JPH08112896A

JPH08112896A - 液体噴射ヘッド

Info

Publication number: JPH08112896A
Application number: JP7214600A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川; Katsuto Shimada; 田勝人島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 1996-05-07
Anticipated expiration: 2015-08-23
Also published as: JP3381473B2

Abstract

(57)【要約】【課題】二酸化珪素層における空洞の形成および電極
の隣接する層からの剥離がなく、信頼性が高く、かつ性
能に優れた液体噴射ヘッドおよびその製造法の提供。【解決手段】珪素基板上に厚さ１１００オングストロ
ーム以上のタンタル層を介して圧電素子を設け、さらに
この圧電素子においてタンタル層と電極間または電極と
圧電膜の間に酸化チタンまたはその合金の酸化物の層を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】発明の分野本発明は、液体噴射記録装置に好適に用いられる液体噴
射ヘッドに関し、とりわけインクジェット記録ヘッドと
して利用可能な液体噴射ヘッドに関する。

【０００２】背景技術インクジェット記録ヘッドに代表される液体噴射記録装
置は、液室、ノズル、液体流路を有する液体噴射ヘッ
ド、およびインク供給系を備え、液室内に満たされてい
るインク組成物にエネルギーを与えることにより、液室
内のインクをノズルより噴射させる。この噴射されたイ
ンク組成物を記録媒体に付着させて文字、画像情報など
を記録する。インク組成物にエネルギーを与える手段と
しては、圧電素子を用いて液室内を加圧する手段、また
はヒータを用いて液室内インクを加熱する手段が一般的
に知られている。

【０００３】圧電膜の組成は、一般に、チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする二成分系またはＰＺＴ
に第三成分を加えた三成分系とされている。

【０００４】液体噴射ヘッドに応用可能と思われる圧電
膜の例としては、例えば、特開平４−１２６７８号公報
に、鉛元素を含むラセミックス基板を用い、この基板に
第一の電極膜と、圧電膜と、第二の電極膜とが順次積層
されて形成された、圧電／電歪膜型アクチュエータが開
示されている。また、特開平５−９７４３７号公報に
は、薄肉のセラミック基板と、このセラミック基板上に
設けられた電極および圧電／電歪層とからなる圧電／電
歪膜型素子が開示されている。これら公報記載の技術を
用いて液体噴射ヘッドを形成する場合、特開平５−９７
４３７号公報に示されるように、基板薄肉部を振動板と
し、その下部の空間を液室をとすればよい。

【０００５】しかしながら、これら公報記載の素子はセ
ラミック基板を用いているため、薄肉部の寸法や厚さを
小さくするのが難しい。その結果、これら素子を用いて
液体噴射ヘッドのノズルを高密度化し、高解像度の画像
を実現することは一般に難しいといえる。更に、セラミ
ック基板は高価であり、これらの素子は経済的にも有利
とは言い難い。

【０００６】また、特開平５−４７５８７号公報には、
基板上に珪素を含有する導体からなる第一電極と、酸化
タンタルを含んでなる第二電極と、白金電極と、誘電体
膜と、上電極とを順次積層した構造の、薄膜キャパシタ
が開示されている。また、Japanese Journal of Applie
d Physics Part I. 1993, Vol.32, No.9B, 4144-4146に
は、単結晶珪素基板上に、二酸化珪素層、タンタル層５
００オングストローム、チタン層５００オングストロー
ム、そして白金層２０００オングストロームを積層し、
さらにゾルゲル法により形成された厚さ２３００オング
ストローム程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から
なる圧電膜を有した素子が開示されている。

【０００７】本発明者等は、これらの文献記載の素子を
用いて液体噴射ヘッドの製造を試みた。その結果、しば
しば振動板を構成する二酸化珪素層において空洞が形成
されてしまうことを確認した。また、さらに場合によっ
て電極とタンタル層との間、さらには電極と圧電膜との
間で電極層の剥離が観察された。これらは、液体噴射ヘ
ッドの製造の歩留まりを下げ、また液体噴射ヘッドの信
頼性を損なうものである。

【０００８】

【発明の概要】本発明者らは、今般、上記した振動板を
構成する二酸化珪素における空洞の形成がタンタル層の
膜厚を制御することで抑制できることを見出した。ま
た、本発明者等は上記電極の隣接する層からの剥離を特
定の層を介在させることで抑制できることを見出した。

【０００９】従って、本発明は、信頼性が高く、かつ性
能に優れた液体噴射ヘッドの提供をその目的としてい
る。

【００１０】またさらに、本発明は、高い歩留まりで液
体噴射ヘッドが製造できる液体噴射ヘッドの製造法の提
供をその目的としている。

【００１１】そして、本発明による液体を微細なノズル
より噴射させる噴射ヘッドは、 −噴射すべき液体を保持するための液室が形成された単
結晶珪素基板と、 −前記液室に連通するノズルと、 −前記液室上に形成された振動板と、 −前記振動板上に形成された、鉛を含有してなる圧電膜
とその圧電膜を挟む下電極と上電極とからなる圧電素子
と、そして −前記振動板と前記下電極との間に設けられた、酸化タ
ンタルを含んでなるタンタル層とを備えてなり、前記圧
電素子を駆動し振動板をたわませて液室の体積を変化さ
せることにより、前記液室内にある液体をノズルを介し
て外部に噴射させるものであり、前記圧電膜の厚さが１
μｍ以上であり、かつ前記タンタル層の厚さが１１００
オングストローム以上であるもの、である。

