JP6764126B2 - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

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本発明は、基板上に振動板を介して設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法に関する。
液滴を吐出する液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えばノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に設けられた圧電素子である圧電アクチュエーターと、を具備し、圧電アクチュエーターによって圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズル開口からインク滴を噴射するものが知られている。
圧電アクチュエーターは、能動部毎に個別に設けられた個別電極と、複数の能動部に共通して設けられた共通電極とを具備している。圧電体層は、個別電極と共通電極とに挟まれた能動部と、挟まれていない非能動部とを備える。一般に、能動部では分極処理がなされ、分極方向が一方向に揃っている。一方、非能動部では分極方向は揃っていない。また、非能動部の分極方向を、能動部の分極方向とは反対向きに揃えた圧電アクチュエーターも知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１７４６８１号公報
能動部では分極方向が一方向に揃っているが、非能動部では分極されていない、もしくは、非能動部の分極方向が能動部の分極方向と反対向きとなっている。このため、能動部と非能動部との境界においては内部応力が集中する。この応力集中に起因して、圧電アクチュエーターは、焼損やクラックが生じ、破壊される虞がある。
このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスに限定されず、他のデバイスに用いられる圧電デバイスにおいても同様に存在する。
本発明は、このような事情に鑑み、信頼性を向上することができる圧電デバイスの製造方法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、基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されておらず、前記第２電極の端部の外側に連続した第１領域に、印加用電極を形成し、前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されておらず、前記第１領域よりも前記第２電極の外側に位置する第２領域に、印可用電極を形成せず、前記印可用電極を介して、前記第１電極と、前記第２電極との間に電圧を印加し、前記印加用電極を除去することを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
かかる態様では、第２電極の端部により規定される能動部と非能動部との境界において、焼損やクラックによる破壊が抑制され、信頼性が向上した圧電素子を備える圧電デバイスを製造することができる。
また、前記圧電デバイスは、前記第２電極に接続される第２リード電極を備え、前記第１領域に、前記第２リード電極の一部を前記印加用電極として形成することが好ましい。これによれば、第２リード電極とは別材料で印加用電極を形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
また、前記圧電体層の上方に前記第２電極を形成する第２電極層を形成し、前記第２電極層をパターニングして前記第２電極及び前記第２電極に連続した前記印加用電極を形成することが好ましい。これによれば、第２電極とは別材料で印加用電極を形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
また、前記第１電極及び前記第２電極に挟まれた能動部を複数形成し、前記第１電極又は前記第２電極の一方を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、他方を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、前記複数の個別電極に共通して接続された配線部を形成し、前記共通電極と、前記配線部との間に電圧を印加し、前記配線部を除去することが好ましい。これによれば、配線部を介して複数の個別電極のそれぞれに電圧を印加することができ、圧電デバイスの製造工程を簡略化することができる。
また、前記第１電極を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、前記第２電極を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、前記配線部の一部を除去して前記個別電極ごとに接続された複数の第１リード電極を形成することが好ましい。これによれば、配線部を介して複数の個別電極である第１電極のそれぞれに電圧を印加することができ、圧電デバイスの製造工程を簡略化することができる。
上記課題を解決する本発明の他の態様は、基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、前記第１電極及び前記第２電極に挟まれた能動部を複数形成し、前記第１電極を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、前記第２電極を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、前記複数の個別電極に共通して接続された配線部を形成し、前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されていない領域に、前記第２電極の端部の外側に当該端部に連続した印加用電極を形成し、前記印加用電極を介して、前記共通電極と、前記配線部との間に電圧を印加し、前記印加用電極を除去し、前記配線部の一部を除去して前記個別電極ごとに接続された複数の第１リード電極を形成することを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
かかる態様では、第２電極の端部により規定される能動部と非能動部との境界において、焼損やクラックによる破壊が抑制され、信頼性が向上した圧電素子を備える圧電デバイスを製造することができる。
上記課題を解決する本発明の他の態様は、基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記振動板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、前記圧電体層の上方であって前記第２電極が形成されていない領域に、前記第２電極の端部の外側に当該端部に連続した印加用電極を形成し、前記第１電極と、前記第２電極との間に電圧を印加し、前記印加用電極を除去することを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
