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JP5943178B2 - 圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置の製造方法、超音波デバイスの製造方法及びセンサーの製造方法 - Google Patents

圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射装置の製造方法、超音波デバイスの製造方法及びセンサーの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子に関する。
圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエーターを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエーターを使用したものの2種類が実用化されている。このようなアクチュエーターでは、高密度に配置するために、小さな駆動電圧で大きな歪みを得ることができる圧電素子、すなわち変位の大きな圧電素子が求められている。
そこで、圧電素子の圧電体層に用いられる圧電材料として、例えば、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金属酸化物が使用されている(特許文献1及び2参照)。
特開2001−223404号公報 特開2008−28030号公報
このような圧電材料からなる圧電体層を備える圧電素子は、高い変位量を有するものであるが、高い電圧を印加すると絶縁破壊が生じる場合があり、耐電圧性の向上が求められていた。なお、このような問題は、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に限定されず、他の圧電素子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、耐電圧性に優れた液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子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、圧電体層および前記圧電体層を挟む一対の電極を具備する圧電素子を備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層は、ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピーク及び/又は(001)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、耐電圧性に優れた圧電素子を備える液体噴射ヘッドとすることができる。
本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、耐電圧性に優れた圧電素子を具備するため、信頼性に優れた液体噴射装置を実現することができる。
本発明の他の態様は、圧電体層と前記圧電体層を挟む一対の電極とを具備する圧電素子であって、前記圧電体層は、前記ニッケル酸ランタン膜の上方に設けられ、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピーク及び/又は(001)面に由来するピークの半価幅(θ)が6.0度以下であることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、耐電圧性に優れた圧電素子とすることができる。
また、本発明の他の態様は、上記圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス、あるいは、上記圧電素子を具備することを特徴とするセンサーにある。
かかる態様では、耐電圧性に優れた圧電素子を具備するため、信頼性に優れた超音波デバイス、あるいはセンサーを実現することができる。
実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの製造工程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工程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工程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工程を示す断面図である。 実施例1及び比較例1〜2のXRD測定結果を示すグラフである。 実施例1及び比較例1〜2のX線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークを示すグラフである。 実施例1及び比較例1〜2の印加電圧と電流密度との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る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の分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′線断面図である。
図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には、振動板を構成する二酸化シリコンからなる厚さ0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。
流路形成基板10には、一方の面とは反対側の面となる他方面側から異方性エッチングすることにより、圧力発生室12が形成されている。そして、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方向と称し、これと直交する方向を第2方向と称する。また、流路形成基板10の圧力発生室12の第2方向の一端部側には、インク供給路14と連通路15とが隔壁11によって区画されている。また、連通路15の一端には、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるマニホールド100の一部を構成する連通部13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14、連通路15及び連通部13からなる液体流路が設けられている。
インク供給路14は、圧力発生室12の第2方向一端部側に連通し且つ圧力発生室12より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路14は、マニホールド100と各圧力発生室12との間の圧力発生室12側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室12の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路15は、インク供給路14の圧力発生室12とは反対側に連通し、インク供給路14の幅方向(第1方向)より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路15を圧力発生室12と同じ断面積で形成した。
すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12と、インク供給路14と、連通路15とが複数の隔壁11により区画されて設けられている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の一方面は、振動板を構成する弾性膜50によって画成されている。
一方、流路形成基板10の圧力発生室12等の液体流路が開口する一方面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍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、接着剤や熱用着フィルム等を介して接合されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
一方、流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)等からなる絶縁体膜55が積層形成されている。
また、絶縁体膜55上には、第1電極60と、第1電極60の上方に設けられて厚さが3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、圧電体層70の上方に設けられた第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。なお、ここで言う上方とは、直上だけでなく、間に他の部材が介在した状態も含むものである。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70、及び第2電極80、を含む部分をいう。
圧電素子300は、一般的には、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極をそれぞれ独立する個別電極とする。本実施形態では、圧電素子300の実質的な駆動部となる各圧電体能動部の個別電極として第1電極60を設け、複数の圧電体能動部に共通する共通電極として第2電極80を設けるようにした。ここで、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部といい、圧電体能動部から連続するが第1電極60と第2電極80に挟まれておらず、電圧駆動されない部分を圧電体非能動部という。
なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55、及び第1電極60が圧電素子300と共に変形する振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50及び絶縁体膜55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。例えば、弾性膜50のみを振動板とした場合、絶縁体膜55を設けた場合よりも剛性が低いため、変位量を大きくすることができる。
ここで、図2(b)に示すように、本実施形態の第1電極60は、例えば、白金からなる配線層61と、配線層61上に形成されたニッケル酸ランタン層(LNO層)62との二層から構成されるものである。
かかるニッケル酸ランタン層62は、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物、具体的には、少なくとも酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸、及び水を混合して混合溶液を得た後、混合溶液を加熱することにより得られたニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されているものである。化学溶液法(CSD法:Chemical Solution Deposition)とは、詳細については後述するが、ニッケル酸ランタン膜形成用組成物を塗布してニッケル酸ランタン前駆体膜を形成する工程と、ニッケル酸ランタン前駆体膜を加熱することにより結晶化させてニッケル酸ランタン膜を形成する工程と、を備えるものであり、例えば、ゾル−ゲル法、MOD法等が挙げられる。このニッケル酸ランタン膜形成用組成物により形成されたニッケル酸ランタン膜は、(001)面又は(100)面に優先配向(自然配向)する。
ここで、本発明にかかるニッケル酸ランタン膜形成用組成物について詳細に説明する。
具体的には、まず、少なくとも酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸、及び水を混合して混合溶液を得る(混合溶液調製工程)。なお、水を混合しない場合は、酢酸ランタン及び酢酸ニッケルを溶解させることができず、また、混合溶液の安定性が悪化する。一方、酢酸を混合しない場合は、被対象物に対する濡れ性が低くなり、膜均一性のあるニッケル酸ランタン膜を形成することができないものとなる。
また、混合溶液には、ポリエチレングリコール(PEG)を添加するのが好ましい。ポリエチレングリコール(PEG)を添加することにより、より低温でニッケル酸ランタン膜を形成することができるものとなる。具体的には、ニッケル酸ランタン膜の乾燥工程・脱脂工程の加熱温度を低くすることができる。したがって、温度マージンが広くなり、ニッケル酸ランタン膜を形成する際の温度管理が容易となる。
本発明にかかるポリエチレングリコール(PEG)としては、例えば、数平均分子量が200〜2000のものを用いることができる。
混合溶液は、ポリエチレングリコール濃度が1.5質量%以上9質量%以下であるのが好ましい。これにより、より確実に、所望の効果を得ることができる。なお、ポリエチレングリコール濃度が1.5質量%未満となると、十分な効果が得られなくなる虞があり、ポリエチレングリコール濃度が9質量%より大きくなると、ポーラスな状態のニッケル酸ランタン膜を形成するものとなる虞がある。
ここで、本発明にかかる混合溶液は、酢酸ランタン及び酢酸ニッケルを、酢酸と水とを混合した酢酸水に溶解させたものである。混合溶液の調製方法は特に限定されず、例えば、所定量の酢酸ランタン及び酢酸ニッケルを混合した後、これに、水と酢酸を添加することにより混合溶液を得ることができる。酢酸及び水の混合方法も特に限定されず、酢酸を添加した後に水を添加してもよく、水を添加した後に酢酸を添加してもよく、酢酸と水とを混合してから添加してもよい。
また、混合溶液調製工程では、酢酸ランタンと、酢酸ニッケルは、ランタン(La)及びニッケル(Ni)の各金属が所望のモル比となるように混合する。具体的には、例えば、LaNiO(x=2〜3)のニッケル酸ランタン膜を形成するものとする場合、ランタン:ニッケルのモル比が1:1となるように、酢酸ランタンと酢酸ニッケルとを混合する。
