JP5088916B2

JP5088916B2 - 無機膜基板の製造方法

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Publication number: JP5088916B2
Application number: JP2005314261A
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Inventors: 隆満藤井; 浩之宇佐美
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Corp; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Corp; Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2025-10-28
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Description

本発明は、基板上に無機膜を備えた無機膜基板及びその製造方法に関するものである。本発明はまた、基板上に圧電材料からなる無機膜と該無機膜に電界を印加する電極とを備えた圧電素子、及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドとインクジェット式記録装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のペロブスカイト構造を有する複合酸化物が知られている。

特許文献１に記載されているように、圧電膜は、連続膜ではなく、互いに機械的に分離された複数の部分（通常は凸部）からなるパターンで形成することで、伸縮がスムーズに起こり、より大きな変位量が得られるとされている。本明細書では、圧電膜において、互いに機械的に分離されて独立に伸縮する個々の部分を、「圧電部」と称す。

圧電膜は、所望の歪変位量を得るため、例えば１〜５μｍ程度の厚みで形成される。この厚みはｎｍオーダーの電極（例えば厚み２００ｎｍ）等に比して厚いものである。特許文献２に記載されているように、従来、ＰＺＴ等の圧電膜は、ドライエッチングによりパターニングすることが一般になされている。
特開2005-153353号公報特表2003-532289号公報

一般にドライエッチングは異方性エッチングとして知られる。しかしながら、ＰＺＴ等はエッチングされにくい材料であり、しかもｎｍオーダーの電極等に比して厚いため、圧電膜のドライエッチングは電極等に比して難しい。そのため、圧電膜をドライエッチングしても完全な異方性エッチングにはならず、形成される圧電部の端面はテーパ状となる傾向にある。

インクジェット式記録ヘッドでは、より一層の高画質化のため、圧電膜をなす複数の圧電部の圧電特性の均一性がより高レベルで求められるようになってきている。しかしながら、端面形状がテーパ状となるドライエッチングでは、複数の圧電部の端面の角度を高精度に合わせることが難しく、今後は、圧電部の形状のばらつきによる圧電特性のばらつきが画質に与える影響が無視できなくなる可能性がある。圧電部の端面形状の精度を考慮すれば、圧電部の端面形状が安定的に略垂直形状となることが好ましい。

ＰＺＴ等の圧電膜は、上記の如く、材料特性と厚みのためにドライエッチングが難しいことから、パターニングに時間を要するという問題も有している。また、ドライエッチングは、真空プロセスを要するためコストもかかる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、無機膜の材料や厚みに関わらず、機械的に分離された複数の部分からなる無機膜を高精度にしかも簡易なプロセスで形成することができ、機械的に分離された各部分の形状精度を良好とすることができ、圧電膜等の形成に好適な膜分離化技術、及び、該技術を適用して得られる無機膜基板と圧電素子とインクジェット式記録ヘッドとを提供することを目的とするものである。

本発明の第１の無機膜基板は、
表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意し、
次いで、該表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜して、製造されたものであることを特徴とするものである。

本明細書において、「表面凹凸基板の基板面」は、表面凹凸基板の凹凸パターンが形成されている側の平坦部分の面（凸部の上面又は凹部の底面）と定義する。

本発明の第１の無機膜基板において、多数の柱状構造体からなる無機膜は、結晶構造を有していてもアモルファス構造を有していても構わないが、結晶構造を有することが好ましい。

隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいので、本発明によれば、基本的には、表面凹凸基板上に多数の柱状構造体からなる上記無機膜を成膜するだけで、無機膜の、凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とを、互いに機械的に分離させることができる。

なお、隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいとはいっても、分離の起点がなければ機械的には分離しない。本発明では、無機膜を形成する基板を表面凹凸基板とすることで、基板表面の凸部と凹部の境界部分が分離の起点となり、無機膜の凸部上部分と凹部上部分とを、互いに良好に機械的に分離させることができる。

