JP5265163B2 - 圧電デバイスおよび液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、気相成長法により成膜された圧電膜を有する圧電デバイス、およびこの圧電デバイスを利用する液体吐出ヘッドに関する。
近年、圧電体を用いたアクチュエータ、センサー、記憶素子などの各種のデバイスの研究および開発が盛んであり、スパッタ法等の気相成長法により成膜される圧電膜が、高性能機能膜として注目されている。このような圧電膜は、例えば、インクジェットヘッドやマイクロポンプなどのアクチュエータ部分に使用されている。
従来から、電界が印加された状態の圧電膜は、高温、高湿度に対して弱く、空気中の水分によって圧電膜（圧電体）が劣化することが知られている。具体的には、水の存在によりリーク電流が増大して、圧電膜の絶縁破壊が起こる場合がある。また、圧電膜の構成元素と水が反応することにより、圧電膜の劣化が生じる場合もある。このような水による圧電膜の絶縁破壊や劣化を抑制するために、種々の手段が講じられている。
例えば、特許文献１には、液体を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に、前記圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、且つ該封止基板の前記圧電素子保持部の周縁部の少なくとも一部が、ガラスから成るガラス接合層を介して前記流路形成基板に接合されていることを特徴とする液体噴射ヘッドが記載されている。
特許文献１に記載の液体噴射ヘッドでは、封止基板の圧電素子保持部内に圧電素子を密封するように、ガラスから成るガラス接合層を介して封止基板を流路形成基板に接合しており、これにより、大気中等の外部からの水分が圧電素子保持部内に侵入することがなく、水分に起因する圧電素子の破壊を防止することが記載されている。
特許文献１に記載の液体噴射ヘッドでは、封止基板の圧電素子保持部内に圧電素子を密封するように、ガラスから成るガラス接合層を介して封止基板を流路形成基板に接合しており、これにより、大気中等の外部からの水分が圧電素子保持部内に侵入することがなく、水分に起因する圧電素子の破壊を防止することが記載されている。
また、特許文献２には、ノズル開口に連通する圧力発生室を構成する弾性板の表面に形成された下電極と、該下電極の表面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の表面で、且つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された上電極とからなる圧電振動子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記上電極が、前記圧力発生室に対向する領域ごとに独立して形成され、また前記上電極の上面の少なくとも導電パターンとの接続部をなす窓を残すようにその周縁部から前記圧電体層の側面を被覆する絶縁体層が形成されているインクジェット式記録ヘッドが記載されている。特許文献２に記載のインクジェット記録ヘッドは、圧電体層を絶縁体層により被覆することにより、吸湿による劣化を防止している。
また、特許文献２には、絶縁体層において、上電極の上面の周縁部分の一部だけを残して、上電極と導電パターンとの接続部よりも大きく、圧電体層の変位領域の大部分に相当する窓を形成することが記載されている。特許文献２に記載のインクジェット記録ヘッドでは、圧電体層が電界を受けて変位する領域の大部分に上述の窓を形成することにより、窓を形成しない場合と比較して、圧電体の単位電圧当たりの変位量を増大させていることが記載されている。
ところで、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数を持つ圧電膜を利用した圧電アクチュエータでは、特に、上述のような、水に起因する、リーク電流の発生及びリーク電流による圧電膜の絶縁破壊、ならびに圧電膜の構成元素と水との反応による圧電膜の劣化が問題になる。
例えば、スパッタ法により圧電膜を作製することにより、微細な柱状構造を有する圧電膜を作製することができる。この微細な柱状構造を有する圧電膜は、高い配向性を有するので、高圧電定数を得ることができる点で好ましい。この微細な柱状構造を持ち、高圧電定数を持つ圧電膜に高電界を印加すると、その柱状構造に隙間が生じ、水分子が入りやすくなる。その結果、圧電膜の劣化が促進されてしまう。高圧電定数を持つ高機能の圧電膜を備える圧電デバイスの耐久性の向上にとって、耐湿性の向上は、重要な課題である。
ここで、圧電デバイスの耐湿性を向上するために、圧電膜を覆うように保護膜を成膜することが考えられる。保護膜、特に、透水率の低い保護膜は、緻密な膜が多い。このような緻密な保護膜は、ヤング率や残留応力が高いため、アクチュエータの動きを阻害し、アクチュエータが本来発生させることができる変位量や、力を発生させることができなくなるなどの、アクチュエータの性能を著しく低下させてしまうという問題がある。
このような問題に対して、特許文献１記載の液体噴射ヘッドでは、封止基板と流路形成基板を接合し、圧電体保持部を形成して圧電体を密閉することにより、圧電体の防湿を図っている。このような構成では、封止基板と流路形成基板とのアライメント調整が必要となるため、製造プロセスが複雑となり、製造コストが増大すると言う問題がある。また、圧電体を密閉するための圧電体保持部と封止基板の分だけ厚みが増大し、液体噴射ヘッドが大型化してしまう。
