CN101327683A - 致动器装置的制造方法以及致动器装置和液体喷射头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种下电极和基底与氧化锆层的结合力优良的致动器装置的制造方法以及致动器装置和液体喷射头。包括在基板的一侧面形成Zr层的工序，对该Zr层进行氧化以形成ZrO2层的工序、在所述ZrO2层上形成下电极的工序、在所述下电极上形成压电体层的工序和在所述压电体层上形成上电极的工序，其特征在于在形成所述Zr层的工序中，在使Zr结晶成长形成的同时，成膜以形成Zr层，所述Zr层在与所述基板相反侧的表面上具有高度为10－100nm、俯视大小为直径0.1－1μm的突出的特别结晶区域，所述特别结晶区域的密度为1.0×106－1.0×108个/cm2。

Description

致动器装置的制造方法以及致动器装置和液体喷射头
技术领域
本发明涉及在振动板上具有由下电极、压电材料形成的压电体层和上电极构成的压电元件的致动器装置的制造方法以及致动器装置和液体喷射头。
背景技术
具有通过施加电压而发生位移的压电元件的致动器装置例如装配在喷射液滴的液体喷射头等上，作为此种液体喷射头例如已知有如下喷墨式记录头，即，与喷嘴开口连通的压力发生室的一部分由振动板构成，所述振动板由于压电元件而发生变形并且对压力发生室的墨加压从而使墨滴从喷嘴开口喷出。由此，在喷墨式记录头中，分别装配有在压电元件轴向伸长、收缩的纵振动模式的压电致动器装置和装配有弯曲振动模式的压电致动器装置的两种喷墨式记录头已被实用化。
前者能通过使压电元件的端面与振动板接触而使压力发生室的容积发生变化，由此可以制造适合高密度印刷的喷头，另一方面，需要将压电元件切分成梳齿状并且与喷嘴开口的排列间距一致的复杂工序，以及将切分的压电元件定位固定在压力发生室上的操作，因此存在制造工序复杂的问题。与此相对地，后者能够与压力发生室的形状配合地粘贴压电材料的生片，并通过对其进行烧结的较简单工序将压电元件固定在振动板上，但是在利用弯曲振动的关系方面，必须要一定大小的面积，因此存在高密度排列困难的问题。此外，必须消除后者的不便，利用贯穿振动板表面整体的成膜技术形成均匀的压电材料层，利用平板印刷法将该压电材料层切分成与压力发生室对应的形状从而在各个压力发生室独立地形成压电元件。
构成此种压电元件的压电材料层的压电材料使用例如锆钛酸铅(PZT)。在这种情况中，在烧结压电材料层时，压电材料层的铅成分向设置于由硅(Si)构成的流路形成基板表面而构成振动板的氧化硅(SiO2)膜扩散。由此，存在的问题是，由于该铅成分的扩散，氧化硅熔点下降，并且由于压电材料层烧结时的热而熔融。为了解决此种问题，例如，通过在氧化硅膜上设置构成振动板的氧化锆(ZrO2)层，防止铅成分从压电材料层向氧化硅膜扩散。(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】特开平11-204849号公报(图1、图2、第5页)
但是，在所述结构的致动器装置中，存在的问题是，由于氧化锆层和其上设置的下电极的结合力以及作为氧化锆层基底的氧化硅膜和氧化锆层的结合力不足，驱动致动器装置使之弯曲振动时，下电极和基底会从氧化锆层剥离。此外，所述问题不仅存在于喷墨式记录头等的液体喷射头所装配的致动器装置中，而且也同样存在于其它装置所装配的致动器装置中。
发明内容
本发明鉴于所述情况，其目的在于提供下电极和基底与氧化锆层的结合力优良的致动器装置的制造方法以及致动器装置和液体喷射头。
解决所述问题的本发明的第一形式是，一种致动器装置的制造方法，其包括在基板的一侧面形成Zr层的工序，对该Zr层进行氧化以形成ZrO2层的工序、在所述ZrO2层上形成下电极的工序、在所述下电极上形成压电体层的工序和在所述压电体层上形成上电极的工序，其特征在于在形成所述Zr层的工序中，在使Zr结晶成长而形成的同时，以如下方式成膜Zr层，即：在所述基板的相反侧的表面上具有高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm的突出的特别结晶区域，且该特别结晶区域的密度为1.0×106-1.0×108个/cm2。
在所述第一形式中，对成膜为在下电极侧的表面上具有预定的特别结晶区域的Zr层进行氧化以形成ZrO2层，因此能制造基板等基底与ZrO2层的结合力和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第二形式是，如第一形式所述的致动器装置的制造方法，其特征在于在形成所述Zr层的工序中，在使Zr结晶成长而形成的同时，以如下方式成膜Zr层，即：在所述基板的相反侧的表面上具有高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm的突出的特别结晶区域，且该特别结晶区域的密度为1.1×107-1.25×107个/cm2。
