JP2017157586A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上することができる圧電デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】流路形成基板１０上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を積層し、圧電体層７０の上方であって第２電極８０が形成されていない非能動部３２０に、第２電極８０の一端部８０ａの外側に当該一端部８０ａに連続したプラチナ電極９５を形成し、プラチナ電極９５が形成された圧電素子３００をアニール処理し、正又は負の一方の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部７５を、圧電体層７０のうちプラチナ電極９５に覆われた領域に形成する。【選択図】図２１

Description

本発明は、基板上に振動板を介して設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法に関する。

液滴を吐出する液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えばノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に設けられた圧電素子である圧電アクチュエーターと、を具備し、圧電アクチュエーターによって圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせることで、ノズル開口からインク滴を噴射するものが知られている。

圧電アクチュエーターは、能動部毎に個別に設けられた個別電極と、複数の能動部に共通して設けられた共通電極とを具備している。圧電体層は、個別電極と共通電極とに挟まれた能動部と、挟まれていない非能動部とを備える。一般に、能動部では分極処理がなされ、分極方向が一方向に揃っている。一方、非能動部では分極方向は揃っていない。また、非能動部の分極方向を、能動部の分極方向とは反対向きに揃えた圧電アクチュエーターも知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１７４６８１号公報

能動部では分極方向が一方向に揃っているが、非能動部では分極されていない、もしくは、非能動部の分極方向が能動部の分極方向と反対向きとなっている。このため、能動部と非能動部との境界においては内部応力が集中する。この応力集中に起因して、圧電アクチュエーターは、焼損やクラックが生じ、破壊される虞がある。

このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスに限定されず、他のデバイスに用いられる圧電デバイスにおいても同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑み、信頼性を向上することができる圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、前記圧電体層の上方であって前記第２電極が形成されていない領域に、前記第２電極の一端部の外側に当該一端部に連続したプラチナ電極を形成し、前記プラチナ電極が形成された前記圧電素子をアニール処理し、正又は負の一方の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部を、前記圧電体層のうち前記プラチナ電極に覆われた領域に形成することを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
かかる態様では、能動部と非能動部との境界部に分極量が低下した電界緩和部を形成することができる。これにより、当該境界部に応力が集中することが抑制され、応力の集中による焼損やクラックによる破壊が抑制されて信頼性が向上した圧電デバイスを製造することができる。

また、前記圧電体層に使用時の電界とは逆極性を印加することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成することが好ましい。これによれば、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部を形成し、前記境界部に、分極量が低下、すなわち電界が緩和された領域を形成することができる。

また、前記圧電体層に使用時の電界とは逆極性を印加しながら、キュリー温度以下の温度で加熱することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成することが好ましい。これによれば、電界緩和部をより早く形成することができる。

また、前記圧電体層に使用時の電界よりも大きい電界を加えながらキュリー温度以上の温度から冷却することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成することが好ましい。これによれば、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部を形成し、前記境界部に、分極量が低下、すなわち電界が緩和された領域を形成することができる。

インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。 図３のＡ−Ａ′線断面図である。 図４の要部を拡大した断面図である。 電界緩和部及び主要部のヒステリシス特性図である。 電界緩和部及び主要部のヒステリシス特性図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。

〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略構成を示している。

インクジェット式記録装置Ｉにおいて、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド（以降、記録ヘッド１）は、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられ、記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。

駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド１を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。

なお、インクジェット式記録装置Ｉとして、記録ヘッド１がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置Ｉは、例えば、記録ヘッド１を固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。

また、インクジェット式記録装置Ｉは、液体貯留手段であるカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されない。例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体４に固定して、液体貯留手段と記録ヘッド１とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置Ｉに搭載されていなくてもよい。

図２〜図４を用いてインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）について説明する。図２は本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図３は図２の平面図である。図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。

基板の一例である流路形成基板１０には圧力発生室１２が形成され、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称する。第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙと称する。さらに、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの双方に交差する方向を、第３の方向Ｚと称する。各図に示した座標軸は第１の方向Ｘ、第２の方向Ｙ、第３の方向Ｚを表しており、矢印の向かう方向を正（＋）方向、反対方向が負（−）方向ともいう。なお、本実施形態では、各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。

流路形成基板１０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側には、圧力発生室１２の片側を第１の方向Ｘから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路１３と、第１の方向Ｘにおいて圧力発生室１２と略同じ幅を有する連通路１４と、が複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙの圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３及び連通部１５からなる液体流路が形成されている。

