JP2007035883A - アクチュエータ装置及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動板を構成する酸化膜と下電極との密着性が向上すると共に、圧電素子を構成する層の結晶性を向上したアクチュエータ装置及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 基板上に設けられた振動板と、振動板を構成する酸化膜５５上に設けられる下電極６０、下電極６０上に設けられる圧電体層７０及び圧電体層７０上に設けられた上電極８０からなる圧電素子３００とを具備し、且つ下電極６０と酸化膜５５との境界に、結晶化したチタン酸化膜からなり厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の結晶化した密着層６５を有するようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動板上に、下電極、圧電材料からなる圧電体層及び上電極で構成される圧電素子を有するアクチュエータ装置及びその製造方法並びにこのアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

アクチュエータ装置として用いられる圧電素子としては、例えば、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を、例えば、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。そして、このような圧電素子の圧電体層としては、一般的に、例えば、結晶化した圧電性セラミックスが用いられている。また、このような圧電素子が振動板上に形成されたアクチュエータ装置、すなわち、撓み振動モードのアクチュエータ装置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。

また、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電素子としては、例えば、下電極が設けられた基板上に成膜技術により圧電体膜及び上電極を全面に亘って形成し、この圧電体層及び上電極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ることによって形成されたものがある。このような圧電素子は、繰り返し駆動により振動板との剥がれが生じる虞があるため、例えば、圧電素子の下電極とその下層の二酸化シリコン膜との間、チタン膜、酸化チタン膜及びチタン膜を順に積層してなる中間層を設けるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような構成では、二酸化シリコン膜と下電極との密着性を向上することはできるが、下電極の表面状態や結晶性等に悪影響を及ぼしてしまうという問題があり、下電極の結晶性等の低下に伴い、この下電極上に形成される圧電体層の結晶性も悪くなってしまうという問題がある。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、勿論、その他のあらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。

特許第３３２７１４９号公報（段落［００３３］等）

本発明はこのような事情に鑑み、振動板を構成する酸化膜と下電極との密着性が向上すると共に、圧電素子を構成する層の結晶性を向上したアクチュエータ装置及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び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、基板上に設けられた振動板と、該振動板を構成する酸化膜上に設けられる下電極、該下電極上に設けられる圧電体層及び該圧電体層上に設けられた上電極からなる圧電素子とを具備し、且つ前記下電極と前記酸化膜との境界に、結晶化したチタン酸化膜からなり厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の密着層を有することを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、密着層となる酸化チタンの基板表面から見た結晶の粒径が比較的小さく且つ緻密に形成される。これにより、振動板と下電極との密着性が向上すると共に、圧電素子を構成する下電極及び圧電体層の結晶性も向上する。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記密着層を構成する酸化チタンの基板表面から見た結晶の粒径が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、密着層の厚さを上記所定厚さで形成した結果、基板表面から見た結晶の粒径が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下と比較的小さくなる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記密着層と前記下電極とが相互拡散していないことを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第３の態様では、振動板と下電極との密着性がさらに向上する。また、密着層及び下電極の結晶性が向上し、それに伴って圧電体層の結晶性も向上する。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記酸化膜が酸化ジルコニウムからなることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第４の態様では、酸化膜を所定の材料で形成することで、酸化膜と下電極との密着性がさらに向上する。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第５の態様では、圧電体層からその下層側への鉛の拡散が抑えられ、変位特性に優れたアクチュエータ装置を実現することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様のアクチュエータ装置と、一方面側に当該圧電素子が振動板を介して設けられると共に液滴を吐出する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、液滴の吐出特性に優れ、且つ耐久性及び信頼性に優れた液体噴射ヘッドを実現することができる。

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、液滴の吐出特性に優れ、且つ耐久性及び信頼性に優れた液体噴射装置を実現することができる。

