JP5345917B2

JP5345917B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP5345917B2
Application number: JP2009231733A
Authority: JP
Inventors: 高見新川; 慶一菱沼
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-10-05
Also published as: JP2011082681A

Description

本発明は、液体吐出装置（インクジェット式記録ヘッド）に関するものである。

近年、高性能な圧電体膜を利用したＭＥＭＳデバイスの開発が盛んに行われている。ＭＥＭＳデバイスとしては、ダイアフラム（振動板）を備えたデバイス基板上に下部電極、圧電体膜および上部電極が順次積層されてなる圧電素子を設けた構成の圧電デバイスが知られている。圧電デバイスは、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力室の一部を構成するダイアフラム上に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドや、ダイアフラムの振動を圧電素子からの電気信号として検知する圧電センサなどへの適用が検討されている。

このような圧電デバイスにおいては、圧電体膜への電圧の印加やダイアフラムの振動による絶縁破壊、放電、応力集中などにより圧電素子が破壊されるという問題があり、圧電デバイスの故障要因となっている。特許文献１および特許文献２等には、インクジェット式記録ヘッド（液滴吐出装置）における、このような圧電素子の破壊を抑制する方法が提案されている。

特許文献１は、圧力室上の圧電体膜に電界を与えるために圧力室上の上下電極から圧力室の周壁上にそれぞれ引き出した電極（電気配線）間に層間絶縁膜を設け、かかる層間絶縁膜によってダイアフラムの縁部が補強されることにより、ダイアフラムの駆動による破壊を防止することができる構成が開示されている。

特許文献２は、圧力室上（ダイアフラムの変位に関わる領域上）にのみ圧電体膜が設けられた構成の圧電素子を備えた場合において、圧電体膜の厚み分の上部電極と下部電極間の高低差に起因する金属配線の引き回しにおける段差が生じるために、局所的な配線幅の減少（細り）および断線が生じうるという問題に対し、ダイアフラムの変位に関わらない領域にも圧電体膜を配置することにより、金属配線の段差を減らし、金属配線の断線を抑制することができる構成が提案されている。また、特許文献２には、ダイアフラムの変位に寄与しない領域の圧電体膜と上部電極側配線との間に絶縁層を設けることにより、寄生容量を減らすことができる旨開示されている。

特開２０００−３７８６８号公報特開２００６−３２１０５９号公報

本発明者らは、ダイアフラム上に設けられた圧電素子の故障について、種々検討を行って、以下の知見を得た。

複数の圧電素子に亘って一様な圧電体膜を備えた圧電デバイスにおいては、基板１０のダイアフラム構造６０上のみならず、ダイアフラム６１の振動に寄与しない部分にも圧電体膜３０が設けられている（図９Ａ参照）。このとき、圧電素子３５を駆動すると、ダイアフラム構造６０上のみならず、圧電体膜の全域に亘って圧電体膜の破壊が生じる可能性があり、ダイアフラムの振動に寄与しない部分での圧電体膜の破壊によっても、デバイスの故障となる場合があることがわかった。なお、図９Ａ〜図９Ｃにおいては、圧電素子の破壊部９９を模式的に示している。

そこで、特許文献２に記載のように、ダイアフラムの振動に寄与しない領域において圧電体膜３０と上部電極５０との間に絶縁膜４０Ｂを挿入することが考えられる（図９Ｂ）。しかしながら、図９Ｂに示すように、層間絶縁膜４０Ｂを設けた場合、圧電体膜３０上に設けられた層間絶縁膜４０Ｂの膜厚分かさ上げされるため、層間絶縁膜４０Ｂが設けられない領域の電極形成面と、層間絶縁膜４０Ｂ上の電極形成面との間に段差が生じ、該電極形成面に形成される電極５０にも段差が生じる。これは、特許文献１に記載の構成の圧電素子において、ダイアフラム縁部において上下電極間に絶縁膜を設けた場合にも同様である。かかる電極の段差の近傍では、圧電素子の破壊が起きやすかった。

そこで、図９Ｃに示すように、上部電極の段差をなくすため、ダイアフラム構造６０の周壁からダイアフラム構造の外側に向けて徐々に厚くなるテーパー状の層間絶縁膜４０Ｃを設け、上部電極５０が形成される面をゆるやかな傾斜面を含むものとなるように構成することが考えられる。しかし、テーパー状の層間絶縁膜５０の膜厚の薄い部分でやはり圧電素子の破壊が起こりやすく、十分に圧電デバイスの故障を抑制することはできなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の破壊発生を抑制して耐久性を向上させた圧電デバイスを提供することを目的とするものである。

