WO2004027886A1

WO2004027886A1 - 圧電体素子、液体吐出ヘッド及びこれらの製造方法

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Publication number: WO2004027886A1
Application number: PCT/JP2003/011844
Authority: WO
Inventors: Masami Murai
Original assignee: Seiko Epson Corporation
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2004-04-01
Also published as: CN1630949A; EP1453113A4; JP2004134764A; US7226151B2; US20050052504A1; EP1453113A1; CN100433393C; JP4058691B2

Abstract

振動板３０と、前記振動板上に所定パターンに形成された下部電極４２ｄと、前記下部電極上に形成された圧電体膜４３と、前記圧電体膜上に形成された上部電極４４と、を備えており、前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成され前記下部電極及び前記上部電極と電気的に切断された金属層４２ｂを備える。下部電極と金属層との間隔は、２００μｍ以下である。これにより、下部電極端部付近においても圧電体膜の結晶性が良好となるようにすることによって、高電圧に耐え、より信頼性の高い圧電体素子及び液体吐出ヘッドを提供する。

Description

圧電体素子、液体吐出ヘッド及びこれらの製造方法技術分野

本発明は、電気機械変換機能を有する圧電体素子、この圧電体素子を用いた液体吐出へッド、及ぴこれらの製造方法に係る。特に、優れた耐電圧性及ぴ耐久性が得られる圧電体素子、これを用いた液体吐出へッド及ぴこれらの製造方法に関する。背景技術

ィンクジェット式記録へッド等の液体吐出へッドは、ィンク滴等の液滴吐出の駆動源として圧電体素子を用いる。この圧電体素子は、一般的に、圧電体薄膜とこれを挟んで配置される上部電極およぴ下部電極とを備えて構成される。

圧電体素子を高密度に配置するとともに圧電体素子の耐電圧性を向上させるため、例えば特開 2 0 0 0— 1 9 8 1 9 7号公報は、下部電極を所定形状にパターユングしてから圧電体薄膜を形成することを開示している。

し力し、上記従来の圧電体素子では、特に下部電極端部付近における圧電体薄膜の結晶性が十分ではない場合があり、信頼性が十分とは言えなかった。

本発明は、下部電極端部付近においても圧電体膜の結晶性が良好となるようにすることによって、高電圧に耐え、より信頼性の高い圧電体素子及び液体吐出へッドを提供することを目的とする。発明の開示

上記の課題を解決するため、本発明の圧電体素子は、振動板と、前記振動板上に所定パターンに形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を備える。そして、前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であつて前記下部電極と電気的に切断された金属層を備えている。圧電体膜形成領域の近傍に金属層を備えることによって、圧電体膜の焼成条件を均一にし、下部電極端部付近においても圧電体膜の結晶性を良好にすることができる。

上記圧電体素子において、前記金属層は、前記下部電極と同一の材料で形成されていることが望ましい。また、前記下部電極と、これと電気的に切断された前記金属層との間隔は、 2 0 0 以下であることが望ましい。

上記圧電体素子において、前記圧電体膜は、前記金属層の少なくとも一部を覆うように形成され、前記上部電極から延びる配線用の電極が、前記金属層のうち前記圧電体膜に覆われた部分の上に形成され、当該圧電体膜によつて前記金属層と絶縁されていることが望ましい。

前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であつて前記下部電極と電気的に切断され、前記上部電極から延びる配線用の電極と導通する第 2の金属層を更に備える構成でもよい。

前記圧電体素子において、前記圧電体膜は、前記所定パターンに形成された下部電極上及び下部電極が存在しない前記振動板上に形成され、前記圧電体膜のうち前記下部電極上に形成された部分は、前記振動板上に形成された部分より前記圧電体膜の層の数が多いことが望ましい。

本発明の液体吐出ヘッドは、上記の圧電体素子と、当該圧電体素子の機械的変位によつて内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口とを備えている。

本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドと、当該液体吐出ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えている。

本発明の圧電体素子の製造方法は、振動板上に、下部電極と、前記下部電極近傍の金属層と、を所定パターンに形成する工程と、前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備え、前記金属層は、前記下部電極と電気的に切断されるように形成するものである。