また、特許文献２に記載されるように、絶縁体層において、上電極の上面の周縁部分の一部だけを残して、上電極と導電パターンと接続部よりも大きく、圧電体層の変位領域の大部分に相当する窓を形成することにより、絶縁体層による圧電体層の変位を妨げることを防止している。上記の構成の場合、圧電体層の上面の周縁部を除く領域において、絶縁体層が形成されていない領域、すなわち、窓と記載される領域となっている。この、窓の領域では、圧電体層の上面に形成された上部電極が、外部に露出することになる。特許文献１では、この上部電極が、白金等の緻密な膜で形成されていると記載されている。
しかしながら、例示された白金により緻密な膜を形成しても、上部電極を介する水分の侵入を十分に防止することができず、特に、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数を備える圧電膜では、水分の侵入による圧電膜の劣化を無視することができないという問題があった。特許文献２では、上部電極から圧電膜への水分の浸透による問題についての検討はなされていなかった。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、防湿のために圧電膜を密閉空間に配置するための密閉構造を形成する必要がなく、良好な耐湿性を有する圧電デバイスおよびこの圧電デバイスを備える液体吐出ヘッドを提供することにある。特に、スパッタ法等の気相成長法により成膜された、高圧電定数を持つ圧電膜を備え、圧電膜への水分の侵入を好適に防止可能な、良好な耐湿性を有する高機能の圧電デバイスおよびこの圧電デバイスを備える液体吐出ヘッドを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板と、前記基板上に成膜された第１の電極と、前記第１の電極上の少なくとも一部に気相成長法により成膜された圧電膜と、前記圧電膜上に成膜され、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下となるように、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓの少なくとも１つから構成され且つ２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚みを有する層を含む第２の電極と、少なくとも前記第２の電極および前記圧電膜の周縁部を覆い、かつ前記周縁部を除く前記圧電膜に対応する位置に開口を備える、少なくとも一層の保護膜とを有し、前記第２の電極は、前記圧電膜に隣接して配置されて前記圧電膜との接合性を高めるための密着層と、導電性を有する導電層とを有することを特徴とする圧電デバイスを提供するものである。
ここで、前記密着層はＴｉから構成されると共に、前記導電層はＩｒから構成されることが好ましい。
また、前記保護膜は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＤＬＣの少なくとも１つを含むことが好ましい。
また、前記圧電膜は、スパッタ法により成膜されることが好ましい。
また、前記保護膜は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＤＬＣの少なくとも１つを含むことが好ましい。
また、前記圧電膜は、スパッタ法により成膜されることが好ましい。
また、本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係る圧電デバイスを備える液体吐出ヘッドを提供するものである。
本発明によれば、圧電膜上に、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下である第２の電極を成膜し、さらに、少なくとも第２の電極および圧電膜の周縁部を覆い、かつ周縁部を除く圧電膜に対応する位置に開口を備える少なくとも一層の保護膜を成膜することにより、第２の電極側および圧電膜の側圧電膜１８の側方からの圧電膜への水分の侵入を防止することができ、良好な耐湿性を有する圧電デバイスおよびこれを備える液体吐出ヘッドを提供することができる。特に、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数を持つ圧電膜を備え、この圧電膜への水分の侵入を好適に防止可能な、良好な耐湿性を有する高機能の圧電デバイスおよびこれを備える液体吐出ヘッドを提供することができる。
以下に、本発明に係る圧電デバイス、およびこの圧電デバイスを利用した液体吐出ヘッドを、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧電デバイスの一実施形態であるダイアフラム型圧電アクチュエータ（以下、圧電アクチュエータという）を模式的に示す断面図である。図１に示す圧電アクチュエータ１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１２と、熱酸化膜１４と、下部電極１６と、圧電膜１８と、上部電極２０と、保護膜２２とを有する。
なお、圧電アクチュエータ１０は、図示しないが、下部電極１６および上部電極２０間に印加する電圧（圧電膜１８へ印加する駆動電界）を制御する駆動部や、下部電極１６および上部電極２０のそれぞれを駆動部に接続する配線といった、圧電アクチュエータ１０を駆動させるのに必要な各種の部材を有する。
図１は、本発明に係る圧電デバイスの一実施形態であるダイアフラム型圧電アクチュエータ（以下、圧電アクチュエータという）を模式的に示す断面図である。図１に示す圧電アクチュエータ１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１２と、熱酸化膜１４と、下部電極１６と、圧電膜１８と、上部電極２０と、保護膜２２とを有する。
なお、圧電アクチュエータ１０は、図示しないが、下部電極１６および上部電極２０間に印加する電圧（圧電膜１８へ印加する駆動電界）を制御する駆動部や、下部電極１６および上部電極２０のそれぞれを駆動部に接続する配線といった、圧電アクチュエータ１０を駆動させるのに必要な各種の部材を有する。
