JP5152461B2 - 圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、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を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。
このような圧電素子としては、基板上に設けられた下電極と、下電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた上電極とで構成され、圧電体層が下電極側に設けられた第１の層と、第１の層よりも膜厚が大きい第２の層とで構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、圧電体層の材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にニオブ（Ｎｂ）をドーピングしたＰｂ（ＺｒＴｉＮｂ）Ｏ３（ＰＺＴＮ）で、Ｔｉ組成がＺｒ組成よりも高く、且つ人工的に結晶系を菱面体晶に変化させたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、圧電素子の圧電体層として、チタンリッチ組成のＰＺＴ系圧電体層を用いた場合、変位特性を向上することができるものの、耐久性が低下してしまい繰り返し駆動を行うことができないという問題がある。
これに対して、圧電素子の圧電体層として、ジルコニウムリッチ組成となるＰＺＴ系圧電体層を用いた場合、変位特性が低下してしまうという問題がある。
また、特許文献２のように、圧電体層として、チタンリッチのＰＺＴＮ系圧電体層を用いることで、圧電体層の耐久性の低下を防止することができるが、ニオブをドープしなくてはならず製造工程が煩雑になると共にコストが増加してしまうという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電特性を向上すると共に耐久性の低下を防止した圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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、下電極と、該下電極上に形成され、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを有する圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極と、からなる圧電素子であって、前記圧電体層が、前記下電極側の第１圧電体層と、該第１圧電体層上に設けられた導電性酸化金属と、該導電性酸化金属上に設けられた第２圧電体層と、を備え、前記第１圧電体層と第２圧電体層とが導電性酸化金属により、結晶が連続しない分断された段構造であり、前記第１圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合が、前記第２圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合に対して高いことを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層として、圧電特性の良好な第１圧電体層と、耐久性の良好な第２圧電体層とを積層した構成とすることで、圧電体層全体の圧電特性を向上すると共に耐久性が低下するのを防止することができる。
また、前記導電性酸化金属は、酸化チタンであってもよい。
かかる態様では、圧電体層として、圧電特性の良好な第１圧電体層と、耐久性の良好な第２圧電体層とを積層した構成とすることで、圧電体層全体の圧電特性を向上すると共に耐久性が低下するのを防止することができる。
また、前記導電性酸化金属は、酸化チタンであってもよい。
また、前記第１圧電体層の格子定数が、前記第２圧電体層の格子定数に比べて小さいことが好ましい。これによれば、第１圧電体層と第２圧電体層とでジルコニウムに対するチタンの割合を異なったものとすることができる。
また、前記第１圧電体層の格子定数が、前記第２圧電体層の格子定数よりも０．１〜０．５％小さいことが好ましい。これによれば、第１圧電体層及び第２圧電体層のジルコニウムに対するチタンの割合の差を付けることができる。
また、前記第１圧電体層の厚さが、前記第２圧電体層の厚さに比べて薄いことが好ましい。これによれば、圧電体層全体で圧電特性を向上すると共に耐久性が低下するのを防止することができる。
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、液体噴射特性を向上して信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、液体噴射特性を向上して信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
また、本発明の他の態様は、基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上にＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むゾルを塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を繰り返し行ってＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを有する複数の圧電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極側の第１圧電体層と、前記上電極側の第２圧電体層とからなる当該圧電体層を形成すると共に、前記第１圧電体層を形成するゾルとして、Ｚｒに対するＴｉ濃度が、前記第２圧電体層を形成するゾルのＺｒに対するＴｉ濃度に比べて高いものを用いると共に、前記第１圧電体層を形成した後、当該第１圧電体層上に導電性酸化金属を形成し、その後、該導電性酸化金属上に前記第２圧電体層を形成することで、前記第１圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合が、前記第２圧電体層のＺｒにおけるＴｉの割合に対して高くなるように形成すると共に、前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間で結晶が分断されて間に界面が存在する段構造とすることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、ジルコニウムに対するチタンの割合を容易に且つ高精度に制御して圧電体層を形成することができる。
かかる態様では、ジルコニウムに対するチタンの割合を容易に且つ高精度に制御して圧電体層を形成することができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
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′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。
（実施形態１）