在所述第二形式中，对成膜为具有预定特别结晶区域的Zr层进行氧化以形成ZrO2层，因此能制造基板等基底和下电极与ZrO2层的结合力确保优良的致动器装置。
本发明的第三形式是，如第一或第二形式所述的致动器装置的制造方法，其特征在于在形成所述Zr层的工序中，在所述基板上形成SiO2层后，在所述SiO2层上形成所述Zr层。
在所述第三形式中，能制造作为ZrO2层基底的SiO2层和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第四形式是，如第一至第三形式中任意一项所述的致动器装置的制造方法，其特征在于，所述基板的所述一侧面由金属氧化物构成，在形成所述Zr层的工序中，在所述基板上直接形成所述Zr层。
在所述第四形式中，能制造作为ZrO2层基底的基板和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第五形式是，如第一至第四形式中任意一项所述的致动器装置的制造方法，其特征在于在形成所述Zr层的工序中，通过溅射法形成所述Zr层。
在所述第五形式中，通过溅射法，并且对成膜为具有预定特别结晶区域的Zr层进行氧化以形成ZrO2层，因此能制造基底和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第六形式是一种致动器装置，其特征在于所述致动器装置由第一至第五形式中任意一项所述的制造方法形成。
在所述第六形式中，在下电极侧的表面上成膜为具有预定的特别结晶区域的Zr层被氧化以形成ZrO2层，由此形成基板等基底和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。因此，能防止在驱动致动器装置时下电极或基底从ZrO2层脱离。
本发明的第七形式是，如第六形式所述的致动器装置，其特征在于，所述ZrO2层在所述下电极侧的表面上具有由于所述特别结晶区域被氧化而形成的突出部，所述突出部高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在所述ZrO2层上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在。
在所述的第七形式中，ZrO2层具有与作为前驱体的Zr层的特别结晶区域对应的预定突出部，因此形成基板等基底和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第八形式是，如第七形式所述的致动器装置，其特征在于所述突出部高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm，在所述ZrO2层上以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。
在所述第八形式中，ZrO2层具有与作为前驱体的Zr层的特别结晶区域对应的预定突出部，因此形成基底和下电极与ZrO2层的结合力确保优良的致动器装置。
本发明的第九形式是，如第七或第八形式所述的致动器装置，其特征在于，在所述压电层一侧的表面上，所述下电极具有由于所述ZrO2层的所述突出部而突出的凸部，所述凸部高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在所述下电极上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在。
在所述第九形式中，下电极具在ZrO2层的突出部上的凸部，因此形成基板等基底和下电极与ZrO2层的结合力确保优良的致动器装置。
本发明的第十形态是，如第九形式所述的致动器装置，其特征在于所述凸部高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm，在所述下电极上以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。
在所述第十形态中，下电极具在ZrO2层的突出部上的凸部，因此形成基底和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置。
本发明的第十一形态是，一种液体喷射头，其特征在于，具有第六至第十形态中任意一项所述的致动器装置，将其作为用于使液体喷射的液体喷出装置。
在所述第十一形态中，由于使用基板等基底和下电极与ZrO2层的结合力优良的致动器装置，防止由于致动器装置的驱动而发生基板等基底和下电极与ZrO2层脱离，因此能实现耐久性优良的液体喷射头。