かかる態様では、第２電極の端部により規定される能動部と非能動部との境界において、焼損やクラックによる破壊が抑制され、信頼性が向上した圧電素子を備える圧電デバイスを製造することができる。
また、前記圧電デバイスは、前記第２電極に接続される第２リード電極を備え、前記領域に、前記第２リード電極の一部を前記印加用電極として形成することが好ましい。これによれば、第２リード電極とは別材料で印加用電極を形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
また、前記圧電体層の上方に前記第２電極を形成する第２電極層を形成し、前記第２電極層をパターニングして前記第２電極及び前記第２電極に連続した前記印加用電極を形成することが好ましい。これによれば、第２電極とは別材料で印加用電極を形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
また、前記第１電極及び前記第２電極に挟まれた能動部を複数形成し、前記第１電極又は前記第２電極の一方を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、他方を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、前記複数の個別電極に共通して接続された配線部を形成し、前記共通電極と、前記配線部との間に電圧を印加し、前記配線部を除去することが好ましい。これによれば、配線部を介して複数の個別電極のそれぞれに電圧を印加することができ、圧電デバイスの製造工程を簡略化することができる。
また、前記第１電極を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、前記第２電極を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、前記配線部の一部を除去して前記個別電極ごとに接続された複数の第１リード電極を形成することが好ましい。これによれば、配線部を介して複数の個別電極である第１電極のそれぞれに電圧を印加することができ、圧電デバイスの製造工程を簡略化することができる。
インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。 図３のＡ−Ａ′線断面図である。 図４の要部を拡大した断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの流路形成基板の平面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの流路形成基板の平面図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 実施形態３に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。
〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略構成を示している。
インクジェット式記録装置Ｉにおいて、記録ヘッド１は、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられ、記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。
駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
なお、インクジェット式記録装置Ｉとして、記録ヘッド１がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置Ｉは、例えば、記録ヘッド１を固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
また、インクジェット式記録装置Ｉは、液体貯留手段であるカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されない。例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体４に固定して、液体貯留手段と記録ヘッド１とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置Ｉに搭載されていなくてもよい。
図２〜図４を用いてインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）について説明する。図２は本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図３は図２の平面図である。図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。
流路形成基板１０には圧力発生室１２が形成され、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称する。第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙと称する。さらに、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの双方に交差する方向を、第３の方向Ｚと称する。各図に示した座標軸は第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ、第３の方向Ｚを表しており、矢印の向かう方向を正（＋）方向、反対方向が負（−）方向ともいう。なお、本実施形態では、各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。
流路形成基板１０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側には、圧力発生室１２の片側を第１の方向Ｘから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路１３と、第１の方向Ｘにおいて圧力発生室１２と略同じ幅を有する連通路１４と、が複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙの圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５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、インク供給路１３及び連通部１５からなる液体流路が形成されている。
流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２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接合されている。ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。