柱状構造体は、本来、下地面に対して略垂直方向に成長するという性質がある。例えば、表面凹凸基板の凹凸パターンをなす凸部の側面にテーパ状の傾斜があった場合、平坦面上と傾斜面上とでは柱状構造体の成長方向が異なる。柱状構造体の成長方向が異なる部分の境界では成長した柱状構造体同士が衝突するため、柱状構造体同士の結合が弱く、機械的に分離された構造となりやすい（後記実施例１及び図６に示すＳＥＭ断面写真を参照）。

表面凹凸基板の凹凸パターンをなす凸部の側面が基板面に対して垂直の場合にも、凸部上の柱状構造体の成長と凹部上の柱状構造体の成長とは、凸部と凹部の境界において成長した柱状構造体同士が衝突するため、柱状構造体同士の結合が弱く、機械的に分離された構造となりやすい。

ただし、表面凹凸基板上に上記無機膜を成膜するだけでは、無機膜の凸部上部分と凹部上部分とが互いに機械的に分離しない場合もある。この場合も、少し物理作用力（例えば、超音波による振動を加える、圧電材料であれば実際に電界を印加して伸縮させるなど）を加えるだけで、簡易に凸部上部分と凹部上部分とを互いに機械的に分離させることができる。

上記理由から、凸部上部分と凹部上部分とが互いに機械的に分離されていない構造の無機膜を有する無機膜基板も、本発明の第１の無機膜基板に含まれる。

本発明の第２の無機膜基板は、
表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意し、
次いで、該表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜し、
次いで、該無機膜に物理作用力を及ぼして、該無機膜の、前記凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、前記凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とを、互いに機械的に分離させて、製造されたものであることを特徴とするものである。

本発明の第１、第２の無機膜基板では、前記無機膜を、前記凸部上部分と前記凹部上部分とが前記柱状構造体の界面で分離された構造とすることができる。

本発明の第１、第２の無機膜基板において、前記無機膜の前記凸部上部分と前記凹部上部分との境界面の、前記表面凹凸基板の基板面に対する角度が、９０±４５°の範囲内であることが好ましい。

本発明の第１、第２の無機膜基板において、前記凹凸パターンの凹凸高低差が、前記無機膜の厚みの１／３０以上であることが好ましい。
本発明の第１、第２の無機膜基板において、前記凹凸パターンの凹凸高低差が、０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

本発明の第１、第２の無機膜基板において、前記表面凹凸基板の前記凹凸パターンをなす凸部の側面の、該表面凹凸基板の基板面に対する角度が、５〜１３５°の範囲内にあることが好ましい。

本明細書において、「表面凹凸基板の凹凸パターンをなす凸部の側面の、表面凹凸基板の基板面に対する角度」、及び「無機膜の凸部上部分と凹部上部分との境界面の、表面凹凸基板の基板面に対する角度」はいずれも、表面凹凸基板の凸部の上面を基準面として、該基準面から無機膜内を通って表面凹凸基板の凹部の底面に向かう方向を＋方向としたときの角度により定義するものとし、図６に示す例では符号θ１、θ２で示す角度である。

本発明の第１、第２の無機膜基板において、前記無機膜をなす前記多数の柱状構造体の平均柱径が３０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

本発明の無機膜基板は、前記無機膜が強誘電体からなる場合などに有効であり、特に前記無機膜が圧電材料からなる場合などに有効である。

本発明の圧電素子は、前記無機膜が圧電材料からなる本発明の第１又は第２の無機膜基板を備えた圧電素子であって、
前記表面凹凸基板に、
圧電材料からなる前記無機膜と、
該無機膜の前記凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分及び／又は前記凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分に対して、電界を印加する電極とが形成されたものであることを特徴とするものである。

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、上記の本発明の圧電素子を備えたことを特徴とするものである。
本発明のインクジェット式記録装置は、上記の本発明の圧電素子を備えたことを特徴とするものである。

本発明の無機膜基板の製造方法は、
表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意する工程（Ａ）と、
前記表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜する工程（Ｂ）とを順次有することを特徴とするものである。

本発明の無機膜基板の製造方法は、前記無機膜に物理作用力を及ぼして、該無機膜の、前記凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、前記凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とを、互いに機械的に分離させる工程（Ｃ）をさらに有するものであってもよい。

本発明の無機膜基板は、表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意し、次いで、該表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜して、製造されたものである。

隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいので、本発明によれば、無機膜の材料や厚みに関わらず、高精度に、しかもエッチング工程を経ることはなく簡易なプロセスで低コストに、無機膜を、表面凹凸基板の凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、表面凹凸基板の凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とが、互いに機械的に分離された構造とすることができる。

本発明では、無機膜の凸部上部分と凹部上部分とを、柱状構造体の界面で良好に分離することができるので、凸部上部分と凹部上部分との境界面の面方向を、凸部上部分と凹部上部分との境界部分にある柱状構造体の配向方向に略一致させることができ、凸部上部分と凹部上部分との境界面の角度のばらつきを高レベルに抑制することができる。また、凸部上部分と凹部上部分との境界面の平滑性も良好となる。

本発明では、表面凹凸基板の凸部の側面の角度を略垂直とし、柱状構造体を略垂直方向に配向させることで、無機膜の凸部上部分と凹部上部分との境界面の、表面凹凸基板の基板面に対する角度を、安定的に略垂直とすることも可能である。

以上のように、本発明によれば、無機膜の材料や厚みに関わらず、機械的に分離された複数の部分からなる無機膜を高精度にしかも簡易なプロセスで形成することができ、機械的に分離された各部分の形状精度を良好とすることができる。

「圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド」
図１を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子（無機膜基板）及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッドの構造について説明する。図１はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

本実施形態の圧電素子（無機膜基板）１は、表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板１０上に、下部電極２０と圧電膜（無機膜）３０と上部電極４０とが順次積層された素子である。圧電膜３０は圧電性を有する無機化合物からなり、下部電極２０と上部電極４０とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

表面凹凸基板１０は、シリコン基板等の平坦基板１１上に、ライン状の凸部１２がストライプ状にパターン形成されたものであり、表面凹凸基板１０の表面において、凸部１２のない部分が凹部１３となっている。凸部１２の幅と凹部１３の幅は、同一でも非同一でもよく、適宜設計できる。

表面凹凸基板１０の表面形状に沿って、表面凹凸基板１０の略全面に、下部電極２０と圧電膜３０とが順次積層されている。

圧電膜３０は、表面凹凸基板１０の凸部１２上に位置する凸部上部分３１と、表面凹凸基板１０の凹部１３上に位置する凹部上部分３２とから構成されており、凸部上部分３１と凹部上部分３２とは互いに機械的に分離されている。本実施形態では、圧電膜３０の各凸部上部分３１の上に上部電極４０が形成されており、圧電膜３０の凸部上部分３１が、印加電界の増減に伴って伸縮する圧電部となっている。

表面凹凸基板１０の表面凹凸高低差（凸部１２の高さに相当）は特に制限なく、圧電膜３０の厚みの１／３０以上、特に１／２０以上が好ましい。表面凹凸高低差を圧電膜３０の厚みの１／３０以上とすることで、凸部上部分３１と凹部上部分３２とを良好に機械的に分離することができる。

また、圧電膜３０の厚みが２〜１０μｍ程度と比較的厚い場合には、表面凹凸基板１０の表面凹凸高低差が、好ましくは０．１μｍ以上２μｍ以下あれば、凸部上部分３１と凹部上部分３２とを良好に機械的に分離することができる。

凸部１２の側面が表面凹凸基板１０の基板面に対して垂直状である場合に図示してあるが、凸部１２の側面はテーパ状に傾斜していてもよい。凸部上部分３１と凹部上部分３２とを良好に機械的に分離することができることから、基板面に対する凸部１２の側面の角度θ１は５〜１３５°の範囲内にあることが好ましい。

凸部１２の側面が順テーパ状〜垂直状の場合（θ１≦９０°）（図６に示す実施例１のＳＥＭ断面写真は、順テーパ状傾斜の例である。）、角度θ１は４５〜８５°が好ましく、６０〜８０°がより好ましく、７０〜８０°が特に好ましい。
凸部１２の側面が逆テーパ状〜垂直状の場合（θ１≧９０°）、角度θ１は９５〜１３５°が好ましく、１００〜１２０°がより好ましく、１００〜１１０°が特に好ましい。