附图说明
图1是表示实施方式1的记录头的示意结构的分解立体图。
图2是实施方式1的记录头主要部分的俯视图。
图3是实施方式1的记录头的主要部分的放大剖视图。
图4是实施方式1的记录头的主要部分的放大剖视图。
图5是Zr层的主要部分的放大剖视图。
图6是Zr层的主要部分的放大俯视图。
图7是表示实施方式1的记录头的制造工序的剖视图。
图8是表示实施方式1的记录头的制造工序的剖视图。
图9是表示实施方式1的记录头的制造工序的剖视图。
图10是表示实施方式1的记录头的制造工序的剖视图。
图11是表示实施方式1的记录头的制造工序的剖视图。
[附图标记的说明]
10 流路形成基板，12 压力发生室，13 连通部，14 墨供给路径，20喷嘴板，21 喷嘴开口，30 保护基板，31 存储部，32 压电元件保持部，40 柔性基板(compliance)，60 下电极膜，70 压电体层，80 上电极膜，90 引线电极，100 存储器，300 压电元件，320 压电体能动部，401 Zr层，402 特别结晶区域，403 突出部，404 凸部。
具体实施方式
以下根据实施方式对本发明进行详细地说明。
(实施方式1)
图1是表示作为本发明实施方式1的具有致动器装置的液体喷射头的一示例的喷墨式记录头的示意结构的分解立体图；图2是喷墨式记录头的主要部分俯视图；图3是图2的A-A’剖视图；图4是图3主要部分的放大图；图5是作为氧化锆(ZrO2)层的前驱体的锆(Zr)层主要部分的放大剖视图；图6是作为ZrO2层前驱体的Zr层的主要部分的放大俯视图。
如图所示，流路形成基板10在本实施方式中由面方位(110)的硅单晶基板构成，在其一侧面上形成有通过预先热氧化形成的二氧化硅(SiO2)构成的厚度0.5-2μm的弹性膜50。在流路形成基板10中，在其宽度方向(短边方向)并列设置由分隔壁11划分的多个压力发生室12。而且，在流路形成基板10的压力发生室12的长度方向一端部侧，由分隔壁11划分成墨供给路径14和连通路15。而且，在连通路15的一端，形成有连通部13，该由连通部13构成作为各压力发生室12的共用墨室(液体室)的储存器100的一部分。换句话说，在流路形成基板10中设置由压力发生室12、连通部13、墨供给路径14和连通路15形成的液体流路。
墨供给路径14与压力发生室12的长边方向一端部侧连通，并且具有比压力发生室12小的横截面面积。例如，在本实施方式中，墨供给路径14通过在宽度方向缩小储存器100和各压力发生室12之间的压力发生室12那侧的流路，形成比压力发生室12的宽度小的宽度。此外，如此在本实施方式中，通过从一侧缩小流路的宽度而形成墨供给路径14，但是也可以通过从两侧缩小流路的宽度以形成墨供给路径。而且，也可以不缩小流路宽度，而通过从厚度方向缩小以形成墨供给路径。而且，各连通路15在墨供给路径14的与压力发生室12相反的一侧进行连通，具有比墨供给路径14的宽度方向(短边方向)大的横截面面积。在本实施方式中，连通路15形成与压力发生室12相同的横截面面积。换句话说，流路形成基板10被数个隔壁11划分成压力发生室12、具有比压力发生室12的短边方向横截面面积小的横截面的墨供给路径14、和与该墨供给路径14连通且具有比墨供给路径14的短边方向的横截面面积大而与压力发生室12横截面面积相同的连通路15。
而且，在流路形成基板10的开口面侧，通过粘合剂或热熔融薄膜等固接喷嘴板20，所述喷嘴板20贯穿设置有和各压力发生室12的与墨供给路径14相反的端部附近连通的喷嘴开口21。此外，喷嘴板20由厚度为例如0.01-1mm、线膨胀系数为在300℃以下时例如2.5-4.5[×10-6/℃]的玻璃陶瓷、硅单晶基板或不锈钢等形成。
另一方面，在流路形成基板10的开口面的相反一侧上，如上所述，形成由二氧化硅构成的厚度为例如约1.0μm的弹性膜50，在所述弹性膜50上，层叠形成有由氧化锆(ZrO2)构成且厚度为例如约0.3-0.4μm的ZrO2层55。
此外，在ZrO2层55上，形成由厚度为例如约0.1-0.2μm的下电极膜60、厚度为例如约0.5-5μm的压电体层70、和厚度为例如约10-200nm的上电极膜80构成的压电元件300。
在此，压电元件300是指包含下电极膜60、压电体层70和上电极膜80的部分。通常，将压电元件300的任意一侧的电极作为共用电极，另一侧的电极和压电体层70按各压力发生室12图案化而构成。而且，在此，将由该图案化的任意一侧的电极和压电体层70构成，并且通过向两电极施加电压产生压电变形的部分称为压电体能动部320。在本实施方式中，下电极膜60作为压电元件300的共用电极，上电极膜80作为压电元件300的单独电极，但是为了便于驱动回路或配线，与此相反也无妨。在任何情况中，各压力发生室12都分别形成压电体能动部320。此外，在本实施方式中，如图3所示，下电极膜60、压电体层70和上电极膜80被图案化，以使上电极膜80侧的宽度变窄，且其侧面形成倾斜面。而且，在此，压电元件300与通过驱动该压电元件300而发生位移的振动板合起来称为致动器装置。在所述示例中，弹性膜50、ZrO2层55和下电极膜60用作振动板，但是，当然不限于此，不设置弹性膜50，将ZrO2层55和下电极膜60用作振动板也可以。
