JP2017042952A - 電子デバイス、圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、これらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】下電極層、圧電体層、及び上電極層を備え、上電極層の端により圧電素子の端が規定される構成において、この圧電素子の端における破損を抑制することが可能な電子デバイス、圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、これらの製造方法を提供する。【解決手段】下電極層３７、圧電体層３８、および上電極層３９がこの順に形成されてなる圧電素子３２を備えた圧電デバイス１４であって、圧電素子３２の少なくとも一の端は、上電極層３９の端により規定され、圧電体層３８は、圧電素子３２の一の端よりも外側の素子外領域４１まで延設され、素子外領域４１における圧電体層３８は、圧電素子３２における圧電体層３８よりも薄く形成され、素子外領域４１における圧電体層３８の厚さと、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さとの差は、５０ｎｍ以下である。【選択図】図４
Description
本発明は、第１の電極層、第２の電極層、及びこれらに挟まれた絶縁体層を有する電子デバイス、圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、これらの製造方法に関するものである。
電極間に絶縁体層を挟んでなる圧電素子等のキャパシターを備えた電子デバイスは、各種の装置やセンサー等に応用されている。例えば、液体噴射装置では、電子デバイスの一種である圧電デバイスに設けられた圧電素子を利用して液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射（吐出）する。この液体噴射装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。
上記のキャパシターは、例えば、基板側から順に、金属からなる下電極層と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体からなる圧電体層と、金属からなる上電極層とが、それぞれ積層されてなる。このようなキャパシターは圧電素子として機能し、下電極層と上電極層との間に両電極の電位差に応じた電界が付与されると、撓み変形する。このような圧電素子を構成する各層は、例えば、特許文献１に開示されるように、それぞれ基板上に金属又は圧電体の層を製膜した後、パターニングされたレジスト層をマスクとして、エッチングすることで形成される。
ところで、圧電素子としては、下電極層及び圧電体層の一側の端が上電極層よりも外側まで延設され、上電極層の一側の端により当該圧電素子の端が規定されたものがある。このような構成においては、圧電素子よりも外側の上電極層をエッチングにより除去する際に、この上電極層が完全に除去されないことによるショート等を避けるため、上電極層の厚さ分を除去した後もエッチングを継続する所謂オーバーエッチングが行われる。これにより、圧電体層の一部が除去される。ところが、このオーバーエッチングにより圧電体層の一部を除去し過ぎると、圧電素子の一側の端の境界で破損が起き易くなる。このような破損は、上下一対の電極層とこれらの電極層に挟まれた絶縁体層とからなるキャパシターの端においても、起こり得ることが推測されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、第１の電極層、絶縁体層、及び第２の電極層を備え、第２の電極層の端によりキャパシターの端が規定される構成において、このキャパシターの端における破損を抑制することが可能な電子デバイス、圧電デバイス、液体噴射ヘッド、及び、これらの製造方法を提供することにある。
本発明の電子デバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、第１の電極層、絶縁体層、および第２の電極層がこの順に形成されてなるキャパシターを備えた電子デバイスであって、
前記キャパシターの少なくとも一の端は、前記第２の電極層の端により規定され、
前記絶縁体層は、前記キャパシターの一の端よりも外側の素子外領域まで延設され、
前記素子外領域における絶縁体層は、前記キャパシターにおける絶縁体層よりも薄く形成され、
前記素子外領域における絶縁体層の厚さと、前記キャパシターにおける絶縁体層の厚さとの差は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
前記キャパシターの少なくとも一の端は、前記第２の電極層の端により規定され、
前記絶縁体層は、前記キャパシターの一の端よりも外側の素子外領域まで延設され、