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′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４（液体供給路）と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。
インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、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。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。
すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
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、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
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、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜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を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜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、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。また、本実施形態の圧電体層７０は、菱面体晶系（rhombohedral）の結晶構造を有するものである。すなわち、圧電体層７０は、図４に示す菱面体晶系の結晶構造を有するＲの領域の格子定数を有するものである。なお、図４は、ジルコニアに対するチタンの割合と格子定数との関係を示すグラフである。
このようなＰＺＴからなる圧電体層７０は、ゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により形成されたものであり、且つ厚さ方向で結晶が分断された構造となっている。具体的には、本実施形態の圧電体層７０は、下電極膜６０側に設けられた第１圧電体層７１と、上電極膜８０側に設けられた第２圧電体層７２とで構成され、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間で結晶が分断された２段構造となっている。すなわち、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間で結晶が連続していない不連続な状態となっている。
第１圧電体層７１は、ジルコニウム（Ｚｒ）に対するチタン（Ｔｉ）の割合、すなわちＺｒ／Ｔｉ（モル比）におけるチタンの割合が、第２圧電体層７２のジルコニウムに対するチタンの割合に対して高くなっている。すなわち、第２圧電体層７２は、ジルコニウムに対するチタンの割合が、第１圧電体層７１に比べて低くなっている。
また、第１圧電体層７１の厚さは、第２圧電体層７２の厚さに比べて薄いことが好ましい。これによれば、圧電体層７０全体の耐久性が低下するのを防止することができる。
なお、本実施形態の圧電体層７０は、詳しくは後述する製造方法によって第１圧電体層７１を形成した段階で、その表面をＸ線回折広角法によって（１００）面の回折ピークを測定したところ２θ＝２１．９６５°であり、これを格子定数に換算すると４．０４６Åであった。これに対して、第１圧電体層７１上に第２圧電体層７２を形成した後、第２圧電体層７２の表面をＸ線回折広角法によって（１００）面の回折ピークを測定したところ、２θ＝２１．９１０°であり、これを格子定数に換算すると４．０５８Åであった。以上のことから、本実施形態の第１圧電体層７１の格子定数は、第２圧電体層７２の格子定数に比べて０．３％小さいことが分かった。なお、チタン酸ジルコン酸鉛では、図４に示すように、ジルコニウムに対するチタンの割合が高くなると格子定数が小さくなり、ジルコニウムに対するチタンの割合が低くなると格子定数が大きくなるものである。そして、本実施形態では、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２は、それぞれ菱面体晶系の結晶構造を有するものであるため、図４に示すＲの領域の格子定数となっている。ちなみに、第１圧電体層７１の格子定数は、第２圧電体層７２に比べて０．１〜０．５％小さいことが好ましい。これは、例えば、第１圧電体層７１の格子定数が、第２圧電体層７２の格子定数に比べて０．１％より小さいと、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間でジルコニウムに対するチタンの割合の差がほとんどなくなってしまい所望の効果を得られないからである。また、例えば、第２圧電体層７２の格子定数が第１圧電体層７１の格子定数に比べて０．５％よりも大きいと、図４に示すように、第１圧電体層７１の格子定数が小さくなり、第１圧電体層７１が菱面体晶系の結晶構造とはならず、正方晶系（tetragonal）の結晶構造となってしまう虞が高いからである。
このように、圧電体層７０を第１圧電体層７１と、第２圧電体層７２とで結晶が分断された段構造で構成し、第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合が、第２圧電体層７２に比べて高くなるようにすることで、第１圧電体層７１によって圧電体層７０全体での圧電特性を向上することができると共に、第２圧電体層７２によって圧電体層７０を繰り返し駆動した際の耐久性が低下するのを防止することができる。
さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５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、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接合されている。このリザーバ部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、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。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、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室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。
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等の導電性ワイヤからなる接続配線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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜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。