ノズルプレート２０の材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート２０としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート２０と流路形成基板１０との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対面側（＋Ｚ方向側）には、基板の一例である振動板５０が形成されている。本実施形態では、振動板５０として、流路形成基板１０側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２と、を設けるようにした。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、弾性膜５１によって画成されている。もちろん、振動板５０は、特にこれに限定されるものではなく、弾性膜５１と絶縁体膜５２との何れか一方を設けるようにしてもよく、その他の膜が設けられていてもよい。
振動板５０上には、圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、振動板５０側から順次積層された導電性電極である第１電極６０、圧電体層７０及び導電性電極である第２電極８０を有する。このような圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。両電極に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部３１０と称する。
第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられており、圧電素子３００の実質的な駆動部である能動部３１０毎に独立する個別電極を構成する。第１電極６０は、第１の方向Ｘにおいて、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第１電極６０は、第２の方向Ｙにおいて、両端部がそれぞれ圧力発生室１２の外側まで形成されている。第１電極６０の一端部側（第２の方向Ｙの連通路１４とは反対側（−Ｙ方向側）には、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が導電層８４を介して接続されている。第１電極６０の材料は、金属材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。
圧電体層７０は、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。また、圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広く、圧力発生室１２の外側まで設けられている。第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０のインク供給路１３側（＋Ｙ方向側）の端部は第１電極６０の端部よりも外側に位置しており、第１電極６０の端部が圧電体層７０によって覆われている。一方、圧電体層７０のノズル開口２１側の（−Ｙ方向側）は第１電極６０の端部よりも内側に位置しており、第１電極６０の端部は圧電体層７０に覆われていない。
圧電体層７０は、第１電極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り、例えば、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト形酸化物からなることができる。圧電体層７０に用いられるペロブスカイト形酸化物としては、例えば、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。
圧電体層７０には、圧力発生室１２の間の各隔壁に対応する位置に凹部７１が形成されている。このように圧電体層７０に凹部７１を設けることで、圧電素子３００を良好に変位させることができる。
第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側（＋Ｚ方向側）に設けられており、複数の能動部３１０に共通する共通電極を構成する。第２電極８０は、圧電体層７０の凹部７１内にも設けられているが、特にこれに限定されず、凹部７１内に第２電極８０を設けないようにしてもよい。
上述したように、圧電素子３００は、第１電極６０を複数の能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極とし、第２電極８０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極とした。もちろん、このような態様に限定されず、第１電極６０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極とし、第２電極を能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極としてもよい。また、振動板５０としては、弾性膜５１及び絶縁体膜５２を設けずに、第１電極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。
流路形成基板１０には、第１リード電極９１及び第２リード電極９２を備えている。これらは、リード電極９０とも総称する。
第１リード電極９１は、各圧電素子３００の第１電極６０のそれぞれに接続されたリード電極である。第２リード電極９２は、各圧電素子３００に共通した第２電極８０に接続されたリード電極である。本実施形態では、第１リード電極９１及び第２リード電極９２は、後述する保護基板３０の貫通孔３３に露出するように、配線されている。なお、第１リード電極９１は、第２電極８０と同一層からなる導電層８４を介して第１電極６０に接続されている。もちろん、第１リード電極は第１電極６０に直接接続されていてもよい。
流路形成基板１０には、保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。保護基板３０はマニホールド部３２を有している。マニホールド部３２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、上記のように、流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００が構成されている。
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３１が設けられている。圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラスやセラミック材料等を用いることができ、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
