JP6273829B2 - 電気機械変換素子とその製造方法、及び電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
図1は、液滴吐出ヘッドの構成例を示す概略図である。
しかしながら、下部電極106としては主にPtをベースにした金属電極を用いた実施例がほとんどであり、PZTの疲労特性に対する保証が懸念される。一般的にPZTに含まれるPb拡散による特性劣化が考えられ、酸化物電極を用いることで、疲労特性が改善されることが知られている。(特許文献3参照)。
しかしながら、特許文献6に記載されているコロナワイヤを用いて処理する場合、圧電膜が形成された後に処理を実施しており、その後の工程(層間膜形成や引出配線形成)での熱履歴等による影響で脱分極することが懸念される。具体的には、図3が分極処理前後のP−Eヒステリシスループを示すグラフである。このように、処理後に300℃を超える熱履歴を与えると、図3に示すように処理前の状態に戻ってしまう。
また、本発明に係る電気機械変換素子は、基板と、該基板上に形成された共通電極である第1の電極と、該第1の電極上に形成された電気機械変換膜と、該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第2の電極と、前記第1の電極及び前記第2の電極上に設けられ、複数のコンタクトホールを有する第1の絶縁保護膜と、前記第1の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第3の電極と、前記第2の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第4の電極と、前記第3の電極上に形成された共通電極用パッドと、前記第4の電極上に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、を有する第2の絶縁保護膜と、前記所定の列内に複数配置された個別電極用パッドのうち、他の個別電極用パッドと比して離間配置された離間個別電極用パッド近傍を囲うように形成された第5の電極と、を備え、前記第5の電極は、前記第1の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第1の電極と導通していることを特徴とする。
また本発明においては、ウェハレベルで一括処理できるように、電極パッド部を介して、コロナ放電もしくはグロー放電による発生した電荷を注入することにより分極処理を実施する。このようにすることで、電圧印加を繰り返すことによる変位量変化が抑制できる電気機械変換素子を提供することができる。さらに、インク吐出特性を良好に保持できると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、且つ電気機械変換素子を高密度に配列することができるため好ましい。
また、特許文献7に記載されているように、個別電極用PAD付近に2つのIC416およびIC接続用の駆動電圧配線415が配置された場合、引き出し配線間で距離が離れてしまい、同列に配置された複数の個別電極用パッド411のうち、中央の2つ(411d)が離間して配置されることがある。この場合においても上述した端部個別電極用パッドの場合と同様に、この離間個別電極用パッド411dには電荷が集中するため、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生することが新たにわかった。(図20参照)
このため、駆動チャネルの個別電極用パッド部に対して均一な電荷量を注入できるヘッド構成を開発することで、本発明者等は本発明を完成するに至った。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
電気機械変換素子(以下、圧電素子と称する場合がある)の構成について図4に示す。
図4は、本発明に係る電気機械変換素子の一部の構成を示す概略図である。
図4に示すように、基板401、下地膜としての成膜振動板402、第1の電極403、電気機械変換膜404及び第2の電極405がこの順に積層された構成となっている。さらに層間膜、引き出し配線を含めた素子構成について説明する。
図5(a)は従来の電気機械変換素子における断面図1であり、図5(b)は従来の電気機械変換素子における断面図2であり、図5(c)は従来の電気機械変換素子における上面図である。ここで、図5(c)においては説明のため第2の絶縁保護膜409及び第1の電極403上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。
第1の絶縁保護膜406は複数のコンタクトホールを有しており、第1の電極403と第3の電極407とが、及び第2の電極405と第4の電極408とが導通した構成となっている。このとき、第1、第3の電極を共通電極、第2、第4の電極を個別電極として、共通電極、個別電極を保護する第2の絶縁保護膜409が形成されている。また、第2の絶縁保護膜409の一部が開口されて、個別電極の一部が個別電極用パッド411、共通電極の一部が共通電極用パッド412としてそれぞれ構成されている。共通電極用に作製されたものを共通電極用パッド412、個別電極用に作製されたものを個別電極用パッド411としている。
図6は、コロナワイヤによる放電を説明するための図である。図6に示すように、コロナ電極71(コロナワイヤ)を用いてコロナ放電させるときには、大気中の分子をイオン化させることで陽イオンが発生し、圧電素子のパッド部を介して陽イオンが流れ込むことで、電荷を圧電素子に蓄積している。
また、端部個別電極用パッドの場合と同様に、前述したような離間個別電極用パッド(以下、中央個別電極用パッドとも称する)についても電荷が集中する。このため、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生することがわかった。