本発明の第８の態様は、基板上に酸化膜を含む振動板を形成する工程と、該振動板を構成する前記酸化膜上に圧電素子を形成する工程とを具備し、前記圧電素子を形成する工程が、前記酸化膜上に結晶化したチタン酸化膜からなる密着層を厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下となるように形成する工程と、このチタン酸化膜からなる密着層上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで圧電体層を形成する工程と、この圧電体層上に上電極を形成する工程とを含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第８の態様では、所定厚のチタン酸化膜からなる密着層上に圧電素子を形成することで、振動板と下電極との密着性が大幅に向上する。また、密着層及び下電極の結晶性が向上し、これに伴って圧電体層の結晶性も向上する。

本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記密着層を形成する工程では、前記酸化膜上にチタン膜を形成後、このチタン膜を熱酸化することによって結晶化したチタン酸化膜からなる前記密着層を形成することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第９の態様では、密着層を構成する酸化チタンの結晶粒径を、比較的容易に、所望の大きさとすることができる。したがって、振動板と下電極との密着性がより確実に向上すると共に、密着層、下電極及び圧電体層の結晶性もより確実に向上する。

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概略構成を示す分解斜視図であり、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。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。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、後述するマスク膜５２を介して接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。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、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。

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_２）等からなり厚さが例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。すなわち、本発明では、振動板が絶縁体膜５５等の酸化膜を有し、圧電素子３００はこの酸化膜上に形成されている。なお、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。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子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。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アクチュエータ装置と称する。

そして、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、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ようになっている。

ここで、このような圧電素子３００と振動板を構成する酸化膜である絶縁体膜５５との境界には、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さの結晶化したチタン酸化膜からなる密着層６５が設けられている。すなわち、圧電素子３００は、この密着層６５を介して絶縁体膜５５上に設けられている。本発明に係る密着層６５は、単層、すなわち、チタン酸化膜のみで構成されたものであり、例えば、チタン膜とチタン酸化膜との二層構造など、チタン酸化膜以外の材料かなる膜を有するものは含まない。また、この密着層６５を構成する酸化チタンの結晶は厚さ方向に連続する柱状の結晶であり、当該密着層６５表面における結晶粒径は、密着層６５が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さで形成されている結果、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下と比較的小さくなっている。すなわち、上記所定厚さで形成された密着層６５は、各結晶の粒径が比較的小さく緻密な膜となっており、その表面状態はほぼ平坦となっている。なお、上記結晶粒径は、平均粒径を規定するものではなく、結晶の最小粒径と最大粒径とを規定するものである。

このような構成とすることにより、密着層６５上に形成される下電極膜６０と振動板である絶縁体膜５５との密着性が大幅に向上し、圧電素子３００を繰り返し駆動した場合でも、密着層６５あるいは下電極膜６０の剥がれ等の不良が発生するのを防止することができる。また、密着層６５の結晶性の向上に伴って密着層６５上に形成される下電極膜６０の結晶性も向上し、さらに、この下電極膜６０上に形成される圧電体層７０の結晶性も向上する。したがって、本発明の構成によれば、密着層６５あるいは下電極膜６０の剥がれ等の不良の発生を防止することができると共に、圧電素子３００の変位特性を向上することができる。また、圧電体層７０から下層側への鉛（Ｐｂ）の拡散を抑えることもできる。

また、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、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３１を有する保護基板３０が、接着剤等によって接合されている。なお、圧電素子保持部３１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。また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３２が設けられており、このリザーバ部３２は、上述したように、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の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。そして、これら下電極膜６０及びリード電極９０には、図示しないが、駆動ＩＣから延設される接続配線の一端が接続される。

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。

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３２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。

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。

ここで、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ある。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。