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の端部近傍が、貫通孔３３内に露出するように設けられている。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。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及びリード電極９０が、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
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。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料から構成でき、封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
このような構成の記録ヘッド１では、インクを噴射する際に、インクが貯留された液体貯留手段からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路１２０からの信号に従い、圧力発生室１２に対応する各圧電素子３００に電圧を印加することにより、圧電素子３００と共に振動板５０をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室１２内の圧力が高まり所定のノズル開口２１からインク滴が噴射される。
図５を用いて、圧電素子３００について詳細に説明する。図５は図４の要部を拡大した断面図である。なお、図５の圧電体層７０の断面を表すハッチは省略している。
圧電素子３００の圧電体層７０は、能動部３１０と非能動部３２０とを有している。能動部３１０は、圧電素子３００のうち圧電体層７０が第１電極６０及び第２電極８０に挟まれた部分であり、非能動部３２０は、圧電素子３００のうち圧電体層７０が第１電極６０及び第２電極８０に挟まれていない部分である。本実施形態では、第２電極８０に覆われずに露出した部分が非能動部３２０となっている。
能動部３１０は、電圧が印加されたことで分極している。同図に示す矢印のように＋Ｚ方向に揃って分極している。非能動部３２０も、電圧が印加されたことで分極している。非能動部３２０の分極方向は、＋Ｚ方向に揃っており、かつ、能動部３１０の分極方向と同じ方向となっている。
非能動部３２０の全ての領域において分極している必要はない。非能動部３２０のうち、少なくとも能動部３１０との境界に連続した一部の領域において、能動部３１０と同じ方向に揃って分極していればよい。
非能動部３２０は、能動部３１０と同じ方向に分極しているので、能動部３１０と非能動部３２０との境界における応力集中を抑制することができる。これにより、圧電素子３００は、当該境界において焼損やクラックによる破壊が抑制され、信頼性が向上している。
図６から図２０を用いて本実施形態の記録ヘッドの製造方法について説明する。図６から図２０は記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
図６に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５１を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって二酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成した。もちろん、弾性膜５１の材料は、二酸化シリコンに限定されず、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、有機膜（ポリイミド、パリレンなど）等にしてもよい。弾性膜５１の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法等によって形成してもよい。
次に、図７に示すように、弾性膜５１上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２を形成する。もちろん、絶縁体膜５２は、酸化ジルコニウムに限定されず、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミン酸ランタン（ＬａＡｌＯ３）等を用いるようにしてもよい。絶縁体膜５２を形成する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等が挙げられる。本実施形態では、この弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が形成されるが、振動板５０として、弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。また、振動板５０上に、第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層が設けられていてもよい。
次に、図８に示すように、絶縁体膜５２上の全面に第１電極６０を形成する第１電極層１６０を振動板５０上に形成し、図９に示すように、所定形状にパターニングして第１電極６０を形成する。第１電極６０の材料は特に限定されないが、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましい。このため、第１電極６０の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。また、第１電極層１６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）などにより形成することができる。また、第１電極６０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。
次に、本実施形態では、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、金属錯体を溶媒に溶解・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、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。
具体的には、図１０に示すように、第１電極６０及び振動板５０上に、複数の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。圧電体膜７４は、後述する塗布工程、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形成する。
塗布工程では、第１電極６０が形成された流路形成基板用ウェハー１１０上に金属錯体を含むゾル（溶液）を塗布して圧電体前駆体膜を形成する。乾燥工程では、圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。脱脂工程では、乾燥した圧電体前駆体膜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。ここでいう脱脂とは、圧電体前駆体膜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。焼成工程では、圧電体前駆体膜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。