図8(a)は、本発明に係る電気機械変換素子の第1の実施の形態における断面図であり、図8(b)は本発明に係る電気機械変換素子の第1の実施の形態における上面図である。ここで、図8(b)においては説明のため第2の絶縁保護膜409及び第1の電極403上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。
第5の電極410は第1の絶縁保護膜406上に形成されており、コンタクトホールを介して第1の電極403と導通している。第5の電極410上には第2の絶縁保護膜409が形成されているが、図8や図9に示すように、個別電極用パッド411c近傍を囲うようにL字型で開口されている。ここで図9は、第2の絶縁保護膜の開口部の配置関係を説明するための図である。
また、図9に示すように、第5の電極410上にある第2の絶縁保護膜409が開口された領域である開口部414aと、端部に配置された個別電極用パッド411c上に形成された開口部414bとの配置関係が重要になる。端部に配置された個別電極用パッド411c上の開口部414bと端部に配置された個別電極用パッド411c近傍を囲うように開口された領域である開口部414aとの距離d1、d2としては、5μm以上50μm以下にあることが好ましく、6μm以上20μm以下にあることがさらに好ましい。この範囲より距離が短くなると、第5の電極410に電荷集中が発生するため、端部の個別電極用パッド411cには電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、端部の個別電極用パッド411cにほとんど電荷が蓄積されるため、第5の電極410が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。
また、第5の電極410のうち、端部に配置された個別電極用パッド411c近傍を囲うように形成された電極部(図中のL字部)と、当該端部に配置された個別電極411cとの距離(d3、d4)が3μm以上50μm以下であることが好ましい。この範囲より距離が短くなると、第5の電極410に電荷集中が発生するため、端部の個別電極用パッド411cには電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、端部の個別電極用パッド411cにほとんど電荷が蓄積されるため、第5の電極410が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。
また、図10は本発明に係る電気機械変換素子の第1の実施の形態における他の構成例を示す上面図である。図10においても説明のため第2の絶縁保護膜409及び第1の電極403上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。第5の電極410は図10に示すように、第3の電極407と導通しているようなパターン形状でも問題ない。
さらに、図11に示すように第5の電極410がコンタクトホールを介して、第1の電極403とは別に基板401または下地膜上に独立して形成されている第6の電極413と導通しているパターン形状でも問題ない。
ここで図11は、(a)本発明に係る電気機械変換素子の第1の実施の形態のさらにその他の構成例を示す断面図であり、図11(b)は、本発明に係る電気機械変換素子の第1の実施の形態のさらにその他の構成例を示す上面図である。ここで、図11(b)においては説明のため第2の絶縁保護膜409、並びに第1の電極403上及び第6の電極413上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。
コロナ分極処理により過剰な電荷が第5の電極410を通して、第6の電極413以下の成膜振動板402、基板401を介してGNDに流れることで、図8〜図10のようなパターン形状と同様な効果が得られていることを確認している。
図12は、本実施形態の電気機械変換素子の製造装置の外観図を示しており、図13は、本実施形態の電気機械変換素子の製造装置の配線の説明図となっている。図14(a)は図12のA−A’線における一例を示す断面図であり、図14(b)は図12のA−A’線における他の一例を示す断面図である。
グリッド電極73は、コロナ電極71とサンプルステージ75との間に配置されている。グリッド電極73の構成は特に限定されるものではないが、例えば、メッシュ加工を施し、コロナ電極71に高電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等を効率よく下のサンプルステージ75に降り注ぐように構成されていることが好ましい。
図14(a)に示すように、サンプルステージ75は、サンプル保持部752内に、サンプル形状にあわせて形成されたサンプル保持用の溝751、及び、電熱線等からなる加熱機構753を有する構成とすることができる。また、後述のようにサンプルステージ75にアース線76を設けた構成とすることもできる。上記構成することにより、加熱機構753により、サンプルを特に均一に加熱しやすいため好ましい。特にサンプルを均一に加熱する観点から、サンプル保持部752は、金属により構成されていることが好ましく、例えばステンレス鋼や、インコネル[INCONEL](登録商標)をより好ましく用いることができる。特にサンプルを均一に加熱する観点からインコネル[INCONEL](登録商標)を特に好ましく用いることができる。
また、分極処理を行う際に必要な電荷量Qについては特に限定されるものではないが、コロナ放電またはグロー放電により、正帯電した電荷が電気機械変換素子に1.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、4.0×10−8C以上の電荷量が蓄積されることがさらに好ましい。係る範囲の電荷量を電気機械変換素子に蓄積させることにより、より確実に所望の分極率を有するように分極処理を行うことができる。