流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。

ノズルプレート２０の材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート２０としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート２０と流路形成基板１０との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。

流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対面側（＋Ｚ方向側）には、振動板５０が形成されている。本実施形態では、振動板５０として、流路形成基板１０側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２と、を設けるようにした。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、弾性膜５１によって画成されている。もちろん、振動板５０は、特にこれに限定されるものではなく、弾性膜５１と絶縁体膜５２との何れか一方を設けるようにしてもよく、その他の膜が設けられていてもよい。

振動板５０の上方には、圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、振動板５０側から順次積層された導電性電極である第１電極６０、圧電体層７０及び導電性電極である第２電極８０を有する。このような圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。両電極に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部３１０と称する。

第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられており、圧電素子３００の実質的な駆動部である能動部３１０毎に独立する個別電極を構成する。第１電極６０は、第１の方向Ｘにおいて、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第１電極６０は、第２の方向Ｙにおいて、両端部がそれぞれ圧力発生室１２の外側まで形成されている。第１電極６０の材料は、金属材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等が好適に用いられる。

圧電体層７０は、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。また、圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広く、圧力発生室１２の外側まで設けられている。第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０のインク供給路１３側（＋Ｙ方向側）の端部は第１電極６０の端部よりも外側に位置しており、第１電極６０の端部が圧電体層７０によって覆われている。一方、圧電体層７０のノズル開口２１側の（−Ｙ方向側）は第１電極６０の端部よりも内側に位置しており、第１電極６０の端部は圧電体層７０に覆われていない。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト形酸化物からなることができる。圧電体層７０に用いられるペロブスカイト形酸化物としては、例えば、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。

圧電体層７０には、圧力発生室１２の間の各隔壁に対応する位置に凹部７１が形成されている。このように圧電体層７０に凹部７１を設けることで、圧電素子３００を良好に変位させることができる。

第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側（＋Ｚ方向側）に設けられており、複数の能動部３１０に共通する共通電極を構成する。第２電極８０は、圧電体層７０の凹部７１内にも設けられているが、特にこれに限定されず、凹部７１内に第２電極８０を設けないようにしてもよい。

上述したように、圧電素子３００は、第１電極６０を複数の能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極とし、第２電極８０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極とした。もちろん、このような態様に限定されず、第１電極６０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極とし、第２電極を能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極としてもよい。また、振動板５０としては、弾性膜５１及び絶縁体膜５２を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

流路形成基板１０は、第１リード電極９１及び第２リード電極９２を備えている。これらは、リード電極９０とも総称する。

第１リード電極９１は、各圧電素子３００の第１電極６０のそれぞれに接続されたリード電極である。第２リード電極９２は、各圧電素子３００に共通した第２電極８０に接続されたリード電極である。本実施形態では、第１リード電極９１及び第２リード電極９２は、後述する保護基板３０の貫通孔３３に露出するように配線されている。なお、第１リード電極９１は、第２電極８０と同一層からなる導電層８４を介して第１電極６０に接続されている。もちろん、第１リード電極９１は第１電極６０に直接接続されていてもよい。

流路形成基板１０には、保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。保護基板３０はマニホールド部３２を有している。マニホールド部３２は、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上記のように、流路形成基板１０の連通路１４と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００が構成されている。

保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３１が設けられている。圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラスやセラミック材料等を用いることができ、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍が、貫通孔３３内に露出するように設けられている。保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０としては、例えば回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。駆動回路１２０及びリード電極９０は、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料から構成でき、封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような構成の記録ヘッド１では、インクを噴射する際に、インクが貯留された液体貯留手段からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路１２０からの信号に従い、圧力発生室１２に対応する各圧電素子３００に電圧を印加することにより、圧電素子３００と共に振動板５０をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室１２内の圧力が高まり所定のノズル開口２１からインク滴が噴射される。

図５を用いて、圧電素子３００について詳細に説明する。図５は図４の要部を拡大した断面図である。

圧電素子３００の圧電体層７０は、能動部３１０と非能動部３２０とを有している。能動部３１０は、圧電体層７０が第１電極６０及び第２電極８０に挟まれた部分であり、非能動部３２０は、圧電体層７０が第１電極６０及び第２電極８０に挟まれていない部分である。本実施形態では、第２電極８０に覆われずに露出した部分が非能動部３２０となっている。

また、圧電体層７０は、能動部３１０においては分極処理がなされることで、一方向、例えば＋Ｚ方向に揃って分極している。一方、非能動部３２０では、第１電極６０及び第２電極８０に挟まれておらず、分極処理がなされていないので、分極していない。

