JP7003916B2 - 圧電素子の製造方法およびインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2Aは、インクジェットヘッド21の概略の構成を示す平面図であり、図2Bは、図2AにおけるA-A’線矢視断面図である。インクジェットヘッド21は、圧電アクチュエータ21aに、ノズル基板31を貼り合わせて構成されている。圧電アクチュエータ21aは、複数の圧力室22a(開口部)を有する支持基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26をこの順で有しており、デバイスとしての圧電素子を構成している。また、圧電アクチュエータ21aは、基体27を有している。基体27は、例えば支持基板22および熱酸化膜23からなる積層体から形成されている。なお、基体27は少なくとも支持基板22を有していれば良く、支持基板22および熱酸化膜23からなる積層体には限定されないことは言うまでもない。
次に、圧電アクチュエータ21aを圧電素子として備えたインクジェットヘッド21の製造方法について以下に説明する。図4は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。なお、図4では、図2AのB-B’線に沿った断面を示す。
次に、上述したインクジェットヘッド21の製造方法の実施例について、比較例と併せて説明する。なお、以下の実施例および比較例では、圧電薄膜の成膜条件、および基板研磨のタイミング(圧電薄膜のパターニングとの前後関係)を異ならせた以外は、上述した製造方法と同じであるため、ここでは、圧電薄膜の成膜条件、および基板研磨のタイミングに特化して説明する。
下部電極上に、PZT(Zr/Ti=52/48)からなる圧電薄膜をスパッタ法によって以下の成膜条件で成膜した。すなわち、成膜温度:620℃、ターゲットのPb比(Zrのモル比とTiのモル比との和に対するPbのモル比):1~1.3、酸素(O2)流量/アルゴン(Ar)流量:1%、である。ターゲットのPb比を上記範囲で調整することにより、結晶中のパイロクロア相を減らすことができる。なお、支持基板の研磨のタイミングは、上述のように、圧電薄膜のパターニング前であり、先研磨である。
PZTの成膜温度を600℃とし、O2流量/Ar流量を1~5%として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例1と同様である。
PZTの成膜温度を600℃として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例1と同様である。
PZTの成膜温度を580℃とし、ターゲットのPb比を1.1~1.3とし、O2流量/Ar流量を1~5%として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例1と同様である。
下部電極上に、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT、La:0.8モル%、Zr/Ti=60/40)からなる圧電薄膜をスパッタ法によって以下の成膜条件で成膜した以外は、実施例1と同様である。すなわち、成膜温度:580℃、ターゲットのPb比:1.1~1.30、O2流量/Ar流量:1~5%、である。
PZTの成膜温度を590℃として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例1と同様である。
PZTの成膜温度を590℃とし、ターゲットのPb比を1%として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例3と同様である。
PZTの成膜温度を635℃として圧電薄膜を成膜し、支持基板の研磨のタイミングを、圧電薄膜のパターニング後(図8参照)とした以外は、実施例1と同様である。
支持基板の研磨のタイミングを、圧電薄膜のパターニング後(図8参照)とした以外は、実施例3と同様である。
PZTの成膜温度を590℃とし、O2流量/Ar流量:1~5%とし、支持基板の研磨のタイミングを、圧電薄膜のパターニング後(図8参照)とした以外は、実施例1と同様である。
PZTの成膜温度を625℃として圧電薄膜を成膜した以外は、実施例1と同様である(支持基板の研磨は先研磨である)。
〈パイロクロア比率〉
実施例1~7、比較例1~4の各成膜条件で成膜された圧電薄膜について、X線回折(X‐ray diffraction;XRD)による評価を行った。図5は、例えば実施例1で成膜された圧電薄膜に対して、XRDの2θ/θ測定を行ったときに得られるスペクトルを示している。なお、図5の縦軸の強度(回折強度、反射強度)は、1秒間たりのX線の計数率(cps;count per second)に対応する任意単位(Arbitrary Unit)で示している。このようなスペクトルから得られる各ピーク強度から、圧電薄膜の結晶中のパイロクロア比率を求めた。
R=Py/(A1+A2+A3)
つまり、パイロクロア比率とは、上記2θ/θ測定によって得られる、ペロブスカイト相の(100)配向、(110)配向、(111)配向の各ピーク強度の総和に対する、パイロクロア相のピーク強度の比を指す。
実施例1~7、比較例1~4のそれぞれについて、圧電薄膜の成膜前後での基板の反りを測定し、以下の公知の式に基づいて圧電薄膜の膜応力σ(Pa)を求めた。