本発明の他の圧電体素子の製造方法は、振動板上に導電膜を成膜する工程と、前記導電膜上に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第 1工程と、前記圧電体成膜第 1 工程で成膜された圧電体膜及び前記導電膜をパターユングすることにより、前記導電膜を、下部電極と、当該下部電極から電気的に切断され前記下部電極近傍に位置する金属層と、に分離する工程と、前記パターニングにより残された圧電体膜上およぴ圧電体膜が除去された前記振動板上に、更に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第 2工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備えている。本発明の液体吐出へッドの製造方法は、上記の方法により圧電体素子を形成する工程と、前記圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室を形成する工程と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口を形成する工程と、を備えている。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態による圧電体素子が使用されるプリンタ（液体吐出装置）の構造を説明する斜視図である。

図 2は、本発明の一実施形態による液体吐出へッドであるインクジェット式記録へッドの主要部の構造を示す分解斜視図である。

図 3は、第 1実施形態によるィンクジェット式記録へッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。

図 4は、図 3の囲み線 iii部分を拡大した平面図（a ) 、その i一 i線断面図 ( b ) 及ぴ ii一 ii線断面図（c ) である。

図 5は、第 2実施形態によるインクジェット式記録ヘッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。

図 6は、図 5の囲み線 ii i部分を拡大した平面図（a ) 、その i— i線断面図 ( b ) 及ぴ ii— ii線断面図（c ) である。

図 7は、上記ィンクジェット式記録へッドの製造方法を示す断面模式図である。図 8は、上記ィンクジヱット式記録へッドの製造方法を示す断面模式図である。図 9は、上記製造方法の変形例を示す断面模式図であり、図 7に対応する工程を示す。

なお、図中、符号 2 0は圧力室基板、 3 0は振動板、 3 1は酸化膜、 3 2は r 0 ₂膜、 4 0は圧電体素子、 4 2は導電層、 4 2 aは内側金属層、 4 2 bは外側金属層、 4 2 dは下部電極、 4 3は圧電体薄膜、 4 4は上部電極である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

< 1 . インクジェットプリンタの全体構成 >

図 1は、本発明の一実施形態による圧電体素子が使用される液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体 2に、トレィ 3、排出口 4および操作ボタン 9が設けられている。さらに本体 2の内部には、液体吐出へッドであるインクジヱット式記録へッド 1、給紙機構 6、制御回路 8 が備えられている。

インクジヱット式記録へッド 1は基板上に形成された複数の圧電体素子を備え、制御回路 8から供給される吐出信号に対応して、ノズルから液体であるインクを吐出可能に構成されている。

本体 2は、プリンタの筐体であって、用紙 5をトレイ 3から供給可能な位置に給紙機構 6を配置し、用紙 5に印字可能なようにインクジェット式記録へッド 1 を配置している。トレイ 3は、印字前の用紙 5を給紙機構 6に供給可能に構成され、排出口 4は、印刷が終了した用紙 5を排出する出口である。

給紙機構 6は、モータ 6 0 0、ローラ 6 0 1 . 6 0 2、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ 6 0 0は、制御回路 8から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ 6 0 0の回転力をローラ 6 0 1 · 6 0 2に伝達可能に構成されている。ローラ 6 0 1および 6 0 2は、モータ 6 0 0の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ 3 に載置された用紙 5を引き込み、へッド 1によって印刷可能に供給するようになつている。

制御回路 8は、図示しない C P U、 R OM, R AM, インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を給紙機構 6に供給したり、吐出信号をインクジヱット式記録へッド 1に供給したりできるようになっている。また、制御回路 8は操作パネル 9からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。

本実施形態のプリンタは、後述の優れた耐電圧性及び耐久性を有し良好な印字性能を有するインクジエツト式記録へッドを備えているので、性能の高いプリンタとなっている。

< 2 . インクジェット式記録へッドの構成 >

図 2は、本発明の一実施形態による液体吐出へッドであるィンクジヱット式記録へッドの主要部の構造を示す分解斜視図である。

図 2に示すように、インクジェット式記録へッドは、ノズル板 1 0、圧力室基板 2 0、振動板 3 0を備えて構成される。

圧力室基板 2 0は、圧力室（キヤビティ） 2 1、側壁 2 2、リザーバ 2 3およぴ供給口 2 4を備えている。圧力室 2 1は、シリコン等の基板をエッチングすることにより、インクなどを吐出するために貯蔵する空間として形成されたものである。側壁 2 2は、圧力室 2 1を仕切るよう形成されている。リザーバ 2 3は、インクを各圧力室 2 1に供給口 2 4を介して供給するための共通の流路となっている。これら圧力室 2 1、側壁 2 2、リザーバ 2 3、供給口 2 4は簡略化して示してあるが、後述の図 3のように多数の圧力室等を備えていてもよい。

