JP5454795B2 - 圧電素子の製造方法および液滴噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

圧電素子の製造方法および液滴噴射ヘッドの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電素子の製造方法および液滴噴射ヘッドの製造方法に関する。
例えば、インクなどの液滴を噴射するためのインクジェットプリンターなどの液滴噴射装置として、圧電素子を備えた液滴噴射ヘッドが知られている。このような液滴噴射ヘッドは、例えば、駆動信号などによって圧電素子を変位させることにより、圧電素子の下方に形成された圧力室内の圧力を変化させることができ、ノズル孔から圧力室内に供給されたインクなどの液滴を噴射させることができる。
このような液滴噴射ヘッドにおいて、例えば、湿気などの外的要因に対して弱い圧電素子の圧電体層を保護する目的として、圧電体層を上部電極で覆った構造を有したものがある（特許文献１）。このような圧電素子は、圧電体層が下部電極と上部電極よって挟まれた能動領域を有しているが、一般的に、その能動領域は、平面視において特定の方向に延びた形状をなしている。このような圧電素子においては、能動領域の長手方向の端部において、圧電素子の変位量が大きくなりすぎる場合がある。その結果、圧電素子の圧電体層にクラックが生じて信頼性が低下する可能性がある。
したがって、クラックの発生を抑制することができる信頼性の高い圧電素子を、精度よく、かつ、簡便に製造することができる、圧電素子の製造方法が望まれている。
特開２００５−８８４４１号公報
本発明のいくつかの態様によれば、信頼性の高い圧電素子を、精度よく、かつ、簡便に製造することができる圧電素子および液滴噴射ヘッドの製造方法を提供することができる。
（１）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
基板の上に、第１導電層を形成する工程と、
前記第１導電層の上に、能動領域となる領域を有する圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上に、前記領域とオーバーラップする第２導電層を形成する工程と、
前記第２導電層の上に、前記領域とオーバーラップする第３導電層を形成する工程と、
前記領域の上方の前記第３導電層において、前記第３導電層を第１の部分と第２の部分とに分割する開口部を形成する工程と、
前記開口部と、前記第１の部分および前記第２の部分の前記開口部側の周縁部と、を覆うレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層を用いて、前記第３導電層をエッチングし、第１導電部と第２導電部とを形成する工程と、
前記レジスト層を用いて、前記第２導電層をエッチングし、第３導電部を形成する工程と、
を含む。
本発明において、「上」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明において、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上」という文言を用いている。同様に、「下」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
本発明によれば、第１および第２導電部と、第３導電部と、を同じレジスト層を用いて形成するため、第３導電部の端部に、第１および第２導電部を精度よく配置することができる。これによれば、製造工程において、第３導電部の端部に対する第１および第２導電部の配置のアライメント誤差を考慮する必要がないため、信頼性の高い圧電素子を、精度よく、かつ、簡便に製造することができる。
（２）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
前記第１導電部と前記第２導電部とを形成する工程の前記エッチングは、ウエットエッチングであり、
前記第３導電部を形成する工程の前記エッチングは、ドライエッチングであってもよい。
（３）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
前記第２導電層の材料は、前記第３導電層の材料と異なってもよい。
（４）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
前記第２導電層の材料は、イリジウムを含み、
前記第３導電層の材料は、金およびニッケル−クロム合金を含んでいてもよい。
（５）本発明の態様の１つである圧電素子の製造方法は、
前記圧電体層を形成する工程は、前記第２導電層と離間した位置において、前記第１導電層の一部を露出させるコンタクトホールを形成する工程を含み、
前記第２導電層と前記第３導電層とを形成する工程は、前記コンタクトホール内の前記第１導電層と電気的に接続され、かつ、前記第２導電層と前記第３導電層と離間したリード配線層を形成する工程を含み、
前記第３導電部を形成する工程は、互いに離間した前記第２導電層と、前記リード配線層との間の前記圧電体層が露出した部分において、凹部を形成する工程を含んでいてもよい。
（６）本発明の態様の１つである液滴噴射ヘッドの製造方法は、
上記のいずれかの圧電素子の製造方法を含む。
図１（Ａ）は、本実施形態の圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子を模式的に示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＩＢ−ＩＢ線における圧電素子の断面図。 本実施形態の圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子を含む液滴噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 本実施形態の圧電素子および液滴噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電素子および液滴噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電素子および液滴噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図。 液滴噴射装置を模式的に示す斜視図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。まず、本実施形態に係る圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子１００を説明し、圧電素子１００を含む液滴噴射ヘッド６００の一例を説明した後、本実施形態に係る圧電素子の製造方法について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．圧電素子
