JP5398315B2 - 圧電素子及びその製造方法並びにインクジェットヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、圧電素子及びその製造方法並びにインクジェットヘッドに関する。
インクジェット記録装置では、微小なノズルから液滴（インク）を吐出し、当該液滴により形成されるドットの集合によって紙等の記録媒体に画像を形成する。この種のインクジェット記録装置における性能は、インクジェットヘッドの性能に依存するところが大きい。
図６は、一般的なインクジェットヘッドの構成の一例を示している。このインクジェットヘッド１００は、液体（インク）を保持し、圧力を付与するための圧力室１２０、流路１２２、吐出口１２４、吐出用の液体を満たしたタンク（図示せず）などから液体を圧力室１２０に供給する供給孔１２６等が形成された基板１３０を備え、基板１３０上には、圧力室１２０内に保持された液体に圧力を付与するための圧電素子が絶縁膜１０４を介して設けられている。圧電素子は、下部電極１０６、圧電体層１０８、上部電極１１０、保護膜（バリア膜）１１２、上部電極１１０に接続する配線１１４などにより構成されている。
このような圧電素子を用いたインクジェットヘッドやＦｅＲＡＭなどにおいて、圧電体層は重要な要素の一つである。
例えば、特許文献１には、圧電型インクジェットヘッドを製造する際、圧電体膜の各圧力室の間に相当する箇所にダイシング等によって溝を形成することにより、個々の圧電素子を構成する複数の圧電体層を形成することが開示されている。
また、特許文献２には、応力集中を抑制するとともに上下の電極間でのリーク電流や吸湿に起因する圧電体層の劣化を防止することを目的として、上部電極の上面と圧電体層の側面を覆う絶縁体層を形成したインクジェットヘッドが開示されている。
特許文献３〜５には、応力集中による破損等の防止、機械的強度の向上、リーク電流の抑制等を目的として、厚さ方向の断面形状が台形となる圧電体層を形成したインクジェットヘッドが開示されている。例えば、特許文献５では、強誘電体層の側面の傾斜角度について、変位量を十分確保する観点から４５°以上とし、一方、強誘電体層の側面にプラズマ粒子をより多く付着させて結晶状態を修復させる観点から７５°以下とすることが開示されている。
特開平１０−３４９２２号公報 特開平１０−２２６０７１号公報 特開平１１−７８００２号公報 特開２０００−８５１２４号公報 特開２００８−２３５５６９号公報
本発明は、電極間のリーク電流の発生及び応力集中が効果的に抑制されるとともに、高密度化が可能であり、さらに、圧電体層のプラズマダメージが抑制された圧電素子を提供することを主な目的とする。
上記目的を達成するため、以下の発明が提供される。
＜１＞ 支持体と、
前記支持体上に形成されている下部電極と、
前記下部電極上に形成されている圧電体層と、
前記圧電体層上に前記下部電極と対向するように形成されている上部電極と、を有し、
前記圧電体層の前記下部電極側の面が前記上部電極側の面よりも大きくなるように前記圧電体層の前記下部電極側の周囲に段差部が形成されており、
前記圧電体層の底面と前記段差部の側面との成す角度θ１が、前記圧電体層の底面と本体の側面との成す角度θ２より小さく、
前記段差部の厚さが、前記圧電体層の厚さの１０分の１以上３分の１以下であり、
前記角度θ１が４５°以上７５°以下であり、前記角度θ２が７５°以上９０°以下である圧電素子。
＜２＞ 前記段差部の上面部分の長さが、１００ｎｍ以上３μｍ以下である＜１＞に記載の圧電素子。
＜３＞ ＜１＞又は＜２＞に記載の圧電素子を有するインクジェットヘッド。
＜４＞ ＜１＞又は＜２＞に記載の圧電素子を製造する方法であって、
支持体上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の一部にマスクを形成する工程と、
前記圧電体膜の前記マスクから露出する部分をドライエッチングによって厚みを薄膜化することにより前記マスクで覆われた部分を凸部に形成する工程と、