本発明の圧電デバイスは、ダイアフラム構造を備えた基板上に、下部電極、圧電体膜、および上部電極がこの順に形成されてなる圧電デバイスであって、前記基板上の前記ダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域において、対向して設けられている前記下部電極と前記上部電極との間に、層間絶縁膜が設けられ、前記上部電極の形成される面が平面であることを特徴とするものである。かかる「ダイアフラム構造に対応する所定領域」とは、ダイアフラムを変位させるために十分な駆動力を発生する圧電素子を形成することができる領域をいい、言い換えると、その所定領域に形成された圧電素子への電圧の印加により、ダイアフラムが変位するために十分な駆動力を発生しうるような領域を意味する。ここでいう「平面」とは、表面が平らな面であり、曲面でなく、凹凸や段差のない面をいい、上部電極の厚みｄに対して、表面粗さである中心線平均粗さＲａの大きさが小さいことを意味する。好ましくは、Ｒａ／ｄが０．１以下であることが望ましい。

また、前記所定領域の面積と前記ダイアフラム構造の開口面積との比は、０．２以上１．２以下であることが望ましい。

また、本発明の圧電デバイスに備えられた、前記層間絶縁膜は、前記圧電体膜の一部に埋め込まれていてもよい。すなわち、基板上のダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域において、前記層間絶縁膜が、前記下部電極と前記上部電極との間に、前記圧電体膜と積層配置されるように設けられていてもよい。

さらに、前記上部電極と前記下部電極との間に前記層間絶縁膜と前記圧電体膜とが積層されてなる構成である場合、前記層間絶縁膜が設けられた領域の前記圧電体膜にかかる電圧が、前記層間絶縁膜が設けられていない領域にかかる電圧の１／１０以下となることが好ましい。

また、本発明の圧電デバイスの前記ダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域において、前記上部電極と前記下部電極の間に前記層間絶縁膜のみが設けられていてもよい。すなわち、基板上のダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域においては、前記圧電体膜を備えず、層間絶縁膜のみが設けられるように構成されていてもよい。

また、本発明の圧電デバイスは、前記基板の下面に、前記ダイアフラム構造により構成される空間と連通する小孔を備えた薄板をさらに備え、前記空間が圧力室を構成し、前記小孔が前記圧力室内の液体を外部に吐出する液体吐出口を構成してなる液体吐出装置であってもよい。

また、本発明の圧電デバイスは、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加して前記圧電体膜を駆動させることにより圧力波を発生させるとともに、該圧力波の反射波を検知する超音波トランスデューサーであってもよい。

本発明の圧電デバイスは、前記上部電極が形成される面が平面であるので、電極の凹凸や段差近傍において圧電素子の破壊発生を抑制することができ、その結果圧電デバイスの耐久性を向上させることができる。また、層間絶縁膜がダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域において、対向して設けられている下部電極と上部電極との間に設けられているので、層間絶縁膜が設けられている領域の圧電体膜に印加される電圧を低減することができるため、ダイアフラムを変位させるために十分な駆動力を発生する圧電素子を形成する領域以外の領域における圧電体膜の絶縁破壊やリーク等の素子破壊を抑制することができ、圧電デバイスの耐久性を向上させることができる。

さらに、前記上部電極と前記下部電極との間に前記層間絶縁膜と前記圧電体膜とが積層されてなる構成である場合において、前記層間絶縁膜が設けられた領域の前記圧電体膜にかかる電圧が、前記層間絶縁膜が設けられていない領域の圧電体膜にかかる電圧の１／１０以下となる場合には、所定領域を除く領域に電圧が印加されるのを十分抑制することができるため、所定領域を除く領域における圧電素子の破壊を抑制することができ、圧電デバイスの耐久性を向上させることができる。

第１の実施形態の圧電デバイスの切断部端面図図１Ａの圧電デバイスの平面図第１の実施形態の変形例の圧電デバイスの切断部端面図図２Ａの圧電デバイスの平面図第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その１）第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その２）第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その３）第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その４）第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その５）第１の実施形態の圧電デバイスの製造工程を示す断面図（その６）第１の実施形態の変形例を示す圧電デバイスの断面図第２の実施形態の圧電デバイスであるインクジェットヘッドの要部平面図図５Ａの圧電デバイスの５Ｂ−５Ｂ断面図第２の実施形態の圧電デバイスを備えたインクジェット式記録装置の概略構成を示す図図６のインクジェット式記録装置の部分上面図第３の実施形態の圧電デバイスであるｐＭＵＴの要部の断面図比較例１の断面図比較例２の断面図比較例３の断面図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