前記素子外領域における絶縁体層は、前記キャパシターにおける絶縁体層よりも薄く形成され、
前記素子外領域における絶縁体層の厚さと、前記キャパシターにおける絶縁体層の厚さとの差は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
この構成によれば、第２の電極層の端により規定されるキャパシターの端において、過度なオーバーエッチングによるキャパシターの破損を抑制できる。その結果、キャパシターの信頼性が向上し、電子デバイスの信頼性が向上する。
また、本発明の圧電デバイスは、上記構成の電子デバイスにおいて、
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする。
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする。
この構成によれば、第２の電極層の端により規定される圧電素子の端において、過度なオーバーエッチングによる圧電素子の破損を抑制できる。その結果、圧電素子の信頼性が向上し、圧電デバイスの信頼性が向上する。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、上請構成の圧電デバイスと、
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室と、
前記圧力室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする。
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室と、
前記圧力室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、液体噴射ヘッドの信頼性が向上する。
さらに、本発明の電子デバイスの製造方法は、第１の電極層、絶縁体層、および第２の電極層がこの順に形成されたキャパシターを備えた電子デバイスの製造方法であって、
前記第２の電極層をエッチングにより除去すると共に、前記エッチングにより生じた前記第２の電極層の端により規定された前記キャパシターの少なくとも一の端よりも外側の素子外領域における前記絶縁体層が前記第２の電極層が除去された後も継続してエッチングされ、前記素子外領域における前記絶縁体層が５０ｎｍ以下の範囲で厚さ方向に除去されるエッチング工程を含むことを特徴とする。
前記第２の電極層をエッチングにより除去すると共に、前記エッチングにより生じた前記第２の電極層の端により規定された前記キャパシターの少なくとも一の端よりも外側の素子外領域における前記絶縁体層が前記第２の電極層が除去された後も継続してエッチングされ、前記素子外領域における前記絶縁体層が５０ｎｍ以下の範囲で厚さ方向に除去されるエッチング工程を含むことを特徴とする。
この方法によれば、第２の電極層の端における破損が抑制されたキャパシターを、歩留り良く製造できる。すなわち、信頼性が向上した電子デバイスを効率良く製造できる。
また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、上記の電子デバイスの製造方法において、
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする。
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする。
この方法によれば、第２の電極層の端における破損が抑制された圧電素子を、歩留り良く製造できる。すなわち、信頼性が向上した圧電デバイスを効率良く製造できる。
そして、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、上記の圧電デバイスの製造方法と、
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧力室に連通するノズルを形成するノズルプレート形成工程と、を含むことを特徴とする。
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧力室に連通するノズルを形成するノズルプレート形成工程と、を含むことを特徴とする。
この方法によれば、信頼性が向上した液体噴射ヘッドを効率良く製造できる。
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明に係る電子デバイスの一種である圧電デバイスを備えた液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッド）、及び、これを搭載した液体噴射装置の一種であるインクジェット式プリンター（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。
