JP5289710B2 - 圧電素子及びインクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換する圧電素子に関し、特に、膜状の圧電体（圧電膜）を含む圧電素子に関する。また、本発明は、そのような圧電素子が適用されたインクジェットヘッドに関する。

近年、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electrical mechanical system）の分野においては、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界又は磁界を印加することにより所定の機能を発現する電子セラミックス等の機能性材料を含む素子を、様々な成膜技術を用いて製造する研究が盛んに進められている。

例えば、インクジェットプリンタにおいて高精細且つ高画質な印字を可能とするためには、インクジェットヘッドのインクノズルを微細化すると共に高集積化する必要がある。そのため、各インクノズルを駆動する圧電素子（圧電アクチュエータ）についても、同様に、微細化及び高集積化することが求められる。そのため、バルク材よりも薄い層を形成でき、且つ、微細なパターン形成が可能な成膜技術を用いて圧電素子を作製することが研究されている。

ところで、圧電素子を成膜技術によって形成する場合には、通常、圧電膜の結晶性を向上させるために、基板上に圧電膜を形成した後で熱処理を行う。或いは、基板を加熱した状態で、圧電膜を形成する場合もある。ところが、一般に、基板と圧電膜とにおいては熱膨張係数が異なるので、熱処理時又は熱処理後の冷却時に、或いは、成膜時に加熱された基板を冷却する際に、基板又は圧電膜にクラックが生じたり、基板と圧電膜とが互いに剥離する等の問題が生じている。

例えば、基板としては、酸化ジルコニウムやアルミナや酸化マグネシウム等のセラミック基板が用いられる場合が多い。また、最近では、半導体プロセスの普及から、シリコン（Ｓｉ）基板やＳＯＩ基板（Silicon on Insulator基板：Ｓｉ基板と表面Ｓｉ層の間に酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を挿入した構造を有する基板）のように、シリコン及び酸化ケイ素を主成分とする基板を用いることも試みられている。しかしながら、いずれにしても、それらの基板とＰＺＴ等の圧電セラミックとでは熱膨張係数がかなり異なっている。

関連する技術として、特許文献１には、基板と、基板上に形成された第１の電極と、該第１の電極上に基板加熱により形成された圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に形成された第２の電極とを備えた圧電体薄膜素子が開示されている。この圧電体薄膜素子においては、圧電体薄膜の熱膨張係数を基板の熱膨張係数よりも小さくしており、圧電体薄膜形成後の降温時に基板によって圧電体薄膜を圧縮膜とすることにより、圧電体薄膜の機械的強度を保持するようにしている（第２、５頁）。また、特許文献１には、基板と第１の電極との間に、さらに中間層を設けた圧電体薄膜素子も開示されている（第２頁）。

しかしながら、圧電膜よりも熱膨張係数が高い基板としては、例えば、酸化ジルコニウムやアルミナや酸化マグネシウムが挙げられるが、一般に、このような基板は加工精度に優れないので、微細なデバイスを製造するのに適しているとは言えない。一方、加工精度に着目すると、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板を用いることが望まれるが、これらの基板の熱膨張係数は、圧電膜の熱膨張係数よりも小さいので、圧電膜に対して引っ張り応力が生じるのを避けることができない。

一方、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のように、圧電膜が鉛を含む場合（鉛系圧電膜）には、次のような問題も生じている。即ち、基板上に直接又は電極を介して圧電膜を形成すると、圧電膜中の成分が基板側に拡散してしまう。特に、シリコン基板を用いる場合には、圧電膜から拡散した鉛がシリコンと容易に反応して鉛ガラスが生成される。その結果、圧電膜においては、鉛が不足して格子欠陥が生じ、十分な圧電性能を得ることができなくなる。また、シリコン基板においては、鉛が混入することにより、基板が脆くなるという問題が生じる。そのため、互いに成分の異なる材料が隣接する界面における成分の拡散を防止するために、それらの材料の間に中間層（拡散防止層）を設けることが必要になる。

特許文献２には、Ｓｉ基板上に、上下電極及び該電極間に挟まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層からなる電気−機械変換素子部を配し、与えられる電気信号に応じて基体の一部を変形する圧電アクチュエータにおいて、基体と電気−機械変換素子部の間に１層以上の中間層を形成し、該中間層を、基体との密着機能層、反応防止層、膜応力緩和機能層を有する単層又は複数層から構成することが開示されている。

