JP2014065317A - 圧電素子及び液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 リーク電流を抑制できる液体噴射ヘッドの製造方法及びこれを用いた液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法の製造方法を提供する。
【解決手段】 液体噴射ヘッドの製造方法は、第１電極６０と第２電極８０とに挟持された圧電体層７０を備え、圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子とを有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層６２を形成する工程を含む第１電極を形成する第１電極形成工程と、第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、圧電体層上に、第２電極を形成する第２電極形成工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体噴射ヘッドの製造方法及びこれを用いた液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法に関する。

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として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用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、圧電セラミックス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。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。

圧電セラミックスとして、高い変位特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた液体噴射ヘッドが知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−２２３４０４号公報

特許文献１では圧電セラミックスとしてＰＺＴを用いたが、現在、環境汚染の観点から、鉛を含有しない、又は鉛の含有量を抑制した圧電セラミックスを用いた液体噴射ヘッドが求められている。しかし、鉛を含有しない圧電セラミックスとして、ニオブ酸ナトリウムカリウムの様なアルカリ金属を含有する圧電セラミックスを薄膜の圧電体層に用いると、圧電セラミックス中のアルカリ金属が電極に拡散することで、大きなリーク電流が発生するという問題がある。他方で、バルクではアルカリ金属を含有することで、圧電セラミックスの圧電特性が向上するため、このようなアルカリ金属を含有する圧電セラミックスを薄膜構造とした圧電素子が望ましい。また、このように圧電素子においてリーク電流が発生すると、圧電素子を用いたアクチュエーターの変位特性、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の液体噴射特性が低下するという問題がある。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに限定されず、液体噴射ヘッド共通の問題である。また、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子だけではなく、例えば超音波デバイス等他のデバイスに用いられる圧電素子に共通の問題である。

本発明はこのような事情に鑑み、鉛を含有せず、かつリーク電流を抑制できる液体噴射ヘッドの製造方法及びこれを用いた液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、第１電極と第２電極とに挟持された圧電体層を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程により圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第１電極に拡散されず、かつ、鉛を含まない圧電素子を形成でき、これによりリーク電流を抑制できる。この結果、液体噴射特性のよい液体噴射ヘッドを製造できる。

前記第１電極形成工程は、スパッタリング法により第１電極層を形成し、その後該第１電極層上に蒸着法により前記拡散抑制層を形成することが好ましい。このように構成することで、密着性がよいと共にリーク電流を抑制できる第１電極を形成できる。

前記拡散抑制層を、厚さが４０ｎｍ以上となるように形成することが好ましい。この厚さであることで、よりリーク電流を抑制できる。

前記圧電体層形成工程において、さらに鉄酸ビスマスを含む圧電体層を形成することが好ましい。前記圧電体層が、さらに鉄酸ビスマスを含むことで圧電特性が向上する。

本発明の液体噴射装置は、前記した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。上述した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えることで、液体噴射特性が低下することが抑制される。

本発明の圧電素子の製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする。本発明の圧電素子の製造方法では、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程により鉛を含有しない圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第１電極に拡散されず、これによりリーク電流を抑制できる。

実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。 実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。 実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。 実施例及び比較例の印加電圧に対する電流密度の測定結果を示すグラフ。 実施形態に係る液体噴射装置の斜視図である。

（液体噴射ヘッド）
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、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の流路形成基板１０の一方面には弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０は、例えばシリコン単結晶基板からなる。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１００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、ステンレス鋼等からなる。

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が形成されている。弾性膜５０としては、例えば二酸化シリコン膜が挙げられる。この弾性膜５０上には、第１電極６０と、厚さが１０μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜の圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。第１電極６０は、詳しくは後述するように少なくとも圧電体層７０との界面が蒸着法により形成された蒸着膜からなる。また、第１電極６０と弾性膜５０との間には、密着層６１が形成されている。密着層６１としては、第１電極６０と弾性膜５０との密着力を向上させるものであれば、特に限定されず、例えば、厚さが１０〜５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも一つの元素を主成分とするものが挙げられ、本実施形態ではチタニア（ＴｉＯ_２）である。このように第１電極６０と弾性膜５０との間に密着層６１を設けることによって、弾性膜５０と第１電極６０との密着力を高めることができる。

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を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。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、変位可能に設けられた圧電素子３００をアクチュエーター装置と称する。