ＳＯＩ基板１２は、その上部に形成される下部電極１６、圧電膜１８、上部電極２０等を支持する基板である。ＳＯＩ基板１２は、シリコン基板である支持層１２ａに、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１２ｂを介して、活性層（表面のシリコン層）１２ｃを形成したものである。
支持層１２ａの一部には、開口部１２ｄが形成されている。後述するが、開口部１２ｄの容積は、圧電膜１８の変形に応じて変化する。
また、活性層１２ｃの上側には、熱酸化膜１４が形成されている。
支持層１２ａの一部には、開口部１２ｄが形成されている。後述するが、開口部１２ｄの容積は、圧電膜１８の変形に応じて変化する。
また、活性層１２ｃの上側には、熱酸化膜１４が形成されている。
ここで、本実施形態では、基板にＳＯＩ基板を用いているが、これに限定されず、基板として、その上部に形成される下部電極１６、圧電膜１８、上部電極２０を支持することができ、また、圧電膜１８の変位に応じて開口部１２ｄに対応する薄厚部分（図１の圧電膜１８の下方に対応する部分）が変形可能であり、かつ、圧電膜１８の変位に対して十分な機械的な耐久性を有するものであればよく、例えば、ＳＵＳ、ＳｉＣ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、石英等の基板が挙げられる。
熱酸化膜１４の上側には、下部電極１６が成膜されている。下部電極１６は、上部電極２０とともに、圧電膜１８を変形させる駆動電界を印加するための電極である。
下部電極１６は、電極として必要な導電性を有し、また、圧電膜１８の変位に応じて変形可能であり、かつ、この変形に対して十分な機械的耐久性を有するものであればよく、
例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｒｕ等の少なくとも１種の金属を用いて形成する。
また、下部電極１６は、１００〜２０００ｎｍの厚みであることが好ましい。
下部電極１６は、電極として必要な導電性を有し、また、圧電膜１８の変位に応じて変形可能であり、かつ、この変形に対して十分な機械的耐久性を有するものであればよく、
例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｒｕ等の少なくとも１種の金属を用いて形成する。
また、下部電極１６は、１００〜２０００ｎｍの厚みであることが好ましい。
なお、下部電極１６の好ましい形態は、隣接する層（本実施形態では、熱酸化膜１４）との接合性を高めるために配置される密着層と、導電層とを含む２層構造を有するものが挙げられる。例えば、下部電極１６は、密着層として厚みが１０ｎｍのＴｉ層を、導電層として厚みが２００ｎｍのＰｔ層を有するものである。
圧電膜１８は、下部電極１６の上面の一部の領域であり、ＳＯＩ基板１２の支持層１２ａに形成された開口部１２ｄに対応する領域に、スパッタ法等の気相成長法により成膜される圧電体の膜である。スパッタ法等の気相成長法により、圧電膜１８を下部電極１６上に直接成膜することにより、高圧電定数を有する高機能の圧電膜１８を、下部電極１６に対して高い密着性で成膜することができる。
圧電膜１８は、圧電アクチュエータに用いる圧電膜として所望な圧電性能を得るように、その材質や厚み物性等を適宜選択すればよい。圧電膜１８の厚みは特に制限的ではないが、０．１〜３０μmの範囲であるのが好ましい。
例えば、圧電膜１８は、スパッタ法により、下部電極１６上に直接成膜された、厚み１０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の膜である。
圧電膜１８は、圧電アクチュエータに用いる圧電膜として所望な圧電性能を得るように、その材質や厚み物性等を適宜選択すればよい。圧電膜１８の厚みは特に制限的ではないが、０．１〜３０μmの範囲であるのが好ましい。
例えば、圧電膜１８は、スパッタ法により、下部電極１６上に直接成膜された、厚み１０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の膜である。
ここで、本発明において、圧電膜は、ＰＺＴの膜に限定されない。圧電膜は、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（不可避不純物を含んでもよい）により構成してもよい。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ、及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素、
Ａサイトの元素のモル数が１．０であり、Ｂサイトの元素のモル数が１．０であり、酸素のモル数が３．０である場合を基準とし、これらＡサイトの元素、Ｂサイトの元素および酸素のそれぞれのモル数は、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で上記の基準となるモル数からずれてもよい。）
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ、及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素、
Ａサイトの元素のモル数が１．０であり、Ｂサイトの元素のモル数が１．０であり、酸素のモル数が３．０である場合を基準とし、これらＡサイトの元素、Ｂサイトの元素および酸素のそれぞれのモル数は、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で上記の基準となるモル数からずれてもよい。）
