が高く、かつ、柔軟性の高い有機系の材料を用いても良い。例えば、パラキシリレン系、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、フェノール系、又は有機/無機ハイブリッド系の材料を用いる。パラキシリレン系樹脂としては、poly-monochloro-paraxylylene(パリレンＣ)、poly-paraxylylene(パリレンＮ)等がある。これらの樹脂は、疎水性が高く、ガスをほとんど透過しない。
また、有機/無機ハイブリッド材料は、ｎｍレベルで有機成分、無機成分を複合化することにより、有機成分、無機成分のメリットを相乗的に高めることができる。有機/無機ハイブリッド材料としては、ポリシロキサン系の材料が代表的である。また、有機系の材料、有機/無機ハイブリッド材料は感光性を持たせることも可能なため、マスク露光等による直接パターニングも可能であり、プロセスを簡略化できる。
上述の保護層１６の表面に帯電防止層１７が形成されている。帯電防止層１７として、後述のように、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤のいずれかを用いることができる。帯電防止層１７の比抵抗は、１０5〜１０12 ［Ω・ｃｍ］であることが望ましい。
比抵抗が大きすぎると帯電防止の効果がないこと、小さすぎるとリーク電流が大きくなるためである。帯電防止層１７がない場合は、保護層１６中に含まれる電荷の影響により、圧電体層１４に高電界をかけると絶縁破壊が発生しやすくなる。帯電防止層１７を形成することにより、保護層１６内に発生した電荷を減らすことができるため、圧電体１４の耐電圧を向上させることが可能となる。
（実施例２）
次に、第１の実施例の保護層上面に帯電防止層が形成されている圧電素子（液体噴射ヘッド）の製造方法について図２を参照して説明する。
次に、第１の実施例の保護層上面に帯電防止層が形成されている圧電素子（液体噴射ヘッド）の製造方法について図２を参照して説明する。
（１）圧電素子の形成
まず、図２（Ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板１１を熱酸化して一方の面に二酸化シリコンからなる厚さ１〜２μｍの弾性体層１２ａを形成し、弾性体層１２ａの上に約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の絶縁層１２ｂを形成して弾性体層１２を形成する。この絶縁層１２ｂの上に、例えば、プラチナ（Ｐｔ）をスパッタ法、蒸着法等により、２００ｎｍ程度積層して下部電極１３を形成する。この下部電極１３を所定形状にパターニングする。
まず、図２（Ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板１１を熱酸化して一方の面に二酸化シリコンからなる厚さ１〜２μｍの弾性体層１２ａを形成し、弾性体層１２ａの上に約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の絶縁層１２ｂを形成して弾性体層１２を形成する。この絶縁層１２ｂの上に、例えば、プラチナ（Ｐｔ）をスパッタ法、蒸着法等により、２００ｎｍ程度積層して下部電極１３を形成する。この下部電極１３を所定形状にパターニングする。
下部電極１３の上に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体１４をゾルゲル法等によって１０００ｎｍ程度の膜厚に形成する。圧電体層１４の上に、例えば、プラチナ（Ｐｔ）からなる上部電極１５をスパッタ法、蒸着法等により１００ｎｍ程度の膜厚に形成する。その後、圧電体１４と上部電極１５を圧力室１１ａの形状に対応してパターニングし、圧電素子を形成する。
下部電極１３及び上部電極１５としては実施例１で述べた材料を用いることができ、スパッタ法、蒸着法、印刷法等により形成することができる。
また、圧電体１４としては実施例１で述べた材料を用いることができる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を形成する場合は、鉛（Ｐｂ）,ジルコニウム（Ｚｒ）,チタン（Ｔｉ）を含むゾルゲル溶液を用いて、スピンコート法、印刷法等により塗布乾燥し、高温で高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層１４を形成することができる。また、これに限定されるものではなく、ＭＯＤ法やスパッタリング法等を用いてもよい。
（２）保護層の形成
次に、図２（Ｂ）に示すように、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５の上に保護層１６を形成する。例えば、保護層として酸化シリコン層を形成する場合は、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により５０〜１００ｎｍの膜厚で形成する。
次に、図２（Ｂ）に示すように、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５の上に保護層１６を形成する。例えば、保護層として酸化シリコン層を形成する場合は、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により５０〜１００ｎｍの膜厚で形成する。
ＴＭＳを用いることにより、水素の発生が抑えられるとともに、低温で良質な酸化シリコンを得ることができる。そのため、圧電体１４への還元反応によるプロセスダメージも少ない。