また、混合溶液調製工程では、混合溶液における酢酸と水とのモル比(酢酸/水)が、例えば、0.06以上6.2以下となるように調製するのが好ましい。この範囲とすることにより、酢酸ランタン及び酢酸ニッケルを、水と酢酸を混合した酢酸水に容易に溶解させることができ、効率よくニッケル酸ランタン膜形成用組成物を製造することができるためである。
また、混合溶液調製工程では、混合溶液の金属濃度が0.5mol/L以下となるように調製するのが好ましい。混合溶液の金属濃度が0.5mol/L以下となるようにすることにより、ニッケル酸ランタン膜を形成するのにより好適なニッケル酸ランタン膜形成用組成物を製造することができる。具体的には、例えば、ニッケル酸ランタン膜を形成するのに好適な粘度のニッケル酸ランタン膜形成用組成物とすることができ、膜厚が一定で膜均一性が良好なニッケル酸ランタン膜を容易に形成することができるものとなる。なお、0.1mol/L未満となると、後述する脱脂工程におけるニッケル酸ランタン前駆体膜の収縮率が大きくなることで残留応力が大きくなりやすく、ニッケル酸ランタン膜にクラックが発生し易くなる虞がある。
本実施形態では、酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸、水、及びポリエチレングリコールを混合して混合溶液を得た。かかる混合溶液は、酢酸ランタン1.5水和物と酢酸ニッケル4水和物をランタンとニッケルのモル比が1:1、酢酸と水とのモル比(酢酸/水)が1.57、金属濃度が0.33mol/L、ポリエチレングリコール濃度が1.5%となるようにした。
次に、得られた混合溶液を加熱する(加熱工程)。これにより、反応が進行し、所定の金属錯体を含む錯体溶液からなるニッケル酸ランタン膜形成用組成物を得ることができる。なお、本実施形態では、混合溶液を70℃で1時間加熱して、ニッケル酸ランタン膜形成用組成物とした。
上述したように、本発明にかかるニッケル酸ランタン膜形成用組成物は、水を含む系で合成できる。このため、従来の製造方法のように、大気中の水との反応を防ぐためにN雰囲気下やAr雰囲気下などの特殊な環境下で合成をする必要がない。また、短時間で合成することができる。さらに、高真空を必要としないため、小型の装置で製造することができ、また、低コストで製造することができる。
図2に戻って、上述したように、ニッケル酸ランタン層62は、結晶の配向面が(001)面又は(100)面に優先配向(自然配向)している。ニッケル酸ランタンとしては、LaNiO、LaNi、LaNiO、LaNiO、LaNi、LaNi10等が挙げられ、本実施形態では、LaNiOを用い、(001)面に優先配向したものとした。
そして、上述したニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層62は、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する圧電体層70の配向制御層として機能する。このニッケル酸ランタン層62は、例えば、チタンからなる配向制御層と比較して、圧電体層70の配向率を著しく向上させることができる。すなわち、ニッケル酸ランタン層62は、チタンからなる配向制御層と比較して、配向制御性が著しく高いものである。さらに、ニッケル酸ランタン層62は、チタンのように低誘電率層となることがなく、圧電素子300の圧電特性の低下を抑制することができる。また、ニッケル酸ランタン層62は、例えば、スパッタリング法により形成されたニッケル酸ランタン層や、他のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層と比較して、圧電体層70の配向率を著しく向上させることができる。
また、本実施形態では、配線層61は、白金からなる白金層としたが、これに限定されず、例えば、イリジウム、酸化イリジウムを含む酸化イリジウム層、白金層と酸化イリジウム層の積層構造等が挙げられる。
配線層61の厚さは特に限定されないが、例えば、10〜300nm程度とすればよい。また、ニッケル酸ランタン層62の厚さも特に限定されないが、例えば10〜100nm程度とすればよい。本実施形態では、配線層61の厚さを100nmとし、ニッケルランタン層62の厚さを40nmとした。
また、圧電体層70は、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなるものである。圧電体層70としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。本実施形態の圧電体層70は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる。
圧電体層70は、ペロブスカイト構造、すなわちABO型構造を有する複合酸化物であることが好ましい。なお、ペロブスカイト構造は、Aサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている構造である。
上述したように、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層62上に、圧電体層70を設けることにより、後述するように(試験例等参照)、耐電圧性に優れた圧電素子300とすることができる。
また、この圧電体層70は、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下である。これは、圧電体層70を上述したニッケル酸ランタン層62上に形成することにより、実現することができるものである。すなわち、上述したニッケル酸ランタン層62が配向制御層として機能することにより、圧電体層70は、(100)面に優先配向し且つ(100)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下と非常に低いものとなる。圧電体層70の(100)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下という数値は、従来の圧電体層(比較例2参照)と比較して、非常に小さいものである。
なお、ニッケル酸ランタン層62が、少なくとも酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸、及び水を混合して混合溶液を得た後、混合溶液を加熱することにより得たニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたものでない場合、例えば、スパッタリング法により形成されたものである場合や、他のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたものである場合は、圧電素子300を耐電圧性の高いものとすることができない。また、これらのニッケル酸ランタン層も配向制御層として機能するが、この場合には、圧電体層70のX線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)は、6.0度より大きくなってしまう。
