JP2009076687A - 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】信頼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を提供する。
【解決手段】流路形成基板用ウェハ１１０の表面に下電極６０を形成し、第３圧電体層７３を焼成する温度よりも低い焼成温度で第１圧電体層７１を下電極６０上に形成し、下電極６０及び第１圧電体層７１を同時にパターニングし、その後、第３圧電体層７３を焼成する温度よりも低い焼成温度で第２圧電体層７２を第１圧電体層７１を含む流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、その後、複数の圧電体膜７５からなる第３圧電体層７３を形成し、該第３圧電体層７３上に上電極を形成する。
【選択図】 図５
【解決手段】流路形成基板用ウェハ１１０の表面に下電極６０を形成し、第３圧電体層７３を焼成する温度よりも低い焼成温度で第１圧電体層７１を下電極６０上に形成し、下電極６０及び第１圧電体層７１を同時にパターニングし、その後、第３圧電体層７３を焼成する温度よりも低い焼成温度で第２圧電体層７２を第１圧電体層７１を含む流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、その後、複数の圧電体膜７５からなる第３圧電体層７３を形成し、該第３圧電体層７３上に上電極を形成する。
【選択図】 図５
Description
本発明は、基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を有するアクチュエータ装置の製造方法及びアクチュエータ装置を液体噴射手段として有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、結晶化した誘電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛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。
このような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としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体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。
この圧電体層（圧電体膜）としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体が用いられている。このような圧電体層は、例えば次のように形成される。まず、下電極上にスパッタ等によりチタン結晶を形成し、このチタン結晶状にゾル−ゲル法により１層目の圧電体前駆体膜を形成すると共にこの圧電体前駆体膜を焼成して１層目の圧電体膜を形成する。そして、１層目の圧電体膜上にチタン結晶を更に形成し、このチタン結晶上に２層目以降の圧電体膜を順次積層することで所定の厚さの圧電体層が形成される（たとえば、特許文献１参照）。
しかしながら、このような圧電体層には、下電極と１層目の圧電体膜との界面近傍・１層目の圧電体膜と２層目の圧電体膜との界面近傍にチタン濃度の高い領域（組成不安定相）が形成されてしまう。圧電体膜はチタン濃度が高いと歪み難いという性質を有しているので、圧電体層の歪みは組成不安定相により阻害され、この結果、安定した変位特性を有するアクチュエータ装置を得ることができないという問題がある。
更に、圧電体層は、前述した界面近傍の組成不安定相では歪み難く、組成不安定相以外の他の領域では歪み易くなっているため、組成不安定相と他の領域との間に応力差が生じる。この結果、圧電体層にクラック等が発生し、信頼性の低下を招くという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、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目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上にチタン、ジルコニウム及び鉛を含む圧電体前駆体膜を形成すると共に前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜を形成する工程を繰り返し行って菱面体晶系の結晶構造を有する複数の圧電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に第１圧電体層と、該第１圧電体層上に第２圧電体層と、該第２圧電体層上に第３圧電体層とを形成する際、前記下電極を形成した後、前記下電極上に種チタン層を形成し、その後、該種チタン層上に前記第３圧電体層の焼成温度よりも低い温度で焼成することにより前記第１圧電体層を形成すると共に、前記第１圧電体層を形成した後、前記第１圧電体層上に中間種チタン層を形成し、その後、該中間種チタン層上に前記第３圧電体層の焼成温度よりも低い温度で焼成することにより前記第２圧電体層を形成すると共に、該第２圧電体層上に１層以上の圧電体膜を積層して第３圧電体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。
かかる態様では、第１圧電体層及び第２圧電体層を第３圧電体層の焼成温度よりも低温で焼成することで、圧電体層に組成不安定相ができることを防止し、アクチュエータ装置の変位特性の向上を図ることができると共に、信頼性を向上できる。
かかる態様では、第１圧電体層及び第２圧電体層を第３圧電体層の焼成温度よりも低温で焼成することで、圧電体層に組成不安定相ができることを防止し、アクチュエータ装置の変位特性の向上を図ることができると共に、信頼性を向上できる。
また、前記第１圧電体層を、前記種チタン層の厚さの５〜４０倍の厚さに形成すると共に摂氏６３０度〜６８０度で焼成し、前記第２圧電体層を、前記中間種チタン層の厚さの５〜４０倍の厚さに形成すると共に摂氏６３０度〜６８０度で焼成することが好ましい。これによれば、組成不安定相の形成を防止すると共に、第１圧電体層のチタン濃度を約６０％程度にすることができる。
また、前記第１圧電体層を形成した後、前記下電極と前記第１圧電体層とを同時にパターニングする工程を更に具備し、前記圧電体層を形成する工程では、パターニングされた前記第１圧電体層を含む前記基板上に前記中間チタン層を形成した後、前記第２圧電体層と前記第３圧電体層と前記上電極とを順次積層することが好ましい。これによれば、良好な結晶性を有する圧電体層を形成することができる。
さらに、本発明の他の態様は、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と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせて前記ノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記液体噴射手段を請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のアクチュエータ装置の製造方法で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。
かかる態様では、液体噴射特性を向上して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。
かかる態様では、液体噴射特性を向上して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。
（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、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がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４（液体供給路）と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。
インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、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。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。
すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
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、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という。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。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、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。また、本実施形態の圧電体層７０は、菱面体晶系（rhombohedral）の結晶構造を有するものである。このようなＰＺＴからなる圧電体層７０は、ゾル−ゲル法又はＭＯＤ法により複数層の圧電体膜が積層されて形成される。
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。
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１２０が固定されている。この駆動回路１２０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１２０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１２１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１２０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８を参照して説明する。なお、図３〜図８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製造方法を示す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の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる二酸化シリコン膜５１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。
次いで、図３（ｃ）に示すように、白金（Ｐｔ）の単層又は、この白金（Ｐｔ）層にイリジウム（Ｉｒ）層を積層、合金化した下電極膜６０を形成する。
次いで、図４（ａ）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６１を形成する。本実施形態では、種チタン層６１の膜厚は約４ｎｍとした。また、種チタン層６１は非晶質であることが好ましい。具体的には、種チタン層６１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６１が非晶質であると、種チタン層６１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６１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６１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６１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及び種チタン層６１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。
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、金属有機物を溶媒に溶解・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の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法を用いてもよい。
圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図４（ｂ）に示すように、下電極膜６０（種チタン層６１）上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７４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上にチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及び鉛（Ｐｂ）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７４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７４を１５０〜１７０℃で５〜１０分間保持することで乾燥することができる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜７４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７４を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約５〜１０分間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７４に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ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１５℃／ｓｅｃ以上とするのが好ましい。
次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７４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７５を形成する（焼成工程）。本実施形態では、１層目の圧電体膜７５が、第１圧電体層７１となる。この焼成工程では、後述する３層目以降の圧電体前駆体膜７４の焼成温度（摂氏６８０度〜８５０度。詳細は後述する。）よりも低い温度で焼成する。具体的には、１層目の圧電体前駆体膜７４を６３０〜６８０℃に加熱することが好ましい。また、焼成工程では、昇温レートを９０〜１１０℃／ｓｅｃとすることが好ましい。
また、塗布工程において種チタン層６１上に塗布される１層目の圧電体前駆体膜７４の膜厚は特に限定されないが、焼成工程後の第１圧電体層７１の厚さが、後述する３層目以降の圧電体膜７５よりも薄くなるように１層目の圧電体前駆体膜７４を塗布することが好ましい。本実施形態では、焼成工程後の第１圧電体層７１の厚さが種チタン層６１の厚さの５〜４０倍となるようにゾルを塗布して１層目の圧電体前駆体膜７４を形成する。
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。
次に、図５（ａ）に示すように、下電極膜６０上に第１圧電体層７１を形成した段階で、下電極膜６０及び第１圧電体層７１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。なお、下電極膜６０及び第１圧電体層７１のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
ここで、例えば、下電極膜６０の上に種チタン層６１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７５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６１が変質してしまい、変質した種チタン層６１上に圧電体膜７５を形成しても当該圧電体膜７５の結晶性が良好なものではなくなり、１層目の圧電体膜７５の上に形成される２層目以降の圧電体膜７５も、１層目の圧電体膜７５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層７０を形成することができない。また、下電極膜６０をパターニングしてから１層目の圧電体膜７５を焼成する際に、下地として下電極膜６０が存在する領域と存在しない領域とが混在し、下地の違いから１層目の圧電体膜７５の加熱を面内で均一化することができず、結晶性にばらつきが生じてしまうという。