また、保護層１６として酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用いた場合には、後述のように、酸化シリコン層よりも膜が硬くはなるが、特に水分の透過を十分に防ぐことができる利点がある。この場合、保護膜の厚さは３０〜１００ｎｍ程度が望ましい。
（３）保護層の除電
図２（Ｃ）に示すように、帯電防止層１７を形成する前に、保護層１６の除電を行う。それにより、保護層１６の残留電荷が除去され、帯電防止層１７による帯電防止効果を向上させることができる。除電は、例えば、図示しない除電装置（イオナイザー）で空気中あるいは他のガス中に保護層１６の帯電電荷と逆極性の電荷（イオン）を発生し、これを保護層１６に付与して、保護層１６の帯電電荷を中和して静電気を無力化する。
図２（Ｃ）に示すように、帯電防止層１７を形成する前に、保護層１６の除電を行う。それにより、保護層１６の残留電荷が除去され、帯電防止層１７による帯電防止効果を向上させることができる。除電は、例えば、図示しない除電装置（イオナイザー）で空気中あるいは他のガス中に保護層１６の帯電電荷と逆極性の電荷（イオン）を発生し、これを保護層１６に付与して、保護層１６の帯電電荷を中和して静電気を無力化する。
（４）帯電防止層の形成
図２（Ｄ）に示すように、保護層の上に帯電防止層１７を５０〜５００ｎｍ程度の膜厚で形成する。帯電防止層１７としては、例えば、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤が使用される。
図２（Ｄ）に示すように、保護層の上に帯電防止層１７を５０〜５００ｎｍ程度の膜厚で形成する。帯電防止層１７としては、例えば、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤が使用される。
例えば、帯電防止層としてシロキサン系帯電防止剤を使用する場合、例えば、シリカ２％、エタノール４％、２−プロパノール５５％、１−ブタノール２８％、酢酸エチル２％、酢酸−２−エトキシエチル７％、水２％のものを用いて、スピンコート法により帯電防止層を形成する。
例えば、帯電防止層として界面活性剤系帯電防止剤を使用する場合、例えば、エタノール９６％、アルキル第四級アンモニウムクロライド２％、イソプロピルアルコール１％、水１％のものを用いて、スピンコート法により帯電防止層を形成する。
例えば、帯電防止層としてポリマー系帯電防止剤を使用する場合、例えば、アクリル樹脂９．５％、メタノール７．５％、２−プロパノール１．５％、１−ブタノール６０％、酢酸エチル２０％、トルエン１．５％のものを用いて、スピンコート法により帯電防止層を形成する。
帯電防止層１７の比抵抗は、電荷中和（電荷移動）、リーク電流防止の見地から、例えば、１０5〜１０12［Ω・ｃｍ］となるように材料を調整する。
なお、帯電防止層１７としては、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤のいずれかによる層あるいはこれ等の層を適宜に組み合わせたものを用いることができる。
なお、帯電防止層１７としては、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤のいずれかによる層あるいはこれ等の層を適宜に組み合わせたものを用いることができる。
（５）帯電防止層と保護層のパターニング
図２（Ｅ）に示すように、帯電防止層１７と保護層１６のパターニングを行う。基板全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う帯電防止層１７の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行うことによってエッチングマスクを形成し、エッチングを行って帯電防止層１７のパターニングを行う。更に、全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う保護層１６の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行うことによってエッチングマスクを形成し、エッチングを行って保護層１７のパターニングを行う。それにより、上部電極１５上のコンタクトホール部分が保護層１６の開口よりも帯電防止層１７の開口が広くなるように形成される。
図２（Ｅ）に示すように、帯電防止層１７と保護層１６のパターニングを行う。基板全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う帯電防止層１７の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行うことによってエッチングマスクを形成し、エッチングを行って帯電防止層１７のパターニングを行う。更に、全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う保護層１６の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行うことによってエッチングマスクを形成し、エッチングを行って保護層１７のパターニングを行う。それにより、上部電極１５上のコンタクトホール部分が保護層１６の開口よりも帯電防止層１７の開口が広くなるように形成される。
（６）配線形成
次に、図２（Ｆ）に示すように配線層１８を形成する。例えば、金等の導電材料をスパッタ法、蒸着法、印刷法、インクジェット法等により所要の膜厚に形成し、パターニングを行って配線を構成する。圧電素子との電気的な接続を行う。