ここで、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)(FWHM:Full Width at half Maximum)は、市販のX線回折装置を用い、Chi方向のスキャンを行うことにより求めることができる。本実施形態では、2次元検出器を備えるD8 Discover With GADDS(Bruker AXS社製)により、θ−2θ測定と、ロッキングカーブ測定を行うことにより求めた。なお、X線検出器として、2次元検出器ではなく、1次元検出器を備えるX線回折装置の場合は、X線源と1次元検出器を固定し、試料の煽り角度(Ψ)を連続的に変化させて強度変化の測定を行うことにより、同様の測定をすることができる。このときの煽り角度Ψは、逆格子空間のχに相当する。θ−2θ測定の積算範囲は、例えば、2θ:20〜50°、Ψ_Psi:−85〜−95°であり、ロッキングカーブ測定の積算範囲は、例えば、2θ:20.5〜23°、χ_Kai:−60〜−120°とすることができる。
さらに、圧電体層70は、分極モーメントの向いている方向を示す分極方向が膜面垂直方向(圧電体層70の厚さ方向、すなわち、第1電極60又は第2電極80が設けられた面に対して垂直な方向)に対して所定角度傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。圧電体層70の分極方向がエンジニアード・ドメイン配置となることで、圧電体層70として良好な圧電特性を得ることができる。
上述したニッケル酸ランタン層62と、上述した圧電体層70とを備える圧電素子300は、耐電圧性に優れたものとなる。また、圧電体層70は、所定のニッケル酸ランタン層62上に設けることにより、配向率が非常に高いものとなる。
第2電極80としては、Ir,Pt,タングステン(W),タンタル(Ta),モリブデン(Mo)等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。
このような各圧電素子300の第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、流路形成基板10の絶縁体膜55上に延設された金(Au)等のリード電極90がそれぞれ接続されている。このリード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加される。
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜50及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、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、上述のように流路形成基板10の連通部13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を構成している。
また、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32が設けられている。圧電素子保持部32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。
このような保護基板30としては、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、セラミック材料等を用いることが好ましく、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。
また、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の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
また、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。この駆動回路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。そして、駆動回路120とリード電極90とは、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。
また、このような保護基板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。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口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に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図3〜図6を参照して説明する。なお、図3〜図6は、圧力発生室の長手方向(第2方向)の断面図である。
まず、図3(a)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の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO)等からなる二酸化シリコン膜を形成する。次いで、図3(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜)上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜55を形成する。
次に、図4(a)に示すように、絶縁体膜55上に、第1電極60を形成する。具体的には、まず、配線層61をスパッタリング法、レーザーアブレーション法やMOCVD法等により形成する。次に、ニッケル酸ランタン層62をCSD法(Chemical Solution Deposition)により形成する。
ここで、ニッケル酸ランタン層62は、上述したニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて、MOD法やゾル−ゲル法等のCSD法(化学溶液法)により製造した。具体的には、例えば、上述したニッケル酸ランタン膜形成用組成物を被対象物上にスピンコート法、ディップコート法、インクジェット法等で塗布しニッケル酸ランタン前駆体膜を形成する(塗布工程)。次いで、このニッケル酸ランタン前駆体膜を所定温度(例えば100℃以上250℃以下)に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥したニッケル酸ランタン前駆体膜を所定温度(例えば300℃以上500℃以下)に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、ニッケル酸ランタン前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、NO、CO、HO等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。