【００１２】また、本発明による液体噴射ヘッドは、上
記液体噴射ヘッドのタンタル層と下電極との間または下
電極と圧電膜との間に中間層をさらに設けてなるもの、
である。

【００１３】また、本発明による上記液体噴射ヘッドに
用いられる圧電素子が形成された珪素基板の製造法であ
って、（ａ）単結晶珪素基板上に振動板を形成する工程
と、（ｂ）該振動板上に金属タンタル層と、下電極と、
そして圧電膜前駆体とを順に積層して形成する工程と、
（ｃ）得られた単結晶珪素基板を酸素を含む雰囲気下で
加熱し、前記圧電膜前駆体を結晶化させ圧電膜を形成す
る工程と、（ｄ）前記圧電膜上に上電極を形成する工程
とを含んでなり、場合により上記工程（ｂ）においてタ
ンタル層と下電極との間または下電極と圧電膜前駆体と
の間に中間層を形成し、かつ前記圧電膜を形成する工程
後の圧電膜の厚さが１μｍ以上であり、かつ前記タンタ
ル層の厚さが１１００オングストローム以上であるも
の、である。

【００１４】さらに、本発明による液体噴射ヘッドの製
造法は、上記方法によって得られた珪素基板の、形成さ
れた圧電膜の下部に対応する位置の珪素を除くことによ
り液室となる空間を形成する工程と、そして前記空間が
形成された珪素基板と、第二の基板とを接合して、ノズ
ルと、噴射されるべき液体を前記液室に供給する液体供
給系とを前記液室に連通させながら前記液室となるべき
空間を閉じる工程とと含んでなるもの、である。

【００１５】

【発明の具体的説明】液体噴射ヘッド本発明による液体噴射ヘッドを図面を用いて説明する。
なお、図中において、膜の厚さおよび広さは説明のため
拡大または縮小されており、各寸法の比は正確なもので
はない。

【００１６】図１は、本発明の実施例における液体噴射
ヘッドの斜視図である。単結晶珪素からなる第一の基板
１０１には、液室１０２となる空間が設けられてなり、
この液室１０２上に、まず、振動板１０３としての振動
主板２０２および酸化珪素層２０１と、さらに酸化タン
タルを含有したタンタル層２０３とが形成されてなる。
さらにこのタンタル層２０３の上に圧電素子が形成さ
れ、この圧電素子は、下電極１０４と、圧電膜１０５
と、上電極１０６とからなる。第一の基板１０１は、液
体流路１０８が形成された第二の基板１０７を接合さ
れ、この接合部分にはノズルとしての開口部１０９が、
液室１０２と液体流路１０８を介して連通して形成され
てなる。

【００１７】さらに図１の液体噴射ヘッドの第一の基板
１０１およびその上に設けられた層構造の拡大断面図が
図２である。

【００１８】この液体噴射ヘッドは次のように動作す
る。電圧が下電極１０４と上電極１０６との間に印加さ
れると、下電極１０４と、圧電膜１０５と、上電極１０
６とよりなる圧電素子および振動板１０３が変形してた
わみ、液室１０２の体積を減少させる。その結果、液室
１０２内に充満している液体が液体流路１０８へ押し出
れ、ノズル１０９より液体が噴射される。

【００１９】本発明においては、上記圧電膜１０５が鉛
を含有してなる圧電膜であり、かつその膜厚が１μｍ以
上、より好ましくは１〜５μｍの範囲とされてなる。さ
らに、本発明においては、上記タンタル層２０３の厚さ
が１１００オングストローム以上、好ましくは１２００
〜１００００オングストローム程度、より好ましくは１
２００〜３０００オングストロームとされてなる。圧電
膜の膜厚を１μｍ以上とすることで、高密度の液体噴射
が可能な液体噴射ヘッドが得られる。例えば、インクジ
ェット記録方法において高解像度（例えば３６０ｄｐｉ
以上）の印字が可能となる液体噴射ヘッドが得られる。
さらに、本発明者らの実験によれば、タンタル層２０３
の膜厚が１１００オングストローム以上とされた結果、
振動板１０３中における空洞の発生を有効に阻止できる
ことが分かった。

【００２０】本発明において、鉛を含有してなる圧電膜
としては、鉛を１８原子数％（atomic %）以上、より好
ましくは２０原子数％以上含んでなるものが好ましい。
圧電膜の好ましい例としては、チタン酸鉛、およびいわ
ゆる二成分系とよばれるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を主成分とするものが挙げられる。より好ましい具
体例としては、下記の式で表わされる組成を有するもの
が挙げられる。

【００２１】Ｐｂ（Ｚｒ_XＴｉ_1-X）Ｏ₃＋ＹＰｂＯ（ここで、０．４０≦Ｘ≦０．６、０≦Ｙ≦０．３であ
る）また、本発明による薄膜圧電体素子は、いわゆる三成分
系とよばれる、上記ＰＺＴに第三成分（例えば、マグネ
シウムニオブ酸鉛）が更に加えられたものであってもよ
い。三成分系の好ましい具体例としては、下記の式で表
わされるものが挙げられる。

