JP2007116005A - アクチュエータ装置の製造方法、及び液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子を備えたアクチュエータ装置において、酸化ジルコニウム膜が接する他の膜との間での剥離を防止可能な、アクチュエータ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】アクチュエータ装置の製造方法において、酸化シリコン膜上にジルコニウムからなる膜を形成する工程と、前記ジルコニウム膜の一部を前記酸化シリコン膜に拡散させる工程と、前記ジルコニウム膜を酸化して酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、前記酸化ジルコニウム膜上に、チタンからなる膜を形成する工程と、前記チタン膜の一部を前記酸化ジルコニウム膜に拡散する工程と、前記チタン膜上に下電極を形成する工程と、を備える、アクチュエータ装置の製造方法である。
【選択図】図３
【解決手段】アクチュエータ装置の製造方法において、酸化シリコン膜上にジルコニウムからなる膜を形成する工程と、前記ジルコニウム膜の一部を前記酸化シリコン膜に拡散させる工程と、前記ジルコニウム膜を酸化して酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、前記酸化ジルコニウム膜上に、チタンからなる膜を形成する工程と、前記チタン膜の一部を前記酸化ジルコニウム膜に拡散する工程と、前記チタン膜上に下電極を形成する工程と、を備える、アクチュエータ装置の製造方法である。
【選択図】図３
Description
本発明は、圧力発生室が形成された基板の一面側に振動板を設け、この振動板を介して設けられる圧電素子を備えたアクチュエータ装置の製造方法に関する。
電圧を印加することにより変位する圧電素子を備えるアクチュエータ装置が知られている。このアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドとして、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液体噴射ヘッドが知られている。液体噴射ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものの２種類が実用化されている。
後者としては、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧電素子とを備えたものが知られている（例えば、特開平１０−８１０１６号公報）。振動板は、流路形成基板の一方面を熱酸化することで形成された酸化シリコン膜と、この酸化シリコン膜上に形成された酸化ジルコニウム膜とから構成されている。圧電素子は、振動板の上に形成された下電極と、下電極の上に形成されたＰＺＴ等の圧電体と、圧電体の上に形成された上電極と、からなり、さらに、上電極が所定パターン化されて形成されてなる。
このような、液体噴射ヘッドにおいては、振動板を構成する酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜との密着力が十分でなく、両者が剥がれてしまう問題がある。同じように、酸化ジルコニウム膜と下電極との密着力が十分でなく、両者が互いに剥がれてしまう問題がある。
特開平１０−８１０１６号公報
本発明は、既述の課題を解決するために、圧電素子を備えたアクチュエータ装置において、酸化ジルコニウム膜が接する他の膜との間での剥離を防止可能な、アクチュエータ装置の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、シリコン基板の一方面側に振動板となる酸化膜を形成し、当該振動板を介して下電極、圧電体膜及び上電極からなる圧電素子を所定のパターンで形成してなるアクチュエータ装置の製造方法において、前記基板上に酸化シリコン膜を形成する工程と、前記酸化シリコン膜上にジルコニウムからなる膜を形成する工程と、前記ジルコニウム膜の一部を前記酸化シリコン膜に拡散させる工程と、前記ジルコニウム膜を酸化して酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、前記酸化ジルコニウム膜上に、当該酸化ジルコニウム膜と前記下電極に対して密着性を有する金属からなる膜を形成する工程と、前記金属膜の一部を前記酸化ジルコニウム膜に拡散する工程と、前記金属膜上に下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に上電極を形成する工程と、を備える、ことを特徴とするものである。
前記金属として、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，及びＴａの少なくとも一つ又は２種以上の合金である。好適なものはチタンである。
本発明の第２は、既述のアクチュエータ装置の前記基板の他方面側に、圧力発生室を形成する工程と、これに連通するノズル開口を有するノズルプレートを接合する工程とを、備える液体噴射ヘッドの製造方法である。
本発明によれば、酸化シリコン膜中にジルコニウムを拡散させるので、酸化シリコン膜上に形成する酸化ジルコニウム膜と酸化シリコン膜との密着性が向上して、両者間での剥離を防止することができる。さらに、酸化シリコンと酸化ジルコニウムとの間に組成が両者の中間の性質のものが形成されるので、振動膜の耐久性を向上する。さらに、酸化ジルコニウム膜中に、チタンなどの密着金属を拡散させるので、酸化ジルコニウム膜上に形成する下電極と当該酸化ジルコニウム膜との密着性が向上する。
以上説明したように、本発明によれば、圧電素子を備えたアクチュエータ装置において、酸化ジルコニウム膜が接する他の膜との間での剥離を防止可能な、アクチュエータの製造方法を提供することができる。
以下に本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る、圧電素子を備えたアクチュエータとしての液体噴射ヘッド、詳しくはインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
流路形成基板１０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って酸化シリコン膜である厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。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に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。
連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２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１００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。
流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられたマスク膜５１を介して、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が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。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不錆鋼などからなる。
