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特開2023-139870液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139870
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法
(51)【国際特許分類】
B41J 2/14 20060101AFI20230927BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20230927BHJP
H10N 30/045 20230101ALI20230927BHJP
H10N 30/853 20230101ALI20230927BHJP
H10N 30/50 20230101ALI20230927BHJP
H10N 30/05 20230101ALI20230927BHJP
【ＦＩ】
B41J2/14 301
H01L41/09
H01L41/257
H01L41/187
H01L41/083
H01L41/27
B41J2/14
B41J2/14 613
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022045619
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(74)【代理人】
【識別番号】100090527
【弁理士】
【氏名又は名称】舘野 千惠子
(72)【発明者】
【氏名】秋山 善一
【テーマコード（参考）】
2C057
【Ｆターム（参考）】
2C057AG44
2C057AG92
2C057AG93
2C057AN01
2C057AP52
2C057AP53
2C057BA05
2C057BA14
(57)【要約】
【課題】部品数を低減して製造コストを低減でき、良好な吐出を行える液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【解決手段】基板、振動板、ＡｌＮを含む層及び電極を有するノズル板が振動することにより液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記ＡｌＮを含む層は、分極反転されており、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【選択図】図１
【解決手段】基板、振動板、ＡｌＮを含む層及び電極を有するノズル板が振動することにより液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記ＡｌＮを含む層は、分極反転されており、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
開口を有する変形可能な薄膜部材と、
前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備え、
前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層は、分極反転が可能であり、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備え、
前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層は、分極反転が可能であり、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【請求項2】
前記式（２）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項3】
前記４価の元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＳｉから選ばれることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項4】
前記式（１）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項5】
前記電極は、交差指電極を含み、
前記ＡｌＮを含む層は、複数の層からなり、前記交差指電極を介して積層されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
前記ＡｌＮを含む層は、複数の層からなり、前記交差指電極を介して積層されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項6】
請求項１～５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。
【請求項7】
前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ユニット。
【請求項8】
請求項１～５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項６若しくは７に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
【請求項9】
開口を有する変形可能な薄膜部材と、前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備えた液体吐出ヘッドを製造する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層を４５０℃以上で形成するＡｌＮ層形成工程と、
前記ＡｌＮを含む層を分極させる分極処理工程と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層は、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層を４５０℃以上で形成するＡｌＮ層形成工程と、
前記ＡｌＮを含む層を分極させる分極処理工程と、を含み、
前記ＡｌＮを含む層は、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【請求項10】
前記ＡｌＮ層形成工程は、前記ＡｌＮを含む層を４５０℃以上８００℃以下で形成することを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項11】
前記式（２）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項12】
前記４価の元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＳｉから選ばれることを特徴とする請求項９～１１のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項13】
前記式（１）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項14】
前記電極は、交差指電極を含み、
前記ＡｌＮ層形成工程は、前記交差指電極を介して複数の前記ＡｌＮを含む層を積層させることを特徴とする請求項９～１３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記ＡｌＮ層形成工程は、前記交差指電極を介して複数の前記ＡｌＮを含む層を積層させることを特徴とする請求項９～１３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
圧電体を用いた液体吐出ヘッドにおいて、良好な吐出を行うこと、電気機械変換効率を向上させることなどを目的として、圧電体の材料、部材の構成などについて検討されている。
【0003】
特許文献１には、基板上にスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜の製造方法であって、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下において、スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウムの含有率が０．５～５０原子％の範囲となるように、アルミニウムとスカンジウムとでスパッタリングするスパッタリング工程を含み、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が、５～４５０℃の範囲である製造方法が開示されている。特許文献１によれば、スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜を備えた圧電体薄膜において、スカンジウムの原子数が３５～４０原子％の範囲であっても、スカンジウムを含有させない場合と比較して圧電応答性が低下しない、圧電体薄膜を作製することができるとしている。
【0004】
特許文献２には、ノズル形成層のノズル部分の少なくとも一部分に形成された圧電アクチュエータであって、第１および第２の電極の間に設けられた圧電体を備えた液滴吐出器が開示されている。圧電体は、４５０℃よりも低い温度において処理可能な１つまたは複数の圧電材料を含むことが開示されており、圧電体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでよいことが開示されている。特許文献１によれば、プリントヘッド上の隣接する圧電液滴吐出器の間での音響的クロストークを減少し、より大きなノズル数が達成されることを可能にできるとしている。
【0005】
特許文献３には、基板と圧電体とを有するノズル板が振動することにより液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、圧電体を４５０℃～６００℃で形成することが開示されている。特許文献１によれば、ノズル板が振動することにより液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、吐出特性のばらつきを抑制することができるとしている。
【0006】