次に、図２（Ｆ）に示すように配線層１８を形成する。例えば、金等の導電材料をスパッタ法、蒸着法、印刷法、インクジェット法等により所要の膜厚に形成し、パターニングを行って配線を構成する。圧電素子との電気的な接続を行う。
（７）基板形成
次に、基板１１の圧電素子が形成された面と反対側の面を削り、所定の厚みになるように薄くする。基板１１をマスクを用いてエッチングして圧力発生室１１ａや流路等（図示せず）を形成する。更に、基板１１と別途形成したノズル１１ｂが形成されたノズルプレートとを接合して液体噴射ヘッドが形成される。基板１１の不要部分をダイシング等によって切り出して液体噴射ヘッドが完成する。
次に、基板１１の圧電素子が形成された面と反対側の面を削り、所定の厚みになるように薄くする。基板１１をマスクを用いてエッチングして圧力発生室１１ａや流路等（図示せず）を形成する。更に、基板１１と別途形成したノズル１１ｂが形成されたノズルプレートとを接合して液体噴射ヘッドが形成される。基板１１の不要部分をダイシング等によって切り出して液体噴射ヘッドが完成する。
図３は、上述した圧電素子に設けられた帯電防止層の効果を説明する図である。同図の例では、酸化アルミニウム層（Ａｌ2Ｏ3）と酸化シリコン層（ＳｉＯ2）の各保護層について、保護層１６の膜厚と帯電防止層（シロキサン系帯電防止層）１７の膜厚を種々に変えた場合（保護層膜厚：１００、５０ｎｍ／帯電防止層：なし、５０、５００ｎｍ）の圧電体の耐電圧と変位を示している。他の素子パラメータは同じ条件である。
上述の結果より、以下のような帯電防止層の効果が確認される。
(1)帯電防止層がない場合は圧電体の高変位と高耐電圧を両立させるのが困難であるが、
帯電防止層を備える場合は圧電体の変位をほとんど低下させずに耐電圧を向上させることが可能である。
(2)帯電防止層の膜厚は、薄い方が圧電素子への変位への影響が少ない。
(1)帯電防止層がない場合は圧電体の高変位と高耐電圧を両立させるのが困難であるが、
帯電防止層を備える場合は圧電体の変位をほとんど低下させずに耐電圧を向上させることが可能である。
(2)帯電防止層の膜厚は、薄い方が圧電素子への変位への影響が少ない。
（実施例３）
第３の実施例の液体噴射ヘッドにおいては、上述した圧電素子内の帯電防止層が保護層内に形成されていることを特徴とする。
図４は、本発明の圧電素子を使用した液体噴射ヘッドの構成例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
第３の実施例の液体噴射ヘッドにおいては、上述した圧電素子内の帯電防止層が保護層内に形成されていることを特徴とする。
図４は、本発明の圧電素子を使用した液体噴射ヘッドの構成例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
液体噴射ヘッド１は、インクが充填される圧力室１１ａやノズル１１ｂが形成された基板１１と、基板１１上に形成された弾性体層（振動板）１２と、下部電極３と、下部電極１３上に形成された圧電体１４と、圧電体１４上に形成された上部電極１５と、圧電体１４の側面及び上部電極１５の上面を覆って圧電体１４への水分等の侵入を阻止する下部保護層１６と、下部保護層１６の上に形成されて保護層への帯電を防止する帯電防止層１７と、帯電防止層１７の上に更に形成された上部保護層１９、配線１８等を含んで構成される。
圧電素子１０は、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５、下部保護層１６、帯電防止層１７及び上部保護層１９等によって構成されている。
この実施例では、圧電体１４の保護層が２つの保護層１６及び１９によって構成され、下部保護層１６及び上部保護層１９間に帯電防止層１７が配置された構造（保護層内に帯電防止層１７を含む構造）となっている。それにより、帯電防止層１７が内部に存在して２つの保護層１６及び１９に接し、保護層内部の帯電電荷がより効果的に除去され得る。
下部保護層１６は、例えば、無機系の酸化シリコンを使用し、上部保護層１９は、例えば、有機系の感光性材料を使用している。このような構成では、有機系の感光性材料がやわらいことにより、上部保護層１９は圧電体の変位量を低下させることなく、防水などの機能を果たすことが可能である。また、上部保護層１９として有機系の感光性材料を用いるとパターニングが容易になって、製造プロセスが簡単になる。尤も、２つの保護層の構成はこれに限られない。例えば、上部及び下部保護層を同種材料で構成してもよい。
（実施例４）
上記第３の実施例の保護層上内に帯電防止層が形成されている圧電素子（液体噴射ヘッド）の製造方法について図５を参照して説明する。同図において図２と対応する部分には同一符号を付している。
上記第３の実施例の保護層上内に帯電防止層が形成されている圧電素子（液体噴射ヘッド）の製造方法について図５を参照して説明する。同図において図２と対応する部分には同一符号を付している。
この例においては、上記実施例２の（１）圧電素子の形成、（２）保護層の形成、（３）保護層の除電、（４）帯電防止層の形成、の各工程が略共通である。
（１）圧電素子の形成
図５（Ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板１１を熱酸化して一方の面に二酸化シリコンからなる厚さ１〜２μｍの弾性体１２ａを形成し、弾性体層１２ａの上に約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の絶縁層１２ｂを形成して弾性体層１２を形成する。この絶縁層１２ｂの上に、例えば、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを積層することにより下部電極１３を形成する。この下部電極１３を所定形状にパターニングする。
