JP2006245248A - 圧電素子及びその製造方法、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 下電極内の層間剥離を防止した圧電素子及びその製造方法、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 基板上に少なくともイリジウムからなる第１のイリジウム層と、該第１のイリジウム層上にＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．５度以上の白金からなる白金層と、該白金層上にイリジウムからなる第２のイリジウム層とを順次積層して下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成する工程とにより圧電素子を製造する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子及びその製造方法に関し、特にノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に用いられる圧電素子に関する。

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実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。

また、このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）上に設けられたチタン（Ｔｉ）からなる密着層を介して、イリジウム（Ｉｒ）からなるイリジウム層、白金（Ｐｔ）からなる白金層及びイリジウム（Ｉｒ）からなるイリジウム層を順次積層して下電極膜を形成し、この下電極膜上にゾル−ゲル法により圧電体層を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような圧電体層は、薄膜からなる圧電体膜を複数回繰り返し積層形成することにより所定厚さで形成されるが、圧電体膜を形成する際の加熱によって下電極膜も同時に加熱される。このとき、下電極膜中で層間の拡散・酸化あるいは鉛の拡散などが起こり、下電極膜内で応力の集中が発生し、下電極膜内で層間剥離を起こすことがある。このような下電極膜内の層間剥離は、特に６層目の圧電体膜を焼成して形成した際に顕著に現れた。これは下電極膜が圧電体膜の焼成毎に熱履歴が発生し、下電極膜内の応力緩和が進行する際、密着力の小さな層が一時的に生成し下電極膜内で層間剥離を起こすものであり、下電極膜内の応力緩和の進行が飽和した場合には下電極膜内の層間剥離は発生しない。

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及びその製造方法に限定されず、他の圧電素子及びその製造方法においても同様に存在する。

特許第３５１７８７６号公報（第９〜１０頁、第３図）

本発明はこのような事情に鑑み、下電極内の層間剥離を防止した圧電素子及びその製造方法、液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、基板上に少なくともイリジウムからなる第１のイリジウム層と、該第１のイリジウム層上にＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．５度以上の白金からなる白金層と、該白金層上にイリジウムからなる第２のイリジウム層とを順次積層して下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成する工程とを具備することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１の態様では、下電極の白金層の（１１１）面の半価幅を０．５度以上とすることで、圧電体層を形成する際に、下電極の各層の密着力を高めて下電極内の層間剥離を防止することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に圧電体前駆体膜を塗布する塗布工程と、前記塗布工程により塗布された前記圧電体前駆体膜を乾燥する乾燥工程と、前記乾燥工程により乾燥した前記圧電体膜前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、前記脱脂工程により脱脂された前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜とする焼成工程とを有する圧電体膜形成工程を複数回行って複数層の前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第２の態様では、所定厚さの圧電体層を高品質及び高精度に形成することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記下電極を構成する各層をスパッタリング法により形成すると共に、当該下電極の各層を真空から開放せずに連続して積層形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第３の態様では、下電極の各層を真空から開放することなく連続成膜することで、下電極を構成する各層の密着力を高めて層間剥離を確実に防止することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様の圧電素子の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第４の態様では、歩留まりを向上してコストを低減することができると共に信頼性を向上した液体噴射ヘッドを製造することができる。

本発明の第５の態様は、下電極、圧電体層及び上電極からなると共に、前記下電極が前記圧電体層形成前に少なくともイリジウムからなる第１のイリジウム層と、該第１のイリジウム層上にＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．５度以上の白金からなる白金層と、該白金層上にイリジウムからなる第２のイリジウム層とが順次積層されて形成され且つ前記圧電体層形成時に加熱処理されることにより当該下電極の白金のＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．３度以下となっていることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第５の態様では、下電極の白金層の（１１１）面の半価幅を０．５度以上とすることで、圧電体層を形成する際に下電極内の拡散・応力緩和が促進されることにより、白金層の（１１１）面の半価幅を０．３度以下にすることができると共に、下電極の各層の密着力を高めて下電極内の層間剥離を防止することができる。

本発明の第６の態様は、第５の態様の圧電素子と、前記圧電素子が振動板を介して設けられると共にノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、歩留まりを向上してコストを低減することができると共に信頼性を向上した液体噴射ヘッドを提供できる。

本発明の第７の態様は、第６の態様の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。
かかる第７の態様では、歩留まりを向上してコストを低減することができると共に信頼性を向上した液体噴射装置を提供できる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係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′断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、その両面には予め熱酸化により形成した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。