圧電体層７０上には、プラチナから形成されたプラチナ電極９５が設けられている。プラチナ電極９５は、圧電体層７０上に形成され、第２電極８０の第２の方向Ｙの一端部８０ａに接続されている。本実施形態では、プラチナ電極９５は、圧電体層７０の第２電極８０に覆われていない部分の上に設けられるとともに、第２電極８０の一端部８０ａを覆うように形成されている。このプラチナ電極９５は、第２電極８０に接続されているので、第２電極８０と一体的に電極としても機能している。したがって、能動部３１０は、圧電体層のうち、第１電極６０と、プラチナ電極９５及び第２電極８０とに挟まれた領域となる。

圧電体層７０のうち、上述したプラチナ電極９５に覆われた領域には、電界緩和部７５が設けられている。能動部３１０を構成する圧電体層７０のうち、プラチナ電極９５に覆われた部分が電界緩和部７５であり、その他の部分を主要部７６と称する。このプラチナ電極９５は、第２電極８０の一端部８０ａの外側に接続されているので、プラチナ電極９５は能動部３１０の端部を規定している。

電界緩和部７５は、圧電体層７０の一部であり、正又は負の一方の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する。また、電界緩和部７５の分極量は、主要部７６の分極量よりも小さくなっている。

図６は、電界緩和部７５及び主要部７６のヒステリシス特性である。横軸は電圧［Ｖ］であり左側がマイナス、右側がプラスを示し、縦軸は分極量［μＣ・ｃｍ-^２］であり、上側がプラス、下側がマイナスを示している。また、実線は電界緩和部７５のヒステリシス特性を示し、点線は主要部７６のヒステリシス特性を示している。

電界緩和部７５のヒステリシス特性は、二つの抗電界点Ｅｃ１、Ｅｃ２が何れも正側の電界極性に位置している。一方、主要部７６のヒステリシス特性は、二つの抗電界点Ｅｃ１’及びＥｃ２’は、正側、負側の異なる電界極性に位置している。すなわち、電界緩和部７５のヒステリシス特性は、全体的に主要部７６のヒステリシス特性よりも右側にシフトしている。

圧電素子３００に印加される駆動電圧の範囲（以下、駆動電圧範囲）Ｖ１は、例えば、主要部７６の負側の抗電界点の近傍における電圧Ｅ１から、電界緩和部７５の正側の分極量がほぼ最大となるときの電圧Ｅ２までとする。このような駆動電圧範囲Ｖ１においては、同電圧であれば、電界緩和部７５のプラス側の分極量は、主要部７６のプラス側の分極量よりも小さくなっている。

上述したように、電界緩和部７５は、プラチナ電極９５に覆われる位置に形成され、能動部３１０の端部を規定している。このような位置に電界緩和部７５が形成されることで、能動部３１０の端部においては分極量が主要部７６よりも小さくなっている。このような構成により、電界緩和部７５は、能動部３１０の端部の実効電界を低下させる作用を有する。

このような構成の記録ヘッド１は、第１電極６０と、第２電極８０及びプラチナ電極９５とに駆動電圧範囲Ｖ１内で電圧が印加されたとき、能動部３１０と非能動部３２０との境界部に応力が集中することが抑制され、応力の集中による焼損やクラックによる破壊が抑制されて信頼性が向上したものとなる。

なお、図６の例では、電界緩和部７５の２つの抗電界点Ｅｃ１、Ｅｃ２は、正側の電界極性に位置していたが、負側の電界極性に位置していてもよい。

図７は、電界緩和部７５及び主要部７６のヒステリシス特性である。横軸は電圧［Ｖ］であり左側がマイナス、右側がプラスを示し、縦軸は分極量［μＣ・ｃｍ-^２］であり、上側がプラス、下側がマイナスを示している。また、実線は電界緩和部７５のヒステリシス特性を示し、点線は主要部７６のヒステリシス特性を示している。

電界緩和部７５のヒステリシス特性は、二つの抗電界点が何れもＥｃ１、Ｅｃ２が何れも負側の電界極性に位置している。主要部７６のヒステリシス特性は図６と同様である。図７の例では、電界緩和部７５のヒステリシス特性は、全体的に主要部７６のヒステリシス特性よりも左側にシフトしている。