ノズル板 1 0は、圧力室基板 2 0に設けられた圧力室 2 1の各々に対応する位置にそのノズル 1 1が配置されるよう、圧力室基板 2 0の一方の面に貼り合わせられている。

振動板 3 0は、後述するように酸化膜 3 1と Z r O ₂膜 3 2とを積層して形成されたものであり、圧力室基板 2 0の他方の面に貼り合わせられている。振動板 3 0には、図示しないインクタンク接続口が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板 2 0のリザーバ 2 3に供給可能になっている。

ノズル板 1 0、振動板 3 0及び圧力室基板 2 0よりなるへッドュニットは、筐体 2 5に収められてインクジエツト式記録へッド 1を構成している。ぐ 3 . 圧電体素子の構成 >

く 3— 1 . 第 1実施形態 >

図 3は、第 1実施形態のィンクジェット式記録へッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。ここでは、多数の圧電体素子 4 0が、互い違いに 2列に配置されている。例えば 3 6 0 d p i (dot per inch) の場合、 1インチに 3 6 0個の圧電体素子 4 0が第 1の列に配置され、第 2の列には 3 6 0個の圧電体素子 4 0が、上記第 1の列と 1ノ7 2 0インチずれた位置に配置される。圧電体素子 4 0の下部電極 4 2 dは、各列に共通の電極となっている。 2列の下部電極 4 2 dの内側の近傍には、下部電極 4 2 dからも後述の上部電極 4 4力らも電気的に切断された内側金属層 4 2 aが形成されている。そして、 2列の下部電極 4 2 dの外側の近傍には、下部電極 4 2 dからも後述の上部電極 4 4からも電気的に切断された外側金属層 4 2 bが形成されている。ここに述べた内側金属層 4 2 a、外側金属層 4 2 bは、下部電極 4 2 dのうち圧電体素子 4 0が形成されていない部分とともに、圧電体素子 4 0を取り囲んでいる。圧電体素子 4 0 の上部電極からは、それぞれ配線用の細帯電極 4 5が、内側金属層 4 2 aと接触することなく、内側金属層 4 2 aの上方を通って各列の内側に延ぴている。

図 4は、図 3の囲み線 iii部分を拡大した平面図（a ) 、その i一 i線断面図 ( b ) 及び ii— ii線断面図（c ) である。

図 4に示すように、インクジェットヘッド 1の個々の吐出部は、酸化膜 3 1上に Z r O ₂膜 3 2、下部電極 4 2 d、圧電体薄膜 4 3および上部電極 4 4を順次積層して構成されている。

酸化膜 3 1は、例えば厚さ 1 0 0 ιηの単結晶シリコンからなる圧力室基板 2 0上に絶縁膜として形成する。好適には、酸化ケィ素（S i 0 ₂) からなる膜を 1 . 0 の厚さに形成して得る。

Z r 0₂膜 3 2は、弾性を備える層であって、酸化膜 3 1と一体となって振動板 3 0を構成している。この∑ 1： 0 ₂膜3 2は、弹性を与える機能を備えるため、好ましくは、 2 0 0 n m以上 8 0 0 n m以下の厚みを有する。

Z r 0 ₂膜 3 2と下部電極 4 2 dの間には、双方の層を密着するような金属、好ましくは、チタンまたはクロムからなる密着層（図示しない）を設けてもよい。密着層は、圧電体素子の設置面への密着性を良くするために形成するものであり、当該密着性が確保できる場合には形成しなくてもよい。また、密着層を設ける場合、好ましくは、 10 nm以上の厚みとする。

下部電極 42 dは、ここでは少なくとも I rを含む層、例えば最下層から I r を含む層/ P tを含む層 /I rを含む層の層構造となっている。下部電極 42 d の全体の厚みは、例えば 200 nmとする。

下部電極 42 dの層構造はこれに限らず、 I rを含む層 ZP tを含む層、または P tを含む層 I rを含む層なる 2層構造でもよい。また、 I rを含む層のみで構成しても良い。