在本发明中，所述ZrO2层55是通过对由在流路形成基板10上的弹性膜50上设置的锆(Zr)构成Zr层401进行氧化而形成。而且，如图5的主要部分放大剖视图和图6的主要部分放大俯视图所示，使Zr的结晶成长从而形成该Zr层401，并且以在流路形成基板10上的相反侧的表面、即在设置下电极膜60侧形成突出的特别结晶区域402的方式而成膜。该特别结晶区域402以高度为10-100nm、俯视大小直径为0.1-1μm突出，且在Zr层401表面以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度形成，优选的是，以高度16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm突出，并且在Zr层401表面以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度形成。该特别结晶区域402是在使Zr的结晶从弹性膜50侧成长而形成Zr层401时，由在Zr层401的厚度方向上比其他区域的Zr结晶成长得高的Zr结晶区域形成。因此，与在形成平坦的Zr层后，在该Zr层上通过局部地层叠Zr结晶而形成突出的区域，或在形成平坦的Zr层后通过使其表面图案化等而形成突出的区域是不同的。此外，在本实施方式中，特别结晶区域402由俯视粒径为20-100nm大小的柱状结晶(002)面取向度为70％以上的Zr结晶群构成。其中，“取向度”是指通过X线衍射广角法测定Zr层时产生的衍射强度的比率。具体而言，如果用X线衍射广角法对Zr层进行测定，虽然产生与(100)面、(002)面和(101)面相当的衍射强度的峰值，但是“(002)面取向度”是指与(002)面相当的峰值强度相对于与该各个面相当的峰值强度之和的比率。
如果具有此种ZrO2层55，则作为ZrO2层55的基底的由SiO2形成的弹性膜50和ZrO2层55的结合力优良。此外，在ZrO2层55上设置的下电极膜60和ZrO2层55的结合力优良。因此，在驱动致动器装置时，能防止弹性膜50或下电极膜60从ZrO2层55剥离。
此外，ZrO2层55是通过对具有从表面突出的特别结晶区域402的Zr层401进行氧化而形成，因此，如图4所示，在ZrO2层55中，在下电极膜60侧的表面上，具有通过氧化特别结晶区域402而形成的突出部403。该ZrO2层55的突出部403的高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在ZrO2层55上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在，优选的是，高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm，且在ZrO2层55上，以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。而且，在本实施方式中，ZrO2层55是粒径为20-100nm左右的柱状结晶且(-111)面优先取向。
而且，下电极膜60设置在具有突出部403的ZrO2层55上，因此，如图4所示，在压电体层70侧的表面上，具有利用ZrO2层55的突出部403而突出的凸部404。该下电极膜60的凸部404是高度为10-100nm，俯视大小为直径0.1-1μm，在下电极膜60上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在，优选的是，高度为16.0-40.6nm，俯视大小为直径0.3-0.5μm，在下电极膜60上，以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。