プリンター１の構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２（着弾対象の一種）の表面に対してインク（液体の一種）を噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送する搬送機構６等を備えている。ここで、上記のインクは、液体供給源としてのインクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。
上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。したがってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。キャリッジ４の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種であるリニアエンコーダー（図示せず）によって検出される。リニアエンコーダーは、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）をプリンター１の制御部に送信する。
次に記録ヘッド３について説明する。図２は、記録ヘッド３の構成を説明する要部を拡大した断面図である。図３は、電子デバイスの一種である圧電デバイス１４の要部を拡大した断面図である。図４は、キャパシターの一種である圧電素子３２の要部を拡大した断面図である。本実施形態における記録ヘッド３は、図２に示すように、圧電デバイス１４及び流路ユニット１５が積層された状態でヘッドケース１６に取り付けられている。なお、便宜上、各部材の積層方向を上下方向として説明する。
ヘッドケース１６は、合成樹脂製の箱体状部材であり、その内部には液体導入路１８が形成されている。この液体導入路１８は、後述する共通液室２５と共に、複数並設された圧力室３０に共通なインクが貯留される空間である。なお、液体導入路１８の上端部は、図示しない液体流路を介してインクカートリッジ７と連通する。また、ヘッドケース１６の下部には、圧電デバイス１４が収容される収容空間１７が形成されている。流路ユニット１５がヘッドケース１６の下面に位置決めされた状態で接合されると、流路ユニット１５（連通基板２４）上に積層された圧電デバイス１４が収容空間１７内に収容されるように構成されている。さらに、ヘッドケース１６の内部には、このヘッドケース１６を高さ方向に貫通した貫通空間１９が形成されている。この貫通空間１９内に、圧電素子３２に駆動信号を供給する図示しないフレキシブルケーブル等の配線部材が配置される。
流路ユニット１５は、複数のノズル２２が列状に開設されたノズルプレート２１、及び共通液室２５等が設けられた連通基板２４を有している。列状に開設された複数のノズル２２（ノズル列）は、一端側のノズル２２から他端側のノズル２２までドット形成密度に対応したピッチで等間隔に設けられている。共通液室２５は、複数の圧力室３０に共通の流路として圧力室３０の並設方向に沿って長尺に形成されている。各圧力室３０と共通液室２５とは、連通基板２４に形成された個別連通路２６を介して連通する。すなわち、共通液室２５内のインクが、個別連通路２６を介して各圧力室３０に分配される。また、ノズル２２とこれに対応する圧力室３０とは、連通基板２４を板厚方向に貫通したノズル連通路２７を介して連通する。
本実施形態における圧電デバイス１４は、図２及び図３に示すように、圧力室形成基板２９、振動板３１、圧電素子３２、及び封止板３３が積層され、ユニット化された電子デバイスである。この圧電デバイス１４は、収容空間１７内に収容可能な大きさに形成され、この収容空間１７内に収容されている。
圧力室形成基板２９は、シリコン製の硬質な板材であり、本実施形態では、表面（上面及び下面）の結晶面方位を（１１０）面としたシリコン単結晶基板から作製されている。この圧力室形成基板２９には、エッチングにより一部が板厚方向に完全に除去されて、圧力室３０となるべき空間がノズル列方向に沿って複数並設されている。この空間は、下方が連通基板２４により区画され、上方が振動板３１により区画されて、圧力室３０を構成する。また、この空間、すなわち圧力室３０は、ノズル列方向に直交する方向に長尺に形成され、長手方向の一側の端部に個別連通路２６が連通すると共に、他側の端部にノズル連通路２７が連通する。
振動板３１は、弾性を有する薄膜状の部材であり、圧力室形成基板２９の上面（連通基板２４側とは反対側の面）に積層されている。この振動板３１によって、圧力室３０となるべき空間の上部開口が封止されている。換言すると、振動板３１によって、圧力室３０の上面が区画されている。この振動板３１における圧力室３０（詳しくは、圧力室３０の上部開口）に対応する部分は、圧電素子３２の撓み変形に伴ってノズル２２から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変位する変位部として機能する。すなわち、振動板３１における圧力室３０の上部開口に対応する領域が、撓み変形が許容される駆動領域となる。そして、この駆動領域（変位部）の変形（変位）により、圧力室３０の容積は変化する。一方、振動板３１における圧力室３０の上部開口から外れた領域が、撓み変形が阻害される非駆動領域となる。