第１電極６０上に形成される圧電体層７０は、ペロブスカイト型構造のニオブ酸ナトリウムカリウム（例えば（Ｋａ，Ｎａ）ＮｂＯ_３、以下ＫＮＮと称す）を有する複合酸化物であり、固溶体である。本実施形態では、このように鉛を有さない圧電セラミックスを有している。

この複合酸化物は、組成比が例えば、（Ｋａ_ｘ，Ｎａ_１−ｘ）ＮｂＯ_３で表される組成比（モル比）であることが好ましく、さらにこのｘが０．３≦ｘ≦０．５であることが好ましい。本実施形態では、ｘ＝０．５である（Ｋａ_０．５，Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３を用いている。また、圧電体層７０は厚さ０．５〜１．５μｍの薄膜であり、本実施形態では後述するようにゾル−ゲル法により複数の圧電体前駆体膜を積層し加熱して形成されている。

また、本実施形態では、このＫＮＮにさらにペロブスカイト型構造を有する鉄酸ビスマス（例えばＢｉＦｅＯ_３）（以下ＢＦＯとする）を添加してもよい。この場合、添加剤としてのＢＦＯは、ＫＮＮに対して３〜５モル％含有されていることが好ましい。この範囲であれば、圧電特性が向上するからである。即ち、本実施形態における圧電体層７０は、主成分としてＫＮＮを含み、さらにＢＦＯを含有することで、鉛を含有せず、かつ、圧電特性が高いものである。

第１電極６０は、後述する製造方法において詳細に説明するが、第１電極層６３と、第１電極層６３上に即ち圧電体層７０との界面に蒸着法により形成され、電極としても機能する拡散抑制層６２とからなる。このように第１電極６０が圧電体層７０との界面に拡散抑制層６２を有することで、圧電体層７０に含まれるＢＮＴとＢＫＴとに含まれるアルカリ金属、即ちＮａやＫが加熱時に第１電極６０中に拡散するのを抑制し、リークを抑制している。即ち、拡散抑制層６２は、圧電体層７０のアルカリ金属の拡散を抑制すると共に、第１電極６０の一部を構成して電極としても機能するものである。

このような第１電極層６３の厚さは、３０〜８０ｎｍ、好ましくは４０〜８０ｎｍであり、かつ、拡散抑制層６２の厚さが２０〜１５０ｎｍ、好ましくは４０〜１５０ｎｍであることが挙げられる。また、第１電極６０は少なくとも拡散抑制層６２を有していればよく、拡散抑制層６２のみからなるものであってもよい。

このような圧電素子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、弾性膜５０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、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０及びリード電極９０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１００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）にリザーバー１００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ー等の導電性ワイヤーからなる接続配線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、図示しない外部の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、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。

（液体噴射ヘッドの製造方法）
図３〜図５を用いて本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。図３〜図５は、本実施形態の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を構成する酸化膜５１を形成する。この酸化膜５１の形成方法は特に限定されないが、本実施形態では、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化し、その表面に弾性膜５０となる酸化膜５１を形成している。

そして、図３（ｂ）に示すように、酸化膜５１上に密着層６１を形成する。密着層６１の形成方法は特に限定されないが、スパッタリング法や、ＣＶＤ法等に形成することができる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、密着層６１上にプラチナ（Ｐｔ）からなり厚さが５０〜５００ｎｍの第１電極６０を形成し、この第１電極６０及び密着層６１を所定形状にパターニングする。第１電極６０は、第１電極層６３と、拡散抑制層６２とからなる。第１電極層６３の形成方法は、特に限定されずＤＣスパッタリング法等のスパッタリング法やレーザービーム蒸着等の蒸着法等で形成できる。

拡散抑制層６２の形成方法は、蒸着法である。即ち、厚さ０．５〜１．５μｍの薄膜の圧電体層７０を形成する際に加熱を行うと、この複合酸化物中に存在するアルカリ金属、即ちＮａやＫが第１電極６０側へ拡散してしまい、これにより圧電素子の駆動電圧領域（２５〜３０Ｖ付近）においてリーク電流が発生しやすく、またＡサイトに空孔が形成されてしまうことで圧電体層７０の圧電特性が低下したりするのでこれを抑制する必要がある。このため、本実施形態では、これを抑制すべく第１電極６０の表面に蒸着法により形成した拡散抑制層６２を設けている。これにより、アルカリ金属の第１電極６０への拡散を抑制している。