特許文献４には、２価元素と４価元素、または、２価元素と５価元素を含有する窒化アルミニウム膜からなる圧電膜と、前記圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極と、を備える弾性波デバイスが開示されている。特許文献３によれば、大きな電気機械結合係数を有する弾性波デバイスを得ること、又は、弾性波デバイスの大型化を抑制することができるとしている。
【0007】
特許文献５には、マグネシウム及びニオブを含有する窒化アルミニウムからなる、圧電薄膜であって、前記マグネシウム１００原子％に対して、前記ニオブを３１～１２０原子％含有しており、前記マグネシウム、ニオブ及びアルミニウムの含有量の総和に対する前記マグネシウム及びニオブの合計含有量が、１０～６７原子％の範囲にある、圧電薄膜が開示されている。特許文献５では、スカンジウムの代わりにマグネシウム（２価）とニオブ（５価）の元素を規定量含む圧電膜が開示されている。特許文献５によれば、スカンジウム以外の安価な元素を含有し、かつ圧電定数が高められた窒化アルミニウムからなる圧電薄膜を提供できるとしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、圧電体を形成する箇所によって液体導入経路を形成するのに必要な複数の部品が必要になることがあり、部品数が増えてしまう。この場合、製造コストが増加してしまう。また、窒化アルミニウムを含む層を圧電体膜として用いる場合、分極の方向が電界の方向と一致しない場合に所望の変形をさせることができず、良好な吐出が行えない場合がある。
【0009】
そこで本発明は、部品数を低減して製造コストを低減でき、良好な吐出を行える液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するために、本発明の液体吐出ヘッドは、開口を有する変形可能な薄膜部材と、前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備え、前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、前記ＡｌＮを含む層は、分極反転が可能であり、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、部品数を低減して製造コストを低減でき、良好な吐出を行える液体吐出ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における斜視説明図（ａ）及びＡ－Ａ断面概略図（ｂ）である。
【図2】本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例における要部断面概略図（ａ）及び断面概略図（ｂ）である。
【図3】ＡｌＮを含む層における分極の方向の一例を模式的に説明するための図である。
【図4】ＡｌＮを含む層の変形の一例を模式的に説明するための図（ａ）及びそのときの薄膜部材の変形例を模式的に説明するための図（ｂ）である。
【図5】ＡｌＮを含む層における分極の方向と電界方向の一例を模式的に説明するための図である。
【図6】ＡｌＮを含む層における分極の方向と電界方向の他の例を模式的に説明するための断面概略図（ａ）～（ｃ）である。
【図7】分極反転を調べるための測定装置の構成例である。
【図9】六方晶窒化アルミニウムの単位格子を模式的に示した図である。
【図10】六方晶窒化アルミニウムにおけるＡｌの一部がＭｇとＺｒで置換された場合の模式図である。
【図11】液体を吐出する装置の一例における概略図である。
【図12】液体を吐出する装置の他の例における概略図である。
【図13】液体吐出ユニットの一例における概略図である。
【図14】液体吐出ユニットの他の例における概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【0014】
本発明の液体吐出ヘッドは、開口を有する変形可能な薄膜部材と、前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備え、前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、前記ＡｌＮを含む層は、分極反転が可能であり、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする。
【0015】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、開口を有する変形可能な薄膜部材と、前記薄膜部材の前記開口の周囲に配置され、前記薄膜部材を変形させる電気機械変換素子と、を備えた液体吐出ヘッドを製造する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記電気機械変換素子は、電極と、ＡｌＮを含む層と、を含み、前記ＡｌＮを含む層を４５０℃以上で形成するＡｌＮ層形成工程と、前記ＡｌＮを含む層を分極させる分極処理工程と、を含み、前記ＡｌＮを含む層は、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有することを特徴とする。
【0016】
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【0017】
図１は、本実施形態の液体吐出ヘッドの一例を説明するための図である。
図１（ａ）は本実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視説明図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ断面概略図である。この液体吐出ヘッド１は、複数のアクチュエータ１０と、液室形成部材２０とを有している。
図１（ａ）は本実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視説明図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ断面概略図である。この液体吐出ヘッド１は、複数のアクチュエータ１０と、液室形成部材２０とを有している。
【0018】
アクチュエータ１０は、開口１０２ａを有する変形可能な薄膜部材１０２と、薄膜部材１０２の開口１０２ａの周囲に配置され、薄膜部材１０２を変形させる圧電素子１０３とを有している。開口１０２ａは、ノズル１０１を形成し、ノズル１０１から液体が吐出される。圧電素子１０３は、電気機械変換素子の一例である。薄膜部材は、振動板、メンブレンなどと称されてもよい。
【0019】
圧電素子１０３は、薄膜部材１０２の一面に、下部電極１１１、電気機械変換膜としてのＡｌＮを含む層１１２、上部電極１１３を順次積層して形成している。そして、圧電素子１０３を覆う第１の絶縁膜１１５を設けている。
【0020】
圧電素子１０３には、電極配線１１６と電極配線１１７が接続されている。電極配線１１６は下部電極引出し配線であり、第１の絶縁膜１１５が開口されて下部電極１１１と接続される。電極配線１１７は上部電極引出し配線であり、第１の絶縁膜１１５が開口されて上部電極１１３と接続される。電極配線１１６、１１７は、絶縁膜が開口されて電気接続される。
【0021】
さらに、圧電素子１０３の第１の絶縁膜１１５の表面及び電極配線１１６、１１７の各表面を含めて第２の絶縁膜１１８が成膜されている。また、第２の絶縁膜１１８上に保護膜１１９を成膜している。本例では、第１の絶縁膜１１５の表面側には圧電素子１０３に接続された電極配線１１６、１１７を含めて覆う保護膜１１９が設けられ、少なくとも電極配線１１６、１１７と保護膜１１９との間には第２の絶縁膜１１８が介在している。
【0022】
例えば、第１の絶縁膜１１５はＳｉＯ２膜を用い、保護膜１１９は樹脂膜を用い、第２の絶縁膜１１８はＳｉＯ２膜を用いることができる。
【0023】
アクチュエータ１０の薄膜部材１０２の他面には液室形成部材２０が接合されており、液室形成部材２０はノズル１０１（開口１０２ａ）が通じる液室２０１を形成している。薄膜部材１０２は液室２０１に対面する部分が変位可能な部分１２１となる。
【0024】
図１（ｂ）において、保護膜１１９上に撥水膜を設けてもよい。また、ノズル１０１と液室２０１の表面に保護膜を設けてもよい。
【0025】
図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドの他の例を説明するための図である。
図２（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの要部を図示する図である。図示するように、薄膜部材１０２上に、下部電極１１１、ＡｌＮを含む層１１２、上部電極１１３が順次形成されている。ここでは、電気機械変換素子が有する電極として、下部電極１１１と上部電極１１３が図示されている。
図２（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの要部を図示する図である。図示するように、薄膜部材１０２上に、下部電極１１１、ＡｌＮを含む層１１２、上部電極１１３が順次形成されている。ここでは、電気機械変換素子が有する電極として、下部電極１１１と上部電極１１３が図示されている。
【0026】
図２（ｂ）は、図１（ｂ）の他の例である。図示するように、電極配線１１６は、配線層１２２と接続し、配線層１２２は電気接続パッド１２０と接続する。また、配線層１２２はＣＭＯＳ回路１２４と接続する。ＣＭＯＳ回路は駆動回路の一例である。同様に、電極配線１１７は、配線層１２３と接続し、配線層１２３は電気接続パッド１２１と接続する。また、配線層１２３はＣＭＯＳ回路１２５と接続する。ＣＭＯＳ回路を通じて駆動電圧が印加される。
【0027】
次に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を圧電材料として用いることについて説明する。本実施形態では、電気機械変換膜としてＡｌＮを含む層（ＡｌＮ膜などと称することがある）を用いている。ＡｌＮは非鉛圧電体の一例であり、ＡｌＮの性能は結晶性に強く依存する。ＡｌＮについては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のような強誘電体と異なり、分極処理による電気－機械変換（いわゆる圧電効果）効率の向上が適用できない。ＡｌＮは、無欠陥の完全結晶が原理的に好ましい。基板を加熱して真空成膜で結晶成膜を形成する場合、結晶性の良否は基板温度に依存し、その値が高いほど完全結晶が得られやすくなる。