作为本实施方式的下电极膜60，可以列举铱(Ir)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)等各种金属或它们的合金等。此外，在本实施方式中，作为构成压电元件300的压电体层70的材料(压电材料)，使用例如锆钛酸铅(PZT)等强电介性压电性材料，或者在其中添加了铌、镍、镁、铋或铱等金属的驰豫强电介体等。作为它们的组合可以列举PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PNN-PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-PbTiO3(PST-PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PSN-PT)、BiScO3-PbTiO3(BS-PT)、BiYbO3-PbTiO3(BY-PT)等。而且，作为上电极膜80可以列举Ir、Pt、钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)等各种金属中的任何一种，或它们的合金，或氧化铱等金属氧化物。
而且，在作为压电元件300的单独电极的各上电极膜80上，连接有从墨供给路径14侧的端部附近引出并且延伸设置到ZrO2层55上的例如由金(Au)等构成的引线电极90。通过所述引线电极90选择性地对各压电元件300施加电压。
此外，在形成压电元件300的流路形成基板10上，在与压电元件300相对的区域中，通过粘合剂35粘合具有压电元件保持部32的保护基板30，所述压电元件保持部32具有不阻碍压电元件300运动的空间。此外，只要具有不阻碍压电元件300运动的空间即可，该空间可以是密封的，也可以是不密封的。
而且，在保护基板30上，在与连通部13相对的区域设置储存部31，如上所述，该储存部31与流路形成基板10的连通部13连通，并且构成作为各压力发生室12共用的墨室的储存部100。此外，在保护基板30的压电元件保持部32和储存部31之间的区域，设置在厚度方向上贯穿保护基板30的贯穿孔33，下电极膜60的一部分和引线电极90的顶端露出到所述贯穿孔33内。
而且，在保护基板30上，固定有用于驱动压电元件300的未图示的驱动电路，驱动电路和引线电极90通过由接合线等导电性导线构成的连接配线进行电连接。
作为保护基板30优选使用与流路形成基板10的热膨胀率基本相同的材料，例如玻璃、陶瓷材料等，在本实施方式中，使用与流路形成基板10相同的材料的硅单晶基板形成。
在保护基板30上，接合由封止膜41和固定板42构成的柔性基板40。其中，封止膜41由刚性低的具有可挠性的材料(例如厚度为6μm的聚亚苯基硫醚(PPS)薄膜)构成，利用该封止膜41封止储存部31的一侧面。而且，固定板42由金属等硬质材料(例如厚度为30μm的不锈钢(SUS)等)形成。在该固定板42的与储存部100相对的区域中，形成厚度方向上完全去除的开口部43，因此储存部100的一侧面仅用具有可挠性的封止膜41进行封止。
在所述的本实施方式的喷墨式记录头中，通过未图示的外部墨供给手段吸取墨并且从储存器100到喷嘴开口21用墨填充内部后，根据来自驱动回路的记录信号，在与压力发生室12对应的各下电极膜60和上电极膜80之间施加电压，通过使弹性膜50、ZrO2层55、下电极膜60和压电体层70弯曲变形，提高各压力发生室12内的压力从而墨滴从喷嘴开口21喷出。在本实施方式中，由于下电极膜60或弹性膜50与ZrO2层55的结合力高，即使驱动致动器装置使其弯曲变形，下电极膜60或弹性膜50也不会从ZrO2层55脱离，因此耐久性优良。
在此，参照图7-图11对喷墨式记录头的制造方法进行说明。此外，图7-图11是压力发生室的长边方向的剖视图。此外，如图7(a)所示，作为硅片的流路形成基板用晶片110在1100℃的扩散炉中被热氧化，在其表面形成构成弹性膜50的二氧化硅膜51。此外，在本实施方式中，流路形成基板用晶片110采用膜厚为约625μm的比较厚的高刚性硅晶片。
接着，如图7(b)所示，在弹性膜50(二氧化硅膜51)上，形成Zr层401。所述Zr层401通过使Zr结晶生长而形成，在下电极膜60形成的那侧表面上成膜，形成高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm的突出的特别结晶区域402，其以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度形成，优选的是，形成高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm的突出的特别结晶区域402，其以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度形成。在使Zr结晶从弹性膜50侧开始生长以形成Zr层401时，与常规的Zr结晶相比，在Zr层401的厚度方向上产生Zr结晶更优先成长的区域402，由此成膜，从而能够比常规Zr结晶更高生长的Zr结晶群构成。