ここで、蒸着法とは、本実施形態では、イオンビーム蒸着法やフラッシュ蒸着法のような蒸発物質を高温加熱により蒸発させて成膜を行う真空蒸着法を意味し、スパッタリング法等の物質をスパッタリングして成膜を行う物理蒸着法や熱ＣＶＤ法等の化学気相反応により成膜を行う化学蒸着法は除かれる。本実施形態では、蒸着法のうち、イオンビーム蒸着法を用いて形成した。このイオンビーム蒸着法によれば、第１電極６０へのアルカリ金属の拡散をより抑制することができるからである。

本実施形態では、第１電極６０は、第１電極層６３をスパッタリング法により形成し、拡散抑制層６２を蒸着法により形成して構成した。このようにスパッタリング法により第１電極層６３を形成することで、密着層６１と第１電極層６３との密着性が向上すると共に、蒸着法により拡散抑制層６２を形成することで、第１電極６０中にアルカリ金属が拡散しにくく、１．０×１０^―１Ａ／ｃｍ^２以上のリーク電流を抑制しうる。なお、第１電極層６３を形成するスパッタリング法の条件は特に限定されるものではないが、例えば、成膜温度：３００℃、成膜圧力：０．４Ｐａ、ＤＣパワー密度：１．２Ｗ／ｃｍ^２が挙げられる。

拡散抑制層６２を形成する蒸着法の条件は、例えばイオンビーム蒸着法に基づくものであれば、成膜装置のヒーターにおける温度：室温（２５℃程度）〜３００℃、ビーム電流：３５０ｍＡ〜４５０ｍＡ、チャンバー内圧力（１．０×１０^―４〜１．１０×１０^―５Ｐａ）である。このような範囲としたのは、以下のような理由による。即ち、成膜装置のヒーターにおける温度が３００℃を超えると、第１電極の膜密度が低下してしまうからである。また、ビーム電流が３５０ｍＡよりも低いと膜形成ができず、また、４５０ｍＡを越えると異物が付着しやすいからである。さらにまた、チャンバー内圧力がこの範囲にないと、膜質が劣化しやすいからである。

このような第１電極層６３及び拡散抑制層６２からなる第１電極６０は、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、又は酸化イリジウムから選ばれた少なくとも１種からなる。例えば、スパッタリング法により形成されたプラチナからなる第１電極層６３上に、蒸着法により形成されたプラチナからなる拡散抑制層６２を形成してもよいし、また、スパッタリング法により形成されたプラチナからなる第１電極層６３上に、蒸着法により形成されたイリジウムからなる拡散抑制層６２を形成してもよい。

また、拡散抑制層６２の膜厚が４０ｎｍ以上であることが好ましい。膜厚が４０ｎｍ以上であれば、十分に圧電素子の駆動電圧領域において１．０×１０^―１Ａ／ｃｍ^２以上のリーク電流が発生することを抑制できるからである。第１電極層６３は、その形成方法は限定されず、本実施形態では例えばスパッタリング法により形成されている。第１電極層６３の厚さは特に限定されないが、例えば３０〜８０ｎｍである。

上述したパターニングとしては、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。

次いで、図４（ａ）に示すように、ＫＮＮを含有する複合酸化物である圧電体層７０を形成する。圧電体層７０の製造方法は、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等が挙げられる。本実施形態ではゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。これは、後述する本実施形態のゾルを用いてゾル−ゲル法で圧電体層７０を形成することで、圧電体層７０にクラックが発生することを抑制でき、かつ、コストを低減させることができるからである。

具体的な方法について以下説明する。第１電極６０が形成された流路形成基板１０上にＫＮＮを含むゾルを塗布し、圧電体前駆体膜とする（塗布工程）。ここで、ＫＮＮを含むゾルには、さらにＢＦＯが含有されていてもよい。ＢＦＯが含有されている場合には、その割合は、ＫＮＮ１００％に対して３〜５％（モル比）である。圧電体前駆体膜は、本実施形態では、１．０〜２．０μｍ、好ましくは１．５〜２．０μｍである。

次いで、所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、１５０〜１８０℃で２〜１０分間保持することで乾燥させている。

次に、乾燥した圧電体前駆体膜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、圧電体前駆体膜を３００〜４５０℃程度の温度に加熱して約２〜１０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。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程をこの順で複数回繰り返した後に、圧電体前駆体膜を赤外線加熱装置によって所定温度（７５０〜８５０℃程度）に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する（焼成工程）。

