JP2008001038A

JP2008001038A - 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

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Publication number: JP2008001038A
Application number: JP2006174495A
Authority: JP
Inventors: 剛 ▲斉▼藤; Takeshi Saito
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】下電極の剛性、圧電素子の変位特性及び密着性を向上して駆動耐久性及び信頼性を向上した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を提供する。
【解決手段】基板１１０上にチタンと白金とを主成分とする混合層又は合金層６２を少なくとも有する下電極６０を形成する工程と、該下電極６０上に圧電材料からなる圧電体前駆体膜７１を形成すると共に該圧電体前駆体膜７１を焼成して結晶化させた圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成し、前記下電極６０全体でのチタンの存在比に対する白金の存在比の比率を１．０〜６．５とする工程と、前記圧電体層７０上に上電極を形成する工程とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板上に変位可能に設けられた圧電素子を有するアクチュエータ装置の製造方法に関し、特に、液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法に関する。

アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体層を、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。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、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等がある。

また、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の製造方法としては、振動板上に下電極膜として、チタン（Ｔｉ）からなる密着層と、イリジウム（Ｉｒ）と白金（Ｐｔ）とを含む金属材料とを順次積層して形成し、この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圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させて圧電体層を形成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、下電極として、チタンからなる密着層と、白金及びイリジウムを含む金属材料とを用いた場合、下電極上に圧電体層を焼成により形成した際に下電極も同時に加熱され、密着層のチタンが金属材料（特に白金）の粒界に沿って拡散し、しかも、この拡散が下電極の面内方向で均一に行われないため、下電極の面内方向での組成分布を均一にすることができず、下電極の剛性、下電極上に形成する圧電体層の配向性、下電極と基板との密着性及び下電極と圧電体層との密着性等にばらつきが生じてしまい、これらが低下してしまうという問題がある。

また、圧電素子の下電極膜として、チタンと白金との合金を用いたものや、白金ターゲットと酸化チタンターゲットとを用いたスパッタリング法により、白金（９９重量％）と酸化チタン（１重量％）との混合層を用いたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２のチタンと白金との合金を用いた構成では、圧電体層を焼成した後の白金とチタンとの比率が明示されておらず、チタンが白金よりも多いと、製造工程中において層間剥離等が発生してしまうという問題がある。また、特許文献２の酸化チタンを用いた構成では、下電極膜中に含まれる酸化チタンは１重量％であるため、下電極膜は実質的に白金で構成されており、下電極膜と基板との密着性及び下電極膜と圧電体層との密着性が低下し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に用いられるアクチュエータ装置の製造方法だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられるアクチュエータ装置の製造方法においても同様に存在する。

特開２００６−２１３９２号公報（第６〜７頁、第３〜５図）特開平１０−８１０１６号公報（段落［００６３］、［０１４１］等）

本発明はこのような事情に鑑み、下電極の剛性、圧電素子の変位特性及び密着性を向上して駆動耐久性及び信頼性を向上した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、基板上にチタンと白金とを主成分とする混合層又は合金層を少なくとも有する下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電材料からなる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た圧電体膜からなる圧電体層を形成し、前記下電極全体でのチタンの存在比に対する白金の存在比の比率を１．０〜６．５とする工程と、前記圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備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１の態様では、圧電体層を焼成する前の下電極として、チタンと白金とを主成分とする合金からなる混合層又は合金層を設けることで、圧電体層を焼成した後で下電極の面内方向におけるチタンと白金との組成分布を均一にすることができる。これにより、圧電体層の結晶配向性を向上することができる。また、圧電体層を形成した後、下電極の面内方向における組成分布を均一にすることができるため、下電極の剛性を向上して、繰り返し駆動による駆動耐久性を向上することができる。さらに、下電極膜の組成分布を均一にすることで、下電極と圧電体層との密着性及び下電極と基板との密着性を向上することができる。