【００２２】ＰｂＴｉ_aＺｒ_b（Ａ_gＢ_h）_cＯ₃＋ｅ
ＰｂＯ＋（ｆＭｇＯ）_n （ここで、Ａは、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｎ、およ
びＮｉからなる群から選択される２価の金属またはＳ
ｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、およびＣｒか
らなる群から選択される３価の金属を表し、Ｂは、Ｎ
ｂ、Ｔａ、およびＳｂからなる群から選択される５価の
金属またはＷおよびＴｅからなる群から選択される６価
の金属を表し、またａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．３５≦ａ≦
０．５５、０．２５≦ｂ≦０．５５、０．１≦ｃ≦０．
４、０≦ｅ≦０．３、０≦ｆ≦０．１５ｃ、ｇ＝ｈ＝１
／２、そしてｎ＝０であるが、但し、Ａが３価の金属を
表し、かつＢが６価の金属を表すことはなく、またＡが
２価の金属を表し、かつＢが５価の金属を表す場合、ｇ
は１／３を表し、ｈは２／３を表し、またＡがＭｇを表
し、ＢがＮｂを表す場合に限り、ｎは１を表す。）三成分系のより好ましい具体例としては、ＡがＭｇを表
し、ＢがＮｂを表し、ｇが１／３を表し、そしてｈが２
／３を表すものが挙げられる。

【００２３】上記の組成においても、上記したように、
鉛Ｐｂはその組成中の１８原子数％以上含んでなるのが
好ましく、より好ましくは２０原子数％以上である。

【００２４】さらに、ＡがＭｇを表し、ＢがＮｂを表す
とき、ＭｇＯが上記範囲にあることで、熱処理中のＰｂ
Ｏの蒸発を防ぎ、またＳｉ基板との反応を抑制する。さ
らに、ＭｇＯの存在は圧電特性を向上させるペロブスカ
イト相を安定化する。

【００２５】さらに、これら二成分系および三成分系の
いずれにあっても、その圧電特性を改善するために、微
量のＢａ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｂ
ｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃａ、などが添加されてもよい。とりわ
け、三成分系にあっては０．１０モル％以下のＳｒ、Ｂ
ａの添加が圧電特性の改善にとり好ましい。また、三成
分系にあっては０．１０モル％以下のＭｎ、Ｎｉの添加
がその焼結性を改善するので好ましい。

【００２６】本発明において振動体は珪素または珪素化
合物から構成されるのが好ましい。図１に示される態様
において、振動板１０３は酸化珪素層２０１および振動
主板２０２とから構成されてなる。振動主板２０２の好
ましい例としては、珪素にホウ素をドープして得られた
層が挙げられる。ホウ素のドープの量としては５×１０
¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましく、またその厚さは
０．２〜３μｍ程度が好ましく、より好ましくは０．５
〜１μｍ程度である。また、本発明の別の好ましい態様
によれば、振動板はジルコニア、アルミナ、窒化ジルコ
ニウムから形成されてもよい。また、これら材質の層を
珪素または珪素化合物の層上に積層して振動板と形成さ
れてもよい。

【００２７】また、酸化珪素層２０１の厚さは約１．０
μｍ以下が好ましく、より好ましくは約０．５μｍ以下
である。

【００２８】また、酸化タンタルを含有したタンタル層
２０３とは、好ましくは酸化タンタルと、ＴａＰｂｙＯ
ｘの組成式で表される酸化物との結晶相が混在している
状態の層である。酸化タンタルは二酸化タンタル、五酸
化タンタル、およびそれらの相が混合しているものであ
ってもよいが、好ましくは五酸化タンタルである。この
タンタル層は後記するように、圧電膜前駆体を焼結する
前は好ましくは金属タンタル層として形成される。そし
て、圧電膜前駆体を酸素を含む雰囲気中で焼結する際
に、金属タンタルは酸化され、かつ圧電膜前駆体から拡
散してきた鉛によって、酸化タンタルと、ＴａＰｂｙＯ
ｘの組成式で表される酸化物とに変換される。この焼結
の過程の前後で、タンタル層はその膜厚を増加させる。
本発明において、タンタル層の厚さが１１００オングス
トローム以上であるとは、圧電膜の結晶化が終了した後
の厚さを意味する。そしてこの結晶化後の厚さが１１０
０オングストローム以上となるようなタンタル層を設け
ることで、上記したような二酸化珪素層において観察さ
れた空洞の発生が有効に阻止される。この理由は以下の
ように考えられるが、これによって本発明が限定的に解
釈されることを意図するものではない。上記した酸化珪
素層における空洞は、本発明者等のその形成過程の分析
によると、結晶化過程において圧電膜前駆体から拡散し
てきた鉛が酸化珪素層に侵入すると、酸化珪素の融点を
下げ、液化した酸化珪素が外部に噴出した結果生じたも
のであると思われた。一方、タンタル層をある厚さ以上
存在させることで、鉛の拡散をタンタル層において阻止
し、酸化珪素層まで至らないようにすることが可能であ
ることが見出された。たとえ鉛の侵入があっても、酸化
珪素の融点が少なくとも結晶化温度以下まで低下しなけ
れば空洞の発生の阻止は可能と考えられることから、こ
のタンタル層による鉛の酸化珪素層への侵入の阻止は完
全におこなわれなくともよい。しかしながら、良好な特
性の圧電膜を得るためには圧電膜前駆体をある程度高温
で結晶化させることが好ましい。よって鉛の酸化珪素層
への侵入はできる限り阻止することが好ましく、タンタ
ル層の厚さは液体噴射ヘッドの性能を損なわない範囲で
厚く設けられるのが、一般的には好ましいといえる。そ
の好ましい厚さは上記したとおりである。