図15に示すように±150kV/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の0kV/cm時の分極をPini、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPrとしたときに、Pr−Piniの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断している。ここで分極率Pr−Piniが10μC/cm2以下となっていることが好ましく、5μC/cm2以下となっていることがさらに好ましい。この値に満たない場合は、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については充分な特性が得られないことがある。
これよりも高いリーク量の場合は、分極処理が進まないため、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については充分な特性が得られない。
(基板401)
基板401として、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような圧力室を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
図1に示すように電気機械変換膜によって発生した力を受けて、下地(成膜振動板402)が変形変位して、圧力室のインク滴を吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。
成膜振動板402の材料としては、Si、SiO2、Si3N4をCVD法により作製したものが挙げられる。さらに第1の電極403、電気機械変換膜404の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気機械変換膜としては、一般的に材料としてPZTが使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
第1の電極403、第6の電極413としては、金属もしくは金属電極膜と、酸化物電極膜とを有することが好ましい。ここでどちらも振動板と金属または金属電極膜の間に密着層を入れて剥がれ等を抑制するように工夫している。
以下に密着層含めて金属電極膜、酸化物電極膜の詳細について記載する。
Tiをスパッタ成膜後、RTA(rapid thermal annealing)装置を用いて、650〜800℃、1〜30分、O2雰囲気でチタン膜を熱酸化して、チタン膜を酸化チタン膜にする。酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、RTA装置による酸化の方がTiO2膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いRTAによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。またTi以外の材料としてはTa、Ir、Ru等の材料でも好ましい。
金属電極膜の材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては充分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これらの合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地(特にSiO2)との密着性が悪いために、密着層を先に積層することが好ましい。
作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、80〜200nmが好ましく、100〜150nmが好ましい。この範囲より薄い場合においては、共通電極として充分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合においてはコストアップとなる。また、上記範囲より厚い場合、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなり、その上に作製する酸化物電極膜やPZTの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、インク吐出に充分な変位が得られないような不具合が発生する。
酸化物電極膜については、その上に作製する電気機械変換膜に対してのシード層としての結晶成長に大きく影響する。例えば、電気機械変換膜としてPZTを用いた場合においては、PZTの結晶配向の状態は、酸化物電極膜種によっても大きく変わる。具体的な一例を挙げると、PZT(111)配向を狙う場合においては、SrRuO3材料等が好ましく、PZT(100)配向を狙う場合においてはLaNiO3材料等が好ましい。さらに、熱酸化させたTiOxシードは膜厚範囲によってPZT(100)やPZT(111)を任意に調整することができる。ただし、酸化物電極膜に関してはこれら材料に限ったわけではない。PZT(111)、PZT(100)どちらに優先配向させた場合においても、最終的には分極処理を行うことで、図15に示すような安定した状態に維持することができるが、処理に要する時間としては、PZT(111)優先配向させた方がプロセスタクトでは有利になる。
例えば特許第3782401号公報に記載のSRO成膜条件については、室温成膜でその後、RTA処理にて結晶化温度(650℃)で熱酸化している。この場合、SRO膜としては、充分結晶化され、電極としての比抵抗としても充分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向しやすくなる。
電気機械変換膜404の材料としては、PZTを主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO3)とチタン酸(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般にPZT(53/47)と示される。PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加しても良い。