前記凸部の少なくとも側面にエッチング保護膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の前記薄膜化された部分のうち前記エッチング保護膜から露出している部分をエッチングによって除去することにより、前記凸部の前記下部電極側の周囲に段差部を形成する工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
本発明によれば、電極間のリーク電流の発生及び応力集中が効果的に抑制されるとともに、高密度化が可能であり、さらに、圧電体層のプラズマダメージが抑制された圧電素子が提供される。
本発明に係る圧電素子の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る圧電体層の一部を拡大した概略図である。 本発明に係る圧電素子を製造する第１の方法の前半の工程を示す図である。 本発明に係る圧電素子を製造する第１の方法の後半の工程を示す図である。 本発明に係る圧電素子を製造する第２の方法の後半の工程を示す図である。 インクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 断面形状が矩形である圧電体層を示す概略図である。 断面形状が台形である圧電体層を示す概略図である。 圧電体膜に溝を形成して圧電体層を形成する場合を示す概略図である。 本発明に係る圧電素子を構成する圧電体層の一例を示す概略図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明について説明する。
例えば、図７に示すように、厚さ方向の断面形状が矩形となる垂直の圧電体層４０Ａを基板１２上に形成すると、圧電体層４０Ａの周縁部に沿って応力が集中し易い。そこで、図８に示すように、側面が傾斜し、厚さ方向の断面形状が台形となる圧電体層４０Ｂを形成すれば、底面の面積が大きくなり、応力集中は緩和される。
しかし、このような形状の圧電体層４０Ｂを形成すると圧電素子の幅が広がるため、ノズルの高密度化が難しくなり、高解像度化を妨げる要因にもなる。また、圧電体膜をドライエッチングによって加工する際、圧電体層４０Ｂの側面が傾斜していると、垂直の場合よりもプラズマに曝される面積が大きく、プラズマダメージを受け易い。そのため、このような形状の圧電体層４０Ｂをドライエッチングによって形成した後、例えばバリア膜（絶縁層）を形成してもダメージが残り易い。
一方、図９に示すように、厚さの均一な圧電体膜に溝４２を形成して個々の圧力室に対応した圧電体層４０Ｃを形成する方法でも応力集中が抑制されるが、圧電体層４０Ｃ同士が繋がっているため、隣接する圧電素子が干渉してインクの吐出性能に悪影響を及ぼすおそれがある。
このような問題を解決すべく、本発明者は鋭意研究及び検討を重ねた結果、以下のような方法で圧電体層を形成すればこれらの問題を解決できることを見出した。
すなわち、圧電体膜をドライエッチングにより加工する際、圧電体膜上にマスクを略垂直に形成した後、圧電体膜の露出部分をある程度の深さまで除去し、マスクで覆われている部分を凸形状に加工したところでエッチングを停止する。そして、形成された凸部の側面にエッチング保護膜を形成した後、再びエッチングすることにより圧電体層を略垂直に加工する。
このような方法によれば、図１０に示すように、下部電極（図示せず）との境界付近に段差部２０Ａを有する圧電体層２０が形成され、上部電極（図示せず）と下部電極の間の距離（沿面距離）が長くなり、単に側面が傾斜している圧電体層４０Ｂを形成した場合に比べてリーク電流をより効果的に抑制することができる。また、圧電体層２０の下部電極側に段差部２０Ａを有することで、上部電極に接続させる配線のカバレッジが向上して配線や絶縁膜（バリア膜）へのストレスが低減する。これにより、圧電体層２０の駆動時の応力が分散されて応力集中が緩和され、耐久性が向上し、ヘッドの信頼性が向上する。一方、圧電体層２０の側面は傾斜を抑制することができるので、高密度化が可能となるとともに、ドライエッチング時のプラズマダメージが抑制され、より一層信頼性の向上を図ることができる。
図１は、本発明に係る圧電素子を備えたインクジェットヘッドの構成の一例を概略的に示している。図２は、圧電体層２０の一部を拡大して示している。
