JP4836003B2 - 圧電体膜の製造方法、圧電体素子の製造方法、インクジェット式記録ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態の圧電体素子を有するインクジェット式記録ヘッドが使用され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、インクジェット式記録ヘッド1、供給機構6、制御回路8が備えられている。
図2は、本実施形態の圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド1は、図に示すように、ノズル板10、圧力室基板20および振動板30を備えて構成されている。このヘッドは、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
図3に、本実施形態の方法により製造されるインクジェット式記録ヘッドおよび圧電体素子のさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧電体素子の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板30は、絶縁膜31および下部電極32を積層して構成され、圧電体素子40は圧電体薄膜層41および上部電極42を積層して構成されている。特にこのインクジェット式記録ヘッド1は、圧電体素子40、キャビティ21およびノズル穴11が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能である。例えば400dpi(dot per inch)になるように配置される。
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、供給機構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40の下部電極32と上部電極42との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層41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40が設けられているキャビティ21には、圧力変化が生じず、そのノズル穴11からインク滴は吐出されない。
次に、この実施形態による圧電体素子の製造方法を、インクジェット式記録ヘッドの製造方法と併せて説明する。図4及び図5は、本実施形態による圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
絶縁膜形成工程は、シリコン基板20に絶縁膜31を形成する工程である。シリコン基板20の厚みは、側壁の高さが高くなりすぎないように、例えば200μm程度のものを使用する。絶縁膜31は例えば1μm程度の厚みに形成する。絶縁膜の製造には公知の熱酸化法等を用い、二酸化珪素の膜を形成する。なお、絶縁膜31の上に、好ましくは厚さ5nm〜40nm、更に好ましくは20nm程度のチタン膜又は酸化チタン膜(密着層:図示せず)を更に形成しても良い。この密着層は、絶縁膜31と下部電極32との密着性を向上させる。
この下部電極形成工程は、絶縁膜31又は密着層の上に下部電極32を形成する工程である。下部電極32は、例えば白金層を200nmの厚みで積層する。これらの層の製造は公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いる。
次に、下部電極32上に圧電体前駆体膜の第1層411'を成膜する。圧電体前駆体膜は、後述の処理で結晶化されて圧電体薄膜41となる以前の、非晶質膜として構成される。本実施例ではPZT前駆体膜をゾル・ゲル法で成膜する。なお、PZTの成膜方法はゾル・ゲル法に限定されるわけではなく、MOD(Metal-Organic Decomposition)法等の溶液塗布法であれば良い。
上記の工程によって得られた圧電体前駆体膜の第1層411'を加熱処理することによって結晶化させ、圧電体薄膜の第1層411を形成する。焼結温度は材料により異なるが、本実施形態では650℃で5分から30分間加熱を行う。その際の昇温レートは、毎分1000℃以下の比較的ゆっくりとしたペースとする。加熱装置としては、拡散炉等を使用することができる。
次に、1回の塗布、乾燥、脱脂、結晶化で得られる膜厚を20nm以下として、上記の塗布、乾燥、脱脂、結晶化という工程を、例えば5回繰り返す。すなわち、圧電体前駆体膜の第2層412'を成膜し(S5)、上記と同様に結晶化させる(S6)。これを5回繰り返した場合、圧電体膜41全体の膜厚は200nmとなる。
以上により形成された圧電体薄膜41上に上部電極42を形成する。具体的には、上部電極42として白金(Pt)を100nmの膜厚にDCスパッタ法で成膜する。
次に、上部電極42上にレジストをスピンコートした後、インク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42、圧電体薄膜41をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程により、圧電体素子の一例である圧電アクチュエータが形成される。
更に、インク室基板20にインク室21を形成し、ノズル板10を形成する。具体的には、インク室基板20に、インク室が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、例えば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ドライエッチングにより、予め定められた深さまでインク室基板20をエッチングし、インク室21を形成する。エッチングされずに残った部分は側壁22となる。
上記製造方法の実施例として、ジルコン酸チタン酸鉛(Pbx(ZryTi1-y)O3)からなる圧電体薄膜を製造した。
図8は、本発明に対する比較例による方法で成膜されたPZT膜の平面SEM写真及びその模写図である。このPZT膜の粒径は60nmから230nmの間にあり、比較的小さい。図に示されるように、このPZT膜の結晶粒の粒界には、明らかな空隙は見られない。
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力発生源のみならず、圧電ファン、超音波モータ、超音波振動子のような圧電体素子装置及びこの様な装置の製造に適応することができる。
Claims (5)
- 基板上に圧電体前駆体膜を形成し、この圧電体前駆体膜を結晶化させる工程を複数回繰り返すことによる、多結晶体で構成される圧電体膜の製造方法であって、前記圧電体前駆体膜の形成時の前記工程1回あたりの膜厚は、結晶化後に基板全面を被覆しない厚さとし、
前記複数回の工程のうち1回目の工程における前記圧電体前駆体膜の形成時の膜厚は、当該工程により得られる結晶化後の膜厚が20nmより大きく、前記複数回の工程のうち2回目以降の工程における前記圧電体前駆体膜の形成時の前記工程1回あたりの膜厚は、当該1回の工程により得られる結晶化後の膜厚が、前記1回目の工程により得られる結晶化後の膜厚より小さくなるようにすることを特徴とする圧電体膜の製造方法。 - 基板上に圧電体前駆体膜を形成して当該圧電体前駆体膜を結晶化させる一連の工程を、複数回繰り返すことによる、多結晶体で構成される圧電体膜の製造方法であって、前記圧電体前駆体膜の形成時の前記工程1回あたりの膜厚は、当該1回の工程により得られる結晶化後の膜厚が100nm以下とし、
前記複数回の工程のうち1回目の工程における前記圧電体前駆体膜の形成時の膜厚は、当該工程により得られる結晶化後の膜厚が20nmより大きく、前記複数回の工程のうち2回目以降の工程における前記圧電体前駆体膜の形成時の前記工程1回あたりの膜厚は、当該1回の工程により得られる結晶化後の膜厚が、前記1回目の工程により得られる結晶化後の膜厚より小さくなるようにすることを特徴とする圧電体膜の製造方法。 - 請求項2において、前記2回目以降の工程における前記圧電体前駆体膜の形成時の前記工程1回あたりの膜厚は、当該1回の工程により得られる結晶化後の膜厚が20nm以下となるようにすることを特徴とする圧電体膜の製造方法。
- 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の製造方法で製造した圧電体膜を備える圧電体素子の製造方法であって、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に前記圧電体膜を成膜する工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備えたことを特徴とする圧電体素子の製造方法。
- 請求項4に記載の製造方法で製造した圧電体素子を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、基板の一面に振動板を形成する工程と、前記振動板に前記圧電体素子を形成する工程と、前記基板をエッチングし圧力室を形成する工程と、を備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
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