圧電素子の製造方法
【課題】製造工程において受けたダメージを回復して変位量の均一性や信頼性の良好な圧電素子を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、基体側の上方に第１電極を形成する工程と、前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、第１のアニールを行う工程と、を含む。
【解決手段】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、基体側の上方に第１電極を形成する工程と、前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、第１のアニールを行う工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の製造方法、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターに関する。
【背景技術】
【０００２】
高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）に代表される圧電体層を用いた圧電素子が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。また、圧電素子は、インクジェットプリンターの他に、圧電ポンプ、表面弾性波素子、薄膜圧電共振子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、および電子機器等のデバイスにおいても用いられる。このような圧電素子は結晶構造を有するため、製造工程において様々なダメージを受けて変位量の均一性や信頼性が失われてしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、製造工程において受けたダメージを回復して変位量の均一性や信頼性の良好な圧電素子、ならびに当該圧電素子を含むインクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、
（ａ）基体側の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
（ｃ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、
（ｅ）前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、
（ｆ）第１のアニールを行う工程と、
（ｇ）前記上部電極と電気的に接続する配線膜を形成する工程と、
を含む。
【０００６】
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【０００７】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｅ）は、
（ｅ１）保護膜を成膜する工程と、
（ｅ２）前記保護膜をパターニングする工程と、
を有することができる。
【０００８】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｆ）における第１のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【０００９】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｅ１）と（ｅ２）との間に、
第２のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１０】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第２のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１１】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｃ）と（ｄ）との間に、
第３のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１２】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第３のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１３】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｂ）と（ｃ）との間に、
第４のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１４】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第４のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記第１のアニールは、酸素雰囲気で行われることができる。
【００１６】
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述した製造方法により製造された圧電素子を含む。
【００１７】
本発明にかかるインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図４】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図５】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図６】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図７】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図８】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図９】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１０】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１１】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１２】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１３】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１４】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１５】第１の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】第２の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１７】第３の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１８】実験例にかかる圧電素子の変位量分布を示す図である。
【図１９】実験例にかかる圧電素子の変位量低下率を示す図である。
【図２０】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２１】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２２】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２３】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２４】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２５】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２６】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２７】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２８】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２９】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図３０】本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成図である。
【図３１】本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３２】本実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
１．圧電素子の製造方法
本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法について説明する。本実施の形態にかかる圧電素子１００は、インクジェット式記録ヘッド１０００に適用される。図１は、圧電素子１００の製造方法を示すフローチャートである。図２〜図１４は、本発明の実施形態にかかる圧電素子１００およびインクジェット式記録ヘッド１０００の製造方法を模式的に示す断面図である。図示した構造は、インクジェット式記録ヘッド１０００の要部で
ある圧電動作によって変形する部分、すなわち、圧電素子１００（図１３、図１４参照）を中心として描いてある。ここでは説明の便宜のために、単純な例を示すのであり、本実施形態の構造は、ここで示す構造に限定されるものではない。
【００２１】
（１）まず、図２に示すように、基体の一部としての基板１０を準備する（ステップＳ１００）。基板１０は、たとえばシリコン層１２および酸化物層１４を有する。酸化物層１４は、シリコン層１２の上部に酸化処理を施すことによって設けられた酸化シリコンであってもよいし、シリコン層１２の上面に公知の方法によって新たに設けられた酸化シリコンその他の酸化物であってもよい。酸化物層１４は、熱酸化処理などによって設けることができる。あるいは、基板１０の上部に酸化物層１４を別途設ける場合は、蒸着、スパッタ等の公知の方法によることができる。
【００２２】
（２）次に、図３に示すように、基板１０上に弾性体層２０を形成する（ステップＳ１００）。弾性体層２０は、スパッタ法、真空蒸着、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＣＶＤ法）などの公知の方法で形成することができる。弾性体層２０の材質としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンまたは、酸化アルミニウムなどが好適である。基板１０の上面に酸化物層１４を設けている場合、弾性体層２０の材質は、酸化物層１４の材質と同じ材質でも、異なる材質でもよい。たとえば、弾性体層２０は、材質を酸化ジルコニウムとし、スパッタ法により、たとえば５００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２３】