この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。

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、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、厚さが約０．１〜０．５μｍの積層された下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、金、白金又はイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。

ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、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３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。

また、本実施形態の下電極膜６０は、圧電体層７０を形成する前に少なくともイリジウム（Ｉｒ）からなる第１のイリジウム層と、イリジウム層上に白金（Ｐｔ）からなる白金層と、白金層上にイリジウム（Ｉｒ）からなる第２のイリジウム層とが順次積層されて形成され、詳しくは後述する製造方法によって圧電体層７０を焼成して形成した際に下電極膜６０も同時に加熱処理されることで形成されている。そして、圧電体層７０を形成する前の下電極膜６０を構成する白金層の白金のＸ線回折広角法により測定される（１１１）面の半価幅は、０．５度以上であり、且つ圧電体層７０を形成した後の下電極膜６０に含まれる白金のＸ線回折広角法により測定される（１１１）面の半価幅は０．３度以下となっている。このように、圧電体層７０を形成後の下電極膜６０を構成する白金層の白金の（１１１）面の半価幅を０．３度以下とすることで、下電極膜６０を構成する各層の密着力を向上して、下電極膜６０内の層間剥離を確実に防止することができる。

また、圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。

さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

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、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３４を介して接合されている。このリザーバ部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リザーバ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。保護基板３０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１１０が固定されている。この駆動回路１１０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１１０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２０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によってリザーバ部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のリザーバ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、リザーバ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。

また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。さらに、保護基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３５が設けられている。

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４４からインクを取り込み、リザーバ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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜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。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、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１２の長手方向の断面図でる。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０及び保護膜５１となる二酸化シリコン膜５２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５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５５を形成する。

次いで、下電極膜６０を形成する。具体的には、まず、図３（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５上に、密着層６１を形成する。密着層６１としては、例えば、厚さが１０〜５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素を主成分とするものが挙げられる。本実施形態では、密着層６１として、厚さ２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を設けた。このような密着層６１を設けることによって、絶縁体膜５５と下電極膜６０との密着力を高めることができる。

次いで、図４（ａ）に示すように、密着層６１上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが２０〜１５０ｎｍの第１のイリジウム層６２と、第１のイリジウム層６２上に白金（Ｐｔ）からなり厚さが５０〜５００ｎｍの白金層６３と、白金層６３上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さが５〜２０ｎｍの第２のイリジウム層６４とを順次積層することにより下電極膜６０を形成する。

本実施形態では、厚さが２０ｎｍの第１のイリジウム層６２と、厚さが６０ｎｍの白金層６３と、厚さが２０ｎｍの第２のイリジウム層６４とを順次積層することで下電極膜６０を形成した。このように下電極膜６０を形成した際に、下電極膜６０を構成する白金層６３は、Ｘ線回折広角法により測定された白金の（１１１）面の半価幅が０．５度以上となるように形成されている。また、このような下電極膜６０は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置により形成することができる。そして、このような白金層６３の（１１１）面の半価幅は、例えば、成膜レート、ターゲット基板間距離、成膜圧力及びアルゴン流量などを適宜調整することによって容易に制御することができる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、下電極膜６０上にチタン（Ｔｉ）からなり厚さが１〜２０ｎｍ、本実施形態では厚さが４．５ｎｍのチタン層６５を形成する。そして図４（ｃ）に示すように、密着層６１、下電極膜６０を構成する各層６２〜６４及びチタン層６５をパターニングする。

このように下電極膜６０の上にチタン層６５を設けることにより、後の工程で下電極膜６０上にチタン層６５を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）または（１１１）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、チタン層６５は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後には圧電体層７０内に拡散するものである。

なお、このような密着層６１、下電極膜６０の各層６２〜６４及びチタン層６５は、上述のように、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって形成することができる。また、少なくとも下電極膜６０の各層６２〜６４及びチタン層６５は、スパッタリング装置内の真空状態から開放せずに連続して成膜することが好ましい。このように下電極膜６０の各層６２〜６４を連続成膜することによって、下電極膜６０の各層６２〜６４の密着力を高めて下電極膜６０内の層間剥離を確実に防止することができる。