下部電極層１３の上に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体１４を形成し、例えば、イリジウムからなる上部電極１５を形成する。その後、圧電体１４と上部電極１５を圧力発生室１１ａの形状に対応してパターニングし、圧電素子を形成する。
図５（Ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板１１を熱酸化して一方の面に二酸化シリコンからなる厚さ１〜２μｍの弾性体１２ａを形成し、弾性体層１２ａの上に約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の絶縁層１２ｂを形成して弾性体層１２を形成する。この絶縁層１２ｂの上に、例えば、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）とを積層することにより下部電極１３を形成する。この下部電極１３を所定形状にパターニングする。
下部電極層１３の上に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体１４を形成し、例えば、イリジウムからなる上部電極１５を形成する。その後、圧電体１４と上部電極１５を圧力発生室１１ａの形状に対応してパターニングし、圧電素子を形成する。
下部電極１３及び上部電極１５としては実施例１で述べた材料を用いることができ、スパッタ法、蒸着法、印刷法等により形成することができる。
また、圧電体１４としては実施例１で述べた材料を用いることができる。形成方法は実施例２で述べた方法と同様である。
（２）下部保護層の形成
図５（Ｂ）に示すように、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５の上に下部保護層１６を形成する。例えば、保護層として酸化シリコンを形成する場合は、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により形成する。
図５（Ｂ）に示すように、下部電極１３、圧電体１４、上部電極１５の上に下部保護層１６を形成する。例えば、保護層として酸化シリコンを形成する場合は、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により形成する。
保護層１６としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び酸化アルミニウム等を用いることができるが、できるだけ柔らかい材料、ヤング率の小さい材料が望ましい。上記の材料の中では、酸化シリコンが柔らかい材料として知られている。酸化シリコンは、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いてＣＶＤ法により形成することが好ましい。ＴＭＳを用いることにより、水素の発生が抑えられるとともに、低温で良質な酸化シリコンを得ることができる。そのため、圧電体層１４への還元反応によるプロセスダメージも少ない。また、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を保護層１６とした場合には、特に水分の透過を十分に防ぐことができる利点がある。
（３）下部保護層の除電
図５（Ｃ）に示すように、帯電防止層１７を形成する前に、下部保護層１６の除電を行う。それにより、保護層１６内の残留電荷が除去され、帯電防止層１７による帯電防止効果を向上させることができる。除電は、例えば、上記実施例２の（３）保護層の除電と同様に行う。
図５（Ｃ）に示すように、帯電防止層１７を形成する前に、下部保護層１６の除電を行う。それにより、保護層１６内の残留電荷が除去され、帯電防止層１７による帯電防止効果を向上させることができる。除電は、例えば、上記実施例２の（３）保護層の除電と同様に行う。
（４）帯電防止層の形成
図５（Ｄ）に示すように、保護層の上に帯電防止層１７を５０〜５００ｎｍ程度の膜厚で形成する。帯電防止層１７としては、例えば、実施例２の（４）帯電防止層の形成と同様に、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤が使用される。
図５（Ｄ）に示すように、保護層の上に帯電防止層１７を５０〜５００ｎｍ程度の膜厚で形成する。帯電防止層１７としては、例えば、実施例２の（４）帯電防止層の形成と同様に、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤が使用される。
帯電防止層１７の比抵抗は、電荷中和（電荷移動）、リーク電流防止の見地から、例えば、１０5〜１０12［Ω・ｃｍ］となるように材料を調整する。
なお、帯電防止層１７としては、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤のいずれかによる層あるいはこれ等の層を適宜に組み合わせたものを用いることができる。
なお、帯電防止層１７としては、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤、ポリマー系帯電防止剤のいずれかによる層あるいはこれ等の層を適宜に組み合わせたものを用いることができる。
（５）帯電防止層と下部保護層のパターニング