本実施形態に係る圧電素子１０は、支持体（基板１２，絶縁膜１４）上に形成されている下部電極１６と、下部電極１６上に形成されている圧電体層２０と、圧電体層２０上に下部電極１６と対向するように形成されている上部電極２４と、を有している。圧電体層２０の下部電極１６側の周囲には段差部２０Ａが形成されており、圧電体層２０の下部電極１６側の面が上部電極２４側の面よりも大きくなっている。また、圧電体層２０と上部電極２４の一部には保護膜（バリア膜）１８が形成されており、上部電極２４の一部は保護膜１８から露出して配線２２と電気的に接続されている。また、基板１２には圧力室１３が形成されている。
次に、本実施形態に係る圧電素子１０を備えたインクジェトヘッドを製造する方法とともに、圧電素子１０についてさらに具体的に説明する。なお、本発明に係る圧電素子を製造する方法は以下の方法に限定されず、圧電素子を構成する材料、厚み、成膜方法等も以下の例示に限定されず、圧電素子の用途等に応じて適宜選択すればよい。
＜第１の方法＞
図３及び図４は、本発明に係る圧電素子の製造方法の一例（第１の方法）を示している。
（１）下部電極の形成
支持体上に下部電極１６を形成する。
まず、支持体となるシリコン基板１２の表面に、スパッタ法、ＣＶＤ法、熱酸化法などにより絶縁膜１４、例えば酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する。酸化膜１４の厚さは例えば５００ｎｍ程度とする。
次いで、Ｔｉなどを用いて絶縁膜１４上に密着層（図示せず）を形成する。密着層の厚さは、例えば１０〜２０ｎｍ程度とする。
密着層を形成した後、下部電極１６を形成する。下部電極１６は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、それらの酸化物などの貴金属材料を用い、スパッタ法、ＣＶＤ法等で形成すれば良い。下部電極１６の厚さは、例えば２００ｎｍ程度とする。
（２）圧電体膜の形成
次いで、下部電極１６上に圧電体膜１９を形成する（図３（Ａ））。圧電体膜１９としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用い、スパッタ法、ＣＶＤ法等で成膜すれば良い。圧電体膜１９の厚さは、例えば３μｍ程度とする。
（３）マスクの形成
次いで、圧電体膜１９をパターニングするためのマスク３０を形成する（図３（Ｂ））。
マスク３０は、酸化膜（ＳｉＯ２）、クロムなどのハードマスク、あるいは、フォトレジスト（ネガ型レジスト又はポジ型レジスト）などの感光性樹脂を用いて形成すれば良い。工程数を少なくするなどの観点からフォトレジストを用いてマスク３０を形成することが望ましい。フォトレジストとしては、例えば、東京応化工業社のＯＦＰＲシリーズ、ＴＳＭＲシリーズ、ＡＺ社の１５００シリーズ、１０ＸＴシリーズなどを用いれば良い。
例えば、ＡＺ社の１０ＸＴを用いて１０μｍの膜厚を有するレジストマスクを形成する場合は、基板上にレジストを滴下し、スピンコータにて１０００ｒｐｍにて３０秒回転しレジスト膜を形成する。
圧電体膜１９上にスピンコート法、スプレーコート法などでレジストを塗布した後、レジストのソフトベークを行う。レジストは、ドライエッチング時にマスクとして機能し、かつ、ドライエッチング後に容易に除去できるように、ソフトベーク後の厚みが、例えば、０．１〜２０μｍ程度となるように形成する。ソフトベークは、ホットプレート、オーブンなどの加熱手段により各種レジスト材料の最適温度（例えば６０〜１５０℃で、１〜１５分間）で行う。例えばホットプレートを用いて、１００℃で９０秒間加熱して行う。
次いで、フォトリソグラフィ（露光及び現像）により、レジストをマスク形状にパターニングする。現像後のレジストがマスク３０となり、ドライエッチング後の圧電体膜１９が所望のパターン形状となるようにフォトマスクを介して露光を行う。
露光はアライナーやステッパーを用い、各種レジスト材に最適な露光量で行えば良い。例えば、コンタクトアライナーを用いて露光を行う。コンタクトアライナーは、市販の装置を用いれば良く、例えばズースマイクロテック社のＭＡ−６などが挙げられる。露光量が例えば８００ｍＪ／ｃｍ２となるように露光を行えば良い。
使用するレジストによっては、露光後ベーク（ＰＥＢ：Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）を行っても良い。露光後、現像前にＰＥＢを施すことで、露光量不足を補うことや露光時の定在波の影響によるパターン形状の変形を軽減することができる。