また、特許文献３には、Ｓｉ基体と、該Ｓｉ基体の上に鉛原子に対する反応阻止機能を有する中間層と、該中間層の上に鉛を含む圧電セラミックスとからなる積層構造体が開示されている。この内、圧電セラミックスの膜は、超微粒子材料をノズルを通してＳｉ基板上に噴射、堆積させて微細形状物を形成するエアロゾルガスジェットデポジション法により形成されている。
このように、特許文献２及び３においては、単層又は複数層からなる中間層を設けることにより、鉛の拡散防止と応力緩和との両方を図っている。

特許文献４には、振動板上に、下部電極、圧電体膜及び上部電極を備えた圧電体素子が形成されている圧電アクチュエータが開示されている。圧電体膜は、振動板と密着する密着領域を有している。また、振動板は、第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜より圧電体素子側に形成され、且つ、拡散防止機能を備えた第２の絶縁膜とを少なくとも備えている。第２の絶縁膜は、少なくとも密着領域に対応する部分が、アモルファス構造を備えている。第２の絶縁膜としては、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンのいずれかを主成分とする材料が用いられる。
即ち、特許文献４においては、振動板に第２の絶縁膜としてアモルファスジルコニア等を形成することにより、圧電体膜から振動板側に鉛が拡散するの防止すると共に、圧電体膜と振動板との密着性を高めている。

特許文献５には、振動板と、振動板上に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するアクチュエータ装置であって、振動板が、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜を少なくとも含み、絶縁体膜の結晶は（−１１１）面が優先配向しているアクチュエータ装置が開示されている。
即ち、特許文献５においては、振動板に柱状晶のジルコニア層を設けることにより、振動板と圧電体層との密着性を高めている。

さらに、特許文献６には、基板上に振動板膜を成膜する工程と、振動板膜上に下部電極を成膜する工程と、下部電極上に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第１工程と、圧電体成膜第１工程で成膜された圧電体膜及び下部電極を所定形状にパターニングする工程と、パターニングにより残された圧電体膜上及び圧電体膜が除去された振動板膜上に更に圧電体膜を成膜する圧電体成膜第２工程と、圧電体膜上に上部電極を形成する工程とを備える圧電体膜素子の製造方法が開示されている。

特許文献７には、ＺｒＯ_２膜上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電体膜と、該圧電体膜上に形成された上部電極とを備えた圧電体素子であって、圧電体膜は、Ｘ線回折広角法により測定した１００面配向度が４０％以上７０％以下である圧電素子が開示されている。
特開２００４−１４６６４０号公報（第２、５頁） 特開平１１−２０４８４９号公報（第１頁） 特開２０００−３２８２２３号公報（第２頁） 特開２００５−１６８１７２号公報（第１、２頁） 特開２００５−１７６４３３号公報（第１頁） 特開２００２−３１４１６３号公報（第２頁） 特開２００１−２７４４７２号公報（第２頁）

本願発明者は、基板と圧電膜との間における元素の拡散防止機能及び応力緩和機能を向上させるために、様々な条件の中間層を挿入する実験を行った。すると、単に、拡散防止層や応力緩和層を設けるだけでは、十分な応力緩和効果が得られずにクラックを生じさせてしまったり、圧電体に十分な電界が印加されずに圧電歪みを生じさせることができないという問題が生じることが見出された。

中間層の材料及び厚さについて、特許文献６には、１５００ｎｍ（１．５μｍ）程度の圧電膜を形成する際に（段落００３８）、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下のＺｒＯ_２膜を設けたり（段落００３４）、チタン又はクロムからなる密着層を設けたり（段落００３５）することが開示されている。しかしながら、圧電膜に対してＺｒＯ_２膜や密着層を厚くし過ぎると、圧電膜の伸縮を効率的に利用できなくなるのに加えて、製造コストや時間を増加させることになる。従って、中間層の機能（拡散防止、応力緩和等）を確保できる適切な厚さを明らかにすることが望まれる。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、基板と圧電膜との間に適切な条件を満たす中間層を配置することにより、両者間に発生する応力を十分に緩和させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つ観点に係る圧電素子は、シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、該基板上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、該酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、該中間層上に形成された第１の電極層と、該第１の電極層上に、鉛系圧電材料によって形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された第２の電極層とを具備し、中間層及び第１の電極層を合わせた厚さが、圧電体層の厚さの１５％以上、かつ、圧電体層の厚さの５０％以下である。