上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、ＰＺＴも含め、例えば、チタン酸鉛、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
圧電膜１８の上部には、上部電極２０が成膜されている。上部電極２０は、下部電極１６とともに、圧電膜１８に駆動電界を印加するための電極である。
本発明に係る圧電デバイスの一実施形態の圧電アクチュエータ１０において、上部電極２０は、その水蒸気透過率（ＭＯＣＯＮ法による）が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の高い防湿性を有する電極である。
本発明に係る圧電デバイスの一実施形態の圧電アクチュエータ１０において、上部電極２０は、その水蒸気透過率（ＭＯＣＯＮ法による）が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の高い防湿性を有する電極である。
ここで、上部電極２０の水蒸気透過率を、１ｇ／ｍ２／ｄａｙを越える場合、上部電極２０を浸透して圧電膜１８に到達する水蒸気の量が、許容できる範囲を超え、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数を持つ圧電膜の劣化を十分に防止することができず、その耐久寿命は数時間、長くても数十時間程度になってしまう。
これに対して、本発明のように、上部電極２０の水蒸気透過率を、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下とすることにより、上部電極２０における水蒸気の浸透を好適に防止することができ、上部電極２０を浸透する水蒸気による、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数の圧電膜の劣化を防止することができ、その耐久時間は数百時間以上になり、充分実用に耐えることができる。また、上部電極を上述の高い防湿性を有する電極とすることにより、上部電極の上部にさらに防湿性を有する保護膜を形成する必要がなく、圧電デバイスの構成を簡略化することができる。
これに対して、本発明のように、上部電極２０の水蒸気透過率を、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下とすることにより、上部電極２０における水蒸気の浸透を好適に防止することができ、上部電極２０を浸透する水蒸気による、スパッタ法等の気相成長法により成膜された高圧電定数の圧電膜の劣化を防止することができ、その耐久時間は数百時間以上になり、充分実用に耐えることができる。また、上部電極を上述の高い防湿性を有する電極とすることにより、上部電極の上部にさらに防湿性を有する保護膜を形成する必要がなく、圧電デバイスの構成を簡略化することができる。
ここで、本発明において、水蒸気透過率の測定は、上記のＭＯＣＯＮ法、具体的には、ＪＩＳ Ｋ７１２９ Ｂ法（赤外センサー法）に記載される方法に準拠して行った。また、試験条件は、試験温度４０℃、相対湿度９０％ＲＨとした。
ここで、上部電極２０は、電極として必要な導電性を有し、高い耐湿性を有するものであり、また、圧電体の変形に応じて変形可能な剛性と、この変形に対する機械的耐久性を有するものであればよく、例えば、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ等から選択される少なくとも１種の金属で形成する。
なお、上部電極２０の厚みは、特に制限的ではなく、電極として必要な導電性を有し、圧電素子１８の変形を妨げることない剛性となるように、使用する材料に応じて、厚みを決めればよいが、例えば、上部電極２０は、上記の上部電極２０の材料となる金属を用いて、１００〜１０００ｎｍの膜厚の上部電極２０を形成することが好ましい。
ここで、上記の上部電極２０の材料を用いて、２００ｎｍ程度の厚みの上部電極を成膜した場合、水蒸気透過率は、０．１〜１ｇ／ｍ２／ｄａｙ程度である。
ここで、上記の上部電極２０の材料を用いて、２００ｎｍ程度の厚みの上部電極を成膜した場合、水蒸気透過率は、０．１〜１ｇ／ｍ２／ｄａｙ程度である。
なお、上部電極２０は、好ましい形態として、下部電極１６と同様に、隣接する層（本実施形態では、圧電膜１８）との接合性を高めるために配置される密着層と、導電層とを含む２層構造を有するものであり、例えば、密着層として厚みが１０ｎｍのＴｉ層を、導電層として厚みが２００ｎｍのＩｒ層を有するものである。
保護膜２２は、圧電膜２０の周縁部と、圧電膜２０の上側に成膜された上部電極１８の周縁部と、下部電極１６上の略全面にわたり成膜されている。保護膜２２は、気相成長法により形成される緻密な膜である。
保護膜２２としては、良好な耐湿性を有するものであればよく、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の膜が挙げられる。例えば、保護膜２２は、厚み５００ｎｍの窒化ケイ素の保護膜である。
保護膜２２としては、良好な耐湿性を有するものであればよく、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の膜が挙げられる。例えば、保護膜２２は、厚み５００ｎｍの窒化ケイ素の保護膜である。
上述の構成を有する圧電アクチュエータ１０は、下部電極１６と上部電極２０との間に電圧を印加して圧電膜２０を伸縮させることにより、圧電膜２０の下方に位置する、隔壁（ダイアフラム）としての酸化シリコン層１２ｂ、活性層１２ｃ、熱酸化膜１４および下部電極１６を変形させて、支持層１２ａに形成された開口部１２ｄの容積を変化させる。すなわち、開口部１２ｄの容積は、圧電膜１８の変形に応じて変化する。
このようなダイアフラム型圧電アクチュエータは、マイクロポンプや、超音波トランスデューサや、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）等に適用される。