実施例1~7、比較例1~4のそれぞれについて、振動板上の圧電薄膜に対して、下部電極と上部電極との間に、数kHz~100kHzの高周波電圧を印加し、圧電薄膜を繰り返し駆動した。このとき、開始電圧を20V程度とし、開始電圧から電圧を徐々に増加させ、それぞれの電圧の印加状態で30分~1時間程度保持した。
×・・・剥離応力が100MPa未満であり、圧電薄膜の剥離が確認された。
○・・・剥離応力が100MPa以上110MPa未満であり、圧電薄膜の剥離がほとんど確認されなかった。
◎・・・剥離応力が110MPa以上であり、圧電薄膜の剥離が全く確認されなかった。
図6は、本実施形態のインクジェットヘッドの他の製造工程を示す断面図である。同図に示すように、圧電薄膜25上に別の電極(上部電極26)を形成する別電極形成工程は、圧電薄膜25のパターニング工程の前に行われてもよい。そして、支持基板22の研磨工程は、別電極形成工程の後で、かつ、パターニング工程の前に行われてもよい。なお、それ以外の工程については、図4と同様である。
図7は、インクジェットヘッド21の他の構成を示す断面図である。同図のように、インクジェットヘッド21は、圧電薄膜25を密閉するための封止筐体60をさらに備えていることが望ましい。つまり、インクジェットヘッド21の製造方法は、圧電薄膜25を封止筐体60で密閉する密閉工程をさらに含んでいることが望ましい。封止筐体60は、ノズル基板31と接着剤などによって接着され、これによって封止筐体60内部の気密性が確保される。
以上では、圧電薄膜25を構成する圧電材料として、PZTまたはPLZTを用いた場合について説明したが、これらの材料に限定されるわけではない。すなわち、ABO3型のペロブスカイト型構造のAサイトまたはBサイトに以下の元素を含むペロブスカイト化合物で圧電薄膜25を構成してもよい。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
21a 圧電アクチュエータ(圧電素子)
22 支持基板(基板)
22a 圧力室
24 下部電極(電極)
25 圧電薄膜
26 上部電極(別電極)
27 基体
31 ノズル基板
31a ノズル孔
60 封止筐体
Claims (11)
- 少なくとも基板を含む基体上に電極を形成する電極形成工程と、
前記電極上に圧電薄膜を成膜する成膜工程と、
前記圧電薄膜の一部を除去して前記圧電薄膜をパターニングするパターニング工程と、
前記基板を研磨する研磨工程とを含み、
前記研磨工程は、前記パターニング工程よりも前に行われ、
前記成膜工程では、X線回折の2θ/θ測定によって得られる、ペロブスカイト相の(100)配向、(110)配向、(111)配向の各ピーク強度の総和に対する、パイロクロア相のピーク強度の比が、100ppm以下となるように、前記圧電薄膜を成膜することを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 前記成膜工程では、膜応力が50MPa以下となるように前記圧電薄膜を成膜することを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記成膜工程では、前記比が、45ppm以下となるように、前記圧電薄膜を成膜することを特徴とする請求項1または2に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜の膜厚は、1μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
- 前記研磨工程は、前記基板を化学機械研磨する工程を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電薄膜上に別の電極を形成する別電極形成工程をさらに含み、
前記別電極形成工程は、前記パターニング工程の後に行われ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圧電素子の製造方法。 - 前記圧電薄膜上に別の電極を形成する別電極形成工程をさらに含み、
前記別電極形成工程は、前記パターニング工程の前に行われ、
前記研磨工程は、前記別電極形成工程の後で、かつ、前記パターニング工程の前に行われ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圧電素子の製造方法。 - 前記パターニング工程の後、前記基板に圧力室を形成する工程を含むことを特徴とする請求項7または8に記載の圧電素子の製造方法。
- 請求項9に記載の圧電素子の製造方法を含むインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板を支持基板とすると、
ノズル孔を有するノズル基板を、前記ノズル孔が前記支持基板に形成された前記圧力室と連通するように、前記支持基板に接合する接合工程を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記圧電薄膜を封止筐体で密閉する密閉工程をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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