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１１に示すように、圧電体層７０上に第２電極８０を形成する材料からなる第２電極層１８０ａを形成する。本実施形態では、特に図示していないが、まず、圧電体層７０上にイリジウムを有するイリジウム層と、イリジウム層上にチタンを有するチタン層とを積層して第２電極層１８０ａとする。なお、このイリジウム層及びチタン層は、スパッタリング法やＣＶＤ法等によって形成することができる。その後、イリジウム層及びチタン層が形成された圧電体層７０をさらに再加熱処理（ポストアニール）する。このように再加熱処理することで、圧電体層７０の第２電極８０側にイリジウム層等を形成した際のダメージが発生しても、再加熱処理を行うことで、圧電体層７０のダメージを回復して、圧電体層７０の圧電特性を向上することができる。
次に、図１２に示すように、第２電極層１８０ａ及び圧電体層７０を各圧力発生室１２に対応してパターニングする。このパターニングにより第２電極８０を構成する第１層８１が形成される。本実施形態では、第２電極層１８０ａ上に所定形状に形成したマスク（図示なし）を設け、このマスクを介して第２電極層１８０ａ及び圧電体層７０をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層７０のパターニングは、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、図１３に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）に亘って、すなわち、第１層８１上、圧電体層７０のパターニングした側面上、絶縁体膜５２上、及び第１電極６０上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２電極層１８０ｂを形成すると共に第２電極層１８０ｂをパターニングすることで第１層８１及び第２層８２からなる第２電極８０を形成する。
第２層８２のパターニングでは、同時に第１層８１の一部をパターニングして、除去部８３を形成する。除去部８３を設けることで、第１層８１及び第２層８２を備える第２電極８０と、第２電極８０に電気的に接続していない導電層８４とに分離される。このように形成された第２電極８０により、能動部３１０が規定される。また、導電層８４の一部は、第１電極６０上に設けられ、後述する第１リード電極９１に接続される。
次に、図１４に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）にリード電極層１９０を形成する。具体的には、リード電極層１９０は、第２電極８０上、圧電体層７０のパターニングされた側面上、絶縁体膜５２上、導電層８４上に亘って設けられている。さらにリード電極層１９０は除去部８３の内部を埋めるように設けられている。リード電極層１９０の材料は導電性があれば特に限定はないが、ここでは銅（Ｃｕ）から形成されている。また、リード電極層１９０の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法や無電解めっき法等が挙げられる。
次に、図１５に示すように、リード電極層１９０を所定形状にパターニングする。すなわち、リード電極層１９０上に所定形状のマスクを形成し（図示なし）、マスクを介してリード電極層１９０をエッチングすることでパターニングする。
具体的には、非能動部３２０の一部が除去部８３から露出するようにエッチングする。これにより、リード電極層１９０から第１リード電極９１と第２リード電極９２とを形成する。さらに、圧電体層７０の上方であって、第２電極８０が形成されていない領域である非能動部３２０に印加用電極９５を形成する。本実施形態では、印加用電極９５は、第２リード電極９２の一部として形成されている。具体的には、第２リード電極９２のうち、非能動部３２０上に設けられた部分であって、第２電極８０の端部８０ａの外側に端部８０ａに連続した部分が印加用電極９５として残るようにリード電極層１９０をエッチングした。
なお、本実施形態では、上述したエッチングの際に、リード電極層１９０から個別の第１電極６０ごとに接続された複数の第１リード電極９１を形成している。また、リード電極層１９０のエッチングはウェットエッチングであってもドライエッチングであってもよい。
次に、図１６に示すように、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加する。具体的には、第１電極６０に接続された各第１リード電極９１と、第２電極８０に接続された第２リード電極９２とを印加手段に接続し、電圧を印加する。もちろん、第１リード電極９１及び第２リード電極９２ではなく、第１電極６０及び第２電極８０に直接印加手段を接続し、電圧を印加してもよい。印加手段は、圧電体層７０を分極させるための電圧を生成する部分であり、公知の電源装置を用いることができる。
このように圧電素子３００の両電極に電圧が印加されることで、能動部３１０の電気双極子が整列し、分極方向が一方向に揃う。さらに、印加用電極９５が非能動部３２０上に設けられているので、非能動部３２０の一部においても分極方向を一方向に揃えることができる。さらに、印加用電極９５は第２電極８０から連続しているので、非能動部３２０の分極方向が一方向に揃った領域を能動部３１０との境界から連続させることができる。
次に、図１７に示すように、印加用電極９５をエッチングにより除去し、非能動部３２０を露出させる。
以上に説明した本実施形態の記録ヘッド１の製造方法では、非能動部３２０のうち、印加用電極９５が設けられていた領域（能動部３１０との境界に連続した領域）における分極方向を、能動部３１０と同じ方向に揃って分極させることができる。
このように、非能動部３２０を能動部３１０と同じ方向に分極させるので、能動部３１０と非能動部３２０との境界における応力集中が抑制された圧電素子３００を製造することができる。すなわち、第２電極８０の端部８０ａにより規定される能動部３１０と非能動部３２０との境界において、焼損やクラックによる破壊が抑制され、信頼性が向上した圧電素子３００を備える圧電デバイスの一例である記録ヘッド１を製造することができる。
なお、圧電体層７０を分極する方法としては、圧電体層７０にコロナ放電を行うことで、一方向に分極させるものがある。この方法によって一方向に分極させた後、第２電極８０及び第２リード電極９２を設けることで、本実施形態と同様の圧電素子３００を備える記録ヘッド１を形成することも可能である。しかしながら、コロナ放電を実施するための装置を要するため、コストが増大してしまう。一方、本実施形態の製造方法では、このような装置を要しないためコストの増大を抑制できる。