＜第１の実施形態の圧電デバイス＞
本発明の第１の実施形態のＭＥＭＳ圧電デバイス１について説明する。図１Ａは本発明に係る第１の実施形態の圧電デバイスの切断部端面図（圧電素子の厚み方向の切断部端面図）、図１Ｂは図１Ａに示す圧電デバイス１の平面図であり、図１Ｂの１Ａ−１Ａにおける切断部端面図が図１Ａに相当する。図２Ａは本発明に係る第１の実施形態の変形例の圧電デバイス１１の切断部端面図（圧電素子の厚み方向の切断部端面図）である。図２Ａに示す圧電デバイス１１は、図１Ａに示す圧電デバイス１と層間絶縁膜４０の形成範囲のみが相違する。図２Ｂは図２Ａに示す圧電デバイス１１の平面図であり、図２Ａは、図２Ｂの２Ａ−２Ａにおける切断部端面図に相当する。図３Ａ〜図３Ｆは圧電デバイスの製造工程を示す断面図である。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。

本発明の第一の実施形態の圧電デバイス１は、ダイアフラム構造６０を備えた基板１０上に下部電極２０、圧電体膜３０、および上部電極５０がこの順に積層され、基板１０上のダイアフラム構造６０に対応する所定領域を除く領域において、対向して設けられている下部電極２０と上部電極５０の間に層間絶縁膜４０が設けられ、上部電極５０が形成される面が平面とされた構成である。なお、本実施形態の圧電デバイス１において、ダイアフラム６１を駆動する圧電素子３５は、下部電極２０、上部電極５０、圧電体膜３０から構成されている。

基板１０に備えられたダイアフラム構造６０は、基板表面に設けられた、基板１０の厚みに対して十分に薄いダイアフラム（振動板）６１と、そのダイアフラム６１を支持する周壁６２を構成する基板部分とからなる。ダイアフラム６１上に設けられている圧電素子３５を駆動する、すなわち、圧電体膜３０に対して、下部電極２０と上部電極５０とにより厚み方向に電圧が印加されることにより、圧電体膜３０を伸縮させ、この伸縮の結果ダイアフラムを凹凸変位させてアクチュエータとして用いることができる。あるいは、ダイアフラム６１の凹凸変位により、下部電極２０、上部電極５０間に生じる電位差に基づく電気信号を検知するセンサとして用いることができる。

基板１０としては、ダイアフラム構造６０を含むものであれば、その材料に特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス（ＳＵＳ）、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。また、ＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

下部電極２０の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，ＬａＮｉＯ_３，及び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５０の主成分としては特に制限なく、下部電極２０で例示した材料、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，及びＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極２０と上部電極５０の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。

圧電体膜３０の組成は特に制限されず、既知のいかなる圧電体により構成されていてもよい。なお、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）圧電体は、圧電特性が良好であり好ましい。

一般式ＡＢＯ_３・・・（Ｐ）
（Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含む。
Ｏ：酸素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
圧電体膜３０の成膜方法は特に制限されず、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、及びＰＬＤ法等の気相法；ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法；及びエアロゾルデポジション法等が挙げられる。電極および圧電体膜を直接構造体に成膜することが量産、歩留まり向上の観点から好ましい。なお、圧電体膜のスパッタリングに際しては、例えば、特開２００８−０８１８０１号公報、特開２００８−０８１８０２号公報、特開２００８−１０６７０３号公報等に記載の成膜条件を用い、特開２００８−０８１８０３号公報に記載のスパッタ装置を用いることができる。

層間絶縁膜４０は、基板１０上のダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域において、下部電極２０と上部電極５０との間に設けられる。本実施形態においては、層間絶縁膜４０は、図１Ａに示すように圧電体膜３０の上層部（上部電極５０との隣接部）に埋め込まれている。なお、ここでは、層間絶縁膜４０は、図１Ｂに示すように、ダイアフラム構造６０の開口領域６３の周縁より外側の領域に形成されている。すなわち、本実施形態においては、ダイアフラム構造６０の開口領域６３を含み、該開口領域６３より広い領域がダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａに相当し、層間絶縁膜４０は、この所定領域４１Ａを除く領域に形成されている。本実施形態において、上下電極間に電圧を印加する際、層間絶縁膜４０により実効的な上部電極サイズが規定される。すなわち、層間絶縁層が形成されない、前述のダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａは、実効的な上部電極サイズに相当する。この所定領域４１Ａは、ダイアフラム構造６０のダイアフラム６１を変位させるために十分な駆動力を生じる圧電素子を、ダイアフラム構造上に構成しうるサイズの領域であればよい。従って、層間絶縁膜４０の形成範囲は、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域、即ち、ダイアフラム６１を変位させるために十分な駆動力を発生する圧電素子を形成できる領域を除く領域であればよく、言い換えると、その所定領域４１Ａに形成された圧電素子への電圧の印加に応じて、ダイアフラム６１が変位するために十分な駆動力を発生しうる領域を除く領域であればよい。