【００２９】また、本発明において圧電素子を形成する
下電極１０４および上電極１０６は、圧電素子の電極と
して慣用されているものを利用することができ、例えば
白金および白金合金ならびに金を好ましく用いることが
できる。その厚さは適宜決定されてよいが、０．０５〜
２μｍ程度が好ましい。

【００３０】本発明の好ましい態様によれば、下電極と
タンタル層との間に第一の中間層が設けられてなる。こ
の第一の中間層を存在させることによって、下電極とタ
ンタル層との密着性が改善され、下電極とタンタル層と
の剥離を有効に防止することができる。第一の中間層が
設けられた液体噴射ヘッドの断面拡大図は図３に示され
るとおりであり、図中で第一の中間層は２１０で示され
る層である。本発明の好ましい態様によれば、、この第
一の中間層は、酸化チタン、酸化クロム、酸化ニッケ
ル、または酸化タングステンを含んでなる。さらに、別
の本発明の好ましい態様によれば、この第一の中間層
は、タンタルと白金族またはチタンとの合金の酸化物を
含んでなる。ここで、白金族とは、ルテニウム、ロジウ
ム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、および白金
が挙げられ、白金が好ましい。タンタルと白金との合金
組成は、好ましくは８０：２０〜５：９５程度である。
下電極が白金からなる場合、タンタル：白金＝３０：７
０程度の合金がその密着性の向上の観点から最も好まし
いものの一つである。

【００３１】本明細書において、「層がある金属を含ん
でなる」とは、層を構成する金属自体が層として存在し
ている場合のみならず、金属が近接する層と互いに分散
または隣接する層に侵入して明確な層を構成しない状態
で存在している場合をも包含する意味の用いることとす
る。従って、この第一の中間層の厚さを明確に規定でき
ない場合もあるが、５００オングストローム以下とされ
るのが好ましく、より好ましくは５０〜２００オングス
トローム程度である。

【００３２】さらに本発明の好ましい態様によれば、下
電極と圧電膜との間に第二の中間層が設けられてなる。
この第二の中間層を存在させることによって、下電極と
圧電膜との密着性が改善され、下電極と圧電膜の剥離を
有効に防止することができる。第二の中間層が設けられ
た液体噴射ヘッドの断面拡大図は図４に示されるとおり
であり、図中で第二の中間層は２２０で示される層であ
る。なお、第一の中間層２１０と第二の中間層２２０と
が同時に設けられてもよく、このような液体噴射ヘッド
も本発明に包含される。本発明の好ましい態様によれ
ば、この第二の中間層は、酸化チタンを含んでなる。ま
た、別の本発明の好ましい態様によれば、この第二の中
間層は、タンタル、ニッケル、および白金族から選択さ
れる金属と、チタンとの合金の酸化物を含んでなる。こ
こで、「層がある金属を含んでなる」ことの意味は上記
した通りである。また、第二の中間層においてもその厚
さを明確に定義できない場合もあるが、後記する製造法
において圧電膜の結晶化前の状態で、１５０オングスト
ローム以下とされるのが好ましく、より好ましくは５０
〜１００オングストローム程度である。

【００３３】この第二の中間層を設けた結果、下電極と
圧電膜の密着性が改善された以外に、意外にも圧電膜の
結晶組織を一様な球形の結晶粒とするとの結果が得られ
た。そして、本発明による液体噴射ヘッドにおける圧電
素子の電圧歪み定数ｄ３１の改善がみられた。図５
（ａ）は、本発明による液体噴射ヘッドにおける圧電膜
の結晶組織の断面拡大模式図である。圧電膜１０５は第
二の中間層２２０の界面から一様な球形の結晶粒５０１
により構成されてなる。一方、図５（ｂ）は、第二の中
間層２２０が存在しない場合の圧電膜の結晶組織の断面
拡大模式図である。ここで、圧電膜１０５は下電極１０
４の界面から一定の厚さの柱状の結晶粒５０２が形成さ
れ、その上部に球形の結晶粒５０１が形成されてなる。

【００３４】本発明による液体噴射ヘッドは、例えば次
のような態様で用いることができる。図６は本発明によ
る液体噴射ヘッドの実装構造の概念図である。圧電素子
および液室が形成された第一の基板１０１と、液体流路
１０８が形成された第二の基板１０７とを接合し、ノズ
ル１０９と液体導入孔３０４が形成される。液体導入孔
３０４側を基板３０１で囲み、液体室３０３が形成され
る。この液体室３０３には外部から液体が供給される。
基材３０１は実装基板３０２に取り付けられる。

【００３５】また、図７（ａ）および（ｂ）は、本発明
による液体噴射ヘッドの実際の使用態様の平面図および
断面図である。図中の液体噴射ヘッドは、液体流路１０
８を形成した第二の基板１０７に、ノズル４０１を形成
し、第一の基板１０１を接合した構成となっている。こ
のような構成とすることにより、図４（ａ）に示すよう
に液室１０２を千鳥状に配置し、しかもノズル４０１を
一直線上に配置することが可能となる。従って、ノズル
４０１の配列ピッチを液室１０２の配列ピッチの半分と
することができ、液室寸法を１００μｍとした場合、ノ
ズルを４００ｄｉｐ程度の密度で配置することが可能と
なる。すなわち、ノズルの更なる高密度化が可能となる
点で有利である。