圧電体薄膜 43は圧電性セラミッタスの結晶で構成された強誘電体であり、好ましくは、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT) 等の強誘電性圧電性材料や、これに酸化ニオブ、酸化工ッケルまたは酸化マグネシゥム等の金属酸化物を添加したものからなる。圧電体薄膜 43の組成は圧電体素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタン酸鉛 (P b T i 0₃) 、チタン酸ジルコン酸鉛

(P b (Z r , T i ) Ο₃) 、ジルコニウム酸鉛（Pb Z r O₃) 、チタン酸鉛ランタン（（Pb， La) , T i〇₃) 、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（P b, L a) (Z r, T i) 0₃) 又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（P b (Z r， T i) (Mg, Nb) 0₃) 等が好適に用いられる。また、チタン酸鉛やジルコニウム酸鉛にニオブ（Nb) を適宜添加することにより、圧電特性に優れた膜を得ることができる。

圧電体薄膜 43の厚みは、製造工程でクラックが発生しない程度に抑え、一方、十分な変位特性を呈する程度に厚くする必要があり、例えば 1000 nm以上 1 500 nm以下とする。

上部電極 44は、下部電極 42 dと対になる電極であり、好適には、 P tまたは I rにより構成される。上部電極 44の厚みは、好適には 50 nm程度である。下部電極 42 dは各圧電体素子に共通な電極となっている。これに対して内側金属層 42 aや外側金属層 42 bは、下部電極 42 dと同じ高さの層に位置するが、下部電極 4 2 dとは分離されている。その間隔は、 2 0 0 // in以下、好ましくは 1 0 0 μ ιη以下、より好ましくは 5 0 μ πι以下が望ましい。間隔の下限は、電気的に非導通となる程度ならばよく、例えば 5 ^u m以上が望ましい。内側金属層 4 2 aの上には、個々の圧電体素子 4 0の圧電体薄膜 4 3が延びており、その上に、上部電極 4 4に導通可能な配線用の細帯電極 4 5が形成されている。従つて、この第 1実施形態では、圧電体薄膜 4 3により、細帯電極 4 5が内側金属層 4 2 aと絶縁されている。なお、内側金属層 4 2 aは下部電極 4 2 dと同一の材料で形成することが望ましい。同一の材料で形成しない場合でも、赤外線の吸収率が下部電極 4 2 dの材料と近似していることが望ましい。

外側金属層 4 2 bも、下部電極 4 2 dと同じ高さの層に位置するが、下部電極 4 2 dや内側金属層 4 2 aとは分離されている。その間隔は、 2 0 0 /z m以下、好ましくは 1 0 0 ΠΙ以下、より好ましくは 5 0 m以下が望ましい。間隔の下限は、電気的に非導通となる程度ならばよく、例えば 5 m以上が望ましい。外側金属層 4 2 bは、細帯電極 4 5や上部電極 4 4からも分離されている。また、外側金属層 4 2 b上の一部には、圧電体薄膜 4 3が形成されているが、上部電極 4 4と外側金属層 4 2 bは非接触となっている。なお、外側金属層 4 2 bも、下部電極 4 2 dと同一の材料で形成することが望ましい。同一の材料で形成しない場合でも、赤外線の吸収率が下部電極 4 2 dの材料と近似していることが望ましい。

また、液体を圧力室 2 1に供給するためのリザーバ 2 3は、圧電体素子 4 0より、外側金属層 4 2 b側の位置に設けられる。

< 3 - 2 . 第 2実施形態 >

図 5は、第 2実施形態のィンクジヱット式記録へッドにおける圧電体素子の配置の詳細を示す平面図である。第 1実施形態と同様の機能を有する部分には同一の符号を付している。第 2実施形態では、第 1実施形態と異なり、第 2の金属層である内側金属層 4 2 cは、各圧電体素子 4 0に対応するセグメントに分割されている。各々の内側金属層 4 2 cの真上に細帯電極 4 5が形成されているため、図 5の平面図では内側金属層 4 2 cは見えないようになつている。図 6は、図 5の囲み線 iii部分を拡大した平面図（a ) 、その i一 i線断面図 ( b ) 及ぴ ii— i i線断面図（c ) である。図 6 ( b ) に示されるように、圧電体薄膜 4 3は内側金属層 4 2 cを完全には覆っていない。そして、上部電極 4 4と導通している配線用の細帯電極 4 5が、内側金属層 4 2 cと導通可能になっている。内側金属層 4 2 cは下部電極 4 2 dとは導通しておらず、隣の内側電極層 4 2 c (セグメント）とも導通していないため、細帯電極 4 5と導通していても電気的に問題はない。