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図５〜図１０を参照して説明する。なお、図５〜図１０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製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。
次いで、図５（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。
次いで、図５（ｃ）に示すように、白金（Ｐｔ）の単層又は、この白金（Ｐｔ）層にイリジウム（Ｉｒ）層を積層、合金化した下電極膜６０を形成する。
次いで、図６（ａ）に示すように、下電極膜６０上にチタン（Ｔｉ）からなる種チタン層６１を形成する。この種チタン層６１は、３．５〜５．５ｎｍの厚さで形成する。なお、種チタン層６１は非晶質であることが好ましい。具体的には、種チタン層６１のＸ線回折強度、特に、（００２）面のＸ線回折強度（ＸＲＤ強度）が実質的に零となっていることが好ましい。このように種チタン層６１が非晶質であると、種チタン層６１の膜密度が高まり表層に形成される酸化層の厚みが薄く抑えられ、その結果、圧電体層７０の結晶をさらに良好に成長させることができるからである。
このように下電極膜６０の上に種チタン層６１を設けることにより、後の工程で下電極膜６０上に種チタン層６１を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）または（１１１）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、種チタン層６１は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には圧電体層７０内に拡散するものである。
なお、このような下電極膜６０及び種チタン層６１は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって形成することができる。
次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図６（ｂ）に示すように、下電極膜６０（種チタン層６１）上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７３を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上にチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及び鉛（Ｐｂ）を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７３を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、圧電体前駆体膜７３を１５０〜１７０℃で５〜１０分間保持することで乾燥することができる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜７３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７３を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約５〜１０分間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７３に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以上とするのが好ましい。
次に、図６（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７３を所定温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７４を形成する（焼成工程）。本実施形態では、１層目の圧電体膜７４が、第１圧電体層７１となる。この焼成工程では、圧電体前駆体膜７３を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、７００℃で５分間加熱を行って圧電体前駆体膜７３を焼成して圧電体膜７４を形成した。また、焼成工程では、昇温レートを９０〜１１０℃／ｓｅｃとするのが好ましい。これにより優れた特性の圧電体膜７４を得ることができる。
このような第１圧電体層７１を形成する際に用いるゾルは、ジルコニウムに対するチタンの割合が、後の工程で第２圧電体層７２を形成する際に用いるゾルに比べて高いものを用いている。そして、種チタン層６１のチタンは第１圧電体層７１（１層目の圧電体膜７４）を焼成する際に、第１圧電体層７１内に拡散させているため、焼成後の第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合は、ゾルの組成比と種チタン層６１の拡散量とで規定される。本実施形態では、ゾルの組成比と種チタン層６１の拡散した量とを適宜規定することにより、第１圧電体層７１をその表面の格子定数が４．０４６Å（Ｘ線回折広角法によって測定した（１００）面の回折ピークが２θ＝２１．９６５°）となるように形成した。
なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。
次に、図７（ａ）に示すように、下電極膜６０上に第１圧電体層７１を形成した段階で、下電極膜６０及び第１圧電体層７１をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。なお、下電極膜６０及び第１圧電体層７１のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
ここで、例えば、下電極膜６０の上に種チタン層６１を形成した後にパターニングしてから１層目の圧電体膜７４を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして下電極膜６０をパターニングするために種チタン層６１が変質してしまい、変質した種チタン層６１上に圧電体膜７４を形成しても当該圧電体膜７４の結晶性が良好なものではなくなり、１層目の圧電体膜７４の上に形成される２層目以降の圧電体膜７４も、１層目の圧電体膜７４の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体層７０を形成することができない。また、下電極膜６０をパターニングしてから１層目の圧電体膜７４を焼成する際に、下地として下電極膜６０が存在する領域と存在しない領域とが混在し、下地の違いから１層目の圧電体膜７４の加熱を面内で均一化することができず、結晶性にばらつきが生じてしまうという。
それに比べて、下電極膜６０上に１層目の圧電体膜７４を形成してから、同時にパターニングすれば、良好な結晶性を有する圧電体層７０を形成することができる。