また、振動板３１は、例えば、圧力室形成基板２９の上面に形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜と、この弾性膜上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜と、から成る。そして、この絶縁膜上（振動板３１の圧力室形成基板２９側とは反対側の面）における各圧力室３０に対応する領域（すなわち駆動領域）に圧電素子３２がそれぞれ積層されている。なお、圧力室形成基板と振動板が一体である構成を採用することもできる。すなわち、圧力室形成基板の下面側からエッチング処理が施されて、上面側に板厚の薄い薄肉部分を残して圧力室が形成され、この薄肉部分が振動板として機能する構成を採用することもできる。
本実施形態における圧電素子３２は、所謂撓みモードの圧電素子である。この圧電素子３２は、各ノズル２２に対応してノズル列方向に沿って複数並設されている。図３及び図４に示すように、各圧電素子３２は、例えば、振動板３１上に、下電極層３７（本発明における第１の電極層に相当）、絶縁体層の一種である圧電体層３８及び上電極層３９（本発明における第２の電極層に相当）が順次積層されてなる。本実施形態においては、下電極層３７が、圧電素子３２毎の個別の電極として機能し、上電極層３９が、各圧電素子３２に共通な電極として機能する。なお、駆動回路や配線の都合によってこれらを逆にする構成とすることもできる。このように構成された圧電素子３２は、下電極層３７と上電極層３９との間に両電極の電位差に応じた電界が付与されると、ノズル２２から遠ざかる方向あるいは近接する方向に撓み変形する。すなわち、下電極層３７と上電極層３９との間に圧電体層３８が挟まれた領域が、駆動信号により駆動される圧電素子３２となる。
圧電体層３８は、図３に示すように、ノズル列方向に直交する方向において、圧力室３０に対応する領域であって圧電素子３２となる領域よりも外側の素子外領域４１まで延設されている。具体的には、ノズル列方向に直交する方向において、圧電体層３８の一側（図３における左側）の端は、下電極層３７の一側の端を越えて圧力室形成基板２９の端部まで延設されている。また、ノズル列方向に直交する方向において、圧電体層３８の他側（図３における右側）の端は、上電極層３９の他側の端を越えて封止板３３よりも外側であって、ヘッドケース１６の貫通空間１９に対応する端子領域（図示せず）まで延設されている。なお、この上電極層３９の他側の端よりも外側の圧電体層３８には、当該圧電体層３８を厚さ方向に貫通したコンタクトホール４２が形成されている。また、本実施形態における圧電体層３８は、ノズル列方向において、複数の圧電素子３２に亘って形成され、隣り合う圧力室３０に挟まれた領域に対応する部分、すなわち、隣接する圧力室３０の間の非駆動領域に対応する部分に図示しない開口が形成されている。この開口は、圧電体層３８の一部が除去されて形成された凹部或いは貫通穴から構成されており、圧力室３０の開口縁に沿って延在している。すなわち、このように開口が設けられた構成では、ノズル列方向に隣り合う開口の間の部分であって圧力室３０に対応する領域に設けられた梁状の圧電体層３８およびこれを挟む上下の電極３７，３９が圧電素子３２として機能する。
下電極層３７は、図３に示すように、ノズル列方向に直交する方向における一側の端が圧電体層３８及び上電極層３９の同方向における一側の端よりも内側に形成されている。このため、ノズル列方向に直交する方向において、圧電素子３２の一側の端は、下電極層３７の一側の端により規定される。本実施形態における下電極層３７の一側の端は、圧力室３０に対応する領域よりも僅かに外側まで延設されている。一方、下電極層３７のノズル列方向に直交する方向における他側の端は、上電極層３９の他側の端を越えて素子外領域４１まで、ノズル列方向に直交する方向に沿って延設されている。この上電極層３９の他側の端よりも外側の下電極層３７には、コンタクトホール４２を介してリード電極層４４が接続されている。このリード電極層４４は、圧電体層３８上において、ノズル列方向に直交する方向に沿って端子領域まで延設され、この端子領域で配線部材の対応する端子と接続されている。