これらの塗布工程、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により複数層の圧電体膜からなり、ＫＮＮを含む複合酸化物からなる圧電体層７０を形成する。また、第２電極８０の形成前後に必要に応じて、６００℃〜８００℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することができる。

次に、図４（ａ）に示すように、圧電体層７０上に亘って、第２電極８０を形成する。そして、その後図４（ｂ）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、リード電極９０を形成する。具体的には、図４（ｃ）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５（ａ）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を介して接合する。
次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。

次いで、図５（ｃ）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、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。

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、図１に示すように本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩとする。

実施例１にかかるサンプル１を以下の要領で作製した。
はじめに、単結晶シリコン基板を熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を厚さ１３００ｎｍで形成した。得られた弾性膜５０上にチタニアからなる密着層をスパッタリング法により厚さ４０ｎｍとなるように形成した。

次いで、ＤＣスパッタリング法によりプラチナからなる第１電極層６３を成膜温度：３３０℃、ＤＣパワー密度：１．２Ｗ／ｃｍ^２の成膜条件で厚さ３０ｎｍとなるように形成した。次いで、イオンビーム蒸着法により、プラチナからなる拡散抑制層６２を厚さ１１０ｎｍとなるように形成した。蒸着法の成膜条件は、ヒーター温度：２５℃、ビーム電流：４００ｍＡ、チャンバー内圧力：１．０×１０^―５Ｐａであった。

その後、スピンコート法によりＫＮＮとＢＦＯとを含むゾルを５００ｒｐｍで１０秒間、次いで２５００ｒｐｍで３０秒間スピンコートを行い塗布し、所望の膜厚（０．５μｍ）の圧電体前駆体膜を形成した。ＫＮＮとＢＦＯとを含むゾルは、組成比がＫＮＮ：ＢＦＯ＝１００：３（モル比）であった。

その後、４００℃で３分間乾燥工程を行い、次いで４００℃で３分間脱脂工程を行った。この塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程をこの順で３回繰り返した後に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置により酸素ガスを５Ｌ／分で導入しながら７００℃で３分間焼成を行った。これらの圧電体膜形成工程を２回繰り返した後に、再度ＲＴＡ装置により酸素ガスを５Ｌ／分で７００℃で３分間焼成を行い、圧電体層７０を得た。

次いで、圧電体層７０上に、スパッタリング法によりプラチナからなる第２電極８０を厚さが１００ｎｍとなるように形成した。これにより、圧電素子３００を形成しサンプル１とした。

（比較例１）
実施例１とは拡散抑制層６２は設けなかった点以外は全て同一条件で圧電素子３００を形成し、サンプル２とした。

実施例１とは、第１電極層６３上に蒸着法によりプラチナからなる拡散抑制層６２の膜厚を２００ｎｍとした以外は全て同一の条件で圧電素子３００を形成し、サンプル３とした。なお、実施例２における拡散抑制層６２の成膜条件は、ヒーター温度：２５℃、ビーム電流：４００ｍＡ、チャンバー内圧力：１．０×１０^―５Ｐａであり、実施例１とは成膜時間を変更した。

これらの得られたサンプル１〜３に対して、印加電圧に対する電流密度を測定した。
サンプル１〜３の結果を図６に示す。実施例１及び２は、比較例１の場合に比べてリーク電流が抑制され、電流は駆動電圧領域において１．０×１０^―３Ａ／ｃｍ^２以下であった。

従って、本実施形態によれば、蒸着法により拡散抑制層６２を形成することで、リーク電流を抑制することができた。

（インクジェット式記録装置）
図７に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、本実施形態の製造方法で得られたインクジェット式記録ヘッドＩ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、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ー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

インクジェット式記録ヘッドＩの構成は、上述した実施形態に限定されない。例えば、弾性膜５０上に絶縁膜としての酸化イリジウム膜等が形成されていてもよい。

また、本実施形態においては第１電極層６３と拡散抑制層６２とを別々に形成したが、圧電体層７０からのアルカリ金属の第１電極６０への拡散を抑制するためには、少なくとも圧電体層７０との界面に拡散抑制層６２が形成されていればよく、例えば、第１電極６０が拡散抑制層６２から構成されていてもよい。

上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子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、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。