【0028】
図３は、ＡｌＮを含む層１４ａを形成した後の分極の方向を模式的に説明する図である。ＡｌＮを基板１１上に薄膜形成すると、窒素面（マイナス面）が終端になる成長をする。そのため、図３に示すように、ＡｌＮ膜の一方の面がＡｌ面（＋）となり、他方の面がＮ面（－）となる。分極はプラスからマイナスの方向にとり、これを順方向と定義する。そのため、図２に示すように、Ａｌ面からＮ面の方向に分極の方向がとられることになる。図中の矢印は、分極ベクトルを模式的に示したものであるともいえる。
【0029】
例えば、基板１１上に、Ｍｏで下部電極を形成し、その上に、ＡｌＮ膜を１μｍの厚さで成膜し、更にその上に上部電極を形成したとする。この場合、ＡｌＮ膜内の分極ベクトルは、図２に示すように、上から下の方向に向くことになる。例えば、下部電極をＧＮＤにし、上部電極に＋３００Ｖの電圧を印加させると、この場合、順方向での電圧印加となる。このように電圧を印加させた場合、ＡｌＮ膜は、厚さ方向に延び、面方向（厚さ方向と直交の方向）に縮むことになる。
【0030】
図４は、膜の変位の一例を模式的に説明するための図である。図４（ａ）は、ＡｌＮを含む層１４ａにおいて、分極の方向（白矢印）と電界の方向（黒矢印）が同じ方向であることを説明するための模式図である。このように同じ方向である場合、ＡｌＮを含む層１４ａは破線のように、分極方向では伸び、分極方向と直交する方向では縮む。図４（ｂ）は、このときの変位を説明するための模式図である。２箇所を固定した振動板１２上に、下部電極１１１、ＡｌＮを含む層１４ａ、上部電極１１３を配置し、上記の電圧を印加する。この場合、振動板１２は、破線で示すように下方向に撓む。このように撓むことにより、液滴を吐出することができる。
【0031】
図５は、２層のＡｌＮを含む層１１２ｂ、１１２ｃと交差指電極１３１、１３２を用いた例であり、電圧を印加したときの、ある瞬間を模式的に説明するための図である。図中の白矢印は、分極方向を示す。上述したように、ＡｌＮを含む層の場合、分極の方向は、例えばＡｌ面（＋）からＮ面（－）の方向（順方向）になるため、ＡｌＮを含む層１１２ｂとＡｌＮを含む層１１２ｃとで同じ方向になる。図中の黒矢印は、電界の印加方向を示す。図４に示すような交差指電極１３１、１３２を用いる場合、ＡｌＮを含む層１４ａ、１４ｂの間に設けられた電極１７から電極１６の方向に電界が生じる。そのため、電界の印加方向は、ＡｌＮを含む層１１２ｂとＡｌＮを含む層１１２ｃとで逆の方向になる。
【0032】
このため、ＡｌＮを含む層１１２ｂは、分極の方向（白矢印）と電界の方向（黒矢印）が同じ方向（順方向）なので、厚さ方向に延び、面方向に縮むことになる。一方、ＡｌＮを含む層１１２ｃは、分極の方向（白矢印）と電界の方向（黒矢印）が逆方向なので、厚さ方向に縮み、面方向に延びることになる。
【0033】
従来技術では、電界をかけたとき、図５のＡｌＮを含む層１１２ｃに示すように、分極の方向（白矢印）と電界の方向（黒矢印）が逆方向になる層が生じていた。この場合、ＡｌＮを含む層１１２ｂでは圧電歪みが生じるのに対し、ＡｌＮを含む層１１２ｃでは圧電歪みが生じないため、圧電歪みが相殺されてしまう。このため、薄膜部材１０２は撓まない、もしくは撓みが小さくなってしまうという問題が生じる。
【0034】
このように、従来技術では、ＡｌＮを含む層を積層させて圧電体として用いる場合、振動板の振動させる（撓ませる）ことができない、もしくは効率良く振動させることができなかった。これは、ＡｌＮを含む層の分極方向を反転することができなかったことに起因する。分極方向を反転することができない理由としては、ＡｌＮ膜がアルミニウム終端で膜成長が終わってしまうことによるものと考えられる。
【0035】
図５では、ＡｌＮを含む層を積層させているが、ＡｌＮを含む層が単層（１層）の場合であっても良好な吐出性が得られない場合があるという問題が生じる。電圧の印加の仕方によっては、電界の方向と分極の方向が逆方向になり、所望の変形にならず、良好な吐出ができない場合があった。例えば、駆動電圧として例えばパルス電圧を印加した際に、ある電圧波形ではＡｌＮを含む層が変形しない場合があり、良好な吐出が行えない場合がある。この場合もＡｌＮを含む層を分極反転させることができないことによるものと考えられる。
【0036】
そこで本発明者は、上記の問題を解消するために鋭意検討を行い、本発明に至った。
本実施形態では、４５０℃以上でＡｌＮを含む層を形成するとともに、特定の元素で置換することで、ＡｌＮを含む層が分極反転することが可能になる。これにより、電界の方向が分極の方向と逆方向であっても、分極の方向を反転させることができ、良好な吐出が行える。また例えば積層させたでも、圧電体歪みの相殺が発生せず、変換効率を向上させることができる。
本実施形態では、４５０℃以上でＡｌＮを含む層を形成するとともに、特定の元素で置換することで、ＡｌＮを含む層が分極反転することが可能になる。これにより、電界の方向が分極の方向と逆方向であっても、分極の方向を反転させることができ、良好な吐出が行える。また例えば積層させたでも、圧電体歪みの相殺が発生せず、変換効率を向上させることができる。
【0037】
一方、ＡｌＮを含む層を成膜する温度が４５０℃未満であると、ＡｌＮを含む層を分極反転可能な層にすることができない。このため、良好な吐出性が得られず、また変換効率を向上させることができない。
【0038】
また、本実施形態では、ＡｌＮを含む層を形成した後、分極処理を行う。これにより、ＡｌＮを含む層が圧電体として機能でき、分極反転可能な圧電体層にすることができる。分極処理については後述する。
【0039】
図６は、本実施形態により得られるＡｌＮを含む層における分極の方向を模式的に説明するための図である。図６（ａ）は、ＡｌＮを含む層が単層の場合の例であり、図示するように、白矢印で示される分極の方向が図２と反対の方向になっており、すなわち部局反転されている。図６（ｂ）は、ＡｌＮを含む層が２層の場合の例であり、図６（ｃ）は、ＡｌＮを含む層が３層の場合の例である。本実施形態により得られるＡｌＮを含む層は分極反転することが可能であり、ＡｌＮを含む層の全てで、電界の向きと分極の向きが同じ方向になるため、圧電体歪みの相殺を防止することができる。これにより変換効率を飛躍的に向上させることができる。
【0040】
図６（ｂ）の場合、すなわちＡｌＮを含む層が２層の場合について、以下の試験例１と試験例２を例に挙げて説明する。なお、圧電歪みは電界強度に比例するということを考慮して以下、変換効率について検討を行った。
試験例１は、膜厚１μｍのＡｌＮを含む層を単層とした例である。膜厚１μｍのＡｌＮを含む層に１５０Ｖを印加して薄膜部材（振動板）を変形させる。このときの変位量をＸとする。
試験例２は、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層を２層積層させた例である。このとき、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層のそれぞれに７５Ｖを印加して薄膜部材を変形させると、各層の変位量はそれぞれ０．５Ｘになるが、トータルとしての変位量はＸ（＝０．５Ｘ＋０．５Ｘ）になる。このため、試験例１よりも少ない駆動電圧で同じ変位量を得ることができる。
また、試験例２において、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層のそれぞれに１５０Ｖを印加させた場合、各層の変位量はそれぞれＸになり、トータルとしての変位量は２Ｘ（＝Ｘ＋Ｘ）になる。このため、試験例１と同じ量の駆動電圧で２倍の変位量を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、ＡｌＮを含む層を積層させた場合、変換効率を飛躍的に向上させることができる。
試験例１は、膜厚１μｍのＡｌＮを含む層を単層とした例である。膜厚１μｍのＡｌＮを含む層に１５０Ｖを印加して薄膜部材（振動板）を変形させる。このときの変位量をＸとする。
試験例２は、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層を２層積層させた例である。このとき、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層のそれぞれに７５Ｖを印加して薄膜部材を変形させると、各層の変位量はそれぞれ０．５Ｘになるが、トータルとしての変位量はＸ（＝０．５Ｘ＋０．５Ｘ）になる。このため、試験例１よりも少ない駆動電圧で同じ変位量を得ることができる。
また、試験例２において、膜厚０．５μｍのＡｌＮを含む層のそれぞれに１５０Ｖを印加させた場合、各層の変位量はそれぞれＸになり、トータルとしての変位量は２Ｘ（＝Ｘ＋Ｘ）になる。このため、試験例１と同じ量の駆動電圧で２倍の変位量を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、ＡｌＮを含む層を積層させた場合、変換効率を飛躍的に向上させることができる。
【0041】
本実施形態において、ＡｌＮを含む層の厚みは、特に制限されるものではなく、適宜選択することができる。また、ＡｌＮを含む層が形成される箇所としては、全てが下部電極上に形成されている必要はなく、ＡｌＮを含む層の一部が、下部電極が形成されていない箇所に形成されていてもよい。
【0042】
ＡｌＮ層形成工程において、基板温度を４５０℃以上にしてＡｌＮを含む層を成膜することにより、ＡｌＮを含む層を分極反転可能な層にすることができる。その理由としては一概にはいいにくいが、例えば以下のように考えられる。
【0043】
ＡｌＮは、高温から室温にかけて構造相転移を示す。高温相では立方晶窒化アルミニウムであり、低温相では六方晶窒化アルミニウムである。高温相の立方晶窒化アルミニウムは圧電性を持たないが、低温相の六方晶窒化アルミニウムは圧電性を持つ。液体吐出ヘッドの圧電体にＡｌＮを用いた場合、ＡｌＮは低温相の六方晶窒化アルミニウムとして駆動することになる。六方晶窒化アルミニウムでは、成膜温度によって結晶性に違いが生じ、成膜温度を上げることで結晶性が向上する。そのため、分極処理を行った際に、分極反転が可能なＡｌＮを含む層を得られやすくなると考えられる。