次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５５を形成する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、この酸化膜である絶縁体膜５５上に、チタン酸化膜からなる密着層６５を形成する。具体的には、例えば、ＤＣ又はＲＦスパッタ法等により、絶縁体膜５５上にチタン（Ｔｉ）からなる膜を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の膜厚で形成する。ここで、このようなチタン膜は、温度：常温（２０〜２５℃）〜２００（℃）、圧力：０．２〜１．０（Ｐａ）、パワー密度：３〜１０（ｋＷ／ｍ^２）の成膜条件で形成するのが好ましい。例えば、本実施形態では、温度：常温（２５℃）、圧力：０．４（Ｐａ）、パワー密度：９（ｋＷ／ｍ^２）の成膜条件でチタン膜を形成している。

その後、チタン膜が形成された流路形成基板用ウェハ１１０を拡散炉等で加熱して、このチタン膜を、例えば、酸素雰囲気等の酸化性雰囲気で熱酸化することにより、結晶化したチタン酸化膜からなる密着層６５を形成する。なお、このように形成された密着層６５の厚さは、チタン膜の膜厚よりも厚くなるが、チタン膜の膜厚を上述したように、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下となるように形成しておくことで熱酸化後には１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さとなる。

また、チタン膜の熱酸化温度は、６００〜８００℃の範囲とするのが好ましい。また、熱酸化時間は１０〜６０（ｍｉｎ）であることが好ましい。さらに、酸化性ガス、本実施形態では酸素、の供給量は、１０〜２０（ｓｃｃｍ）であることが好ましい。また、チタン膜（拡散炉）を所定の加熱温度まで上昇させる際の昇温レートは、比較的速くするのが好ましく、具体的には、２（℃／ｓ）以上であることが好ましい。なお、ここでいう昇温レートとは、温度が直線的に上昇する領域での昇温レートである。

そして、このようにチタン膜を熱酸化することによってチタン酸化膜からなる密着層６５を形成することにより、密着層６５が良好に結晶化し、さらに、結晶性も大幅に向上する。また、密着層６５を構成する結晶の粒径は比較的小さくなるため、密着層６５は、欠陥の少ない緻密な膜となり、表面は実質的に平坦となる。なお、密着層６５は、例えば、スパッタ法によって形成するようにしてもよいが、本実施形態のように、チタン膜を熱酸化することによって密着層６５を形成することで、密着層６５の結晶性をより確実に向上させることができる。

次いで、図３（ｄ）に示すように、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等からなる下電極膜６０を密着層６５の全面に形成後、所定形状にパターニングする。例えば、本実施形態では、イリジウムからなる膜と、白金からなる膜とをスパッタ法により積層し、積層された複数の膜を所定形状にパターニングすることにより下電極膜６０とした。なお、下電極膜６０をパターニングする際、密着層６５も同時にパターニングされる。そして、このように形成された下電極膜６０も、結晶性に優れた密着層６５上に形成された結果、密着層６５と同様に結晶性が大幅に向上する。

次に、図３（ｅ）に示すように、下電極膜６０及び絶縁体膜５５上に、チタン（Ｔｉ）を、例えば、スパッタ法等によって塗布することにより所定厚さの種チタン層６６を形成する。次に、この種チタン層６６上に、圧電材料、本実施形態では、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。なお、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を形成した。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の形成手順の一例としては、まず、図４（ａ）に示すように、種チタン層６６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、流路形成基板用ウェハ１１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する。次いで、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、ゾルの溶媒を蒸発させることで圧電体前駆体膜７１を乾燥させる。さらに、大気雰囲気下において一定の温度で一定時間、圧電体前駆体膜７１を脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、ゾル膜の有機成分を、例えば、ＮＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。

そして、このような塗布・乾燥・脱脂の工程を、所定回数、例えば、２回繰り返すことで、図４（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定厚に形成し、この圧電体前駆体膜７１を拡散炉で加熱処理することによって結晶化させて圧電体膜７２を形成する。すなわち、圧電体前駆体膜７１を焼成することで種チタン層６６を核として結晶が柱状に成長して圧電体膜７２が形成される。なお、焼成温度は、６５０〜８５０℃であることが好ましく、例えば、約７００℃で３０分間、圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜７２を形成する。なお、このように形成した圧電体膜７２の結晶は（１００）面に優先配向する。