かかる条件を満たす領域であれば、所定領域４１Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ダイアフラム構造６０の開口領域６３の面積より所定領域４１Ａの面積が大きくてもよく、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ダイアフラム構造の開口領域６３の面積より小さくてもよい。

なお、本発明者らは、本実施形態と同様の構成の圧電デバイスにおいて、所定領域４１Ａの中心を、ダイアフラム構造の開口領域６３の中心位置と一致するものとし、両領域は略相似形であるとして、所定領域４１Ａの面積Ａ２（すなわち実効的な上部電極サイズ）の開口領域６３の面積Ａ１に対する比Ａ２／Ａ１を変化させて、各比毎のダイアフラム６１の変位量についてシミュレーションを行った。シミュレーションから比Ａ２／Ａ１が、０．２以上、１．２以下であれば、ダイアフラムを十分に変位させる駆動力を生じさせ得ることが明らかになった。所定領域の面積Ａ２とダイアフラム構造６０の開口面積Ａ１との比Ａ２／Ａ１が、０．２よりも小さい場合は、圧電体膜３０にダイアフラム６１を変位させるために十分な電圧が印加できないため、ダイアフラム６１の十分な変位が得られず、１．２よりも大きい場合は、圧電体膜３０にダイアフラム６１の変位を抑制する応力が発生し変位が低下すると考えられる。なお、さらにこのシミュレーションから比Ａ２／Ａ１は０．４以上０．８以下であることがより好ましく、比Ａ２／Ａ１が０．６であるとき、最大の変位量が得られて最も好ましいという結果が得られた。

なお、ダイアフラム構造の開口領域６３の形状は円形状であっても、矩形形状であってもよく、さらに、所定領域４１Ａの形状も、ダイアフラム６１を変位させるために十分な駆動力を発生する圧電素子を形成できる領域であれば特に限定されず、円形状であっても、矩形形状であってもよい。所定領域４１Ａの形状は、ダイアフラム構造の開口領域６３の形状と相似形であることが好ましいが、両領域４１Ａおよび６３の形状は異なっていてもよい。所定領域４１Ａおよび開口領域６３の中心位置がほぼ一致していれば、いずれの場合も両領域４１Ａおよび６３の面積比Ａ２／Ａ１の好ましい範囲は、上記シミュレーション結果で得られたものとほぼ同様であると考えられる。

さらに、図１Ａに示すように、層間絶縁膜４０は、圧電体膜３０の表面の一部除去された領域に埋め込まれるように設けられ、その表面が隣接部の圧電体膜３０表面と面一となっている。すなわち、上部電極５０が形成される面は、圧電体膜３０および層間絶縁膜４０により構成される、段差のない平面となっている。

このように、本実施形態の圧電デバイス１は、上部電極５０が形成されている面が平面であるので、電極の凹凸や段差部分に起因する圧電素子の破壊を避けることができ、この結果、圧電デバイスの故障を低減し、耐久性を向上させることが可能となる。また、層間絶縁膜４０がダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域のみにおいて備えられているので、ダイアフラム６１の変位を大きく妨げることなく、所定領域４１Ａを除く領域の圧電体膜３０にかかる電圧を小さくすることができるため、所定領域４１Ａを除く領域で圧電素子が破壊されるのを抑制することができる。この結果、圧電デバイスの耐久性を増すことができる。

なお、上部電極５０を、圧電デバイス１の図示しない制御回路に電気的に接続する電気配線は、上部電極５０と一体的に、圧電体膜および層間絶縁膜の表面により構成される平面に形成されていることが好ましい。この場合、上部電極５０およびその電気配線は、段差がなく形成できるため、電極および配線の凹凸や段差部分から生じる圧電素子の破壊を避けることができ、この結果、圧電デバイスの故障を低減することが可能となる。

また、層間絶縁膜４０としては、誘電率に特に限定はなく、様々な絶縁体を用いることができる。ただし、誘電率が大きい場合、十分な絶縁効果を得るために層間絶縁膜を誘電率が低い場合よりも厚く設ける必要があるため、圧電体膜をエッチングする厚みが厚くなりエッチング工程の所要時間が長くなるため、圧電体膜の誘電率より小さい誘電率を有する絶縁体が好ましい。絶縁体の材料として、特に限定はなく、例えば、以下に示す無機材料、有機高分子材料を用いることができる。無機材料の例として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２に例示される単純酸化物、ＬａＡｌＯ_３・ＳｒＴｉＯ_３に例示される複合酸化物、ＡｌＮＳｉ_３Ｎ_４に例示される窒化物があげられる。また、有機高分子材料の例として、ポリイミド、セルロース、ＳＵ−８レジストなどのエポキシ系レジスト、などがあげられる。

