圧電モジュール、圧電デバイスおよび圧電モジュールの製造方法
【課題】圧電変位の低下を防き、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜に発生することを抑制できるとともに、優れた圧電性を有する圧電モジュールを提供する。
【解決手段】圧電モジュール１０の構造は、延伸エリアＥＡにバッファ層ＬＢを設けることで、上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとの電気的絶縁を実現するだけでなく、窓空間ＷＳ１内の駆動エリアＭＶ内にのみ圧電薄膜ＬＰを局在させることが可能となる。これにより、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜ＬＰに発生することを抑制できる。また、バッファ層ＬＢの絶縁材料は、バッファ層ＬＢ上に形成された圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料と同種の結晶構造を有することで、密着性を高めるとともに、圧電性の低下を抑制できる。
【解決手段】圧電モジュール１０の構造は、延伸エリアＥＡにバッファ層ＬＢを設けることで、上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとの電気的絶縁を実現するだけでなく、窓空間ＷＳ１内の駆動エリアＭＶ内にのみ圧電薄膜ＬＰを局在させることが可能となる。これにより、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜ＬＰに発生することを抑制できる。また、バッファ層ＬＢの絶縁材料は、バッファ層ＬＢ上に形成された圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料と同種の結晶構造を有することで、密着性を高めるとともに、圧電性の低下を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電モジュール、圧電デバイスおよび圧電モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性膜を圧電薄膜により変形させる圧電モジュールが様々に提案されている。圧電モジュールとして、例えば、インクジェットプリンタ用のヘッドなどに使用される圧電アクチュエータでは、基板の一部が除去されて窓空間を構成しており、その窓空間の天井部分を覆うように弾性膜（ダイヤフラム）が設けられている。そして、ダイヤフラムの上には、下電極、島状の圧電体（圧電薄膜）、および上電極がこの順序で積層された構成になっている。
【０００３】
このような構成の圧電アクチュエータにおいては、上下電極間に電圧を印加して、圧電体を弾性的に変形させる。そのときの圧電体の変形がダイヤフラムに伝達されてダイヤフラムが変形されることにより、所要の力学的作用を生じる。上下電極のそれぞれは駆動回路に電気的に接続されるが、その配線の間で電気的にショート状態とならないようにする必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１が開示する構成では、上電極の引き出し部分においては上電極だけでなく圧電体もまた延伸させることによって、圧電体の延伸部を上下電極の絶縁のために使用するという構成がとられている。特許文献２が開示する構成では、基板表面のうち圧電体が設けられていない領域に絶縁層を形成するとともに、その絶縁層の一部によって圧電体の側面を覆う絶縁性斜面を形成し、その絶縁性斜面に沿って設けた配線層を上電極と接続している。また、特許文献３が開示する構成では、下電極を圧電体より小さく形成するとともに、上電極は圧電体の段差を乗り越えて基板表面から圧電体上部まで形成しており、特許文献４では、下電極を覆う形で絶縁層が設けられることによって、上下電極間のショートの発生を抑制する構成がとられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１１６６８４号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７１４４号公報
【特許文献３】特開２００７−００６６２０号公報
【特許文献４】特開２００８−８７４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のような構成では、上記の窓空間上の可動領域だけでなく、可動領域を囲む周辺領域にまで圧電体が延伸しているが、周辺領域では基板が除去されていないために基板から圧電体への拘束力が作用する。その結果、圧電体における圧電変位量が低下する要因となっていた。また、可動領域と周辺領域との境界部分に圧電体の応力が集中するため、圧電体のうちその境界部分上にある部分にクラックなどの損傷が生じるという問題もある。
【０００７】
一方、下電極が圧電体より大きく形成されている特許文献２のような構成では、上電極と下電極との絶縁をとる必要があるが、完全に絶縁を確保する構造とは言い難い。また、特許文献３では、上電極よりも圧電体が小さく形成されているため上電極と下電極との絶縁については問題ないが、この構成を実現するためには下電極をパターニングした後に圧電体を形成する必要がある。ところがこの方法では、圧電体の中心部はパターニングされた下電極の上に形成される一方、圧電体の外周部は基板上に直接に形成されることになる。一般に、加熱状態で圧電体を形成した場合、形成された圧電体の特性は、その圧電体の形成温度の影響を受けやすいという性質がある。特許文献３の発明のように、下電極と基板表面との双方にまたがるように圧電体を形成するときには、圧電体形成時の温度分布も特に不均一になりがちであり、面内均一性の良い圧電体を形成することが困難となる。
【０００８】
このため、特許文献４のように、基板表面を広く覆うように絶縁膜を設けて、下電極はその絶縁膜の下に配置し、圧電体や上電極の延伸部はその絶縁膜の上に配置して電気的な絶縁をとることによって、圧電体の形成温度の均一性を向上させるという試みがなされている。しかしながら、たとえばシリコン酸化膜のような通常の絶縁膜上には、結晶配向性や圧電特性に優れた圧電薄膜を形成することができないのが実情である。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電変位の低下を防ぎ、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜に発生することを抑制できるとともに、優れた圧電性を有する圧電モジュール、圧電デバイスおよび圧電モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ダイヤフラム上に配置した圧電体を用いて電圧と力学的変形との間の変換を行う圧電変換モジュールであって、支持層上にダイヤフラム層が形成され、前記支持層には窓空間が設けられるとともに、前記窓空間が存在することによって、平面的な広がり範囲として、前記窓空間に相当する第１領域と、前記窓空間を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板と、前記ダイヤフラム層上に形成され、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層と、前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成された絶縁性のバッファ層と、前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて形成された上電極層と、を備え、前記圧電薄膜を形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、前記バッファ層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電モジュールであって、前記圧電材料と前記絶縁材料とは、ともにペロブスカイト構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項２に記載の圧電モジュールであって、前記圧電材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系を主成分とすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項２に記載の圧電モジュールであって、前記絶縁材料は、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、およびＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電モジュールを備え、前記圧電モジュールによって電気信号と力学的変位との間の変換を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６の発明は、請求項５の圧電デバイスであって、前記圧電モジュールをインクの吐出駆動機構として備えることにより、インクジェットヘッドとして構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７の発明は、ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜への電圧印加により前記ダイヤフラムの面形状を変形させる圧電モジュールの製造方法であって、（ａ）支持層上にダイヤフラム層が形成され、平面的な広がり範囲として、第１領域と、前記第１領域を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板材を準備する工程と、（ｂ）前記ダイヤフラム層上に、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層を形成する工程と、（ｃ）前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成されたペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層を形成する工程と、（ｄ）前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、（ｅ）前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて上電極層を形成する工程と、（ｆ）前記複合材の前記支持層のうち、前記第１領域を選択的に除去して窓空間を形成し、前記窓空間内に前記ダイヤフラムを露出させる工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１ないし請求項７に記載の発明によれば、延伸エリアにおける上下電極層の電気的絶縁はバッファ層が担うため、窓空間内の駆動エリア内に圧電薄膜を局在させることが可能となっている。これにより、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜に発生することを抑制できる。