【００３６】液体噴射ヘッドの製造さらに、本発明による液体噴射ヘッドの製造法を以下に
説明する。図８（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、第一
の基板１０１に圧電素子及び液室を形成するまでの製造
工程を示す断面図である。なお、この断面図において、
紙面に垂直な方向が液室の奥行き方向となる。

【００３７】単結晶珪素からなる第一の基板１０１を、
約１１００〜１２００℃の温度に加熱して熱酸化し、基
板１０１の両面に厚さ約３０００〜５０００オングスト
ロームの酸化珪素層２０１を形成する。次に、基板１０
１の片面からホウ素を１０００℃で酸化珪素層２０１の
下部に拡散させ、振動主板２０２を形成する。得られた
基板１０１の両面にフォトレジスト膜を形成し、振動板
１０３を設けた側と反対側の表面に開口部を設ける。酸
化珪素層２０１を弗酸および弗化アンモニウムの水溶液
で開口部を処理し、開口部２０４を形成する。

【００３８】続いて、第一の基板１０１の酸化珪素層２
０１上に、タンタル層２０３、下電極１０４、そして圧
電膜１０５、更には場合によって第一の中間層２１０お
よび／または第二の中間層２２０を形成する。これらの
形成は慣用されている種々の薄膜作製手法を利用して行
われてよい。好ましい薄膜作製の手法としてはスパッタ
リング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、ゾルゲル法など
が挙げられる。

【００３９】ここで、第一の中間層として、タンタルと
白金族またはチタンとの合金、もしくはチタン、クロ
ム、ニッケル、およびタングステンからなる群から選ば
れる金属を含んでなる層を形成しても、後記する圧電膜
前駆体の結晶化の工程により酸化され、最終的にはタン
タルと白金族またはチタンとの合金の酸化物、もしくは
酸化チタン、酸化クロム、酸化ニッケル、または酸化タ
ングステンからなる層に変換され、その際、層の厚さを
増加させる。従って、液体噴射ヘッドの製造にあたり、
タンタルと白金族またはチタンとの合金、ならびにチタ
ン、クロム、ニッケル、およびタングステンからなる群
から選ばれる金属を含んでなる層を形成する場合、層の
厚さの増加を勘案し、最終的な層の厚さが前記したよう
な値となるよう考慮する必要がある。チタン、クロム、
ニッケル、およびタングステンからなる群から選ばれる
金属を含んでなる層を形成する場合、好ましくは５０〜
２００オングストローム以下とすることで圧電膜前駆体
の結晶化後に５００オングストローム以下の第一の中間
層を得ることができる。一方、酸化チタン、酸化クロ
ム、酸化ニッケル、または酸化タングステンを含んでな
る層は圧電膜前駆体の結晶化の前後でその膜厚をほとん
ど変化させない。従って、その厚さは圧電膜前駆体の結
晶化の工程前で５００オングストローム以下とされてよ
い。

【００４０】さらに、形成しようとする層が合金である
場合、多元同時スパッタリング法、所望の組成の合金タ
ーゲットを用いたスパッタリング法により合金層を形成
してもよい。さらには酸素ガスを含む雰囲気で反応性ス
パッタリング法により直接酸素を含有するタンタル−白
金合金層を形成してもよい。

【００４１】また、圧電膜の形成は、次のように行われ
るのが好ましい。

【００４２】まず、特定成分のＰＺＴ焼結体をスパッタ
リングのターゲットとして用い、電極膜上（場合によっ
て第二の中間層上）にスパッタリングによりアモルファ
ス状の圧電体膜前駆体膜を形成する。

【００４３】次のこのアモルファス状の前駆体を加熱し
結晶化し、焼結させる。この加熱は酸素雰囲気中（例え
ば、酸素中、または酸素とアルゴンなどの不活性ガスと
の混合ガス中）において、２段階に分けて行われるのが
好ましい。すなわち、第一の加熱工程においては、アモ
ルファス状の前駆体を結晶化させる。そして、第二の加
熱工程おいては、生じた結晶粒を成長させ、さらに結晶
粒同士の焼結を促進させる。具体的には、第一加熱工程
は酸素雰囲気中で前駆体膜を好ましくは５００〜７００
℃の温度で加熱する。加熱によって前駆体膜を結晶化さ
せる。この第一加熱工程は、前駆体膜が均質に結晶化し
た時点で終了されてよい。続いて、第二加熱工程は、結
晶化した膜を７５０〜１１００℃で加熱する。

【００４４】第一加熱工程と第二加熱工程とは、連続し
て行われてもよく、また第一加熱工程の後、膜を室温ま
で冷却した後、第二加熱工程が行われてもよい。

【００４５】以上のようにして図８（ａ）に示される構
造が得られる。

【００４６】以上のように形成された圧電膜１０５をホ
ウ弗酸水溶液により、さらに下電極１０４を王水水溶液
によって処理して不要な部分を除いた後、圧電膜１０５
の上にさらに上電極１０６を設け、圧電素子を形成す
る。その結果基板は図８（ｂ）に示される構造となる。