本発明の第２の態様は、前記混合層又は前記合金層をスパッタリング法により形成することを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第２の態様では、白金とチタンとを主成分とする合金からなる合金層又は混合層を所望の比率で容易に形成することができる。

本発明の第３の態様は、前記圧電体層を形成する工程では、前記圧電体前駆体膜を塗布する塗布工程と、当該圧電体前駆体膜を乾燥する乾燥工程と、前記圧電体前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させた前記圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を繰り返し行って前記圧電体層を形成することを特徴とする第１又は２の態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第３の態様では、結晶配向性に優れ、変位特性に優れた圧電体層を得ることができる。

本発明の第４の態様は、前記下電極を形成する工程では、前記基板上に振動板を形成した後、該振動板上に前記下電極を形成することを特徴とする第１〜３の何れかの態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第４の態様では、振動板を介して圧電素子が変位可能となると共に、振動板上に圧電素子を良好に形成することができる。

本発明の第５の態様は、前記振動板が、前記基板側に設けられた酸化シリコンを主成分とする弾性膜と、該弾性膜上に設けられた酸化ジルコニウムを主成分とする絶縁体膜とを含むことを特徴とする第４の態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第５の態様では、絶縁体膜からなる振動板と下電極との密着性を向上することができると共に、絶縁体膜上に下電極を良好に成膜することができる。

本発明の第６の態様は、前記下電極を形成する工程では、前記基板上に密着層を形成した後、該密着層上に前記混合層又は前記合金層を形成することを特徴とする第１〜５の何れかの態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第６の態様では、下電極と基板との密着性を向上して、圧電素子の駆動による駆動耐久性を向上することができる。

本発明の第７の態様は、前記密着層が、チタンを主成分としたものであることを特徴とする第６の態様のアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第７の態様では、下電極と基板との密着性を向上することができると共に、チタンからなる密着層が下電極中に拡散しても、白金とチタンとを主成分とする合金からなる合金層又は混合層によって、面内での組成分布を均一にすることができる。

本発明の第８の態様は、前記下電極を形成する工程では、前記混合層又は前記合金層上に拡散防止層を形成することを特徴とする第１〜７の何れかの態様の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、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びオスミウム（Ｏｓ）等からなる拡散防止層を設けることによって、圧電体層を結晶化させる際に、下電極の成分が圧電体層に拡散するのを防止することができると共に、圧電体層の成分が下電極に拡散するのを防止して、変位特性の優れた圧電素子を得ることができる。

本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様の製造方法によって、液体を噴射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の一方面に、前記アクチュエータ装置を形成する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９の態様では、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。

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に係る液体噴射ヘッドの一例であ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、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ０．５〜２．０μｍ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。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。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部３１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。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。

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、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられるマスク膜５１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、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、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１．１μｍの圧電体層７０と、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アクチュエータ装置と称する。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が、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としても良い。

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、絶縁体膜５５上に設けられたチタン（Ｔｉ）からなる密着層と、密着層上に白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）とを主成分とする合金からなる合金層又は白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）とが混合された金属材料を主成分とする混合層と、この混合層又は合金層上に拡散防止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を焼成して結晶化させた際に下電極膜６０も同時に加熱処理されて形成されている。なお、ここで言う「合金層」とは、金属元素と他の金属元素とが金属結合している層のことを言い、また、「混合層」とは、金属元素と他の金属元素とが金属結合していない層のことを言う。

このような下電極膜６０は、圧電体層７０を形成した後の下電極膜６０全体でのチタン（Ｔｉ）の存在比に対する白金（Ｐｔ）の存在比の比率は、１．０〜６．５となっている。このように下電極膜６０全体におけるチタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）との存在比に関する比率を所定の範囲にすることによって、詳しくは後述する製造工程中に下電極膜６０の層間剥離や、下電極膜６０と絶縁体膜５５との間及び下電極膜６０と圧電体層７０との間に剥離が発生するのを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３５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。圧電素子保持部３２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２００が固定されている。この駆動回路２００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２００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２１０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。