【0044】
ＡｌＮにおいて、高温相と低温相の相転移温度は約５００℃にあるが、スパッタリングなどの薄膜形成方法は熱平衡状態ではないため、明確な相転移温度は存在しないともいえる。そのため、圧電性の向上、薄膜形成方法等を考慮して、４５０℃以上でＡｌＮを含む層を形成している。
【0045】
分極反転が可能かどうかの確認は、本実施形態では以下のようにして行う。一例を挙げて説明する。
測定するサンプルとしては、下部電極１１１、ＡｌＮを含む層１１２、上部電極１１３を積層させ、上部電極１１３上に保護膜を形成したものを用いる。保護膜としては、絶縁膜であってもよい。ＡｌＮを含む層１１２が複数の層である場合、サンプルの電極には交差指電極１３１、１３２を用いる。
下部電極１１１と上部電極１１３を通じて電圧を印加する。印加する電圧としては、以下とする。任意波形発生装置を用いて三角波を発生させ、周波数を数Ｈｚ程度とし、振幅を±１０Ｖとし、これをアンプで増幅させる。増幅器としては、トレック社製６１０Ｃを用いる。この装置の場合、アンプの増幅率は１，０００倍であり、信号発生器で１０Ｖ出力時には１０，０００Ｖの電圧出力になる。
サンプルの膜厚は１μｍとし、この場合、サンプルに印加される電界強度は１００ＭＶ／ｃｍになる。なお、この電界強度の数値は、１０，０００Ｖ／０．０００１ｃｍを計算したものである。
このサンプルに電圧を印加し、分極値の変化を測定する。電圧印加による分極値の変化は、チャージアンプから検出する。強誘電体材料のＰ－Ｅヒステリシス曲線の求め方やＱ＝ＣＶの関係式を考慮し、横軸を電圧とし、縦軸を発生電荷Ｑとしてプロットする。縦軸の発生電荷Ｑは、チャージアンプが電圧に変換して出力したものである。このようなプロット（Ｑ－Ｖプロットとも称する）において、傾きはＣ［Ｆ］になる。ここで、ＡｌＮを含む層はＣが一定であるため、Ｑ－Ｖプロットは原点を通る直線になる。
測定するサンプルとしては、下部電極１１１、ＡｌＮを含む層１１２、上部電極１１３を積層させ、上部電極１１３上に保護膜を形成したものを用いる。保護膜としては、絶縁膜であってもよい。ＡｌＮを含む層１１２が複数の層である場合、サンプルの電極には交差指電極１３１、１３２を用いる。
下部電極１１１と上部電極１１３を通じて電圧を印加する。印加する電圧としては、以下とする。任意波形発生装置を用いて三角波を発生させ、周波数を数Ｈｚ程度とし、振幅を±１０Ｖとし、これをアンプで増幅させる。増幅器としては、トレック社製６１０Ｃを用いる。この装置の場合、アンプの増幅率は１，０００倍であり、信号発生器で１０Ｖ出力時には１０，０００Ｖの電圧出力になる。
サンプルの膜厚は１μｍとし、この場合、サンプルに印加される電界強度は１００ＭＶ／ｃｍになる。なお、この電界強度の数値は、１０，０００Ｖ／０．０００１ｃｍを計算したものである。
このサンプルに電圧を印加し、分極値の変化を測定する。電圧印加による分極値の変化は、チャージアンプから検出する。強誘電体材料のＰ－Ｅヒステリシス曲線の求め方やＱ＝ＣＶの関係式を考慮し、横軸を電圧とし、縦軸を発生電荷Ｑとしてプロットする。縦軸の発生電荷Ｑは、チャージアンプが電圧に変換して出力したものである。このようなプロット（Ｑ－Ｖプロットとも称する）において、傾きはＣ［Ｆ］になる。ここで、ＡｌＮを含む層はＣが一定であるため、Ｑ－Ｖプロットは原点を通る直線になる。
【0046】
上記の測定装置の構成例を図７に示す。この構成では、任意波形発生装置、増幅器、反転増幅積分器、記録計を用いて測定を行う。ｃｈ１は任意波形発生装置の出力を検出し、ｃｈ２は反転増幅積分器の出力を検出する。Ｑ－Ｖプロットは記録計で記録された値に基づき作成される。
【0047】
ＡｌＮを含む層は、材料の組成、結晶構造、作製条件などにより、分極反転可能なものと、分極反転ができないものとがある。分極反転可能である場合、分極の方向と反対の方向の電界を印加すると、分極の方向（分極ベクトルの向き）が電界方向に一致するように向きが変わる。このように、分極の方向と反対の方向の電界を印加した場合に、分極の方向が変わることを分極反転と称する。分極反転が可能な層である場合、Ｑ－Ｖプロットにおいて、Ｑ＝ＣＶの直線ではなく、非連続に増加する関係を示す。
【0048】
また、上記の測定では、交番電界（三角波）を印加しているため、９０°位相が進むと、反転した分極と逆方向の電界が印加されることとなる。この場合、ある許容値を超えると分極が反転する。結果として、ｃｈ２の測定値が正方形や長方形のような分極応答を示す。
なお、電界強度の増加により分極反転する前に圧電体が絶縁破壊する場合もあり、このような材料は本発明には不適切である。
なお、電界強度の増加により分極反転する前に圧電体が絶縁破壊する場合もあり、このような材料は本発明には不適切である。
【0049】
図８Ａと図８Ｂを用いて、分極反転ができないＡｌＮと、分極反転が可能なＡｌＮを説明する。図８Ａは、分極反転ができないＡｌＮの場合について説明する図であり、上記図７の測定装置の構成例によって得られた結果である。図８Ｂは、分極反転が可能なＡｌＮの場合について説明する図であり、上記図７の測定装置の構成例によって得られた結果である。
【0050】
図８Ａ（ａ）は、記録計のｃｈ１とｃｈ２をプロットした図であり、横軸を時間［秒］としている。交番電界（三角波）を印加しているため、ｃｈ１は三角波になっている。図示するように、ｃｈ１（図８Ａ（ａ）の上段）とｃｈ２（図８Ａ（ａ）の下段）とで、時間変化が同じになっている。この場合、図８Ａ（ｂ）に示すＱ－Ｖプロットからもわかるように、分極反転ができないといえる。図８Ａ（ｂ）に示すように、Ｑ－Ｖプロットでは、Ｑ＝ＣＶの直線になっており、分極反転ができないことがわかる。
【0051】
図８Ｂ（ａ）は、図８Ａ（ａ）と同様に、記録計のｃｈ１とｃｈ２の検出値をプロットした図であり、図８Ｂ（ｂ）は、Ｑ－Ｖプロットである。図８Ｂ（ａ）に示されているように、分極反転が可能なＡｌＮの場合、ｃｈ１のように交番電界（三角波）を印加すると、ｃｈ２の測定値がｃｈ１と相違し、段階的に変化する。これは、電界がある許容値を超えた場合に、分極が反転していることを意味する。この場合、図８Ｂ（ｂ）のＱ－Ｖプロットでは、Ｑ＝ＣＶの直線にならずに、ヒステリシスを示すようになる。このように、図８Ｂでは分極反転が生じていることが示されており、図８Ｂのサンプルは、分極反転が可能であることがわかる。
【0052】
分極反転について補足説明を行う。図８Ｂ（ｂ）のＱ－Ｖプロットでは、ＥｃとＰｓが図示されている。Ｅｃは抗電界などとも称され、ｃｈ２の信号が横軸と交わるときの電界強度である。Ｐｓは自発分極などとも称され、ｃｈ２の信号が縦軸と交わるときの分極値である。このように、分極反転が可能なサンプルの場合、ＥｃとＰｓが存在する。一方、図８Ａ（ｂ）のように、分極反転ができないサンプルの場合、ＥｃとＰｓが存在しない。このため、ＥｃとＰｓの有無を調べることで、分極反転が可能であるか（分極反転しているか）を確認することができる。
【0053】
本実施形態において、ＡｌＮを含む層は、ＡｌＮの一部のＡｌがＳｃで置換され下記式（１）で表される組成を有するか、又は、ＡｌＮの一部のＡｌがＭｇ及び４価の元素で置換され下記式（２）で表される組成を有する。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ 式（１）
Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮ 式（２）
ただし、式（１）及び式（２）中、ｘは０＜ｘ＜１であり、式（２）中、βは４価の元素を表す。
【0054】
ＡｌＮを含む層を上記のように置換することで、圧電性能を向上させることができ、良好な吐出性能を得ることができる。一方、ＡｌＮを含む層を上記のように置換しない場合、分極反転が可能な層にならず、良好な圧電性能を得られず、良好な吐出性能が得られにくい。例えば、成膜温度を４５０℃以上にした場合であっても、上記のように置換しない場合、分極反転が可能な層にならない。
【0055】
ＡｌＮのＡｌを例えばＳｃに置換した圧電材料が知られており、Ｓｃは、そのイオン半径や原子価を考慮すると、ＡｌＮの置換元素として用いることに適している。ＡｌＮにおいてＳｃで置換した材料は、ある組成の範囲でＡｌＮの３倍の圧電性能を有する。この組成物は、抗電界が低くなるため、絶縁破壊が生じる前に分極反転処理ができると考えられる。
【0056】
ＡｌＮにおいてＳｃで置換した材料を化学式で表すと、上記式（１）のように、Ａｌ１－ｘＳｃｘＮとなる。ｘはＳｃの置換量を表し、０＜ｘ＜１である。ＡｌＮの結晶構造の一つとして六方晶が挙げられ、Ｓｃで置換した場合、置換量ｘの増加に伴い、六方晶のｃ軸が短くなり、ａ軸が大きくなる。分極のしやすさとしての指標は、例えば軸比ｃ／ａが挙げられ、軸比ｃ／ａが１に近づくほど分極がしやすいといえる。
【0057】
このようなことから、式（１）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることが好ましく、０．０５≦ｘ≦０．４０であることがより好ましい。この場合、軸比が１に近づき、分極しやすくなる。例えばｘ＝０．２５である場合、圧電材料の特性が無置換のＡｌＮのｄ３３と比べて約２．５倍に向上させることができる。また、ｘ＝０．２５の場合、比誘電率は約１５になり、無置換のＡｌＮと比べて１．５倍に向上させることができる。
【0058】
また、Ｓｃとは別のＡｌＮの置換元素の候補として、３価の元素が挙げられる。３価の元素としては、ホウ素、ビスマス、ランタノイド元素、ガリウム、インジウムなどが挙げられるが、本発明者は複合原子価の考えを考慮して、Ｓｃとは別の置換元素として、２価の元素と４価の元素の複合を用いることもできるのではないかと考えた。
【0059】