平坦基板１１は特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。平坦基板１１上に形成された凸部１２の材料としては特に制限なく、ＳｉＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ等、及びこれらの組合せが挙げられる。

下部電極２０の材料は特に制限なく、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
上部電極４０の材料は特に制限なく、下部電極２０で例示した材料、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられる電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。

圧電膜３０の材料としては特に制限なく、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物（不可避不純物を含んでもよい）が好ましい。ペロブスカイト構造を有する複合酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物や、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス等の非鉛含有化合物、及びこれらの組合せが挙げられる。これら圧電材料は、電界無印加時において、自発分極性を有する強誘電体である。

圧電膜３０の厚みは特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば１〜５μｍである。この厚みは、ｎｍオーダーの電極２０、４０（例えば厚み２００ｎｍ）に比して大きいものである。

本実施形態において、圧電膜３０は、表面凹凸基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる結晶性の無機膜からなり、凸部上部分３１と凹部上部分３２とは、柱状構造体の界面で分離されている（図６に示す実施例１のＳＥＭ断面写真を参照）。

圧電膜３０は、柱状構造体からなる圧電膜３０を形成しやすいことから、結晶性を有することが好ましいが、多数の柱状構造体からなる圧電膜３０を形成することができれば、アモルファス構造でも構わない。

「課題を解決するための手段」の項において説明したように、隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいので、基本的には、表面凹凸基板１０上に多数の柱状構造体からなる圧電膜３０を成膜するだけで、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とを、互いに機械的に分離させることができる。

なお、隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいとはいっても、分離の起点がなければ機械的には分離しない。本実施形態では、圧電膜３０を形成する基板を表面凹凸基板１０とすることで、基板１０表面の凸部１２と凹部１３の境界部分が分離の起点となり、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とを、互いに良好に機械的に分離させることができる。

ただし、表面凹凸基板１０上に多数の柱状構造体からなる圧電膜３０を成膜するだけでは、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とが互いに機械的に分離しない場合もある。この場合も、少し物理作用力を加えるだけで（圧電材料であれば、実際に電界を印加して伸縮させるなど）、簡易に凸部上部分３１と凹部上部分３２とを互いに機械的に分離させることができる。電界印加以外では、表面凹凸基板１０及び／又は圧電膜３０に対して、熱や振動を与える、超音波を作用させるなどして、簡易に凸部上部分３１と凹部上部分３２とを互いに機械的に分離させることができる。

圧電膜３０をなす多数の柱状構造体の平均柱径は特に制限なく、３０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。柱状構造体の平均柱径が過小では、圧電体として充分な結晶成長が起こらない、所望の圧電性能が得られないなどの恐れがある。柱状構造体の平均柱径が過大では、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２の形状精度が低下するなどの恐れがある。

多数の柱状構造体からなる無機膜に関しては、成膜条件（基板温度及び成膜圧力）と生成される柱状構造体の形状や柱径との関係、及び柱状構造体の分類について、研究がなされている。
上記研究は、蒸着膜では、Movchan and Demchishin,Phys.Met.Mettallogr.,28,83（1969）に詳細に記載されている。圧電膜３０が蒸着膜の場合、該文献に記載の分類で言えば、圧電膜３０をなす柱状構造体はＺｏｎｅ２であることが好ましい。
上記研究は、スパッタ膜では、Thonton,J.Vac.Sci.Technol.,11,666（1974）に詳細に記載されている。圧電膜３０がスパッタ膜の場合、該文献に記載の分類で言えば、圧電膜３０をなす柱状構造体はＺｏｎｅＴ〜ＺｏｎｅＩＩであることが好ましい。

柱状構造体は下地面に対して略垂直方向に成長するという性質があるので、凸部１２の側面が基板面に対して略垂直状の場合、図示するように、理論的には、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面は、表面凹凸基板１０の基板面に対して略垂直となる。ただし、凸部１２と凹部１３との境界近傍は、下地面に段差があるので、成長方向が斜めになることがあり、この場合、凸部１２の側面が基板面に対して略垂直状であっても、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面は斜めになる。

また、凸部１２の側面がテーパ状に傾斜している場合には、後記実施例１図６に示すように、凸部１２の側面上の結晶成長方向が斜めとなり、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面は斜めになる。

圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の、表面凹凸基板１０の基板面に対する角度θ２は特に制限なく、凸部上部分３１と凹部上部分３２の形状精度を考慮すれば、９０±４５°が好ましく、９０±３０°がより好ましく、９０±１０°が特に好ましい。詳細については後記するが、本発明では、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の、表面凹凸基板１０の基板面に対する角度を、安定的に上記範囲内とすることができる。

インクジェット式記録ヘッド２は、概略、上記構成の圧電素子１の表面凹凸基板１０の下面に、振動板５０を介して、インクが貯留されるインク室６１及びインク吐出口６２を有するインク貯留吐出部材６０が取り付けられたものである。インク室６１は、圧電膜３０の凸部上部分３１の数及びパターンに対応して、複数設けられている。

インクジェット式記録ヘッド２では、圧電素子１の凸部上部分３１に印加する電界強度を凸部上部分３１ごとに増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室６１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

本実施形態の圧電素子１及びインクジェット式記録ヘッド２は、以上のように構成されている。

「製造方法」
図２を参照して、圧電素子１及びインクジェット式記録ヘッド２の製造方法について説明する。図２は工程図であり、図１に対応した断面図である。

（工程（Ａ））
はじめに、図２（ａ）に示す如く、平坦基板１１の略全面に、凸部１２の材料のベタ膜１２Ｘが成膜された積層基板１４を用意する。かかる積層基板１４は、平坦基板１１に凸部１２の材料を成膜して製造してもよいし、シリコン基板の表面にＳｉＯ_２酸化膜が形成されたＳＯＩ基板等の市販基板を用いてもよい。
次いで、図２（ｂ）に示す如く、公知方法により上記ベタ膜１２Ｘをパターニングして凸部１２を形成し、表面に凸部１２及び凹部１３を有する表面凹凸基板１０を製造する。
次いで、図２（ｃ）に示す如く、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って、表面凹凸基板１０の略全面に下部電極２０を形成する。本実施形態では、下部電極２０によって表面凹凸がなくならないよう、表面凹凸基板１０の表面凹凸高低差と下部電極２０の厚み等を設計する必要がある。

（工程（Ｂ））
次いで、図２（ｄ）に示す如く、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って、表面凹凸基板１０の略全面に圧電膜３０の材料を成膜して、表面凹凸基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる圧電膜（無機膜）３０を形成する。表面凹凸基板１０の基板面に対して略垂直方向に柱状構造体を成長させる場合、略（１００）方向に配向性を有する無機膜が得られる。

圧電膜３０の厚みは、通常１μｍ以上、例えば１〜５μｍであり、圧電膜３０をなす多数の柱状構造体の平均柱径は、例えば３０ｎｍ以上１μｍ以下であることを先に述べた。圧電膜３０の成膜方法としては制限なく、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やスパッタ法等の気相成長法等が挙げられる。材料に応じて、成膜温度、圧力、等の条件を調整することで、所望の平均柱径の柱状構造体を所望の方向に成長させることができる。

成膜温度は、多数の柱状構造体からなる無機膜を安定的に成膜できる温度に設定され、ＰＺＴ等では５００〜６００℃が好ましい。

隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいので、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って、上記構造の圧電膜３０を成膜するだけで、圧電膜３０の、表面凹凸基板１０の凸部１２上に位置する凸部上部分３１と、表面凹凸基板１０の凹部１３上に位置する凹部上部分３２とを、互いに機械的に分離させることができる。

本実施形態では、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とを、柱状構造体の界面で良好に分離することができるので、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の面方向を、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界部分にある柱状構造体の配向方向に略一致させることができ、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の角度のばらつきを高レベルに抑制することができる。また、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の平滑性も良好となる。

本実施形態では、表面凹凸基板１０の基板面に対する柱状構造体の配向方向の角度（角度の基準と＋方向は、表面凹凸基板１０の凸部１２の側面の角度θ１、及び、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の角度θ２と同様）を、好ましくは９０±３０°、特に好ましくは９０±１０°の範囲内とし、凸部１２の側面の角度θ１を略一定にすれば、表面凹凸基板１０の基板面に対する凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の角度を、安定的に所望の角度にすることができる。すなわち、凸部１２の側面の角度θ１を略垂直とし、柱状構造体を略垂直方向に配向させることで、圧電膜３０の圧電部である凸部上部分３１の端面形状を安定的に略垂直形状とすることができる。