下地基板全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。
また、電気機械変換膜の絶縁抵抗が5.0×1010Ω以上であることが好ましい。
第2の電極409としては、金属もしくは酸化物と金属からなっていることが好ましい。
以下に酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について記載する。
酸化物電極膜の材料等については第1の電極403で使用した酸化物電極膜で記載したものと同じものを用いることができ、SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、40nm〜60nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については充分な特性が得られない。この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
金属電極膜の材料等については第1の電極403で使用した金属電極膜で記載したものと同じものを用いることができ、膜厚としては30〜200nmが好ましく、50〜120nmがさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、個別電極として充分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合にコストアップとなることや、白金を材料とした場合に膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第6の電極を作製する際に膜剥がれ等のプロセス不具合が発生し易くなる。
第1の絶縁保護膜406の材料としては、成膜・エッチングの工程による圧電素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、緻密な無機材料とすることが好ましい。有機材料では充分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるため好ましくない。第1の絶縁保護膜406を厚い膜とした場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低いインクジェットヘッドなってしまう。
第3の電極407、第4の電極408、第5の電極410の材料としては、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、0.1〜20μmが好ましく、0.2〜10μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなり電極に充分な電流を流すことができなくなりヘッド吐出が不安定になり、この範囲より大きいとプロセス時間が長くなる。また、共通電極、個別電極としてコンタクトホール部(例えば、10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極としては10Ω以下、個別電極としては1Ω以下が好ましく、さらに好ましくは、共通電極としては5Ω以下、個別電極としては0.5Ω以下である。この範囲を超えると充分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。
第2の絶縁保護膜409としての機能は個別電極配線や共通電極配線の保護層の機能を有するパシベーション層である。図5に示す通り、個別電極引き出し部(個別電極用パッド411上)と共通電極引き出し部(共通電極用パッド412上)の箇所を除き、個別電極と共通電極上を被覆する。これにより電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高いインクジェットヘッドとすることができる。
次に、本発明に係る電気機械変換素子の第2の実施の形態について詳細に説明する。
本実施の形態では、上述した第1の実施の形態における端部個別電極用パッドの代わりに、詳細を後述する離間個別電極用パッドにおける電荷の集中を抑制するための構成を備えるものである。
図22(a)は従来の電気機械変換素子における他の構成例を示す断面図1であり、図22(b)は従来の電気機械変換素子における他の構成例を示す断面図2であり、図22(c)は従来の電気機械変換素子における他の構成例を示す上面図である。ここで、図22(c)においては説明のため第2の絶縁保護膜409及び第1の電極403上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。
また、図22および後述する本発明に係る第2の実施の形態では駆動電圧配線415が配設された領域についても説明のため図示している。(上述した第1の実施の形態では図示を省略している。)
図22に示す構成においても、図5に示す構成においても、いずれも駆動電圧配線415は設けられているが、その配置構成が異なる。
図22(c)に示す構成では、前述した特許文献7と同様に、個別電極用PAD付近に2つのIC(不図示)およびIC接続用の駆動電圧配線415が配置されたものである。ため、引き出し配線間で距離が離れてしまい、同列に配置された複数の個別電極用パッド411のうち、中央の2つが離間して配置されている。
ただし、後述する本発明はこれに何ら限定されるものではなく、例えば離間部を挟んで設けられた一方の個別電極用パッドの群と、他方の個別電極用パッドの群とで数が異なっていてもよく、また、離間部は図示の如く1箇所である必要はなく複数個設けられていてもよい。
即ち、図22に示すように圧電素子を所定の列内に複数配列させたときには、コロナ放電等の電荷注入による分極処理を実施するに際して、同一列中の離間部に隣接する駆動チャネル個別電極部(離間個別電極用パッド)には電荷が集中する。このため、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生することがわかった。