図１（Ａ）は、本実施形態の圧電素子の製造方法により製造される圧電素子１００と、その圧電素子１００を含む液滴噴射ヘッド６００（図２参照）の要部を模式的に示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＩＢ−ＩＢ線の断面図である。
基板１は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板とすることができる。基板１は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。また、基板１は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。
圧電素子１００が液滴噴射ヘッド６００に含まれる場合には、基板１は、振動板であって、圧電素子１００が動作したときに機械的な出力を行う部材となる。基板１は、圧電素子１００を含む圧電アクチュエーターの可動部分となることができ、圧力室などの壁の一部を構成していてもよい。基板１の厚みは、後述される圧力室の寸法や駆動周波数、用いる材質の弾性率などにしたがって最適に選ばれる。基板１の厚みは、例えば、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であってもよい。基板１の厚みが２００ｎｍよりも薄いと、振動等の機械的出力を取り出しにくくなることがあり、２０００ｎｍよりも厚いと、振動等が生じなくなる場合がある。基板１は、圧電体層２０の動作により、たわんだり振動したりすることができる。
基板１が、振動板である場合、基板１の材質には、剛性及び機械的強度の高い材料を含むことが望ましい。基板１の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を用いることができる。これらのうち、基板１の材質としては、化学的安定性及び剛性の点で、酸化シリコンおよび酸化ジルコニウムが好適である。基板１は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。
圧電素子１００は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１の上方に設けられる。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、圧電素子１００は、基板１の上に設けられた第１電極１０と、第１電極１０を覆うように形成された圧電体層２０と、圧電体層２０の少なくとも一部を覆うように形成された第２電極３０とを含む。
図１（Ｂ）に示すように、圧電体層２０は、圧力室６２２の上方において、第１電極１０と第２電極３０とによって挟まれた能動領域２１を有する。ここで、能動領域２１とは、圧電体層２０のうち、第１および第２電極１０、３０によって電圧が印加されて実質的に駆動を行う領域であって、製造後において、第１および第２電極１０、３０に挟まれる領域もしくは、製造工程において圧電体層２０に設計上区画される領域である。なお、図１（Ａ）においては、能動領域２１は灰色で示される領域である。
第１電極１０（なお、後述される本実施形態の圧電素子の製造方法においては「第１導電層１０」と称する）は、図１（Ａ）に示すように、基板１（振動板）の上で、特定の方向に延びるように形成される。ここで、第１電極１０の延びる方向（第１電極１０の平面視での長手方向）を、第１の方向１１０とする。また、第１の方向１１０と交差する方向を第２の方向１２０とする。第２の方向１２０は、例えば、第１電極１０の平面視の短手方向もしくは、複数の圧電素子１００が形成される場合の圧電素子１００が並列する方向であってもよい。
ここで、本発明において、「平面視」という文言は、「基板１の圧電素子１００が形成される面の法線方向から見た平面視」を意味する文言として用いる。
第１電極１０の形状は、後述される第２電極３０とオーバーラップし、圧力室６２２の上方において能動領域２１を形成できる限り、特に限定されない。例えば、図１（Ａ）および図１（Ｂ）示すように、第１電極１０は、平面視において、後述される第２電極３０の外側に、第１の方向１１０における端部を有していてもよい。
第１電極１０の構造及び材料は、導電性を有する限り特に限定されない。第１電極１０の材料には、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第１電極１０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第１電極１０の厚みは、特に限定されないが、例えば、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
また、図示はされないが、第１電極１０は、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｗ合金などを含むバリア層を含んでいてもよい。バリア層は、第１電極１０と基板１（振動板）との境界面に設けてもよいし、第１電極１０と圧電体層２０との境界面に設けてもよい。
また、図示はされないが、第１電極１０は、基板１振動板との間に、密着強度を上げるための層密着層を含んでいてもよい。密着層はチタンやチタニア（ＴｉＯ２）やジルコニア、ジルコニウムなどで形成されていてもよい。