さらに、上述した塗布・乾燥・脱脂・焼成の工程を、複数回繰り返すことにより、図４（ｃ）に示すように、例えば、５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。

そして、このように形成された圧電体層７０の結晶性も、上述したように密着層６５及び下電極膜６０の結晶性が向上したことに伴って向上し、圧電体層７０の圧電特性は大幅に向上する。具体的には、圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体層７０を形成した後でも、密着層６５は、下電極膜６０あるいは圧電体層７０と相互拡散することなく完全な膜として存在し、その結晶性も良好に維持されている。このため、密着層６５上に形成されている下電極膜６０及び圧電体層７０の結晶性も大幅に向上する。また、結晶性に優れた下電極膜６０上に圧電体層７０が形成されるため、圧電体層７０の鉛（Ｐｂ）の下電極膜６０への拡散が抑えられ、下電極膜６０の電気的特性の低下も防止される。

図７は、上述の方法で形成した実施例のサンプル（アクチュエータ装置）の断面ＴＥＭ像である。また図８は密着層１６５がチタン膜からなる以外は、実施例と同様に、絶縁体膜１５５上に下電極膜１６０、密着層１６５及び圧電体層１７０を積層形成した比較例のサンプルの断面ＴＥＭ像である。さらに図９は、上記実施例のサンプルにおけるチタンの含有量をＴＥＭのＥＤＸによってマッピング分析した結果を示す図であり、図１０は、上記比較例のサンプルにおけるチタンの含有量をＴＥＭのＥＤＸによってマッピング分析した結果を示す図である。図７に示すように、実施例のサンプルの密着層６５は、下電極膜６０あるいは圧電体層７０と相互拡散することなく完全な膜として存在していることを確認することができる。また、実施例のサンプルの密着層６５が、下電極膜６０あるいは圧電体層７０と相互拡散していないことは、図９に示す結果からも明らかである。すなわち、図９に示すように、実施例のサンプルでは、チタン酸化膜からなる密着層６５に相当する部分、及び圧電体層７０に相当する部分には、チタンが多く検出されているのに対し、下電極膜６０に相当する部分には実質的にチタンは検出されていない。なお、この図では、チタンの含有量が多い領域ほど、より濃い色で示される。

一方、比較例のサンプルでは、図８に示すように、チタン膜からなる密着層１６５と、下電極膜１６０あるいは圧電体層１７０が相互拡散してしまい、密着層１６５をはっきりと確認することができない。このことは、図１０の結果からも明らかである。すなわち、図１０に示すように、比較例のサンプルでは、実施例のサンプルの場合とは異なり、下電極膜１６０に相当する部分に、チタンが検出されており且つ密着層１６５に相当する部分には、チタンを含む領域が点在するものの、連続した層としては確認できなかった。

このように、絶縁体膜５５と下電極膜６０との間に島状にならずに連続したチタン酸化膜からなる密着層６５を設けた本発明の構成では、圧電体層７０を焼成により形成した後であっても、密着層６５が下電極膜６０あるいは圧電体層７０等と相互拡散することなく完全な膜として存在し、その結果、この密着層６５上に形成されている下電極膜６０及び圧電体層７０の結晶性も向上する。

なお、実施例のサンプルの圧電体層７０の厚みは約１．０μｍであるが、この厚みに限定されず、上述したように約０．５〜５μｍの範囲であればよい。同様に、実施例のサンプルの絶縁体膜５５の厚みは約０．４μｍであり、下電極膜６０の厚みは約０．２μｍであるが、上述した範囲の厚みであればよい。勿論、何れの厚みとしても同様の結果が得られる。

また、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）等の強誘電性圧電性材料に、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を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ_３（ＰＺ）、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。

このように圧電体層７０を形成した後は、図５（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、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、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層９１を形成し、その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層９１を圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。