【００４７】この基板の圧電素子上に、例えば感光性樹
脂からなる保護膜２０４を形成する。必要に応じて、そ
の保護膜の一部を取り除き電極取り出し部とされてよ
い。

【００４８】続いて、保護膜２０５を形成した基板への
液室１０２の形成は、例えば珪素基板１０１を溶解可能
な溶液、例えば水酸化カリウム水溶液に浸漬し、酸化珪
素層２０１の開口部２０４から単結晶珪素基板１０１を
エッチングすることにより行うことができる。そして、
酸化珪素層２０１を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液で
エッチング除去して、図８（ｃ）に示される構造の第一
の基板を得ることができる。

【００４９】この第一の基板を、図１に示されるような
液体流路１０８が形成された第二の基板１０７を接合さ
れ、液体噴射ヘッドが得られる。

【００５０】なお、以上の液体噴射ヘッドの製造にあた
り、単結晶珪素からなる第一の基板の結晶の面方位を考
慮するのが好ましい。その好ましい具体的手法について
は、ＷＯ９３／２２１４０号公報に開示がある。

【００５１】

【実施例】本発明を以下の実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。

【００５２】なお、特に断らない限り、本実施例中にお
いて、図１に示される各寸法を、液室１０２についてＬ
＝１００μｍおよびＷ＝１５ｍｍ、下電極１０４につい
てＬ１＝１１８μｍおよびＷ１＝１７ｍｍ、圧電膜１０
５についてＬｐ＝８８μｍおよびＷｐ＝１６ｍｍ、上電
極１０６についてＬｕ＝８２μｍおよびＷｕ＝１５．８
ｍｍとした。また、液体流路１０８の断面は４０μｍ角
とした。

【００５３】実施例１両方位（１１０）の単結晶珪素からなる第一の基板を１
１００℃で熱酸化し、基板の両面に酸化珪素層を厚さ５
０００オングストローム形成した。次に、基板の片面か
らホウ素を１０００℃で酸化珪素層の下部に拡散させ、
振動板を形成した。振動主板の厚さは１μｍ、ホウ素の
濃度は１０²⁰ｃｍ^-3とした。

【００５４】次に基板の両面にフォトレジストを形成
し、振動板を設けた側とは反対側の表面にフォトレジス
トを取り去り、弗酸と弗化アンモニウムの水溶液によっ
て酸化珪素層をエッチングし、開口部を形成した。この
時開口部の奥行き方向、すなわち紙面に垂直な方向を

【００５５】

【外１】または

【００５６】

【外２】方向とする。フォトレジストを剥離した後、基板の振動
板側に、タンタル層、第一の中間層、下電極、そして圧
電膜を順に次のように積層した。すなわち、振動板側の
酸化珪素層上に、スパッタリング法によって、金属タン
タルを２００、５００、６００、または１０００オング
ストロームの厚さに形成し、その後チタンを５０オング
ストローム、さらに白金を２０００オングストロームの
厚さに形成した。

【００５７】更に、組成Ｐｂ_0.95Ｓｒ_0.05Ｚｒ_0.28Ｔｉ
_0.35Ｍｇ_0.123Ｎｂ_0.247Ｏ₃（９０ｍｏｌ％）＋Ｐｂ
Ｏ（１０ｍｏｌ％）で示される焼結体をターゲットとし
て用い、アルゴン雰囲気中で、基板の加熱なしに高周波
スパッタリング成膜を行った。そして、厚さ３μｍの圧
電膜前駆体を基板上に形成した。次に圧電膜前駆体が形
成された基板を、酸素雰囲気中で６５０℃で１時間、さ
らに９００℃で１時間、焼結した。焼結後、圧電膜をホ
ウ弗酸水溶液により、また下電極を王水水溶液によりエ
ッチングすることでパターニングした。

【００５８】さらに圧電膜上に、スパッタリング法によ
り密着層および上電極としてチタンを厚さ５０オングス
トローム、そして金を厚さ２０００オングストローム形
成し、この後ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液でエッチ
ングすることによりパターニングした。

【００５９】得られた基板の圧電素子が形成された面上
に、感光性ポリイミドからなる保護膜を厚さ２μｍに形
成し、電極取り出し部の保護膜を、現像により取り除
き、４００℃で熱処理を行った。

【００６０】次に、保護膜を形成した圧電素子側の面を
治具により保護し、水酸化カリウム水溶液に浸せきし、
酸化珪素層の開口部から単結晶珪素基板の異方性エッチ
ングを行い、液室１０２を形成した。この時、単結晶珪
素基板の面方位が（１１０）であり、更に開口部の奥行
き方向が

【００６１】

【外３】または

【００６２】

【外４】方向であるから、液室の奥行き方向の辺を形成する側壁
の面を（１１１）面とすることができる。水酸化カリウ
ム水溶液を用いた場合、単結晶珪素の（１１０）面と
（１１１）面とのエッチングレートの比は３００：１程
度となり、３００μｍの深さの溝を、サイドエッチング
を１μｍ程度に抑えて形成することができた。基板を前
記治具に固定したまま、基板に接している酸化珪素層を
弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でエッチング除去し
て、第一の基板を完成させた。

【００６３】得られた第一の基板の破断面を走査電子顕
微鏡により観察し、タンタル層の厚さおよび酸化珪素層
中の空洞の有無を調べた。その結果は次の第１表に示さ
れる通りであった。