【００１８】
また、バッファ層を構成する絶縁材料は、圧電薄膜を構成する圧電材料と結晶構造とが同種であるために、バッファ層上に圧電薄膜を形成するにあたって圧電薄膜の結晶性を高くすることが可能となり、バッファ層を設けることによる圧電性の低下を抑制でき、またバッファ層と圧電薄膜との密着性も高く保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態で製造されるインクジェットヘッドの外観を示した図である。
【図２】本発明の実施形態で製造される圧電モジュールの構成を示した図である。
【図３】本発明の実施形態で製造される圧電モジュールの要部構成を示した一断面図である。
【図４】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図５】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図６】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図７】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図８】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図９】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１０】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１１】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１２】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１３】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１４】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１５】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１６】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１７】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１８】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜１．圧電デバイスおよび圧電モジュールの概要＞
本発明の実施の形態は、インクジェットヘッドに内蔵されてインクの吐出駆動機構として使用される圧電モジュールとして構成される。
【００２１】
この明細書では、圧電素子を含んで構成されて一体化された機能構造体を「圧電モジュール」と呼び、圧電モジュールとは独立した他の部品と圧電モジュールとを組み合わせて完成する装置を「圧電デバイス」と呼んでいる。
【００２２】
＜１−１．基本構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電モジュール１０を適用したインクジェットヘッド１００を示す斜視図である。また、図２は、インクジェットヘッド１００のうち圧電モジュール１０の付近を示した図であって、そのうちの図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のI−I線で切断した断面図である。
【００２３】
図１において、インクジェットヘッド１００は、インクジェットプリンタ（図示略）に搭載されるものであり、略矩形のハウジングＨＳの内に、後述するプロセスで製造された１または複数の圧電モジュール（圧電変換モジュール）１０のほか、ドライバ回路やインターフェイス回路などの回路部品および、インクの主タンクなどの機構部品を内蔵して構成される。インクジェットプリンタ本体からのプリント制御信号に応答して、インクの吐出駆動機構としての圧電モジュール１０が、所定の記録媒体上にインクを吐出しつつ走査を行うことにより、記録媒体上に印字あるいは画像記録を行う。圧電モジュール１０は、ダイヤフラム上に配置した圧電体への印加電圧と圧電体（およびダイヤフラム）の力学的変形との間の変換を行うことによってインクの吐出を行う。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、圧電モジュール１０は、大別すると、ノズルプレートＬ１とガラス基板Ｌ２とボディプレートＬ３とを備えており、この順で底部から積層されている。
【００２５】
ノズルプレートＬ１は、厚さ100〜300μm程度で平板状のSi（シリコン）基板から形成されている。Si基板を面直方向に貫通する透孔によって、インク滴を吐出するノズル開口１１が複数並んで形成される（ただし、図２（ｂ）では１つのみ示す）。ノズル開口１１は、直径20μm程度の吐出先端口１１ａとその上に連結する直径50μm程度の吐出導入口１１ｂとの２段孔となっている。
【００２６】
ノズルプレートＬ１上に設けられたガラス基板Ｌ２にも面直方向に貫通する連通孔が形成され、それがノズル開口１１の導入口１１ｂの上部と連通する。後述する支持層ＬＳ（２３）の下面の選択的除去によって、ガラス基板Ｌ２上には、インクをノズルの吐出導入口１１ｂに送る個別流路１２が形成されている。
【００２７】
ボディプレートＬ３は、ダイヤフラム層ＬＤ（２１）が支持層ＬＳ（２３）によって支持される構成となっている。３層構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を構成する３層すなわち、下から、支持層ＬＳ（Si）、ボックス層ＬＸ（SiO2）および活性層ＬＤ（Si）の３層のうち、支持層ＬＳとボックス層ＬＸとが選択的に除去されることによって、支持層ＬＳおよびボックス層ＬＸには窓空間ＷＳ１，ＷＳ２が形成される。窓空間ＷＳ１が存在することによって、平面的な広がり範囲として、窓空間ＷＳ１に相当する第１領域Ａ１と、窓空間ＷＳ１を平面的に囲む第２領域Ａ２とが概念的に規定される。
【００２８】
また、活性層ＬＤのうち主として窓空間ＷＳ１上の部分は下方からの支持を失うことにより、比較的容易に変形可能となり、ダイヤフラム層ＬＤとして機能する。
【００２９】
圧電薄膜モジュール１０のうち圧電変換駆動部は、
(1) 当該ダイヤフラム層ＬＤ上に形成され、第１および第２領域Ａ１，Ａ２の双方にわたって広がる下電極層ＬＬ（５２）と、
(2) 第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶと、駆動エリアＭＶから第２領域Ａ２上に伸びる延伸エリアＥＡとの双方を覆うように、下電極層ＬＬ上に形成された絶縁性のバッファ層ＬＢ（５３ａ）と、
(3) 第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶにおいて、バッファ層ＬＢ上に形成された圧電薄膜ＬＰ（５４ａ）と、
(4) 圧電薄膜ＬＰ上の駆動エリアＭＶから、バッファ層ＬＢ上の延伸エリアＥＡのエリア内に形成された上電極層ＬＵ（５７ａ）と、
を備える。
【００３０】
ここで、窓空間ＷＳ１は圧力発生室１４として機能し、窓空間ＷＳ２は共通インク室１３として機能する。圧力発生室１４と共通インク室１３とは、個別流路１２を介して連通している。
【００３１】
なお、上電極層ＬＵ上部には電気配線接続部が設けられており、配線を通じて回路基板と電気的に接続される。
【００３２】
このような構造を持つ圧電モジュール１０においては、バッファ層ＬＢによって上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとが絶縁分離される。また、圧電薄膜ＬＰは窓空間ＷＳ１に相当する第１領域Ａ１内だけに存在しており、第２領域Ａ２には延伸していない。このため、第１領域と第２領域との境界部分での応力が圧電薄膜ＬＰに加わることはない。
【００３３】