また、本発明の１つの観点に係るインクジェットヘッドは、シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、該基板の一方の面上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、該酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、該中間層上に形成された第１の電極層と、該第１の電極層上に、鉛系圧電材料によってパターン形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された第２の電極層と、基板の他方の面上に形成され、液体が充填される複数の圧力室と、該複数の圧力室に液体を供給するための流路とを具備し、中間層及び第１の電極層を合わせた厚さが、圧電体層の厚さの１５％以上、かつ、圧電体層の厚さの５０％以下である。

本発明の１つの観点によれば、基板と圧電体層（圧電膜）との間に、合計の厚さが圧電体層の１５％以上かつ５０％以下の厚さとなるように、酸化ジルコニウム層及び密着層を含む中間層と、第１の電極層（下部電極層）とを配置するので、圧電体層の伸縮を効率的に利用しながら、基板及び圧電体層に生じる応力を十分に緩和できるようになる。また、密着層が、酸化ジルコニウム層と第１の電極層との間の密着性を高める。それにより、基板又は圧電体層にクラックが発生したり、両者が互いに剥離するのを抑制することができるので、品質の良い圧電素子及びそれを含むインクジェットヘッドを、高歩留まりで提供することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子の一部を示す断面図である。
図１に示すように、この圧電素子は、基板１と、中間層２と、下部電極層３と、圧電体層（圧電膜）４と、上部電極層５とを含んでいる。このような構造において、下部電極層３及び上部電極層５を介して圧電体層４に電界を印加する。それにより、圧電体層４が圧電効果により伸縮する。このような圧電素子は、例えば、インクジェットプリンタにおいてインクを吐出するインクジェットヘッドを駆動するアクチュエータに適用される。或いは、超音波診断装置の超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサとして利用しても良い。

基板１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板やＳＯＩ基板のように、半導体プロセスによる加工が可能な基板である。本実施形態において、基板１は、シリコン層１１と、その表面に形成されたシリコン熱酸化（ＳｉＯ_２）膜１２とを含んでいる。基板１の厚さは、圧電素子の用途に応じて様々であるが、例えば、５００μｍ〜６００μｍ程度の厚さを有しており、その内、シリコン熱酸化膜１２の厚さは、５００ｎｍ程度である。
本実施形態において、シリコン基板１を用いるのは、半導体プロセスを利用することにより、微細な電極等のパターンを基板１上に高集積することができるからである。

中間層２は、シリコン基板１と圧電体層４との間における元素の拡散を防止すると共に、基板１及び圧電体層４に生じる応力を緩和する。本実施形態において、中間層２は、シリコン基板１側から、金属酸化物層２１と、密着層２２とを含む２層構造を有している。

金属酸化物層２１は、例えば、１００ｎｍ程度〜１０００ｎｍ程度の厚さを有している。金属酸化物としては、柱状結晶構造を有する材料を用いることが望ましく、本実施形態においては、酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ_Ｘ、Ｘ≒２）を用いている。金属酸化物層２１は、主に応力緩和機能及び拡散防止機能を担っている。

密着層２２は、例えば、５０ｎｍ程度の厚さを有しており、ジルコニウム（Ｚｒ）と、チタン（Ｔｉ）と、クロム（Ｃｒ）と、ニッケル（Ｎｉ）と、タンタル（Ｔａ）と、ニオブ（Ｎｂ）との内の少なくとも１つの元素を含む金属又は金属酸化物によって形成されている。密着層２２は、主に、応力緩和機能と、金属酸化物層２１と下部電極層３との間の密着性を高める機能とを担っている。

ここで、金属酸化物層２１と密着層２２とは、互いに異なる材料によって形成されていれば良い。例えば、前者が金属酸化物（例えば、酸化ジルコニウム）で、後者が金属（例えば、ジルコニウム）であれば、両方ともが同じ元素を含有していても良い。また、互いに異なる金属元素を含有していれば、両方とも金属酸化物によって形成されていても良い（例えば、酸化ジルコニウムと酸化チタン）。