図５（Ｅ）に示すように、帯電防止層１７と下部保護層１６のパターニングを行う。全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う保護層１６と帯電防止層１７の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行い、エッチングマスクを形成する。このマスクを使用してエッチングを行って下部保護層１６と帯電防止層１７のパターニングを行う。それにより、上部電極１５上の保護層１６及び帯電防止層１７を開口したコンタクトホールが形成される。
図５（Ｅ）に示すように、帯電防止層１７と下部保護層１６のパターニングを行う。全面にフォトレジストを塗布し、上部電極１５上のコンタクトホールと圧電素子を覆う保護層１６と帯電防止層１７の領域に対応したパターンのフォトマスクを使用して露光現像を行い、エッチングマスクを形成する。このマスクを使用してエッチングを行って下部保護層１６と帯電防止層１７のパターニングを行う。それにより、上部電極１５上の保護層１６及び帯電防止層１７を開口したコンタクトホールが形成される。
（６）上部保護層の形成
図５（Ｆ）に示すように、全面に上部保護層１９を形成し、帯電防止層１７、コンタクトホール部を覆う。例えば、上部保護層１９として、疎水性が高く、かつ、柔軟性の高い有機系の材料を用いても良い。例えば、上述した、パラキシリレン系、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、フェノール系、又は有機/無機ハイブリッド系の材料を用いる。パラキシリレン系樹脂としては、poly-monochloro-paraxylylene(パリレンＣ)、poly-paraxylylene(パリレンＮ)等がある。これらの樹脂は、疎水性が高く、ガスをほとんど透過しない。また、有機/無機ハイブリッド材料は、ｎｍレベルで有機成分、無機成分を複合化することにより、有機成分、無機成分のメリットを相乗的に高めることができる。有機/無機ハイブリッド材料としては、ポリシロキサン系の材料が代表的である。これらの材料は感光性を持たせることも可能なため、マスク露光等による直接パターニングも可能であり、プロセスを簡略化できる利点がある。実施例では、上部保護層１９として感光性ポリイミドを成膜した。
図５（Ｆ）に示すように、全面に上部保護層１９を形成し、帯電防止層１７、コンタクトホール部を覆う。例えば、上部保護層１９として、疎水性が高く、かつ、柔軟性の高い有機系の材料を用いても良い。例えば、上述した、パラキシリレン系、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、フェノール系、又は有機/無機ハイブリッド系の材料を用いる。パラキシリレン系樹脂としては、poly-monochloro-paraxylylene(パリレンＣ)、poly-paraxylylene(パリレンＮ)等がある。これらの樹脂は、疎水性が高く、ガスをほとんど透過しない。また、有機/無機ハイブリッド材料は、ｎｍレベルで有機成分、無機成分を複合化することにより、有機成分、無機成分のメリットを相乗的に高めることができる。有機/無機ハイブリッド材料としては、ポリシロキサン系の材料が代表的である。これらの材料は感光性を持たせることも可能なため、マスク露光等による直接パターニングも可能であり、プロセスを簡略化できる利点がある。実施例では、上部保護層１９として感光性ポリイミドを成膜した。
（７）コンタクトホール形成
図５（Ｇ）に示すように、上部保護層１９にパターニングを行ってコンタクトホールを開口する。具体的には、上部保護層１９として成膜された感光性ポリイミドにコンタクトホールのマスクを用いてパターン露光を行って現像を行い、上部電極１５上を開口した。上記のように、上部保護層１９として感光性の材料を用いることにより、エッチングを行うことなく、パターニングが可能となり、プロセスを簡略化できる。また、開口部の帯電防止層１７の端部を保護層１９で覆うことにより、配線層１８と帯電防止層１７との接触を避けられるため、絶縁性も高まる。
なお、上部保護層１９として、下部保護層１６同様の材料を用いても良い。
図５（Ｇ）に示すように、上部保護層１９にパターニングを行ってコンタクトホールを開口する。具体的には、上部保護層１９として成膜された感光性ポリイミドにコンタクトホールのマスクを用いてパターン露光を行って現像を行い、上部電極１５上を開口した。上記のように、上部保護層１９として感光性の材料を用いることにより、エッチングを行うことなく、パターニングが可能となり、プロセスを簡略化できる。また、開口部の帯電防止層１７の端部を保護層１９で覆うことにより、配線層１８と帯電防止層１７との接触を避けられるため、絶縁性も高まる。
なお、上部保護層１９として、下部保護層１６同様の材料を用いても良い。
（８）配線形成
図５（Ｈ）に示すように配線層１８をスパッタ法、蒸着法、印刷法、インクジェット法等により形成し、パターニングを行って配線１８を形成し、圧電素子１０との電気的な接続を行う。配線層１８としては、例えば、金（Ａｕ）等を使用することができる。
図５（Ｈ）に示すように配線層１８をスパッタ法、蒸着法、印刷法、インクジェット法等により形成し、パターニングを行って配線１８を形成し、圧電素子１０との電気的な接続を行う。配線層１８としては、例えば、金（Ａｕ）等を使用することができる。
（９）基板形成
次に、基板１１の圧電素子が形成された面と反対側の面を削り、所定の厚みになるように薄くする。基板１１をマスクを用いてエッチングして圧力発生室１１ａや流路等（図示せず）を形成する。更に、基板１１と別途形成したノズル１１ｂが形成されたノズルプレートとを接合して液体噴射ヘッドが形成される。基板１１の不要部分をダイシング等によって切り出して液体噴射ヘッドが完成する。