具体而言，使用DC溅射法，在成膜温度：室温(23℃)-300℃、成膜时的Ar压力：1Pa以下、输出功率密度：3-30kW/m2、靶(Zr)与弹性膜50之间的距离：60-180mm的范围内，调整各条件的平衡，由此能使形成所述特别结晶区域402的Zr层401成膜。例如，虽然还取决于其它条件，但是成膜温度越高越容易获得俯视尺寸大的特别结晶区域402，Ar压力越低越容易形成特别结晶区域402。而且，虽然还取决于其他条件，但是Zr层401的(002)面取向度越高、例如越在70％以上，则越容易形成特别结晶区域402。
在形成Zr层401后，如图7(c)所示，通过对Zr层401进行氧化，形成ZrO2层55。在本实施方式中，例如在500-1200℃的扩散炉中对Zr层401进行热氧化，形成ZrO2层55。此外，在本实施方式中，利用干式氧化对Zr层进行氧化，但是，也可以用湿式氧化对Zr层401进行氧化。在由此形成的ZrO2层55中，Zr层401的特别结晶区域402被氧化，由此形成如图4所示的突出部403。此外，ZrO2层55的突出部403的高度·大小·密度与Zr层401的特别结晶区域402对应，高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在ZrO2层55表面上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度形成。
其后，如图8(a)所示，例如，用溅射法等在ZrO2层55上层积钛(Ti)、铂(Pt)和铱(Ir)，由此形成下电极膜60。在由此形成的下电极膜60中，如图4所示，在ZrO2层55的突出部403上形成凸部404。此外，该下电极膜60的凸部404的高度·大小·密度取决于下电极膜60的成膜条件和ZrO2层55的突出部403，因此，例如用DC溅射法，如果在成膜温度23-100℃、成膜时的Ar压力：0.3-1Pa、输出功率密度：3-30kW/m2的条件下使下电极膜60成膜，则凸部404的高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，下电极膜60上形成的密度是1.0×106-1.0×108个/cm2。
接着，在下电极膜60上，形成由锆钛酸铅(PZT)等构成的压电体层70。其中，在本实施方式中，将金属有机物溶解分散在溶剂中而形成的所谓的溶胶进行涂敷干燥使之凝胶化，然后通过高温烧结得到由金属氧化物形成的压电体层70，从而用所谓的溶胶-凝胶法形成压电体层70。而且，不限于溶胶-凝胶法，也可以采用例如MOD(金属有机物分解)(Metal-Organic Decomposition)法等。此外，也可以使用其它溅射法。
作为压电体层70的具体形成步骤，如图8(b)所示，首先，在下电极膜60上成膜形成作为PZT前驱体膜的压电体前驱体膜71。换句话说，在形成有下电极膜60的流路形成基板10上，用旋转涂敷法等涂敷含有金属有机化合物(锆钛酸铅)的溶胶(溶液)，从而形成压电体前驱体膜71(涂敷工序)。接着，在规定温度对该压电体前驱体膜71进行加热以使其干燥一定时间(干燥工序)。然后，在规定的温度对干燥后的压电体前驱体膜71进行加热并且保持一定时间，由此对其进行脱脂(脱脂工序)。此外，在此所述的脱脂是使压电体前驱体膜71中所含的有机成分例如NO2、CO2、H2O等分解。
然后，如图8(c)所示，在规定温度对压电体前驱体膜71进行加热并且保持一定时间，由此使其结晶，形成压电体膜72(烧结工序)。此外，作为干燥工序、脱脂工序和烧结工序中使用的加热装置，可以列举例如利用红外线灯照射进行加热的RTA(快速加热退火)(Rapid ThermalAnnealing)装置或加热板等。
然后，如图9(a)所示，在压电体膜72上形成规定形状的抗蚀剂400。然后，如图9(b)所示，将抗蚀剂400作为掩膜，使下电极膜60和第一层压电体膜72同时形成图案，使它们的侧面倾斜。
接着，将抗蚀剂400剥离后，多次反复进行由所述涂敷工序、干燥工序、脱脂工序和烧结工序组成的压电体膜形成工序，形成由数个压电体膜72构成的压电体层70，由此，如图9(c)所示，形成由数层压电体膜72构成的预定厚度的压电体层70。例如，将每一次凝胶的膜厚设置得非常薄，将由数层压电体膜形成得压电体层70整体的膜厚设置成约1-3μm。在本实施方式中，将压电体膜72层积设置，但是也可以将压电体膜72的一层的膜厚加厚从而仅由一层构成。由此获得的压电体层70是平滑的，不存在突出区域。
在形成压电体层70后，如图10(a)所示，通过溅射法等形成遍布压电体层70上整个面的由Ir形成的上电极膜80，在与各压力发生室12相对的区域图案化，形成由下电极膜60、压电体层70和上电极膜80构成的压电元件300。此外，在压电体层70和上电极膜80上形成图案时，可以通过以规定形状形成的抗蚀剂(未图示)进行干蚀刻，由此一起进行。而且，在所述干蚀刻过程中，如果预先使所述抗蚀剂侧面倾斜，压电体层70和上电极膜80被图案化而使上电极膜80侧的宽度变小，从而其侧面形成倾斜面。