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２００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（ＳｉＯ_２）からなる二酸化シリコン膜５２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５２）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５２）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、密着層６１、合金層６２及び拡散防止層６３からなる下電極膜６０を形成する。具体的には、まず、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）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びタングステン（Ｗ）からなる群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。このように下電極膜６０の最下層に密着層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、密着層６１上に白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）とを主成分とする合金からなる合金層６２を形成する。合金層６２は、例えば、白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との合金ターゲットを用いたスパッタリング法により成膜することができる。なお、本実施形態では、下電極膜６０に白金とチタンとの合金からなる合金層を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、下電極膜６０に白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）とが混合された金属材料を主成分とする混合層を設けるようにしてもよい。このような混合層は、例えば、同時に２つ以上のスパッタリングターゲットを用いることができるマルチチャンバを有するスパッタリング装置によって、白金ターゲットとチタンターゲットとを同時に成膜するマルチスパッタリング法により成膜することができる。なお、合金層６２又は混合層の形成方法は、スパッタリング法に限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ法（化学蒸着法）等により形成するようにしてもよい。

また、このような合金層６２を有する下電極膜６０は、詳しくは後述する圧電体層７０を焼成により結晶化させる際に同時に加熱処理される。このとき、本実施形態では、密着層６１として、白金（Ｐｔ）に熱拡散されるチタン（Ｔｉ）を用いたため、チタン（Ｔｉ）からなる密着層６１は、合金層６２を構成する白金（Ｐｔ）の粒界に沿って拡散してしまうものの、下電極膜６０の面内方向での白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との組成分布を均一にすることができる。すなわち、圧電体層７０を形成した際の加熱によって、密着層６１のチタンが合金層６２の白金の粒界に沿って拡散したとしても、予め白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）とが均一に分布された合金からなる合金層６２を設けているため、下電極膜６０の面内方向での白金とチタンとの組成分布に殆ど影響を与えることがなく、下電極膜６０の面内方向での白金とチタンとの組成分布を均一にすることができる。これにより、流路形成基板用ウェハ１１０の面内方向で不均一に拡散されるのを防止することができ、圧電体層７０形成後の下電極膜６０の剛性、圧電体層７０の結晶配向性、下電極膜６０と圧電体層７０との密着性及び下電極膜６０と流路形成基板用ウェハ１１０（絶縁体膜５５）との密着性を向上することができる。

また、圧電体層７０を加熱して結晶化させた後、下電極膜６０全体でのチタンに対する白金の比率は、１．０〜６．５となるようにする。すなわち、本実施形態では、下電極膜６０を形成した際に、チタンからなる密着層６１と、白金及びチタンの合金からなる合金層６２とを設けたため、下電極膜６０全体で、チタンの存在比に対する白金の存在比の比率が１．０〜６．５となるように、密着層６１及び合金層６２の膜厚や、合金層６２として用いる合金のチタンに対する白金の含有率等を適宜規定するのが好ましい。

本実施形態では、密着層６１を２０μｍの厚さで設け、チタンの存在比に対する白金の存在比の比率が１．０となる合金層６２を５０〜５００ｎｍ、本実施形態では、１３０ｎｍの厚さで設けた。

このように、圧電体層７０を形成した後の下電極膜６０全体の白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）との比率を規定することで、製造工程途中での下電極膜６０と流路形成基板用ウェハ１１０（絶縁体膜５５）及び圧電体層７０との剥離や、下電極膜６０内での層間剥離を防止することができる。すなわち、下電極膜６０全体で白金よりもチタンの方が多いと、製造工程中で剥離が発生してしまうからである。