具体的には、２価の元素としてＭｇを用い、４価の元素としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉを用い、２価の元素と４価の元素を組み合わせて用いることができるのではないかと考えた。これを一般式で表すと、上記式（２）のように、Ａｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮとなる。上記式（１）のようにＳｃを用いる場合、高価になることが想定されるため、ＡｌＮを含む層が上記式（２）で表される組成を有する場合、製造コストを低減することができる。
【0060】
式（２）中、ｘは０．０５＜ｘ＜０．４３であることが好ましく、０．０５≦ｘ≦０．４０であることがより好ましい。上記式（１）と同様に、この場合、軸比が１に近づき、分極しやすくなる。
【0061】
式（２）中、４価の元素（β）は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＳｉから選ばれることが好ましい。この場合、βがＭｇの電荷補償元素として対になり、圧電性能が向上する。
【0062】
本実施形態において、ＡｌＮを含む層の組成は、蛍光Ｘ線分析を用いて求める。
【0063】
ここで、ＡｌＮの結晶構造について図を用いて説明する。図９は、六方晶窒化アルミニウムの単位格子を模式的に示した図であり、図中、Ａｌ、Ｎの一部を図示している。図示されるＡｌの一部が、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｔｉなどで置換される。
【0064】
図１０は、六方晶窒化アルミニウムにおけるＡｌの一部がＭｇとＺｒで置換された場合の模式図である。図１０では、図９の格子よりも広げた格子を図示している。図中、Ｍｇは１つ、Ｚｒは１つ図示されており、Ｍｇと４価の元素（ここではＺｒ）で置換したＡｌＮ膜の結晶構造の一例である。このような構造をＭｇＺｒ置換－ＡｌＮ結晶などと称してもよい。
【0065】
このような構造を有するＡｌＮ膜を作製するには、制限されるものではないが、例えば、Ｍｇカソード上に複数個のＺｒ金属チップを配置して、Ａｌカソードとの同時反応性スパッタリング法により形成することができる。このような方法においては、Ｚｒ金属チップの代わりに、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｓｉを用いることで、各種組成膜を形成することができる。
【0066】
本実施形態においてＡｌＮを含む層は、単層（１層）であってもよいし、複数の層であってもよい。ＡｌＮを含む層が複数の層である場合、例えば図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、電極は交差指電極を含み、ＡｌＮを含む層は交差指電極を介して積層されていることが好ましい。このように電極を介して積層させることで、変換効率を飛躍的に向上させることができるという優れた効果が得られる。
【0067】
なお、交差指電極にする場合、電極の称し方は、適宜変更することができる。単に、第１の交差指電極、第２の交差指電極と称してもよいし、ＧＮＤ電極、対向電極と称してもよいし、下部電極、上部電極などと称してもよい。
【0068】
本実施形態では、ＡｌＮを含む層を分極反転させることができるため、ＡｌＮを含む層を積層させた場合に、ＡｌＮを含む層同士の圧電歪みが互いに相殺されることを防止でき、駆動電圧を低減することができる。例えば、ＡｌＮを含む層が単層である場合に３００Ｖの駆動電圧で変位量ｘが得られていたとする。本実施形態では、ＡｌＮを含む層を２層にし、層間に電極を形成して駆動電圧を印加すると、１５０Ｖ程度で変位量ｘを得ることができる。また、３００Ｖの駆動電圧を印加すると、変位量２ｘを得ることができる。
【0069】
ＡｌＮを含む層が複数の層である場合、積層数ｎ（層数ｎ）としては、特に制限されるものではなく、適宜選択することができる。積層数ｎを増やすことにより、駆動電圧を単層時の電圧の１／ｎに減少させることができる。例えば、圧電体層が単層で３００Ｖを印加していた材料構成において、圧電体層を４層とし交差指にした場合、各圧電体層に７５Ｖを印加することで同じ歪みを得ることができる。そのため、駆動電圧を単層と同じ３００Ｖにしたままで、圧電体層を４層とし交差指にした場合、発生力は４倍になる。
【0070】
ＡｌＮを含む層が複数の層である場合、材料構成、厚み等は、層同士で同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【0071】
次に、液体吐出ヘッドの製造方法の観点から本実施形態を更に説明する。
上述したように、本実施形態におけるＡｌＮ層形成工程では、ＡｌＮを含む層を４５０℃以上で形成する。形成する温度（成膜温度、基板温度）は、４５０℃以上８００℃以下で形成することが好ましい。上記温度範囲である場合、Ｓｉ基板と駆動回路が一体形成された液体吐出ヘッドを形成する際に品質を向上させることができる。また、８００℃以下であることにより、ＭＯＳ－ＴｒのＶｔｈのドリフトが生じることを抑制でき、ロジック動作に支障をきたす可能性を低減できる。
上述したように、本実施形態におけるＡｌＮ層形成工程では、ＡｌＮを含む層を４５０℃以上で形成する。形成する温度（成膜温度、基板温度）は、４５０℃以上８００℃以下で形成することが好ましい。上記温度範囲である場合、Ｓｉ基板と駆動回路が一体形成された液体吐出ヘッドを形成する際に品質を向上させることができる。また、８００℃以下であることにより、ＭＯＳ－ＴｒのＶｔｈのドリフトが生じることを抑制でき、ロジック動作に支障をきたす可能性を低減できる。
【0072】
また、ＡｌＮ層形成工程における形成温度の上限としては、７００℃以下であることがより好ましく、６００℃未満であることが更に好ましい。この場合、圧電性能を向上させることができる。
【0073】
なお、本実施形態では、トランジスタのメタライゼーション工程を行ってもよい。特に制限されるものではないが、ＡｌＮを含む層を成膜する温度が５００℃以上８００℃以下である場合、トランジスタのメタライゼーション工程は、ＡｌＮ層形成工程よりも後に行うことが好ましい。５００℃以下である場合、特に制限はなく、ＡｌＮ層形成工程は、トランジスタのメタライゼーション工程の後に行ってもよい。
【0074】
ＡｌＮを含む層におけるＡｌＮの一部のＡｌを他の元素で置換する方法としては、特に制限されるものではないが、例えば作製条件を適宜変更する方法が挙げられ、例えばマグネトロンスパッタリング法の条件を適宜変更する方法が挙げられる。
【0075】
ＡｌＮの一部のＡｌをＳｃに置換したＡｌＮを含む層を形成する条件の一例を以下に示す。このような条件により数時間成膜することで、例えば膜厚１μｍのＡｌ（１－ｘ）ＳｃｘＮ膜を得ることができる。
作製方法：二元同時反応性マグネトロンスパッタリング法
基板温度：室温～７００℃
窒素濃度：４０％（アルゴンバランス）
ターゲット寸法：４インチ
Ａｌカソード電力：８００Ｗ
Ｓｃカソード電力：０～８００Ｗ
なお、上記の「室温～７００℃」とあるのは、基板温度が室温から７００℃の範囲内で任意の基板温度で成膜するということを意味している。例えば室温の場合は、基板を加熱せずに成膜することを意味する。
作製方法：二元同時反応性マグネトロンスパッタリング法
基板温度：室温～７００℃
窒素濃度：４０％（アルゴンバランス）
ターゲット寸法：４インチ
Ａｌカソード電力：８００Ｗ
Ｓｃカソード電力：０～８００Ｗ
なお、上記の「室温～７００℃」とあるのは、基板温度が室温から７００℃の範囲内で任意の基板温度で成膜するということを意味している。例えば室温の場合は、基板を加熱せずに成膜することを意味する。
【0076】
ＡｌＮを含む層を複数の層にする場合、ＡｌＮ層形成工程では、交差指電極を介して複数のＡｌＮを含む層を積層させる。例えば、図６（ｂ）、（ｃ）のような層構成にする。本実施形態では、ＡｌＮを含む層を複数の層にすることで、変換効率が向上し、駆動電圧を低減しても良好な変位が得られる。
【0077】
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法では、図６中の電極膜１１３や１３１、１３２を形成し、その後の保護膜（図６では図示せず）を形成した後にポーリング処理（分極処理）工程を行い、ＡｌＮを含む層を分極反転させる。ポーリング処理工程はＡｌＮを含む層を形成し、更に電極を形成し、その後の保護膜（図６では図示せず）を形成した後に行う。また、ＡｌＮを含む層が複数の層である場合、全ての層を形成し、更に電極を形成した後に行う。
【0078】
ポーリング処理としては、特に制限されるものではなく、適宜選択することができる。中でも、ＡＣポーリングを用いることが好ましく、パルスＡＣポーリングを用いることがより好ましい。圧電体形成工程の後のＡｌＮは、六方晶と立方晶の混合状態であると考えられ、このような混合状態の場合、パルスＡＣポーリングが特に好ましく、良い効果が得られる。
【0079】
パルスＡＣポーリングの一例について説明する。
圧電体形成工程の後、分極反転、分極非反転のダブルパルス測定を行い、反転電荷と非反転電荷の差異から、分極反転の有無を確認する。パルス条件としてスルーレートを６００Ｖ／μｓ、保持時間を１μｓ、振幅を６００Ｖとし、１μｍの厚みの試料に対してパルスの照射を行う。このようにすることでＡｌＮに対して分極処理を行うことができる。
圧電体形成工程の後、分極反転、分極非反転のダブルパルス測定を行い、反転電荷と非反転電荷の差異から、分極反転の有無を確認する。パルス条件としてスルーレートを６００Ｖ／μｓ、保持時間を１μｓ、振幅を６００Ｖとし、１μｍの厚みの試料に対してパルスの照射を行う。このようにすることでＡｌＮに対して分極処理を行うことができる。
【0080】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの作製について一例を説明する。ここで示す例は、図２（ｂ）に示すような液体吐出ヘッドを形成することを想定している。ここでは説明を省略している部材もある。
【0081】
（１）シリコンウェハ（シリコン基板）に、ＣＭＯＳ論理演算部（ＣＭＯＳ回路）を形成する。
ＣＭＯＳ回路を形成する際に、メタライゼーション工程を行ってもよいし、下記（２）の後にメタライゼーション工程を行ってもよい。ＡｌＮを含む層を形成する際の温度によっては、メタライゼーション工程は下記（２）の工程に後（下記（４））に行うことが好ましい。ここでは、下記（２）の後にメタライゼーション工程を行う例を説明する。