次に、ニッケル酸ランタン前駆体膜を所定温度(例えば500℃以上800℃以下)に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、ニッケル酸ランタン膜を形成する(焼成工程)。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。
なお、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、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。
ここで、ポリエチレングリコールを含むニッケル酸ランタン膜形成用組成物は、ポリエチレングリコールを含まないニッケル酸ランタン膜形成用組成物と比較して、乾燥工程や脱脂工程の加熱温度を低くすることができる。すなわち、ポリエチレングリコールを含むニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いることにより、温度マージンが広く、ニッケル酸ランタン膜を形成する際の温度管理が容易となる。
なお、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返すことにより、複数層のニッケル酸ランタン膜からなるものとしてもよい。
上述したように、本発明にかかるニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いることにより、ニッケル酸ランタン膜を化学溶液法で形成できるため、スパッタリング法のように、ターゲットとして使用した酸化物から組成がずれるという問題や、高真空のための装置の大型化の問題もなく、特殊な環境が不要で容易に低コストでニッケル酸ランタン膜を製造することができる。また、ニッケル酸ランタン膜形成用組成物が安定であるので厳格な環境管理をする必要がない。
次いで、図4(b)に示すように、第1電極60上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして、第1電極60の側面が傾斜するようにパターニングする。
次いで、レジストを剥離した後、第1電極60上(及び絶縁体膜55)に、圧電体層70を積層する。圧電体層70の製造方法は特に限定されないが、例えば、有機金属錯体を溶媒に溶解・分散した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を形成できる。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)法などの液相法や、PVD法、CVD法などを用いてもよい。
例えば、まず、図4(c)に示すように、第1電極60上に、圧電体層70となる圧電材料の構成金属を含有する有機金属錯体を含むゾルやMOD溶液(前駆体溶液)を、スピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。
塗布する前駆体溶液は、例えば、圧電体層70となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含む有機金属錯体を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。圧電材料の構成金属を含む有機金属錯体としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。具体的には、例えば、以下のものが挙げられる。鉛(Pb)を含む有機金属錯体としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム(Zr)を含む有機金属錯体としては、例えばジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。チタニウム(Ti)を含む有機金属錯体としては、例えばチタニウムアルコキシド、チタニウムイソプロポキシド等が挙げられる。
次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば130℃〜180℃程度に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば300℃〜400℃に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO、CO、HO等として離脱させることである。
次に、図5(a)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば650〜800℃程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72を形成する(焼成工程)。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、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。
なお、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返すことにより、複数層の圧電体膜72からなる圧電体層を形成してもよい。
次いで、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図5(b)に示すように複数層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、塗布溶液の1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、1層のみでもよい。
上述したように、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層62上に圧電体層70を形成することにより、ニッケル酸ランタン層62が圧電体層70の配向制御層として機能し、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下である圧電体層70とすることができる。
圧電体層70を形成した後は、図6(a)に示すように、圧電体層70上に、例えば、白金等の金属からなる第2電極80を積層し、圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして圧電素子300を形成する。なお、圧電体層70と第2電極80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、600℃〜800℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。
次に、図6(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングする。