さらに、この発明の特徴に対応して、バッファ層ＬＢは圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、形成されている。具体的には、結晶構造としてペロブスカイト構造を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）によって圧電薄膜ＬＰが形成されており、結晶構造として同じくペロブスカイト構造を有するＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）によってバッファ層ＬＢが形成されている。同種の結晶構造を有することにより、バッファ層ＬＢ上に形成される圧電薄膜ＬＰの結晶性は良好となり、圧電特性も向上する。この点については後の製造方法の説明中でも触れる。
【００３４】
＜１−２．基本動作＞
インクジェットプリンタ本体からのプリント制御信号に応じて下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの間に電圧が印加され、それによって圧電薄膜ＬＰは面内方向に縮むように変形する。その変形力によってダイヤフラム層ＬＤは下に凸となるように変形し、圧力発生室１４の容積を減少させる。これによって、圧力発生室１４内に供給されているインクがインク滴としてノズル開口１１から吐出する。下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの間に印加する電圧の極性を反転させることにより、圧電薄膜ＬＰおよびダイヤフラム層ＬＤは上に凸となるように変形し、圧力発生室１４の容積を増加させてインク滴の吐出を止めるとともに、インクの補充分を圧力発生室１４に導入する。
【００３５】
記録媒体とインクジェットヘッドとを相対的に走査させるとともに、プリント制御信号をオン／オフさせながらこのような動作を繰り返すことにより、記録媒体上に画像や文字がプリントされてゆく。
【００３６】
＜２．圧電モジュールの製造方法＞
本発明による圧電モジュールの製造方法を説明するにあたって、作製される圧電モジュール１０は、上述の通り、ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜ＬＰへの電圧印加によりダイヤフラムの面形状を変形させる機能をもち、インクジェット用の薄膜アクチュエータヘッドとして用いられる場合を想定している。
【００３７】
図３は、図２（ａ）のII−II線で切断した圧電モジュール１０の断面図であり、本発明の実施形態による圧電モジュールの製造方法により作製されたものである。図４〜図１８は、図２（ａ）のII−II線で切断した、本発明による圧電モジュールの製造方法の実施形態の各ステップを示す断面図である。
【００３８】
以下、図４〜図１８を参照して、図３の圧電モジュール１０の製造方法について説明する。
【００３９】
＜２−１．複合基板材の準備＞
まず、半導体を含む複合基板材として図４に示すようにＳＯＩ基板１を準備する。このＳＯＩ基板１は、熱酸化膜２０ａ，２０ｂが両主面ＭＳ１、ＭＳ２上に形成されており、それらの熱酸化膜２０ａ，２０ｂの間が、上から、厚さ5um程度の活性層２１（ダイヤフラム層ＬＤ）、厚さ0.2um程度のボックス層２２（ＬＸ）、厚さ100〜600μm程度の支持層２３（ＬＳ）の順で構成されている。
【００４０】
図２に示すように、このＳＯＩ基板１は、平面的な広がり範囲として、窓空間ＷＳ１の広がりに相当する第１領域Ａ１と、当該第１領域Ａ１を平面的に囲む第２領域Ａ２とを包含している。
【００４１】
＜２−２．第１主面側の製造プロセス＞
次に、ＳＯＩ基板１の両主面のうち圧電薄膜ＬＰを形成する第１主面（図４では上面）ＭＳ１における製造プロセスについて図５〜図１４を参照して順を追って説明する。
【００４２】
（第１工程）ダイヤフラム層ＬＤ上の全面にわたって（したがって、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の双方にわたって）一様に広がる下電極層ＬＬを形成する。
【００４３】
まず、図５で示されるように、第１主面ＭＳ１側の熱酸化膜２０ａの表面にTi（チタン）を厚さ20nmとなるようにスパッタ法で一様に形成し、その後、酸素雰囲気中で酸化しTiOx（酸化チタン）とする。続いて、Pt（白金）を厚さ100nmとなるようにスパッタ法で一様に形成する。TiOxは密着層５１、Ptが下電極層５２（下電極層ＬＬ）として機能させることを目的にこの順番でＳＯＩ基板１の第１主面ＭＳ１側の熱酸化膜２０ａの表面上に成膜する。
【００４４】
（第２工程）図６で示されるように、下電極層ＬＬ上の全体にわたってペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層ＬＢを一様に形成する。したがって、バッファ層ＬＢは、第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶ（図２）と、当該駆動エリアＭＶから第２領域Ａ２上に伸びる延伸エリアＥＡ（同じく図２）との双方を覆うことになる。
【００４５】
具体的には、バッファ層５３は、安定的で良質のペロブスカイト構造を持つ薄膜を形成しやすいことで知られているＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）を用いて、膜厚100nmとなるようにスパッタ法で一様に形成する。成膜方法は、スパッタ法の他、有機金属熱分解法（ＭＯＤ法）や化学気相成長法（ＣＶＤ法）を使ってもよい。
【００４６】
（第３工程）図２の駆動エリアＭＶにおいて、バッファ層ＬＢ上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜ＬＰを形成する。
【００４７】
まず、図７で示されるように、バッファ層５３の上に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を膜厚5μmとなるようにスパッタ法で600℃の温度により一様に成膜する。ＰＺＴは良質のペロブスカイト構造を、組成や結晶配向性などを安定的に再現性良く成膜することが困難であるが、ＰＬＴなどのペロブスカイト構造を持つ絶縁性酸化物からなるバッファ層５３をあらかじめ形成しておき、そのバッファ層５３上に形成することで、特性の優れたＰＺＴ薄膜５４を再現良く安定的に形成することができるとともに、リーク電流を抑制して高い帯圧性を確保し、アクチュエータとしての機能を高くすることが可能となる。
【００４８】
続いて、図７のＰＺＴ薄膜層５４の上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図８で示されるように、ＰＺＴ薄膜層５４をパターニングするための直径200μmのレジストパターン５５を形成する。
【００４９】
その後、図９で示されるように、レジストパターン５５をマスクにして、ＰＺＴを塩素系またはフッ素系ガスを使ったＩＣＰドライエッチングで、直径200μmのＰＺＴパターン、すなわち、ＰＺＴ薄膜層５４ａを形成する。エッチングは、フッ硝酸系溶液などを使ったウェットエッチングでもよい。すなわち、このエッチングによって、ＰＺＴ薄膜層５４のうち駆動エリアＭＶの外側の部分を取り去ることで、圧電薄膜ＬＰを形成する。これにより、圧電薄膜ＬＰによる横方向の拘束を開放することができ、ダイヤフラム層ＬＤの圧電変位の低下を防ぎ、圧電変位を拡大でき、また、クラック発生の問題も回避することができる。
【００５０】
その後、図９の圧電薄膜ＬＰおよびバッファ層５３の上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１０で示されるように、バッファ層５３をパターニングするための駆動エリアＭＶを覆う直径210μmのレジストパターン５５ａおよび延伸エリアＥＡ（電極引出部）を覆う60μm幅のレジストパターン５５ｂを形成する。
【００５１】
そして、図１１で示されるように、レジストパターン５５ａおよびレジストパターン５５ｂをマスクにして、バッファ層５３であるＰＬＴを塩素系またはフッ素系ガスを使ったＩＣＰドライエッチングで、選択的にエッチングして、ＰＬＴパターン、すなわち、バッファ層５３ａ（バッファ層ＬＢ）をパターニングする。これにより、バッファ層ＬＢは、第１領域Ａ１の内部に存在する部分と、第２領域のうち延伸エリアＥＡに属する部分とを残して、他の部分は除去されることになる。エッチングは、フッ硝酸系溶液などを使ったウェットエッチングでもよい。
【００５２】
なお、形成されたバッファ層ＬＢは、後述する上電極層ＬＵより一回り大きく形成され、これにより下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの絶縁性が確保される構成となる。
【００５３】
（第４工程）圧電薄膜ＬＰ上の駆動エリアＭＶから、バッファ層ＬＢ上の延伸エリアＥＡにかけて上電極層ＬＵを形成する。
【００５４】
まず、図１２で示されるように、図１１のレジストパターン５５ａ，５５ｂを取り除き、それによって露出した構造上の全面に、Tiを厚さ20nmとなるようにスパッタ法にて形成し、続けてAu（金）を厚さ300nmとなるようにスパッタ法にてそれぞれ一様に形成する。ここでTiは密着層５６、Auは上電極層５７として機能させることを目的にこの順番で表面を成膜している。
【００５５】
続いて、図１２で形成された構成の全面に、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１３で示されるように、上電極層５７をパターニングするために、駆動エリアＭＶ内に直径180μmのレジストパターン５８ａおよび延伸エリアＥＡ（電極引出部）内に50μm幅のレジストパターン５８ｂを形成する。
【００５６】
そして、図１４で示されるように、レジストパターン５８ａ，５８ｂをマスクにして、選択的にAu層およびTi層のエッチングを行い、密着層５６ａおよび上電極層５７ａ（上電極層ＬＵ）を形成する。エッチングは、溶液を使ったウェットエッチングでも、塩素系ガスなどを用いたドライエッチングでもよい。
【００５７】
以上により、ＳＯＩ基板１のうち圧電薄膜ＬＰを形成する第１主面ＭＳ１側の製造プロセスが終了する。