ＣＭＯＳ回路を形成する際に、メタライゼーション工程を行ってもよいし、下記（２）の後にメタライゼーション工程を行ってもよい。ＡｌＮを含む層を形成する際の温度によっては、メタライゼーション工程は下記（２）の工程に後（下記（４））に行うことが好ましい。ここでは、下記（２）の後にメタライゼーション工程を行う例を説明する。
【0082】
（２）シリコンウェハ上に振動板、ＡｌＮを含む層、電極を形成する。これらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を用いて形成することができる。以下に一例を例示する。
振動板は、例えばプラズマＣＶＤ（化学気相成長法）を用いて、ＳｉＯ２膜等を堆積させることにより形成することができる。
下部電極は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｍｏ金属等を成膜することにより形成することができる。
ＡｌＮを含む層は、例えばＲＦ反応性マグネトロンスパッタリング法を用いることができる。
上部電極は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｍｏ金属等を成膜することにより形成することができる。
振動板は、例えばプラズマＣＶＤ（化学気相成長法）を用いて、ＳｉＯ２膜等を堆積させることにより形成することができる。
下部電極は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｍｏ金属等を成膜することにより形成することができる。
ＡｌＮを含む層は、例えばＲＦ反応性マグネトロンスパッタリング法を用いることができる。
上部電極は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｍｏ金属等を成膜することにより形成することができる。
【0083】
（３）次いで、パルスＡＣポーリングにより分極処理を行う。
【0084】
（４）次いで、層間絶縁膜（第１の絶縁膜）を形成し、コンタクトホールを開口させる。次いで、メタライゼーションを行い、取り出し電極（引出し配線）を形成する。メタライゼーション工程では、例えばＡｌを用いる。
【0085】
（５）次いで、パッシベーション膜（第２の絶縁膜）を取り出し電極上に形成する。
【0086】
（６）次いで、例えばエッチングにより、ノズル（ノズル孔）を形成する。
【0087】
（７）次いで、ノズルを形成した面とは反対側からシリコン基板を部分的に除去し、液室を形成する。例えばエッチングを用いる。
【0088】
以上の工程により、図２（ｂ）に示すような液体吐出ヘッドを形成することができる。
【0089】
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、ノズル板に閉塞プレートを接合することでインク供給経路を作製することができるため、製造コストの低減にも有効である。例えば、圧電体がノズル板に設けられていない液体吐出ヘッドでは、液体抵抗部など、液体導入経路を形成するのに必要な複数の部品が必要になることがあるが、本実施形態では部品数を低減でき、製造コストを低減できる。
【0090】
【0091】
この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構４９３によって、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構４９３は、ガイド部材４０１、主走査モータ４０５、タイミングベルト４０８等を含む。ガイド部材４０１は、左右の側板４９１Ａ、４９１Ｂに架け渡されてキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動される。
【0092】
このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッド１及びヘッドタンク４４１を一体にした液体吐出ユニット４４０を搭載している。液体吐出ユニット４４０の液体吐出ッド１は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド１は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。
【0093】
液体吐出ヘッド１の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド１に供給するための供給機構４９４により、ヘッドタンク４４１には、液体カートリッジ４５０に貯留されている液体が供給される。
【0094】
供給機構４９４は、液体カートリッジ４５０を装着する充填部であるカートリッジホルダ４５１、チューブ４５６、送液ポンプを含む送液ユニット４５２等で構成される。液体カートリッジ４５０はカートリッジホルダ４５１に着脱可能に装着される。ヘッドタンク４４１には、チューブ４５６を介して送液ユニット４５２によって、液体カートリッジ４５０から液体が送液される。
【0095】
この装置は、用紙４１０を搬送するための搬送機構４９５を備えている。搬送機構４９５は、搬送手段である搬送ベルト４１２、搬送ベルト４１２を駆動するための副走査モータ４１６を含む。
【0096】
搬送ベルト４１２は用紙４１０を吸着して液体吐出ヘッド１に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３と、テンションローラ４１４との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。
【0097】
そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。
【0098】
さらに、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に液体吐出ヘッド１の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置されている。
【0099】
維持回復機構４２０は、例えば液体吐出ヘッド１のノズル面（ノズルが形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２１、ノズル面を払拭するワイパ部材４２２などで構成されている。
【0100】
主走査移動機構４９３、供給機構４９４、維持回復機構４２０、搬送機構４９５は、側板４９１Ａ，４９１Ｂ、背板４９１Ｃを含む筐体に取り付けられている。
【0101】
このように構成したこの装置においては、用紙４１０が搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。
【0102】
そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙４１０に液体を吐出して画像を形成する。
【0103】
このように、この装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。
【0104】
【0105】
この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板４９１Ａ、４９１Ｂ及び背板４９１Ｃで構成される筐体部分と、主走査移動機構４９３と、キャリッジ４０３と、液体吐出ヘッド１で構成されている。
【0106】
なお、この液体吐出ユニットの例えば側板４９１Ｂに、前述した維持回復機構４２０、及び供給機構４９４の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。
【0107】
【0108】
この液体吐出ユニットは、流路部品４４４が取付けられた液体吐出ヘッド１と、流路部品４４４に接続されたチューブ４５６で構成されている。
【0109】
なお、流路部品４４４はカバー４４２の内部に配置されている。流路部品４４４に代えてヘッドタンク４４１を含むこともできる。また、流路部品４４４の上部には液体吐出ヘッド１と電気的接続を行うコネクタ４４３が設けられている。
【0110】
本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
【0111】
「液体吐出ユニット」には、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。
【0112】
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。
【0113】
例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
【0114】
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。
【0115】
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。
【0116】
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。
【0117】
また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。
【0118】
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。
【0119】
「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
【0120】
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
【0121】
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。
【0122】
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
【0123】
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
【0124】
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