（３）次に、図４に示すように、弾性体層２０上に、下部電極層３０（第１電極）を形成する（ステップＳ１０２）。下部電極層３０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。下部電極層３０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ3やＬａＮｉＯ3といった複合酸化物など、を用いることができる。また、下部電極層３０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。たとえば、下部電極層３０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２４】
（４）次に、図５に示すように、下部電極層３０上に、圧電体層４０を形成する（ステップＳ１０４）。圧電体層４０は、ゾル−ゲル法、有機金属熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等の液相法やＣＶＤ法を用いて形成される。圧電体層４０の材質は、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物とすることができる。すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）は、圧電性能が良好なため、圧電体層４０の材質として好適である。たとえば、ゾル−ゲル法を用いる場合には、Ｐｂ、Ｚｒ、およびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を下部電極層３０上に塗布し、その後、乾燥工程および脱脂工程、および結晶化アニール工程を経ることにより、圧電体層４０を形成することができる。乾燥工程は、たとえば１００℃〜２００℃程度で行うことができる。脱脂工程は、たとえば３００℃〜４００℃程度で行うことができる。結晶化アニールは、たとえば６００℃〜８００℃程度で行うことができる。以上の一連の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の圧電体層４０を得ることができる。圧電体層４０の膜厚は、たとえば５０ｎｍ〜１５００ｎｍであることができる。
【００２５】
（５）次に、図６に示すように、圧電体層４０上に、上部電極層５０（第２電極）を形成する（ステップＳ１０６）。上部電極層５０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。上部電極層５０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ3やＬａＮｉＯ3といった複合酸化物など、を用いることができる。また、上部電極層５０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。たとえば、上部電極層５０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。このようにして、下部電極層３０、圧電体層４０、および上部電極層５０からなるキャパシタ構造部６０を形成することができる。
【００２６】
（６）次に、図７に示すように、強誘電体層４０および上部電極層５０をパターニングすることにより、所定の形状の強誘電体層４２および上部電極層５２と下部電極層３０とを含むキャパシタ構造部６２を形成する（ステップＳ１０８）。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。
【００２７】
（７）次に、図８に示すように、キャパシタ構造部６２の上面および側面に保護膜７０を形成する（ステップＳ１１０）。保護膜７０の成膜方法としては、公知のスパッタ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。保護膜７０の材質としては、たとえば酸化アルミニウムや酸化シリコンを用いることができる。
【００２８】
（８）次に、図９に示すように、保護膜７０をパターニングする（ステップＳ１１２）。パターニングは、たとえば、上部電極層５２の上面を露出するために行われる。保護膜７０をパターニングすることによって、保護膜７０の上方に形成される配線膜８０と、上部電極層５２とを電気的に接続させることができる。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。
【００２９】
（９）次に、アニール（第１のアニール）を行う（ステップＳ１１４）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。
【００３０】
（１０）次に、図１０に示すように、配線膜８０を形成する（ステップＳ１１６）。配線膜８０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。配線膜８０の材質は、ニッケル、クロム、金などの各種の金属またはこれらの化合物を用いることができる。また、配線膜８０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。たとえば、配線膜８０は、ニッケルクロムと、その上に金が積層されたものであることができる。
【００３１】
（１１）次に、図１１に示すように、配線膜８０をパターニングして（ステップＳ１１６）、配線膜８２を形成する。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。配線膜８０をパターニングすることにより、複数のキャパシタ構造部６２を互いに断線させることができ、キャパシタ構造部６２毎に異なる動作を可能とすることができる。
【００３２】
（１２）次に、図１２に示すように、封止板９０を基体１０の上方に固定する（ステップＳ１１８）。封止板９０は、キャパシタ構造部６２を封止し、かつ基板１０、弾性体層２０、キャパシタ構造部６２を支持することができる。封止板９０は、たとえばシリコン等の材質からなることができる。封止板９０は、キャパシタ構造部６２と接触するように固定されてもよいし、接触しないように固定されていてもよい。
【００３３】
（１３）次に、図１３に示すように、基板１０に圧力発生室１６を形成する（ステップＳ１２０）。圧力発生室１６は、基板１０の下面から、公知の異方性エッチング技術を用いて凹状の孔を形成することにより得られる。
【００３４】
その後、図１４に示すように、基板１０の下にノズルプレート１８を接合する。ノズルプレート１８は、開口部を有するステンレス板などを用いることができる。圧力発生室１６は、基板１０にキャパシタ構造部６２に対応して、その下方に形成される。圧力発生室１６は、インクジェット式記録ヘッド１０００が駆動する際、液体が満たされる。圧力発生室１６に満たされた液体は、圧電素子１００の動作により加圧される。圧力発生室１６は、前記圧力により、ノズルプレート１８の開口部を通じて、前記液体を吐出させる機能を有する。
【００３５】
以上の工程により、圧電素子１００を有するインクジェット式記録ヘッド１０００を製造することができる。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド１０００の製造方法によれば、保護膜７２の形成後にアニールを行っている（ステップＳ１１４）ため、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜およびエッチングの際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。さらに、本実施の形態では、保護膜７０のパターニング後にアニールを行っていることから、熱が保護膜７２の内側のキャパシタ構造部６２に伝わりやすく、効率的にダメージを回復させることができる。
【００３６】
２．変形例
次に変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。
【００３７】
２．１．第１の変形例
図１５は、第１の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第１の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護膜７０のパターニング前にアニールを行う工程をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００３８】
まず、上述した１．の工程（１）〜（７）を行う（ステップＳ２００〜Ｓ２１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ２１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００３９】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ２１２〜Ｓ２２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００４０】
ステップＳ２１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。
【００４１】
２．２．第２の変形例
図１６は、第２の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第２の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護
膜７０のパターニング前にアニールを行う工程と、上部電極層５０の成膜後にアニールを行う工程と、をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００４２】
まず、上述した１．の工程（１）〜（５）を行う（ステップＳ３００〜Ｓ３０６）。
【００４３】
次に、アニール（第３のアニール）を行う（ステップＳ３０７）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われてもよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００４４】
次に、上述した１．の工程（６）、（７）を行う（ステップＳ３０８〜Ｓ３１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ３１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００４５】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ３１２〜Ｓ３２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００４６】
ステップＳ３１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。またステップＳ３０７のアニールを行うことにより、圧電体層４０の酸素欠損を補うことができる。
【００４７】
２．３．第３の変形例