次いで、合金層６２上に、拡散防止層６３を形成する。これにより、密着層６１、合金層６２及び拡散防止層６３からなる下電極膜６０が形成される。なお、拡散防止層６３は、後の工程で圧電体層７０を焼成して結晶化させて形成する際に、密着層６１の成分が圧電体層７０に拡散するのを防止すると共に圧電体層７０の成分が下電極膜６０に拡散するのを防止するためのものである。このような拡散防止層６３としては、厚さが５〜２０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びオスミウム（Ｏｓ）からなる群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、拡散防止層６３として、厚さ１０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）を用いた。

次いで、図３（ｄ）に示すように、下電極膜６０上にチタン（Ｔｉ）からなる種チタン層６４を形成する。この種チタン層６４は、３．５〜５．５ｎｍの厚さで形成する。なお、種チタン層６４の厚さは、４．０ｎｍが好ましい。本実施形態では、種チタン層６４を４．０ｎｍの厚さで形成した。

また、このように形成される種チタン層６４は、その膜密度（Ｔｉ密度）ができるだけ高い方が好ましく、少なくとも４．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが望ましい。種チタン層６４の膜密度が高いほど時間経過に伴い表面に形成される酸化層の厚さは薄く抑えられ、圧電体層７０の結晶が良好に成長するからである。なお、種チタン層６４の膜密度は、厚さに関係なく成膜条件によって決まる。さらに、種チタン層６４は非晶質であることが好ましい。具体的には、種チタン層６４のＸ線回折強度、特に、（００２）面のＸ線回折強度（ＸＲＤ強度）が実質的に零となっていることが好ましい。このように種チタン層６４が非晶質であると、種チタン層６４の膜密度が高まり表層に形成される酸化層の厚みが薄く抑えられ、その結果、圧電体層７０の結晶をさらに良好に成長させることができるからである。

このように下電極膜６０の上に種チタン層６４を設けることにより、後の工程で下電極膜６０上に種チタン層６４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、種チタン層６４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、このような下電極膜６０の各層６１〜６３及び種チタン層６４は、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の合金層６２、拡散防止層６３及び種チタン層６４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の合金層６２、拡散防止層６３及び種チタン層６４を連続成膜することによって、下電極膜６０の合金層６２、拡散防止層６３及び種チタン層６４の密着力を高めて下電極膜６０内の層間剥離を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４（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（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分間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（脱脂工程）。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４（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。このように、圧電体膜７２を焼成により形成する際には、圧電体前駆体膜７１を３０分以上加熱するのが好ましい。これにより優れた特性の圧電体膜７２を得ることができる。

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、図４（ｃ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階で、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。

ここで、例えば、下電極膜６０の上に種チタン層６４を形成した後にパターニングしてから１層目の圧電体膜７２を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして下電極膜６０をパターニングするために種チタン層６４が変質してしまい、変質した種チタン層６４上に１層目の圧電体膜７２を形成しても当該圧電体膜７２の結晶性が良好なものではなくなり、１層目の圧電体膜７２の上に形成される他の圧電体膜７２も、１層目の圧電体膜７２の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体膜７２が形成されない。

それに比べ、１層目の圧電体膜７２を形成した後に下電極膜６０と同時にパターニングすれば、１層目の圧電体膜７２は種チタン層６４に比べて２層目以降の圧電体膜７２を良好に結晶成長させる種（シード）としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても２層目以降の圧電体膜７２の結晶成長に大きな影響を与えない。

そして、パターニング後、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繰り返すことで、図４（ｄ）に示すように複数層の圧電体膜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、例えば、１０層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。

なお、上述のように下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階でこれらを同時にパターニングして、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２の側面を傾斜させることで、２層目の圧電体膜７２を形成する際に、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２が形成された部分とそれ以外の部分との境界近傍において、下地の違いによる２層目の圧電体膜７２の結晶性への悪影響を小さく、すなわち、緩和することができる。これにより、下電極膜６０とそれ以外の部分との境界近傍において、２層目の圧電体膜７２の結晶成長が良好に進み、結晶性に優れた圧電体層７０を形成することができる。また、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２の側面を傾斜させることで、２層目以降の圧電体膜７２を形成する際の付き回りを向上することができる。これにより、密着性及び信頼性に優れた圧電体層７０を形成することができる。