駆動電圧範囲Ｖ２は、例えば、主要部７６の正側の抗電界点の近傍における電圧Ｅ１’から、電界緩和部７５の負側の分極量がほぼ最大となるときの電圧Ｅ２’までとする。

このような駆動電圧範囲Ｖ２においては、同電圧であれば、電界緩和部７５のマイナス側の分極量は、主要部７６のマイナス側の分極量よりも小さくなっている。すなわち、このような電界緩和部７５においても、主要部７６よりも分極量が小さくなるような駆動電圧範囲Ｖ２を有し、電界緩和部７５は能動部３１０の端部の実効電界を低下させる作用を有する。

したがって、図６の例と同様に、第１電極６０と、第２電極８０及びプラチナ電極９５とに駆動電圧範囲Ｖ２内で電圧が印加されたとき、当該境界部に応力が集中することが抑制され、応力の集中による焼損やクラックによる破壊が抑制されて信頼性が向上したものとなる。

図８から図２４を用いて本実施形態の記録ヘッドの製造方法について説明する。図８から図２４は記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

図８に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５１を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって二酸化シリコンからなる弾性膜５１を形成した。もちろん、弾性膜５１の材料は、二酸化シリコンに限定されず、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、有機膜（ポリイミド、パリレンなど）等にしてもよい。弾性膜５１の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法等によって形成してもよい。

次に、図９に示すように、弾性膜５１上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２を形成する。もちろん、絶縁体膜５２は、酸化ジルコニウムに限定されず、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミン酸ランタン（ＬａＡｌＯ_３）等を用いるようにしてもよい。絶縁体膜５２を形成する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等が挙げられる。本実施形態では、この弾性膜５１及び絶縁体膜５２によって振動板５０が形成されるが、振動板５０として、弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。また、振動板５０上に、第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層が設けられていてもよい。

次に、図１０に示すように、第１電極６０を形成する第１電極層１６０を振動板５０上に形成し、図１１に示すように、所定形状にパターニングして第１電極６０を形成する。第１電極６０の材料は特に限定されないが、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましい。このため、第１電極６０の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。また、第１電極６０を形成する電極層は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）などにより形成することができる。また、第１電極６０のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。

次に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。

具体的には、図１２に示すように、第１電極６０及び振動板５０上に、複数の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。圧電体膜７４は、後述する塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことにより形成する。

塗布工程では、第１電極６０が形成された流路形成基板用ウェハー１１０上に金属錯体を含むゾル（溶液）を塗布して圧電体前駆体膜を形成する。乾燥工程では、圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。脱脂工程では、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。ここでいう脱脂とは、圧電体前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。焼成工程では、圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７４を形成する。

なお、このような乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。

次に、図１３に示すように、圧電体層７０上に第２電極８０を形成する材料からなる第２電極層１８０を形成する。本実施形態では、特に図示していないが、まず、圧電体層７０上にイリジウムを有するイリジウム層と、イリジウム層上にチタンを有するチタン層とを積層して第２電極層１８０とする。なお、このイリジウム層及びチタン層は、スパッタリング法やＣＶＤ法等によって形成することができる。

次に、図１４に示すように、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極層１８０を各圧力発生室１２に対応してパターニングする。

次に、図１５に示すように、第２電極層１８０の一部を除去して除去部８３を形成する。このパターニングにより第２電極８０と、第２電極８０と同一材料からなり、電気的には分離された導電層８４が形成される。このようなパターニングにより、第２電極層１８０を切断した除去部８３が形成され、圧電体層７０の一部が露出する。

本実施形態では、図１４及び図１５に示したパターニングは、第２電極層１８０上に所定形状に形成したマスク（図示なし）を設け、このマスクを介して第２電極層１８０及び圧電体層７０をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層７０のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。

次に、図１６に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）にプラチナからなるプラチナ電極層１９５を形成する。具体的には、プラチナ電極層１９５は、第２電極８０上、圧電体層７０のパターニングされた側面上、絶縁体膜５２上、導電層８４上に亘って設けられている。さらにプラチナ電極層１９５は除去部８３の内部を埋めるように設けられている。プラチナ電極層１９５の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）法等が挙げられる。

次に、図１７に示すように、プラチナ電極層１９５を所定形状にパターニングする。すなわち、プラチナ電極層１９５上に所定形状のマスクを形成し（図示なし）、マスクを介してプラチナ電極層１９５をエッチングすることでパターニングする。これにより、圧電体層７０上であって、第２電極８０が設けられていない領域（除去部８３により露出した圧電体層７０の一部）を覆い、第２電極８０の一端部８０ａに連続したプラチナ電極９５が形成される。