また、コロナ放電後に圧電体層７０上に第２電極８０及び第２リード電極９２を成膜する場合、成膜によるダメージによって分極した状態が維持されなくなる虞もある。本実施形態では、圧電体層７０上に、第２電極８０及び第２リード電極９２を形成した後で分極処理を実施する。このため、それらの成膜によるダメージが圧電体層７０の分極状態に影響を及ぼすことを回避することができる。
また、本実施形態の記録ヘッド１の製造方法においては、第２リード電極９２の一部を印加用電極９５とした。このため、第２リード電極９２とは別材料で印加用電極９５を形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
次に、図１８に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。
次に、図１９に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５３を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図２０に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５３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、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー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、保護基板用ウェハー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ー１１０等を図２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、本実施形態の記録ヘッド１とする。
〈実施形態２〉
実施形態１では、リード電極層１９０をエッチングして、個別の第１リード電極９１を形成し、その後に、各第１リード電極９１と第２リード電極９２に電圧を印加したが、このような態様に限定されない。第１リード電極９１を個別に形成する前に電圧を印加し、その後に、第１リード電極９１を個別に形成してもよい。
図２１及び図２２は、本実施形態に係る流路形成基板の平面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２１は、流路形成基板１０上に振動板５０、第１電極６０、圧電体層７０、第２電極８０及びリード電極層１９０を設け、除去部８３を形成した後を示している。
実施形態１とは異なり、除去部８３を形成する際には、第１電極６０ごとに第１リード電極９１を個別にパターニングしない。本実施形態では、除去部８３を形成するとともに、複数の第１電極６０に共通して接続された配線部９１Ａを形成する。すなわち、リード電極層１９０（図１４参照）をパターニングして、除去部８３を形成し、さらに、配線部９１Ａと、第２リード電極９２とを形成する。
次に、配線部９１Ａと、第２リード電極９２とに電圧を印加する。配線部９１Ａは、全ての第１電極６０に接続されている。このため、配線部９１Ａに印加した電圧は、全ての第１電極６０に印加される。これにより、実施形態１と同様に、能動部３１０と、印加用電極９５に覆われた非能動部３２０の一部とは、同じ方向に揃って分極する。
次に、図２２に示すように、印加用電極９５を除去するとともに、配線部９１Ａの一部を除去する。配線部９１Ａの一部を除去することで、各第１電極６０に接続された複数の第１リード電極９１を形成する。
以上に説明した本実施形態の記録ヘッド１の製造方法によれば、配線部９１Ａに電圧を印加すれば、全ての第１電極６０に電圧を印加することができる。これにより、実施形態１のように、配線部９１Ａを介して複数の第１リード電極９１（第１電極６０）にまとめて電圧を印加することができる。したがって、記録ヘッド１の製造工程を簡略化することができる。
〈実施形態３〉
実施形態１及び実施形態２では、第２リード電極９２の一部を印加用電極９５としたが、このような態様に限定されない。第２電極８０の一部を印加用電極９５としてもよい。
図２３及び図２４は本実施形態に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２３に示すように、実施形態１と同様に、流路形成基板１０上に振動板５０、第１電極６０、圧電体層７０を設ける。圧電体層７０を形成した後、第２電極８０を形成する第２電極層１８０を形成する。次に、第２電極層１８０をパターニングして、第２電極８０及び第２電極８０に連続した印加用電極９５Ａを形成する。すなわち、印加用電極９５Ａは、第２電極８０と一体に形成されている。
そして、第１電極６０又は第１電極６０上に残った第２電極層１８０の一部である導電層８４と、第２電極８０との間に電圧を印加する。これにより、第１電極６０と、印加用電極９５Ａ及び第２電極８０との間における圧電体層７０は同一の方向に揃って分極される。なお、導電層８４ではなく第１電極６０に直接電圧を印加してもよい。
次に、図２４に示すように、印加用電極９５Ａを除去する。これにより、非能動部３２０のうち、印加用電極９５Ａが設けられていた領域（能動部３１０との境界に連続した領域）における分極方向を、能動部３１０と同じ方向に揃って分極させることができる。
その後は、実施形態１と同様に、第１電極６０（導電層８４）上に第１リード電極９１を設け、第２電極８０上に第２リード電極９２を設けることで圧電素子３００が形成される。
以上に説明した本実施形態の記録ヘッド１の製造方法によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。さらに、第２電極８０と一体的に印加用電極９５Ａを形成した。このため、第２電極８０とは別材料で印加用電極９５Ａを形成する必要がないので、コストや工程を削減することができる。
〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。
実施形態１から実施形態３に係る記録ヘッド１の製造方法では、第１電極６０は圧電素子３００ごとの個別電極であり、第２電極８０は圧電素子３００に共通した共通電極であったが、これに限定されない。
第１電極６０を圧電素子３００に共通した共通電極とし、第２電極８０を圧電素子ごとの個別電極としてもよい。このような場合では、第２電極には、複数の第２リード電極が接続されることになるが、複数の第２リード電極のそれぞれについて、第２リード電極の端部の外側に、当該端部に連続した印加用電極を複数形成すればよい。つまり、実施形態１は個別電極とした第２電極にも適用することができる。
また、個別電極とした第２電極に共通して接続された配線部を形成し、当該配線部と、共通電極とした第１電極との間に電圧を印加し、配線部をパターニングして個別の第２電極を形成してもよい。つまり、実施形態２は個別電極とした第２電極にも適用することができる。