圧電体層２０は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１（振動板）および第１電極１０の上方に設けられる。圧電体層２０の形状は、少なくとも圧力室６２２の上方において、第１電極１０を覆うように形成される限り特に限定されない。例えば、複数の圧電素子１００が第２の方向１２０に沿って形成される場合、圧電体層２０には、隣り合う複数の能動領域２１の間に、それぞれ開口部が形成されていてもよい。
圧電体層２０は、圧電特性を有した多結晶体からなり、圧電素子１００において電圧を印加されることにより振動することができる。圧電体層２０の構造は、圧電特性を有していればよく、特に限定されない。圧電体層２０の材質としては、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）などが挙げられる。圧電体層２０の厚みは、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下とすることができる。
また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、圧電体層２０には、第１電極１０の一部が露出するコンタクトホール２６が形成される。コンタクトホール２６の位置は、下方に圧力室６２２が設けられていない第１電極１０の上であって、かつ、後述される第２電極３０が設けられる領域から離間していればよく、特に限定されない。例えば、図１（Ｂ）に示すように、コンタクトホール２６は、能動領域２１と第１の方向１１０において隣接するように配置される。コンタクトホール２６の形状は、第１電極１０を露出させることができればよく、特に限定されない。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、コンタクトホール２６内には、リード配線層１８が形成される。リード配線層１８は、第１電極１０の引き出し配線であって、図示はされない駆動回路と接続される。したがって、リード配線層１８は、後述される第２電極３０と電気的に絶縁されている。リード配線層１８は、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、リード配線層１８は、図１（Ｂ）に示すように、複数の導電層の積層で構成されていても、単層で構成されていてもよい。
また、圧電体層２０には、図１（Ｂ）に示すように、リード配線層１８と、後述される第２電極３０との間に、凹部２９が形成されていてもよい。凹部２９の形状は、圧電体層２０の第２電極３０が形成される面よりも凹む形状であれば特に限定されず、図示はされないが、第２の方向１２０に延びていてもよい。凹部２９は、本実施形態に係る圧電素子の製造方法のエッチング工程において圧電体層２０がオーバーエッチングされることで形成された凹部であってもよい。また、凹部２９は、複数の凹部と凸部が隣り合うように形成された粗面（粗面加工された面）であってもよい（図示せず）。これによれば、互いに電気的に絶縁される第２電極３０とリード配線層１８との間の圧電体層２０からなる表面距離をより大きくすることができるため、第２電極３０とリード配線層１８との絶縁性を向上させることができ、第２電極３０とリード配線層１８との間が短絡することを回避することができる。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第２電極３０は、圧電体層２０の上に設けられ、圧力室６２２の上方において、第１電極１０とオーバーラップし、圧電体層２０に能動領域２１を形成する。第２電極３０の形状は、圧力室６２２上方の圧電体層２０において能動領域２１を形成できる限り、特に限定されない。例えば、図１（Ａ）および図１（Ｂ）示すように、第２電極３０は、流路形成板６２０の圧力室６２２の上方において、第１の方向１１０の両端部３８、３９を有している。なお、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示されるように、第２電極３０の第１の方向１１０のリード配線層１８が形成される側の端部が、端部３９であって、その反対側が、端部３８であってもよい。第２の方向１２０において、複数の圧電素子１００が形成される場合、第２電極３０が互いに電気的に接続されて共通電極として機能する。また、図示はされないが、第２電極３０は、図示されない駆動回路と電気的に接続されていてもよい。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第２電極３０は、第１導電部３３、第２導電部３４、および第３導電部３５を含む。図１（Ｂ）に示すように、第３導電部３５の両端部３８、３９の上に第１導電部３３と第２導電部３４とがそれぞれ配置される。
第３導電部３５は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、能動領域２１の上方において、圧電体層２０の上に設けられる導電部である。第３導電部３５の第１の方向１１０における両端部３５ａ、３５ｂは、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、それぞれ、第２電極３０の両端部３８、３９の一部を構成する。第３導電部３５の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第３導電部３５の材質として、例えば、Ｉｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ａｇ、などの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第３導電部３５は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第３導電部３５の厚みは、特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることができる。