流路形成基板１０の開口面とは反対側には、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、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体膜７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、積膜形成されて、圧電素子３００を構成している。
圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０からなる。一般的に、圧電素子３００の下電極を共通電極とし、上電極及び圧電体膜７０を圧力発生室１２毎にパターニングする。電極へ電圧を印加して、圧電歪みが圧電体能動部に発生する。圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されている。圧電素子３００と、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が形成される。弾性膜５０、絶縁体膜５５が振動板としての役割を果たす。
弾性膜５０上に、例えば、ＲＦスパッタ法やＤＣスパッタ法等のスパッタ法により絶縁体膜５５が形成される。弾性膜５０は酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜から、絶縁体膜５５は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜からなる。
圧電素子３００を構成する圧電体膜７０を形成する材料としては、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や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その組成は、圧電素子３００の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよい。例えば、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（Ｓｃ1/3Ｔａ1/2）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎｂ1/2）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。
流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接着されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護される。
保護基板３０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３２が設けられている。このリザーバ部３２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、その連通部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。
保護基板３０のリザーバ部３２と圧電素子保持部３１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は、その端部近傍が貫通孔３３内で露出されている。このような保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等である。流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることが好ましく、例えば、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板で形成されることが好ましい。
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。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。
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。
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。
インクジェット式記録ヘッドは、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、図示しない駆動ＩＣ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、圧電素子３００及び振動板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からインクが吐出する。
下部電極は、イリジウムの単膜、白金の単膜、イリジウムと白金との合金からなる膜、あるいは、イリジウム膜／白金膜、白金膜／イリジウム膜、イリジウム膜／白金膜／イリジウム膜といった積膜構造として構成されることが好ましい。上部電極は、通常電極として用いることができる導電性材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｐｔ、ＲｕＯ2、Ｉｒ、ＩｒＯ2等の単膜膜又はＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ｐｔ／ＴｉＮ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、ＲｕＯ2／ＴｉＮ、ＩｒＯ2／Ｉｒ、ＩｒＯ2／ＴｉＮ等の２膜以上の積層膜であってもよい。
次にインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、説明する。図３乃至図５は、圧力発生室１２の長手方向の断面図を示したものである。図３（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０及びマスク膜５１となる、酸化シリコン膜５２を形成する。
図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０となる、酸化シリコン膜５２上に絶縁体膜５５を形成する。すなわち、弾性膜５０上にＤＣスパッタ法でジルコニウム（Ｚｒ）膜を形成した後、９００℃以上１２００℃以下の非酸素雰囲気下の熱拡散炉で第１の熱処理を行い、次いで、１０００℃〜１１００℃において熱拡散炉で熱酸化(第２の熱処理)を行い、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）膜である絶縁体膜５５を形成する。この時、図５に示すように、ジルコニウム膜は、酸化シリコン膜５２にＺｒが拡散した拡散膜５５Ａと酸化ジルコニウム膜５５Ｂになる。酸化シリコン膜の膜厚に対するジルコニウム膜の膜厚の比は、１：１〜４：１であり、ジルコニウム膜の好適な膜厚は、３００ｎｍである。拡散膜の膜厚は、好適には、２〜４０ｎｍであり、酸化ジルコニウムの膜厚は、好適には、４００ｎｍである。