【００６４】

【表１】また、圧電膜をＥＰＭＡで組成分析した結果、圧電膜中
の鉛組成は１８原子数％であった。さらにＸ線回析法に
より、圧電膜を分析したところ、金属タンタルは存在せ
ず、五酸化タンタルの結晶相と、五酸化タンタル−酸化
鉛化合物の結晶相が混在していることが確認された。

【００６５】上記のようにして得られたタンタル層の厚
さが６００および１０００オングストロームの第一の基
板を、プラスチックを射出成形することにより、液体流
路と一体形成した第二の基板と接着して、液体噴射ヘッ
ドとした。この液体噴射ヘッドを用いて液体噴射実験を
行った。液体として水系インク組成物を用い、圧電膜へ
の印加電圧を１５Ｖとしたとき、いずれの液体噴射ヘッ
ドの場合も、ノズルから５ｍｍ離れた部分での液体噴射
速度は１５ｍ／ｓｅｃであった。

【００６６】実施例２圧電膜の結晶化前にタンタル層の上に形成されるチタン
層の厚さを変えた以外は、実施例１と同様にして第一の
基板を調製した。得られた基板の破断面を走査電子顕微
鏡により観察し、このチタン層と下電極である白金層と
の剥離の有無、圧電膜表面の凹凸の有無を調べた。その
結果は、次の第２表に示されるとおりであった。

【００６７】

【表２】実施例３タンタル層の厚さを１０００オングストロームとし、さ
らにそのタンタル層の上に、第一の中間層としてタンタ
ル−白金合金（タンタル：白金約５０：５０）を５００
オングストローム、さらに下電極として白金２０００オ
ングストロームを積層した以外は、実施例１と同様にし
て第一の基板を調製した。なお、タンタル−白金合金
は、白金５０オングストロームとタンタル５０オングス
トロームとを交互にスパッタリング法で積層することに
より形成した。２００倍金属顕微鏡により圧電膜表面を
観察し、さらに基板の破断面を走査電子顕微鏡により観
察した。その結果、層の剥離、圧電膜表面の凹凸、およ
び層中の空洞は観察されなかった。

【００６８】実施例４第一の中間層としてチタン５０オングストローム、下電
極１０４として白金２０００オングストロームと形成
し、更にその上部に第二の中間層としてチタン５０オン
グストロームを形成した以外は、実施例１と同様にして
第一の基板を調製した。得られた基板についてのＸ線回
析法によれば、第二の中間層に対応する部分から二酸化
チタンの結晶からの回析線が観測された。また、さらに
基板の破断面を走査電子顕微鏡により観察した。その結
果、層の剥離、圧電膜表面の凹凸、および層中の空洞は
観察されなかった。さらに操作電子顕微鏡の観察によれ
ば、圧電膜は一様な球形の結晶粒により構成されてお
り、全く柱状の結晶粒は観察されなかった。また、この
基板の圧電素子の圧電歪み定数ｄ31は１７０ｐＣ／Ｎで
あった。

【００６９】比較のため、第二の中間層としてのチタン
５０オングストロームを形成しなかった以外は、上記と
同様にして基板を調製した。その基板の破断面を走査電
子顕微鏡により観察した結果、下電極との界面から５０
００オングストローム程度上まで柱状の結晶粒が形成さ
れ、その上部に球形の結晶粒が形成されていた。さら
に、この基板の圧電素子の圧電歪み定数ｄ31は１５０ｐ
Ｃ／Ｎであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液体噴射ヘッドの斜視図である。

【図２】本発明による液体噴射ヘッドの層構造の拡大断
面図である。

【図３】タンタル層と下電極との間にそれらの密着性を
改善する第一の中間層が設けられた液体噴射ヘッドの層
構造の拡大断面図である。

【図４】下電極と圧電膜との間にそれらの密着性を改善
する第二の中間層が設けられた液体噴射ヘッドの層構造
の拡大断面図である。

【図５】図５（ａ）は、第二の中間層が設けられた結
果、圧電膜の結晶構造が一様な球形の結晶粒により構成
された状態を表す模式図であり、図５（ｂ）は、第二の
中間層が設けられなかった結果、下電極との界面からあ
る範囲で柱状の結晶粒が形成され、その上部に球形の結
晶粒が形成された状態を表す模式図である。

【図６】本発明による液体噴射ヘッドの実際の使用態様
を表す図である。

【図７】本発明による液体噴射ヘッドの別の実際の使用
態様を示す図である。

【図８】図８は本発明による液体噴射ヘッドを構成する
第一の基板の製造法を説明する図で有り、図８（ａ）は
珪素基板に振動板、酸化珪素層、タンタル層、下電極、
および圧電膜を形成した図であり、図８（ｂ）は下電
極、圧電膜、および上電極のパターンニングした状態を
示す図であり、図８（ｃ）は液室となる空間を形成し、
かつ圧電素子の部分を保護膜２０４で覆った状態を示す
図である。