図１７は、第３の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第３の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護膜７０のパターニング前にアニールを行う工程と、上部電極層５０の成膜後にアニールを行う工程と、圧電体層４０の成膜後にアニールを行う工程と、をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００４８】
まず、上述した１．の工程（１）〜（４）を行う（ステップＳ４００〜Ｓ４０４）。
【００４９】
次に、アニール（第４のアニール）を行う（ステップＳ４０５）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われて
もよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５０】
次に、上述した１．の工程（５）を行う（ステップＳ４０６）。次に、アニール（第３のアニール）を行う（ステップＳ４０７）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われてもよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５１】
次に、上述した１．の工程（６）、（７）を行う（ステップＳ３０８〜Ｓ３１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ４１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５２】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ４１２〜Ｓ４２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００５３】
ステップＳ４１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。またステップＳ４０７のアニールおよびステップＳ４０５のアニールを行うことにより、圧電体層４０の酸素欠損を補うことができる。
【００５４】
３．実験例
３．１．圧電素子の変位量分布および変位量の低下率
圧電素子の変位量分布および変位量の低下率を調べた。変位量を測定するためのサンプルは以下のように作製した。
【００５５】
３．１．１．サンプル１の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００５６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜して、その上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００５７】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第１のアニール）を行った。アニールは、５５０℃で１時間行った。次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル１を作製した。
【００５８】
３．１．２．サンプル２の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００５９】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第２のアニール）を行った。アニールは、５５０℃で１時間行った。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６０】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル２を作製した。
【００６１】
３．１．３．サンプル３の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００６２】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第４のアニール）を行った。アニールは、７００℃で３時間行った。
【００６３】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６４】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル３を作製した。
【００６５】
３．１．４．サンプル４の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００６６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６７】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル４を作製した。
【００６８】
３．１．５．変位量分布
以上のようにして作製したサンプル１〜サンプル４について、シリコン基板の面内方向における位置毎に変位量を測定した。その結果を図１８に示す。図１８において、縦軸は、各サンプルの変位量の最大値を１として規格化した値を示し、横軸は、基板上における測定位置を示す。
【００６９】
図１８によれば、サンプル１の変位量分布が最も面内均一性が高く、次いでサンプル２およびサンプル３の変位量分布が最も面内均一性が良好で、サンプル４の変位量分布が最も面内均一性が低いことが認められた。これによれば、保護膜のパターニング後にアニールを行うことによって、変位量の面内均一性が最も向上することが確認された。また保護膜形成後および圧電膜形成後にアニールを行うことによっても、変位量の面内均一性が向上することが確認された。
【００７０】
３．１．６．変位量の低下率
サンプル１〜サンプル４について、信頼性試験（パルス耐久試験）を行うことにより変位量の低下率を測定した。信頼性試験においては、＋１５．５Ｖ→−２Ｖ→＋３３Ｖ→＋８Ｖ→＋１５．５Ｖのパルスバイアスを、周波数５０ｋＨｚで各サンプルに印加し、パルス回数が５０億回、１００億回、および１９０億回の時点で変位量を測定した。測定結果から、電圧を印加する前の変位量に対する低下率を算出した。その結果を図１９に示す。
【００７１】
図１９によれば、サンプル４の変位量低下率は、約６．８％程度であったが、サンプル１〜サンプル３のいずれも変位量低下率が３％以内に抑えられていた。したがって、アニールを行うことにより、圧電素子の変位量低下率が抑制され、信頼性が向上することが確認された。
【００７２】
３．２．サンプル毎のヒステリシス特性
３．１．において作製したサンプル１、サンプル２、サンプル４についてヒステリシス特性を測定した。測定結果を示すＴＶＳ曲線を図２０〜図２４に示す。図２０は、サンプル１のＴＶＳ曲線を示す。図２１は、サンプル２のＴＶＳ曲線を示す。図２２〜図２４は、サンプル４のＴＶＳ曲線を示し、図２２は上部電極のエッチング後の測定結果であり、図２３は保護膜成膜後の測定結果であり、図２４は保護膜エッチング後の測定結果である。
【００７３】
図２２〜図２４によれば、上部電極のエッチング後にその後のプロセスを経ることによって、ダブルピークが発生し、徐々に特性が劣化していることがわかる。これに対し、図２０および図２１によれば、アニールを行ったサンプル１およびサンプル２のＴＶＳ曲線ではダブルピークが解消し、特性が回復していることが確認された。
【００７４】
３．３．ヒステリシス特性のアニール温度依存性
以下のように、サンプル５を作製して複数の温度でアニールを行い、ヒステリシス特性を調べた。
【００７５】
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００７６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてド
ライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。
【００７７】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第３のアニール）を行った。アニールは、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃で５分間行ったサンプルをそれぞれサンプル５〜９とし、それぞれのアニール前およびアニール後のヒステリシス特性を図２５〜図２９に示す。
【００７８】
図２５〜図２９によれば、５５０℃でアニールを行ったサンプル５については、アニールすることによって、ヒステリシス特性が向上したことが確認された。これに対し、６５０℃以上のアニール温度では、ヒステリシス特性の向上はみられなかった。したがって、特性を向上させるためには、６００℃以下のアニール温度が好ましく、さらに５５０℃程度がより好ましいことが確認された。
【００７９】
４．インクジェット式記録ヘッドの全体構造
次に、圧電素子１００を用いたインクジェット式記録ヘッドの全体構成について説明する。図３０は、インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図３１は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図３１は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【００８０】
インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５００は、図３０に示すように、ヘッド本体５４２と、ヘッド本体５４２の上に設けられた圧電部５４０と、を備える。なお、図３０に示した圧電部５４０は、圧電素子１００における下部電極層３０、圧電体層４２、および上部電極層５２に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子１００は、圧電アクチュエータとして機能することができる。圧電アクチュエータとは、ある物質を動かす機能を有する素子、即ち電圧を印加することにより機械的ひずみを発生させる素子である。
【００８１】
また、圧電素子１００における酸化物層１４および弾性体層２０は、図３０において弾性膜５５０に相当する。また、基板１０はヘッド本体５４２の要部を構成するものとなっている。
【００８２】
すなわち、ヘッド５００は、図３１に示すようにノズルプレート５１０と、インク室基板５２０と、弾性膜５５０と、弾性膜５５０に接合された圧電部（振動源）５４０とを備え、これらが基体５６０に収納されて構成されている。なお、このヘッド５００は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００８３】
ノズルプレート５１０は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
【００８４】
ノズルプレート５１０には、インク室基板５２０が固着（固定）されている。インク室基板５２０は、上述のシリコン基板１２によって形成されたものである。インク室基板５２０は、ノズルプレート５１０、側壁（隔壁）５２２、および後述する弾性膜５５０によって、複数のキャビティー（インクキャビティー）５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図２３参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティー５２１にインクが供給される。