図１（Ａ）において、第１導電部３３は、斜線で示される部分である。第１導電部３３は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第３導電部３５の第１の方向１１０における一方の端部３５ａの上に配置される。図１（Ｂ）に示すように、第１導電部３３の端部３３ａは、第２電極３０の端部３８の一部を構成する。ここで、端部３３ａは、第３導電部３５の端部３５ａの側面は覆わないが、端部３３ａが、できるだけ端部３５ａの側面に近くなるように配置されている。第１導電部３３の第１の方向１１０における幅は、平面視における能動領域２１の第１の方向１１０の長さをＬとしたとき、半分の長さであるＬ／２よりも短ければよく、適宜設計されることができる。第１導電部３３の厚みは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下とすることができる。
第１導電部３３は、図１（Ａ）に示すように、平面視における能動領域２１外の領域において、第１電極１０とオーバーラップしないように配置されていればよい。また、複数の圧電素子１００が形成される場合、第２の方向１２０において、第１導電部３３は共通の導電部であってよい。第１導電部３３の材料は、導電性を有する限り、特に限定されないが、好適には、第３導電部３５よりも導電性が高い材料を用いることができる。例えば、第１導電部３３は、Ａｕを含む。また、第１導電部３３は、さらに銅（Ｃｕ）やＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、パラジウム（Ｐｂ）などを含んでいてもよい。
図１（Ａ）において、第２導電部３４は、第１導電部３３と同様に、斜線で示される部分である。第２導電部３４は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、第３導電部３５の第１の方向１１０における一方の端部３５ｂの上に配置される。図１（Ｂ）に示すように、第２導電部３４の端部３４ａは、第２電極３０の端部３９の一部を構成する。ここで、端部３４ａは、第３導電部３５の端部３５ｂの側面は覆わないが、端部３４ａが、できるだけ端部３５ｂの側面に近くなるように配置されている。なお、第２導電部３４の構成（長さ、厚み）、および材料は、第１導電部３３と同じであってよい。
第２導電部３４は、図１（Ａ）に示すように、平面視における能動領域２１外の領域において、第１電極１０のリード配線層１８と十分に離間し、互いに絶縁されるように配置されていればよい。また、複数の圧電素子１００が形成される場合、第２の方向１２０において、第２導電部３４は共通の導電部であってよい。
以上のいずれかの構成により、圧電素子１００の構成とすることができる。このような圧電素子１００においては、上述のように、圧電素子１００の長手方向である第１の方向１１０の両端部３８、３９に第１導電部３３と第２導電部３４が配置されている。これによれば、第１導電部３３と第２導電部３４が、一般的に能動領域２１の長手方向の端部において発生する過度な変位・振動を抑制することができる。したがって、能動領域２１の長手方向の端部に発生するクラックを抑制することができるため、圧電素子１００の信頼性が向上する。
ここで、第１および第２導電部３１、３２が第３導電部３５の端部３５ａ、３５ｂにより近くなるように精度よく配置することで、能動領域２１の長手方向の端部において過度な変位・振動の抑制効果をより高めることができる。つまりは、図１（Ｂ）に示すように、端部３３ａ、３４ａの配置を、平面視において、できるだけ第３導電部３５の両端部３５ａ、３５ｂの側面に近くなるように配置することで、圧電素子１００の信頼性をより向上させることができる。
２．液滴噴射ヘッド
次に、本実施形態に係る圧電素子１００が圧電アクチュエーターとして機能する液滴噴射ヘッド６００について、図面を参照しながら説明する。図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の要部（圧電素子１００）を模式的に示す平面図および断面図である。図２は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド６００の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
液滴噴射ヘッド６００は、上述の圧電素子１００を有する。以下の例では、基板１が振動板として形成され、圧電素子１００が圧電アクチュエーターとして構成されている液滴噴射ヘッド６００について説明する。
液滴噴射ヘッド６００は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図２に示すように、ノズル孔６１２を有するノズル板６１０と、圧力室６２２を形成するための流路形成板６２０と、圧電素子１００と、を含む。
圧電素子１００の数は特に限定されず、複数形成されていてよい。なお、圧電素子１００が複数形成される場合は、第２電極３０が共通電極となる。さらに、液滴噴射ヘッド６００は、図２に示すように、筐体６３０を有することができる。なお、図２では、圧電素子１００を簡略化して図示している。
ノズル板６１０は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図２に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクなどの液体等（液体のみならず、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したもの、又は、メタルフレーク等を含むものなどを含む。以下同じ。）を液滴として吐出されることができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６２０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