このような中間層２全体の厚さは、圧電体層４の厚さの６％以上とすることが望ましい。この割合は、圧電体層４の厚さを、例えば、３μｍ（或いは１５μｍ）とする場合に、中間層２の厚さを、１８０ｎｍ（或いは９００ｎｍ）以上とすることに相当する。その理由は、中間層２を、圧電体層４の厚さの６％を下回る程度に薄くすると、十分な応力緩和効果が得られずに、基板１又は圧電体層４にクラックが生じたり、中間層２と下部電極層３との間で剥離が生じるおそれがあるからである。

なお、図１には、金属酸化物層２１と密着層２２との境界が明確に示されているが、これらの境界は、必ずしも明確である必要はない。金属酸化物層２１と密着層２２とが混ざり合った層が存在していても、中間層２の厚さが全体として上記条件（圧電体層の６％以上）を満たしていれば、十分な応力緩和効果を得ることができる。

下部電極層３は、４００ｎｍ程度〜１０００ｎｍ程度の厚さを有しており、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、又は、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属によって形成されている。下部電極層３は、圧電体層４に電界を印加する際に、後述する上部電極層５と一緒に用いられると共に、基板１と圧電体層４との間における元素の拡散防止機能も担っている。

本実施形態においては、中間層２と下部電極層３とを合わせた厚さを、圧電体層４の厚さの１５％以上とすることが望ましい。この割合は、圧電体層４の厚さを、例えば、３μｍ（或いは１５μｍ）とする場合に、中間層２及び下部電極層３の厚さの合計を４５０ｎｍ（或いは２２５０ｎｍ）以上とすることに相当する。その理由は、中間層２及び下部電極層３の厚さを薄くし過ぎると、十分な応力緩和効果を得られなくなるからである。

反対に、中間層２及び下部電極層３を合わせた厚さを、圧電体層４の厚さの５０％より大きくすることは、あまり望ましくない。圧電素子が適用されたデバイスにおいて、圧電体層４の伸縮を効率的に利用できなくなるからである。例えば、インクジェットヘッドにおいては、圧電素子の伸縮に対する基板の変形量が小さくなるおそれがある。

なお、図１には、中間層２と下部電極層３との境界が明確に示されているが、これらの境界は、必ずしも明確である必要はない。例えば、密着層２２と下部電極層３とが、それらの境界において互いに混ざり合っていても問題ない。

圧電体層４は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛系圧電セラミックによって形成されている。また、上部電極層５は、例えば、厚さが５００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）によって形成されている。
圧電体層４の厚さは、圧電体層を伸縮させたときに十分な変位を得るために、３μｍ程度以上とすることが望ましい。また、本実施形態に係る圧電素子をインクジェットヘッド用のアクチュエータのように微細デバイスとして用いる場合には、圧電体層４の厚さを、最大で１０μｍ程度とすれば十分である。

このような圧電素子における中間層２及び下部電極層３の適切な厚さの範囲は、本願発明者が行った実験に基づいて規定されている。以下に、その実験について説明する。
図２は、図１に示す圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。また、図３は、この実験結果を示す表である。

まず、圧電素子の製造方法について説明する。
図２の工程Ｓ１において、シリコン基板を用意する。通常は、圧電素子の用途（例えば、インクジェットヘッド用のアクチュエータ）に応じて、所望の形状及び厚さとなるように基板を成形するが、実験においては、厚さが約５２５μｍのシリコン基板を用意した。このシリコン基板の表面には、厚さが約３００ｎｍの熱酸化膜が形成されている。

次に、工程Ｓ２において、シリコン基板上に、金属酸化物層として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層を形成する。成膜方法としては、例えば、金属ジルコニウムターゲットと、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ_２）の混合ガスとを用いた反応性スパッタ法が採用される。図３に示すように、実験においては、酸化ジルコニウム層の厚さを１５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で変化させた。ここで、図３において、Ｘ≒２である。