【0125】
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
【0126】
また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
【0127】
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
【実施例0128】
以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0129】
（実施例１及び比較例１：ＡｌＮを含む層が単層である場合）
シリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、薄膜部材を形成した。次いで、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いてＭｏ金属を成膜し、下部電極を形成した。次いで、以下の条件でＡｌＮを含む層を形成した。
シリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、薄膜部材を形成した。次いで、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いてＭｏ金属を成膜し、下部電極を形成した。次いで、以下の条件でＡｌＮを含む層を形成した。
【0130】
［ＡｌＮを含む層の形成条件］
方法：二元同時反応性マグネトロンスパッタリング
基板温度と加熱時間：室温から温度を上昇させ、下記表１の温度で加熱した
窒素濃度：４０％（アルゴンバランス）
ターゲット寸法：４インチ
Ａｌカソード電力：８００Ｗ
Ｓｃカソード電力：０～８００Ｗ
方法：二元同時反応性マグネトロンスパッタリング
基板温度と加熱時間：室温から温度を上昇させ、下記表１の温度で加熱した
窒素濃度：４０％（アルゴンバランス）
ターゲット寸法：４インチ
Ａｌカソード電力：８００Ｗ
Ｓｃカソード電力：０～８００Ｗ
【0131】
上記のようにして、数時間かけて厚みが１μｍのＡｌＮを含む層を形成した。ここでは、ＡｌＮを含む層は１層であり、形成したＡｌＮを含む層の組成は、Ａｌ１－ｘＳｃｘＮである。
【0132】
次いで、ＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いてＭｏ金属を成膜し、上部電極を形成した。
次いで、パルスＡＣポーリングを行い、形成したＡｌＮを含む層に対して分極処理を行った。パルス条件としてスルーレートを６００Ｖ／μｓ、保持時間を１μｓ、振幅を６００Ｖとし、１μｍの厚みの試料に対してパルスの照射を行った。このようにすることでＡｌＮに対して分極処理を行った。
次いで、パルスＡＣポーリングを行い、形成したＡｌＮを含む層に対して分極処理を行った。パルス条件としてスルーレートを６００Ｖ／μｓ、保持時間を１μｓ、振幅を６００Ｖとし、１μｍの厚みの試料に対してパルスの照射を行った。このようにすることでＡｌＮに対して分極処理を行った。
【0133】
分極反転の確認は、図７の測定装置の構成を用いた。また、Ｑ－Ｖプロットにおいて、ＥｃとＰｓの有無についても確認した。また、圧電性（ｄ３３）について、公知の測定方法により測定した。
【0134】
上記を基本形として、成膜温度（基板温度）、置換元素、置換量を下記表１のように変更した。置換量（％）とあるのは、Ａｌ１－ｘＳｃｘＮ又はＡｌ１－ｘ（Ｍｇ，β）ｘＮにおけるｘをパーセンテージで表したものに相当する。ＡｌＮを含む層の組成や置換量は、蛍光Ｘ線分析を用いて求めた。
【0135】
【表1】
【0136】
表１からわかるように、成膜温度が４５０℃未満である場合、分極反転ができない。比較例１－１～比較例１－６では、表１中、分極反転が「×」となっており、絶縁破壊が生じてしまった。このように、比較例では、電界強度の増加により、分極反転する前に絶縁破壊が生じてしまい、分極反転ができなかった。
一方、実施例１－１～１－１４では、成膜温度が４５０℃以上であり、分極反転を行うことができた。測定したＱ－Ｖプロットにおいて、図８Ｂ（ｂ）に示すようなヒステリシスが確認され、表１に示すようにＥｃとＰｓが存在していた。
なお、実施例１－１３と実施例１－１４は、高温（６００℃、７００℃）でＡｌＮを含む層を形成した場合の例であり、分極反転するものの、成膜温度が高温であるため、ｄ３３が実施例１－６に比べて若干劣っていたが、実用上の問題はない。
また、置換量が５％（ｘ＝０．０５）の実施例１－２、１－７、１－９、１－１１では、ｄ３３が他の実施例に比べて若干劣るものの、分極反転が可能であり、実用可能なレベルである。また例えば実施例１－２～１－４を考慮すると、置換量は１０％以上（ｘ≧０．１０）が好ましく、２５％以上（ｘ≧０．２５）がより好ましいといえる。
一方、実施例１－１～１－１４では、成膜温度が４５０℃以上であり、分極反転を行うことができた。測定したＱ－Ｖプロットにおいて、図８Ｂ（ｂ）に示すようなヒステリシスが確認され、表１に示すようにＥｃとＰｓが存在していた。
なお、実施例１－１３と実施例１－１４は、高温（６００℃、７００℃）でＡｌＮを含む層を形成した場合の例であり、分極反転するものの、成膜温度が高温であるため、ｄ３３が実施例１－６に比べて若干劣っていたが、実用上の問題はない。
また、置換量が５％（ｘ＝０．０５）の実施例１－２、１－７、１－９、１－１１では、ｄ３３が他の実施例に比べて若干劣るものの、分極反転が可能であり、実用可能なレベルである。また例えば実施例１－２～１－４を考慮すると、置換量は１０％以上（ｘ≧０．１０）が好ましく、２５％以上（ｘ≧０．２５）がより好ましいといえる。
【0137】
（実施例２：ＡｌＮを含む層が複数の層である場合）
＜実施例２－１：ＡｌＮを含む層が複数の層である液体吐出ヘッドの作製＞
ここでは図６（ｂ）に示すような層構成にした。
シリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、厚さ５μｍの薄膜部材１０２を形成した。
次いで、振動板上に、交差指電極の対向電極（電極１３１）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次いで、電極１３１上に、ＡｌＮを含む層１１２ｂとして、４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を０．５μｍの厚みで堆積させた。
次いで、ＡｌＮを含む層１１２ｂ上に、交差指電極のＧＮＤ電極（電極１３２）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次いで、電極１３２上に、ＡｌＮを含む層１１２ｃとして、４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を０．５μｍの厚みで堆積させた。
次いで、ＡｌＮを含む層１１２ｃ上に、交差指電極の対向電極（電極１３１）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。このＭｏ膜は、最初のＭｏ膜と導通するようにした。
次いで、シリコン基板の裏面から、シリコン基板を部分的に除去して液室２０１を形成した。液室２０１を形成することで、薄膜部材１０２が変形できる領域を確保した。
＜実施例２－１：ＡｌＮを含む層が複数の層である液体吐出ヘッドの作製＞
ここでは図６（ｂ）に示すような層構成にした。
シリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、厚さ５μｍの薄膜部材１０２を形成した。
次いで、振動板上に、交差指電極の対向電極（電極１３１）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次いで、電極１３１上に、ＡｌＮを含む層１１２ｂとして、４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を０．５μｍの厚みで堆積させた。
次いで、ＡｌＮを含む層１１２ｂ上に、交差指電極のＧＮＤ電極（電極１３２）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次いで、電極１３２上に、ＡｌＮを含む層１１２ｃとして、４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を０．５μｍの厚みで堆積させた。
次いで、ＡｌＮを含む層１１２ｃ上に、交差指電極の対向電極（電極１３１）として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。このＭｏ膜は、最初のＭｏ膜と導通するようにした。
次いで、シリコン基板の裏面から、シリコン基板を部分的に除去して液室２０１を形成した。液室２０１を形成することで、薄膜部材１０２が変形できる領域を確保した。
【0138】
次に、試料温度を２００℃に加熱してＡＣパルスポーリング（分極処理）を実施した。ＡＣパルスポーリングの条件としては、スルーレートを６００Ｖ／μｓ、保持時間を１μｓ、振幅を±６００Ｖとし、この条件で１サイクルの処理を行った。
【0139】
このようにして、本実施例の液体吐出ヘッドを作製した。ただし、ここでは液体の吐出についての評価は行わないため、ノズルの作製は省略した。
【0140】
次に、本実施例の液体吐出ヘッドについて、駆動電圧を印加して変位の評価を行ったところ、変位が確認された。
【0141】
＜実施例２－２：ＡｌＮを含む層が単層である液体吐出ヘッドの作製＞
実施例２－１において、ＡｌＮを含む層が厚さ１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜とし、電極を下部電極及び上部電極とした以外は、同様にして液体吐出ヘッドを形成した。この液体吐出ヘッドについても変位の評価を行ったところ、変位が確認された。
実施例２－１において、ＡｌＮを含む層が厚さ１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜とし、電極を下部電極及び上部電極とした以外は、同様にして液体吐出ヘッドを形成した。この液体吐出ヘッドについても変位の評価を行ったところ、変位が確認された。
