圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッド
【課題】特性の劣化を抑制した圧電素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００は、基板１０と、基板１０の上方に形成された下部電極２０と、下部電極２０の上方に形成された圧電体層３０と、圧電体層３０の上方の少なくとも一部に形成された上部電極４０と、を有し、圧電体層３０は、下部電極２０と上部電極４０の間に形成された第１の部分３２と、第１の部分３２の外側に連続して形成された第２の部分３４と、を有し、第２の部分３４は、下部電極２０の少なくとも一部を覆い、第２の部分３４の膜厚は、第１の部分３２の膜厚よりも薄い。
【解決手段】本発明に係る圧電素子１００は、基板１０と、基板１０の上方に形成された下部電極２０と、下部電極２０の上方に形成された圧電体層３０と、圧電体層３０の上方の少なくとも一部に形成された上部電極４０と、を有し、圧電体層３０は、下部電極２０と上部電極４０の間に形成された第１の部分３２と、第１の部分３２の外側に連続して形成された第２の部分３４と、を有し、第２の部分３４は、下部電極２０の少なくとも一部を覆い、第２の部分３４の膜厚は、第１の部分３２の膜厚よりも薄い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高精細、高速印刷手法として、インクジェット記録装置が実用化されている。インクジェット記録装置に搭載される液体噴射ヘッドとしては、圧電体層を下部電極と上部電極で挟んだ構造の圧電素子を用いる方法が有用である。代表的な圧電体層の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が知られている（特開２００５−１１９１９９号公報参照）。
【０００３】
圧電体層の加工は、一般的に、ドライエッチングが用いられる。圧電体層の変位量を大きくするためには、テーパー角、すなわち下部電極と圧電体層の側面とのなす角が、５０°以上が望ましい。しかし、圧電体層のエッチング工程では、テーパー角を大きくすると圧電体層の側面に下部電極材料が堆積する場合があり、リーク電流の原因となる。また、圧電体層と下部電極との界面がドライエッチング時の塩素ガス等の活性ガスによりダメージを受ける場合がある。リーク電流の増加および圧電体層と下部電極との界面へのダメージは、圧電素子の特性の劣化につながる。
【特許文献１】特開２００５−１１９１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、特性の劣化を抑制した圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、上記圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび液体噴射ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方の少なくとも一部に形成された上部電極と、を有し、
前記圧電体層は、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、
前記第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚は、前記第１の部分の膜厚よりも薄い。
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、圧電体層が、下部電極と上部電極の間に形成された第１の部分と、第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有する。第２の部分は、下部電極の少なくとも一部を覆い、第１の部分の膜厚よりも薄いため、第１の部分の変形および振動板の変位を妨げずに、圧電素子の特性の劣化を抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【０００８】
本発明に係る圧電素子において、
前記第２の部分は、前記第１の部分から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。
【０００９】
本発明に係る圧電素子において、
前記第２の部分の最大膜厚は、前記第１の部分の膜厚の１／１０以下であることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、共通電極であり、少なくとも前記下部電極の一部が露出していることができる。
【００１１】
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、共通電極であり、前記第２の部分で覆われていることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、ドライエッチングにより、前記圧電体層が、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、該第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分とを有するように行われ、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングが中止される。
【００１３】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、イオンの直進性の低いドライエッチングにより、前記下部電極と前記上部電極の間に前記圧電体層の第１の部分を形成し、該第１の部分の側面の少なくとも一部に堆積層を形成する工程と、
イオンの直進性の高いドライエッチングにより、前記堆積層を除去するとともに、前記第１の部分の外側に前記圧電体層の第２の部分を連続して形成し、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングを中止する工程と、を含む。
【００１４】
本発明に係る圧電アクチュエータは、
本発明に係る圧電素子を含み、
前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって変形する振動板を有することができる。
【００１５】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電アクチュエータを含み、
前記基板に形成された圧力室と、
前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．圧電素子
図１〜図３は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示した断面図である。
【００１８】
圧電素子１００は、図１に示すように、基板１０と、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、を含む。圧電体層３０は、第１の部分３２と、第２の部分３４と、を有する。
【００１９】
基板１０の材質は、例えば、導電体、半導体または絶縁体などを用いることができ、特に限定されない。基板１０は、例えば、（１１０）単結晶シリコン基板を用いることができる。基板１０は、例えば、後述するインクジェット式記録ヘッドの圧力室１２（図１２参照）が形成されることができる。基板１０は、例えば、振動板６０（図１２参照）や酸化チタン等の密着層を有してもよい。
【００２０】
下部電極２０は、基板１０の上に形成される。下部電極２０は、圧電体層３０の第１の部分３２に電圧を印加するための一方で電極である。下部電極２０としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物およびランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）等の酸化物を用いることができる。下部電極２０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。下部電極２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００２１】