圧電体膜３０の誘電率をε_１、層間絶縁膜４０の誘電率をε_２、圧電体膜３０の厚みをｄ_１、層間絶縁膜４０の厚みをｄ_２としたとき、層間絶縁膜４０が設けられていない領域での圧電体膜３０にかかる電圧Ｖ_０と層間絶縁膜４０が設けられた領域での圧電体膜３０にかかる電圧Ｖ_１の割合Ｖ_１／Ｖ_０は、ε_２×ｄ_１／（ε_２×ｄ_１＋ε_１×ｄ_２）で表される。
ここで、圧電体膜３０および層間絶縁膜４０は、Ｖ_１／Ｖ_０≦１／１０となるようにその材料（ε_１、ε_２）および厚み（ｄ_１、ｄ_２）をそれぞれ決定して形成することが望ましい。この場合、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域の圧電体膜３０に加わる電圧を十分に小さくできるため、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域の圧電素子破壊を効果的に抑制し、圧電デバイスの耐久性を増すことができる。一例として、圧電体膜として３．３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を設け、層間絶縁膜としてＳｉＯ_２を設けた場合は、層間絶縁膜ＳｉＯ_２を１００ｎｍ以上の厚みになるよう形成することにより、Ｖ_１／Ｖ_０≦１／１０を満たすことができ、好ましい。ここで、ＰＺＴ圧電体膜の誘電率ε１＝１２００、ＳｉＯ_２層間絶縁膜の誘電率ε２＝４であるため、Ｖ_１／Ｖ_０＝ε_２×ｄ_１／（ε_２×ｄ_１＋ε_１×ｄ_２）≦０．０９９１となって、Ｖ_１／Ｖ_０≦１／１０を満たす。

なお、層間絶縁膜４０は、必ずしも図１Ａに示すようにダイアフラム構造６０に対して対称形状に設けられている必要はない。また、層間絶縁膜４０は、必ずしもダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域の全領域に設けられる必要はなく、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域の一部だけに設けられたのでもよい。

本実施形態の圧電デバイス１の製造方法の一例を層構成の具体例と共に説明する。

図３Ａに示すように、まず、シリコン基板１０を用意し、基板１０の内部にダイアフラム構造６０を、ボッシュ法を用いたドライエッチングにより基板１０の裏面側からエッチング形成する。かかるダイアフラム構造６０を設けた基板１０上に、スパッタ法により、下部電極２０および圧電体膜３０を成膜する。下部電極２０は、一例として、Ｔｉ３０ｎｍ／Ｉｒ１５０ｎｍである。なお、下部電極２０上に圧電体膜３０を成膜する。圧電体膜３０は、一例として、３．３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜である。

次に、図３Ｂに示すように、リソグラフィー行程により、層間絶縁膜４０の形成領域が開口するようにレジスト８０をパターニングする。

また、図３Ｃに示すように、ドライエッチングにより圧電体膜３０をエッチングする。ここで、ドライエッチングのエッチングレートを制御することにより、圧電体膜の厚み方向のエッチング深さを調整することができる。つまり、層間絶縁膜４０を形成する領域の深さを調整することができる。上述の例において、圧電体膜として３．３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を設け、層間絶縁層として１００ｎｍのＳｉＯ_２を設ける場合は、圧電体膜３０を１００ｎｍμｍエッチングする。

図３Ｄに示すように、スパッタリング法により層間絶縁膜４０を成膜する。層間絶縁膜４０は、一例としてＳｉＯ_２を用いることができる。ここで層間絶縁膜４０は、成膜レートを制御してその表面が圧電体膜３０の表面と面一となるよう形成する。

図３Ｅに示すように、リフトオフ法によりレジスト８０およびレジスト８０上の層間絶縁膜４０を除去する。
ここでは、層間絶縁膜４０と圧電体膜３０とが平面をなす方法の一例として、層間絶縁膜４０の成膜レートを、圧電体膜３０と層間絶縁膜４０が平面をなす膜厚となるように制御するものとしたが、層間絶縁膜４０と圧電体膜３０とが平面をなす方法はこれに限られるものでなく、層間絶縁膜４０を成膜後、層間絶縁膜４０と圧電体膜３０とが平面をなすように研磨して表面を均一化しても良い。研磨する行程の一例として、ＣＭＰ（化学機械研磨、Chemical Mechanical Polishing）行程があげられる。

最後に、図３Ｆに示すように、圧電体膜３０および層間絶縁膜４０上に、スパッタ法により上部電極５０を形成する。上部電極５０は、一例として、Ｔｉ３０ｎｍ／Ｉｒ１５０ｎｍである。