具体的には、離間個別電極用パッド411dに電荷が集中しないように、図23に示すように離間個別電極用パッド411d近傍のみを囲うようにL字型に電極(第5の電極410)を形成し、過剰な電荷分に関しては離間個別電極用パッド411d近傍を囲った電極に逃せるような工夫を行った。第5の電極410の形状についてより詳しくは、離間個別電極用パッド411dの端面側(離間部側)の一辺を含むL字型(但し、第4の電極408側の一辺は含まないものである)で離間個別電極用パッド411d近傍を囲った形状である。なお、本発明における第5の電極410の形状はL字型に限られるものではない。
第5の電極410は第1の絶縁保護膜406上に形成されており、コンタクトホールを介して第1の電極403と導通している。第5の電極410上には第2の絶縁保護膜409が形成されているが、個別電極用パッド411近傍を囲うようにL字型で開口されている。
なお、第5の電極410と導通する第1の電極403上には第1の絶縁保護膜406が形成されており、図23において長方形状に形成された部位および引き出され線状に形成された部位のいずれの第1の電極403の上にも第1の絶縁保護膜406(あるいはコンタクトホール)が形成されている。
駆動電圧配線415は径が最大限太く設けられていることが好ましい。
また、図23(b)に示すがごとく、第2の電極405と個別電極用パッド411との配置関係は、電気機械変換膜404の長辺方向と一致せず角度を有して(即ち、斜めに)配置されている。このような配置関係を有することで、第2の電極405と個別電極用パッド411とを導通させる第4の電極408が最大限太くすることができる。即ち、接触しない程度に最大限太くすることで、配線面積を増やし体積抵抗を下げることができる。
また、図24に示すように、第5の電極410上にある第2の絶縁保護膜409が開口された領域である開口部414aと、離間個別電極用パッド411d上に形成された開口部414bとの配置関係が重要になる。離間個別電極用パッド411d上の開口部414bと離間個別電極用パッド411d近傍を囲うように開口された領域である開口部414aとの距離d1、d2としては、5μm以上50μm以下にあることが好ましく、6μm以上20μm以下にあることがさらに好ましい。この範囲より距離が短くなると、第5の電極410に電荷集中が発生するため、離間個別電極用パッド411dには電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、離間個別電極用パッド411dにほとんど電荷が蓄積されるため、第5の電極410が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。
また、第5の電極410のうち、離間個別電極用パッド411d近傍を囲うように形成された電極部(図中のL字部)と、当該離間個別電極411dとの距離(d3、d4)が3μm以上50μm以下であることが好ましい。この範囲より距離が短くなると、第5の電極410に電荷集中が発生するため、離間個別電極用パッド411dには電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、離間個別電極用パッド411dにほとんど電荷が蓄積されるため、第5の電極410が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。
また、図25は本発明に係る電気機械変換素子の第2の実施の形態における他の構成例を示す上面図である。図25においても説明のため第2の絶縁保護膜409及び第1の電極403上の第2の絶縁保護膜406の図示を省略している。
第5の電極410は図25に示すように、第3の電極407と導通しているようなパターン形状でも問題ない。
なお、図25に示す構成において、第5の電極410における個別電極用パッド411の配列方向と平行な部分は、個別電極用パッドとの配置関係において平行であることが好ましい。
さらに、図26に示すように第5の電極410がコンタクトホールを介して、第1の電極403とは別に基板401または下地膜上に独立して形成されている第6の電極413と導通しているパターン形状でも問題ない。
ここで図26は、本発明に係る電気機械変換素子の第2の実施の形態のさらにその他の構成例を示す上面図である。なお、図26においては説明のため第2の絶縁保護膜409上、並びに第1の電極403上及び第6の電極413上の第1の絶縁保護膜406の図示を省略している。
コロナ分極処理により過剰な電荷が第5の電極410を通して、第6の電極413以下の成膜振動板402、基板401を介してGNDに流れることで、図23及び図25のようなパターン形状と同様な効果が得られていることを確認している。
図1に1ノズルの液滴吐出ヘッド構成を示す。また図17にこれらを複数個配置したもの(液滴吐出ヘッドの他の構成例)を示す。本発明によれば、図中の電気機械変換素子が簡便な製造工程で(かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ)形成でき、その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液滴吐出ヘッドができる。図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。
また、図18は本発明に係る液滴吐出装置の斜視説明図、図19は本発明に係る液滴吐出装置の機構部の側面説明図である。
<実施例1>
6インチシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1μm)を形成し、第1の電極の密着層として、チタン膜(膜厚30nm)を成膜温度350℃でスパッタ装置にて成膜した後にRTAを用いて750℃にて熱酸化する。引き続き、金属電極膜として白金膜(膜厚100nm)を成膜温度550℃でスパッタ装置にて成膜し、酸化物電極膜としてSrRuO膜(膜厚50nm)をスパッタ成膜した。SrRuOスパッタ成膜時の基板加熱温度については450℃にて成膜し、その後ポストアニール処理(550℃)としてRTAを用いて実施した。次に電気機械変換膜としてPb:Zr:Ti=115:53:47に調整された溶液を準備し、スピンコート法により膜を成膜した。