【0142】
＜実施例２－３：変換効率の評価＞
次に、以下のようにして変換効率の評価を行った。
まず、実施例２－２（単層）の液体吐出ヘッドに、駆動電圧として３００Ｖの電圧を印加し、変位量を求めた。
なお、実施例２－２の液体体吐出ヘッドにおけるＡｌＮを含む層として、厚み１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を用いているのは、実施例２－１の液体吐出ヘッドにおけるＡｌＮを含む層が、厚さ０．５μｍの４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＡｌＮを含む層１１２ｂ）と厚さ０．５μｍの４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＡｌＮを含む層１１２ｃ）からなるため、これと比較するためである。
一方、実施例２－１の液体吐出ヘッドについて、駆動電圧を印加させたところ、１５０Ｖを印加させたときに実施例２－２と同等量の変位が確認された。このため、実施例２－１の液体吐出ヘッドは、低電圧で同等量の変位が得られており、優れた変換効率が得られていることがわかる。
次に、以下のようにして変換効率の評価を行った。
まず、実施例２－２（単層）の液体吐出ヘッドに、駆動電圧として３００Ｖの電圧を印加し、変位量を求めた。
なお、実施例２－２の液体体吐出ヘッドにおけるＡｌＮを含む層として、厚み１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を用いているのは、実施例２－１の液体吐出ヘッドにおけるＡｌＮを含む層が、厚さ０．５μｍの４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＡｌＮを含む層１１２ｂ）と厚さ０．５μｍの４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＡｌＮを含む層１１２ｃ）からなるため、これと比較するためである。
一方、実施例２－１の液体吐出ヘッドについて、駆動電圧を印加させたところ、１５０Ｖを印加させたときに実施例２－２と同等量の変位が確認された。このため、実施例２－１の液体吐出ヘッドは、低電圧で同等量の変位が得られており、優れた変換効率が得られていることがわかる。
【0143】
（実施例３：液体吐出ヘッドの作製と吐出性の評価）
以下のようにして本実施例の液体吐出ヘッドを作製し、吐出性の評価を行った。
以下のようにして本実施例の液体吐出ヘッドを作製し、吐出性の評価を行った。
【0144】
＜実施例３－１：ＡｌＮを含む層が単層の場合＞
まずシリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、厚さ５μｍの薄膜部材１０２を形成した。次いで、薄膜部材１０２上に、下部電極１１１として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。次いで、実施例１－１と同様にして、ＡｌＮを含む層として厚さ１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を形成した。成膜温度は表１に示すように４５０℃とした。次いで、上部電極１１３として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次に、試料温度を２００℃に加熱してＡＣパルスポーリングを実施し、分極処理を行った。
まずシリコン基板上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を堆積させることにより、厚さ５μｍの薄膜部材１０２を形成した。次いで、薄膜部材１０２上に、下部電極１１１として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。次いで、実施例１－１と同様にして、ＡｌＮを含む層として厚さ１μｍの単層の４０％Ｓｃ置換ＡｌＮ膜を形成した。成膜温度は表１に示すように４５０℃とした。次いで、上部電極１１３として、Ｍｏ膜を０．１μｍの厚みで成膜した。
次に、試料温度を２００℃に加熱してＡＣパルスポーリングを実施し、分極処理を行った。
【0145】
次に、直径１０μｍのノズル１０１を形成した。
次いで、シリコン基板の裏面にエッチング（Deep-RIE）を行い、液室２０１を形成した。ここでは、薄膜部材１０２の固定端の直径が２００μｍとなるように液室２０１を形成している。また、薄膜部材１０２の駆動部（変形領域１２１）の直径（上部電極の直径に相当）は、薄膜部材１０２の振動領域の直径の７０％になるようにしている。
次いで、液室２０１側に閉塞プレートを接合することで、インク供給経路を作製した。
次いで、シリコン基板の裏面にエッチング（Deep-RIE）を行い、液室２０１を形成した。ここでは、薄膜部材１０２の固定端の直径が２００μｍとなるように液室２０１を形成している。また、薄膜部材１０２の駆動部（変形領域１２１）の直径（上部電極の直径に相当）は、薄膜部材１０２の振動領域の直径の７０％になるようにしている。
次いで、液室２０１側に閉塞プレートを接合することで、インク供給経路を作製した。
【0146】
なお、液室２０１のＳｉ壁には、液体の接触性を高める膜を形成するようにしてもよい。また、液室２０１を作製する前にシリコン基板を研磨してもよい。例えば４００μｍ程度の厚さに研磨することで、エッチングの時間を短縮することができる。
【0147】
次いで、上部電極１１３上に電気的・機械的に保護するための保護膜１１９を形成した。なお、液滴に対して疎水性を有する接液膜を形成してもよい。
このようにして、本実施例の液体吐出ヘッドを作製した。
このようにして、本実施例の液体吐出ヘッドを作製した。
【0148】
次に、液室にダワノール（粘度８ｃＰ）を充填し、駆動電圧を印加して液滴吐出性能を評価した。評価は以下のようにして行った。
定常状態＋１５０Ｖに保持した液体吐出ヘッドに－１５０Ｖの電位を１μｓ印加し、＋１５０Ｖに戻したところ、４ｐｌの液滴が７ｍ／ｓの速度で吐出された。これは良好な吐出性能であった。
定常状態＋１５０Ｖに保持した液体吐出ヘッドに－１５０Ｖの電位を１μｓ印加し、＋１５０Ｖに戻したところ、４ｐｌの液滴が７ｍ／ｓの速度で吐出された。これは良好な吐出性能であった。
【0149】
また、本実施例の液体吐出ヘッドでは、閉塞プレートを接合することでインク供給経路を作製することができるため、製造コストの低減にも有効である。例えば、圧電体がノズル板に設けられていない液体吐出ヘッドでは、液体抵抗部など、液体導入経路を形成するのに必要な複数の部品が必要になることがあるが、本実施例では部品数を低減でき、製造コストを低減できる。
【0150】
＜比較例３－１：ＡｌＮを含む層が単層の場合＞
上記実施例３－１において、ＡｌＮを含む層を比較例１－６（成膜温度が４００℃）の条件で作製したものに変更した以外は、上記実施例３－１と同様にして液体吐出ヘッドを作製した。
このようにして作製した液体吐出ヘッドについて、上記実施例３－１と同様に吐出性能を評価したところ、４ｐｌの液滴を７ｍ／ｓの速度で吐出するのに必要とされる電圧が＋３００Ｖから－３００Ｖ必要となり、良好な吐出性能が得られなかった。
上記実施例３－１において、ＡｌＮを含む層を比較例１－６（成膜温度が４００℃）の条件で作製したものに変更した以外は、上記実施例３－１と同様にして液体吐出ヘッドを作製した。
このようにして作製した液体吐出ヘッドについて、上記実施例３－１と同様に吐出性能を評価したところ、４ｐｌの液滴を７ｍ／ｓの速度で吐出するのに必要とされる電圧が＋３００Ｖから－３００Ｖ必要となり、良好な吐出性能が得られなかった。
【0151】
＜実施例３－２：ＡｌＮを含む層が複数の層の場合＞
次に、ＡｌＮを含む層が複数の圧電体層である場合の液体吐出ヘッドについても同様に液滴吐出性能を評価した。上記の液体吐出ヘッドにおいて、上記実施例２のようにして２層のＡｌＮを含む層とし、交差指電極を形成した。このようにして実施例３－２の液体吐出ヘッドを作製した。
この液体吐出ヘッドについて、上記実施例３－１と同様に液滴吐出性能を評価する。本実施例では、駆動電圧を印加する際に、実施例３－１よりも低減した駆動電圧で実施例３－１と同じように液滴の吐出を行うことができた。すなわち、実施例３－１よりも低減した駆動電圧で、４ｐｌの液滴を７ｍ／ｓの速度で吐出することができた。具体的には、実施例３－１の半分程度の駆動電圧、すなわち７５Ｖ程度の駆動電圧で上記の吐出を行うことができた。このように、本実施例によれば、良好な吐出性能でありつつ、変換効率を更に向上させることができた。
次に、ＡｌＮを含む層が複数の圧電体層である場合の液体吐出ヘッドについても同様に液滴吐出性能を評価した。上記の液体吐出ヘッドにおいて、上記実施例２のようにして２層のＡｌＮを含む層とし、交差指電極を形成した。このようにして実施例３－２の液体吐出ヘッドを作製した。
この液体吐出ヘッドについて、上記実施例３－１と同様に液滴吐出性能を評価する。本実施例では、駆動電圧を印加する際に、実施例３－１よりも低減した駆動電圧で実施例３－１と同じように液滴の吐出を行うことができた。すなわち、実施例３－１よりも低減した駆動電圧で、４ｐｌの液滴を７ｍ／ｓの速度で吐出することができた。具体的には、実施例３－１の半分程度の駆動電圧、すなわち７５Ｖ程度の駆動電圧で上記の吐出を行うことができた。このように、本実施例によれば、良好な吐出性能でありつつ、変換効率を更に向上させることができた。
【符号の説明】
【0152】
１ 液体吐出ヘッド
１０１ ノズル
１０２ 薄膜部材
１１１ 下部電極
１１２ ＡｌＮを含む層
１１３ 上部電極
２０１ 液室
１０１ ノズル
１０２ 薄膜部材
１１１ 下部電極
１１２ ＡｌＮを含む層
１１３ 上部電極
２０１ 液室
【先行技術文献】
【特許文献】
【0153】
【特許文献1】ＷＯ２０１１００２０２８号公報
【特許文献2】特表２０１９－５３０６０１号公報
【特許文献3】特開２０２１－１１２９０７号公報
【特許文献4】特開２０１３－２１９７４３号公報
【特許文献5】ＷＯ２０１５０８００２３号公報
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