圧電体層３０は、下部電極２０の上に形成される。圧電体層３０には、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層３０は、例えば、ペロブスカイト型酸化物からなることができる。具体的には、圧電体層３０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）（以下ＰＺＴという）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などを用いることができる。圧電体層３０は、第１の部分３２と第２の部分３４とを有する。
【００２２】
第１の部分３２は、下部電極２０の上方に形成される。第１の部分３２は、下部電極２０と上部電極４０との間に形成され、印加された電圧により駆動することができる。
【００２３】
第２の部分３４は、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続して形成される。第２の部分３４は、例えば、第１の部分３２から突出して形成される。また、第２の部分３４は、下部電極２０の少なくとも一部を覆うように形成される。これにより、後述するように、圧電体層３０がパターニングされる際に、第１の部分３２の側面に、リーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを抑制できる。また、第２の部分３４は、第１の部分３２と下部電極２０との界面のドライエッチング時の活性ガスによるダメージを抑制することができる。
【００２４】
第２の部分３４の膜厚は、第１の部分３２の膜厚よりも薄く形成される。第２の部分３４は、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。したがって、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０（図１２参照）の変位を妨げないことができる。例えば、第２の部分３４の最大膜厚となる、第２の部分３４が第１の部分３２と接する箇所の膜厚は、第１の部分３２の膜厚の１／１０以下であることが望ましい。第２の部分３４が第１の部分３２と接する箇所の膜厚は、例えば、２０ｎｍ〜１００ｎｍであることができる。
【００２５】
第２の部分３４の長さ、すなわち、第２の部分３４が第１の部分３２と接している箇所から第２の部分３４の先端までの長さは、第１の部分３２の厚さにもよるが、例えば、１００ｎｍ以上であることができる。第２の部分３４のテーパー角、すなわち第２の部分３４の傾斜面と下部電極２０とのなす角は、例えば、１°程度であることができる。
【００２６】
下部電極２０が共通電極の場合、図２に示すように、下部電極２０は、隣り合う第１の部分３２の間に露出している領域を有することができる。これにより、第２の部分３４は、振動板６０の変位を妨げないことができる。また、下部電極２０は、図３に示すように、第２の部分３４に覆われていることもできる。第２の部分３４は、振動板６０の変位を妨げない程度に膜厚が薄く形成されることで、下部電極２０を覆うことができる。
【００２７】
上部電極４０は、第１の部分３２の上に形成される。上部電極４０は、下部電極２０と対になり他方の電極として機能する。上部電極４０の厚みは、例えば、２０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。上部電極４０としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物などを用いることができる。また、上部電極４０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００２８】
圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００２９】
圧電素子１００は、圧電体層３０の第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続して形成される第２の部分３４を有する。これにより、下部電極２０の露出部と圧電体層３０の側壁が第２の部分３４により物理的に離れるため、圧電体層３０がエッチングされる際に、第１の部分３２の側面にリーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを防止できる。よって、第１の部分３２のテーパー角を大きくすることができる。すなわち、変位特性の良い圧電素子を形成できる。また、第２の部分３４により、第１の部分３２と下部電極２０との界面がドライエッチング時に露出しないため、この界面へのダメージを抑制することができる。したがって、圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。
【００３０】
圧電素子１００は、圧電体層３０の第２の部分３４が、圧電体層３０の第１の部分３２より膜厚が薄く、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。これにより、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０の変位を妨げずに、圧電素子１００の特性の劣化を抑制することができる。
【００３１】
２．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４〜図６は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。図７および図８は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程の変形例を模式的に示す断面図である。
【００３２】
図４に示すように、基板１０の上に下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０とをこの順に成膜する。
【００３３】
下部電極２０および上部電極４０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法により成膜される。
【００３４】
圧電体層３０は、例えば、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法、レーザーアブレーション法により成膜される。ここで例えば、圧電体層３０の材質がＰＺＴからなる場合、酸素雰囲気で７００℃程度のアニールを行うことで、圧電体層３０が結晶化される。
【００３５】
図５に示すように、上部電極４０の上に、レジストマスク５０を形成する。レジストマスク５０は、公知の方法で成膜、パターニングがされる。後述する上部電極４０と圧電体層３０とをパターニングする工程で酸素を導入する場合は、例えば、チタン（Ｔｉ）または、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）等のハードマスクを用いることが望ましい。
【００３６】
図６に示すように、上部電極４０と圧電体層３０とをパターニングする。パターニングは、例えば、ドライエッチングで行うことができる。ドライエッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマを用いたエッチング装置で１．０Ｐａ以下の圧力で行うと良好なパターニングができる。上部電極４０のエッチングガスとしては、例えば、塩素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。圧電体層３０のエッチングガスとしては、例えば、塩素系のガスとフロン系のガスとの混合ガスを用いることができる。塩素系のガスとしては、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２などが挙げられる。フロン系のガスとしては、例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６などが挙げられる。
【００３７】