また、個別電極とした第２電極８０を形成する第２電極層を形成し、これをパターニングすることで複数の第２電極と、各第２電極に連続した印加用電極を形成してもよい。つまり、実施形態３は個別電極とした第２電極８０にも適用することができる。
実施形態２では、第２電極層１８０をパターニングして、配線部９１Ａと第２リード電極９２とを形成したが、このような態様に限定されない。例えば、実施形態１と同様に、個別の第１リード電極９１を形成した後、第１リード電極９１とは別材料を用いて、各第１リード電極９１を接続する配線部を形成してもよい。そして、当該配線部と第２リード電極との間に電圧を印加し、その後、配線部を除去する。このような態様であっても、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
なお、上記実施形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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や液体噴射装置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、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等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（電界放出ディスプレイ）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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。
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のみならず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の圧電デバイスにも適用することができる。このような圧電素子デバイスにおいても、信頼性を向上することができる。
Ｉ…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１…記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、１０…流路形成基板、５０…振動板（基板）、６０…第１電極、７０…圧電体層、８０…第２電極、８０ａ…端部、８３…除去部、９０…リード電極、９１…第１リード電極、９１Ａ…配線部、９２…第２リード電極、９５、９５Ａ…印加用電極、３００…圧電素子、３１０…能動部、３２０…非能動部

Claims (6)

  1. 基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、
    前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、
    前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されておらず、前記第２電極の端部の外側に連続した第１領域に、印加用電極を形成し、
    前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されておらず、前記第１領域よりも前記第２電極の外側に位置する第２領域に、印加用電極を形成せず、
    前記印加用電極を介して、前記第１電極と、前記第２電極との間に電圧を印加し、
    前記印加用電極を除去する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  2. 請求項１に記載する圧電デバイスの製造方法において、
    前記圧電デバイスは、前記第２電極に接続される第２リード電極を備え、
    前記第１領域に、前記第２リード電極の一部を前記印加用電極として形成する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  3. 請求項１に記載する圧電デバイスの製造方法において、
    前記圧電体層の上方に前記第２電極を形成する第２電極層を形成し、
    前記第２電極層をパターニングして前記第２電極及び前記第２電極に連続した前記印加用電極を形成する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する圧電デバイスの製造方法において、
    前記第１電極及び前記第２電極に挟まれた能動部を複数形成し、
    前記第１電極又は前記第２電極の一方を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、他方を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、
    前記複数の個別電極に共通して接続された配線部を形成し、
    前記共通電極と、前記配線部との間に電圧を印加し、
    前記配線部を除去する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  5. 請求項４に記載する圧電デバイスの製造方法において、
    前記第１電極を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、前記第２電極を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、
    前記配線部の一部を除去して前記個別電極ごとに接続された複数の第１リード電極を形成する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
  6. 基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、
    前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、
    前記第１電極及び前記第２電極に挟まれた能動部を複数形成し、
    前記第１電極を前記能動部ごとに電気的に独立した個別電極として形成し、前記第２電極を複数の前記能動部に亘って共通して設けられた共通電極として形成し、
    前記複数の個別電極に共通して接続された配線部を形成し、
    前記圧電体層の上方であって、前記第２電極が形成されていない領域に、前記第２電極の端部の外側に当該端部に連続した印加用電極を形成し、
    前記印加用電極を介して、前記共通電極と、前記配線部との間に電圧を印加し、
    前記印加用電極を除去し、
    前記配線部の一部を除去して前記個別電極ごとに接続された複数の第１リード電極を形成する
    ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
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