次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、約７０μｍ厚になるように流路形成基板用ウェハ１１０をエッチング加工した。次いで、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０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。

なお、その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ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１１０の保護基板用ウェハ１３０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、保護基板用ウェハ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とする。

以上説明したように、本発明では、絶縁体膜５５と圧電素子３００を構成する下電極膜６０との間に、チタン酸化膜からなり厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の結晶化した密着層６５を設けるようにした。具体的には、絶縁体膜５５上に、チタン酸化膜からなる所定膜厚の密着層６５を形成し、このチタン酸化膜からなる密着層６５上に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００を形成するようにした。これにより、振動板と下電極膜６０の密着性が向上し、下電極膜６０の剥がれを防止できると共に、密着層６５の結晶性が向上して、これに伴って下電極膜６０の結晶性も大幅に向上する。下電極膜６０の結晶性が向上することは、以下に説明する試験例の結果から明らかである。

（試験例１）
振動板を構成する酸化膜からなる絶縁体膜上に、チタン酸化膜からなる所定膜厚の密着層を介して、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜及びＩｒ膜の積層膜である下電極膜を含む圧電素子を設けた実施例１のサンプル（アクチュエータ装置）と、密着層がチタン膜からなる以外は実施例１のサンプルと同様の構成である比較例１のサンプル（アクチュエータ装置）とを作製して、下電極膜の膜質について調べた。具体的には、各サンプルの圧電体層及び上電極膜を除去して下電極膜の表面を露出させ、下電極膜の構成元素であるＩｒ及びＰｔのＸ線回折強度（ＸＲＤ強度）を調べた。その結果を図１１に示す。また図１２は、実施例１のサンプルにおける下電極膜表面を撮影したＳＥＭ像であり、図１３は、比較例１のサンプルにおける下電極膜表面を撮影したＳＥＭ像である。

図１１に示すように、実施例１のサンプルと比較例１のサンプルとで、ＩｒのＸＲＤ強度にはほとんど差は見られなかったものの、ＰｔのＸＲＤ強度は、実施例１のサンプルが比較例１のサンプルの３倍程度と極めて強く検出されていた。また、図１２に示すように、実施例１のサンプルでは、下電極膜の結晶は粒径が極めて小さく緻密な膜となっていたのに対し、比較例１のサンプルでは、図１３に示すように、下電極膜の結晶は、それぞれをはっきりと確認できる程度に大きくかなり粗い膜になっていることが分かる。そして、このような結果から明らかなように、チタン酸化膜からなる密着層を設けることで、チタン膜からなる密着層の場合と比較して、下電極膜の結晶性が大幅に向上する。

（試験例２）
チタン酸化膜からなる密着層の厚さを１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の範囲で変化させた以外は、実施例１のサンプルと同様にして複数のサンプルを作製し、各サンプルにおいて下電極膜に含まれるＩｒ及びＰｔのＸＲＤ強度を測定した。その結果を図１４に示す。図１４のグラフから分かるように、密着層の厚さが、比較的薄い場合にはＰｔのＸＲＤ強度が強く検出され、特に４０ｎｍ以下とするとＰｔのＸＲＤ強度は４０００（ｃｐｓ）と極めて強く検出されたが、密着層の膜厚を厚くするに従って、ＰｔのＸＲＤ強度は低下している。また、密着層の厚さを１０ｎｍよりも薄くすると、密着層を連続する膜として形成することは難しい。

この試験例２の結果から分かるように、チタン酸化膜からなる密着層の厚さを１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすれば、結晶性が良好な下電極膜が得られる。そして、これら試験例１及び試験例２の結果から明らかなように、絶縁体膜と下電極膜との間にチタン酸化膜からなり膜さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の密着層を設けた本発明の構成では、結晶性が極めて良好な下電極膜が得られる。