続いて現像を行う。基板１２を現像液に浸漬後、純水でリンスし、その後、乾燥させる。現像液は市販のされているものを用いる。例えば、ＡＺ社のＡＺ３００ＭＩＦを用いれば良い。現像液に１０分間程度浸漬後、純水リンスを１８０秒×２回行い、その後、スピンドライヤ等で基板１２に付着している水分を取り除く。
現像後、必要に応じてポストベークを行う。ポストベークを行う場合は、ホットプレート、オーブンなどの加熱手段を用い、例えば１００〜２００℃程度で１〜６０分間行えば良い。この時の加熱温度により、レジストマスク３０の断面形状が異なってくるので、必要に応じた温度で行う。例えばホットプレートを用いて任意の温度で１２０秒間程度行えば良い。
（４）圧電体膜のパターニング
次いで、圧電体膜１９のマスク３０から露出する部分をドライエッチングによって薄膜化することにより、マスク３０で覆われた部分を凸部（本体）２０Ｂに形成する（図３（Ｃ））。
ドライエッチング装置としては、例えば、誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）のドライエッチング装置で行えば良い。なお、本発明で用いるドライエッチング装置は特に限定されるものではなく、例えば、ヘリコン波励起プラズマ（Ｈｅｌｉｃｏｎ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ：ＨＷＰ）、電子サイクロトン共鳴プラズマ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｐｌａｓｍａ：ＥＣＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ：ＳＷＰ）などのプラズマ源を用いた方式を適用して圧電体膜１９を加工することも可能である。
圧電体膜１９であるＰＺＴをドライエッチングする場合、ドライエッチング装置のチャンバー内に導入するプロセスガスとしては、Ｃｌ２（塩素）、ＢＣｌ３（三塩化ホウ素）、ＨＢｒ（臭化水素）、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＦ４（四フッ化炭素）、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、Ｃ２Ｆ６（六フッ化エタン）、Ｃ３Ｆ８（八フッ化プロパン）、Ｃ４Ｆ６（六フッ化ブタジエン）、Ｃ４Ｆ８（八フッ化シクロブタン）、Ｃ５Ｆ８（オクタフルオロシクロペンテン）、あるいは、それらの混合ガスと、アルゴンなどの不活性ガス、さらに、必要に応じて酸素や窒素などを添加した混合ガスを用いる。
プラズマ生成用のアンテナに高周波を印加してプラズマを生成し、処理基板を設置したステージへバイアス用の高周波を印加することでエッチングを行う。例えばアンテナ用の高周波電源には１３．５６ＭＨｚを使用し、バイアス用の高周波電源には低周波である５００ｋＨｚを使用する。アンテナ用のＲＦ周波数としては１３．５６〜６０ＭＨｚを用い、低周波電源としては１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚを使用すれば良い。
代表的なエッチング条件は、以下のとおりである。
プロセスガスとしては、塩素を１０％〜６０％とＣ４Ｆ８を４０％〜９０％（いずれも容量％）含む混合ガスを用いる。例えば塩素の流量を２０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８を８０ｓｃｃｍとすれば良い。
プロセスガスの圧力は０．１〜５Ｐａ、例えば１．０Ｐａにすれば良い。
アンテナＲＦ電力は３５０〜１０００Ｗ、例えば５００Ｗにする。基板バイアス電力は５０〜５００Ｗ、例えば２００Ｗにする。
マスクにレジストを用いる場合、ステージの温度は−２０〜１５０℃、例えば５℃にすれば良い。
圧電体膜１９のエッチングでは、マスク３０から露出している部分の厚みを薄くすることで凹凸が形成され、マスク３０が形成されている部分は凸状に形成される。このとき、圧電体膜１９の露出部分を全て除去せず、ある程度残るところでエッチングを止める。圧電体膜１９の露出部分の残存量（厚さ）が段差部２０Ａの高さ（厚さ）に相当するため、エッチング時間を制御することで段差部２０Ａの高さを制御することができる。圧電体膜１９の残存量、即ち段差部２０Ａの高さは、例えば１００ｎｍ〜１μｍにすれば良い。