次に、図１８に示すように、イリジウム層及びチタン層からなる第２電極８０、プラチナ電極９５が形成された圧電体層７０を加熱処理（アニール処理）する。加熱処理により、第２電極８０は、酸化物電極、すなわち酸化イリジウム及び酸化チタンを含む電極となり、圧電体層７０に対して酸素を補償する作用を有する。このため、圧電体層７０のうち第２電極８０に覆われた領域である主要部７６は、第２電極８０を形成した際のエッチングによるダメージが発生しても、第２電極８０からの酸素補償によって当該ダメージが回復する。

一方、プラチナ電極９５は、上述した酸素補償作用がない。したがって、圧電体層７０のうちプラチナ電極９５に覆われた領域は、エッチング等によるダメージが回復されずに欠陥が比較的多く存在し、インプリントが生じやすい。当該領域を被インプリント部７５ａと称する。

インプリントとは、１つの方向に分極を保持しつづけることにより、その反対側の分極が不安定になってしまう現象のことである。インプリントが発生するメカニズムは、まだ統一的な理解は得られていないが、バルク起因説や界面起因説によって説明される。バルク起因説は、強誘電分域における欠陥に起因した電気双極子が分極方向に整列することによって分域境界に電界が生じ、それにより内部電界が生じるという説である。界面起因説は、電極−強誘電体界面近傍における電荷のトラップにより内部電界が生じるという説である。いずれにしても、圧電体層７０の結晶内の欠陥が多いとインプリントが生じやすい。

次に、図１９に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）にリード電極層１９０を形成する。具体的には、リード電極層１９０は、第２電極８０上、絶縁体膜５２上、導電層８４上に亘って設けられている。さらにリード電極層１９０は除去部８３の内部を埋め、プラチナ電極９５を覆うように設けられている。リード電極層１９０の材料は導電性があれば特に限定はないが、ここでは銅（Ｃｕ）から形成されている。また、リード電極層１９０の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法や無電解めっき法等が挙げられる。

次に、図２０に示すように、リード電極層１９０を所定形状にパターニングする。すなわち、リード電極層１９０上に所定形状のマスクを形成し（図示なし）、マスクを介してリード電極層１９０をエッチングすることでパターニングする。具体的には、非能動部３２０の一部が除去部８３から露出するようにエッチングする。このパターニングにより、リード電極層１９０から第１リード電極９１と第２リード電極９２とを形成する。リード電極層１９０のエッチングはウェットエッチングであってもドライエッチングであってもよい。

次に、図２１に示すように、圧電体層７０のうちプラチナ電極９５に覆われた領域に電界緩和部７５を形成する。具体的には、第１リード電極９１及び第２リード電極９２を介して、第１電極６０及び第２電極８０に、圧電素子３００を使用するときの電界とは逆極性を印加し、所定時間放置する。また、逆極性を印加しながら、圧電素子３００をキュリー温度以下の温度で加熱することが好ましい。

上述したように、被インプリント部７５ａは、加熱処理による酸素補償がなされていないので結晶内に欠陥が多く、インプリントが発生しやすい状態になっている。このような状態において、上記したような逆極性の印加を行うことで、被インプリント部７５ａから電界緩和部７５を形成することができる。さらに、逆極性を印加しながら上記温度で加熱とすることで、被インプリント部７５ａにインプリントを発生させやすくすることができ、電界緩和部７５の形成を加速することができる。

このように逆極性を印加することで、図６及び図７に示したように、２つの抗電界点が正側又は負側の電界極性に位置し、主要部７６よりも分極量が低下したヒステリシス特性を有する電界緩和部７５を形成することができる。

一方、主要部７６は、加熱処理による酸素補償がなされており、インプリントが発生しにくい。したがって、上記したような逆極性の印加、又は逆極性を印加しながら上記温度で加熱を行っても、主要部７６の分極量を低下させずにすむ。

このようにして、本実施形態の記録ヘッド１の製造方法によれば、能動部３１０と非能動部３２０との境界部に主要部７６よりも分極量が低下した電界緩和部７５を形成することができる。これにより、第１電極６０と、第２電極８０及びプラチナ電極９５とに駆動電圧範囲内で電圧が印加されたとき、当該境界部に応力が集中することが抑制され、応力の集中による焼損やクラックによる破壊が抑制されて信頼性が向上した記録ヘッド１を製造することができる。