ここでスパッタ装置としては、1チャンバーに対して複数のターゲットが備え付けられたものを用いて成膜を実施した。
構造体としては、図8に示すものを作製した。
図9に示すような第5の電極と端部の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、15μm、20μm、10μmにて作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図9に示すような第5の電極と端部の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、50μm、20μm、10μmにて作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図9に示すような第5の電極と端部の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、5μm、20μm、10μmにて作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図10に示す構造体を作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図11に示す構造体を作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。なお、第6の電極の作製は、第1の電極の作製方法と同様にして行った。
図5に示す構造体を作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図9に示すような第5の電極と端部の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、60μm、10μm、5μmにて作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
図9に示すような第5の電極と端部の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、3μm、10μm、5μmにて作製した以外は、実施例1と同様に電気機械変換素子を作製した。
実施例1における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例1と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図23に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、25μm、25μm、15μmにて電気機械変換素子を作製した。
実施例2における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例2と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図23に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、15μm、20μm、10μmにて電気機械変換素子を作製した。
実施例3における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例3と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図23に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、50μm、20μm、10μmにて電気機械変換素子を作製した。
実施例4における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例4と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図23に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、5μm、20μm、10μmにて電気機械変換素子を作製した。
実施例5における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例5と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図24に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、25μm、25μm、15μmにて電気機械変換素子を作製した。
実施例6における第5の電極の配置位置を、端部個別電極用パッドから離間個別電極用パッドに変更した以外は実施例6と同様にして電気機械変換素子を作製した。即ち、図25に示す構成で図24に示すような離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、25μm、25μm、15μmにて電気機械変換素子を作製した。
図22に示す構造体を作製した以外は、実施例7と同様に電気機械変換素子を作製した。
図24に示すような第5の電極と離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、60μm、10μm、5μmにて作製した以外は、実施例7と同様に電気機械変換素子を作製した。
図24に示すような第5の電極と離間個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅、第5の電極の開口幅については、3μm、10μm、5μmにて作製した以外は、実施例7と同様に電気機械変換素子を作製した。