このような製造方法により、上部電極５０と圧電体膜３０および層間絶縁膜４０との境界が平面をなす圧電デバイス１を製造することができる。

なお、上記製造方法により作製した圧電デバイス１と、同様の方法で作製した図９Ａ〜図９Ｃに示した構成の比較例１〜３の圧電デバイスについて、駆動寿命の評価を行ったところ、本実施形態の構成の圧電デバイス１は、比較例１〜３と比較して寿命が２倍程度に延びることを確認した。

なお、上記実施形態においては、層間絶縁膜４０が、圧電体膜３０の上層部に埋め込まれるように設けられている形態について説明したが、層間絶縁膜はダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域において、圧電体膜３０の一部に埋め込まれていればよく、圧電体膜の下層部（下部電極層に隣接する部分間）に埋め込まれるように設けられてもよい。さらには圧電体膜の層中に埋め込まれるように設けられていてもよい。なお、層間絶縁膜４０が圧電体膜３０の下層部に埋め込まれるように設けられている場合は、層間絶縁膜４０により実効的な下部電極サイズが規定されるため、所定領域４１Ａの形状は圧電素子３５の実効的な下部電極サイズに相当する。層間絶縁膜４０が圧電体膜３０の層中に設けられている場合は、層間絶縁膜４０により圧電素子３５の圧電体膜３０に電圧が印加される実効的なサイズが規定される。ただし、いずれも場合にも、層間絶縁膜が設けられた領域の圧電体膜表面は、層間絶縁膜が設けられていない領域の圧電体膜表面と面一となるように構成されている必要がある。このように、ダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域における上下電極層間に層間絶縁膜が設けられ、かつ、上部電極が形成される面が平面とされていれば、いずれの場合も上記実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、製造工程上、層間絶縁膜４０は上記第1の実施形態のように圧電体膜３０の上層部に設けられている方が有利である。

また、ダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域においては、上部電極と下部電極の間に圧電体膜が設けられず、層間絶縁膜のみが設けられていてもよい。このようなダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域の上部電極と下部電極の間に層間絶縁膜のみが設けられている例を、第１実施形態の設計変更例として、図４に示す。

図４に示す圧電デバイス１２では、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域４１Ａを除く領域の上部電極５０と下部電極２０の間において、圧電体膜３０が設けられることなく、層間絶縁膜４０Ａのみが設けられているものであり、層間絶縁膜が、圧電体膜３０中に埋め込まれるように設けられているものではない。層間絶縁膜４０Ａは、圧電体膜３０と同じ厚みで設けられており、層間絶縁膜４０Ａと圧電体膜３０とは面一となっている。上部電極５０は、この層間絶縁膜４０Ａおよび圧電体膜３０の表面からなる平面上に形成されるから、上述の第１の実施形態と同様に、電極の段差に起因する圧電素子の破壊を抑制する効果を得ることができる。

さらに、図４に示す設計変更例の圧電デバイス１２では、圧電体膜３０が、ダイアフラム構造に対応する所定領域４１Ａを除く領域に設けられていないことから、所定領域４１Ａを除く領域を含む全域に圧電体膜３０が設けられている第１の実施形態の場合と比較して圧電体膜３０が設けられている領域が小さい。圧電体膜３０の設けられている領域が小さい程、圧電体膜３０が破壊される確率が低くなるため、層間絶縁膜４０Ａが圧電体膜３０と積層して形成される場合よりも、圧電デバイス１２の耐久性をさらに高めることができる。

＜第２の実施形態の圧電デバイス＞
本発明の第２の実施形態の圧電デバイスであるインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）２について以下に説明する。図５Ａはインクジェット式記録ヘッドの要部平面図、図５Ｂは図５Ａのインクジェット式記録ヘッドの５Ｂ−５Ｂ断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。

第２の実施形態の圧電デバイスであるインクジェット式記録ヘッド２は、第１の実施形態の圧電デバイス１を適用して構成されたものである。

図５Ａにおよび図５Ｂ示す如く、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２は、複数のダイアフラム構造６０を内部に備えた基板１０と、該基板１０上の複数のダイアフラム構造６０に亘って一様に形成された下部電極２０および圧電体膜３０と、圧電体膜３０の、ダイアフラム構造６０が形成されていない領域に設けられた層間絶縁膜４０と、圧電体膜３０上に、ダイアフラム構造毎に独立した個別電極として設けられた上部電極５０と、基板１０の下面に各ダイアフラム構造６０により構成される空間とそれぞれ個別に連通する小孔７０ａを備えた薄板（ノズルプレート）７０を備えてなる。層間絶縁膜４０は、圧電体膜３０の上層部にダイアフラム構造６０上の圧電体膜３０の表面と面一となるように埋め込まれており、上部電極５０は、圧電体膜３０および層間絶縁膜４０の表面により構成されている平面の上に形成されている。すなわち、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２は、各ダイアフラム構造６０とそれに対応して形成された、下部電極２０、圧電体膜３０および上部電極５０からなる圧電素子３５と、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域を除く領域において圧電体膜３０上に設けられた層間絶縁膜４０により構成された第１の実施形態の圧電デバイス１が複数一体的に形成された構成を有している。