【００８５】
キャビティー５２１は、図３０および図３１に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティー５２１は、後述する弾性膜５５０の振動によってそれぞれ
容積可変になっている。キャビティー５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
【００８６】
インク室基板５２０のノズルプレート５１０と反対の側には弾性膜５５０が配設されている。さらに弾性膜５５０のインク室基板５２０と反対の側には複数の圧電部５４０が設けられている。弾性膜５５０の所定位置には、図３１に示すように、弾性膜５５０の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、後述するインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。
【００８７】
各圧電部５４０は、後述する圧電素子駆動回路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）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４０はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能する。弾性膜５５０は、圧電部５４０の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティー５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
【００８８】
基体５６０は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図３１に示すように、この基体５６０にインク室基板５２０が固定、支持されている。
【００８９】
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５００によれば、上述したように、圧電部５４０にクラックが発生しにくいため信頼性が高く、良好な圧電特性を有し、効率的なインクの吐出が可能となっている。したがって、ノズル５１１の高密度化などが可能となり、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
【００９０】
５．インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド５００を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図３２は、本発明のインクジェットプリンター６００を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図３２中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【００９１】
インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。
【００９２】
装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。
【００９３】
印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。
【００９４】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を備えるインクジェット式記録ヘッド５００と、このインクジェット式記録ヘッド５００にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５００およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。
【００９５】
往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるととも
に、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５００から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
【００９６】
給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
【００９７】
本実施の形態にかかるインクジェットプリンター６００によれば、信頼性が高く高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５００を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【００９８】
なお、本発明のインクジェットプリンター６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
【００９９】
６．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。
【０１００】
また、上述した実施形態に係る圧電素子は、アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンターの他に、たとえばジャイロセンサ等のジャイロ素子、ＦＢＡＲ（film bulk acoustic resonator）型やＳＭＲ（solid mounted resonator）型等
のＢＡＷ（bulk acoustic wave）フィルタ、超音波モータなどに適用されることができる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、上述したように良好な圧電特性を有し、信頼性が高いため、各種の用途に好適に適用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１０ 基板、１２ シリコン層、１４ 酸化物層、２０ 弾性体層、３０ 下部電極層、３２ 下部電極層、４０ 圧電体層、４２ 圧電体層、５０ 上部電極層、５２ 上部電極層、６２ キャパシタ構造部、７０ 保護膜、７２ 保護膜、８０ 配線膜、８２ 配線膜、９０ 封止板、１００ 圧電素子、５００ インクジェット式記録ヘッド、５１０
ノズル板、５１１ ノズル、５２０ インク室基板、５２１ キャビティー、５２２ 側壁、５２３ リザーバ、５２４ 供給口、５３１ 連通孔、５４０ 圧電アクチュエータ、５４２ ヘッド本体、５５０ 弾性板、５６０ 基体、６００ インクジェットプリンター、６２０ 装置本体、６２１ トレイ、６２２ 排出口、６３０ ヘッドユニット、６３１ インクカートリッジ、６３２ キャリッジ、６４０ 印刷装置、６４１ キャリッジモータ、６４２ 往復動機構、６４３ キャリッジガイド軸、６４４ タイミングベルト、６５０ 給紙装置、６５１ 給紙モータ、６５２ 給紙ローラ、６６０ 制御部、６７０ 操作パネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の製造方法、インクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターに関する。
【背景技術】
【０００２】
高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）に代表される圧電体層を用いた圧電素子が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。また、圧電素子は、インクジェットプリンターの他に、圧電ポンプ、表面弾性波素子、薄膜圧電共振子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、および電子機器等のデバイスにおいても用いられる。このような圧電素子は結晶構造を有するため、製造工程において様々なダメージを受けて変位量の均一性や信頼性が失われてしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２３４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、製造工程において受けたダメージを回復して変位量の均一性や信頼性の良好な圧電素子、ならびに当該圧電素子を含むインクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、
（ａ）基体側の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
（ｃ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、
（ｅ）前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、
（ｆ）第１のアニールを行う工程と、
（ｇ）前記上部電極と電気的に接続する配線膜を形成する工程と、
を含む。
【０００６】
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【０００７】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｅ）は、
（ｅ１）保護膜を成膜する工程と、
（ｅ２）前記保護膜をパターニングする工程と、
を有することができる。
【０００８】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｆ）における第１のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【０００９】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｅ１）と（ｅ２）との間に、
第２のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１０】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第２のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１１】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｃ）と（ｄ）との間に、
第３のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１２】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第３のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１３】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｂ）と（ｃ）との間に、
第４のアニールを行う工程をさらに含むことができる。
【００１４】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第４のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低いことができる。