< 4 . インクジェット式記録へッドの動作〉

上記ィンクジェット式記録へッド 1の構成において、印刷動作を説明する。制御回路 8から駆動信号が出力されると、給紙機構 6が動作し用紙 5がへッド 1によつて印刷可能な位置まで搬送される。制御回路 8から吐出信号が供給されず圧電体素子の下部電極 4 2 dと上部電極 4 4との間に駆動電圧が印加されていない場合、圧電体膜 4 3には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子力 S設けられている圧力室 2 1には、圧力変化が生じず、そのノズル 1 1からィンク滴は吐出されない。

一方、制御回路 8から吐出信号が供給され圧電体素子の下部電極 4 2 dと上部電極 4 4との間に一定の駆動電圧が印加された場合、圧電体膜 4 3に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子が設けられている圧力室 2 1ではその振動板 3 0が大きくたわむ。このため圧力室 2 1内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル 1 1からインク滴が吐出される。ヘッド中で画像データに対応した位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。

< 5 . 製造方法 >

次に、本発明の圧電体素子の製造方法を説明する。図 7及び図 8は、上記圧電体素子及ぴィンクジヱット式記録へッドの製造方法を示す断面模式図である。図 7及び図 8では、上記図 3及び図 4で説明した第 1実施形態のィンクジェット式記録ヘッドの構成に沿って説明するが、これと同様の手順で、図 5及ぴ図 6で説明した第 2実施形態のィンクジェット式記録へッドも製造することができる。酸化膜形成工程（S 1 )

この工程は、圧力室基板 2 0となるシリコン基板を酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理し、酸化珪素（S i 0 ₂) からなる酸化膜 3 1を形成する工程である。この工程には通常用いる熱酸化法の他、 C V D法を使用することもできる。

Z r 0 ₂膜を形成する工程（S 2 )

圧力室基板 2 0の一面上に形成された酸化膜 3 1の上に、 Z r〇₂膜 3 2を形成する工程である。この∑ 0 ₂膜3 2は、スパッタ法または真空蒸着法等により Z rの層を形成したものを酸素雰囲気中で高温処理して得られる。

導電膜を形成する工程（S 3 )

Z r 0 ₂膜 3 2上に、 I rを含む下部電極となる導電膜 4 2を形成する。例えば、まず I rを含む層を形成し、次いで P tを含む層を形成し、更に I rを含む層を形成する。

導電膜 4 2を構成する各層は、それぞれ I rまたは P tを Z r O ₂膜 3 2上に、スパッタ法等で付着させて形成する。なお、導電膜 4 2の形成に先立ち、チタン又はクロムからなる密着層（図示せず）をスパッタ法又は真空蒸着法により形成しても良い。

導電膜形成後のパターニング工程（S 4 )

導電膜形成後、これを内側金属層 4 2 a及ぴ外側金属層 4 2 bと、下部電極 4 2 dとに分離するため、まず導電膜 4 2を所望の形状にマスクし、その周辺をェツチングすることでパターユングを行う。具体的には、まずスピンナ一法、スプレー法等により均一な厚みのレジスト材料を導電膜 4 2上に塗布し（図示せず）、次いで、マスクを圧電体素子の形状に形成してから露光 '現像して、レジストパターンを導電膜上に形成する（図示せず）。これに通常用いるイオンミリング又はドライエッチング法等により導電膜の一部をエッチング除去し Z r 0 ₂膜 3 2 を露出させ、内側金属層 4 2 a、外側金属層 4 2 b、下部電極 4 2 dを形成する。更に、前記パターニング工程において下部電極表面に付着した汚染物質や酸ィ匕部分等を除去するため、逆スパッタリングによるクリーニングを行う (図示せ 4

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ず）。

T i核（層）を形成する工程

この工程は、スパッタ法等により、下部電極 4 2 d上に T i核（層）（図示せず）を形成する工程である。 T i核（層）を形成するのは、 T i結晶を核として P Z Tを成長させることにより、結晶成長が下部電極側から起こり、緻密で柱状の結晶が得られるからである。

また、前記 T i核（層）の平均厚みは 3〜 7 n m、好ましくは 4〜 6 n mである。

圧電体前駆体膜を形成する工程（S 5 )