インクジェット式記録ヘッド２においては、ダイアフラム構造６０とノズルプレート７０で囲まれた空間が、液体（ここではインク）が充填される圧力室を構成し、小孔７０ａが圧力室内のインクを外部に吐出する液体吐出口を構成する。さらに、基板１０は、圧力室に連通して図示しないインク貯留室からインクを供給する図示しないインク流路を備えている。

また、基板１０上には各圧電素子３５の上部電極５０を駆動するための電源に接続された駆動ＩＣ９０と、各上部電極５０を駆動ＩＣ９０に電気的に接続する電気配線５１を備えている。なお、下部電極２０は、図示しない配線によって圧電デバイス１の制御回路に接続されている。ここで、層間絶縁膜４０は、圧電体膜３０上の電気配線５１が形成されている領域にも設けられており、上部電極５０および電気配線５１は一括して、圧電体膜３０と層間絶縁膜４０とから構成される段差のない平面上に形成され、段差のない平面状に一体的につながっている。電極および電気配線が一平面上に設けられていることから、電極および電気配線に段差がある場合と比較して、段差部での素子破壊の問題が生じないため、耐久性を向上させることができる。

第１の実施形態の圧電デバイス１における各構成要素と同一名称の構成要素は、その材料、機能についてもほぼ同一であるため、同一部分については詳細な説明を省略する（以下の実施形態において同様）。

インクジェット式記録ヘッド２は、ダイアフラム６１上に配置されている圧電体膜３０に印加する電界強度を増減させて圧電体膜３０を伸縮させ、この伸縮の結果ダイアフラム６１を凹凸変位させることにより、圧力室への減加圧がなされ、液体の吐出や吐出量の制御が行われる。インクジェット式記録ヘッド２に備えられた各圧電デバイス１のダイアフラム構造６０を構成する空間の開口サイズは、例えば、４００μｍ×８００μｍであり、このようなダイアフラム構造６０を、基板内部にピッチ６００μｍ程度で二次元アレイ状に多数備える。

インクジェット式記録ヘッド２は、図３Ａから図３Ｆに示す圧電デバイス１の製造工程の後に、別途作成した、各ダイアフラム構造６０に対応した吐出口７０ａを有するノズルプレート７０を、基板１０の裏面に接合することで作製することができる。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド２は、第１の実施形態の圧電デバイス１を備えたものであり、圧電デバイス１と同様に、耐久性向上の効果を得ることができる。複数の圧電デバイス１を備えたインクジェット式記録ヘッド２においては、故障率を減ずる効果が特に著しい。

＜インクジェット式記録装置＞
図６および図７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１００の構成例について説明する。図６は装置全体図であり、図７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６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１７０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６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６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６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方が好ましいので、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。

インクジェット式記録装置１００は、以上のように構成されている。

＜第３の実施形態の圧電デバイス＞
本発明の第３の実施形態の圧電デバイスである圧電型超微細加工超音波トランスデューサー（ｐＭＵＴ）３について説明する。ｐＭＵＴは例えば超音波内視鏡スコープの超音波プローブとして使われ、人体内の体腔内壁に向けて超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断することができる。図８は、本発明に係る第３の実施形態の圧電デバイス３の要部の断面図である。

第３の実施形態の圧電デバイスであるｐＭＵＴ３は、第１の実施形態の圧電デバイス１を適用して構成されたものである。

本実施形態のｐＭＵＴ３は、複数のダイアフラム構造６０を内部に備えた基板１０と、該基板１０上の複数のダイアフラム構造６０に亘って一様に形成された下部電極２０および圧電体膜３０と、圧電体膜３０の、ダイアフラム構造６０が形成されていない領域に設けられた層間絶縁膜４０と、圧電体膜３０上に、ダイアフラム構造毎に独立した個別電極として設けられた上部電極５０とを備えてなる。層間絶縁膜４０は、圧電体膜３０の上層部にダイアフラム構造６０上の圧電体膜３０の表面と面一となるように埋め込まれており、上部電極５０は、圧電体膜３０および層間絶縁膜４０の表面により構成されている平面の上に形成されている。