流路形成板６２０は、ノズル板６１０上（図２の例では下）に設けられている。流路形成板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。流路形成板６２０がノズル板６１０と振動板１との間の空間を区画することにより、図２に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力室６２２とを区別して説明するが、これらはいずれも液体等の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー６２４、供給口６２６及び圧力室６２２は、ノズル板６１０と流路形成板６２０と振動板１とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１に設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板１の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２から液体等が吐出される。
圧電素子１００は、流路形成板６２０上（図２の例では下）に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作（振動、変形）することができる。振動板（基板１）は、積層構造（圧電体層２０）の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
筐体６３０は、図２に示すように、ノズル板６１０、流路形成板６２０及び圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
液滴噴射ヘッド６００は、上述した圧電素子１００を含んでいる。したがって、信頼性の向上した液滴噴射ヘッドを実現できる。
なお、ここでは、液滴噴射ヘッド６００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液滴噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイなどのカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）などの電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
３．圧電素子および液滴噴射ヘッドの製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について説明する。図３（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本実施形態の圧電素子１００の製造工程と、液滴噴射ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。以下においては、液滴噴射ヘッド６００に含まれる圧電素子１００を製造する場合を一例として説明する。したがって、本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、以下の説明に限定されない。
まず、図３（Ａ）に示すように、基板１を準備する。圧電素子１００を含む液滴噴射ヘッド６００を製造する場合、基板１として、流路形成板６２０の上に形成された振動板を準備する。ここで準備される流路形成板６２０は、圧力室６２２などの流路が形成されていてもよいし、されていなくてもよい。本実施形態においては、圧力室６２２などの流路が形成されていない流路形成板６２０であって、圧力室６２２となる領域６２２ａを有するものを準備する。なお、基板１の詳細は上述されているため省略する。
次に、図３（Ｂ）に示すように、基板１（振動板）の上に第１導電層１０（第１電極１０）を形成する。第１導電層１０の形成方法は特に限定されず、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの蒸着法、めっき法、スパッタ法、ＭＯＤ法、スピンコート法などにより導電膜を形成し、該導電膜を公知のパターニング方法によって、所望の形状を有した第１導電層１０を形成することができる。なお、第１導電層１０（第１電極１０）の詳細は上述されているため省略する。
上記の公知の成膜方法は、以下の導電層の公知の形成方法においても適用することができる。また、本実施形態における圧電素子の製造方法において用いられる公知のパターニング方法としては、所望の形状に合わせて適宜レジスト層を形成した後、公知のフォトリソグラフィー技術および／またはエッチング技術によって行われることができる。エッチング技術を用いる場合、適宜、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いることができる。
ここで、図示はされないが、第１導電層１０の上や、基板１（振動板）の上に、窒化チタン膜などの酸化防止膜や、チタン膜、ランタンニッケル酸化物膜などの圧電体層の配向を制御する配向制御膜を形成してもよい。また、第１導電層１０と基板１（振動板）との間にチタンやクロムなどなどの密着層を含んでいてもよい。
次に、図３（Ｃ）に示すように、第１導電層１０の上に能動領域２１となる領域２１ａを有する圧電体層２０を形成する。図３（Ｃ）に示すように、圧力室６２２が形成される領域６２２ａ上方の第１導電層１０の上に形成された圧電体層２０の一部が、能動領域２１となる領域２１ａである。
圧電体層２０の形成方法は特に限定されず、公知の形成方法を用いることができる。まず、例えば、ゾルゲル法などによって圧電材料膜を形成する。圧電材料膜は、スピンコート法、ＣＶＤ法、ＭＯＤ法、スパッタ法、レーザーアブレーション法などにより形成されてもよい。次に、圧電材料膜を、圧電材料の結晶化を目的として熱処理する。これによって結晶化した圧電体からなる圧電体膜を形成することができる。熱処理の条件は、用いられた圧電材料膜を結晶化できる温度であれば、特に限定されない。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００度以上、８００度以下で行われてもよい。なお、圧電体層２０の詳細は上述されているため省略する。
次に、圧電体膜を所望の形状にパターニングして、圧電体層２０を形成することができる。ここで、図３（Ｃ）に示すように、圧電体層２０をパターニングする工程は、第１導電層１０の一部を露出させるコンタクトホール２６を形成する工程を含んでいてもよい。ここで、コンタクトホール２６は、後述される第２導電層３０が形成される領域と離間した位置において形成される。