（５）エッチング保護膜の形成
圧電体膜１９にドライエッチングを施して凸部２０Ｂを形成した後、圧電体膜の凸部２０Ｂの少なくとも側面にエッチング保護膜３２を形成する。
例えば、ドライエッチングを停止した後、エッチング保護膜３２を基板全面に形成する（図３（Ｄ））。エッチング保護膜３２はＳｉＯ２などの酸化膜を用いても良く、スパッタ法、ＣＶＤ法、大気圧ＣＶＤ法などで形成すれば良い。ただし、酸化膜などの場合は、後の工程で除去するのが困難であり、また、保護膜３２を除去するときに圧電体層２０にダメージを与え易い。このような観点から、保護膜３２として炭化フッ素（ＣＦ）系のポリマーを用いることが望ましい。
ＣＦ系のポリマーの保護膜３２を形成する方法としては、例えば圧電体膜１９のドライエッチングに用いた装置を使用することができ、ＣＦ４（四フッ化炭素）、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）、Ｃ２Ｆ６（六フッ化エタン）、Ｃ３Ｆ８（八フッ化プロパン）、Ｃ４Ｆ６（六フッ化ブタジエン）、Ｃ４Ｆ８（八フッ化シクロブタン）、Ｃ５Ｆ８（オクタフルオロシクロペンテン）など、ＣとＦが含まれるガスを用いてプラズマ処理すれば良い。
具体的には、Ｃ４Ｆ８を２５ｓｃｃｍ流し、圧力を３Ｐａに制御し、プラズマ生成用ＲＦ電源の出力は１０００Ｗとする。このとき、基板１２へのバイアスの印加は必要に応じて行えば良い。このような条件下で処理時間を調整することにより保護膜３２の厚さを制御することができる。ここで、保護膜３２の厚さ、より具体的には圧電体の凸部２０Ｂ側面に形成される保護膜３２の厚さによって段差部２０Ａの突出部分（水平部分）の長さを制御することができる。このように保護膜３２の厚さによって圧電体層２０の段差部２０Ａの長さを制御することができるため、制御性が良い。具体的には、処理時間を５分間とし、凸部２０Ｂ側面で厚さ１μｍ程度となるＣＦ系ポリマーの保護膜３２を形成する。
（６）エッチング保護膜の一部除去（ディスカム（Ｄｅｓｃｕｍ）処理）
基板全面に形成された保護膜３２のうち、圧電体層の凸部２０Ｂ側面に形成された保護膜を残し、凸部２０Ｂの上面や凸部２０Ｂ以外の部分（平面部）に形成された保護膜を除去するため、ディスカム処理を行う（図４（Ａ））。
ディスカム処理は、前述した「（４）圧電体膜のパターニング」、及び、「（５）保護膜の形成」に用いたドライエッチング装置を用いて行うことができる。このように１台のドライエッチング装置で複数の工程を行えば効率が良く、低コスト化を図ることができる。例えば、酸素流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を０．５Ｐａに制御し、プラズマ生成用ＲＦ出力を１０００Ｗ、基板バイアス出力を３００Ｗとし、処理時間を１分間程度として行うことで、凸部２０Ｂ側面以外の部分の保護膜３２を除去する。１Ｐａ以下の真空度で処理することで、イオンの指向性を用い、凸部２０Ｂ側面の保護膜３２をほとんどエッチングすることなく、平面部に形成されている保護膜を選択的に除去することができる。
（７）段差部の形成
圧電体膜１９の薄膜化された部分のうちエッチング保護膜３２から露出している部分をエッチングによって除去することにより、凸部２０Ｂの下部電極１６側の周囲に段差部２０Ａを形成する（図４（Ｂ））。
例えば、「（４）圧電体膜のパターニング」と同様の方法でドライエッチングを行うことで、圧電体膜のレジストマスク３０及び保護膜３２から露出する部分を全て除去する。圧電体膜の凸部２０Ｂの上面にはレジストマスク３０が形成されており、また、凸部２０Ｂの側面には保護膜３２が形成されているため、凸部２０Ｂはエッチングされることはない。また、圧電体膜の凸部２０Ｂ以外の薄膜化されている部分のうち、凸部２０Ｂの下部電極１６側の周囲では保護膜３２の厚さ分だけ保護されてエッチングされない。これにより、凸部２０Ｂの下部電極１６側の周囲には圧電体の段差部（鍔部）２０Ａが形成される。なお、オーバーエッチングによって圧電体膜１９の下地にある下部電極１６を構成する材料が飛散しても、圧電体凸部２０Ｂの側面には保護膜３２が形成されているため、圧電体層２０の側壁に直接付着するのを防止することができ、リーク電流を確実に防止することができる。