このようなダイアフラム型圧電アクチュエータは、マイクロポンプや、超音波トランスデューサや、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）等に適用される。
次に、図２および図３を参照して、上述の圧電アクチュエータ１０の製造方法を説明する。図２および図３は、圧電アクチュエータ１０の製造方法を説明する工程図である。
まず、図２（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１２を用意する。このＳＯＩ基板１２を電気炉に入れて、熱処理することにより、活性層１２ｃの上面を酸化させて、熱酸化膜１４を形成する。
例えば、活性層１２ｃの厚みは、１０μｍであり、酸化シリコン層１２ｂおよび熱酸化膜１４の厚みは、５００ｎｍである。
例えば、活性層１２ｃの厚みは、１０μｍであり、酸化シリコン層１２ｂおよび熱酸化膜１４の厚みは、５００ｎｍである。
次に、図２（Ｂ）に示すように、下部電極１６をスパッタ法により成膜する。本実施形態では、例えば、密着層として１０ｎｍのＴｉ層を成膜した後に、さらに、導電層として２００ｎｍのＰｔ層を成膜して、２層構造の下部電極１６を形成する。
なお、下部電極１６は、２層構造のものに限定されない。例えば、上記の金属材料のうちの１種をスパッタターゲットとして選択してスパッタ法により１層の金属層を成膜したものでもよく、また、３層以上の金属層を成膜したものでもよい。
なお、下部電極１６は、２層構造のものに限定されない。例えば、上記の金属材料のうちの１種をスパッタターゲットとして選択してスパッタ法により１層の金属層を成膜したものでもよく、また、３層以上の金属層を成膜したものでもよい。
次に、図２（Ｃ）に示すように、下部電極１６上の一面に、スパッタ法、ＣＶＤ法等の気相成長法により、圧電膜１８を形成するための、成形前の圧電膜１８ａを成膜する。本実施形態では、例えば、圧電膜１８ａとして、１０μｍのＰＺＴの圧電膜を、５００℃にてスパッタ法により成膜する。なお、スパッタ法等の各種の気相成長法による圧電膜の成膜条件は、高圧電定数をもつ高機能の圧電膜を成膜可能な条件であればよい。
次に、図２（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ法により圧電膜１８ａ上に、上部電極２０のレジストパターン２４を形成し、上部電極層２０ａをスパッタ法により成膜する。なお、本実施形態では、例えば、上部電極層２０ａとして、密着層として１０ｎｍのＴｉ層を成膜した後に、防湿性を有する導電層として２００ｎｍのＩｒ層を成膜する。
次に、アセトンに浸してレジストパターン２４を溶かして除去することにより、レジストパターン２４上に形成された上部電極層２０ａを除去する、リフトオフ法により、図２（Ｅ）に示すように上部電極２０を形成する。このようにして、Ｔｉ層およびＩｒ層の２層からなり、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の上部電極２０を、圧電膜１８上に成膜することができる。
次に、アセトンに浸してレジストパターン２４を溶かして除去することにより、レジストパターン２４上に形成された上部電極層２０ａを除去する、リフトオフ法により、図２（Ｅ）に示すように上部電極２０を形成する。このようにして、Ｔｉ層およびＩｒ層の２層からなり、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の上部電極２０を、圧電膜１８上に成膜することができる。
ここで、上部電極２０は、上部電極層２０ａとして、密着層としてＴｉ層を成膜した後に、防湿性を有する導電層としてＩｒ層を成膜して形成された、２層構造のものに限定されない。上部電極２０は、上述の上部電極２０の材料のうちの１種をスパッタターゲットとして選択してスパッタ法により１層の金属層を成膜したものでもよく、また、３層以上の金属層を成膜したものでもよい。
次に、フォトリソグラフィ法により、圧電膜１８を形成するためのレジストパターンを圧電膜１８ａの上部に形成し、ドライエッチングにより圧電膜１８ａをエッチングした後に、レジストパターンを除去して、図３（Ａ）に示すように、所望の形状に成形した圧電膜１８を得る。
次に、図３（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１２の支持層１２ａの、圧電膜１８が形成された位置と対応する位置に開口１２ｄを形成する。まず、フォトリソグラフィ法により、開口１２ｄを形成するためのレジストパターンを支持層１２ａに形成し、ボッシュ法等の異方性ドライエッチングにより、酸化シリコン層１２ｂに達するまで支持層１２ａをエッチングして開口１２ｄを形成した後に、レジストパターンを除去する。
次に、図３（Ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、耐熱性の高いレジストを用いて、保護膜２２を形成するためのレジストパターン２６を上部電極２０上に形成する。このレジストパターン２６は、上部電極２０の周縁部を除く領域を覆うように形成される。
次に、図３（Ｄ）に示すように、下部電極１６、圧電膜１８、上部電極２０およびレジストパターン２６上に、保護膜２２ａを成膜する。本実施形態では、例えば、ＣＶＤ法により２５０℃の成膜温度で、５００ｎｍの厚みのＳｉＮの保護膜２２ａを成膜する。
次に、レジスト除去剤を用いて、レジストパターン２６を除去することにより、レジストパターン２６上に形成された保護膜２２ａを除去するリフトオフ法により、図３（Ｅ）に示すように、圧電膜１８および上部電極２０の周縁部を除く、圧電膜１８の上方に対応する領域に開口を有する保護膜２２を形成する。