一方、比較例1〜2、参考例1,3については、分極処理後に放電痕が発生しそれ以降の電気特性等の評価ができなかった。参考例2,4については、分極率が高く、耐久性試験後の結果においても圧電定数において大きく劣化していることが確認された。
なお、参考例1〜4は、第5の電極と端部の個別電極用パッドまたは離間の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅および第5の電極の開口幅という複数の構成のいずれもが好ましい範囲から外れていることから本発明の効果を奏しないものである。但し本発明は、第5の電極と端部の個別電極用パッドまたは離間の個別電極用パッドとの距離、第5の電極幅および第5の電極の開口幅という複数の構成のいずれもが好ましい範囲内であることを必ずしも要するものではなく、これらに代えて他の構成を適宜調整することで所期の効果を奏するものとすることもできる。
101 加圧室
102 ノズル
103 ノズル板
104 加圧室基板(Si基板)
105 下地
106 下部電極
107 電気機械変換膜
108 上部電極
109 電気機械変換素子(圧電体)
(図2について)
20 ドメイン
21 分極の方向
(図4、図5、図7〜図11及び図20〜24について)
401 基板
402 成膜振動板
403 第1の電極
404 電気機械変換膜
405 第2の電極
406 第1の絶縁保護膜
407 第3の電極
408 第4の電極
409 第2の絶縁保護膜
410 第5の電極
411 個別電極用パッド
411c 端部個別電極用パッド(端部の個別電極用パッド)
411d 離間個別電極用パッド
412 共通電極用パッド
413 第6の電極
414a 第5の電極上の開口部
414b 個別電極用パッド上の開口部
415 駆動電圧配線
416 IC
Claims (19)
- 基板と、
該基板上に形成された共通電極である第1の電極と、
該第1の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極上に設けられ、複数のコンタクトホールを有する第1の絶縁保護膜と、
前記第1の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第3の電極と、
前記第2の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第4の電極と、
前記第3の電極に形成された共通電極用パッドと、
前記第4の電極に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、
前記第3の電極上及び前記第4の電極上に設けられ、前記共通電極用パッドと前記複数の個別電極用パッドのそれぞれに対応する部分に開口部が形成された第2の絶縁保護膜と、
前記所定の列内における端部に配置された少なくとも1つの端部個別電極用パッド近傍を囲うように形成された第5の電極と、を備え、
前記第5の電極は、前記第1の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第1の電極と導通しており、
前記第2の絶縁保護膜は、前記第5の電極上に形成され、前記端部個別電極用パッド近傍を囲うように開口されていることを特徴とする電気機械変換素子。 - 基板と、
該基板上に形成された共通電極である第1の電極と、
該第1の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極上に設けられ、複数のコンタクトホールを有する第1の絶縁保護膜と、
前記第1の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第3の電極と、
前記第2の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第4の電極と、
前記第3の電極に形成された共通電極用パッドと、
前記第4の電極に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、
前記第3の電極上及び前記第4の電極上に設けられ、前記共通電極用パッドと前記複数の個別電極用パッドのそれぞれに対応する部分に開口部が形成された第2の絶縁保護膜と、
前記所定の列内における端部に配置された少なくとも1つの端部個別電極用パッド近傍を囲うように形成された第5の電極と、
該第5の電極と前記コンタクトホールを介して導通する第6の電極と、を備え、
前記第5の電極は、前記第1の絶縁保護膜上に形成され、
前記第6の電極は、前記基板上に前記第1の電極とは別に独立して形成されており、
前記第2の絶縁保護膜は、前記第5の電極上に形成され、前記端部個別電極用パッド近傍を囲うように開口されていることを特徴とする電気機械変換素子。 - 基板と、
該基板上に形成された共通電極である第1の電極と、
該第1の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極上に設けられ、複数のコンタクトホールを有する第1の絶縁保護膜と、
前記第1の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第3の電極と、
前記第2の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第4の電極と、
前記第3の電極に形成された共通電極用パッドと、
前記第4の電極に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、
前記第3の電極上及び前記第4の電極上に設けられ、前記共通電極用パッドと前記複数の個別電極用パッドのそれぞれに対応する部分に開口部が形成された第2の絶縁保護膜と、
前記所定の列内に複数配置された個別電極用パッドのうち、他の個別電極用パッドと比して離間配置された離間個別電極用パッド近傍を囲うように形成された第5の電極と、を備え、