上電極層３９は、ノズル列方向において複数の圧電素子３２に亘って形成されている。図３に示すように、この上電極層３９のノズル列方向に直交する方向における一側の端は、下電極層３７の同方向における一側の端を越えて圧力室形成基板２９の端部まで延設されている。一方、上電極層３９のノズル列方向に直交する方向における他側の端は、下電極層３７及び圧電体層３８の同方向における他側の端よりも内側に形成されている。このため、ノズル列方向に直交する方向において、圧電素子３２の他側の端は、上電極層３９の他側の端により規定される。本実施形態における上電極層３９の他側の端は、圧力室３０に対応する領域よりも僅かに外側まで延設されている。
なお、下電極層３７、上電極層３９、及びリード電極層４４としては、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銅（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びこれらの酸化物、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＩｎＳｎＯ３などの導電性酸化物等が用いられる。本実施形態では、下電極層３７にイリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、及びこれらの酸化物を用い、上電極層３９にイリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、及びこれらの酸化物を用いている。また、圧電体層３８としては、Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３固溶体、Ｐｂ（ＭｎＮｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３固溶体、及びこれらに微量の金属元素を添加したもの、並びにＢｉ（ＦｅＭｎ）Ｏ３−ＢａＴｉＯ３固溶体、Ｋ（ＮａＮｂ）Ｏ３固溶体などの鉛（Ｐｂ）を使わないもの等からなる誘電体が用いられる。本実施形態では、圧電体層３８にＰｂ１．１（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３を用いている。さらに、圧電体層３８の厚さは、用途に応じて１５０ｎｍ〜１０ｕｍ程度のものが用いられる。
ここで、図４に示すように、上電極層３９の他側の端よりも外側の素子外領域４１における圧電体層３８は、上電極層３９を除去して圧電素子３２を形成する際におけるオーバーエッチング（上電極層３９の除去後も継続して行われるエッチング）により、圧電素子３２における圧電体層３８よりも薄く形成されている。すなわち、この素子外領域４１における圧電体層３８は、オーバーエッチングにより、掘り下げられている。本実施形態では、素子外領域４１における圧電体層３８の圧電素子３２側の境界面は、上電極層３９の他側の端から外側に向けて下り傾斜した状態となっている。そして、素子外領域４１における圧電体層３８の厚さ（平均値）と、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さとの差ＯＥ（素子外領域４１における圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥ）は、圧電素子３２における圧電体層３８（オーバーエッチングされていない状態の圧電体層３８）の厚さによらず、５０ｎｍ以下になるように形成されている。この点に関し、詳しくは後述する。なお、本実施形態における圧電体層３８は上記した誘電体の多結晶体からなり、ドライエッチングにより圧電体層３８を表面から削るため、削られた圧電体層３８の表面には非晶質（アモルファス）からなるダメージ層４３が形成されている。このダメージ層４３の膜厚は、３０ｎｍ以下に抑えることが望ましい。
ところで、素子外領域４１における圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥをゼロにした場合、すなわち、圧電体層３８のオーバーエッチングを行わない場合、上電極層３９が圧電体層３８上にわずかに残存する虞がある。上電極層３９を除去すべき領域に上電極層３９が残存すると、隣接する圧電素子３２やリード電極層４４等のその他の電極とショートする虞がある。また、上電極層３９の不均質を原因とする破壊が起こりやすくなる。このため、素子外領域４１における圧電体層３８に対してオーバーエッチングを行い、確実に上電極層３９を除去する必要がある。しかしながら、オーバーエッチング量ＯＥが多すぎると、圧電体層３８（圧電素子３２）の信頼性が落ちることが分かった。