次に、図３（Ｄ）に示すように、圧電体層２０の上に、能動領域２１となる領域２１ａとオーバーラップする第２導電層３０ａを形成する。ここで、第２導電層３０ａの材料は、イリジウムを主成分としていてもよい。第２導電層３０ａは、パターニングされて、上述された第３導電部３５となる導電層である。したがって、図３（Ｄ）に示すように、第２導電層３０ａは、少なくとも領域２１ａとオーバーラップするように形成される。また、第２導電層３０ａは、第３導電部３５の所望の外形よりも大きい外形を有するようにパターニングされる。
ここで、図３（Ｄ）に示すように、第２導電層３０ａを形成する工程は、コンタクトホール２６内の第１導電層１０と電気的に接続され、かつ、第２導電層３０ａと離間した配線層１８ａを形成する工程を含んでいてもよい。配線層１８ａはリード配線１８の一部となる配線層であって、少なくともコンタクトホール２６内の第１導電層１０を覆うように設けられる。これによれば、コンタクトホール２６内の第１導電層１０の露出した面を以後のプロセスダメージから保護することができ、第１導電層１０（第１電極１０）とリード配線１８との電気的接続信頼性を向上させることができる。
次に、図４（Ａ）に示すように、第２導電層３０ａの上に、領域２１ａとオーバーラップする第３導電層３０ｂを形成する。第３導電層３０ｂは、第２導電層３０ａと、配線層１８ａと、を連続して覆っていてもよい。ここで、第３導電層３０ｂの材料は、第２導電層３０ａと異なっていてもよい。例えば、第３導電層３０ｂは、金を主成分とし、とニッケル−クロム合金を含んでいてもよい。
次に、図４（Ｂ）に示すように、第３導電層３０ｂをパターニングし、領域２１ａの上方の第３導電層３０ｂにおいて、第３導電層３０ｂを第１の部分３１と第２の部分３２とに分割する開口部３６を形成する。これによって、図４（Ｂ）に示すように、第１の方向１１０における領域２１ａの一方の端面２２の上方には、第３導電層３０ｂの第１の部分３１が形成され、他方の端面２２の上方には第３導電層３０ｂの第２の部分３２が形成される。図４（Ｂ）に示すように、開口部３６は、第１の方向１１０における領域２１ａの両端面２２よりも、平面視において内側に位置する。開口部３６は、少なくとも領域２１ａの上方の第３導電層３０ｂにおいて、第３導電層３０ｂを第１の部分３１と第２の部分３２とに分割することができればよく、圧電素子１００が形成される領域以外において、第１の部分３１と第２の部分３２は連続していてもよいし、開口部３６によって完全に分割されていてもよい。
また、図４（Ｂ）に示すように、開口部３６を形成するために第３導電層３０ｂのパターニングを行う際、配線層１８ａの上に形成された第３導電層３０ｂと、上述された第１および第２の部分３１、３２とを分割する開口部３７を形成する。これによって、配線層１８ａの上に配線層１８ｂを形成し、コンタクトホール２６内の第１導電層１０と電気的に接続され、かつ、第２導電層３０ａと離間したリード配線層１８（１８ａ、１８ｂ）を形成することができる。また、開口部３７を形成することによって、図４（Ｂ）に示すように、互いに離間した第２導電層３０ａと、リード配線層１８との間に、圧電体層２０が露出した部分２８を設けることができる。
次に、図４（Ｃ）に示すように、第３導電層３０ｂの上に、開口部３６と、第１の部分３１および第２の部分３２の開口部３６側の周縁部と、を覆うレジスト層１３０を形成する。ここで、第１の部分３１および第２の部分３２の周縁部とは、開口部３６側の側面と、その側面に連続した上面の一部を意味する。レジスト層１３０は、第１の方向１１０において、第１の部分３１の周縁部の上から開口部３６内を介し、第２の部分３２の周縁部の上に至るように設けられる。また、図４（Ｃ）に示すように、第１の方向１１０におけるレジスト層１３０の配置は、後述される第２導電層３０ａおよび第３導電層３０ｂ（３１、３２）のエッチング工程による水平方向の材料の後退を考慮して、適宜決定されればよい。
レジスト層１３０を形成する際、図４（Ｃ）に示すように、リード配線層１８を覆うレジスト層１４０を形成する。このとき、図４（Ｃ）に示すように、第２導電層３０ａと、リード配線層１８との間に、圧電体層２０が露出した部分２８が残るようにレジスト層１４０は設けられる。
次に、図４（Ｄ）に示すように、レジスト層１３０を用いて、第３導電層３０ｂ（第１の部分３１および第２の部分３２）をエッチングし、第１導電部３３と第２導電部３４とを形成する。ここでのエッチング工程には、特に限定はされないが、例えば公知のウエットエッチング技術を適用してもよい。エッチャントには、第３導電層３０ｂの材料と、その他の材料との選択性から公知の活性成分を適宜、用いることができ、第３導電層３０ｂの材料が、金とニッケルクロム合金を含む場合、例えば金に対してはヨウ化カリウム、ニッケルクロム合金に対しては硝酸セリウムアンモニウムなどのエッチング活性成分を用いることができる。
次に、図５（Ａ）に示すように、レジスト層１３０を用いて、第２導電層３０ａをエッチングし、第３導電部３５を形成する。これによって、第１導電部３３、第２導電部３４、および第３導電部３５から構成される第２電極３０を形成することができる。なお、第２電極３０の詳細は上述されているため省略する。
ここでのエッチング工程には、公知のドライエッチング技術を適用してもよい。これによれば、第２導電層３０ａがＩｒを含む場合、効率よくエッチングを行うことができる。公知のドライエッチング技術として、例えば、イオンミリングや、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）のような高密度プラズマ装置を用いてドライエッチングを行ってもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスには、ＲＩＥの場合、（ＢＣｌ３）などを含む塩素系ガスを用いることができる。また、エッチングガスは、塩素系ガスのほかに、Ｃ４Ｆ８を含むフッ素系ガス、およびアルゴンガスなどを含んでいてもよい。