圧電体層３０は、ドライエッチングにより、圧電体層３０の第１の部分３２が形成されるとともに、μローディング効果により、第１の部分３２の外側に第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状が形成される。μローディング効果とは、パターン密度の局所的な差異により、エッチング速度や形状が変化する現象を言う。μローディング効果によって、例えば、パターンが密な部分ではエッチングレートが遅くなり、粗の部分ではエッチングレートが早くなる。ドライエッチング時に酸素をエッチングガスとして導入することにより、μローディング効果を増大させることができる。
【００３８】
第１の部分３２の外側が所望の形状になったところで、エッチングを中止することで、第２の部分３４が形成される。例えば、下部電極２０の少なくとも一部が露出した時点でエッチングを中止することで、第２の部分３４が形成されることができる。第２の部分３４は、オーバーエッチング量を調整することで任意の形状に形成されることができる。
【００３９】
図１に示すように、レジストマスク５０を除去する。レジストマスク５０は、公知の方法で除去することができる。
【００４０】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００４１】
変形例として、上述の圧電体層３０のパターニングする工程を、以下の工程に置き換えることで、圧電素子１００を製造することができる。
【００４２】
図７に示すように、上部電極４０および圧電体層３０をエッチングする。エッチングは、イオンの直進性の低いドライエッチングで行う。ドライエッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマを用いたエッチング装置を用いて、２．０Ｐａ程度の圧力でエッチングすることにより、イオンの直進性の低いエッチングを行うことができる。エッチングガスとしては、例えば、塩素系のガスと、フロン系のガスの混合ガスを用いることができる。イオンの直進性が低いため、レジストマスク５０および第１の部分３２の側面に、圧電体層３０のエッチング残渣およびカーボンとフロンを含有するポリマー等からなる堆積層５２が形成される。圧電体層３０は、堆積層５２がマスクとなることで、第１の部分３２のテーパー角、すなわち下部電極２０と第１の部分３２の側面のなす角が、イオンの直進性の高い場合と比較して、小さく形成されることができる。
【００４３】
図８に示すように、イオンの直進性の高いドライエッチングを行う。例えば、上述したイオンの直進性の低いエッチング条件から、圧力を０．５Ｐａ以下に変更することで、イオンの直進性の高いエッチングを行うことができる。これにより、堆積層５２が除去され、第１の部分３２が形成されるとともに、第１の部分のテーパー角が大きくなる。さらに、第１の部分３２の外側に第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状が形成される。
【００４４】
第１の部分３２の外側が所望の形状になったところで、エッチングを中止することで、第２の部分３４が形成される。例えば、下部電極２０の少なくとも一部が露出した時点でエッチングを中止することで、第２の部分３４が形成されることができる。第２の部分３４は、オーバーエッチング量を調整することで任意の形状に形成されることができる。
【００４５】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００４６】
圧電素子１００の製造方法は、例えば、以下のような特徴を有する。
【００４７】
圧電素子１００の製造方法によれば、圧電体層３０のパターニング工程において、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続する第２の部分３４を形成することができる。これにより、第１の部分３２の側面にリーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを防止できる。また、第２の部分３４は、第１の部分３２と下部電極２０との界面のドライエッチング時のダメージを抑制することができる。したがって、圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。
【００４８】
圧電素子１００は、第２の部分３４が、第１の部分３２より膜厚が薄く、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。これにより、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０の変位を妨げずに、圧電素子１００の特性の劣化を抑制することができる。
【００４９】
３．実施例
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明は、これらに限定されない。
【００５０】
３．１．本実施例に係るサンプルの製造方法
本実施例の圧電素子１００のサンプルは、以下のようにして得た。
【００５１】
シリコン基板上に、厚さ１００ｎｍの白金と厚さ２０ｎｍのイリジウムの順に形成された積層構造からなる下部電極２０を形成した。下部電極２０は、スパッタ法により形成された。
【００５２】
下部電極２０の上に、厚さ１．２μｍのＰＺＴからなる圧電体層３０を形成した。圧電体層３０は、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成された。
【００５３】
圧電体層３０の上に、厚さ５０ｎｍのイリジウムからなる上部電極４０を形成した。上部電極４０は、スパッタ法により形成された。
【００５４】
上部電極４０と圧電体層３０をドライエッチングし、上部電極４０と、第１の部分３２および第２の部分３４とを形成した。圧電体層３０のドライエッチングは、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いたエッチング装置で、０．５Ｐａ以下の圧力で行った。エッチングガスは、ＢＣｌ３とＣ４Ｆ８の混合ガスを用いた。オーバーエッチング量を調整することで、圧電体層３０の第２の部分３４を所望の形状にした。
【００５５】
以上の工程により、本実施例の圧電素子１００を製造した。
【００５６】
３．２．比較例に係るサンプルの製造方法
比較例の圧電素子は、第２の部分３４を有さない他は、本実例の圧電素子１００と同様とした。比較例の圧電素子のサンプルは、圧電体層３０ｘをエッチングする工程で、本実施例の圧電素子１００よりもオーバーエッチング量を増加させ、本実施例の第２の部分３４に相当する部分を有さないように形成した。その他の工程は、本実施例の圧電素子１００と同様に行い、比較例の圧電素子を作製した。
【００５７】
３．３．圧電体層の第２の部分の形状
上述の方法で形成した本実施例の圧電素子１００を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で評価した。
【００５８】
図９は、上述の方法で形成した本実施例の圧電素子１００の断面ＳＥＭ写真である。ＳＥＭ観察の結果、本実施例の圧電素子１００は、基板１０の上に、下部電極２０、第１の部分３２、第２の部分３４および上部電極４０が確認された。第２の部分３４は、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることが確認された。
【００５９】
図１０は、比較例の圧電素子の断面ＳＥＭ写真である。ＳＥＭ観察の結果、比較例の圧電素子は、基板１０ｘの上に下部電極２０ｘ、圧電体層３０ｘの第１の部分３２ｘおよび上部電極４０ｘが確認された。第１の部分３２ｘの外側は、下部電極２０ｘが露出し、本実施例の第２の部分３４に相当する部分が形成されていないことが確認された。
【００６０】
３．４．リーク電流
本実施例の圧電素子１００のリーク電流を評価した。
【００６１】
図１１は、本実施例の圧電素子１００と比較例の圧電素子のリーク電流を測定した結果である。符号Ａは、本実施例の圧電素子１００の測定結果、符号Ｂは、比較例の圧電素子の測定結果である。測定の結果、本実施例の圧電素子１００は、すべての印加電圧で、比較例の圧電素子より、リーク電流が少ないことが確認できた。これにより、本実施例の圧電素子１００は、第２の部分３４を有することで、リーク電流を減少させることが確認できた。
【００６２】
４．圧電アクチュエータおよび液体噴射ヘッド
次に、上述した圧電素子がアクチュエータとして機能している液体噴射ヘッドについて説明する。