【００５８】
＜２−３．第２主面側の製造プロセス＞
続いて、ＳＯＩ基板１の両主面のうち圧電薄膜ＬＰが形成される第１主面ＭＳ１とは反対側の第２主面ＭＳ２側における製造プロセスについて図１５〜図１８を参照して順を追って説明する。
【００５９】
（第５工程）上述した複合材の支持層ＬＳのうち、第１領域Ａ１を選択的に除去して窓空間ＷＳ１を形成し、窓空間ＷＳ１内にダイヤフラム層ＬＤを露出させる。
【００６０】
まず、図１５で示されるように、ＳＯＩ基板１の第２主面ＭＳ２にSiO2（二酸化ケイ素）層６０を厚さ2μmとなるようにＴＥＯＳ(Tetraethoxysilane：Si(OC2H5)4)-ＣＶＤ法で一様に形成する。
【００６１】
次に、SiO2層６０上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１６で示されるように、レジストパターン６１を得る。このレジストパターン６１で保護されていないエリアが窓空間ＷＳ１の加工エリアとなる。なお、窓空間ＷＳ１の加工エリアとしては、直径220μm程度が適当である。
【００６２】
続いて、レジストパターン６１をマスクパターンとして、図１６で示されるレジストパターン６１で保護されていないエリア（窓空間ＷＳ１が形成されるエリア）のSiO2層６０および熱酸化膜２０ｂをＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置でCHF3ガスにて選択的にドライエッチングし、図１７で示されるように、SiO2層６０ａおよび熱酸化膜２０ｂ’のパターンを形成する。
【００６３】
そして、上記で形成したSiO2層６０ａのパターンをマスクにＳＯＩ基板１をＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)装置のボッシュプロセスで第２主面ＭＳ２に垂直な方向に選択的に深堀加工し、図１８で示されるように、窓空間ＷＳ１（圧力発生室１４）を作製する。
【００６４】
さらに、第１主面ＭＳ１側の構造をレジストで保護した状態で、ＷＳ１内の露出したボックス層ＬＸのSiO2、第２主面ＭＳ２上の表面のSiO2層６０ａおよび熱酸化膜２０ｂ’を希弗酸でウェットエッチングをして取り去る。
【００６５】
その後、第２主面ＭＳ２側に図２のガラス基板Ｌ２と２段穴１１を形成したノズルプレートＬ１とを組み付けて圧電モジュールとする（図３参照）。
【００６６】
以上までの第１工程〜第５工程を含む製造プロセスによって、図３に示されるような圧電モジュール１０を製造することができる。
【００６７】
また、インクジェットヘッド１００を製造する場合は、圧電モジュール１０をインクの主タンクや制御回路基板など他の部品群とともに図１のようなハウジングＨＳに組み込んで、電気的な配線と、構造的なパッケージングとを行うことにより、インクジェットヘッド１００を製造することになる。
【００６８】
＜３．本実施形態による圧電モジュールの性能検証＞
上述の本実施形態による圧電モジュール１０の性能検証を行うため、延伸エリアＥＡにバッファ層ＬＢを設けずに圧電薄膜ＬＰを形成した比較例と、本実施形態に従って製造した圧電モジュール１０とを比較しながら評価した。
【００６９】
その結果、比較例では、駆動時に駆動エリアＭＶと延伸エリアＥＡとの境界部分の圧電薄膜ＬＰにクラックが発生し、ダイヤフラム層ＬＤの圧電変位も本実施形態の場合と比べて低い結果が得られた。これに対し、本実施形態による圧電モジュール１０を適用した場合は、上述のクラックは発生せず、かつ、圧電変位においては比較例と比べて２割向上する成果が得られた。
【００７０】
以上の性能検証からわかるように、実施形態による圧電モジュール１０は比較例と比較して下記の点で優れている。
【００７１】
まず、上述の製造された圧電モジュール１０の構造では、延伸エリアＥＡにおける上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとの電気的絶縁をバッファ層ＬＢにより実現することができるため、窓空間ＷＳ１内の駆動エリアＭＶ内に圧電薄膜ＬＰを局在させることが可能（すなわち圧電薄膜を、窓空間ＷＳ１を超えて延長形成することが不要）となり、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜ＬＰに発生することを抑制できる。
【００７２】
また、バッファ層ＬＢを構成する絶縁材料は、圧電薄膜ＬＰを構成する圧電材料と結晶構造が同種であるために、バッファ層ＬＢ上に圧電薄膜ＬＰを形成するにあたって圧電薄膜ＬＰの結晶性を高くすることが可能となり、バッファ層ＬＢを設けることによる圧電性の低下を抑制でき、またバッファ層ＬＢと圧電薄膜ＬＰとの密着性も高く保つことができる。
【００７３】
＜４．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７４】
※ 本実施形態では、バッファ層ＬＢを形成する絶縁材料としてＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）を用いたが、これに限られず、たとえば、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、および、ＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としてもよい。
【００７５】
※ 本実施形態では、圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いたが、ＰＺＴに添加物を加えても良く、ＰＺＴ系を主成分とする種々の材料も利用できる。
【００７６】
※ この発明では、バッファ層が電気的な絶縁性を有しかつバッファ層と圧電薄膜とのそれぞれの結晶構造が同種（すなわち原子の配列規則が同一）であればよく、結晶構造はペロブスカイト構造に限られない。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 圧電モジュール
１００ 圧電デバイス（インクジェットヘッド）
Ａ１ 第１エリア
Ａ２ 第２エリア
ＭＶ 駆動エリア
ＥＡ 延伸エリア
ＬＳ 支持層
ＬＸ ボックス層
ＬＤ ダイヤフラム層（活性層）
ＬＬ 下電極層
ＬＢ バッファ層
ＬＰ 圧電薄膜
ＬＵ 上電極層
ＭＳ１ 第１主面（一方主面）
ＭＳ２ 第２主面（他方主面）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電モジュール、圧電デバイスおよび圧電モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性膜を圧電薄膜により変形させる圧電モジュールが様々に提案されている。圧電モジュールとして、例えば、インクジェットプリンタ用のヘッドなどに使用される圧電アクチュエータでは、基板の一部が除去されて窓空間を構成しており、その窓空間の天井部分を覆うように弾性膜（ダイヤフラム）が設けられている。そして、ダイヤフラムの上には、下電極、島状の圧電体（圧電薄膜）、および上電極がこの順序で積層された構成になっている。
【０００３】
このような構成の圧電アクチュエータにおいては、上下電極間に電圧を印加して、圧電体を弾性的に変形させる。そのときの圧電体の変形がダイヤフラムに伝達されてダイヤフラムが変形されることにより、所要の力学的作用を生じる。上下電極のそれぞれは駆動回路に電気的に接続されるが、その配線の間で電気的にショート状態とならないようにする必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１が開示する構成では、上電極の引き出し部分においては上電極だけでなく圧電体もまた延伸させることによって、圧電体の延伸部を上下電極の絶縁のために使用するという構成がとられている。特許文献２が開示する構成では、基板表面のうち圧電体が設けられていない領域に絶縁層を形成するとともに、その絶縁層の一部によって圧電体の側面を覆う絶縁性斜面を形成し、その絶縁性斜面に沿って設けた配線層を上電極と接続している。また、特許文献３が開示する構成では、下電極を圧電体より小さく形成するとともに、上電極は圧電体の段差を乗り越えて基板表面から圧電体上部まで形成しており、特許文献４では、下電極を覆う形で絶縁層が設けられることによって、上下電極間のショートの発生を抑制する構成がとられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１１６６８４号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７１４４号公報
【特許文献３】特開２００７−００６６２０号公報
【特許文献４】特開２００８−８７４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のような構成では、上記の窓空間上の可動領域だけでなく、可動領域を囲む周辺領域にまで圧電体が延伸しているが、周辺領域では基板が除去されていないために基板から圧電体への拘束力が作用する。その結果、圧電体における圧電変位量が低下する要因となっていた。また、可動領域と周辺領域との境界部分に圧電体の応力が集中するため、圧電体のうちその境界部分上にある部分にクラックなどの損傷が生じるという問題もある。
【０００７】