次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆる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を形成している。なお、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されず、例えば、リラクサ強誘電体（例えば、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ-ＰＴ、ＰＮＮ-ＰＴ等）の他の圧電材料を用いてもよい。また、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）法等を用いてもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分保持することで乾燥することができる。また、乾燥工程での昇温レートは０．５〜１．５℃／ｓｅｃが好適である。なお、ここで言う「昇温レート」とは、加熱開始時の温度（室温）と到達温度との温度差の２０％上昇した温度から、温度差の８０％の温度に達するまでの温度の時間変化率と規定する。例えば、室温２５℃から１００℃まで５０秒で昇温させた場合の昇温レートは、（１００−２５）×（０．８−０．２）／５０＝０．９［℃／ｓｅｃ］となる。

次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。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_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを０．５〜１．５℃／ｓｅｃとするのが好ましい。

次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温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）。焼成工程では、圧電体前駆体膜７１を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、６８０℃で５〜３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜７２を形成した。また、焼成工程では、昇温レートを１５℃／ｓｅｃ以下とするのが好ましい。

なお、このような乾燥工程、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、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。

そして、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回、本実施形態では１０回繰り返すことで、図５（ｃ）に示すように１０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、ゾルの１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。

このような圧電体層７０を形成する特に焼成工程では、下電極膜６０も同時に加熱され、下電極膜６０に含まれる白金（Ｐｔ）のＸ線回折広角法によって測定される（１１１）面の半価幅は０．３度以下となる。すなわち、圧電体層７０を形成する前の下電極膜６０を構成する白金層６３の白金の（１１１）面の半価幅が０．５度以上であっても、圧電体層７０を形成する際に下電極膜６０も同時に加熱処理されることによって、下電極膜６０内の拡散・応力緩和が促進され、下電極膜６０に含まれる白金の（１１１）面の半価幅が０．３度以下となる。

このように、圧電体層７０を形成する前の白金層６３の白金の（１１１）面の半価幅を０．５度以上と大きくしても、圧電体層７０を形成した後の下電極膜６０に含まれる白金の（１１１）面の半価幅を０．３度以下と小さくすることができ、下電極膜６０の白金の応力緩和が起こる。すなわち、下電極膜６０の白金を含む層と、第２のイリジウム層６４が加熱処理されることによって形成された酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）からなる酸化イリジウム層（図示なし）との間で拡散・応力緩和の発生を促進して、下電極膜６０内で一時的な応力集中が発生しないようにすることで密着力を高めることができ、下電極膜６０内の層間剥離を防止することができる。

そして、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程によって圧電体層７０を形成した後は、図６（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板１０の全面に形成し、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板１０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ことで形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、パターニングされた複数の圧電素子３００を保持する保護基板３０を、流路形成基板１０上に例えば接着剤３４によって接合する。なお、保護基板３０には、リザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成されている。また、保護基板３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単結晶基板からなり、保護基板３０を接合することで流路形成基板１０の剛性は著しく向上することになる。

次に、図６（ｄ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００が形成された面とは反対側の二酸化シリコン膜５２を所定形状にパターニングすることで保護膜５１を形成し、保護膜５１をマスクとして流路形成基板１０を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、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。

その後は、流路形成基板１０の保護基板３０とは反対側の面にノズル開口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３０にコンプライアンス基板４０を接合することで、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッドが形成される。

なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、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毎に分割することでインクジェット式記録ヘッドが形成される。

（実施例１）
上述した実施形態１と同様の製造方法によりシリコン単結晶基板からなる流路形成基板を熱酸化することにより二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜を形成し、この弾性膜上に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜を形成する。そして、絶縁体膜上に厚さが２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）からなる密着層を形成し、この密着層上に下電極膜として、厚さが２０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる第１のイリジウム層と、厚さが６０ｎｍの白金（Ｐｔ）からなり且つＸ線回折広角法によって測定された白金の（１１１）面の半価幅が０．５３度の白金層と、厚さが２０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる第２のイリジウム層とを順次積層形成する。さらに、第２のイリジウム層上に厚さが４．５ｎｍのチタン（Ｔｉ）からなるチタン層を形成した。なお、このような密着層、下電極膜及びチタン層の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によってスパッタリング装置内の真空状態から開放せずに連続して成膜した。

（実施例２）
白金層をＸ線回折広角法により測定された白金の（１１１）面の半価幅が０．７４度となるように形成した以外、上述した実施例１と同様の構成及び製造方法によって形成したものを実施例２の下電極膜とした。

（比較例１）
白金層をＸ線回折広角法により測定された白金の（１１１）面の半価幅が０．３７度となるように形成した以外、上述した実施例１と同様の構成及び製造方法によって形成したものを比較例１の下電極膜とした。