【００６３】
図１２は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。図１３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の分解斜視図である。なお、図１３は、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
【００６４】
液体噴射ヘッド２００は、図１２に示すように、ノズル板７０と、圧力室１２と、圧電アクチュエータ１５０と、を含む。圧電アクチュエータ１５０は、振動板６０と、圧電素子１００と、を含む。液体噴射ヘッド２００は、図１３に示すように、さらに、筐体１７を有する。なお、図１３では、便宜上、積層体８０を簡略化している。
【００６５】
ノズル板７０は、圧力室１２に通じるノズル孔７２を有する。ノズル孔７２からは、インクが吐出される。ノズル板７０は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）製の圧延プレートである。ノズル板７０は、通常使用される状態では基板１０の下（図１３では上）に固定される。筐体１７は、ノズル板７０および圧電素子１００を収納することができる。筐体１７は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いて形成される。
【００６６】
基板１０がノズル板７０と振動板６０との間の空間を区画することにより、図１３に示すように、リザーバ（液体貯留部）１４、供給口１５および圧力室１２が設けられている。振動板６０には、厚さ方向に貫通した貫通孔１６が設けられている。リザーバ１４は、外部（例えばインクカートリッジ）から貫通孔１６を通じて供給されるインクを一時的に貯留する。供給口１５によって、リザーバ１４から圧力室１２へインクが供給される。
【００６７】
圧力室１２は、基板１０に形成されている。圧力室１２は、振動板６０の変形により容積可変になっている。この容積変化により、ノズル孔７２からインクが吐出される。
【００６８】
振動板６０は、基板１０の上に形成されている。振動板６０は、圧電素子１００の動作により、変位することができる。振動板６０は、例えば、酸化シリコンと酸化ジルコニウムの２層からなることができる。
【００６９】
積層体８０は、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、を含む。積層体８０は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）することができる。振動板６０は、積層体８０の変形によって変形し、圧力室１２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００７０】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１５０と液体噴射ヘッド２００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７１】
本実施形態に係る圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。これにより、特性の劣化を抑制することができる圧電アクチュエータ１５０と液体噴射ヘッド２００を得ることができる。
【００７２】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド２００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタ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（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噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【００７３】
また、例えば、上述した本発明の実施形態に係る圧電素子は、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）等のキャパシタ構造を有するデバイスに適用することができる。
【００７４】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る圧電素子の製造工程の変形例を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係る圧電素子の製造工程の変形例を模式的に示す断面図。
【図９】本実施例に係る圧電素子を示す断面ＳＥＭ観察結果。
【図１０】比較例に係る圧電素子を示す断面ＳＥＭ観察結果。
【図１１】本実施例に係る圧電素子と比較例に係る圧電素子のリーク電流の測定結果。
【図１２】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図１３】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 基板、１２ 圧力室、１４ リザーバ、１５ 供給口、１６ 貫通口、１７ 筐体、２０ 下部電極、３０ 圧電体層、３２ 第１の部分、３４ 第２の部分、４０ 上部電極、５０ レジストマスク、５２ 堆積層、６０ 振動板、７０ ノズル板、７２ ノズル孔、８０ 積層体、１００ 圧電素子、１５０ 圧電アクチュエータ、２００ 液体噴射ヘッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子およびその製造方法、圧電アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高精細、高速印刷手法として、インクジェット記録装置が実用化されている。インクジェット記録装置に搭載される液体噴射ヘッドとしては、圧電体層を下部電極と上部電極で挟んだ構造の圧電素子を用いる方法が有用である。代表的な圧電体層の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が知られている（特開２００５−１１９１９９号公報参照）。
【０００３】
圧電体層の加工は、一般的に、ドライエッチングが用いられる。圧電体層の変位量を大きくするためには、テーパー角、すなわち下部電極と圧電体層の側面とのなす角が、５０°以上が望ましい。しかし、圧電体層のエッチング工程では、テーパー角を大きくすると圧電体層の側面に下部電極材料が堆積する場合があり、リーク電流の原因となる。また、圧電体層と下部電極との界面がドライエッチング時の塩素ガス等の活性ガスによりダメージを受ける場合がある。リーク電流の増加および圧電体層と下部電極との界面へのダメージは、圧電素子の特性の劣化につながる。
【特許文献１】特開２００５−１１９１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、特性の劣化を抑制した圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、上記圧電素子を有する圧電アクチュエータおよび液体噴射ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方の少なくとも一部に形成された上部電極と、を有し、
前記圧電体層は、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、
前記第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚は、前記第１の部分の膜厚よりも薄い。
【０００６】
本発明に係る圧電素子は、圧電体層が、下部電極と上部電極の間に形成された第１の部分と、第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有する。第２の部分は、下部電極の少なくとも一部を覆い、第１の部分の膜厚よりも薄いため、第１の部分の変形および振動板の変位を妨げずに、圧電素子の特性の劣化を抑制することができる。
【０００７】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【０００８】