この工程は、ゾルゲル法により、圧電体前駆体膜 4 3 ' を形成する工程である。まず、有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法により T i核上に塗布する。次いで、一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。乾燥後、さらに大気雰囲気下において所定の高温で一定時間脱脂し、金属に配位している有機の配位子を熱分解させ、金属酸化物とする。この塗布、乾燥、脱脂の各工程を所定回数、例えば 2回繰り返して 2層からなる圧電体前駆体膜を積層する。これらの乾燥と脱脂処理により、溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは配位子の熱分解を経て金属、酸素、金属のネットワークを形成する。

なお、この工程はゾルゲル法に限らず、 MO D (Metal Organic Deposition) 法でもよい。

焼成工程（ S 6 )

圧電体前駆体膜 4 3 ' の形成後、焼成して圧電体薄膜を結晶化させる工程である。この焼成により、圧電体薄膜 4 3 ' は、アモルファス状態から菱面体結晶構造をとるようになり、電気機械変換作用を示す薄膜へと変化し、圧電体薄膜 4 3 となる。

ここで、 Z r 0 ₂膜 3 2は下部電極 4 2 dに比べて近赤外線の吸収率が低いため、下部電極 4 2 dが形成されていない領域では焼成時の温度上昇が鈍くなる。しかし本実施形態では、図 3及び図 5のように、圧電体膜の形成領域が、下部電極 4 2 d、内側金属層 4 2 a及び外側金属層 4 2 bによって囲まれているため、下部電極 4 2 dが形成されていない領域でも十分な温度上昇を確保することができる。この結果、圧電体薄膜の焼成条件が均一となる。そして、圧電体薄膜のうち特に下部電極 4 2 dの端部付近における結晶性が向上し、耐電圧性、耐久性が向上する。また、ウェハ全体における焼成条件も均一化できるため、圧電体素子間の圧電特性も均一化することができる。

以上のような前駆体膜の形成（S 5 ) とその焼成（S 6 ) とを複数回繰り返すことにより、圧電体薄膜 4 3を所望の膜厚とすることができる。例えば 1回の焼成につき塗布する前駆体膜の膜厚を 2 0◦ n mとし、これを 6回繰り返す。上部電極形成工程（ S 7 )

圧電体薄膜 4 3上に、電子ビーム蒸着法またはスパッタ法により上部電極 4 4 を形成する。

圧電体薄膜及び上部電極パターユング工程（ S 8 )

圧電体薄膜 4 3及び上部電極 4 4を、圧電体素子の所定形状にパターユングする工程である。具体的には、上部電極 4 4上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光 ·現像してパターエングする。残つたレジストをマスクとして上部電極 4 4、圧電体薄膜 4 3をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程で、圧電体素子 4 0が形成される。

細帯電極形成工程（S 9 )

次に、上部電極 4 4と導通する細帯電極 4 5を形成する。細帯電極 4 5の材質は剛性が低く、電気抵抗が低い金が好ましい。他に、アルミニウム、銅なども好適である。細帯電極 4 5は約 0 . 5 μ πιの膜厚で成膜し、その後各上部電極と導通を取り、配線を引き出せるようにパターニングする。

圧力室形成工程 ( S 1 0 )

次に、圧電体素子 4 0が形成された圧力室基板 2 0の他方の面に、異方 1"生ェッチングまたは平行平板型反応性ィオンェツチング等の活性気体を用いた異方性ェツチングを施し、圧力室 2 1、リザーバ 2 3、供給口 2 4を形成する。エツチングされずに残された部分が側壁 2 2になる。なお、リザーパ 2 3は、外側金属層 4 2 bの対向する位置に、外側金属層 4 2 bより一回り小さな形状に形成され、レーザ等により貫通口が形成される。

ノズル板貼り合わせ工程（ S 1 1 )

最後に、ェツチング後の圧力室基板 2 0にノズル板 1 0を接着剤で貼り合わせる。貼り合わせのときに各ノズル 1 1が圧力室 2 1各々の空間に配置されるよう位置合わせする。ノズル板 1 0が貼り合わせられた圧力室基板 2 0を図示しない筐体に取り付け、インクジヱット式記録へッド 1を完成させる。