（工程（Ｃ））
表面凹凸基板１０上に圧電膜３０を成膜するだけでは、凸部上部分３１と凹部上部分３２とが互いに機械的に分離しない場合もある。この場合には、圧電膜３０に物理作用力を及ぼして、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とを、互いに機械的に分離させる工程（Ｃ）を実施する。この工程（Ｃ）は、後記工程（Ｄ）の前でも後でも構わない。

本実施形態では、圧電素子１の製造後（後記工程（Ｄ）後）に、実際に電界を印加して凸部上部分３１を伸縮させることで、簡易に凸部上部分３１と凹部上部分３２とを互いに機械的に分離させることができる。

電界印加以外では、表面凹凸基板１０及び／又は圧電膜３０に対して、熱や振動を与える、超音波を作用させるなどして、簡易に凸部上部分３１と凹部上部分３２とを互いに機械的に分離させることができる。

（工程（Ｄ））
図２（ｅ）に示す如く、各凸部上部分３１の上に上部電極４０を形成し、必要に応じて、表面凹凸基板１０の下面をエッチングして表面凹凸基板１０の厚みを薄くして、圧電素子１が完成する。

上記圧電素子１に振動板５０及びインク貯留吐出部材６０を取り付けることにより（図示略）、インクジェット式記録ヘッド２が製造される。

本実施形態の圧電素子（無機膜基板）１は、表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板１０を用意し、次いで、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って、表面凹凸基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる圧電膜（無機膜）３０を成膜して、製造されたものである。

隣接する柱状構造体同士は互いに機械的に分離されやすいので、本実施形態によれば、圧電膜３０の材料や厚みに関わらず、高精度に、しかもエッチング工程を経ることはなく簡易なプロセスで低コストに、圧電膜３０を、表面凹凸基板１０の凸部１２上に位置する凸部上部分３１と、表面凹凸基板１０の凹部１３上に形成された凹部上部分３２とが、互いに機械的に分離された構造とすることができる。

先に詳述したように、本実施形態では、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２とを、柱状構造体の界面で良好に分離することができるので、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の形状精度が良好で、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の平滑性も良好となる。

本実施形態では、凸部１２の側面の角度θ１を略垂直とし、柱状構造体を略垂直方向に配向させることで、圧電膜３０の凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の、表面凹凸基板１０の基板面に対する角度を、安定的に略垂直とすることも可能である。

以上のように、本実施形態によれば、圧電膜３０の材料や厚みに関わらず、機械的に分離された複数の部分からなる圧電膜３０を高精度にしかも簡易なプロセスで形成することができ、機械的に分離された各部分の形状精度を良好とすることができる。

上記実施形態では、圧電膜３０の凸部上部分３１のみを、印加電界の増減に伴って伸縮する圧電部としたが、凸部上部分３１と凹部上部分３２とは独立に伸縮させることが可能であるので、凸部上部分３１及び／又は凹部上部分３２の上に上部電極４０を形成して、凸部上部分３１及び／又は凹部上部分３２を圧電部とすることができる。凹部上部分３２を圧電部とした圧電素子の例を図３（ａ）、（ｂ）に示しておく。図３（ｂ）に示す例は、図３（ａ）の凸部１２の幅を小さくしたものである。

「インクジェット式記録装置」
図４及び図５を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド２を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図４は装置全体図であり、図５は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド２である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。

ロール紙を使用する装置では、図４のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図４上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図４の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。

吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図５を参照）。各印字ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド２Ｋ，２Ｃ，２Ｍ，２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。

大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。

インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。

表面凹凸基板１０の表面凹凸パターンは、上記実施形態に限定されず、適宜設計変更である。また、平坦基板１１上に凸部１２が形成された態様に限らず、表面凹凸パターンを有するものであれば、平坦基板の表面にエッチングにより凹部がパターン形成されたもの、はじめから表面凹凸基板として一体成形されたものなど、任意の表面凹凸基板が使用できる。