本発明に係る圧電素子において、
前記第２の部分は、前記第１の部分から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。
【０００９】
本発明に係る圧電素子において、
前記第２の部分の最大膜厚は、前記第１の部分の膜厚の１／１０以下であることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、共通電極であり、少なくとも前記下部電極の一部が露出していることができる。
【００１１】
本発明に係る圧電素子において、
前記下部電極は、共通電極であり、前記第２の部分で覆われていることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、ドライエッチングにより、前記圧電体層が、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、該第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分とを有するように行われ、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングが中止される。
【００１３】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、イオンの直進性の低いドライエッチングにより、前記下部電極と前記上部電極の間に前記圧電体層の第１の部分を形成し、該第１の部分の側面の少なくとも一部に堆積層を形成する工程と、
イオンの直進性の高いドライエッチングにより、前記堆積層を除去するとともに、前記第１の部分の外側に前記圧電体層の第２の部分を連続して形成し、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングを中止する工程と、を含む。
【００１４】
本発明に係る圧電アクチュエータは、
本発明に係る圧電素子を含み、
前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって変形する振動板を有することができる。
【００１５】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電アクチュエータを含み、
前記基板に形成された圧力室と、
前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．圧電素子
図１〜図３は、本実施形態に係る圧電素子１００を模式的に示した断面図である。
【００１８】
圧電素子１００は、図１に示すように、基板１０と、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、を含む。圧電体層３０は、第１の部分３２と、第２の部分３４と、を有する。
【００１９】
基板１０の材質は、例えば、導電体、半導体または絶縁体などを用いることができ、特に限定されない。基板１０は、例えば、（１１０）単結晶シリコン基板を用いることができる。基板１０は、例えば、後述するインクジェット式記録ヘッドの圧力室１２（図１２参照）が形成されることができる。基板１０は、例えば、振動板６０（図１２参照）や酸化チタン等の密着層を有してもよい。
【００２０】
下部電極２０は、基板１０の上に形成される。下部電極２０は、圧電体層３０の第１の部分３２に電圧を印加するための一方で電極である。下部電極２０としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物およびランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）等の酸化物を用いることができる。下部電極２０は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。下部電極２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００２１】
圧電体層３０は、下部電極２０の上に形成される。圧電体層３０には、圧電性を有する材料を用いることができる。圧電体層３０は、例えば、ペロブスカイト型酸化物からなることができる。具体的には、圧電体層３０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）（以下ＰＺＴという）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）などを用いることができる。圧電体層３０は、第１の部分３２と第２の部分３４とを有する。
【００２２】
第１の部分３２は、下部電極２０の上方に形成される。第１の部分３２は、下部電極２０と上部電極４０との間に形成され、印加された電圧により駆動することができる。
【００２３】
第２の部分３４は、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続して形成される。第２の部分３４は、例えば、第１の部分３２から突出して形成される。また、第２の部分３４は、下部電極２０の少なくとも一部を覆うように形成される。これにより、後述するように、圧電体層３０がパターニングされる際に、第１の部分３２の側面に、リーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを抑制できる。また、第２の部分３４は、第１の部分３２と下部電極２０との界面のドライエッチング時の活性ガスによるダメージを抑制することができる。
【００２４】
第２の部分３４の膜厚は、第１の部分３２の膜厚よりも薄く形成される。第２の部分３４は、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。したがって、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０（図１２参照）の変位を妨げないことができる。例えば、第２の部分３４の最大膜厚となる、第２の部分３４が第１の部分３２と接する箇所の膜厚は、第１の部分３２の膜厚の１／１０以下であることが望ましい。第２の部分３４が第１の部分３２と接する箇所の膜厚は、例えば、２０ｎｍ〜１００ｎｍであることができる。
【００２５】
第２の部分３４の長さ、すなわち、第２の部分３４が第１の部分３２と接している箇所から第２の部分３４の先端までの長さは、第１の部分３２の厚さにもよるが、例えば、１００ｎｍ以上であることができる。第２の部分３４のテーパー角、すなわち第２の部分３４の傾斜面と下部電極２０とのなす角は、例えば、１°程度であることができる。
【００２６】
下部電極２０が共通電極の場合、図２に示すように、下部電極２０は、隣り合う第１の部分３２の間に露出している領域を有することができる。これにより、第２の部分３４は、振動板６０の変位を妨げないことができる。また、下部電極２０は、図３に示すように、第２の部分３４に覆われていることもできる。第２の部分３４は、振動板６０の変位を妨げない程度に膜厚が薄く形成されることで、下部電極２０を覆うことができる。
【００２７】
上部電極４０は、第１の部分３２の上に形成される。上部電極４０は、下部電極２０と対になり他方の電極として機能する。上部電極４０の厚みは、例えば、２０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができる。上部電極４０としては、例えば、白金、イリジウム、それらの導電性酸化物などを用いることができる。また、上部電極４０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００２８】
圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００２９】