このようにして、保護膜２２は、圧電膜２０及び圧電膜２０の上側に形成された上部電極１８の周縁部と、下部電極１６の略全面にわたり形成される。
このようにして、本発明の一実施形態の圧電アクチュエータ１０を形成する。
このようにして、保護膜２２は、圧電膜２０及び圧電膜２０の上側に形成された上部電極１８の周縁部と、下部電極１６の略全面にわたり形成される。
このようにして、本発明の一実施形態の圧電アクチュエータ１０を形成する。
本実施形態では、水蒸気透過率（ＭＯＣＯＮ法による）が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の上部電極２０を成膜することにより、すなわち、上部電極２０を高い防湿性を有する電極とすることにより、上部電極２０側から圧電膜１８に水分が浸透することを防止して、浸透した水分に起因する圧電素子の劣化を防止することができる。
特に、本実施形態のように、スパッタ法により成膜された、高圧電定数を有する圧電膜を用いる場合であっても、水分の浸透による圧電膜の劣化を好適に防止することができる。
特に、本実施形態のように、スパッタ法により成膜された、高圧電定数を有する圧電膜を用いる場合であっても、水分の浸透による圧電膜の劣化を好適に防止することができる。
また、本実施形態では、保護膜２２は、圧電膜１８および圧電膜１８上に成膜された上部電極２０の周縁部と、下部電極１６上の略全面とにわたり成膜されている。換言すると、保護膜２２は、圧電膜１８および上部電極２０の周縁部を除く、圧電膜１８の上方に対応する領域に開口を有する。これにより、圧電膜１８に電圧が印加された場合に、圧電膜１８の変位を妨げることがなく、圧電膜１８の本来の圧電特性を得ることができる。また、保護膜２２を上記構成とすることにより、圧電膜１８の側方、下部電極１６との接合部などからの水分の浸透を防止することができる。
また、上述のように、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の上部電極２０を成膜し、さらに、保護膜２２を、圧電膜１８および上部電極２０の周縁部を除く圧電膜１８の上方に対応する領域に開口を有する形状とすることにより、圧電膜の本来の圧電特性を十分に得ることができ、かつ、高い耐湿性を有する、高機能な圧電デバイスを得ることができる。
なお、本実施形態は、保護膜２２は、圧電膜１８および圧電膜１８上に成膜された上部電極２０の周縁部と、下部電極１６上の略全面にわたり成膜されているが、これに限定されず、少なくとも、圧電膜１８および上部電極２０の周縁部を覆う形状であればよい。
また、本実施形態では、１層の保護膜２２を形成しているが、これに限定されず、複数層の保護膜２２を形成してもよく、これにより、より緻密な膜を形成できる。例えば、１層目の保護膜にクラック等の微細な欠陥が発生した場合でも、２層目の保護膜を形成することにより、１層目の保護膜に生じたクラック等の欠陥を補修することができ、より緻密で高い絶縁性、耐湿性を有する保護膜とすることができる。
なお、本実施形態では、上述のように、保護膜２２は、圧電膜１８および上部電極２０の周縁部を覆って成膜され、圧電膜１８の上方の、圧電膜１８に対応する領域に開口が形成されているため、複数層の保護膜を成膜したとしても、圧電膜１８の変位を妨げることがない。すなわち、保護膜を上記構成とすることにより、圧電膜の本来の圧電特性を維持したまま、複数の絶縁層を成膜することができ、上述のように、緻密で、高い絶縁性、耐湿性を有する保護膜とすることができる。
以下、本発明に係る圧電デバイスを備える液体吐出ヘッドの一実施形態であるインクジェットヘッドについて説明する。図４は、インクジェットヘッドの一部である、１つの吐出部４０を模式的に示す断面図である。１つの吐出部４０は、図１に示すダイアフラム型圧電アクチュエータ１０の支持層１２ａ側に、ノズル４６を有するノズルプレート４４を配置したものである。
ここで、図１に示す、圧電アクチュエータ１０における開口１２ｄは、本実施形態のインクジェットヘッドの吐出部４０における圧力室４２である。また、インクジェットヘッドは、図示しない、インク供給流路を有する。インク供給流路を介して圧力室４２にインクが供給される。
インクジェットヘッドは、複数の吐出部４０が配列されて構成される。なお、インクジェットヘッドにおける吐出部４０の配列方向は特に制限されない。インクジェットヘッドは、複数の吐出部４０を一方向に配列したものでもよく、二次元的に配列したものでもよい。
ここで、図１に示す、圧電アクチュエータ１０における開口１２ｄは、本実施形態のインクジェットヘッドの吐出部４０における圧力室４２である。また、インクジェットヘッドは、図示しない、インク供給流路を有する。インク供給流路を介して圧力室４２にインクが供給される。
インクジェットヘッドは、複数の吐出部４０が配列されて構成される。なお、インクジェットヘッドにおける吐出部４０の配列方向は特に制限されない。インクジェットヘッドは、複数の吐出部４０を一方向に配列したものでもよく、二次元的に配列したものでもよい。
各吐出部４０は、下部電極１６と上部電極２０との間に電圧を印加して圧電膜２０を伸縮させることにより、圧電膜２０の下方に位置する、隔壁（ダイアフラム）としての酸化シリコン層１２ｂ、活性層１２ｃ、熱酸化膜１４および下部電極１６を変形させて、圧力室４２の容積を変化させる。隔壁が下方に変位するように、圧電膜２０に電圧を印加することにより、圧力室４２の容積が減少し、ノズル４６からインク滴が吐出される。
以上、本発明に係る圧電デバイス、およびこれを利用した液体吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施態様に限定はされず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
［実施例１］