次に、工程Ｓ３において、金属酸化物層上に、密着層としてジルコニウム（Ｚｒ）層又は酸化チタン（ＴｉＯ_Ｙ）層を形成する。
ジルコニウム層を形成する際には、例えば、金属ジルコニウムターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスを用いたスパッタ法により成膜を行う。この場合には、スパッタガスの種類をアルゴン／酸素混合ガスからアルゴンガスに変更することにより、工程Ｓ２とＳ３とを連続して行っても良い。その場合には、酸化ジルコニウム層（金属酸化物層）からジルコニウム層（密着層）に向けて組成が徐々に変化するため、両者の境界は曖昧になるが、中間層の機能上は問題ない。

一方、密着層として酸化チタン層を形成する際には、例えば、金属チタンターゲットと、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）及び酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた反応性スパッタ法により成膜を行う。実験においては、ジルコニウム層及び酸化チタン層の厚さを、５０ｎｍとした（図３参照）。ここで、図３において、Ｙ≒２である。

次に、工程Ｓ５において、密着層上に、下部電極層として白金（Ｐｔ）層を形成する。成膜方法としては、例えば、白金ターゲットと、スパッタガスとしてアルゴンガスを用いたスパッタ法が採用される。図３に示すように、実験においては、白金層の厚さを５００ｎｍ〜８００ｎｍとした。

次に、工程Ｓ６において、圧電体層として、ＰＮＮ−ＰＺＴ層を形成する。実験においては、エアロゾル・デポジション（ＡＤ）法によってＰＺＴ層を形成した。ＡＤ法とは、原料粉（例えば、セラミックス原料粉）をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射することにより、基板上に成膜材料を堆積させる成膜方法である。なお、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。

図４は、ＡＤ法を用いた成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、圧力調整部１０２が設けられたガスボンベ１０１と、搬送管１０３及び１０６と、容器駆動部１０５が設けられたエアロゾル生成室１０４と、排気ポンプ１０８が設けられた成膜室１０７と、噴射ノズル１０９と、基板ホルダ駆動部１１１が設けられた基板ホルダ１１０とを含んでいる。

ガスボンベ１０１には、キャリアガスとして使用される窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、又は、乾燥空気等が充填されている。圧力調整部１０２は、搬送管１０３を介してエアロゾル生成室１０４に供給されるキャリアガスの流量を調節する。エアロゾル生成室１０４には原料粉が配置されており、エアロゾル生成室１０４内にキャリアガスを導入することにより、原料粉が吹き上げられて分散する。容器駆動部１０５は、エアロゾル生成室１０４に振動等を与えることにより、原料粉を攪拌する。そのようにして生成されたエアロゾルは、搬送管１０６を介して噴射ノズル１０９に供給される。

成膜室１０７の内部は、排気ポンプ１０８によって所定の真空度に保たれている。噴射ノズル１０９は、所定の形状及び大きさの開口を有しており、エアロゾル生成室１０４から供給されたエアロゾルを高速で噴射する。基板ホルダ駆動部１１１は、基板ホルダ１１０を３次元的に移動させる。それにより、噴射ノズル１０９と基板との相対位置及び相対速度が制御される。

図４に示す成膜装置において、原料粉（ＰＮＮ−ＰＺＴ粉体）をエアロゾル生成室１０４に配置すると共に、中間層（金属酸化物層及び密着層）及び下部電極層が形成された基板１を、下部電極層側をノズルに向けて基板ホルダ１１０にセットする。そして、基板を所定の成膜温度（例えば、５００℃〜８００℃）に保ち、成膜装置を駆動してノズル１０９からエアロゾルを噴射する。それにより、高速に加速された原料粉が、基板や先に形成された堆積物等の下層に衝突する。それにより、原料粉が下層に食い込むと共に、衝突の際に原料粉が破砕して新たな破砕面が生成される。この破砕面が下層に付着して結合することにより、強固な膜が形成される。その間に、基板ホルダ１１０を所定の速度で移動させて繰り返し走査することにより、所望の領域に所望の厚さを有するＰＺＴ層を形成することができる。
このようなＡＤ法によれば、その成膜メカニズム（メカノケミカル反応と呼ばれているにより、強固で緻密な膜を形成できると共に、ゾル・ゲル法等によっては不可能な厚膜（例えば、厚さが３μｍ以上の膜）を形成することも可能である。