圧電素子１００は、圧電体層３０の第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続して形成される第２の部分３４を有する。これにより、下部電極２０の露出部と圧電体層３０の側壁が第２の部分３４により物理的に離れるため、圧電体層３０がエッチングされる際に、第１の部分３２の側面にリーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを防止できる。よって、第１の部分３２のテーパー角を大きくすることができる。すなわち、変位特性の良い圧電素子を形成できる。また、第２の部分３４により、第１の部分３２と下部電極２０との界面がドライエッチング時に露出しないため、この界面へのダメージを抑制することができる。したがって、圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。
【００３０】
圧電素子１００は、圧電体層３０の第２の部分３４が、圧電体層３０の第１の部分３２より膜厚が薄く、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。これにより、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０の変位を妨げずに、圧電素子１００の特性の劣化を抑制することができる。
【００３１】
２．圧電素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４〜図６は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。図７および図８は、本実施形態に係る圧電素子１００の製造工程の変形例を模式的に示す断面図である。
【００３２】
図４に示すように、基板１０の上に下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０とをこの順に成膜する。
【００３３】
下部電極２０および上部電極４０は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法により成膜される。
【００３４】
圧電体層３０は、例えば、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法、レーザーアブレーション法により成膜される。ここで例えば、圧電体層３０の材質がＰＺＴからなる場合、酸素雰囲気で７００℃程度のアニールを行うことで、圧電体層３０が結晶化される。
【００３５】
図５に示すように、上部電極４０の上に、レジストマスク５０を形成する。レジストマスク５０は、公知の方法で成膜、パターニングがされる。後述する上部電極４０と圧電体層３０とをパターニングする工程で酸素を導入する場合は、例えば、チタン（Ｔｉ）または、ランタンニッケルオキサイド（ＬＮＯ）等のハードマスクを用いることが望ましい。
【００３６】
図６に示すように、上部電極４０と圧電体層３０とをパターニングする。パターニングは、例えば、ドライエッチングで行うことができる。ドライエッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマを用いたエッチング装置で１．０Ｐａ以下の圧力で行うと良好なパターニングができる。上部電極４０のエッチングガスとしては、例えば、塩素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。圧電体層３０のエッチングガスとしては、例えば、塩素系のガスとフロン系のガスとの混合ガスを用いることができる。塩素系のガスとしては、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２などが挙げられる。フロン系のガスとしては、例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６などが挙げられる。
【００３７】
圧電体層３０は、ドライエッチングにより、圧電体層３０の第１の部分３２が形成されるとともに、μローディング効果により、第１の部分３２の外側に第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状が形成される。μローディング効果とは、パターン密度の局所的な差異により、エッチング速度や形状が変化する現象を言う。μローディング効果によって、例えば、パターンが密な部分ではエッチングレートが遅くなり、粗の部分ではエッチングレートが早くなる。ドライエッチング時に酸素をエッチングガスとして導入することにより、μローディング効果を増大させることができる。
【００３８】
第１の部分３２の外側が所望の形状になったところで、エッチングを中止することで、第２の部分３４が形成される。例えば、下部電極２０の少なくとも一部が露出した時点でエッチングを中止することで、第２の部分３４が形成されることができる。第２の部分３４は、オーバーエッチング量を調整することで任意の形状に形成されることができる。
【００３９】
図１に示すように、レジストマスク５０を除去する。レジストマスク５０は、公知の方法で除去することができる。
【００４０】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００４１】
変形例として、上述の圧電体層３０のパターニングする工程を、以下の工程に置き換えることで、圧電素子１００を製造することができる。
【００４２】
図７に示すように、上部電極４０および圧電体層３０をエッチングする。エッチングは、イオンの直進性の低いドライエッチングで行う。ドライエッチングは、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマを用いたエッチング装置を用いて、２．０Ｐａ程度の圧力でエッチングすることにより、イオンの直進性の低いエッチングを行うことができる。エッチングガスとしては、例えば、塩素系のガスと、フロン系のガスの混合ガスを用いることができる。イオンの直進性が低いため、レジストマスク５０および第１の部分３２の側面に、圧電体層３０のエッチング残渣およびカーボンとフロンを含有するポリマー等からなる堆積層５２が形成される。圧電体層３０は、堆積層５２がマスクとなることで、第１の部分３２のテーパー角、すなわち下部電極２０と第１の部分３２の側面のなす角が、イオンの直進性の高い場合と比較して、小さく形成されることができる。
【００４３】
図８に示すように、イオンの直進性の高いドライエッチングを行う。例えば、上述したイオンの直進性の低いエッチング条件から、圧力を０．５Ｐａ以下に変更することで、イオンの直進性の高いエッチングを行うことができる。これにより、堆積層５２が除去され、第１の部分３２が形成されるとともに、第１の部分のテーパー角が大きくなる。さらに、第１の部分３２の外側に第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状が形成される。
【００４４】
第１の部分３２の外側が所望の形状になったところで、エッチングを中止することで、第２の部分３４が形成される。例えば、下部電極２０の少なくとも一部が露出した時点でエッチングを中止することで、第２の部分３４が形成されることができる。第２の部分３４は、オーバーエッチング量を調整することで任意の形状に形成されることができる。
【００４５】
以上の工程により、圧電素子１００を製造することができる。
【００４６】
圧電素子１００の製造方法は、例えば、以下のような特徴を有する。
【００４７】
圧電素子１００の製造方法によれば、圧電体層３０のパターニング工程において、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２と連続する第２の部分３４を形成することができる。これにより、第１の部分３２の側面にリーク電流の原因となる下部電極２０を構成する材料が堆積することを防止できる。また、第２の部分３４は、第１の部分３２と下部電極２０との界面のドライエッチング時のダメージを抑制することができる。したがって、圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。
【００４８】
圧電素子１００は、第２の部分３４が、第１の部分３２より膜厚が薄く、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることができる。これにより、第２の部分３４は、第１の部分３２の変形および振動板６０の変位を妨げずに、圧電素子１００の特性の劣化を抑制することができる。
【００４９】
３．実施例