次に、図７（ｂ）に示すように、第１圧電体層７１上を含む流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、再び結晶種６２を形成後、上述した塗布工程、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、図７（ｃ）に示すように複数層の圧電体膜７４を形成する。この第１圧電体層７１上に形成された複数の圧電体膜７４が第２圧電体層７２となる。
第２圧電体層７２を形成する際のゾルは、ジルコニウムに対するチタンの割合が、第１圧電体層７１を形成する際に用いるゾルに比べて、低いものを用いている。
なお、結晶種６２としては、種チタン層６１と同様にチタン（Ｔｉ）を用いてもよく、また、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の導電性酸化金属を用いるようにしてもよい。例えば、結晶種６２として、チタンを用いた場合には、結晶種６２は第２圧電体層７２を焼成した際に内部に拡散する。しかしながら、第２圧電体層７２を形成するゾルとして、ジルコニウムに対するチタンの割合が第１圧電体層７１を形成する際に用いるゾルに比べて低いものを用いているため、結晶種６２が第２圧電体層７２に拡散したとしても、第２圧電体層７２のジルコニウムに対するチタンの割合は、第１圧電体層に比べて低くなる。また、第２圧電体層７２を第１圧電体層７１の膜厚よりも厚く形成することで、第２圧電体層７２内にチタンからなる結晶種６２が拡散しても、第２圧電体層７２全体でのジルコニウムに対するチタンの割合は、第１圧電体層７１に比べて低くなる。
そして、結晶種６２としてチタンを用いた場合には、焼成後の第２圧電体層７２のジルコニウムに対するチタンの割合は、ゾルの組成比と結晶種６２の拡散した量とで規定される。本実施形態では、ゾルの組成比と結晶種６２の拡散した量とを適宜規定することにより、第２圧電体層７２をその表面の格子定数が４．０５８Å（Ｘ線回折広角法によって（１００）面の回折ピークが２θ＝２１．９１０°）となるように形成した。
このように形成された第２圧電体層７２は、第１圧電体層７１の結晶性を引き継ぎながらも結晶種６２を挟んで成長しているため、第１圧電体層７１とは結晶が分断された段構造となる。
これにより、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２とで構成された圧電体層７０を形成することができると共に、第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合が、第２圧電体層７２に比べて高い圧電体層７０を形成することができる。
なお、結晶種６２として、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の導電性酸化金属を用いた場合には、結晶種６２が第２圧電体層７２に拡散することがないため、圧電体層７０は、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間に結晶種６２が介在した状態で形成される。そして、本実施形態では、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間に結晶種６２が介在する場合も、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との間で結晶が連続しない不連続な、結晶が分断された段構造という。
また、本実施形態では、第１圧電体層７１として、１層の圧電体膜７４を形成し、第２圧電体層７２として、９層の圧電体膜７４を形成するようにした。ここで、例えば、ゾルの１回あたりの膜厚が０．１μｍの場合には、圧電体層７０の全体での膜厚は、約１．１μｍ程度となる。
次に、図８（ａ）に示すように、圧電体層７０上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜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及び上電極膜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８（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ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９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接合する。
次に、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。
次いで、図１０（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ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、図１０（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ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１１０及び保護基板用ウェハ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１１０の保護基板用ウェハ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、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
このように、本実施形態では、圧電体層７０を結晶が分断した段構造となる第１圧電体層７１と第２圧電体層７２とで構成し、第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合を、第２圧電体層７２よりも高くすることで、圧電体層７０全体での圧電特性を向上することができると共に、圧電体層７０の繰り返し駆動による耐久性が低下するのを防止することができる。これにより、インク吐出特性（液体噴射特性）を向上すると共に信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
ここで、上述した実施形態と同様の下電極膜６０上にＺｒ／Ｔｉ（モル比）の異なる２種類のゾルをそれぞれ用いて圧電体層７０を形成した。圧電体層７０は、１０層の圧電体膜７４を形成することにより形成し、その膜厚が約１．１μｍとなるようにした。そして、各ゾルで形成した圧電体層７０の表面をＸ線回折広角法により測定して回折強度のピーク２θを求めた。なお、一方のゾルは、Ｚｒ／Ｔｉ（モル比）が０．５１６／０．４８４となる組成比のものを用いた。他方のゾルは、Ｚｒ／Ｔｉ（モル比）が０．４６０／０．５４０となる組成比のものを用いた。すなわち、他方のゾルは、一方のゾルに比べてジルコニウムに対するチタンの割合が高く、且つジルコニウムに対してチタンリッチとなるものを用いた。
また、各ゾルで形成した圧電体層７０上に上述した実施形態と同様の上電極膜８０を形成し、初期変位量を測定した。この結果を下記表１に示す。