前記第5の電極は、前記第1の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第1の電極と導通しており、
前記第2の絶縁保護膜は、前記第5の電極上に形成され、前記離間個別電極用パッド近傍を囲うように開口されていることを特徴とする電気機械変換素子。 - 基板と、
該基板上に形成された共通電極である第1の電極と、
該第1の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極上に設けられ、複数のコンタクトホールを有する第1の絶縁保護膜と、
前記第1の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第3の電極と、
前記第2の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第4の電極と、
前記第3の電極に形成された共通電極用パッドと、
前記第4の電極に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、
前記第3の電極上及び前記第4の電極上に設けられ、前記共通電極用パッドと前記複数の個別電極用パッドのそれぞれに対応する部分に開口部が形成された第2の絶縁保護膜と、
前記所定の列内に複数配置された個別電極用パッドの中で、他の個別電極用パッドから離間して配置された少なくとも1つの離間個別電極用パッド近傍を囲うように形成された第5の電極と、
該第5の電極と前記コンタクトホールを介して導通する第6の電極と、を備え、
前記第5の電極は、前記第1の絶縁保護膜上に形成され、
前記第6の電極は、前記基板上に前記第1の電極とは別に独立して形成されており、
前記第2の絶縁保護膜は、前記第5の電極上に形成され、前記離間個別電極用パッド近傍を囲うように開口されていることを特徴とする電気機械変換素子。 - 前記第5の電極が前記第3の電極と導通していることを特徴とする請求項1または3に記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極がL字型であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極上にある前記第2の絶縁保護膜が、L字型に、且つ、前記端部個別電極用パッド近傍または前記離間個別電極用パッド近傍を囲うように開口されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極と前記端部個別電極用パッドまたは前記離間個別電極用パッドとの距離が、3μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極上にある前記第2の絶縁保護膜における前記端部個別電極用パッド近傍または前記離間個別電極用パッド近傍を囲うように開口された個所と、当該端部個別電極用パッドまたは離間個別電極用パッドとの距離が5μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極の幅が20μm以上であることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第5の電極上にある前記第2の絶縁保護膜における前記端部個別電極用パッド近傍または前記離間個別電極用パッド近傍を囲うように開口された開口の幅が、10μm以上であることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第1の電極と前記第2の電極との間に、50Vの電圧を印加した場合のリーク電流量が1.0×10−8A以下であることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記電気機械変換膜の絶縁抵抗が5.0×1010Ω以上であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記個別電極用パッド間に50Vの電圧を印加した場合のリーク電流量が1.0×10−8A以下であることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- 前記第2の絶縁保護膜は、前記共通電極用パッド及び前記個別電極用パッドを露出する開口部が設けられていることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の電気機械変換素子。
- コロナ放電またはグロー放電により、正帯電した電荷を、電荷量が1.0×10−8C以上になるように発生させ、請求項1から15のいずれかに記載の電気機械変換素子の前記第1の電極及び前記第2の電極を介して前記電気機械変換膜の分極処理を行う分極工程を有することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
- 前記分極工程は、±150kV/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の0kV/cm時の分極をPini、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPrとしたときに、分極率Pr−Piniが10μC/cm2以下となっていることを特徴とする請求項16に記載の電気機械変換素子の製造方法。
- 液滴を吐出するノズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
前記吐出駆動手段は、前記加圧室の壁の一部を構成する振動板を有し、
該振動板に請求項1から15のいずれかに記載の電気機械変換素子が配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項18に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。
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