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明は、これらに限定されない。
【００５０】
３．１．本実施例に係るサンプルの製造方法
本実施例の圧電素子１００のサンプルは、以下のようにして得た。
【００５１】
シリコン基板上に、厚さ１００ｎｍの白金と厚さ２０ｎｍのイリジウムの順に形成された積層構造からなる下部電極２０を形成した。下部電極２０は、スパッタ法により形成された。
【００５２】
下部電極２０の上に、厚さ１．２μｍのＰＺＴからなる圧電体層３０を形成した。圧電体層３０は、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成された。
【００５３】
圧電体層３０の上に、厚さ５０ｎｍのイリジウムからなる上部電極４０を形成した。上部電極４０は、スパッタ法により形成された。
【００５４】
上部電極４０と圧電体層３０をドライエッチングし、上部電極４０と、第１の部分３２および第２の部分３４とを形成した。圧電体層３０のドライエッチングは、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いたエッチング装置で、０．５Ｐａ以下の圧力で行った。エッチングガスは、ＢＣｌ３とＣ４Ｆ８の混合ガスを用いた。オーバーエッチング量を調整することで、圧電体層３０の第２の部分３４を所望の形状にした。
【００５５】
以上の工程により、本実施例の圧電素子１００を製造した。
【００５６】
３．２．比較例に係るサンプルの製造方法
比較例の圧電素子は、第２の部分３４を有さない他は、本実例の圧電素子１００と同様とした。比較例の圧電素子のサンプルは、圧電体層３０ｘをエッチングする工程で、本実施例の圧電素子１００よりもオーバーエッチング量を増加させ、本実施例の第２の部分３４に相当する部分を有さないように形成した。その他の工程は、本実施例の圧電素子１００と同様に行い、比較例の圧電素子を作製した。
【００５７】
３．３．圧電体層の第２の部分の形状
上述の方法で形成した本実施例の圧電素子１００を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で評価した。
【００５８】
図９は、上述の方法で形成した本実施例の圧電素子１００の断面ＳＥＭ写真である。ＳＥＭ観察の結果、本実施例の圧電素子１００は、基板１０の上に、下部電極２０、第１の部分３２、第２の部分３４および上部電極４０が確認された。第２の部分３４は、第１の部分３２の外側に、第１の部分３２から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状であることが確認された。
【００５９】
図１０は、比較例の圧電素子の断面ＳＥＭ写真である。ＳＥＭ観察の結果、比較例の圧電素子は、基板１０ｘの上に下部電極２０ｘ、圧電体層３０ｘの第１の部分３２ｘおよび上部電極４０ｘが確認された。第１の部分３２ｘの外側は、下部電極２０ｘが露出し、本実施例の第２の部分３４に相当する部分が形成されていないことが確認された。
【００６０】
３．４．リーク電流
本実施例の圧電素子１００のリーク電流を評価した。
【００６１】
図１１は、本実施例の圧電素子１００と比較例の圧電素子のリーク電流を測定した結果である。符号Ａは、本実施例の圧電素子１００の測定結果、符号Ｂは、比較例の圧電素子の測定結果である。測定の結果、本実施例の圧電素子１００は、すべての印加電圧で、比較例の圧電素子より、リーク電流が少ないことが確認できた。これにより、本実施例の圧電素子１００は、第２の部分３４を有することで、リーク電流を減少させることが確認できた。
【００６２】
４．圧電アクチュエータおよび液体噴射ヘッド
次に、上述した圧電素子がアクチュエータとして機能している液体噴射ヘッドについて説明する。
【００６３】
図１２は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の要部を模式的に示す断面図である。図１３は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド２００の分解斜視図である。なお、図１３は、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
【００６４】
液体噴射ヘッド２００は、図１２に示すように、ノズル板７０と、圧力室１２と、圧電アクチュエータ１５０と、を含む。圧電アクチュエータ１５０は、振動板６０と、圧電素子１００と、を含む。液体噴射ヘッド２００は、図１３に示すように、さらに、筐体１７を有する。なお、図１３では、便宜上、積層体８０を簡略化している。
【００６５】
ノズル板７０は、圧力室１２に通じるノズル孔７２を有する。ノズル孔７２からは、インクが吐出される。ノズル板７０は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）製の圧延プレートである。ノズル板７０は、通常使用される状態では基板１０の下（図１３では上）に固定される。筐体１７は、ノズル板７０および圧電素子１００を収納することができる。筐体１７は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等を用いて形成される。
【００６６】
基板１０がノズル板７０と振動板６０との間の空間を区画することにより、図１３に示すように、リザーバ（液体貯留部）１４、供給口１５および圧力室１２が設けられている。振動板６０には、厚さ方向に貫通した貫通孔１６が設けられている。リザーバ１４は、外部（例えばインクカートリッジ）から貫通孔１６を通じて供給されるインクを一時的に貯留する。供給口１５によって、リザーバ１４から圧力室１２へインクが供給される。
【００６７】
圧力室１２は、基板１０に形成されている。圧力室１２は、振動板６０の変形により容積可変になっている。この容積変化により、ノズル孔７２からインクが吐出される。
【００６８】
振動板６０は、基板１０の上に形成されている。振動板６０は、圧電素子１００の動作により、変位することができる。振動板６０は、例えば、酸化シリコンと酸化ジルコニウムの２層からなることができる。
【００６９】
積層体８０は、下部電極２０と、圧電体層３０と、上部電極４０と、を含む。積層体８０は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）することができる。振動板６０は、積層体８０の変形によって変形し、圧力室１２の内部圧力を瞬間的に高めることができる。
【００７０】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１５０と液体噴射ヘッド２００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７１】
本実施形態に係る圧電素子１００は、特性の劣化を抑制することができる。これにより、特性の劣化を抑制することができる圧電アクチュエータ１５０と液体噴射ヘッド２００を得ることができる。
【００７２】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド２００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタ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（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噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【００７３】
また、例えば、上述した本発明の実施形態に係る圧電素子は、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）等のキャパシタ構造を有するデバイスに適用することができる。
【００７４】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る圧電素子の製造工程の変形例を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係る圧電素子の製造工程の変形例を模式的に示す断面図。