なお、電界緩和部７５の製造は、逆極性の印加や逆極性を印加しながら所定温度で加熱する方法に限定されない。例えば、圧電体層７０に第１電極６０及び第２電極８０を介して、使用時の電界よりも大きい電界を加えながら、キュリー温度以上の温度から冷却することによって、電界緩和部７５を形成することができる。この方法により、図７に示したように、負の電界極性側に２つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部７５を形成することができる。

次に、図２２に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。

次に、図２３に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０にマスク膜５３を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図２４に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５３を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５等を形成する。

その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハー１１０等を図２に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態の記録ヘッド１とする。

〈実施形態２〉
実施形態１に係る圧電素子３００は、第１電極６０を複数の能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極とし、第２電極８０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極としたが、このような態様に限定されない。

本実施形態では、第１電極６０を複数の能動部３１０に亘って連続して設けることで共通電極とし、第２電極を能動部３１０毎に独立して設けることで個別電極とした記録ヘッドについて説明する。

図２５は、本実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図であり、図２６は、本実施形態に係る記録ヘッドの断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の記録ヘッド１Ａは、振動板５０上に圧電素子３００が設けられている。圧電素子３００は、振動板５０側から順次積層された導電性電極である第１電極６０Ａ、圧電体層７０Ａ及び導電性電極である第２電極８０Ａを有する。

第１電極６０Ａを複数の圧力発生室１２に相対向する領域に亘って連続して設けることで、複数の圧電素子３００の共通電極としている。また、圧電体層７０Ａ及び第２電極８０Ａを圧電素子３００毎に切り分けることで、第２電極８０Ａを各圧電素子３００の個別電極としている。すなわち、能動部３１０は、圧力発生室１２に相対向する領域にのみ設けられていることになる。

第２電極８０Ａは、第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０Ａよりも短く形成されている。すなわち圧電体層７０Ａの一部は、第２電極８０Ａに覆われていない領域となっている。当該領域は、非能動部３２０となる。

圧電体層７０Ａの非能動部３２０のうちの一部に電界緩和部７５が設けられている。また、圧電体層７０Ａ上には、第２電極８０Ａの一端部８０ａの外側に、一端部８０ａに連続したプラチナ電極９５が設けられている。そして、電界緩和部７５の少なくとも一部は、プラチナ電極９５に覆われており、その他の一部は第２電極８０Ａに覆われずに露出している。

上述した本実施形態の記録ヘッド１Ａにおいても、能動部３１０と非能動部３２０との境界部に電界緩和部７５が形成されているので、実施形態１の記録ヘッド１と同様の作用効果を奏する。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、実施形態１では、第１リード電極９１及び第２リード電極９２を介して第１電極６０及び第２電極８０に逆極性を印加したが、このような態様に限定されない。例えば、リード電極９０を形成する前に、第１電極６０及び第２電極８０に逆極性を印加することで、電界緩和部７５を形成してもよい。

上記実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルター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（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。

また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドのみならず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の圧電デバイスにも適用することができる。このような圧電素子デバイスにおいても、信頼性を向上することができる。

Ｉ…インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１…記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、１０…流路形成基板（基板）、５０…振動板、６０、６０Ａ…第１電極、７０、７０Ａ…圧電体層、７５…電界緩和部、８０、８０Ａ…第２電極、８０ａ…一端部、９０…リード電極、９５…プラチナ電極、３００…圧電素子、３１０…能動部、３２０…非能動部

Claims (4)

1. 基板の上方に設けられて前記基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極が積層された圧電素子を具備する圧電デバイスの製造方法であって、
   前記基板の上方に前記第１電極、前記圧電体層及び前記第２電極を積層し、
   前記圧電体層の上方であって前記第２電極が形成されていない領域に、前記第２電極の一端部の外側に当該一端部に連続したプラチナ電極を形成し、
   前記プラチナ電極が形成された前記圧電素子をアニール処理し、
   正又は負の一方の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する電界緩和部を、前記圧電体層のうち前記プラチナ電極に覆われた領域に形成する
   ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載する圧電デバイスの製造方法において、
   前記圧電体層に使用時の電界とは逆極性を印加することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成する
   ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
3. 請求項２に記載する圧電デバイスの製造方法において、
   前記圧電体層に使用時の電界とは逆極性を印加しながら、キュリー温度以下の温度で加熱することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成する
   ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
4. 請求項１に記載する圧電デバイスの製造方法において、
   前記圧電体層に使用時の電界よりも大きい電界を加えながらキュリー温度以上の温度から冷却することで、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を有する前記電界緩和部を形成する
   ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

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