次に、図6(c)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に、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚さに薄くする。
次に、図示しないが、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜を介して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、連通部13、インク供給路14及び連通路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とは反対側の面のマスク膜52を除去した後にノズル開口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1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、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。
本実施形態では、ニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて形成したニッケル酸ランタン層62上方に、圧電体層70を形成することにより、単結晶基板やシード層を用いることなく、低コストで(100)面に優先配向した圧電体層70を形成することができる。また、本実施形態において用いたニッケル酸ランタン膜形成用組成物が大気中において安定であるので、製造工程において厳格な環境管理をする必要がない。そして、所定のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法により形成されたニッケル酸ランタン層62上に圧電体層70を形成することにより、耐電圧性に優れた圧電素子300とすることができる。また、X線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)が6.0度以下である圧電体層70とすることができる。
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
<ニッケル酸ランタン膜形成用組成物>
まず、酢酸ランタン(酢酸ランタン1.5水和物(La(CHCOO)・1.5HO))と酢酸ニッケル(酢酸ニッケル4水和物(Ni(CHCOO)・4HO))を、ランタンとニッケルがそれぞれ0.005molとなるようにビーカーに加えた。その後、酢酸水溶液(酢酸99.7質量%)25mlを加え、さらに、水5mlを加えて混合した。その後、溶液温度が70℃程度となるよう、ホットプレートで加熱した上で、約1時間攪拌してニッケル酸ランタン膜形成用組成物を製造した。
<圧電素子>
まず、シリコン基板の表面に熱酸化により二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にスパッタリング法によりジルコニウム膜を作製し、熱酸化することで酸化ジルコニウム膜を形成した。次に、酸化ジルコニウム膜上に(111)に配向した白金を150nm積層して配線層を形成した。
次に、配線層上に、ニッケル酸ランタン層を形成した。具体的には、2200rpmで基板を回転させて、酸化チタン膜及び白金膜が形成された上記基板上に、上記ニッケル酸ランタン膜形成用組成物(前駆体溶液)を滴下し、ニッケル酸ランタン前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に180℃で5分間(乾燥工程)、380℃で5分間(脱脂工程)加熱した。その後、酸素雰囲気中において750℃で5分間焼成して結晶化させて、厚さ約40nmのニッケル酸ランタン層を形成した。なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の加熱は、ホットプレートの上に直接基板を載置して行った。
次に、ニッケル酸ランタン層上に圧電体層70を形成した。具体的には、まず、酢酸鉛3水和物(Pb(CHCOO)・3HO)、チタニウムイソプロポキシド(Ti[OCH(CH)、ジルコニウムアセチルアセトナート(Zr(CHCOCHCOCH)を主原料とし、ブチルセロソルブ(C14)を溶媒とし、ジエタノールアミン(C11NO)を安定剤とし、ポリエチレングリコール(C)を増粘剤として混合した前駆体溶液を得た。なお、前駆体溶液は、酢酸鉛3水和物:チタニウムイソプロポキシド:ジルコニウムアセチルアセトナート:ブチルセロソルブ:ジエタノールアミン:ポリエチレングリコール=1.1:0.44:0.56:3:0.65:0.5(モル比)の割合で混合した。また、酢酸鉛3水和物は蒸発による減少を考慮して10%過剰に加えている。
次に、1200rpmで基板を回転させて、第1電極60上に、上記前駆体溶液を30秒間滴下し、圧電体前駆体膜71を形成した(塗布工程)。次に160℃で5分間(乾燥工程)、380℃で5分間(脱脂工程)加熱した後、750℃で5分間焼成して圧電体前駆体膜71を結晶化させて、厚さ1200nmのチタン酸ジルコン酸鉛からなりペロブスカイト構造を有する圧電体層70を形成した(焼成工程)。なお、乾燥工程、脱脂工程、及び焼成工程の加熱は、ホットプレートの上に直接基板を載置して行った。
その後、圧電体層上に、第2電極としてスパッタリング法により厚さ30nmの白金膜を形成し、圧電素子を形成した。
(実施例2)
実施例1と同様の方法により、圧電素子を形成した。
(比較例1)
ニッケル酸ランタン層をスパッタリング装置により成膜した以外は、実施例1と同様にして圧電素子を形成した。なお、スパッタリング装置は、基板温度を250度、成膜の圧力を1.2Pa、スパッタリング出力を1kWに設定して行った。
(比較例2)
特許文献2と同様に、ニッケル酸ランタン層の代わりにチタンからなるバッファ層を設けた以外は実施例1と同様にして、圧電素子を形成した。
(比較例3)
以下のニッケル酸ランタン膜形成用組成物を使用してニッケル酸ランタン層を形成し、乾燥工程を行わず且つ脱脂工程は330℃で5分間行った以外は実施例1と同様にして圧電素子を形成した。
まず、大気中にて、酢酸ランタン(酢酸ランタン1.5水和物(La(CHCOO)・1.5HO))と酢酸ニッケル(酢酸ニッケル4水和物(Ni(CHCOO)・4HO))を、ランタンとニッケルがそれぞれ5mmolとなるようにビーカーに加えた。その後、プロピオン酸(濃度:99.0重量%)20mlを加えて混合した。その後、溶液温度が140℃程度となるようにホットプレートで加熱した上で、約1時間攪拌して、プロピオン酸ランタンと、プロピオン酸ニッケルと、を含み金属濃度0.5mol/Lのニッケル酸ランタン膜形成用組成物を製造した。なお、加熱時には、プロピオン酸が完全に揮発して空焚きとならないように、適時プロピオン酸を滴下し、最終的には、冷却後の濃度が上述した混合割合になるように調整した。
(試験例1)