【００１５】
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、
前記第１のアニールは、酸素雰囲気で行われることができる。
【００１６】
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述した製造方法により製造された圧電素子を含む。
【００１７】
本発明にかかるインクジェットプリンターは、上述したインクジェット式記録ヘッドを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図４】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図５】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図６】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図７】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図８】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図９】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１０】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１１】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１２】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１３】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１４】本実施の形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
【図１５】第１の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】第２の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１７】第３の変形例にかかる圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１８】実験例にかかる圧電素子の変位量分布を示す図である。
【図１９】実験例にかかる圧電素子の変位量低下率を示す図である。
【図２０】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２１】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２２】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２３】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２４】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２５】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２６】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２７】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２８】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図２９】実験例にかかる圧電素子のヒステリシス特性を示す図である。
【図３０】本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの概略構成図である。
【図３１】本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３２】本実施の形態にかかるインクジェットプリンターの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
１．圧電素子の製造方法
本実施の形態にかかる圧電素子１００の製造方法について説明する。本実施の形態にかかる圧電素子１００は、インクジェット式記録ヘッド１０００に適用される。図１は、圧電素子１００の製造方法を示すフローチャートである。図２〜図１４は、本発明の実施形態にかかる圧電素子１００およびインクジェット式記録ヘッド１０００の製造方法を模式的に示す断面図である。図示した構造は、インクジェット式記録ヘッド１０００の要部で
ある圧電動作によって変形する部分、すなわち、圧電素子１００（図１３、図１４参照）を中心として描いてある。ここでは説明の便宜のために、単純な例を示すのであり、本実施形態の構造は、ここで示す構造に限定されるものではない。
【００２１】
（１）まず、図２に示すように、基体の一部としての基板１０を準備する（ステップＳ１００）。基板１０は、たとえばシリコン層１２および酸化物層１４を有する。酸化物層１４は、シリコン層１２の上部に酸化処理を施すことによって設けられた酸化シリコンであってもよいし、シリコン層１２の上面に公知の方法によって新たに設けられた酸化シリコンその他の酸化物であってもよい。酸化物層１４は、熱酸化処理などによって設けることができる。あるいは、基板１０の上部に酸化物層１４を別途設ける場合は、蒸着、スパッタ等の公知の方法によることができる。
【００２２】
（２）次に、図３に示すように、基板１０上に弾性体層２０を形成する（ステップＳ１００）。弾性体層２０は、スパッタ法、真空蒸着、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法（ＣＶＤ法）などの公知の方法で形成することができる。弾性体層２０の材質としては、たとえば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンまたは、酸化アルミニウムなどが好適である。基板１０の上面に酸化物層１４を設けている場合、弾性体層２０の材質は、酸化物層１４の材質と同じ材質でも、異なる材質でもよい。たとえば、弾性体層２０は、材質を酸化ジルコニウムとし、スパッタ法により、たとえば５００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２３】
（３）次に、図４に示すように、弾性体層２０上に、下部電極層３０（第１電極）を形成する（ステップＳ１０２）。下部電極層３０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。下部電極層３０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ3やＬａＮｉＯ3といった複合酸化物など、を用いることができる。また、下部電極層３０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。たとえば、下部電極層３０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。
【００２４】
（４）次に、図５に示すように、下部電極層３０上に、圧電体層４０を形成する（ステップＳ１０４）。圧電体層４０は、ゾル−ゲル法、有機金属熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等の液相法やＣＶＤ法を用いて形成される。圧電体層４０の材質は、鉛、ジルコニウム、チタンを構成元素として含む酸化物とすることができる。すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）は、圧電性能が良好なため、圧電体層４０の材質として好適である。たとえば、ゾル−ゲル法を用いる場合には、Ｐｂ、Ｚｒ、およびＴｉをそれぞれ含有する有機金属化合物を溶媒に溶解させた溶液を下部電極層３０上に塗布し、その後、乾燥工程および脱脂工程、および結晶化アニール工程を経ることにより、圧電体層４０を形成することができる。乾燥工程は、たとえば１００℃〜２００℃程度で行うことができる。脱脂工程は、たとえば３００℃〜４００℃程度で行うことができる。結晶化アニールは、たとえば６００℃〜８００℃程度で行うことができる。以上の一連の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の圧電体層４０を得ることができる。圧電体層４０の膜厚は、たとえば５０ｎｍ〜１５００ｎｍであることができる。
【００２５】
（５）次に、図６に示すように、圧電体層４０上に、上部電極層５０（第２電極）を形成する（ステップＳ１０６）。上部電極層５０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。上部電極層５０の材質は、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ＳｒＲｕＯ3やＬａＮｉＯ3といった複合酸化物など、を用いることができる。また、上部電極層５０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。たとえば、上部電極層５０は、材質を白金とし、スパッタ法により、たとえば１００ｎｍの厚みに形成することができる。このようにして、下部電極層３０、圧電体層４０、および上部電極層５０からなるキャパシタ構造部６０を形成することができる。
【００２６】
（６）次に、図７に示すように、強誘電体層４０および上部電極層５０をパターニングすることにより、所定の形状の強誘電体層４２および上部電極層５２と下部電極層３０とを含むキャパシタ構造部６２を形成する（ステップＳ１０８）。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。
【００２７】
（７）次に、図８に示すように、キャパシタ構造部６２の上面および側面に保護膜７０を形成する（ステップＳ１１０）。保護膜７０の成膜方法としては、公知のスパッタ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。保護膜７０の材質としては、たとえば酸化アルミニウムや酸化シリコンを用いることができる。
【００２８】
（８）次に、図９に示すように、保護膜７０をパターニングする（ステップＳ１１２）。パターニングは、たとえば、上部電極層５２の上面を露出するために行われる。保護膜７０をパターニングすることによって、保護膜７０の上方に形成される配線膜８０と、上部電極層５２とを電気的に接続させることができる。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。
【００２９】
（９）次に、アニール（第１のアニール）を行う（ステップＳ１１４）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。
【００３０】