接着，如图10(b)所示，形成遍布流路形成基板用晶片110整个面的例如由金(Au)等构成的引线电极90之后，例如，通过由抗蚀剂等构成的掩膜图案(未图示)在各压电元件300上形成图案。
接着，如图10(c)所示，在流路形成基板用晶片110的压电元件300侧，通过粘合剂35粘接作为硅晶片的数个保护基板30的保护基板用晶片130。此外，该保护基板用硅片130具有例如数百μm的厚度，所以通过粘接所述保护基板用硅片130，流路形成基板用晶片110的刚性显著提高。
接着，如图11(a)所示，使流路形成基板用晶片110薄到一定的厚度。而且，在流路形成基板用晶片110上，例如，重新形成掩膜52，从而以规定形状形成图案。
然后，如图11(b)所示，通过掩膜52并且使用KOH等碱性溶液对流路形成基板用晶片110进行异向性蚀刻(湿式蚀刻)，由此形成与压电元件300对应的压力发生室12、连通部13、墨供给路径14和连通路15等。
其后，通过例如切割等切断流路形成基板用晶片110和保护基板用晶片130的外周缘部分的不需要部分，以将其去除。然后，在将流路形成基板用晶片110的与保护基板用晶片130相反一侧面的二氧化硅膜51去除后，在接合穿透设置有喷嘴开口21的喷嘴板20的同时，在保护基板用晶片130上接合柔性基板40，将流路形成基板用晶片110等分割成如图1所示的一个芯片尺寸的流路形成基板10等，由此制成本实施方式的喷墨式记录头。
以下，根据实施例和对比例进行更详细的说明。
(实施例1)
根据所述实施方式，制造致动器装置。具体而言，在硅基板上设置厚度1μm的SiO2膜。在所述SiO2膜上，通过DC溅射法，在成膜时Ar压力：0.5Pa、输出功率密度：15kW/m2、成膜温度：室温(23℃。表中记为“RT”)、靶(Zr)和SiO2膜上的距离(T/S)：65mm的条件下，成膜形成厚度270nm的Zr层。所得到的Zr层在与硅基板相反侧的表面上具有特别结晶区域，而且，结晶成致密的膜。特别结晶区域的高度、俯视大小(直径)和密度以及Zr层的(002)面取向度在表1中示出。
其后，Zr层在900℃的扩散炉中进行热氧化形成ZrO2层。所述ZrO2层在与硅基板相反侧的一面上具有与Zr层的特别结晶区域相同的高度、大小和密度的突出部，而且结晶成致密的膜。
接着，通过喷涂法，在ZrO2层上依序层积形成厚度20nm的Ti膜、厚度20nm的Ir膜、厚度60nm的Pt膜、厚度20nm的Ir膜，从而形成下电极膜60。此外，各金属膜的喷涂条件设定为：按照成膜时的Ar压力、输出功率密度、成膜温度的顺序依次是，Ti膜为0.4Pa、9kW/m2、室温，Ti膜上的Ir膜为0.4Pa、30kW/m2、室温，Pt膜为0.4Pa、30kW/m2、室温，Pt膜上的Ir膜为0.4Pa、30kW/m2、室温。所得到的下电极膜在与硅基板相反侧的表面上具有凸部。下电极膜凸部的高度等在表3中示出。如表3所示，虽然Zr层的特别结晶区域相同，但是由于下电极膜的成膜条件，下电极膜的凸部大小不同。
其后，设置由PZT形成的厚度1.1μm的压电体层和厚度50nm的由Ir形成的上电极膜80，以制造致动器装置。
(实施例2-6)
在实施例2-4中，除了形成下电极膜时各金属膜成膜条件设置成表2中所示的条件之外，其它与实施例1相同；此外，对于实施例5和6，除了形成Zr层时的成膜条件设置成表1中所示的条件之外，其它与实施例1相同，由此制造致动器装置。得到的各实施例2～6的Zr膜在硅基板的相反侧的表面上具有特别结晶区域，此外，结晶成致密的膜。特别结晶区域的高度等和Zr层的(002)面取向度在表1中示出。此外，各实施例2-6的ZrO2层在与硅基板相反侧的一面具有与各实施例2-6的Zr层的特别结晶区域相同高度、大小和密度的突出部，此外，结晶成致密的膜。然后，各实施例2-6的下电极膜在与硅基板相反侧的一面上具有凸部。下电极膜凸部的高度等在表1中示出。
(对比例1-3)
除了形成Zr层时的成膜条件设置成表1中所示的条件之外，其它与实施例1相同地制造致动器装置。所得到的Zr膜的表面平坦并且不存在特别结晶区域，ZrO2层和下电极膜也平坦。
【表1】
Figure A20071030763600181
【表2】
Figure A20071030763600182
【表3】
Figure A20071030763600191
(试验例)结合力的测定
针对实施例1-6和对比例1-3的致动器装置，用刮擦装置进行刮擦实验，以测定SiO2和ZrO2的结合力。结果在表1中示出。