【図９】本実施例に係る圧電素子を示す断面ＳＥＭ観察結果。
【図１０】比較例に係る圧電素子を示す断面ＳＥＭ観察結果。
【図１１】本実施例に係る圧電素子と比較例に係る圧電素子のリーク電流の測定結果。
【図１２】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。
【図１３】本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 基板、１２ 圧力室、１４ リザーバ、１５ 供給口、１６ 貫通口、１７ 筐体、２０ 下部電極、３０ 圧電体層、３２ 第１の部分、３４ 第２の部分、４０ 上部電極、５０ レジストマスク、５２ 堆積層、６０ 振動板、７０ ノズル板、７２ ノズル孔、８０ 積層体、１００ 圧電素子、１５０ 圧電アクチュエータ、２００ 液体噴射ヘッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方の少なくとも一部に形成された上部電極と、を有し、
前記圧電体層は、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、
前記第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚は、前記第１の部分の膜厚よりも薄い、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の部分は、前記第１の部分から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状である、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２の部分の最大膜厚は、前記第１の部分の膜厚の１／１０以下である、圧電素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下部電極は、共通電極であり、少なくとも前記下部電極の一部が露出している、圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下部電極は、共通電極であり、前記第２の部分で覆われている、圧電素子。
【請求項６】
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、ドライエッチングにより、前記圧電体層が、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、該第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分とを有するように行われ、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングが中止される、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、イオンの直進性の低いドライエッチングにより、前記下部電極と前記上部電極の間に前記圧電体層の第１の部分を形成し、該第１の部分の側面の少なくとも一部に堆積層を形成する工程と、
イオンの直進性の高いドライエッチングにより、前記堆積層を除去するとともに、前記第１の部分の外側に前記圧電体層の第２の部分を連続して形成し、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングを中止する工程と、を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電素子を含み、
前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって変形する振動板を有する、圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電アクチュエータを含み、
前記基板に形成された圧力室と、
前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有する、液体噴射ヘッド。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方の少なくとも一部に形成された上部電極と、を有し、
前記圧電体層は、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、
前記第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚は、前記第１の部分の膜厚よりも薄い、圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の部分は、前記第１の部分から離れる方向に向かって膜厚が薄くなるテーパー形状である、圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２の部分の最大膜厚は、前記第１の部分の膜厚の１／１０以下である、圧電素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下部電極は、共通電極であり、少なくとも前記下部電極の一部が露出している、圧電素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下部電極は、共通電極であり、前記第２の部分で覆われている、圧電素子。
【請求項６】
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、ドライエッチングにより、前記圧電体層が、前記下部電極と前記上部電極の間に形成された第１の部分と、該第１の部分の外側に連続して形成された第２の部分とを有するように行われ、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングが中止される、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
基板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層の上方に上部電極を成膜する工程と、
前記圧電体層と前記上部電極とをパターニングする工程と、を含み、
前記パターニングする工程は、イオンの直進性の低いドライエッチングにより、前記下部電極と前記上部電極の間に前記圧電体層の第１の部分を形成し、該第１の部分の側面の少なくとも一部に堆積層を形成する工程と、
イオンの直進性の高いドライエッチングにより、前記堆積層を除去するとともに、前記第１の部分の外側に前記圧電体層の第２の部分を連続して形成し、
前記第２の部分が、前記下部電極の少なくとも一部を覆い、前記第２の部分の膜厚が前記第１の部分よりも薄く形成されるように、ドライエッチングを中止する工程と、を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電素子を含み、
前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって変形する振動板を有する、圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電アクチュエータを含み、
前記基板に形成された圧力室と、
前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有する、液体噴射ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２５２７５７（Ｐ２００９−２５２７５７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９４６１９（Ｐ２００８−９４６１９）
【出願日】平成２０年４月１日（２００８．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１日（２００８．４．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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