なお、このように結晶性に優れた下電極膜を得るためには、密着層自体の結晶性が良好である必要がある。ここで、密着層の膜厚は、密着層の結晶粒径と実質的に比例関係にあり、例えば、図１５に示すように、チタン酸化膜である密着層を２０ｎｍ±５ｎｍの厚さで形成した場合、密着層の結晶粒径は１０ｎｍ程度と非常に小さくなり、密着層は非常に緻密な膜となる。これに対し、例えば、図１６に示すように、チタン酸化膜からなる密着層を２００ｎｍの厚さで形成した場合、結晶粒径は５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とかなり大きくなる。このように、密着層の膜厚に応じて密着層の結晶粒径は大きく変化する。このため、優れた結晶性の密着層を得るには密着層の厚さを規定する必要があり、密着層の膜厚を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすれば、密着層の基板表面から見た結晶粒径は１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下となり、結晶性に優れた密着層となる。なお、図１５には、チタン酸化膜である密着層の膜厚が２０ｎｍのものを示しているが、密着層の膜厚が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下のものであれば、図１６に示す密着層の結晶粒径よりも小さくなっていることを確認しているが、その写真については掲載を省略する。

（試験例３）
密着層がチタン酸化膜とチタン膜との２層からなる以外は、上記実施例１のサンプルと同様にして比較例２のサンプルを作製し、この比較例２のサンプルと、上記実施例１及び比較例１のサンプルとをＳＩＭＳによって分析した。具体的には、ＳＩＭＳによって分析することで、各サンプルのチタン含有量の分布を調べた。その結果を図１７に示す。なお、図１７において、照射時間が０〜５００（ｓｅｃ）までの範囲が下電極膜に相当し、およそ５００〜７００（ｓｅｃ）の範囲が密着層に相当する。

図１７に示す結果から明らかなように、実施例１のサンプルでは、比較例１及び２のサンプルと比較して、下電極膜に含まれるチタンの含有量が極めて少ないことが分かる。すなわち、比較例１及び２のサンプルでは、密着層あるいは圧電体層に含まれるチタンが下電極膜に拡散してしまっているが、実施例のサンプルでは、密着層あるいは圧電体層に含まれるチタンは下電極膜にほとんど拡散していない。このことから、本発明によれば、チタンが拡散することなく良好な電気的特性を有する下電極膜が得られることが分かる。

（試験例４）
チタン酸化膜からなる密着層を設けた実施例のサンプルと、チタン膜からなる密着層を設けた比較例のサンプルとを作製し、各サンプルをＳＩＭＳによる分析して、鉛（Ｐｂ）の含有量の分布を調べた。すなわち、圧電体層から他層への鉛（Ｐｂ）の拡散量を調べた。具体的には、まず、圧電体層（圧電体前駆体膜）の焼成温度を約６５０℃とした以外は、実施例１のサンプルと同様である実施例２のサンプルと、焼成温度を約７５０℃とした以外は、実施例１のサンプルと同様である実施例３のサンプルとを作製した。同様に、焼成温度を約６５０℃とした実施例２のサンプルと、焼成温度約７５０℃とした実施例３のサンプルとを作製した。そして、実施例１〜３及び比較例１〜３のサンプルをＳＩＭＳによって分析して、下電極膜、密着層及び絶縁体膜の鉛（Ｐｂ）の含有量を調べた。その結果を図１８及び図１９に示す。

図１８及び図１９に示すように、実施例１〜３のサンプルにおける下電極膜の鉛（Ｐｂ）の含有量は、比較例１〜３のサンプルと比較して極めて少ないことが分かる。さらに、絶縁体膜の鉛（Ｐｂ）の含有量は、実施例１〜３のサンプル及び比較例２のサンプルでは同程度であったが、比較例１及び比較例３のサンプルでは、絶縁体膜の鉛（ｐｂ）の含有量が増加していることが分かる。