表１に示す結果から、圧電体層７０は、ジルコニウムに対するチタンの割合が高い方が圧電特性が向上する傾向があることが分かる。このため、第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合を第２圧電体層７２に比べて高くすることで、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２とで結晶が不連続となることによる圧電特性の低下を補って、圧電体層７０全体で圧電特性を向上することができる。ちなみに、圧電体層７０全体でジルコニウムに対するチタンの割合を高くすると、圧電体層７０を繰り返し駆動した際の耐久性が劣ってしまうが、本実施形態のように、第２圧電体層７２のジルコニウムに対するチタンの割合を、第１圧電体層７１に比べて低くすることで、圧電体層７０全体での繰り返し駆動による耐久性を維持することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７４を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７４を形成するようにしてもよい。すなわち、第１圧電体層７１は、複数層の圧電体膜７４によって構成されるようにしてもよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７４を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７４を形成するようにしてもよい。すなわち、第１圧電体層７１は、複数層の圧電体膜７４によって構成されるようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２とを形成する際に用いるゾルとして、ジルコニウムに対するチタンの割合が異なるものを用いるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、ジルコニウムに対するチタンの割合が同一のゾルを用いて第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を形成するようにしてもよい。このような場合であっても、第１圧電体層７１には、種チタン層６１のチタンが拡散するため、第１圧電体層７１のジルコニウムに対するチタンの割合は、第２圧電体層７２に比べて高くすることができる。ちなみに、第１圧電体層７１の表面にチタンからなる結晶種６２を設けた場合には、第２圧電体層７２にもチタンが拡散するものの、第２圧電体層７２の膜厚を第１圧電体層７１よりも厚くすることで第２圧電体層７２の全体でのジルコニウムに対するチタンの割合は、第１圧電体層７１に比べて低くなる。
なお、上述した実施形態１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（電界放出ディスプレー）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。
また、本発明は、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に搭載される圧電素子及びその製造方法並びにその駆動方法に限られず、他の装置に搭載される圧電素子及びその製造方法並びにその駆動方法にも適用することができる。
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 リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ６１ 種チタン層、 ６２ 結晶種、 ７０ 圧電体層、 ７１ 第１圧電体層、 ７２ 第２圧電体層、 ７４ 圧電体膜、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子
Claims (7)
- 下電極と、該下電極上に形成され、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを有する圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極と、からなる圧電素子であって、
前記圧電体層が、前記下電極側の第１圧電体層と、該第１圧電体層上に設けられた導電性酸化金属と、該導電性酸化金属上に設けられた第２圧電体層と、を備え、
前記第１圧電体層と第２圧電体層とが導電性酸化金属により、結晶が連続しない分断された段構造であり、
前記第１圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合が、前記第２圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合に対して高いことを特徴とする圧電素子。 - 前記導電性酸化金属は、酸化チタンであることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
- 前記第１圧電体層の格子定数が、前記第２圧電体層の格子定数よりも０．１〜０．５％小さいことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の圧電素子。
- 前記第１圧電体層の厚さが、前記第２圧電体層の厚さに比べて薄いことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電素子。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載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。
- 請求項５に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
- 基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上にＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むゾルを塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を繰り返し行ってＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを有する複数の圧電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、
前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極側の第１圧電体層と、前記上電極側の第２圧電体層とからなる当該圧電体層を形成すると共に、前記第１圧電体層を形成するゾルとして、Ｚｒに対するＴｉ濃度が、前記第２圧電体層を形成するゾルのＺｒに対するＴｉ濃度に比べて高いものを用いると共に、前記第１圧電体層を形成した後、当該第１圧電体層上に導電性酸化金属を形成し、その後、該導電性酸化金属上に前記第２圧電体層を形成することで、前記第１圧電体層のＺｒに対するＴｉの割合が、前記第２圧電体層のＺｒにおけるＴｉの割合に対して高くなるように形成すると共に、
前記第１圧電体層と前記第２圧電体層との間で結晶が分断されて間に界面が存在する段構造とすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
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