表面凹凸基板１０と振動板５０とが別部材である構成について説明したが、振動板５０を設けずに表面凹凸基板１０を振動板として機能させることも可能である。

圧電素子を例として説明したが、本発明は、柱状構造体を成長可能な材料であれば、いかなる材料の無機膜を備えた無機膜基板にも適用可能である。本発明は、材料自体がエッチングされにくく、しかもｎｍオーダーの電極等に比して厚く成膜される、圧電膜等を備えた無機膜基板に好ましく適用できる。

柱状構造体を成長可能な、圧電材料以外の無機膜の材料としては、ＺｒＯ_２，ＺｎＯ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２等の酸化物；ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＴｉＮ等の窒化物；ＳｉＣ，Ｂ_４Ｃ等の炭化物；Ａｌ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ等の金属等；及びこれらの組合せが挙げられる。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
図２に示した工程に従って、本発明の圧電素子及びインクジェット式記録ヘッドを製造した。

シリコン基板１１の表面にＳｉＯ_２酸化膜１２Ｘが形成されたＳＯＩ基板１４を用意し、ＢＨＦ（Buffered Hydrogen Fluoride）を用いたウェットエッチングを実施して、ＳｉＯ_２酸化膜の不要部分（凹部１３となる部分）を除去し、０．５μｍ厚の凸部１２を５００μｍ角の形状にパターン形成して、表面凹凸基板１０を製造した。

次いで、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って略全面に、スパッタ法にて、Ｐｔ下部電極２０を２００ｎｍ厚で形成した。この工程後の表面形状は、表面凹凸基板１０の表面凹凸形状がほぼそのまま維持されていた。

次いで、表面凹凸基板１０の表面形状に沿って略全面に、スパッタ法にて、結晶配向性を有するＰＺＴ膜３０を５μｍ厚で成膜した。このときの成膜条件は基板温度を５５０℃とした。

ＳＥＭ断面写真を図６に示す。
表面凹凸基板１０の凸部１２の側面は、順テーパ状の傾斜面であった（図６中、「テーパ部」で示してある。）。凸部１２の側面の表面凹凸基板１０の基板面に対する角度θ１は、８０°程度であった。
ＰＺＴ膜３０は、略（１００）配向性を有し、表面凹凸基板１０の基板面に対して略垂直方向に成長した多数の柱状構造体（平均径１５０ｎｍ）からなる結晶性の無機膜であることが確認された。また、ＰＺＴ膜３０は、表面凹凸基板１０の凸部１２の平坦面上及び凹部１３の平坦面上では柱状構造体が基板面に対して略垂直に成長し、凸部１２の側面上は柱状構造体が基板面に対して斜めに成長しており、平坦面上と傾斜面上とでは柱状構造体の成長方向が異なる膜構造であった。そして、ＰＺＴ膜３０の、表面凹凸基板１０の凸部１２上に位置する凸部上部分３１と、表面凹凸基板１０の凹部１３上に位置する凹部上部分３２との間には、微小クラックが見られ、凸部上部分３１と凹部上部分３２とは柱状構造体の界面で良好に分離されていた。
圧電膜３０における、凸部上部分３１と凹部上部分３２との境界面の、表面凹凸基板１０の基板面に対する角度θ２は、１１０°程度であった。

各凸部上部分３１の上に、Ｐｔ上部電極４０をスパッタ法にて、１００ｎｍ厚で形成した。最後に、表面凹凸基板１０の下面をエッチングして、表面凹凸基板１０の厚みを１５μｍとし、本発明の圧電素子１を得た。

上記圧電素子１の表面凹凸基板１０の下面に、インク室６１及びインク吐出口６２を有するインク貯留吐出部材６０を取り付けて、本発明のインクジェット式記録ヘッド２（チャンバーサイズ８００μｍ□）を得た。本実施例では、表面凹凸基板１０が振動板を兼ねている。