次に、工程Ｓ７において、圧電体層上に、上部電極層として、白金（Ｐｔ）層をスパッタ法等により形成する。なお、上部電極層は、後述する圧電体層の熱処理の後に形成しても良い。また、実験においては、圧電体層の様子を観察するために、上部電極層を形成しない試料を作製した。

次に、工程Ｓ８において、圧電体層における結晶粒成長を促進して、結晶性を向上させるために、圧電体層を含む積層体（金属酸化物層〜上部電極層）を基板ごと熱処理（ポストアニール）する。その後に、基板及び積層体を室温に放置して自然冷却させることにより、圧電素子が完成する。実験においては、約８００℃の大気中において熱処理を行った。

このようにして作製された圧電素子の試料（図３の実施例１〜７及び比較例１〜３）について、次のように評価した。
まず、基板及び圧電体層を含む積層体を観察し、いずれかの層に剥離やクラックが生じているか否かを観察した。

次に、断面観察が可能な試料については、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によって断面を観察し、各層の厚さを測定した。なお、この実験においては、大気中において熱処理を行ったため（工程Ｓ８）、金属によって形成した層の一部が酸化した可能性もあるが、顕微鏡観察においては、全ての層の境界を確認することができた。一方、断面観察が不可能な試料（試料の形状を保持できないもの）については、別途用意しておいた熱処理前（工程Ｓ７まで）の試料の断面を観察し、各層の厚さを測定した。なお、熱処理前と熱処理後とにおいて、各層の厚さがあまり変化しないことは、確認済みである。

さらに、測定された各層の厚さに基づいて、次の２つの値を算出した。
（１）圧電体層の厚さに対する中間層の厚さの割合（％）
＝中間層（金属酸化物層＋密着層）の厚さ／圧電体層の厚さ×１００
（２）圧電体層の厚さに対する中間層及び下部電極層の厚さの割合（％）
＝（金属酸化物層＋密着層＋下部電極層）の厚さ／圧電体層の厚さ×１００

図３の実験結果を参照すると、実施例１〜３の試料において、圧電体層及び基板にクラックは全く観察されなかった。実施例４〜６の試料において、圧電体層の一部の端部にクラックが観察されたが、それ以外の部分においては、圧電素子として十分に利用できる程度に、試料の形状が維持されていた。さらに、密着層の材料を酸化チタン（ＴｉＯ_Ｙ）に変更した実施例７の試料においても、クラックは観察されなかった。

一方、比較例１及び２の試料は、試料を移動させる最中に圧電体層が粉々に砕けるほど、圧電体層全体にクラックが生じていた。また、密着層の材料を酸化チタン（ＴｉＯ_Ｙ）に変更した比較例７においても、圧電体層全体に多くのクラックが生じていた。

このような結果と、（１）圧電体層の厚さに対する中間層の厚さの割合、及び、（２）圧電体層の厚さに対する中間層及び下部電極層の厚さの割合とに着目すると、圧電体層に対して、中間層、又は、中間層及び下部電極層が十分に厚い場合（具体的には、圧電体層に対して中間層が６％以上、又は、圧電体層に対して中間層及び下部電極層が１５％以上）には、圧電体層にクラックが発生したり、圧電体層が基板から剥離するのを抑制できることが明らかになった。

次に、本発明の一実施形態に係る圧電素子を適用したインクジェットヘッドについて説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構造を示す断面図である。
図５に示すように、このインクジェットヘッドは、基板１と、基板１上に中間層２を介して配置されている複数の圧電素子（下部電極層３、圧電体層４、上部電極層５）と、ノズルプレート４１と、ノズルプレート４１上の空間を圧電素子の配置に対応して複数の領域に仕切る隔壁４２とを含んでいる。基板１は、圧電素子３〜５の配置面であると共に、圧電素子が圧電効果によって伸縮することにより振動（変形）する振動板として動作する。この基板１と、ノズルプレート４１と、隔壁４２とによって、インクが充填される複数の圧力室４３が形成される。また、ノズルプレート４１の面内には、複数の圧力室４３に対応して、複数の吐出口（ノズル部）４４が形成されている。なお、図５においては、説明を簡単にするために、各圧力室４３にインクを補給するための機構は省略されている。また、中間層２は、金属酸化物層と密着層とを含んでいる（図１参照）。