Bruker AXS社製の「D8 Discover With GADDS;微小領域X線回折装置」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、第2電極を形成する前に各実施例及び各比較例のX線回折チャートを求めた。結果の一例として、実施例1及び比較例1〜2の回折強度−回折角2θの相関関係を示す図であるX線回折パターンを、図7に示す。
その結果、実施例1〜2及び比較例1〜3の圧電体層は、いずれもペロブスカイト型構造(ABO型構造)を形成していることが確認された。また、実施例1〜2及び比較例1〜3のいずれの圧電体層も(100)面に優先配向していることが確認された。
また、上記のX線回折装置を用いて、X線源にCuKα線を使用し、室温でChi方向のスキャンを行い、第2電極を形成する前の各実施例及び各比較例の圧電体層のX線ロッキングカーブを求めた。具体的には、θ−2θ測定と、ロッキングカーブ測定を行い、θ−2θ測定の積算範囲は、2θ:20〜50°、Ψ_Psi:−85〜−95°とし、ロッキングカーブ測定の積算範囲は、2θ:20.5〜23°、χ_Kai:−60〜−120°とした。
結果の一例として、実施例1及び比較例1〜2のX線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークを、図8に示す。また、各実施例及び各比較例のX線ロッキングカーブ法により測定した(100)面に由来するピークの半値幅(θ)(FWHM:Full Width at half Maximum)の結果を表1に示す。
Figure 0005943178
図8や表1に示すように、チタンを配向制御層として備える比較例2の圧電体層は、半値幅が20.30であった。一方、スパッタリング法によりニッケル酸ランタン層を形成した比較例1は、比較例2と比較すると半値幅は低下していたが、13.14と大きかった。
これに対し、実施例1,2の圧電体層は、(100)面に由来するピークの半値幅がそれぞれ5.12,5.21と非常に小さかった。
以上より、各実施例及び各比較例の圧電体層は、いずれも(100)面に優先配向しているものであったが、実施例1及び2の圧電体層は、特に配向率が高いものであることが確認された。言い換えれば、実施例1及び2の圧電体層は、比較例1〜3と比較して、顕著に配向性が向上したものであった。
(試験例2)
実施例1及び比較例1〜3の圧電素子について、印加電圧と電流密度との関係を、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、室温で測定した。結果を図9に示す。そして、圧電素子の絶縁破壊が起きる電圧(以下、限界電圧ともいう)を測定した。結果を表2に示す。
Figure 0005943178
図9及び表2に示すように、実施例1の限界電圧は、スパッタリング法によりニッケル酸ランタン層を設けた比較例1、ニッケル酸ランタン層を備えていない比較例2、他のニッケル酸ランタン膜形成用組成物によりニッケル酸ランタン層を形成した比較例3よりも高かった。これより、実施例1は、耐電圧性に優れたものであることが確認された。
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明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電極60が配線層61を備えるものとしたが、配線層61を設けなくてもよい。
また、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図10は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図10に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1B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に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
そして、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、記録ヘッドユニット1A及び1B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にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
なお、上述した実施形態では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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る。
また、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター等が挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー(角速度センサー)等が挙げられる。
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 15 連通路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子

Claims (6)

  1. 少なくとも酢酸ランタン、酢酸ニッケル、酢酸及び水を混合して混合溶液を得る工程と、
    前記混合溶液を加熱することによりニッケル酸ランタン膜形成用組成物を得る工程と、
    前記ニッケル酸ランタン膜形成用組成物を用いて化学溶液法によりニッケル酸ランタン膜を形成する工程と、
    前記ニッケル酸ランタン膜の上方に、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法
  2. 前記混合溶液にさらにポリエチレングリコールを添加することを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載の圧電素子の製造方法により圧電素子を製造し、この圧電素子を用いて液体噴射ヘッドを製造することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
  4. 請求項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法により液体噴射ヘッドを製造し、この液体噴射ヘッドを用いて液体噴射装置を製造することを特徴とする液体噴射装置の製造方法
  5. 請求項1又は2に記載の圧電素子の製造方法により圧電素子を製造し、この圧電素子を用いて超音波デバイスを製造することを特徴とする超音波デバイスの製造方法
  6. 請求項1又は2に記載の圧電素子の製造方法により圧電素子を製造し、この圧電素子を用いてセンサーを製造することを特徴とするセンサーの製造方法
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