以上のように、第３導電層３０ｂのエッチングにウエットエッチングを採用し、第２導電層３０ａのエッチングにドライエッチングを採用することで、製造工程全体でのドライエッチングの時間を最小限に抑えることができる。一般に、ウエットエッチング装置と比較して、ドライエッチング装置は真空チャンバーを必要とし、使用電力量など、装置の使用コストが高い。第２電極３０の製造工程において一部にウェットエッチングを採用し、ドライエッチングの工程を最小限とすることで、製造ラインのトータルの製造コストを下げることができる。また、第２電極３０の製造工程の全体をウェットエッチングとせずに、第２導電層３０ａのパターニングにドライエッチングを採用することで、第２導電層３０ａの材料に、ウェットエッチングでは効果的なエッチャントがないＩｒやＰｔなどを採用することができ、このような材料を用いた第２導電層３０ａであっても精度良くエッチングを行うことができる。
また、図５（Ａ）に示すように、第２導電層３０ａと、リード配線層１８との間で、圧電体層２０が露出した部分２８には、レジスト層１３０またはレジスト層１４０に覆われていないため、ドライエッチングによって、凹部２９が形成される。また、図示はされないが、凹部２９には、ドライエッチングによって粗面加工された粗面が形成されていてもよい。これによれば、リード配線１８と、第２電極３０（第３導電部３５）との表面距離をより大きくすることができるため、リード配線１８と、第２電極３０との絶縁性が向上し、圧電素子１００の信頼性を向上させることができる。
次に、図５（Ｂ）に示すように、レジスト層１３０、１４０を除去する。これによって、圧電素子１００を製造することができる。また、図示はされないが、レジスト層１３０、１４０を部分的にのみ除去し、一部を保護膜として用いてもよい。
次に、圧電素子１００を含む液滴噴射ヘッド６００を製造する場合、図５（Ｃ）に示すように、圧電素子１００の下方の流路形成板６２０に圧力室６２２などの流路を形成し、ノズル板６１０を設ける。また、図５（Ｃ）に示すように、圧電素子１００を封止するように封止板を含む筐体６３０などを設ける。図示はされないが、封止板を設けた後に、流路形成板６２０などを加工してもよい。
本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
本実施形態に係る圧電素子の製造方法によれば、同じレジスト層１３０を用いて第１の部分３３、第２の部分３４、および第２導電層３０ａのエッチングを行うため、第１導電部３３および第２導電部３４を、第３導電部３５の第１の方向１１０における端部の上に精度よく配置することができる。したがって、信頼性の向上した圧電素子１００を、精度よく、かつ簡便に製造することができる。
圧電素子の過度な変位、応力の集中は、その長手方向の端部に近いほど大きくなるため、好適には、第１導電部３３および第２導電部３４は、第３導電部３５の端部により近い位置に配置されることが望ましい。本実施形態に係る圧電素子の製造方法によれば、上述のように、レジスト層１３０を用いて第２電極３０を形成するため、第１導電部３３および第２導電部３４を、第３導電部３５のより端部に近い位置に、精度よく、かつ簡便に配置することができる。
また、第１導電部３３および第２導電部３４は、圧電体層２０の上に直接設けられる第３導電部３５と材料が異なってもよい。したがって、製造工程中のアライメント誤差によって、第１導電部３３および第２導電部３４が、圧電体層２０の上面に配置された場合、材料の導電性の違いによって、圧電体層２０の端部周辺に、電圧の印加率が異なる部分が形成されてしまうため、圧電素子１００の物理的な出力の信頼性を低下させる可能性がある。これに対し、本実施形態に係る圧電素子の製造方法によれば、第１導電部３３および第２導電部３４が、圧電体層２０の上面に配置される可能性がなくなるため、信頼性の高い圧電素子を、精度よく、かつ簡便に製造することができる。
４．液滴噴射装置
次に、本実施形態に係る液滴噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液滴噴射装置は、上述の液滴噴射ヘッドを有する。以下では、液滴噴射装置が上述の液滴噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図６は、本実施形態に係る液滴噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。
液滴噴射装置７００は、図６に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。さらに、液滴噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。
ヘッドユニット７３０は、上述した液滴噴射ヘッド６００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７３０は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッド及びインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。
駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。
往復動機構７４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。さらに、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
なお、本実施形態では、液滴噴射ヘッド６００及び記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる例を示しているが、本発明の液滴噴射装置は、液滴噴射ヘッド６００及び記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であってもよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液滴噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部７５０を制御することができる。