図５は、圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥと耐久試験における圧電素子３２の不良率との関係について示したグラフである。このグラフに示されるように、横軸がオーバーエッチング量ＯＥ（ｎｍ）を表し、縦軸が圧電素子３２の耐久試験における不良率を表している。また●印は、圧電素子３２における圧電体層３８（オーバーエッチングされていない状態の圧電体層３８）の厚さを１３００ｎｍとしたものの試験結果であり、×印は、圧電素子３２における圧電体層３８（オーバーエッチングされていない状態の圧電体層３８）の厚さを７５０ｎｍとしたものの試験結果である。なお、本実施形態における圧電素子３２の耐久試験では、記録ヘッド３に組み立てられた状態で、吐出波形を用いてノズル２２からインクを１億回吐出し、吐出不良等の不具合が発生するか否かを検査する方法が用いられている。そして、圧電素子３２（圧電体層３８）の破壊に起因するインクの吐出不良が１つでもあった場合、その記録ヘッド３は不良としてカウントされる。図５におけるグラフでは、この不良となった記録ヘッド３の割合を示している。なお、圧電素子３２の耐久試験に使用される吐出波形の最大電圧は、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さが異なる場合でも、下電極層３７と上電極層３９との間に挟まれた圧電素子３２にかかる電界強度が同じになるように、調整されている。
図５に示すように、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さを１３００ｎｍとしたものでは、オーバーエッチング量ＯＥが５０ｎｍよりも大きいと、不良率が急激に増加することが分かる。また、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さを７５０ｎｍとしたものでも、オーバーエッチング量ＯＥが５０ｎｍよりも大きいと、不良率が急激に増加することが分かる。すなわち、圧電素子３２における圧電体層３８の厚さによらず、オーバーエッチング量ＯＥが５０ｎｍよりも大きいと、不良率が急激に増加することが分かる。このため、素子外領域４１における圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥは、５０ｎｍ以下とすることが望ましい。このようにすれば、上電極層３９の他側の端により規定される圧電素子３２の端において、圧電素子３２の破損を抑制できる。その結果、圧電素子３２の信頼性が向上し、圧電デバイス１４の信頼性、ひいては記録ヘッド３の信頼性が向上する。
なお、インクの吐出不良は、圧電素子３２と素子外領域４１との境界（上電極層３９の他側の端）における圧電体層３８が破壊されていることにより、引き起こされていることが分かっている。この破壊は、圧電素子３２と素子外領域４１の境界における圧電体層３８に応力が集中すると共に、この境界に電界が発生することに起因して、圧電体層３８に微小なクラックが発生し、そこに水分等が入り込んで電流が流れることによって発生したものと推測されている。
また、オーバーエッチングされただけでも微小なクラックを発生させることがあるため、電極層に挟まれた絶縁体層においても同様の破壊が発生することが推測される。すなわち、絶縁体層と素子外領域との境界に応力が発生しない場合でも、オーバーエッチングにより発生した微小なクラックに電流が流れることによって破損が起きる虞がある。そして、この微小なクラックの程度は、オーバーエッチング量によるため、上下一対の電極層とこれらの電極層に挟まれた絶縁体層とからなるキャパシターにおいても、キャパシターの端が破損することによる不良率は、図５におけるグラフと同様の傾向になると推測される。
また、オーバーエッチングされただけでも微小なクラックを発生させることがあるため、電極層に挟まれた絶縁体層においても同様の破壊が発生することが推測される。すなわち、絶縁体層と素子外領域との境界に応力が発生しない場合でも、オーバーエッチングにより発生した微小なクラックに電流が流れることによって破損が起きる虞がある。そして、この微小なクラックの程度は、オーバーエッチング量によるため、上下一対の電極層とこれらの電極層に挟まれた絶縁体層とからなるキャパシターにおいても、キャパシターの端が破損することによる不良率は、図５におけるグラフと同様の傾向になると推測される。
また、本実施形態における圧電体層３８は誘電体の多結晶体からなるため、オーバーエッチングがされていない状態の圧電体層３８の表面には、結晶粒による微小な凹凸が形成されている。このため、この凹凸に入り込んだ上電極層３９がエッチングにより除去されず、他の電極とショートする虞がある。このようなショートを抑制するべく、圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥは、少なくとも圧電体層３８の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）よりも大きくすることが望ましい。また、圧電体層３８の表面の凹凸に入り込んだ上電極層３９を確実に除去するべく、圧電体層３８のオーバーエッチング量ＯＥは、圧電体層３８の表面の最大高さ粗さ（Ｒｚ）、すなわち最大山高さ（Ｒｐ）と最大谷深さ（Ｒｖ）との和よりも大きくすることがより望ましい。