ここで、圧電体層２０の本体２０Ｂ及び段差部２０Ａの厚さ、角度等について具体的に説明する。
図２に示されるように、圧電体層２０全体の厚さをＴとし、圧電体層２０の段差部２０Ａの厚さ（段差部２０Ａの底面から上面までの距離）をＴ１、段差部２０Ａの上面から圧電体層２０の上面までの厚さをＴ２とする。また、圧電体層２０の底面と段差部２０Ａの側面との成す角度（適宜「段差部の傾斜角」という。）をθ１、圧電体層２０の底面と本体２０Ｂ（段差部２０Ａが形成されていない部分）の側面との成す角度（適宜「本体の傾斜角」という。）をθ２とする。
圧電体層２０の厚さＴは、１μｍ以上であれば、インクジェットヘッドに利用する場合に十分な変位量が得られ、一方、５μｍ以下であれば、圧電体層２０中のクラックの発生が抑制され、スパッタ法、ＣＶＤ法等の気相法でも比較的短い時間で成膜することができ、製造コストの上昇を抑制することができる。これらの理由から圧電体層２０の厚さＴは、１μｍ〜５μｍが望ましく、例えば３μｍ程度とする。
また、圧電体層２０の段差部２０Ａの厚さＴ１は、十分な変位量を得るため、圧電体層２０の厚さＴの３分の１以下であることが望ましい。例えば、圧電体層２０の厚さＴが３μｍの場合は、段差部２０Ａの厚さＴ１を１μｍ以下とし、段差部２０Ａを除いた部分２０Ｂの厚さＴ２を２μｍ以上とすることが好ましい。ただし、段差部２０Ａの厚さＴ１が薄過ぎると、圧電体層２０が変位したときに段差部２０Ａにクラックが入りやすくなるため、段差部２０Ａの厚さＴ１は、圧電体層２０全体の厚さＴの１／１０以上であることが望ましい。
また、図２に示す圧電体層２０の厚さ方向の断面において、段差部２０Ａの側面部分の長さをＬ１、段差部２０Ａの上面部分の長さ（適宜「上面長さ」という。）をＬ２、圧電体層２０の段差部２０Ａより上の部分（本体）２０Ｂの長さをＬ３、圧電体層２０の沿面距離をＬとすると、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３と表され、Ｌが長いほど沿面距離が長くなる。沿面距離を長くするためには、圧電体層２０の段差部２０Ａの上面長さＬ２が長い方が良いが、圧電体層本体２０Ｂの側面に保護膜３２を形成してエッチングマスクにするためには、１００ｎｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。段差部２０Ａの上面長さＬ２が１００ｎｍ以上であれば、段差部２０Ａによって沿面距離をかせぐことができ、また、段差部２０Ａを形成する際のエッチングマスクに相当する保護膜３２を所望の厚みに制御して形成することができる。一方、段差部２０Ａの上面長さＬ２が３μｍ以下であれば、エッチング保護膜３２の形成が容易であり、短時間で成膜することができるとともに、ディスカム工程も比較的短時間で行うことができ、生産性の低下を抑制することができる。
圧電体層本体２０Ｂの傾斜角θ２に関しては、インクジェットヘッドのように複数の圧電素子を高密度で配置する観点からは、垂直に近い角度が望ましい。また、製造上の観点からは、段差部２０Ａを形成するために圧電体膜１９のエッチングを２回に分けて行う場合、１回目のエッチングでは、圧電体層本体２０Ｂの厚みＴ２に相当する深さまでエッチングを行い、エッチング保護膜３２の形成、ディスカム、さらに２回目のエッチングを行うことで段差部２０Ａが形成される。
１回目のエッチングで圧電体層本体２０Ｂの形状がほぼ決まり、ドライエッチングでは本体２０Ｂの傾斜角θ２が９０°を超えるように形成することはそもそも困難であるが、９０°を超える角度に形成できたとしても、再現性が悪く、また、保護膜形成時のカバレッジが悪くなるため、θ２は９０°以下とすることが好ましい。
一方、保護膜形成後に２回目のエッチングを行うときに圧電体層本体２０Ｂの傾斜角θ２が７５°未満である場合は、エッチング時にイオンが保護膜３２に当たり易く、保護膜自体がエッチングされて段差部２０Ａの形状が悪化するおそれがある。