給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａ及び駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって供紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。
ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０及び給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。
液滴噴射装置７００は、本実施形態に係る圧電素子の製造方法によって製造された圧電素子１００を含んでいる。したがって、信頼性の向上した液滴噴射装置を実現できる。
なお、上記例示した液滴噴射装置は、１つの液滴噴射ヘッドを有し、この液滴噴射ヘッドによって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液滴噴射ヘッドを有してもよい。液滴噴射装置が複数の液滴噴射ヘッドを有する場合には、複数の液滴噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液滴噴射ヘッドが互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
以上、本発明に係る液滴噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしてのインクジェット記録装置７００を説明したが、本発明に係る液滴噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体など（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液滴噴射装置は、例示したプリンターなどの画像記録装置以外にも、液晶ディスプレイなどのカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイなどの電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
なお、上述した実施形態及び各種の変形は、それぞれ一例であって、本発明は、これらに限定されるわけではない。例えば実施形態及び各変形は、複数を適宜組み合わせることが可能である。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１ 基板（振動板）、１０ 第１電極（第１導電層）、１８ リード配線層、
１８ａ 配線層、１８ｂ 配線層、２０ 圧電体層、２１ 能動領域、２１ａ 領域、
２２ 端面、２６ コンタクトホール、２８ 部分、２９ 凹部、３０ 第２電極、
３０ａ 第２導電層、３０ｂ 第３導電層、３１ 第１の部分、３２ 第２の部分、
３３ 第１導電部、３３ａ 端部、３４ 第２導電部、３４ａ 端部、
３５ 第３導電部、３５ａ 端部、３５ｂ 端部、３６ 開口部、３７ 開口部、
３８ 端部、３９ 端部、１００ 圧電素子、１１０ 第１の方向、
１２０ 第２の方向、１３０ レジスト層、１４０ レジスト層、
６００ 液滴噴射ヘッド、６１０ ノズル板、６１２ ノズル孔、
６２０ 圧力室基板、６２２ 圧力室、６２４ リザーバー、６２６ 供給口、
６２８ 貫通孔、６３０ 筐体、７００ 液滴噴射装置、７１０ 駆動部、
７２０ 装置本体、７２１ トレイ、７２２ 排出口、７３０ ヘッドユニット、
７３１ インクカートリッジ、７３２ キャリッジ、７４１ キャリッジモーター、
７４２ 往復動機構、７４３ タイミングベルト、７４４ キャリッジガイド軸、
７５０ 給紙部、７５１ 給紙モーター、７５２ 給紙ローラー、
７５２ａ 従動ローラー、７５２ｂ 駆動ローラー、７６０ 制御部、
７７０ 操作パネル

Claims (6)

  1. 基板の上に、第１導電層を形成する工程と、
    前記第１導電層の上に、能動領域となる領域を有する圧電体層を形成する工程と、
    前記圧電体層の上に、前記領域とオーバーラップする第２導電層を形成する工程と、
    前記第２導電層の上に、前記領域とオーバーラップする第３導電層を形成する工程と、
    前記領域の上方の前記第３導電層において、前記第３導電層を第１の部分と第２の部分とに分割する開口部を形成する工程と、
    前記開口部と、前記第１の部分および前記第２の部分の前記開口部側の周縁部と、を覆うレジスト層を形成する工程と、
    前記レジスト層を用いて、前記第３導電層をエッチングし、第１導電部と第２導電部とを形成する工程と、
    前記レジスト層を用いて、前記第２導電層をエッチングし、第３導電部を形成する工程と、
    を含む、圧電素子の製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記第１導電部と前記第２導電部とを形成する工程の前記エッチングは、ウエットエッチングであり、
    前記第３導電部を形成する工程の前記エッチングは、ドライエッチングである、圧電素子の製造方法。
  3. 請求項１または２において、
    前記第２導電層の材料は、前記第３導電層の材料と異なる、圧電素子の製造方法。
  4. 請求項１から３のいずれか１項において、
    前記第２導電層の材料は、イリジウムを含み、
    前記第３導電層の材料は、金およびニッケル−クロム合金を含む、圧電素子の製造方法。
  5. 請求項１から４のいずれか１項において、
    前記圧電体層を形成する工程は、前記第２導電層と離間した位置において、前記第１導電層の一部を露出させるコンタクトホールを形成する工程を含み、
    前記第２導電層と前記第３導電層とを形成する工程は、前記コンタクトホール内の前記第１導電層と電気的に接続され、かつ、前記第２導電層と離間したリード配線層を形成する工程を含み、
    前記第３導電部を形成する工程は、互いに離間した前記第２導電層と、前記リード配線層との間の前記圧電体層が露出した部分において、凹部を形成する工程を含む、圧電素子の製造方法。
  6. 請求項１から５のいずれかに１項に記載の圧電素子の製造方法を含む、液滴噴射ヘッドの製造方法。
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