其结果是，在对具有特别结晶区域的Zr层进行氧化后形成的具有ZrO2层的实施例1-6中，SiO2和ZrO2的结合力良好。另一方面，对不具有特别结晶区域的Zr层进行氧化后形成具有ZrO2层的比较例1-3中，与实施例1-6相比较，结合力显著下降。此外，在刮擦实验时，由于实施例1-6的下电极膜没有从ZrO2层脱离，也可以确定实施例1-6的ZrO2层和下电极膜的结合力良好。
(其它实施方式)
以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但是本发明的基本结构不限于所述实施方式1。例如，在所述实施方式1中，在基板上顺序设置SiO2层和Zr层，但是也可以使用由金属氧化物构成的基板，从而在所述基板上直接设置Zr层。作为金属氧化物的金属，可以列举Mg等。如果设置该结构，能形成下电极膜和基板与ZrO2层的结合性优良的致动器装置。另外，基板设置Zr层的另一侧面也可以是金属氧化物，例如可以使用在设置基板主体Zr层的一侧上设置金属氧化膜的基板。
此外，在所述实施方式1中，作为液体喷射头的一个示例，列举说明了喷墨式记录头，但是本发明是以广义的液体喷射头全体作为对象的，当然也能适用于喷射油墨之外的液体的液体喷射头。作为所述其它液体喷射头，可以列举用于打印机等图像记录装置的各种记录头、制造液晶显示器等的滤色器的颜色材料喷色头，用于形成有机EL显示器、FED(放电显示器)等的电极的电极材料喷射头、用于制造生物芯片(chip)的生物体有机物喷射头等。此外，本发明无疑不仅适用于液体喷射头(喷墨式记录头等)上所装配的致动器装置，而且能适用于所有装置上所装配的致动器装置。

Claims (11)

1.一种致动器装置的制造方法，其特征在于，包括：
在基板的一侧面形成Zr层的工序；
将该Zr层氧化而形成ZrO2层的工序；
在所述ZrO2层上形成下电极的工序；
在所述下电极上形成压电体层的工序；
和在所述压电体层上形成上电极的工序，
在形成所述Zr层的工序中，在使Zr结晶成长而形成的同时，以如下方式成膜Zr层，即：在所述基板的相反侧的表面上具有高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm的突出的特别结晶区域，且该特别结晶区域的密度为1.0×106-1.0×108个/cm2。
2.如权利要求1所述的致动器装置的制造方法，其特征在于，
在形成所述Zr层的工序中，在使Zr结晶成长而形成的同时，以如下方式成膜Zr层，即：在所述基板的相反侧的表面上具有高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm的突出的特别结晶区域，且该特别结晶区域的密度为1.11×107-1.25×107个/cm2。
3.如权利要求1所述的致动器装置的制造方法，其特征在于，
在形成所述Zr层的工序中，在所述基板上形成SiO2层后，在所述SiO2层上形成所述Zr层。
4.如权利要求1所述的致动器装置的制造方法，其特征在于，
所述基板的所述一侧面由金属氧化物构成，在形成所述Zr层的工序中，在所述基板上直接形成所述Zr层。
5.如权利要求1所述的致动器装置的制造方法，其特征在于，
在形成所述Zr层的工序中，通过溅射法形成所述Zr层。
6.一种致动器装置，其特征在于，
所述致动器装置由权利要求1所述的制造方法形成。
7.如权利要求6所述的致动器装置，其特征在于，
所述ZrO2层在所述下电极侧的表面具有通过所述特别结晶区域被氧化而形成的突出部，所述突出部高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在所述ZrO2层上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在。
8.如权利要求7所述的致动器装置，其特征在于，
所述突出部的高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm，在所述ZrO2层上以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。
9.如权利要求7所述的致动器装置，其特征在于，
所述下电极在所述压电层一侧的表面上具有通过所述ZrO2层的所述突出部而突出的凸部，所述凸部高度为10-100nm、俯视大小为直径0.1-1μm，在所述下电极上以1.0×106-1.0×108个/cm2的密度存在。
10.如权利要求9所述的致动器装置，其特征在于，
所述凸部的高度为16.0-40.6nm、俯视大小为直径0.3-0.5μm，在所述下电极上以1.11×107-1.25×107个/cm2的密度存在。
11.一种液体喷射头，其特征在于，
作为用于使液体喷射的液体喷出装置，具有权利要求6-10中任意一项所述的致动器装置。
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