このような観点から、凸部（圧電体層本体）２０Ｂの傾斜角θ２は７５°以上９０°以下であることが望ましい。
一方、段差部２０Ａの傾斜角θ１は、４５°以上であれば、隣接する圧電体素子との距離が近くなり過ぎることが抑制され、高密度化を図ることができる。また、段差部２０Ａの傾斜角θ１が７５°以下であれば、後の工程で絶縁膜１８や配線２２のカバレッジの悪化を効果的に抑制することができる。従って、段差部２０Ａの傾斜角θ１は４５°以上７５°以下であることが望ましい。
また、上記のような理由から、圧電体層の段差部２０Ａの傾斜角θ１は、本体２０Ｂの傾斜角θ２より小さいことが好ましい。
なお、側面（外周面）がある程度傾斜した段差部２０Ａを形成する場合には、例えば、保護膜３２を形成するガスを積極的に添加する方法（添加するガス流量を増やす）、基板１２に印加するバイアス出力を大きくし、保護膜３２を後退（薄膜化）させながらエッチングを行う方法などが挙げられる。
代表的なエッチング条件は以下のとおりである。
プロセスガスは、塩素を１０％〜６０％とＣ４Ｆ８を４０％〜９０％の混合ガスを用いる。例えば塩素の流量を２０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８を８０ｓｃｃｍとすれば良い。
プロセスガスの圧力は０．１〜５Ｐａ、例えば１．０Ｐａにすれば良い。
アンテナＲＦ電力は３５０〜１０００Ｗ、例えば５００Ｗに設定する。基板バイアス電力は５０〜５００Ｗ、例えば２５０Ｗに設定する。
ステージの温度は、レジストマスクを用いた場合は、−２０〜１５０℃、例えば５℃に設定すれば良い。
（８）マスク及び保護膜の除去
エッチングによって圧電体層２０に段差を形成した後、レジストマスク３０及びエッチング保護膜３２を除去する（図４（Ｃ））。
これらの除去方法としては、市販のポリマー除去液を用いるウエット処理による方法、ドライアイスブラストによる方法、水蒸気によって除去する方法などが挙げられる。
ポリマー除去液を用いてレジストマスク３０と保護膜３２を除去する場合は、例えば、デュポン社製のＥＫＣシリーズ、ＡＺ社製のＡＺリムーバーなどを用いれば良い。
ドライアイスブラストを用いてマスク３０等を除去する場合は、ドライアイス粒を圧縮空気により処理基板１２へ吹き付けてサーマルショックを発生させると同時にドライアイス粒が昇華する際の膨張エネルギーを利用してレジストマスク３０及び保護膜３２を剥離除去する。
水蒸気によってマスク３０等を除去する場合は、高圧（０．０１〜１ＭＰａ）の水蒸気に純水や微量の薬液を混合した純水を処理基板に吹き付けることでレジストマスク３０や保護膜３２を除去する。
いずれの方法にせよ、レジストマスク３０と保護膜３２を除去することで、ドライエッチングの際、これらの膜上に堆積した堆積物も一緒に除去することができる。
以上のような工程に沿って圧電体膜１９を加工することで、基板１２上には、下部電極１６側の側面に段差部２０Ａを有し、下部電極１６側の面が上部電極側の面よりも大きい圧電体層２０（２段階のテーパー部分２０Ａ，２０Ｂを有する圧電体層２０）が、圧電素子ごとにそれぞれ独立して形成される。
（９）上部電極等の形成
段差部２０Ａを有する圧電体層２０を形成した後、圧電体層２０上に、上部電極２４、絶縁膜（バリア膜）１８としてシリコン酸化膜などを形成する。さらに絶縁膜１８にはパターニングにより上部電極２４からの配線引き出し用の開口部を形成し、上部電極２４からの配線２２をパターニングする。これにより図１に示すような構成を有する圧電素子１０を製造することができる。
前記のように圧電体層２０の側面に下部電極１６側の面が大きくなるような段差部２０Ａを有する構造とし、好ましくは圧電体層２０の段差部２０Ａの側面を緩やかなテーパー角度に加工しておくことで、絶縁膜１８や配線２２を形成する際に圧電体層２０の下部におけるカバレッジ性を向上させることができ、応力集中をより緩和することができる。
＜第２の方法＞
図５は、本発明に係る圧電素子の製造方法の他の例（第２の方法）を示している。この方法では、マスクを２回形成して圧電体層の段差部を形成する。
まず、シリコン基板上に、絶縁膜、密着層、圧電体膜を順次形成する工程、圧電体膜上にレジストマスクを形成する工程、圧電体膜をドライエッチングによりパターニングする工程については第１の方法と同様であるので、説明を省略する。