一方、下電極が圧電体より大きく形成されている特許文献２のような構成では、上電極と下電極との絶縁をとる必要があるが、完全に絶縁を確保する構造とは言い難い。また、特許文献３では、上電極よりも圧電体が小さく形成されているため上電極と下電極との絶縁については問題ないが、この構成を実現するためには下電極をパターニングした後に圧電体を形成する必要がある。ところがこの方法では、圧電体の中心部はパターニングされた下電極の上に形成される一方、圧電体の外周部は基板上に直接に形成されることになる。一般に、加熱状態で圧電体を形成した場合、形成された圧電体の特性は、その圧電体の形成温度の影響を受けやすいという性質がある。特許文献３の発明のように、下電極と基板表面との双方にまたがるように圧電体を形成するときには、圧電体形成時の温度分布も特に不均一になりがちであり、面内均一性の良い圧電体を形成することが困難となる。
【０００８】
このため、特許文献４のように、基板表面を広く覆うように絶縁膜を設けて、下電極はその絶縁膜の下に配置し、圧電体や上電極の延伸部はその絶縁膜の上に配置して電気的な絶縁をとることによって、圧電体の形成温度の均一性を向上させるという試みがなされている。しかしながら、たとえばシリコン酸化膜のような通常の絶縁膜上には、結晶配向性や圧電特性に優れた圧電薄膜を形成することができないのが実情である。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電変位の低下を防ぎ、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜に発生することを抑制できるとともに、優れた圧電性を有する圧電モジュール、圧電デバイスおよび圧電モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ダイヤフラム上に配置した圧電体を用いて電圧と力学的変形との間の変換を行う圧電変換モジュールであって、支持層上にダイヤフラム層が形成され、前記支持層には窓空間が設けられるとともに、前記窓空間が存在することによって、平面的な広がり範囲として、前記窓空間に相当する第１領域と、前記窓空間を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板と、前記ダイヤフラム層上に形成され、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層と、前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成された絶縁性のバッファ層と、前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて形成された上電極層と、を備え、前記圧電薄膜を形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、前記バッファ層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電モジュールであって、前記圧電材料と前記絶縁材料とは、ともにペロブスカイト構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項２に記載の圧電モジュールであって、前記圧電材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系を主成分とすることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項２に記載の圧電モジュールであって、前記絶縁材料は、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、およびＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電モジュールを備え、前記圧電モジュールによって電気信号と力学的変位との間の変換を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６の発明は、請求項５の圧電デバイスであって、前記圧電モジュールをインクの吐出駆動機構として備えることにより、インクジェットヘッドとして構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７の発明は、ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜への電圧印加により前記ダイヤフラムの面形状を変形させる圧電モジュールの製造方法であって、（ａ）支持層上にダイヤフラム層が形成され、平面的な広がり範囲として、第１領域と、前記第１領域を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板材を準備する工程と、（ｂ）前記ダイヤフラム層上に、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層を形成する工程と、（ｃ）前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成されたペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層を形成する工程と、（ｄ）前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、（ｅ）前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて上電極層を形成する工程と、（ｆ）前記複合材の前記支持層のうち、前記第１領域を選択的に除去して窓空間を形成し、前記窓空間内に前記ダイヤフラムを露出させる工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１ないし請求項７に記載の発明によれば、延伸エリアにおける上下電極層の電気的絶縁はバッファ層が担うため、窓空間内の駆動エリア内に圧電薄膜を局在させることが可能となっている。これにより、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜に発生することを抑制できる。
【００１８】
また、バッファ層を構成する絶縁材料は、圧電薄膜を構成する圧電材料と結晶構造とが同種であるために、バッファ層上に圧電薄膜を形成するにあたって圧電薄膜の結晶性を高くすることが可能となり、バッファ層を設けることによる圧電性の低下を抑制でき、またバッファ層と圧電薄膜との密着性も高く保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態で製造されるインクジェットヘッドの外観を示した図である。
【図２】本発明の実施形態で製造される圧電モジュールの構成を示した図である。
【図３】本発明の実施形態で製造される圧電モジュールの要部構成を示した一断面図である。
【図４】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図５】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図６】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図７】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図８】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図９】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１０】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１１】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１２】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１３】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１４】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１５】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１６】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１７】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【図１８】本発明の実施形態における一工程を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜１．圧電デバイスおよび圧電モジュールの概要＞
本発明の実施の形態は、インクジェットヘッドに内蔵されてインクの吐出駆動機構として使用される圧電モジュールとして構成される。
【００２１】
この明細書では、圧電素子を含んで構成されて一体化された機能構造体を「圧電モジュール」と呼び、圧電モジュールとは独立した他の部品と圧電モジュールとを組み合わせて完成する装置を「圧電デバイス」と呼んでいる。
【００２２】
＜１−１．基本構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電モジュール１０を適用したインクジェットヘッド１００を示す斜視図である。また、図２は、インクジェットヘッド１００のうち圧電モジュール１０の付近を示した図であって、そのうちの図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のI−I線で切断した断面図である。
【００２３】