このようなインクジェットヘッドは、図２を参照しながら説明したのと同様にして、基板の一方の面上に複数の圧電素子を形成し、基板の反対側の面に、セラミック材料等を掘り込むことにより別途作製した隔壁４２と、金属板に開口を形成することにより作製したノズルプレート４１とを、接着剤を用いて貼り付けることによって製造できる。
印字を行う際には、制御信号に従って下部電極３及び上部電極５に電圧を印加ことにより、圧電体４を伸縮させる。それにより、振動板４３が変形して圧力室４３の容積が変化する。その結果、圧力室４３内部に充填されているインクが加圧されて吐出部４４から滴下する。

なお、図５においては、圧電体層４の配置に合わせて下部電極層３をパターン形成しているが、下部電極層３を複数の圧電体層４に渡って連続して形成することにより、共通電極としても良い。また、図５においては、中間層２を基板１上に連続して配置しているが、圧電体層４の配置に合わせてパターン形成しても良い。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構造を示す断面図である。
図６に示すように、このインクジェットヘッドは、図５に示すインクジェットヘッドに対して、圧力室５１、インクを吐出する吐出部（ノズル部）５２と、圧力室５１から吐出部５２にインクを供給するノズル流路５３と、圧力室５１にインクを供給するための共通流路５４とを形成する３次元構造体６０を、モノリシック構造化したものである。このようなインクジェットヘッドの製造方法について、図７及び図８を参照しながら説明する。

まず、図７の（ａ）に示すように、図２を参照しながら説明したのと同様にして、基板１の一方の面上に、中間層２を介して複数の圧電素子（下部電極層３、圧電体層４、上部電極層）を形成する。本実施形態においては、３０μｍ程度のシリコン基板を用い、圧電体層４の厚さを１０μｍ程度とする。なお、図７には、その内の１つの圧電体層３〜５が示されている。また、中間層２は、金属酸化物層及び密着層を含んでいる（図１参照）。

次に、図７の（ｂ）に示すように、基板１の圧電素子３〜５が配置されているのと反対側の面に、厚さが約１０μｍの第１のアルミナ層６１を所定のパターンとなるように形成する。第１のアルミナ層６１は様々な公知の方法によって形成できるが、ＡＤ法を用いる場合には、原料粉として、例えば、平均粒子径が約０．３μｍのアルミナ単結晶の粉体を用意し、所定のマスクパターンが形成されたレジストマスクを用いることにより、パターン形成する。この第１のアルミナ層６１により、インクが配置される圧力室５１の領域が画定される。なお、この後で、第１のアルミナ層６１を形成する際に基板１に生じた熱応力を除去するために、熱処理を行っても良い。

次に、図７の（ｃ）に示すように、圧力室５１内に、犠牲層として溶解材料６２をＡＤ法により配置する。溶解材料６２は、その上にＡＤ法による成膜が可能な程度の硬さを有する材料であり、且つ、ウェットエッチングによって除去可能な材料である。具体的には、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属材料や、ポリウレタン系樹脂、ポリウレタンアクリレート、エポキシ系樹脂等の硬質樹脂材料等が挙げられる。

次に、図７の（ｄ）に示すように、第１のアルミナ層６１及び溶解材料６２上の流路５３及び５４を除いた領域に、第２のアルミナ層６３をＡＤ法により形成する。そして、図８の（ａ）に示すように、流路５３及び５４に、犠牲層として溶解材料６２をＡＤ法により配置する。

さらに、図８の（ｂ）に示すように、第３のアルミナ層６４の形成および溶解材料６２の配置、第４のアルミナ層６５の形成及び溶解材料６２の配置、第５のアルミナ層６６の形成および溶解材料６２の配置、第６のアルミナ層（ノズルプレート）６７の形成及び溶解材料６２の配置を順次行う。これらの第３のアルミナ層６４〜第６のアルミナ層６７中に配置されている溶解材料６２は、インクの流路やノズルを形成するための犠牲層となる。

次に、ウェットエッチングにより、第１アルミナ層６１〜第６のアルミナ層６７中に配置されている溶解材料６２を除去する。それにより、図６に示すように、圧力室５１、吐出部５２、ノズル流路５３、及び、共通流路５４が形成される。
本実施形態においては、基板１と圧電素子３〜５の間に、十分な厚さを有する中間層が配置されているので、圧力室を形成するアルミナ層に熱処理を施す場合においても、基板１又は圧電体層４にクラックが生じたり、両者が互いに剥離するのを抑制することができる。

