JP4207167B2 - 圧電体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
上記製造方法において、前記各圧電体層の成膜における焼成は、下部電極側から加熱することによって行うことが望ましい。また、圧電体薄膜の成膜は、ゾルゲル法又はMOD法によって行うことが望ましい。
図1は、本実施形態の圧電体素子が使用される液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体2に、トレイ3、排出口4および操作ボタン9が設けられている。さらに本体2の内部には、液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド1、給紙機構6、制御回路8が備えられている。
図2は、本発明の一実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの主要部の構造を示す分解斜視図である。
図3は、上記インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子部分を拡大した平面図(a)、そのi−i線断面図(b)及びii−ii線断面図(c)である。
上記インクジェット式記録ヘッド1の構成において、印刷動作を説明する。制御回路8から駆動信号が出力されると、給紙機構6が動作し用紙5がヘッド1によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路8から吐出信号が供給されず圧電体素子の下部電極42と上部電極44との間に駆動電圧が印加されていない場合、圧電体膜43には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子が設けられているキャビティ21には、圧力変化が生じず、そのノズル11からインク滴は吐出されない。
次に、本発明の圧電体素子の製造方法を説明する。図4及び図5は、本発明の圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。
この工程は、圧力室基板20となるシリコン基板を酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、酸化珪素(SiO2)からなる酸化膜31を形成する工程である。この工程には通常用いる熱酸化法の他、CVD法を使用することもできる。
圧力室基板20の一面上に形成された酸化膜31の上に、ZrO2膜32を形成する工程である。このZrO2膜32は、スパッタ法または真空蒸着法等によりZrの層を形成したものを酸素雰囲気中で高温処理して得られる。
ZrO2膜32上にIrを含む下部電極42を形成する。例えば、まずIrを含む層を形成し、次いでPtを含む層を形成し、更にIrを含む層を形成する。
下部電極形成後、これを配線用下電極42aと分離するため、まず下部電極層42を所望の形状にマスクし、その周辺をエッチングすることでパターニングを行う。具体的には、まずスピンナー法、スプレー法等により均一な厚みのレジスト材料を下部電極上に塗布し(図示せず)、次いで、マスクを圧電体素子の形状に形成してから露光・現像して、レジストパターンを下部電極上に形成する(図示せず)。これに通常用いるイオンミリング又はドライエッチング法等により下部電極をエッチング除去しZrO2膜32を露出させる。
この工程は、スパッタ法等により、下部電極42上にTi核(層)(図示せず)を形成する工程である。Ti核(層)を形成するのは、Ti結晶を核としてPZTを成長させることにより、結晶成長が下部電極側から起こり、緻密で柱状の結晶が得られるからである。
この工程は、ゾルゲル法により、圧電体前駆体膜43'を形成する工程である。
圧電体前駆体膜43'の形成後、焼成して圧電体薄膜を結晶化させる工程である。この焼成により、圧電体前駆体膜43'は、アモルファス状態から菱面体結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す薄膜へと変化し、X線回折広角法により測定した100面配向度が75%以上の圧電体薄膜43となる。この焼成工程においては、下部電極側から加熱することが好ましい。下部電極側から加熱することにより、結晶成長が下部電極側から起こるため、より確実に配向制御をすることができる。
圧電体薄膜43上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により上部電極44を形成する。
圧電体薄膜43及び上部電極44を、圧電体素子の所定形状にパターニングする工程である。具体的には、上部電極44上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極44、圧電体薄膜43をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程で、圧電体素子40が形成される。
次に、上部電極44と配線用下電極42aを導通する細帯電極45を形成する。細帯電極45の材質は剛性が低く、電気抵抗が低い金が好ましい。他に、アルミニウム、銅なども好適である。細帯電極45は約0.2μmの膜厚で成膜し、その後各上部電極と配線用下電極との導通部が残るようにパターニングする。
次に、圧電体素子40が形成された圧力室基板20の他方の面に、異方性エッチングまたは平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを施し、圧力室21を形成する。エッチングされずに残された部分が側壁22になる。
最後に、エッチング後の圧力室基板20にノズル板10を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル11が圧力室21各々の空間に配置されるよう位置合わせする。ノズル板10が貼り合わせられた圧力室基板20を図示しない筐体に取り付け、インクジェット式記録ヘッド1を完成させる。
第2実施形態の製造方法は、圧電体薄膜の焼成工程(S6)における焼成条件のみ第1実施形態と異なり、他は第1実施形態の製造方法と同様である。
PZT前駆体膜を2回塗布する毎に焼成してPZT薄膜を成膜する工程を、6回繰り返し、全体で1.3μmの膜厚を有するPZT薄膜を得た。上記6回のうち初回を除く5回の焼成条件を700℃,30分とし、初回の焼成条件を種々変えたときに得られたPZTの100面配向度を以下に示す。なお、積層された下部電極が相互拡散する温度は700℃であった。
700℃,30分/72%(実施例B1)
700℃,60分/83%(実施例A1)
750℃,30分/75%(実施例A2)
800℃,30分/86%(実施例A3)
第1実施形態に従い、実施例A1のように、初回の焼成時間を他の回の焼成時間より長くすることにより、好ましい100面配向度が得られた。また、実施例A2及びA3のように、初回の焼成温度を他の回の焼成温度より高くすることにより、好ましい100面配向度が得られた。特に初回の焼成温度を800℃とした場合に、より好ましい100面配向度が得られた。
第3実施形態の製造方法では、圧電体前駆体膜の形成工程(S5)において、第1実施形態と組成の異なるゾルを用いたゾルゲル法が採用されるほか、第1実施形態の製造方法と同様である。
図9は、すべての層のゾルのZr/Ti比を55/45としたときのTEM写真である。下部電極上に5nm程度の不連続が存在する。これはTiリッチの圧電体である。本発明による圧電体膜には、Tiリッチの圧電体層は観察されない。
本発明は、上記実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば、本発明で製造した圧電体素子は、上記インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のような強誘電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装置、および電気光学装置の製造に適応することができる。
Claims (3)
- 下部電極上にTi膜を形成する工程と、
前記Ti膜上に、圧電体前駆体膜の塗布と該圧電体前駆体膜の焼成とを複数回繰り返して行うことにより、鉛とジルコニウムとチタンとを含み100面優先配向した圧電体薄膜を形成する工程と、
前記圧電体薄膜上に上部電極を形成する工程と、を有する圧電体素子の製造方法であって、
前記圧電体薄膜を形成する工程において、初回の前記圧電体前駆体膜の焼成時間を、他の回の各焼成時間より長い時間とすることを特徴とする圧電体素子の製造方法。 - 前記圧電体薄膜を形成する工程において、初回の前記圧電体前駆体膜の焼成温度を、他の回の各焼成温度より高い温度とすることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子の製造方法。
- 前記圧電体薄膜を形成する工程において、前記圧電体前駆体膜の焼成は、前記下部電極側から加熱することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体素子の製造方法。
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