図１において、インクジェットヘッド１００は、インクジェットプリンタ（図示略）に搭載されるものであり、略矩形のハウジングＨＳの内に、後述するプロセスで製造された１または複数の圧電モジュール（圧電変換モジュール）１０のほか、ドライバ回路やインターフェイス回路などの回路部品および、インクの主タンクなどの機構部品を内蔵して構成される。インクジェットプリンタ本体からのプリント制御信号に応答して、インクの吐出駆動機構としての圧電モジュール１０が、所定の記録媒体上にインクを吐出しつつ走査を行うことにより、記録媒体上に印字あるいは画像記録を行う。圧電モジュール１０は、ダイヤフラム上に配置した圧電体への印加電圧と圧電体（およびダイヤフラム）の力学的変形との間の変換を行うことによってインクの吐出を行う。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、圧電モジュール１０は、大別すると、ノズルプレートＬ１とガラス基板Ｌ２とボディプレートＬ３とを備えており、この順で底部から積層されている。
【００２５】
ノズルプレートＬ１は、厚さ100〜300μm程度で平板状のSi（シリコン）基板から形成されている。Si基板を面直方向に貫通する透孔によって、インク滴を吐出するノズル開口１１が複数並んで形成される（ただし、図２（ｂ）では１つのみ示す）。ノズル開口１１は、直径20μm程度の吐出先端口１１ａとその上に連結する直径50μm程度の吐出導入口１１ｂとの２段孔となっている。
【００２６】
ノズルプレートＬ１上に設けられたガラス基板Ｌ２にも面直方向に貫通する連通孔が形成され、それがノズル開口１１の導入口１１ｂの上部と連通する。後述する支持層ＬＳ（２３）の下面の選択的除去によって、ガラス基板Ｌ２上には、インクをノズルの吐出導入口１１ｂに送る個別流路１２が形成されている。
【００２７】
ボディプレートＬ３は、ダイヤフラム層ＬＤ（２１）が支持層ＬＳ（２３）によって支持される構成となっている。３層構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を構成する３層すなわち、下から、支持層ＬＳ（Si）、ボックス層ＬＸ（SiO2）および活性層ＬＤ（Si）の３層のうち、支持層ＬＳとボックス層ＬＸとが選択的に除去されることによって、支持層ＬＳおよびボックス層ＬＸには窓空間ＷＳ１，ＷＳ２が形成される。窓空間ＷＳ１が存在することによって、平面的な広がり範囲として、窓空間ＷＳ１に相当する第１領域Ａ１と、窓空間ＷＳ１を平面的に囲む第２領域Ａ２とが概念的に規定される。
【００２８】
また、活性層ＬＤのうち主として窓空間ＷＳ１上の部分は下方からの支持を失うことにより、比較的容易に変形可能となり、ダイヤフラム層ＬＤとして機能する。
【００２９】
圧電薄膜モジュール１０のうち圧電変換駆動部は、
(1) 当該ダイヤフラム層ＬＤ上に形成され、第１および第２領域Ａ１，Ａ２の双方にわたって広がる下電極層ＬＬ（５２）と、
(2) 第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶと、駆動エリアＭＶから第２領域Ａ２上に伸びる延伸エリアＥＡとの双方を覆うように、下電極層ＬＬ上に形成された絶縁性のバッファ層ＬＢ（５３ａ）と、
(3) 第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶにおいて、バッファ層ＬＢ上に形成された圧電薄膜ＬＰ（５４ａ）と、
(4) 圧電薄膜ＬＰ上の駆動エリアＭＶから、バッファ層ＬＢ上の延伸エリアＥＡのエリア内に形成された上電極層ＬＵ（５７ａ）と、
を備える。
【００３０】
ここで、窓空間ＷＳ１は圧力発生室１４として機能し、窓空間ＷＳ２は共通インク室１３として機能する。圧力発生室１４と共通インク室１３とは、個別流路１２を介して連通している。
【００３１】
なお、上電極層ＬＵ上部には電気配線接続部が設けられており、配線を通じて回路基板と電気的に接続される。
【００３２】
このような構造を持つ圧電モジュール１０においては、バッファ層ＬＢによって上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとが絶縁分離される。また、圧電薄膜ＬＰは窓空間ＷＳ１に相当する第１領域Ａ１内だけに存在しており、第２領域Ａ２には延伸していない。このため、第１領域と第２領域との境界部分での応力が圧電薄膜ＬＰに加わることはない。
【００３３】
さらに、この発明の特徴に対応して、バッファ層ＬＢは圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、形成されている。具体的には、結晶構造としてペロブスカイト構造を有するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）によって圧電薄膜ＬＰが形成されており、結晶構造として同じくペロブスカイト構造を有するＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）によってバッファ層ＬＢが形成されている。同種の結晶構造を有することにより、バッファ層ＬＢ上に形成される圧電薄膜ＬＰの結晶性は良好となり、圧電特性も向上する。この点については後の製造方法の説明中でも触れる。
【００３４】
＜１−２．基本動作＞
インクジェットプリンタ本体からのプリント制御信号に応じて下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの間に電圧が印加され、それによって圧電薄膜ＬＰは面内方向に縮むように変形する。その変形力によってダイヤフラム層ＬＤは下に凸となるように変形し、圧力発生室１４の容積を減少させる。これによって、圧力発生室１４内に供給されているインクがインク滴としてノズル開口１１から吐出する。下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの間に印加する電圧の極性を反転させることにより、圧電薄膜ＬＰおよびダイヤフラム層ＬＤは上に凸となるように変形し、圧力発生室１４の容積を増加させてインク滴の吐出を止めるとともに、インクの補充分を圧力発生室１４に導入する。
【００３５】
記録媒体とインクジェットヘッドとを相対的に走査させるとともに、プリント制御信号をオン／オフさせながらこのような動作を繰り返すことにより、記録媒体上に画像や文字がプリントされてゆく。
【００３６】
＜２．圧電モジュールの製造方法＞
本発明による圧電モジュールの製造方法を説明するにあたって、作製される圧電モジュール１０は、上述の通り、ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜ＬＰへの電圧印加によりダイヤフラムの面形状を変形させる機能をもち、インクジェット用の薄膜アクチュエータヘッドとして用いられる場合を想定している。
【００３７】
図３は、図２（ａ）のII−II線で切断した圧電モジュール１０の断面図であり、本発明の実施形態による圧電モジュールの製造方法により作製されたものである。図４〜図１８は、図２（ａ）のII−II線で切断した、本発明による圧電モジュールの製造方法の実施形態の各ステップを示す断面図である。
【００３８】
以下、図４〜図１８を参照して、図３の圧電モジュール１０の製造方法について説明する。
【００３９】
＜２−１．複合基板材の準備＞
まず、半導体を含む複合基板材として図４に示すようにＳＯＩ基板１を準備する。このＳＯＩ基板１は、熱酸化膜２０ａ，２０ｂが両主面ＭＳ１、ＭＳ２上に形成されており、それらの熱酸化膜２０ａ，２０ｂの間が、上から、厚さ5um程度の活性層２１（ダイヤフラム層ＬＤ）、厚さ0.2um程度のボックス層２２（ＬＸ）、厚さ100〜600μm程度の支持層２３（ＬＳ）の順で構成されている。
【００４０】
図２に示すように、このＳＯＩ基板１は、平面的な広がり範囲として、窓空間ＷＳ１の広がりに相当する第１領域Ａ１と、当該第１領域Ａ１を平面的に囲む第２領域Ａ２とを包含している。
【００４１】
＜２−２．第１主面側の製造プロセス＞
次に、ＳＯＩ基板１の両主面のうち圧電薄膜ＬＰを形成する第１主面（図４では上面）ＭＳ１における製造プロセスについて図５〜図１４を参照して順を追って説明する。
【００４２】
（第１工程）ダイヤフラム層ＬＤ上の全面にわたって（したがって、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の双方にわたって）一様に広がる下電極層ＬＬを形成する。
【００４３】
まず、図５で示されるように、第１主面ＭＳ１側の熱酸化膜２０ａの表面にTi（チタン）を厚さ20nmとなるようにスパッタ法で一様に形成し、その後、酸素雰囲気中で酸化しTiOx（酸化チタン）とする。続いて、Pt（白金）を厚さ100nmとなるようにスパッタ法で一様に形成する。TiOxは密着層５１、Ptが下電極層５２（下電極層ＬＬ）として機能させることを目的にこの順番でＳＯＩ基板１の第１主面ＭＳ１側の熱酸化膜２０ａの表面上に成膜する。
【００４４】
（第２工程）図６で示されるように、下電極層ＬＬ上の全体にわたってペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層ＬＢを一様に形成する。したがって、バッファ層ＬＢは、第１領域Ａ１内に規定された駆動エリアＭＶ（図２）と、当該駆動エリアＭＶから第２領域Ａ２上に伸びる延伸エリアＥＡ（同じく図２）との双方を覆うことになる。
【００４５】
具体的には、バッファ層５３は、安定的で良質のペロブスカイト構造を持つ薄膜を形成しやすいことで知られているＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）を用いて、膜厚100nmとなるようにスパッタ法で一様に形成する。成膜方法は、スパッタ法の他、有機金属熱分解法（ＭＯＤ法）や化学気相成長法（ＣＶＤ法）を使ってもよい。
【００４６】
（第３工程）図２の駆動エリアＭＶにおいて、バッファ層ＬＢ上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜ＬＰを形成する。
【００４７】
まず、図７で示されるように、バッファ層５３の上に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を膜厚5μmとなるようにスパッタ法で600℃の温度により一様に成膜する。ＰＺＴは良質のペロブスカイト構造を、組成や結晶配向性などを安定的に再現性良く成膜することが困難であるが、ＰＬＴなどのペロブスカイト構造を持つ絶縁性酸化物からなるバッファ層５３をあらかじめ形成しておき、そのバッファ層５３上に形成することで、特性の優れたＰＺＴ薄膜５４を再現良く安定的に形成することができるとともに、リーク電流を抑制して高い帯圧性を確保し、アクチュエータとしての機能を高くすることが可能となる。
【００４８】
続いて、図７のＰＺＴ薄膜層５４の上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図８で示されるように、ＰＺＴ薄膜層５４をパターニングするための直径200μmのレジストパターン５５を形成する。
【００４９】
その後、図９で示されるように、レジストパターン５５をマスクにして、ＰＺＴを塩素系またはフッ素系ガスを使ったＩＣＰドライエッチングで、直径200μmのＰＺＴパターン、すなわち、ＰＺＴ薄膜層５４ａを形成する。エッチングは、フッ硝酸系溶液などを使ったウェットエッチングでもよい。すなわち、このエッチングによって、ＰＺＴ薄膜層５４のうち駆動エリアＭＶの外側の部分を取り去ることで、圧電薄膜ＬＰを形成する。これにより、圧電薄膜ＬＰによる横方向の拘束を開放することができ、ダイヤフラム層ＬＤの圧電変位の低下を防ぎ、圧電変位を拡大でき、また、クラック発生の問題も回避することができる。
【００５０】
その後、図９の圧電薄膜ＬＰおよびバッファ層５３の上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１０で示されるように、バッファ層５３をパターニングするための駆動エリアＭＶを覆う直径210μmのレジストパターン５５ａおよび延伸エリアＥＡ（電極引出部）を覆う60μm幅のレジストパターン５５ｂを形成する。
【００５１】
そして、図１１で示されるように、レジストパターン５５ａおよびレジストパターン５５ｂをマスクにして、バッファ層５３であるＰＬＴを塩素系またはフッ素系ガスを使ったＩＣＰドライエッチングで、選択的にエッチングして、ＰＬＴパターン、すなわち、バッファ層５３ａ（バッファ層ＬＢ）をパターニングする。これにより、バッファ層ＬＢは、第１領域Ａ１の内部に存在する部分と、第２領域のうち延伸エリアＥＡに属する部分とを残して、他の部分は除去されることになる。エッチングは、フッ硝酸系溶液などを使ったウェットエッチングでもよい。
【００５２】
なお、形成されたバッファ層ＬＢは、後述する上電極層ＬＵより一回り大きく形成され、これにより下電極層ＬＬと上電極層ＬＵとの絶縁性が確保される構成となる。
【００５３】
（第４工程）圧電薄膜ＬＰ上の駆動エリアＭＶから、バッファ層ＬＢ上の延伸エリアＥＡにかけて上電極層ＬＵを形成する。
【００５４】
まず、図１２で示されるように、図１１のレジストパターン５５ａ，５５ｂを取り除き、それによって露出した構造上の全面に、Tiを厚さ20nmとなるようにスパッタ法にて形成し、続けてAu（金）を厚さ300nmとなるようにスパッタ法にてそれぞれ一様に形成する。ここでTiは密着層５６、Auは上電極層５７として機能させることを目的にこの順番で表面を成膜している。
【００５５】
続いて、図１２で形成された構成の全面に、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１３で示されるように、上電極層５７をパターニングするために、駆動エリアＭＶ内に直径180μmのレジストパターン５８ａおよび延伸エリアＥＡ（電極引出部）内に50μm幅のレジストパターン５８ｂを形成する。
【００５６】
そして、図１４で示されるように、レジストパターン５８ａ，５８ｂをマスクにして、選択的にAu層およびTi層のエッチングを行い、密着層５６ａおよび上電極層５７ａ（上電極層ＬＵ）を形成する。エッチングは、溶液を使ったウェットエッチングでも、塩素系ガスなどを用いたドライエッチングでもよい。
【００５７】
以上により、ＳＯＩ基板１のうち圧電薄膜ＬＰを形成する第１主面ＭＳ１側の製造プロセスが終了する。
【００５８】
＜２−３．第２主面側の製造プロセス＞
続いて、ＳＯＩ基板１の両主面のうち圧電薄膜ＬＰが形成される第１主面ＭＳ１とは反対側の第２主面ＭＳ２側における製造プロセスについて図１５〜図１８を参照して順を追って説明する。
【００５９】
（第５工程）上述した複合材の支持層ＬＳのうち、第１領域Ａ１を選択的に除去して窓空間ＷＳ１を形成し、窓空間ＷＳ１内にダイヤフラム層ＬＤを露出させる。
【００６０】
まず、図１５で示されるように、ＳＯＩ基板１の第２主面ＭＳ２にSiO2（二酸化ケイ素）層６０を厚さ2μmとなるようにＴＥＯＳ(Tetraethoxysilane：Si(OC2H5)4)-ＣＶＤ法で一様に形成する。
【００６１】
次に、SiO2層６０上から、レジストを一様に塗布し、それを選択的に露光して現像することにより、図１６で示されるように、レジストパターン６１を得る。このレジストパターン６１で保護されていないエリアが窓空間ＷＳ１の加工エリアとなる。なお、窓空間ＷＳ１の加工エリアとしては、直径220μm程度が適当である。
【００６２】
続いて、レジストパターン６１をマスクパターンとして、図１６で示されるレジストパターン６１で保護されていないエリア（窓空間ＷＳ１が形成されるエリア）のSiO2層６０および熱酸化膜２０ｂをＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置でCHF3ガスにて選択的にドライエッチングし、図１７で示されるように、SiO2層６０ａおよび熱酸化膜２０ｂ’のパターンを形成する。
【００６３】
そして、上記で形成したSiO2層６０ａのパターンをマスクにＳＯＩ基板１をＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)装置のボッシュプロセスで第２主面ＭＳ２に垂直な方向に選択的に深堀加工し、図１８で示されるように、窓空間ＷＳ１（圧力発生室１４）を作製する。
【００６４】
さらに、第１主面ＭＳ１側の構造をレジストで保護した状態で、ＷＳ１内の露出したボックス層ＬＸのSiO2、第２主面ＭＳ２上の表面のSiO2層６０ａおよび熱酸化膜２０ｂ’を希弗酸でウェットエッチングをして取り去る。
【００６５】
その後、第２主面ＭＳ２側に図２のガラス基板Ｌ２と２段穴１１を形成したノズルプレートＬ１とを組み付けて圧電モジュールとする（図３参照）。
【００６６】
以上までの第１工程〜第５工程を含む製造プロセスによって、図３に示されるような圧電モジュール１０を製造することができる。
【００６７】
また、インクジェットヘッド１００を製造する場合は、圧電モジュール１０をインクの主タンクや制御回路基板など他の部品群とともに図１のようなハウジングＨＳに組み込んで、電気的な配線と、構造的なパッケージングとを行うことにより、インクジェットヘッド１００を製造することになる。
【００６８】
＜３．本実施形態による圧電モジュールの性能検証＞
上述の本実施形態による圧電モジュール１０の性能検証を行うため、延伸エリアＥＡにバッファ層ＬＢを設けずに圧電薄膜ＬＰを形成した比較例と、本実施形態に従って製造した圧電モジュール１０とを比較しながら評価した。
【００６９】
その結果、比較例では、駆動時に駆動エリアＭＶと延伸エリアＥＡとの境界部分の圧電薄膜ＬＰにクラックが発生し、ダイヤフラム層ＬＤの圧電変位も本実施形態の場合と比べて低い結果が得られた。これに対し、本実施形態による圧電モジュール１０を適用した場合は、上述のクラックは発生せず、かつ、圧電変位においては比較例と比べて２割向上する成果が得られた。
【００７０】
以上の性能検証からわかるように、実施形態による圧電モジュール１０は比較例と比較して下記の点で優れている。
【００７１】
まず、上述の製造された圧電モジュール１０の構造では、延伸エリアＥＡにおける上電極層ＬＵと下電極層ＬＬとの電気的絶縁をバッファ層ＬＢにより実現することができるため、窓空間ＷＳ１内の駆動エリアＭＶ内に圧電薄膜ＬＰを局在させることが可能（すなわち圧電薄膜を、窓空間ＷＳ１を超えて延長形成することが不要）となり、圧電変位の低下を防ぐことができるとともに、圧電変形時の応力集中に伴うクラックが圧電薄膜ＬＰに発生することを抑制できる。
【００７２】
また、バッファ層ＬＢを構成する絶縁材料は、圧電薄膜ＬＰを構成する圧電材料と結晶構造が同種であるために、バッファ層ＬＢ上に圧電薄膜ＬＰを形成するにあたって圧電薄膜ＬＰの結晶性を高くすることが可能となり、バッファ層ＬＢを設けることによる圧電性の低下を抑制でき、またバッファ層ＬＢと圧電薄膜ＬＰとの密着性も高く保つことができる。
【００７３】
＜４．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７４】
※ 本実施形態では、バッファ層ＬＢを形成する絶縁材料としてＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）を用いたが、これに限られず、たとえば、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、および、ＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としてもよい。
【００７５】
※ 本実施形態では、圧電薄膜ＬＰを形成する圧電材料として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いたが、ＰＺＴに添加物を加えても良く、ＰＺＴ系を主成分とする種々の材料も利用できる。