封止板３３は、図２に示すように、圧電素子３２を収容可能な圧電素子収容空間３４が形成された基板である。この封止板３３は、圧電素子収容空間３４内に圧電素子３２を収容した状態で、振動板３１上に接合されている。なお、圧電素子収容空間が形成されない平板状の封止板を採用することもできる。この場合、振動板と封止板とを接合する接着剤の厚さを厚くし、この接着剤で圧電素子の周囲を囲うことで、圧電素子を収容する空間を形成する。また、封止板自体に駆動回路等の回路や配線を形成した構成を採用することもできる。
そして、上記のように形成された記録ヘッド３は、インクカートリッジ７からのインクを液体導入路１８、共通液室２５及び個別連通路２６を介して圧力室３０に導入する。この状態で、制御部からの駆動信号を、配線部材を介して圧電素子３２に供給することで、圧電素子３２を駆動させて圧力室３０の容積を変化させる。この容積の変化に伴う圧力変動を利用することで、ノズル連通路２７を介して圧力室３０と連通するノズル２２からインク滴を噴射する。
次に、圧電デバイス１４の製造工程、特に、圧電素子３２の製造工程について説明する。図６は、圧電素子３２の製造工程を説明する断面における状態遷移図である。まず、圧力室形成基板２９となるシリコン単結晶基板の上面（封止板３３と対向する側の面）に振動板３１を積層する。次に、この振動板３１の上面に、半導体プロセス（即ち、成膜工程、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程等）により、下電極層３７及び圧電体層３８を順次パターニングする。圧電体層３８がパターニングされたならば、図６（ａ）に示すように、成膜工程において、振動板３１の上面に上電極層３９となる金属層３９′を製膜する。そして、感光性樹脂からなるレジスト層を金属層３９′上に塗布し、マスクを介して露光及び現像することで、所定の位置にレジスト層４６をパターニングする（図６（ｂ）参照）。この状態で、エッチング工程に移行して上電極層３９、リード電極層４４等を形成する。すなわち、図６（ｃ）に示すように、パターニングされたレジスト層４６をマスクとして、エッチング（本実施形態においてはドライエッチング）により金属層３９′の不要な部分を除去する。
ここで、エッチング工程において、上電極層３９が除去された後もエッチングを継続する所謂オーバーエッチングを行い、レジスト層４６が積層されていない領域の圧電体層３８を５０ｎｍ以下の範囲で厚さ方向に除去する。特に、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３２の他側の端よりも外側の素子外領域４１における上電極層３９をエッチングにより除去すると共に、素子外領域４１における上電極層３９が除去された後もエッチングを継続して、素子外領域４１における圧電体層３８を５０ｎｍ以下の範囲で厚さ方向に除去する。そして、図６（ｄ）に示すように、エッチング工程後にレジスト層４６を剥離する。これにより、上電極層３９が圧電体層３８上に残存することを抑制しつつ、上電極層３９の端における破損が抑制された信頼性の高い圧電素子３２を歩留り良く製造できる。すなわち、信頼性が向上した圧電素子３２を効率良く製造でき、ひいては信頼性が向上した圧電デバイス１４を効率良く製造できる。
振動板３１上に圧電素子３２が製造されたならば、圧電素子収容空間３４内に圧電素子３２を収容した状態で、封止板３３を振動板３１上に接合する。最後に、圧力室形成工程において、圧力室形成基板２９となるシリコン単結晶基板の下面（連通基板２４と接続される側の面）に圧力室３０を形成する。例えば、圧力室形成基板２９となるシリコン単結晶基板の下面側からエッチングすることで、圧力室３０を形成する。これにより、図２等に示す圧電デバイス１４が製造される。
このように製造された圧電デバイス１４は、流路ユニット１５（連通基板２４）の上面に接合される。ここで、流路ユニット１５は、連通基板２４となる基板（例えば、シリコン単結晶基板）に共通液室２５等の流路を形成する連通基板形成工程と、ノズルプレート２１となる基板（例えば、シリコン単結晶基板）に圧力室３０に連通するノズル２２を形成するノズルプレート形成工程と、両基板を貼り合せて流路ユニット１５を形成する流路ユニット板形成工程と、を経て製造される。そして、圧電デバイス１４が流路ユニット１５に接続されたならば、ヘッドケース１６の収容空間１７内に圧電デバイス１４を収容した状態で、ヘッドケース１６を流路ユニット１５に接続する。これにより、図２に示す記録ヘッド３が製造される。