すなわち、本実施形態のｐＭＵＴ３は、各ダイアフラム構造６０とそれに対応して形成された、下部電極２０、圧電体膜３０および上部電極５０からなる圧電素子３５と、ダイアフラム構造６０に対応する所定領域を除く領域において圧電体膜３０上に設けられた層間絶縁膜４０により構成された第１の実施形態の圧電デバイス１が複数一体的に形成された構成を有している。これは、第２の実施形態のインクジェット式記録ヘッド２とほぼ同じ構成であり、薄板７０を備えない点のみ異なる。また、上部電極５０は図示しない配線により、本実施形態のｐＭＵＴ３の制御回路に電気的に接続される。ここで、層間絶縁膜４０は、図示しない配線が設けられている領域にも設けられており、上部電極５０および図示しない電気配線は、一括して、圧電体膜３０と層間絶縁膜４０から構成される段差のない平面上に形成され、一体的につながっている。本実施形態のｐＭＵＴ３は、第２の実施形態同様、電極５０および電気配線（不図示）が一平面上に設けられているから、電極および電気配線に段差がある場合と比較して、段差部での素子破壊の問題が生じず、耐久性を向上させることができる。

この基板１０に多数設けられているダイアフラム構造６０により構成される空間は、円柱状とされており、基板１０裏面における開口形状は、直径Ｄが２００μｍの円形である。圧電デバイス３の平面図は表していないが、実際には、５〜１０ｍｍ角程度の領域に数十〜数百の圧電デバイス１がアレイ状に配置される。なお、ｐＭＵＴ３に備えられた複数の圧電デバイス１の配置は、同心円状に配置した場合には、同一の数であっても、他の配列と比較して解像度を向上させることができ、好ましい。

圧電デバイス３の圧電体膜３０は、一例として、２μｍのＰＺＴ膜である。上記第１の実施形態と同様に、圧電体膜３０は、ＰＺＴに限定されず、第１の実施形態に示した様々な物質を使用することができる。

上記のｐＭＵＴ３は、第１の実施形態の圧電デバイス１とほぼ同様の製造方法で製造することができる。

ｐＭＵＴ３は、圧力波としての超音波を発生させ、対象物により反響して戻ってきた圧力波（超音波）を検知するものである。ここで、ダイアフラム６１は圧力波を発生するトランスデューサーとして機能すると共に、圧力波を検知するセンサとして機能する。より詳細には、圧電体膜３０への電界強度を増減させることにより圧電体膜３０を伸縮させて、ダイアフラム６１を振動させ、圧力波を発生する。さらに、その反射波（圧力波）によるダイアフラム６１の振動に伴い圧電体膜３０に力が加えられ、電圧を生じる。圧電体膜３０には、ダイアフラム６１の変位量に応じた電圧が生じ、この電圧が反響シグナルとして検出される。

ｐＭＵＴ３の各ダイアフラム６１から得られた反響シグナルに基づいて映像化することで、対象物の形状を知ることができる。なお、ｐＭＵＴにおいては、基板上に配置されている圧電素子（基板に形成されているダイアフラム構造）が高密度であればあるほど、映像の解像度が向上する。

本実施形態のｐＭＵＴ３は、第１の実施形態の圧電デバイス１を備えたものであり、圧電デバイス１と同様に、耐久性向上の効果を得ることができる。複数の圧電デバイス１を備えたｐＭＵＴ３においては、故障率を減ずる効果が特に著しい。

１圧電デバイス
２圧電デバイス（インクジェット式記録ヘッド）
３圧電デバイス（圧電型超微細加工超音波トランスデューサー）
１０基板
２０下部電極
３０圧電体膜
４０層間絶縁膜
５０上部電極
６０ダイアフラム構造
７０ノズルプレート
８０レジスト
９０駆動ＩＣ
１００インクジェット式記録装置

Claims

複数のダイアフラム構造を備えた基板上の前記複数のダイヤフラム構造にそれぞれ対応する位置に、下部電極、圧電体膜、および上部電極がこの順に形成されてなる圧電素子を複数備え、前記下部電極および前記圧電体膜が前記複数の圧電素子に亘って一様に設けられた液体吐出装置であって、
前記基板の下面に、前記複数のダイアフラム構造によりそれぞれ構成される複数の空間とそれぞれ連通する複数の小孔を備えた薄板を備え、
前記複数の空間がそれぞれ圧力室を構成し、前記複数の小孔が前記複数の圧力室内の液体を外部に吐出する液体吐出口をそれぞれ構成してなり、
前記基板上の前記ダイアフラム構造に対応する所定領域を除く領域において、対向して設けられている前記下部電極と前記上部電極との間に、層間絶縁膜が設けられ、
前記上部電極の形成される面が平面であることを特徴とする液体吐出装置。
前記所定領域の面積と前記ダイアフラム構造の開口面積との比が、０．２以上１．２以下であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
前記層間絶縁膜が、前記圧電体膜の一部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出装置。
前記層間絶縁膜が設けられた領域の前記圧電体膜にかかる電圧が、前記層間絶縁膜が設けられていない領域にかかる電圧の１／１０以下となることを特徴とする請求項３記載の液体吐出装置。