本発明は、本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換する圧電素子に関し、特に、膜状の圧電体（圧電膜）を含む圧電素子において利用することが可能である。また、本発明は、そのような圧電素子が適用されたインクジェットヘッドにおいて利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電素子の構造を示す断面図である。 図１に示す圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る圧電素子を作製した実験の結果を示す表である。 ＡＤ法による成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構造を示す断面図である。 図６に示すインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図６に示すインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 基板
２ 中間層
３ 下部電極層
４ 圧電体層
５ 上部電極層
２１ 金属酸化物層
２２ 密着層
４１ ノズルプレート
４２ 隔壁
４３、５１ 圧力室
４４、５２ 吐出部（ノズル部）
６０ ３次元構造体
５３ ノズル流路
５４ 共通流路
６１ 第１のアルミナ層
６２ 溶解材料
６３ 第２のアルミナ層
６４ 第３のアルミナ層
６５ 第４のアルミナ層
６６ 第５のアルミナ層
６７ 第６のアルミナ層（ノズルプレート）
１０１ ガスボンベ
１０２ 圧力調整部
１０３、１０６ 搬送管
１０４ エアロゾル生成室
１０５ 容器駆動部
１０７ 成膜室
１０８ 排気ポンプ
１０９ 噴射ノズル
１１０ 基板ホルダ
１１１ 基板ホルダ駆動部

Claims (6)

1. シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、
   前記基板上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、前記酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、
   前記中間層上に形成された第１の電極層と、
   前記第１の電極層上に、鉛系圧電材料によって形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第２の電極層と、
   を具備し、
   前記中間層及び前記第１の電極層を合わせた厚さが、前記圧電体層の厚さの１５％以上、かつ、前記圧電体層の厚さの５０％以下である、圧電素子。
2. シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、
   前記基板上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、前記酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、
   前記中間層上に形成された第１の電極層と、
   前記第１の電極層上に、鉛系圧電材料によって形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第２の電極層と、
   を具備し、
   前記中間層の厚さが、前記圧電体層の厚さの６％以上であり、前記中間層及び前記第１の電極層を合わせた厚さが、前記圧電体層の厚さの５０％以下である、圧電素子。
3. 前記第１の電極層が、白金（Ｐｔ）と、金（Ａｕ）と、イリジウム（Ｉｒ）と、ルテニウム（Ｒｕ）との内のいずれかを含む、請求項１又は２記載の圧電素子。
4. シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、
   前記基板の一方の面上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、前記酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、
   前記中間層上に形成された第１の電極層と、
   前記第１の電極層上に、鉛系圧電材料によってパターン形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第２の電極層と、
   前記基板の他方の面上に形成され、液体が充填される複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に液体を供給するための流路と、
   を具備し、
   前記中間層及び前記第１の電極層を合わせた厚さが、前記圧電体層の厚さの１５％以上、かつ、前記圧電体層の厚さの５０％以下である、インクジェットヘッド。
5. シリコン（Ｓｉ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする基板と、
   前記基板の一方の面上に形成されて柱状結晶構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）層、及び、前記酸化ジルコニウム層上に形成されてジルコニウム（Ｚｒ）又は酸化チタン（ＴｉＯ _Ｙ ）を含む密着層を含む中間層と、
   前記中間層上に形成された第１の電極層と、
   前記第１の電極層上に、鉛系圧電材料によってパターン形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第２の電極層と、
   前記基板の他方の面上に形成され、液体が充填される複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に液体を供給するための流路と、
   を具備し、
   前記中間層の厚さが、前記圧電体層の厚さの６％以上であり、前記中間層及び前記第１の電極層を合わせた厚さが、前記圧電体層の厚さの５０％以下である、インクジェットヘッド。
6. 前記第１の電極層が、白金（Ｐｔ）と、金（Ａｕ）と、イリジウム（Ｉｒ）と、ルテニウム（Ｒｕ）との内のいずれかを含む、請求項４又は５記載のインクジェットヘッド。

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