本発明の圧電材料は、良好な圧電特性を示すため、上述したように、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の圧電素子に適用することができるものであるが、これに限定されるものではない。例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス、並びに赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー及び焦電センサー等の各種センサー等の圧電素子に適用することができる。また、本発明は、強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に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）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 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、 ６１ 密着層、 ６２ 拡散抑制層、 ６３ 第１電極層、 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

本発明はこのような事情に鑑み、鉛を含有せず、かつリーク電流を抑制できる圧電素子及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極と第２電極とに挟持された圧電体層を備えた圧電素子であって、前記第１電極は、白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層と、プラチナ、イリジウム、又は酸化イリジウムから選択された少なくとも１種以上からなる電極層と、から構成され、前記圧電体層は、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、電極層を設けることで、第１電極と下地との密着性を向上することができる。また、拡散抑制層を設けることで、圧電体層に含まれるアルカリ金属が第１電極中に拡散するのを抑制して、リークを抑制することができると共に圧電体層のＡサイトに空孔が形成されることによる圧電特性の低下を抑制することができる。

ここで、前記圧電体層の複合酸化物は、下記式（１）組成を満たすことが好ましい。これによれば、圧電特性に優れた圧電素子を実現できる。
（Ｋａ _ｘ ，Ｎａ _１−ｘ ）ＮｂＯ _３ （１）
０．３≦ｘ≦０．５

また、前記圧電体層には、さらに鉄酸ビスマスを、酸化ニオブ酸ナトリウムカリウムに対して３〜５モル％含有することが好ましい。これによれば、鉛を含有せず、圧電特性が高い圧電素子を実現できる。

また、前記電極層の厚さは３０〜８０ｎｍであり、前記拡散抑制層の厚さは２０〜１５０ｎｍであることが好ましい。これによれば、所定の厚さの拡散抑制層を設けることで、リーク電流を抑制することができる。また、所定の厚さの電極層を設けることで密着性を向上することができる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、電極層を設けることで、第１電極と下地との密着性を向上することができる。また、拡散抑制層を設けることで、圧電体層に含まれるアルカリ金属が第１電極中に拡散するのを抑制して、リークを抑制することができると共に圧電体層のＡサイトに空孔が形成されることによる圧電特性の低下を抑制することができる。

本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、第１電極と第２電極とに挟持された圧電体層を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程により圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第１電極に拡散されず、かつ、鉛を含まない圧電素子を形成でき、これによりリーク電流を抑制できる。この結果、液体噴射特性のよい液体噴射ヘッドを製造できる。
前記第１電極形成工程は、スパッタリング法により第１電極層を形成し、その後該第１電極層上に蒸着法により前記拡散抑制層を形成することが好ましい。このように構成することで、密着性がよいと共にリーク電流を抑制できる第１電極を形成できる。
前記拡散抑制層を、厚さが４０ｎｍ以上となるように形成することが好ましい。この厚さであることで、よりリーク電流を抑制できる。
前記圧電体層形成工程において、さらに鉄酸ビスマスを含む圧電体層を形成することが好ましい。前記圧電体層が、さらに鉄酸ビスマスを含むことで圧電特性が向上する。
本発明の液体噴射装置は、前記した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。上述した液体噴射ヘッドの製造方法により製造された液体噴射ヘッドを備えることで、液体噴射特性が低下することが抑制される。
本発明の圧電素子の製造方法は、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする。本発明の圧電素子の製造方法では、蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程により鉛を含有しない圧電体層からのアルカリ金属の拡散を抑制する拡散抑制層を形成することができるので、アルカリ金属が第１電極に拡散されず、これによりリーク電流を抑制できる。

Claims (6)

1. 第１電極と第２電極とに挟持された圧電体層を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む前記第１電極を形成する第１電極形成工程と、
   前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
   前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備え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１電極形成工程は、スパッタリング法により第１電極層を形成し、その後該第１電極層上に蒸着法により前記拡散抑制層を形成することを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
3. 前記拡散抑制層を、厚さが４０ｎｍ以上となるように形成することを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
4. 前記圧電体層形成工程において、さらに鉄酸ビスマスを含む圧電体層を形成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. 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により製造された液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。
6. 蒸着法により白金又はイリジウムの少なくとも１種を含む拡散抑制層を形成する工程を含む第１電極を形成する第１電極形成工程と、
   前記第１電極上に、ニオブ酸ナトリウムカリウムを含む複合酸化物からなる圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
   前記圧電体層上に、前記第２電極を形成する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。

Images