（１０）次に、図１０に示すように、配線膜８０を形成する（ステップＳ１１６）。配線膜８０の形成は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの公知の方法でおこなうことができる。配線膜８０の材質は、ニッケル、クロム、金などの各種の金属またはこれらの化合物を用いることができる。また、配線膜８０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。たとえば、配線膜８０は、ニッケルクロムと、その上に金が積層されたものであることができる。
【００３１】
（１１）次に、図１１に示すように、配線膜８０をパターニングして（ステップＳ１１６）、配線膜８２を形成する。パターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチングまたはイオンミリング等によっておこなうことができる。配線膜８０をパターニングすることにより、複数のキャパシタ構造部６２を互いに断線させることができ、キャパシタ構造部６２毎に異なる動作を可能とすることができる。
【００３２】
（１２）次に、図１２に示すように、封止板９０を基体１０の上方に固定する（ステップＳ１１８）。封止板９０は、キャパシタ構造部６２を封止し、かつ基板１０、弾性体層２０、キャパシタ構造部６２を支持することができる。封止板９０は、たとえばシリコン等の材質からなることができる。封止板９０は、キャパシタ構造部６２と接触するように固定されてもよいし、接触しないように固定されていてもよい。
【００３３】
（１３）次に、図１３に示すように、基板１０に圧力発生室１６を形成する（ステップＳ１２０）。圧力発生室１６は、基板１０の下面から、公知の異方性エッチング技術を用いて凹状の孔を形成することにより得られる。
【００３４】
その後、図１４に示すように、基板１０の下にノズルプレート１８を接合する。ノズルプレート１８は、開口部を有するステンレス板などを用いることができる。圧力発生室１６は、基板１０にキャパシタ構造部６２に対応して、その下方に形成される。圧力発生室１６は、インクジェット式記録ヘッド１０００が駆動する際、液体が満たされる。圧力発生室１６に満たされた液体は、圧電素子１００の動作により加圧される。圧力発生室１６は、前記圧力により、ノズルプレート１８の開口部を通じて、前記液体を吐出させる機能を有する。
【００３５】
以上の工程により、圧電素子１００を有するインクジェット式記録ヘッド１０００を製造することができる。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド１０００の製造方法によれば、保護膜７２の形成後にアニールを行っている（ステップＳ１１４）ため、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜およびエッチングの際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。さらに、本実施の形態では、保護膜７０のパターニング後にアニールを行っていることから、熱が保護膜７２の内側のキャパシタ構造部６２に伝わりやすく、効率的にダメージを回復させることができる。
【００３６】
２．変形例
次に変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。
【００３７】
２．１．第１の変形例
図１５は、第１の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第１の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護膜７０のパターニング前にアニールを行う工程をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００３８】
まず、上述した１．の工程（１）〜（７）を行う（ステップＳ２００〜Ｓ２１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ２１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００３９】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ２１２〜Ｓ２２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００４０】
ステップＳ２１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。
【００４１】
２．２．第２の変形例
図１６は、第２の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第２の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護
膜７０のパターニング前にアニールを行う工程と、上部電極層５０の成膜後にアニールを行う工程と、をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００４２】
まず、上述した１．の工程（１）〜（５）を行う（ステップＳ３００〜Ｓ３０６）。
【００４３】
次に、アニール（第３のアニール）を行う（ステップＳ３０７）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われてもよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００４４】
次に、上述した１．の工程（６）、（７）を行う（ステップＳ３０８〜Ｓ３１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ３１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００４５】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ３１２〜Ｓ３２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００４６】
ステップＳ３１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。またステップＳ３０７のアニールを行うことにより、圧電体層４０の酸素欠損を補うことができる。
【００４７】
２．３．第３の変形例
図１７は、第３の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示すフローチャートである。第３の変形例にかかるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、保護膜７０のパターニング前にアニールを行う工程と、上部電極層５０の成膜後にアニールを行う工程と、圧電体層４０の成膜後にアニールを行う工程と、をさらに含む点で、上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法と異なる。具体的な製造工程は、以下のとおりである。
【００４８】
まず、上述した１．の工程（１）〜（４）を行う（ステップＳ４００〜Ｓ４０４）。
【００４９】
次に、アニール（第４のアニール）を行う（ステップＳ４０５）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われて
もよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５０】
次に、上述した１．の工程（５）を行う（ステップＳ４０６）。次に、アニール（第３のアニール）を行う（ステップＳ４０７）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば６０分〜１８０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば３００℃〜８００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。このような温度でアニールを行うことにより、より確実に圧電体層４０の結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、酸素雰囲気において行われてもよいし、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５１】
次に、上述した１．の工程（６）、（７）を行う（ステップＳ３０８〜Ｓ３１０）。次に、アニール（第２のアニール）を行う（ステップＳ４１１）。アニールは、たとえば拡散炉またはＲＴＡ装置を用いて行うことができる。アニールは、拡散炉を用いた場合、たとえば３０分〜６０分程度行われる。拡散炉を用いることにより、基体１０表面を均一に加熱することができる。アニールの温度は、たとえば４５０℃〜６００℃であることができ、上述した圧電体層４０を形成する際の結晶化アニールの温度より低いことが好ましい。また、アニールは、酸素雰囲気において行われる。酸素雰囲気において加熱することにより、圧電体層４２の酸素欠損が補われ、結晶性を良好な状態に回復することができる。また、アニールは、窒素雰囲気等の不活性なガス雰囲気で行われてもよい。
【００５２】
次に、上述した１．の工程（８）〜（１３）を行う（ステップＳ４１２〜Ｓ４２０）ことにより、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００５３】
ステップＳ４１１のアニールを行うことにより、上部電極層５０および圧電体層４０のエッチングの際、ならびに保護膜７０の成膜の際にキャパシタ構造部６２が受けたダメージを回復することができる。またステップＳ４０７のアニールおよびステップＳ４０５のアニールを行うことにより、圧電体層４０の酸素欠損を補うことができる。
【００５４】
３．実験例
３．１．圧電素子の変位量分布および変位量の低下率
圧電素子の変位量分布および変位量の低下率を調べた。変位量を測定するためのサンプルは以下のように作製した。
【００５５】
３．１．１．サンプル１の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００５６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜して、その上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００５７】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第１のアニール）を行った。アニールは、５５０℃で１時間行った。次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル１を作製した。
【００５８】
３．１．２．サンプル２の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００５９】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第２のアニール）を行った。アニールは、５５０℃で１時間行った。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６０】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル２を作製した。