このように、圧電体層７０を焼成して結晶化させる前の下電極膜６０として、チタンと白金とを主成分とした合金からなる合金層６２を設けることで、予め流路形成基板用ウェハ１１０の面内方向で白金とチタンとの組成分布を均一にすることができる。したがって、圧電体層７０を形成した際の加熱による熱拡散によって、密着層６１のチタンが下電極膜６０の面内方向で不均一に拡散されるのを防止することができ、圧電体層７０の結晶配向性を向上することができる。また、圧電体層７０を形成した後、下電極膜６０の面内方向における組成分布を均一にすることができるため、下電極膜６０の剛性を向上して、繰り返し駆動による駆動耐久性を向上することができる。さらに、下電極膜６０の組成分布を均一にすることで、下電極膜６０と圧電体層７０との密着性及び下電極膜６０と流路形成基板用ウェハ１１０（絶縁体膜５５）との密着性を向上することができる。

そして、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示す工程によって圧電体層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（Ｉｒ）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５（ｂ）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５（ｃ）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を接着剤３５を介して接合する。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。そして、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（ａ）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５１を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク膜５１を介して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、圧電素子３００に対応する圧力発生室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。

（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として、チタンからなる密着層６１と、白金とチタンとを主成分とする合金からなる合金層６２と、イリジウムからなる拡散防止層６３とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、下電極膜に密着層６１を設けないようにしてもよい。このような場合であっても、下電極膜に白金とチタンとを主成分とする合金からなる合金層又は混合層を用いることで、下電極膜と流路形成基板用ウェハ１１０（絶縁体膜５５）との密着性を向上することができる。

さらに、上述した実施形態１では、合金層６２として、白金とチタンとの合金を例示したが、合金層及び混合層は、白金及びチタンを主成分とする合金又は混合された金属材料であればよく、例えば、合金層及び混合層に白金及びチタン以外の金属や酸化物等が含有されていてもよい。

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の製造方法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（電界放出ディスプレー）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。

また、本発明は、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に搭載されるアクチュエータ装置の製造方法に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置の製造方法にも適用することができる。

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。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。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。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。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。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。

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合金層、６３拡散防止層、６４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、２００駆動回路、２１０接続配線、３００圧電素子

Claims

基板上にチタンと白金とを主成分とする混合層又は合金層を少なくとも有する下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電材料からなる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た圧電体膜からなる圧電体層を形成し、前記下電極全体でのチタンの存在比に対する白金の存在比の比率を１．０〜６．５とする工程と、前記圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
前記混合層又は前記合金層をスパッタリング法により形成することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記圧電体層を形成する工程では、前記圧電体前駆体膜を塗布する塗布工程と、当該圧電体前駆体膜を乾燥する乾燥工程と、前記圧電体前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させた前記圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を繰り返し行って前記圧電体層を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記下電極を形成する工程では、前記基板上に振動板を形成した後、該振動板上に前記下電極を形成することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記振動板が、前記基板側に設けられた酸化シリコンを主成分とする弾性膜と、該弾性膜上に設けられた酸化ジルコニウムを主成分とする絶縁体膜とを含むことを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記下電極を形成する工程では、前記基板上に密着層を形成した後、該密着層上に前記混合層又は前記合金層を形成することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記密着層が、チタンを主成分としたものであることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ装置の製造方法。
前記下電極を形成する工程では、前記混合層又は前記合金層上に拡散防止層を形成することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のアクチュエータ装置の製造方法。
請求項１〜８の何れかに記載の製造方法によって、液体を噴射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の一方面に、前記アクチュエータ装置を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。