く 6 . 製造方法の変形例 >

図 9は、上記製造方法の変形例を示す断面模式図であり、図 7に対応する工程を示している。 S 1〜S 3の工程は図 7と同一であり、 S 6 cより後の工程は図 8と同一であるため、その説明を省略する。この例では、 S 3において導電膜 4 2を形成した後、パターユングの前に圧電体薄膜の第 1層 4 3 aを形成し（S 6 a ) 、その後圧電体薄膜の第 1層 4 3 a及び導電膜 4 2をまとめてパターユングする（S 6 b ) 。

圧電体薄膜の第 1層形成工程 ( S 6 a )

S 3において導電膜 4 2を形成した後、導電膜 4 2上に圧電体薄膜の第 1層 4

3 aを形成する。形成方法は例えば T i核（層）を 3〜 7 n m、好ましくは 4〜 6 n mの厚さに形成後、上記図 7の S 5及ぴ S 6で説明したと同様に、ゾルの塗布、乾燥、脱脂の工程を 2回繰り返し、これを焼成し、圧電体薄膜の第 1層 4 3 aを約 2 0 0 n mに形成する。

パターニング工程（S 6 b )

次に、上記圧電体薄膜の第 1層 4 3 a及び導電膜 4 2を、図 7の S 4と同様の形状にパターニングする。導電膜 4 2は下部電極 4 2 d、内側金属層 4 2 a、外側金属層 4 2 bに分離される。圧電体薄膜の第 1層 4 3 a及び導電膜 4 2が除去された部分は Z r 0 ₂膜 3 2が露出する。

圧電体薄膜の第 2層以降形成工程（ S 6 c )

次に、上記圧電体薄膜の第 1層 4 3 a上及び上記露出した Z r 0 ₂膜 3 2上に T i核（層）を例えば 1 n m以上 4 n m以下に形成後、圧電体薄膜の第 2層以降を、上記第 1層と同様の方法で形成する。そして、所定の厚みになるまで塗布、乾燥、脱脂の工程及び焼成の工程を繰り返す。その結果、下部電極 4 2 d上には、上記露出した Z r 0 ₂膜 3 2上よりも層の数が多い圧電体薄膜 4 3が形成される。例えば、下部電極 4 2 d上には 6'層、上記露出した Z r O ₂膜 3 2上には 5層の . 圧電体薄膜 4 3が形成される。

その後の上部電極形成等の工程は、図 8の S 7以降と同様である。

圧電体膜の焼成時には、下部電極となる導電層の組成変化（酸化及ぴ圧電体膜からの拡散）やそれに伴う膜厚増加が生じることがあり、特に圧電体膜の第 1層の焼成時にそのようなことが起こりやすい。導電層のパターユング後に圧電体膜の第 1層を焼成すると、パターエング境界付近で導電層の膜厚の不均衡が生じ、圧電体膜の結晶性の低下や場合によってはクラックが発生する可能性もあるが、図 9の変形例によれば、これを防止することができる。すなわち、導電層 4 2をパターニングする前に圧電体薄膜の第 1層 4 3 aを成膜するので、圧電体薄膜の第 1層 4 3 aの焼成時における導電層の組成及び膜厚の変化が、膜面方向に均一に起こる。このため、圧電体薄膜の安定した結晶性が確保され、圧電体薄膜にクラックが発生することを防止できる。

圧電体薄膜の第 1層 4 3 aの焼成時に導電層の組成及び膜厚の変化が起こっているので、圧電体薄膜の第 2層以降の焼成においては、下部電極 4 2 dの組成及ぴ膜厚変化は小さい。従って、圧電体薄膜の第 1層と同様の良好な結晶性を得ることができる。特に、下部電極となる導電層パターユング後においても、圧電体薄膜の形成領域が、下部電極 4 2 d、内側金属層 4 2 a及ぴ外側金属層 4 2 bによって囲まれているため、圧電体薄膜の焼成条件が均一となる。そのため、図 7 の S 6で説明したように圧電体薄膜のうち特に下部電極 4 2 dのパターニング境界付近における結晶性が更に向上するので、耐電圧性、耐久性が更に向上する。

< 7 . 試験結果 >

図 3及ぴ図 4で説明した第 1実施形態のィンクジ工ット式記録へッドを、図 9 及び図 8で説明した変形例の方法で製造したもの（但し圧電体薄膜は膜厚 1 . 1 mの P Z T、下部電極 4 2 dと内側金属層 4 2 a及ぴ外側金属層 4 2 bとの間隔は 5 0 m) と、従来の方法により製造したもの（但し圧電体薄膜は膜厚 1 . 1 μ mの P Z T、下部電極 4 2 dと内側金属層 4 2 a及ぴ外側金属層 4 2 bとの間隔は 5 0 0 μ πι) にっき、耐電圧性おょぴ耐久性を調べた。