次に、図５に示すように、酸化ジルコニウム膜５５Ｂの上に、酸化ジルコニウムに対して密着性を有する金属として好適な、チタンをＤＣスパッタ法で積層する。次いで、９００℃〜１２００℃にて熱拡散炉で熱処理して、チタンを酸化ジルコニウム５５Ｂに拡散させる。その結果、チタンが酸化ジルコニウム膜に拡散した拡散膜５６Ｄとチタン膜５６Ｅが形成される。チタン拡散膜の好適な膜厚は、２〜１０ｎｍであり、チタン膜の好適な膜厚は、５〜100ｎｍである。
次に、例えば、白金とイリジウムとをチタン膜５６Ｅ上に、ＤＣスパッタ法で積膜することにより、図３（ｃ）に示す如く、下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。次いで、図３（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体膜７０を、 記載のゾルーゲル法によって形成し、次いで、イリジウムからなる上電極膜８０をＤＣスパッタ法によって、流路形成基板１０の全面に形成する。
次に、図４（ａ）に示すように、圧電体膜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することで、圧電素子３００を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜を形成した後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示しない）を介して金属膜を圧電素子３００毎にパターニングすることでリード電極９０が形成される。
次いで、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面に保護基板３０を接着剤３５によって接着した後、図４（ｃ）に示すように、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介して流路形成基板１０の他方面を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２、インク供給路１４及び連通部１３を形成する。次に、保護基板３０のリザーバ部３２と流路形成基板１０の連通部１３とを連通させることで、リザーバ部３２と連通部１３とからなるリザーバ１００を形成する。
流路形成基板１０にマスク膜５１を介してノズルプレート２０を接合すると共に保護基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板１０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、インクジェット式記録ヘッドとなる。
次に、既述のアクチュエータについて、ＳｉＯ2膜５２とＺｒＯ2膜５５との接着強度の試験を行った。この試験において、ＳｉＯ2膜５２の膜厚は1000nmであり、Ｚｒ膜（５５Ａ＋５５Ｂ）５５の膜厚は200nmである。熱処理の結果、Ｚｒ拡散膜５５Ａの膜厚は、10nmである。スクラッチ試験(測定針曲率半径：５μｍ)の結果は、３００−３５０ｍＮであった。これに対して、Ｚｒの熱拡散処理を行わないで、ＳｉＯ2膜５２上にＺｒＯ2膜５５を形成した場合の結果は、２００-２５０ｍＮであった。
さらに、既述のアクチュエータについて、ＺｒＯ2膜５５と下電極の接着強度の試験を行った。この試験において、チタンが酸化ジルコニウム膜に拡散した拡散膜５６Ｄとチタン膜５６Ｅのそれぞれの膜厚は、拡散膜５６Ｄは、2nm、チタン膜５６Ｅは、50nmである。スクラッチ試験(測定針曲率半径：５μｍ)の結果は、１５０ｍＮ以上であった。これに対して、ＺｒＯ2膜５５にチタンの熱拡散処理を行わないで、下電極６０をＺｒＯ2膜５５上に形成した場合の結果は、１００ｍＮ以下であった。
こ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６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。
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。
駆動モータ６の駆動力が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。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。
液体噴射ヘッドは、既述のものに限定されるものではなく、インク以外の液体を噴射するものにも適用することができる。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。
本発明は、液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）に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できる。例えば、センサーにも適用することができる。
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 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、 ３５ 接着剤膜、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体膜、 ８０ 上電極膜、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子
Claims (5)
- シリコン基板の一方面側に振動板となる酸化膜を形成し、当該振動板を介して下電極、圧電体膜及び上電極からなる圧電素子を所定のパターンで形成してなるアクチュエータ装置の製造方法において、
前記基板上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜上にジルコニウムからなる膜を形成する工程と、
前記ジルコニウム膜の一部を前記酸化シリコン膜に拡散させる工程と、
前記ジルコニウム膜を酸化して酸化ジルコニウム膜を形成する工程と、
前記酸化ジルコニウム膜上に、当該酸化ジルコニウム膜と前記下電極に対して密着性を有する金属からなる膜を形成する工程と、
前記金属膜の一部を前記酸化ジルコニウム膜に拡散する工程と、
前記金属膜上に下電極を形成する工程と、
前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に上電極を形成する工程と、
を備える、アクチュエータ装置の製造方法。 - 前記金属が、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの少なくとも一つ又は２種以上の合金である、請求項１記載の製造方法。
- 前記ジルコニウムを前記酸化シリコン膜に熱拡散させる、請求項１記載の製造方法。
- 前記金属を前記酸化ジルコニウム膜に熱拡散させる、請求項１記載の製造方法。
- 請求項１乃至４のいずれか記載の前記工程に加えて、前記基板の他方面側に、圧力発生室を形成する工程と、これに連通するノズル開口を有するノズルプレートを接合する工程とを、備える液体噴射ヘッドの製造方法。
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| JP2009033148A (ja) * | 2007-07-05 | 2009-02-12 | Seiko Epson Corp | 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 |
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