【００６１】
３．１．３．サンプル３の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００６２】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第４のアニール）を行った。アニールは、７００℃で３時間行った。
【００６３】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６４】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル３を作製した。
【００６５】
３．１．４．サンプル４の作製
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００６６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。次いで、酸化アルミニウムからなる保護膜を成膜した。次に、保護膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行った。
【００６７】
次いで、配線膜をスパッタ法により成膜して、パターニングを行い、サンプル４を作製した。
【００６８】
３．１．５．変位量分布
以上のようにして作製したサンプル１〜サンプル４について、シリコン基板の面内方向における位置毎に変位量を測定した。その結果を図１８に示す。図１８において、縦軸は、各サンプルの変位量の最大値を１として規格化した値を示し、横軸は、基板上における測定位置を示す。
【００６９】
図１８によれば、サンプル１の変位量分布が最も面内均一性が高く、次いでサンプル２およびサンプル３の変位量分布が最も面内均一性が良好で、サンプル４の変位量分布が最も面内均一性が低いことが認められた。これによれば、保護膜のパターニング後にアニールを行うことによって、変位量の面内均一性が最も向上することが確認された。また保護膜形成後および圧電膜形成後にアニールを行うことによっても、変位量の面内均一性が向上することが確認された。
【００７０】
３．１．６．変位量の低下率
サンプル１〜サンプル４について、信頼性試験（パルス耐久試験）を行うことにより変位量の低下率を測定した。信頼性試験においては、＋１５．５Ｖ→−２Ｖ→＋３３Ｖ→＋８Ｖ→＋１５．５Ｖのパルスバイアスを、周波数５０ｋＨｚで各サンプルに印加し、パルス回数が５０億回、１００億回、および１９０億回の時点で変位量を測定した。測定結果から、電圧を印加する前の変位量に対する低下率を算出した。その結果を図１９に示す。
【００７１】
図１９によれば、サンプル４の変位量低下率は、約６．８％程度であったが、サンプル１〜サンプル３のいずれも変位量低下率が３％以内に抑えられていた。したがって、アニールを行うことにより、圧電素子の変位量低下率が抑制され、信頼性が向上することが確認された。
【００７２】
３．２．サンプル毎のヒステリシス特性
３．１．において作製したサンプル１、サンプル２、サンプル４についてヒステリシス特性を測定した。測定結果を示すＴＶＳ曲線を図２０〜図２４に示す。図２０は、サンプル１のＴＶＳ曲線を示す。図２１は、サンプル２のＴＶＳ曲線を示す。図２２〜図２４は、サンプル４のＴＶＳ曲線を示し、図２２は上部電極のエッチング後の測定結果であり、図２３は保護膜成膜後の測定結果であり、図２４は保護膜エッチング後の測定結果である。
【００７３】
図２２〜図２４によれば、上部電極のエッチング後にその後のプロセスを経ることによって、ダブルピークが発生し、徐々に特性が劣化していることがわかる。これに対し、図２０および図２１によれば、アニールを行ったサンプル１およびサンプル２のＴＶＳ曲線ではダブルピークが解消し、特性が回復していることが確認された。
【００７４】
３．３．ヒステリシス特性のアニール温度依存性
以下のように、サンプル５を作製して複数の温度でアニールを行い、ヒステリシス特性を調べた。
【００７５】
まず、シリコン基板を準備し、弾性体層として酸化ジルコニウムをスパッタ法によりシリコン基板上に成膜した。次いで、白金からなる下部電極層を弾性体層上にスパッタ法により成膜した。次に、ＰＺＴからなる圧電体層を下部電極層上にゾルゲル法により成膜した。ここで結晶化アニールは、７００℃程度で行った。
【００７６】
次に、白金からなる上部電極層を圧電体層上にスパッタ法により成膜した。次いで上部電極層上に所定の形状のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとしてド
ライエッチングを行い、上部電極層および圧電体層のパターニングを行った。
【００７７】
次にシリコン基板を拡散炉に入れてアニール（第３のアニール）を行った。アニールは、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃で５分間行ったサンプルをそれぞれサンプル５〜９とし、それぞれのアニール前およびアニール後のヒステリシス特性を図２５〜図２９に示す。
【００７８】
図２５〜図２９によれば、５５０℃でアニールを行ったサンプル５については、アニールすることによって、ヒステリシス特性が向上したことが確認された。これに対し、６５０℃以上のアニール温度では、ヒステリシス特性の向上はみられなかった。したがって、特性を向上させるためには、６００℃以下のアニール温度が好ましく、さらに５５０℃程度がより好ましいことが確認された。
【００７９】
４．インクジェット式記録ヘッドの全体構造
次に、圧電素子１００を用いたインクジェット式記録ヘッドの全体構成について説明する。図３０は、インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図３１は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図３１は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【００８０】
インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５００は、図３０に示すように、ヘッド本体５４２と、ヘッド本体５４２の上に設けられた圧電部５４０と、を備える。なお、図３０に示した圧電部５４０は、圧電素子１００における下部電極層３０、圧電体層４２、および上部電極層５２に相当する。本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドおいて、圧電素子１００は、圧電アクチュエータとして機能することができる。圧電アクチュエータとは、ある物質を動かす機能を有する素子、即ち電圧を印加することにより機械的ひずみを発生させる素子である。
【００８１】
また、圧電素子１００における酸化物層１４および弾性体層２０は、図３０において弾性膜５５０に相当する。また、基板１０はヘッド本体５４２の要部を構成するものとなっている。
【００８２】
すなわち、ヘッド５００は、図３１に示すようにノズルプレート５１０と、インク室基板５２０と、弾性膜５５０と、弾性膜５５０に接合された圧電部（振動源）５４０とを備え、これらが基体５６０に収納されて構成されている。なお、このヘッド５００は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００８３】
ノズルプレート５１０は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
【００８４】
ノズルプレート５１０には、インク室基板５２０が固着（固定）されている。インク室基板５２０は、上述のシリコン基板１２によって形成されたものである。インク室基板５２０は、ノズルプレート５１０、側壁（隔壁）５２２、および後述する弾性膜５５０によって、複数のキャビティー（インクキャビティー）５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図２３参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティー５２１にインクが供給される。
【００８５】
キャビティー５２１は、図３０および図３１に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティー５２１は、後述する弾性膜５５０の振動によってそれぞれ
容積可変になっている。キャビティー５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
【００８６】
インク室基板５２０のノズルプレート５１０と反対の側には弾性膜５５０が配設されている。さらに弾性膜５５０のインク室基板５２０と反対の側には複数の圧電部５４０が設けられている。弾性膜５５０の所定位置には、図３１に示すように、弾性膜５５０の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、後述するインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。
【００８７】
各圧電部５４０は、後述する圧電素子駆動回路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）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４０はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエーター）として機能する。弾性膜５５０は、圧電部５４０の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティー５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
【００８８】
基体５６０は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図３１に示すように、この基体５６０にインク室基板５２０が固定、支持されている。
【００８９】
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド５００によれば、上述したように、圧電部５４０にクラックが発生しにくいため信頼性が高く、良好な圧電特性を有し、効率的なインクの吐出が可能となっている。したがって、ノズル５１１の高密度化などが可能となり、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。
【００９０】
５．インクジェットプリンター
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド５００を備えたインクジェットプリンターについて説明する。図３２は、本発明のインクジェットプリンター６００を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図３２中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【００９１】