図５（Ａ）に示すようにレジストマスク３０を介して圧電体膜の一部が凸状となるようにパターニングした後、第１のマスク３０を除去する。
次いで、凸部（本体）２０Ｂとその周囲を覆うように、フォトリソグラフィ法によって段差部２０Ａを形成するための第２のレジストマスク３４を形成する（図５（Ｂ））。第２のマスク３４を形成した後、ドライエッチングを行う。これにより、圧電体膜のうち、マスク３４によって覆われていない部分を除去する（図５（Ｃ））。
ドライエッチング後、マスク３４を除去することで、凸部２０Ｂの下部電極１６側の周囲に段差部２０Ａを有する圧電体層２０が得られる（図５（Ｄ））。
なお、このようにマスク３０，３４を２段階に分けて形成する場合、マスク３０，３４は、必ずしもレジストのみで形成する必要はなく、例えば、クロム等のハードマスクとレジストマスクを用いた方法でも良い。また、異なるマスクパターンを形成してそれぞれのマスクを形成した後の２回のエッチングによって段差部２０Ａを形成しても良い。
以上、本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、段差部２０Ａを形成する際のエッチングはドライエッチングに限定されず、ウエットエッチングを行ってもよい。
また、上記実施形態では、段差部２０Ａを有する圧電体層２０を形成した後に上部電極２４を形成する場合について説明したが、圧電体膜と上部電極を一緒にエッチングしてパターニングしてもよい。すなわち、圧電体膜１９をパターニングする前に圧電体膜１９上に上部電極となる金属膜を形成する。次いで、この金属膜上にマスクを形成してドライエッチングを行うことで、圧電体層とともに上部電極をパターニングしてもよい。
１０ 圧電素子
１２ 基板（支持体）
１４ 酸化膜（絶縁膜）
１６ 下部電極
１８ 絶縁膜
１９ 圧電体膜
２０ 圧電体層
２０Ａ 段差部
２０Ｂ 凸部（圧電体層本体）
２２ 配線
２４ 上部電極
３０ マスク
３２ エッチング保護膜
１００ インクジェットヘッド
１０４ 絶縁膜
１０６ 下部電極
１０８ 圧電体層
１１０ 上部電極
１１４ 配線
１２０ 圧力室
１２２ 流路
１２４ 吐出口
１２６ 供給孔
１３０ 基板

Claims (4)

  1. 支持体と、
    前記支持体上に形成されている下部電極と、
    前記下部電極上に形成されている圧電体層と、
    前記圧電体層上に前記下部電極と対向するように形成されている上部電極と、を有し、
    前記圧電体層の前記下部電極側の面が前記上部電極側の面よりも大きくなるように前記圧電体層の前記下部電極側の周囲に段差部が形成されており、
    前記圧電体層の底面と前記段差部の側面との成す角度θ１が、前記圧電体層の底面と本体の側面との成す角度θ２より小さく、
    前記段差部の厚さが、前記圧電体層の厚さの１０分の１以上３分の１以下であり、
    前記角度θ１が４５°以上７５°以下であり、前記角度θ２が７５°以上９０°以下である圧電素子。
  2. 前記段差部の上面部分の長さが、１００ｎｍ以上３μｍ以下である請求項１に記載の圧電素子。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を有するインクジェットヘッド。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を製造する方法であって、
    支持体上に下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
    前記圧電体膜上の一部にマスクを形成する工程と、
    前記圧電体膜の前記マスクから露出する部分をドライエッチングによって薄膜化することにより前記マスクで覆われた部分を凸部に形成する工程と、
    前記凸部の少なくとも側面にエッチング保護膜を形成する工程と、
    前記圧電体膜の前記薄膜化された部分のうち前記エッチング保護膜から露出している部分をエッチングによって除去することにより、前記凸部の前記下部電極側の周囲に段差部を形成する工程と、
    を含む圧電素子の製造方法。
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