すなわち、チタン膜からなる密着層を有する比較例１〜３のサンプルでは、圧電体層から下電極膜に拡散する鉛（Ｐｂ）の量が極めて多く、且つ絶縁体膜に拡散する鉛（Ｐｂ）の量も、圧電体層の温度によってはかなり多くなることが分かる。一方、チタン酸化膜からなる密着層を有する実施例１〜３のサンプルでは、下電極膜に拡散する鉛（Ｐｂ）の量は比較例１〜３のサンプルと比較して大幅に少なく、且つ絶縁体膜の鉛の拡散量も、圧電体層の焼成温度にかかわらず極めて少ない。

以上の結果から分かるように、本発明の構成では、圧電体層からその下層側への鉛（Ｐｂ）の拡散量が抑えられ、結晶性に優れた下電極膜、密着層等が得られる。さらに、チタン酸化膜からなる本発明に係る密着層は、実質的に下層（絶縁体膜）への鉛（Ｐｂ）の拡散を抑える役割も果たすため、絶縁体膜の膜質も向上することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜上にチタン酸化膜からなる密着層を介して圧電素子を形成するようにしたが、これに限定されるものではない。密着層の下層は酸化膜であればよく、例えば、二酸化シリコンからなる弾性膜上に、上述した密着層を介して圧電素子を形成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２０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２０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。さらに、本発明は、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 実施例に係るサンプルの断面ＴＥＭ像。 比較例に係るサンプルの断面ＴＥＭ像。 実施例に係るサンプルのチタン量のＥＤＸマッピング分析結果を示す図。 比較例に係るサンプルのチタン量のＥＤＸマッピング分析結果を示す図。 実施例１及び比較例１の下電極膜のＰｔ，ＩｒのＸＲＤ強度を示すグラフ。 実施例１のサンプルの下電極膜表面のＳＥＭ像。 比較例１のサンプルの下電極膜表面のＳＥＭ像。 密着層の厚さと下電極膜のＰｔ，ＩｒのＸＲＤ強度との関係を示すグラフ。 実施例１に係るサンプルの密着層表面のＳＥＭ像。 比較例１に係るサンプルの密着層表面のＳＥＭ像。 ＳＩＭＳによる実施例１及び比較例１，２のサンプルの分析結果のグラフ。 ＳＩＭＳによる実施例１〜３のサンプルの分析結果のグラフ。 ＳＩＭＳによる比較例１〜３のサンプルの分析結果のグラフ。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図。

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 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ６５,６５´ 密着層、 ６６ 種チタン層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子

Claims (9)

1. 基板上に設けられた振動板と、該振動板を構成する酸化膜上に設けられる下電極、該下電極上に設けられる圧電体層及び該圧電体層上に設けられた上電極からなる圧電素子とを具備し、且つ前記下電極と前記酸化膜との境界に、結晶化したチタン酸化膜からなり厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の密着層を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 請求項１において、前記密着層を構成する酸化チタンの基板表面から見た結晶の粒径が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とするアクチュエータ装置。
3. 請求項１又は２において、前記密着層と前記下電極とが相互拡散していないことを特徴とするアクチュエータ装置。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記酸化膜が酸化ジルコニウムからなることを特徴とするアクチュエータ装置。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とするアクチュエータ装置。
6. 請求項１〜５の何れかのアクチュエータ装置と、一方面側に当該圧電素子が振動板を介して設けられると共に液滴を吐出する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。
8. 基板上に酸化膜を含む振動板を形成する工程と、該振動板を構成する前記酸化膜上に圧電素子を形成する工程とを具備し、前記圧電素子を形成する工程が、前記酸化膜上に結晶化したチタン酸化膜からなる密着層を厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下となるように形成する工程と、このチタン酸化膜からなる密着層上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで圧電体層を形成する工程と、この圧電体層上に上電極を形成する工程とを含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
9. 請求項８において、前記密着層を形成する工程では、前記酸化膜上にチタン膜を形成後、このチタン膜を熱酸化することによって結晶化したチタン酸化膜からなる前記密着層を形成することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
   

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