【００７６】
※ この発明では、バッファ層が電気的な絶縁性を有しかつバッファ層と圧電薄膜とのそれぞれの結晶構造が同種（すなわち原子の配列規則が同一）であればよく、結晶構造はペロブスカイト構造に限られない。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 圧電モジュール
１００ 圧電デバイス（インクジェットヘッド）
Ａ１ 第１エリア
Ａ２ 第２エリア
ＭＶ 駆動エリア
ＥＡ 延伸エリア
ＬＳ 支持層
ＬＸ ボックス層
ＬＤ ダイヤフラム層（活性層）
ＬＬ 下電極層
ＬＢ バッファ層
ＬＰ 圧電薄膜
ＬＵ 上電極層
ＭＳ１ 第１主面（一方主面）
ＭＳ２ 第２主面（他方主面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラム上に配置した圧電体を用いて電圧と力学的変形との間の変換を行う圧電変換モジュールであって、
支持層上にダイヤフラム層が形成され、前記支持層には窓空間が設けられるとともに、前記窓空間が存在することによって、平面的な広がり範囲として、前記窓空間に相当する第１領域と、前記窓空間を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板と、
前記ダイヤフラム層上に形成され、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層と、
前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成された絶縁性のバッファ層と、
前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて形成された上電極層と、
を備え、
前記圧電薄膜を形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、前記バッファ層が形成されていることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電モジュールであって、
前記圧電材料と前記絶縁材料とは、ともにペロブスカイト構造を有することを特徴とする圧電モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電モジュールであって、
前記圧電材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系を主成分とすることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の圧電モジュールであって、
前記絶縁材料は、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、およびＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としていることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電モジュールを備え、前記圧電モジュールによって電気信号と力学的変位との間の変換を行うことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項６】
請求項５の圧電デバイスであって、前記圧電モジュールをインクの吐出駆動機構として備えることにより、インクジェットヘッドとして構成されていることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項７】
ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜への電圧印加により前記ダイヤフラムの面形状を変形させる圧電モジュールの製造方法であって、
（ａ） 支持層上にダイヤフラム層が形成され、平面的な広がり範囲として、第１領域と、前記第１領域を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板材を準備する工程と、
（ｂ） 前記ダイヤフラム層上に、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層を形成する工程と、
（ｃ） 前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成されたペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層を形成する工程と、
（ｄ） 前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、
（ｅ） 前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて上電極層を形成する工程と、
（ｆ） 前記複合材の前記支持層のうち、前記第１領域を選択的に除去して窓空間を形成し、前記窓空間内に前記ダイヤフラムを露出させる工程と、
を備えることを特徴とする圧電モジュールの製造方法。
【請求項１】
ダイヤフラム上に配置した圧電体を用いて電圧と力学的変形との間の変換を行う圧電変換モジュールであって、
支持層上にダイヤフラム層が形成され、前記支持層には窓空間が設けられるとともに、前記窓空間が存在することによって、平面的な広がり範囲として、前記窓空間に相当する第１領域と、前記窓空間を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板と、
前記ダイヤフラム層上に形成され、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層と、
前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成された絶縁性のバッファ層と、
前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて形成された上電極層と、
を備え、
前記圧電薄膜を形成する圧電材料と同種の結晶構造を有する絶縁材料によって、前記バッファ層が形成されていることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電モジュールであって、
前記圧電材料と前記絶縁材料とは、ともにペロブスカイト構造を有することを特徴とする圧電モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電モジュールであって、
前記圧電材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系を主成分とすることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の圧電モジュールであって、
前記絶縁材料は、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム)、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、およびＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）からなる群のうちから選択されたいずれかを主成分としていることを特徴とする圧電モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧電モジュールを備え、前記圧電モジュールによって電気信号と力学的変位との間の変換を行うことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項６】
請求項５の圧電デバイスであって、前記圧電モジュールをインクの吐出駆動機構として備えることにより、インクジェットヘッドとして構成されていることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項７】
ダイヤフラム上に配置した圧電薄膜への電圧印加により前記ダイヤフラムの面形状を変形させる圧電モジュールの製造方法であって、
（ａ） 支持層上にダイヤフラム層が形成され、平面的な広がり範囲として、第１領域と、前記第１領域を平面的に囲む第２領域とが規定された複合基板材を準備する工程と、
（ｂ） 前記ダイヤフラム層上に、前記第１および第２領域の双方にわたって広がる下電極層を形成する工程と、
（ｃ） 前記第１領域内に規定された駆動エリアと、前記駆動エリアから前記第２領域上に伸びる延伸エリアとの双方を覆うように、前記下電極層上に形成されたペロブスカイト構造をもつ絶縁性のバッファ層を形成する工程と、
（ｄ） 前記駆動エリアにおいて、前記バッファ層上にペロブスカイト構造をもつ圧電材料からなる圧電薄膜を形成する工程と、
（ｅ） 前記圧電薄膜上の前記駆動エリアから、前記バッファ層上の前記延伸エリアにかけて上電極層を形成する工程と、
（ｆ） 前記複合材の前記支持層のうち、前記第１領域を選択的に除去して窓空間を形成し、前記窓空間内に前記ダイヤフラムを露出させる工程と、
を備えることを特徴とする圧電モジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１１９３４７（Ｐ２０１２−１１９３４７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６４７４１（Ｐ２０１０−２６４７４１）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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