次に、基板１１の圧電素子が形成された面と反対側の面を削り、所定の厚みになるように薄くする。基板１１をマスクを用いてエッチングして圧力発生室１１ａや流路等（図示せず）を形成する。更に、基板１１と別途形成したノズル１１ｂが形成されたノズルプレートとを接合して液体噴射ヘッドが形成される。基板１１の不要部分をダイシング等によって切り出して液体噴射ヘッドが完成する。
（プリンタ）
図６は、上述した実施形態の液体噴射ヘッドをプリンタに使用した例を示している。上述した実施形態の液体噴射ヘッドは、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（液体噴射装置）に搭載される。
図６は、上述した実施形態の液体噴射ヘッドをプリンタに使用した例を示している。上述した実施形態の液体噴射ヘッドは、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（液体噴射装置）に搭載される。
同図に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク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、この記録ヘッドユニット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。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、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及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、記録ヘッドユニット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等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上を搬送されるようになっている。
また、上述した実施形態においては、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッド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、インク以外の液体を噴射するもの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、プリンタ等の液体噴射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。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、帯電し易い保護層の表面あるいは保護層内に帯電防止層を形成しているので、圧電体の絶縁破壊が起こりにくい圧電素子を得ることが可能となり、また、信頼性の高い液体噴射ヘッドや液体噴射装置を得ることができる。
１０ 圧電素子、１１ 基板、１１ａ 空洞（圧力室）、１１ｂ ノズル、１２ａ 弾性体層、１２ｂ 絶縁層、１３ 下部電極、１３ａ 酸化シリコン層、１３ｂ 酸化ジルコニア層、１４ 圧電体、１５ 上部電極、１６ 下部保護層、１６ 保護層（下部保護層）、１７ 帯電防止層、１８ 配線層、１９ 保護層（上部保護層）
Claims (8)
- 圧電体と、
前記圧電体を挟む二つの電極と、
前記圧電体及び前記二つの電極とを被覆する保護層と、
前記保護層の膜表面及び前記保護層の層内のうち少なくともいずれかに形成される帯電防止層と、
を有する圧電素子。 - 前記帯電防止層が、シロキサン系帯電防止剤、界面活性剤系帯電防止剤及びポリマー系帯電防止剤のうちいずれか一つを含む、請求項１の圧電素子。
- 前記帯電防止層の比抵抗は、１０5〜１０12［Ω・ｃｍ］である請求項１又は２の圧電素子。
- 前記保護層が、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び酸化アルミニウムのうちいずれかを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 前記保護層が、パラキシリレン系、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、フェノール系及び有機/無機ハイブリッド系の材料のうちいずれかを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 前記保護層が感光性材料を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧電素子と、
前記圧電素子が配置される振動板と、
前記振動板を壁面の一部とする圧力発生室と、
前記圧力発生室に連通する噴射口と、
を有する液体噴射ヘッド。 - 第１の電極上に圧電体を形成する工程と、
前記圧電体上に第２の電極を形成する工程と、
前記第２の電極上及び前記圧電体の側面を覆う保護層を形成する工程と、
前記保護層の帯電電荷を除く除電処理を行う工程と、
除電された前記保護層の上面に帯電防止層を形成する工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
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