【符号の説明】

１０１第一の基板（単結晶珪素基板）１０２液室１０３振動板１０４下電極１０５圧電膜１０６上電極１０７第二の基板１０８液体流路１０９ノズル２０３酸化タンタル層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を微細なノズルより噴射させる噴射ヘ
ッドであって、該ヘッドが、 −噴射すべき液体を保持するための液室が形成された単
結晶珪素基板と、 −前記液室に連通するノズルと、 −前記液室上に形成された振動板と、 −前記振動板上に形成された、鉛を含有してなる圧電膜
とその圧電膜を挟む下電極と上電極とからなる圧電素子
と、そして −前記振動板と前記下電極との間に設けられた、酸化タ
ンタルを含んでなるタンタル層とを備えてなり、前記圧電素子を駆動し振動板をたわませて液室の体積を
変化させることにより、前記液室内にある液体をノズル
を介して外部に噴射させるものであり、前記圧電膜の厚さが１μｍ以上であり、かつ前記タンタ
ル層の厚さが１１００オングストローム以上である、液
体噴射ヘッド。
【請求項２】前記振動板が珪素、珪素化合物、ジルコニ
ア、アルミナ、または窒化ジルコニウムからなる、請求
項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】前記タンタル層が、酸化タンタルと、Ｔａ
ＰｂｙＯｘの組成式で表される酸化物との結晶相が混在
している状態の層である、請求項１または２記載の液体
噴射ヘッド。
【請求項４】前記下電極と前記タンタル層との間に第一
の中間層が設けられてなり、該第一の中間層が、酸化チ
タン、酸化クロム、酸化ニッケル、または酸化タングス
テンを含んでなるか、またはタンタルと白金族またはチ
タンとの合金の酸化物を含んでなるものである、請求項
１または２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】前記第一の中間層の厚さが５００オングス
トローム以下である、請求項４記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】前記白金族が、ルテニウム、ロジウム、パ
ラジウム、オスミウム、イリジウム、および白金からな
る群から選択されるものである、請求項４記載の液体噴
射ヘッド。
【請求項７】前記下電極と前記圧電膜との間に第二の中
間層が設けられてなり、該第二の中間層が、酸化チタン
を含んでなるか、またはタンタル、ニッケル、および白
金族から選択される金属と、チタンとの合金の酸化物を
含んでなるものである、請求項１または２記載の液体噴
射ヘッド。
【請求項８】前記第二の中間層の厚さが２００オングス
トローム以下である、請求項７記載の液体噴射ヘッド。
【請求項９】前記圧電膜の結晶組織が、一様な球形の結
晶粒により構成されてなるものである、請求項７または
８に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項１０】液体を微細なノズルより噴射させる噴射
ヘッドに用いられる圧電素子が形成された珪素基板の製
造法であって、（ａ）単結晶珪素基板上に振動板を形成する工程と、（ｂ）該振動板上に金属タンタル層と、下電極と、そし
て圧電膜前駆体とを順に積層して形成する工程と、（ｃ）得られた単結晶珪素基板を酸素を含む雰囲気下で
加熱し、前記圧電膜前駆体を結晶化させ圧電膜を形成す
る工程と、（ｄ）前記圧電膜上に上電極を形成する工程とを含んで
なり、前記圧電膜を形成する工程後の圧電膜の厚さが１
μｍ以上であり、かつ前記タンタル層の厚さが１１００
オングストローム以上である、方法。
【請求項１１】前記工程（ｂ）において、金属タンタル
層上に第一の中間層がさらに積層され、該第一の中間層
の上に下電極が積層され、ここで、前記第一の中間層
が、酸化チタン、酸化クロム、酸化ニッケル、または酸
化タングステン、もしくはタンタルと白金族またはチタ
ンとの合金の酸化物を含んでなるか、またはタンタルと
白金族またはチタンとの合金、ならびにチタン、クロ
ム、ニッケル、およびタングステンからなる群から選ば
れる金属を含んでなる層である、請求項１０記載の方
法。
【請求項１２】積層される前記第一の中間層が酸化チタ
ン、酸化クロム、酸化ニッケル、または酸化タングステ
ンを含んでなるものである場合その厚さが５００オング
ストローム以下であり、積層される前記第一の中間層が
チタン、クロム、ニッケル、およびタングステンからな
る群から選ばれる金属を含んでなる層である場合その厚
さが２００オングストローム以下である、請求項１１記
載の方法。
【請求項１３】前記工程（ｂ）において、下電極上に第
二の中間層がさらに積層され、該第二の中間層の上に圧
電膜前駆体が積層され、ここで、前記第二の中間層が、
酸化チタンを含んでなるか、またはタンタル、ニッケ
ル、および白金族から選択される金属と、チタンとの合
金の酸化物を含んでなる層である、請求項１０記載の方
法。
【請求項１４】積層される前記第二の中間層の厚さが２
００オングストローム以下である、請求項１３記載の方
法。
【請求項１５】請求項１〜９のいずれか一項に記載の液
体噴射ヘッドの製造法であって、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法によって
得られた珪素基板の、形成された圧電膜の下部に対応す
る位置の珪素を除くことにより液室となる空間を形成す
る工程と、そして前記空間が形成された珪素基板と、第
二の基板とを接合して、ノズルと、噴射されるべき液体
を前記液室に供給する液体供給系とを前記液室に連通さ
せながら前記液室となるべき空間を閉じる工程とを含ん
でなる、方法。
【請求項１６】インクジェット記録に用いられる、請求
項１〜９のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項１７】請求項１〜９のいずれか一項に記載の液
体噴射ヘッドを備えてなる、インクジェットプリンタ
ー。