（比較例２）
白金層をＸ線回折広角法により測定された白金の（１１１）面の半価幅が０．４４度となるように形成した以外、上述した実施例１と同様の構成及び製造方法によって形成したものを比較例２の下電極膜とした。

（試験例）
これら実施例１、２及び比較例１、２の下電極膜上に、上述した実施形態１と同様の製造方法により圧電体層及び上電極膜を形成した。すなわち、各下電極膜上に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を塗布し、１８０℃で１０分間乾燥工程を行った後、４００℃で１０分間脱脂工程を行い、その後、７００℃で３０分間焼成工程を行うことで圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を繰り返し行い、１０層の圧電体膜からなる総厚が１．１μｍの圧電体層を形成した。このような圧電体層を形成する際に、圧電体膜を６層形成した後に超薄膜スクラッチ試験機（ＣＳＲ０２；レスカ株式会社製）によって下電極膜の密着力を測定した。また、圧電体膜を１０層形成した後で下電極膜に含まれる白金の半価幅をＧＸＲ３００（Ｃｕ管球；リガク株式会社製）を用いて広角測定法により求めた。これらの結果を下記表１に示す。

表１に示すように、実施例１及び２の下電極膜、すなわち、白金の（１１１）面の半価幅が０．５度以上となるように形成した白金層を有する下電極膜は密着力が高く、これに対して、比較例１及び２の下電極膜、すなわち、白金を（１１１）面の半価幅が０．５度より小さくなるように形成した白金層を有する下電極膜は密着力が低いことが分かった。

また、剥離箇所は、比較例１及び２が下電極膜内であるのに対し、本発明の実施例は下電極膜と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜との界面であった。

また、実施例１、２及び比較例１、２の何れの下電極膜であっても、圧電体膜を１０層形成して圧電体層を形成した後の下電極膜に含まれる白金の（１１１）面の半価幅は０．３度以下となることが分かった。

このため、圧電体層を形成する前に、白金の（１１１）面の半価幅が０．５度以上となるように白金層を形成しておくことで、熱工程における下電極膜内の応力緩和を促進し、下電極膜内の密着力を向上して、下電極膜内の層間剥離を確実に防止することができる。これにより、信頼性を向上することができると共に歩留まりを向上して製造コストを低減することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７２を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７１を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７２を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態１では、下電極膜６０をパターニングすることにより形成した後に圧電体層７０を形成するようにしたが、デバイスの関係上、下電極膜上に１層目の圧電体膜を形成し、その後、下電極膜を圧電体膜と共にパターニングするようにしてもよい。

また、これら各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７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７に示すように、インクジェット式記録ヘッド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上を搬送されるようになっている。

なお、上述した実施形態１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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）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。

本発明の実施形態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。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 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。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ６１ 密着層、 ６２ 第１のイリジウム層、 ６３ 白金層、 ６４ 第２のイリジウム層、 ６５ チタン層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １１０ 駆動回路、 １２０ 接続配線、 ３００ 圧電素子

Claims (7)

1. 基板上に少なくともイリジウムからなる第１のイリジウム層と、該第１のイリジウム層上にＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．５度以上の白金からなる白金層と、該白金層上にイリジウムからなる第２のイリジウム層とを順次積層して下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成する工程とを具備することを特徴とする圧電素子の製造方法。
2. 請求項１において、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に圧電体前駆体膜を塗布する塗布工程と、前記塗布工程により塗布された前記圧電体前駆体膜を乾燥する乾燥工程と、前記乾燥工程により乾燥した前記圧電体膜前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、前記脱脂工程により脱脂された前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜とする焼成工程とを有する圧電体膜形成工程を複数回行って複数層の前記圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
3. 請求項１又は２において、前記下電極を構成する各層をスパッタリング法により形成すると共に、当該下電極の各層を真空から開放せずに連続して積層形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
4. 請求項１〜３の何れかの圧電素子の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
5. 下電極、圧電体層及び上電極からなると共に、前記下電極が前記圧電体層形成前に少なくともイリジウムからなる第１のイリジウム層と、該第１のイリジウム層上にＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．５度以上の白金からなる白金層と、該白金層上にイリジウムからなる第２のイリジウム層とが順次積層されて形成され且つ前記圧電体層形成時に加熱処理されることにより当該下電極の白金のＸ線回折広角法による（１１１）面の半価幅が０．３度以下となっていることを特徴とする圧電素子。
6. 請求項５の圧電素子と、前記圧電素子が振動板を介して設けられると共にノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
7. 請求項６の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。
   

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