図２および図３に示す圧電アクチュエータの製造方法により、図１に示す圧電アクチュエータ１０を製造した。こうして製造された圧電アクチュエータ１０を用いて、耐湿性に関する耐久試験を行った。この、耐久試験の結果を図５に示す。
本試験では、本実施形態の圧電アクチュエータ１０の一実施例として、上部電極として１０ｎｍの厚みのＴｉ層（接着層）と２００ｎｍの厚みのＩｒ層（導電層）を有する圧電アクチュエータを使用した。なお、この２００ｎｍの厚みのＩｒ層を有する上部電極２０の水蒸気透過率は、０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙであった。すなわち、本発明における上部電極に必要とされる、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の条件を満たすものだった。また、保護膜として、５００ｎｍの膜厚のＳｉＮ膜を有する圧電アクチュエータを使用した。この圧電アクチュエータを実施例１とする。
図２および図３に示す圧電アクチュエータの製造方法により、図１に示す圧電アクチュエータ１０を製造した。こうして製造された圧電アクチュエータ１０を用いて、耐湿性に関する耐久試験を行った。この、耐久試験の結果を図５に示す。
本試験では、本実施形態の圧電アクチュエータ１０の一実施例として、上部電極として１０ｎｍの厚みのＴｉ層（接着層）と２００ｎｍの厚みのＩｒ層（導電層）を有する圧電アクチュエータを使用した。なお、この２００ｎｍの厚みのＩｒ層を有する上部電極２０の水蒸気透過率は、０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙであった。すなわち、本発明における上部電極に必要とされる、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の条件を満たすものだった。また、保護膜として、５００ｎｍの膜厚のＳｉＮ膜を有する圧電アクチュエータを使用した。この圧電アクチュエータを実施例１とする。
本実施例では、温度４０℃、相対湿度が、８０％ＲＨの高湿雰囲気下において、圧電アクチュエータの上部・下部電極間に駆動波形として０−３０Ｖ、５０ｋＨｚの矩形波形電圧を印加し、上部電極および下部電極間の電気容量の経時変化を測定した。その測定結果を実施例１のグラフに図５に示す。
［比較例１］
また、比較例１として、図６に示す、比較例の圧電アクチュエータ１１０を製造した、圧電アクチュエータ１１０は、保護膜２２を有さず、また、上部電極１２０として、２００ｎｍの厚みのＩｒ層の代わりに、２００ｎｍのＰｔ層を有する、すなわち、上部電極として１０ｎｍの厚みのＴｉ層（接着層）と２００ｎｍの厚みのＰｔ層（導電層）を有する点で、実施例１の圧電アクチュエータと異なるものである。また、圧電アクチュエータ１１０は、上記相違点を除き、図２（Ａ）〜（Ｅ）、ならびに図３（Ａ）および（Ｂ）に示し、詳細に説明した方法と同様にして製造した。
なお、比較例１において上部電極の水蒸気透過率は、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙであり、本発明における上部電極に必要とされる、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の条件を満たさないものだった。この比較例１の圧電アクチュエータについて、実施例１と同様の方法で、電気容量の経時変化を測定した。その測定結果を、実施例１の測定結果とともに、比較例１のグラフとして図５のグラフに示す。
また、比較例１として、図６に示す、比較例の圧電アクチュエータ１１０を製造した、圧電アクチュエータ１１０は、保護膜２２を有さず、また、上部電極１２０として、２００ｎｍの厚みのＩｒ層の代わりに、２００ｎｍのＰｔ層を有する、すなわち、上部電極として１０ｎｍの厚みのＴｉ層（接着層）と２００ｎｍの厚みのＰｔ層（導電層）を有する点で、実施例１の圧電アクチュエータと異なるものである。また、圧電アクチュエータ１１０は、上記相違点を除き、図２（Ａ）〜（Ｅ）、ならびに図３（Ａ）および（Ｂ）に示し、詳細に説明した方法と同様にして製造した。
なお、比較例１において上部電極の水蒸気透過率は、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙであり、本発明における上部電極に必要とされる、水蒸気透過率が１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の条件を満たさないものだった。この比較例１の圧電アクチュエータについて、実施例１と同様の方法で、電気容量の経時変化を測定した。その測定結果を、実施例１の測定結果とともに、比較例１のグラフとして図５のグラフに示す。
［比較例２］
また、比較例２として、図２（Ａ）〜（Ｅ）、ならびに図３（Ａ）および（Ｂ）に示す圧電アクチュエータの製造方法により、図３（Ｂ）に示す圧電アクチュエータを製造した。この圧電アクチュエータは、保護膜２２がない点以外は、実施例１の圧電アクチュエータと同様のものである。この圧電アクチュエータを用いて、実施例１と同様の方法で耐湿性に関する耐久試験を行った。この、耐久試験の結果を比較例２のグラフとして図５に示す。
また、比較例２として、図２（Ａ）〜（Ｅ）、ならびに図３（Ａ）および（Ｂ）に示す圧電アクチュエータの製造方法により、図３（Ｂ）に示す圧電アクチュエータを製造した。この圧電アクチュエータは、保護膜２２がない点以外は、実施例１の圧電アクチュエータと同様のものである。この圧電アクチュエータを用いて、実施例１と同様の方法で耐湿性に関する耐久試験を行った。この、耐久試験の結果を比較例２のグラフとして図５に示す。