耐電圧性については、従来のものでは 4 0〜5 0 Vでクラックが発生し絶縁破壊が生じた（クラック発生箇所のほとんどは下部電極端部付近であった）のに対し、上記実施形態のものでは 9 0〜1 1 0 Vの耐電圧性を示した（クラック発生箇所は特定の部分に集中することなく、ランダムであった）。

耐久性については、 3 5 Vの駆動電圧で調べた。従来のものでは 1 0億パルス程度で特性が悪ィヒしたのに対し、上記実施形態のものでは 4 0 0億パルス以上の駆動に耐えることができた。このように、上記実施形態によるインクジェット式記録へッドが飛躍的な性能向上を示すことが確認された。

< 8 . その他の応用例 >

本発明は、上記実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば、本発明で製造した圧電体素子は、上記インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子のみならず、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイ口電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器、ダイォードレーザ用周波数二倍器等のような強誘電体装置、誘電体装置、パイ口電気装置、圧電装置、および電気光学装置の製造に適応することができる。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、インクジヱット記録装置に用いられるインクを吐出するへッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機 E Lディスプレイや F E D '(面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を吐出するへッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出するへッド等、種々の液体を噴射するへッドに適用することが可能である。

Claims

請求の範囲 ·

1 . 振動板と、前記振動板上に所定パターンに形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を備えた圧電体素子であって、

前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって前記下部電極と電気的に切断された金属層を備えた、圧電体素子。

2 . 請求項 1において、

前記金属層は、前記下部電極と同一の材料で形成されている、圧電体素子。

3 . 請求項 1又は請求項 2において、

前記下部電極と、これと電気的に切断された前記金属層との間隔は、 2 0 m以下である、圧電体素子。

4 . 請求項 1乃至請求項 3の何れか一項において、

前記圧電体膜は、前記金属層の少なくとも一部を覆うように形成され、前記上部電極から延びる配線用の電極が、前記金属層のうち前記圧電体膜に覆われた部分の上に形成され、当該圧電体膜によって前記金属層と絶縁されている、圧電体素子。

5 . '請求項 1乃至請求項 3の何れか一項において、

前記圧電体膜の近傍に、前記振動板上に形成された金属層であって前記下部電極と電気的に切断され、前記上部電極から延びる配線用の電極と導通する第 2の金属層を更に備えた、圧電体素子。

6 . 請求項 1乃至請求項 5の何れか一項において、

前記圧電体膜は、前記所定パターンに形成された下部電極上及ぴ下部電極が存在しない前記振動板上に形成され、

前記圧電体膜のうち前記下部電極上に形成された部分は、前記振動板上に形成された部分より前記圧電体膜の層の数が多い、圧電体素子。

7 . 請求項 1乃至請求項 6の何れか一項に記載の圧電体素子と、当該圧電体素子の機械的変位によつて内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口とを備える、液体吐出へッド。

8 . 請求項 7に記載の液体吐出へッドと、当該液体吐出へッド^駆動する駆動装置と、を備えた液体吐出装置。

9 . 振動板上に、下部電極と、前記下部電極近傍の金属層と、を所定パターンに形成する工程と、

前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、

前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備え、

前記金属層は、前記下部電極と電気的に切断されるように形成する、圧電体素子の製造方法。

1 0 . 振動板上に導電膜を成膜する工程と、

前記導電膜上に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第 1工程と、

前記圧電体成膜第 1工程で成膜された圧電体膜及び前記導電膜をパターユングすることにより、前記導電膜を、下部電極と、当該下部電極から電気的に切断され前記下部電極近傍に位置する金属層と、に分離する工程と、

前記パターニングにより残された圧電体膜上およぴ圧電体膜が除去された前記振動板上に、更に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第 2工程と、

前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備えた、圧電体素子の製造方法。

1 1 . 請求項 9又は請求項 1 0に記載の方法により圧電体素子を形成する工程と、前記圧電体素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室を形成する工程と、

当該圧力室に連通して液滴を吐出する吐出口を形成する工程と、を備える、液体吐出へッドの製造方法。