上記インクジェット式記録ヘッド２のＰＺＴ膜３０に電界を印加して、ＰＺＴ膜３０の歪変位量を測定した。印加電圧は５Ｖとした。

ＰＺＴ膜３０が、凸部上部分３１と凹部上部分３２とが機械的に分離された分離膜の場合と、凸部上部分３１と凹部上部分３２とが機械的に分離されていない一体膜の場合についてそれぞれ、汎用有限要素法ソフトウエア（ＡＮＳＹＳ）によるシミュレーションを実施して、歪変位量を計算した。

結果を表１に示す。ＰＺＴ膜３０の歪変位量の実測値は、凸部上部分３１と凹部上部分３２とが機械的に分離されている場合のシミュレーション結果とほぼ一致している。この結果は、本実施例で形成された圧電膜３０が、機械的に分離された複数の部分からなることを示している。

本発明者は、本実施例におけるＰＺＴ膜３０の歪変位量は、従来の圧電素子の製造方法に従って、平坦なシリコン基板上にドライエッチング法によりＰＺＴ膜をパターン形成し、それ以外の条件は本実施例と同じ条件とした場合の歪変位量と、ほぼ一致することも確認している。

本発明者はまた、ＰＺＴ膜３０の凸部上部分３１の上に上部電極４０を形成する代わりに、凹部上部分３２の上に上部電極４０を形成して圧電素子１を製造しても、実施例１と同様の結果が得られることを確認している。

（比較例１）
ＰＺＴ膜をゾルゲル法で成膜した以外は実施例１と同様にして、比較用の圧電素子を製造した。得られたＰＺＴ膜をＳＥＭ観察したところ、柱状構造体のない膜構造であった。この圧電素子について、実施例１と同様に歪変位量を測定したところ、３０ｎｍであった。この値は、凸部上部分と凹部上部分とが機械的に分離されていない一体膜のシミュレーション結果とほぼ一致している。

上記結果から、柱状構造体のない膜構造では、表面凹凸基板上にその表面形状に沿ってＰＺＴ膜を形成しても、ＰＺＴ膜を機械的に分離された構造とすることができないことが示された。

本発明者は、ＰＺＴ膜をエアロゾルデポジション（ＡＤ）法で成膜しても、得られるＰＺＴ膜は柱状構造体のない膜構造であり、比較例１と同様の結果が得られることを確認している。

本発明は、機械的に分離された複数の部分からなる無機膜を備えた無機膜基板に適用することができ、インクジェット式記録装置等に使用される圧電素子等に好ましく適用することができる。

本発明に係る実施形態の圧電素子及びインクジェット式記録ヘッドの構造を示す断面図（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る実施形態の圧電素子の製造方法を示す工程図（ａ）及び（ｂ）は、図１の圧電素子の設計変更例を示す図図１のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図図４のインクジェット式記録装置の部分上面図実施例１の圧電素子（無機膜基板）のＳＥＭ断面写真

符号の説明

１圧電素子（無機膜基板）
２インクジェット式記録ヘッド
１０表面凹凸基板
１２凸部
１３凹部
２０、４０電極
３０圧電膜（無機膜）
３１凸部上部分
３２凹部上部分
１００インクジェット式記録装置
θ１表面凹凸基板の凸部の側面の角度
θ２無機膜の凸部上部分と凹部上部分との境界面の角度

Claims

表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意する工程（Ａ）と、
前記表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜する工程（Ｂ）と、
前記無機膜に物理作用力を及ぼして、該無機膜の、前記凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、前記凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とを、互いに機械的に分離させる工程（Ｃ）を順次有し、
前記無機膜が圧電材料からなり、前記物理作用力が該無機膜への電界印加によるものであることを特徴とする無機膜基板の製造方法。
表面に凹凸パターンを有する表面凹凸基板を用意する工程（Ａ）と、
前記表面凹凸基板の表面形状に沿って、該表面凹凸基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状構造体からなる無機膜を成膜する工程（Ｂ）と、
前記無機膜に物理作用力を及ぼして、該無機膜の、前記凹凸パターンの凸部上に位置する凸部上部分と、前記凹凸パターンの凹部上に位置する凹部上部分とを、互いに機械的に分離させる工程（Ｃ）を順次有し、
前記物理作用力が前記無機膜への振動の付与または超音波の作用によるものであることを特徴とする無機膜基板の製造方法。