インクジェットプリンター６００は、装置本体６２０を備えており、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。
【００９２】
装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を備えた印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。
【００９３】
印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２とを備えている。
【００９４】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を備えるインクジェット式記録ヘッド５００と、このインクジェット式記録ヘッド５００にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５００およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。
【００９５】
往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４３と、キャリッジガイド軸６４３と平行に延在するタイミングベルト６４４とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４３に往復動自在に支持されるととも
に、タイミングベルト６４４の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４４を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４３に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５００から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
【００９６】
給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
【００９７】
本実施の形態にかかるインクジェットプリンター６００によれば、信頼性が高く高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５００を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【００９８】
なお、本発明のインクジェットプリンター６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
【００９９】
６．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。
【０１００】
また、上述した実施形態に係る圧電素子は、アクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンターの他に、たとえばジャイロセンサ等のジャイロ素子、ＦＢＡＲ（film bulk acoustic resonator）型やＳＭＲ（solid mounted resonator）型等
のＢＡＷ（bulk acoustic wave）フィルタ、超音波モータなどに適用されることができる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、上述したように良好な圧電特性を有し、信頼性が高いため、各種の用途に好適に適用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１０ 基板、１２ シリコン層、１４ 酸化物層、２０ 弾性体層、３０ 下部電極層、３２ 下部電極層、４０ 圧電体層、４２ 圧電体層、５０ 上部電極層、５２ 上部電極層、６２ キャパシタ構造部、７０ 保護膜、７２ 保護膜、８０ 配線膜、８２ 配線膜、９０ 封止板、１００ 圧電素子、５００ インクジェット式記録ヘッド、５１０
ノズル板、５１１ ノズル、５２０ インク室基板、５２１ キャビティー、５２２ 側壁、５２３ リザーバ、５２４ 供給口、５３１ 連通孔、５４０ 圧電アクチュエータ、５４２ ヘッド本体、５５０ 弾性板、５６０ 基体、６００ インクジェットプリンター、６２０ 装置本体、６２１ トレイ、６２２ 排出口、６３０ ヘッドユニット、６３１ インクカートリッジ、６３２ キャリッジ、６４０ 印刷装置、６４１ キャリッジモータ、６４２ 往復動機構、６４３ キャリッジガイド軸、６４４ タイミングベルト、６５０ 給紙装置、６５１ 給紙モータ、６５２ 給紙ローラ、６６０ 制御部、６７０ 操作パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基体側の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
（ｃ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、
（ｅ）前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、
（ｆ）第１のアニールを行う工程と、
（ｇ）前記上部電極と電気的に接続する配線膜を形成する工程と、
を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｅ）は、
（ｅ１）保護膜を成膜する工程と、
（ｅ２）前記保護膜をパターニングする工程と、
を有する、圧電素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｆ）における第１のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記工程（ｅ１）と（ｅ２）との間に、
第２のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第２のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記工程（ｃ）と（ｄ）との間に、
第３のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第３のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｂ）と（ｃ）との間に、
第４のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第４のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記第１のアニールは、酸素雰囲気で行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載の製造方法により製造された圧電素子を含む、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載のインクジェット式記録ヘッドを含む、インクジェットプリンター。
【請求項１】
（ａ）基体側の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｂ）前記第１電極の上方に圧電体層を形成する工程と、
（ｃ）前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
（ｄ）前記第２電極および前記圧電体層の少なくとも一部をパターニングして、前記第１電極、前記圧電体層、および前記第２電極を有するキャパシタ構造部を形成する工程と、
（ｅ）前記キャパシタ構造部の少なくとも一部を被覆する保護膜を形成する工程と、
（ｆ）第１のアニールを行う工程と、
（ｇ）前記上部電極と電気的に接続する配線膜を形成する工程と、
を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｅ）は、
（ｅ１）保護膜を成膜する工程と、
（ｅ２）前記保護膜をパターニングする工程と、
を有する、圧電素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｆ）における第１のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記工程（ｅ１）と（ｅ２）との間に、
第２のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第２のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記工程（ｃ）と（ｄ）との間に、
第３のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第３のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記工程（ｂ）と（ｃ）との間に、
第４のアニールを行う工程をさらに含む、圧電素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記工程（ｂ）は、
前記圧電体層の前駆体溶液を前記第１電極の上方に塗布する工程と、
前記前駆体溶液の結晶化アニールを行う工程と、
を有し、
前記第４のアニールの温度は、前記結晶化アニールの温度より低い、圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記第１のアニールは、酸素雰囲気で行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載の製造方法により製造された圧電素子を含む、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載のインクジェット式記録ヘッドを含む、インクジェットプリンター。
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図１８】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図１８】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１３−７７８２７（Ｐ２０１３−７７８２７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６４６９８（Ｐ２０１２−２６４６９８）
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００７−８４６１９（Ｐ２００７−８４６１９）の分割
【原出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００７−８４６１９（Ｐ２００７−８４６１９）の分割
【原出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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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