ところで、上記した実施形態では、ノズル列方向に直交する方向において、圧電素子３２の一側の端が下電極層３７の一側の端により規定されたが、これには限られない。上電極層３９の一側の端により圧電素子３２の一側の端が規定された構成を採用することもできる。すなわち、圧電素子３２の一側の端において、上電極層３９の一側の端が下電極層３７の一側の端よりも内側に形成された構成を採用することもできる。この場合でも、圧電素子の一側の端よりも外側の素子外領域における圧電体層を、５０ｎｍ以下の範囲でオーバーエッチングすることが望ましい。また、上記した実施形態では、エッチング工程において、ドライエッチングによりエッチングを行ったが、これには限られない。ウェットエッチングにより、上電極層３９及び圧電体層３８をエッチングすることもできる。
そして、以上では、電子デバイスの一種として、記録ヘッド３に組み込まれた、圧電素子を備えた圧電デバイス１４を例に挙げて説明したが、本発明は、第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれた絶縁体層を有するキャパシターを備えたものであれば、その他の電子機器に設けられ電子デバイスにも適用することができる。すなわち、上電極層３９の一の端によりキャパシターの一の端が規定され、この端よりも外側の素子外領域がオーバーエッチングされた電子デバイスにおいても、キャパシターと素子外領域との境界における破損を抑制し得る。
また、圧電デバイスとしては、記録ヘッドに組み込まれたものの他に、例えば、圧電素子をセンサーとして機能させる圧電デバイスにも適用することができる。また、液体噴射ヘッドとしては、例えば、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吐出ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材吐出ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物吐出ヘッド等にも本発明を適用することができる。
１…プリンター，３…記録ヘッド，１４…圧電デバイス，１５…流路ユニット，１６…ヘッドケース，１７…収容空間，１８…液体導入路，１９…貫通空間，２１…ノズルプレート，２２…ノズル，２４…連通基板，２５…共通液室，２６…個別連通路，２７…ノズル連通路，２９…圧力室形成基板，３０…圧力室，３１…振動板，３２…圧電素子，３３…封止板，３４…圧電素子収容空間，３７…下電極層，３８…圧電体層，３９…上電極層，４１…素子外領域，４２…コンタクトホール，４３…ダメージ層，４４…リード電極層，４６…レジスト層
Claims (6)
- 第１の電極層、絶縁体層、および第２の電極層がこの順に形成されてなるキャパシターを備えた電子デバイスであって、
前記キャパシターの少なくとも一の端は、前記第２の電極層の端により規定され、
前記絶縁体層は、前記キャパシターの一の端よりも外側の素子外領域まで延設され、
前記素子外領域における絶縁体層は、前記キャパシターにおける絶縁体層よりも薄く形成され、
前記素子外領域における絶縁体層の厚さと、前記キャパシターにおける絶縁体層の厚さとの差は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項２に記載の圧電デバイスと、
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室と、
前記圧力室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 第１の電極層、絶縁体層、および第２の電極層がこの順に形成されたキャパシターを備えた電子デバイスの製造方法であって、
前記第２の電極層をエッチングにより除去すると共に、前記エッチングにより生じた前記第２の電極層の端により規定された前記キャパシターの少なくとも一の端よりも外側の素子外領域における前記絶縁体層が前記第２の電極層が除去された後も継続してエッチングされ、前記素子外領域における前記絶縁体層が５０ｎｍ以下の範囲で厚さ方向に除去されるエッチング工程を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 請求項４に記載の電子デバイスの製造方法において、
前記絶縁体層が圧電体層で、前記キャパシターが圧電素子であることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 - 請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法と、
前記圧電素子の変形に伴い容積を変化させる圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧力室に連通するノズルを形成するノズルプレート形成工程と、を含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
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