ここで、圧電膜は、水分の進入により劣化することは上述の通りであり、圧電膜が劣化すると電極間の電気容量が低下する。従って、電極間の電気容量の測定値を用いて、圧電膜の経時的な劣化を評価することができる。
耐久試験の結果、比較例１の場合、１０時間程度で電気容量が低下し、圧電膜の劣化が始まっていることがわかった。また、比較例２の場合、１００時間程度で電気容量が低下し、圧電膜の劣化が始まっていることがわかった。この耐久試験の結果から、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有する比較例１に対して、０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有する比較例２において、劣化が始まるまでの時間が一桁長くなっており、比較例２において上部電極の水蒸気透過率の値を１．０ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下とすることにより、高湿度雰囲気下で耐久性（寿命）が向上していることがわかった。
耐久試験の結果、比較例１の場合、１０時間程度で電気容量が低下し、圧電膜の劣化が始まっていることがわかった。また、比較例２の場合、１００時間程度で電気容量が低下し、圧電膜の劣化が始まっていることがわかった。この耐久試験の結果から、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有する比較例１に対して、０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有する比較例２において、劣化が始まるまでの時間が一桁長くなっており、比較例２において上部電極の水蒸気透過率の値を１．０ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下とすることにより、高湿度雰囲気下で耐久性（寿命）が向上していることがわかった。
これに対して、本発明に係る実施例１の圧電アクチュエータでは、１０００時間経過しても電気容量の低下は見られなかった。すなわち、本発明の実施例１の圧電アクチュエータは、１．０ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下の０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極、および保護膜であるＳｉＮ膜を有することにより、著しく耐久性が向上し、実用に耐える耐久性（寿命）を得ることがわかった。
また、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有し、保護膜であるＳｉＮ膜を有さない比較例１の結果と比べると、実施例１の圧電アクチュエータにおいて、劣化が始まるまでの時間が少なくとも二桁以上長く、著しく耐久性が向上することがわかった。
また、１０ｇ／ｍ２／ｄａｙの水蒸気透過率の上部電極を有し、保護膜であるＳｉＮ膜を有さない比較例１の結果と比べると、実施例１の圧電アクチュエータにおいて、劣化が始まるまでの時間が少なくとも二桁以上長く、著しく耐久性が向上することがわかった。
１０、１１０ 圧電デバイス
１２ ＳＯＩ基板
１２ａ 支持層
１２ｂ 酸化シリコン（ＳｉＯ２）層
１２ｃ 活性層（表面のシリコン層）
１４ 酸化膜
１６ 下部電極
１８、１８ａ 圧電膜
２０、１２０ 上部電極
２０ａ 上部電極層
２２、２２ａ 保護膜
２４、２６ レジストパターン
４０ インクジェットヘッド
４２ 圧力室
４４ ノズルプレート
４６ ノズル
１２ ＳＯＩ基板
１２ａ 支持層
１２ｂ 酸化シリコン（ＳｉＯ２）層
１２ｃ 活性層（表面のシリコン層）
１４ 酸化膜
１６ 下部電極
１８、１８ａ 圧電膜
２０、１２０ 上部電極
２０ａ 上部電極層
２２、２２ａ 保護膜
２４、２６ レジストパターン
４０ インクジェットヘッド
４２ 圧力室
４４ ノズルプレート
４６ ノズル
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に成膜された第１の電極と、
前記第１の電極上の少なくとも一部に気相成長法により成膜された圧電膜と、
前記圧電膜上に成膜され、水蒸気透過率が、１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下となるように、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓの少なくとも１つから構成され且つ２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚みを有する層を含む第２の電極と、
少なくとも前記第２の電極および前記圧電膜の周縁部を覆い、かつ前記周縁部を除く前記圧電膜に対応する位置に開口を備える、少なくとも一層の保護膜とを有し、
前記第２の電極は、前記圧電膜に隣接して配置されて前記圧電膜との接合性を高めるための密着層と、導電性を有する導電層とを有することを特徴とする圧電デバイス。 - 前記密着層はＴｉから構成されると共に、前記導電層はＩｒから構成される請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記保護膜は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＤＬＣの少なくとも１つを含む請求項１または２に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電膜は、スパッタ法により成膜される請求項１〜３のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 請求項１〜４に記載の圧電デバイスを備える液体吐出ヘッド。
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