それに比べて、下電極膜６０上に１層目の圧電体膜７５を形成してから、同時にパターニングすれば、良好な結晶性を有する圧電体層７０を形成することができる。
次に、図５（ｂ）に示すように、第１圧電体層７１上を含む流路形成基板用ウェハ１１０の全面に、再びチタン（Ｔｉ）からなる中間チタン層６２を形成後、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行うことにより、図５（ｃ）に示すように２層目の圧電体膜７５が形成される。この２層目の圧電体膜７５が第２圧電体層７２となる。また、この焼成工程では、１層目の圧電体前駆体膜７４と同様に、後述する３層目以降の圧電体前駆体膜７４の焼成温度（摂氏６８０度〜８５０度。詳細は後述する。）よりも低い温度で焼成する。具体的には、圧電体前駆体膜７４を６３０〜６８０℃に加熱することが好ましい。また、焼成工程では、昇温レートを９０〜１１０℃／ｓｅｃとすることが好ましい。
また、塗布工程において中間チタン層６２上に塗布される圧電体前駆体膜７４の膜厚は特に限定されないが、焼成工程後の第２圧電体層７２の厚さが、後述する３層目以降の圧電体膜７５よりも薄くなるように２層目の圧電体前駆体膜７４を塗布することが好ましい。本実施形態では、焼成工程後の第２圧電体層７２の厚さが中間チタン層６２の厚さの５〜４０倍となるようにゾルを塗布して２層目の圧電体前駆体膜７４を形成する。
次に、図５（ｄ）に示すように、第２圧電体層７２の上に、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繰り返し行うことにより、複数層の圧電体膜７５が形成される。この３層目以降の複数層の圧電体膜７５が第３圧電体層７３となる。また、この焼成工程では、１層目及び２層目の圧電体前駆体膜７４の焼成温度よりも高い温度で焼成する。具体的には、３層目以降の圧電体前駆体膜７４を６８０〜８５０℃に加熱することが好ましい。また、焼成工程では、昇温レートを９０〜１１０℃／ｓｅｃとすることが好ましい。なお、塗布工程における３層目以降の各圧電体前駆体膜７４の膜厚は、０．１μｍとした。
次に、図６（ａ）に示すように、圧電体層７０上に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を形成する。
次に、図６（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。圧電体層７０及び上電極膜８０のパターニング方法としては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。
次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図６（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７（ａ）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。
次に、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。
次いで、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０にマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク膜５２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、インク供給路１４及び連通路１５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。
上述したように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの圧電体層７０は、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を第３圧電体層７３よりも低い温度で焼成した。これにより、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との界面近傍での組成不安定相の形成を防止できる。このことは、次の知見に基づいている。
図９は、圧電体層のチタン濃度と下電極からの距離との関係を示すグラフである。図９（ａ）〜（ｃ）は、塗布するゾルの厚さを０．１μｍとし、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繰り返し行ったものである。また、焼成工程における焼成温度については、図９（ａ）は摂氏６８０度、図９（ｂ）は摂氏７００度、図９（ｃ）は摂氏７８０度である。
このグラフは、圧電体層の厚さ方向における下電極（ＢＥ）からの距離を横軸とし、ジルコニウム（Ｚｒ）に対するチタン（Ｔｉ）の割合、すなわちＺｒ／Ｔｉ（モル比）におけるチタンの割合（チタン濃度）を縦軸としたものである。また、同図の「１Ｌ」は、下電極上の１層目の圧電体層を示している。同様に、「２Ｌ」以降は２層目以降の圧電体層を示している。
図９（ａ）に示すように、摂氏６８０度で焼成した場合、１層目の圧電体層と２層目の圧電体層との界面近傍（図中、ＢＥからの距離が１２０ｎｍ付近）では、突出して高いチタン濃度の組成不安定相は形成されていない。一方、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、摂氏７００度及び摂氏７８０度で焼成した場合、１層目の圧電体層と２層目の圧電体層との界面近傍では、チタン濃度が突出しており組成不安定相が形成されている。このように、組成不安定相の形成は焼成温度に依存していることが分かる。
また、良好な変位特性を有するアクチュエータ装置を製造するためには、チタン濃度が図９（ａ）に示すラインＭ（チタン濃度約５０％）上にあることが望ましい。しかしながら、図９（ａ）に示すように、１層目の圧電体層においては、チタン濃度はラインＭを上回り６０％前後となっており、この結果、アクチュエータ装置の変位特性が若干低下することとなる。
次に、上述した知見に基づく本発明により製造されたアクチュエータ装置の圧電体層について説明する。図１０（ａ）は、本実施形態に係る圧電体層のチタン濃度と下電極からの距離との関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、従来技術に係る圧電体層のチタン濃度と下電極からの距離との関係を示すグラフである。これらのグラフの縦軸・横軸は図９と同様である。なお、従来技術に係る圧電体層は、塗布するゾルの厚さを０．１μｍとし、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繰り返し行ったものであり、焼成温度は各圧電体膜共通して摂氏７４０度である。
図１０（ａ）に示すように、本実施形態に係る圧電体層のチタン濃度は、下電極６０近傍で最も高く（約９０％）、第１圧電体層７１（１Ｌ）と第２圧電体層７２（２Ｌ）との界面近傍に向けて漸減している。この界面近傍におけるチタン濃度は、本実施形態では約６０％となっている。一方、図１０（ｂ）に示すように、従来技術に係る圧電体層は１層目の圧電体層（１Ｌ）と２層目の圧電体層（２Ｌ）との間に高いチタン濃度の組成不安定層が形成されてしまっている。このように、本実施形態に係るアクチュエータ装置の製造方法によれば第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との界面近傍には組成不安定相が形成されないためアクチュエータ装置は安定した変位特性を有し、良好な液体吐出特性を有する液体噴射ヘッドを得ることができる。
さらに、従来技術に係る圧電体層では、１層目の圧電体層のチタン濃度は、膜厚の中間付近では約５０％となっており、１層目の圧電体膜と２層目の圧電体膜との界面近傍で急激に高チタン濃度となっている。このため、１層目と２層目の圧電体膜との間で応力差が生じ、界面で割れ易い。一方、本実施形態に係る圧電体層では、このような急激なチタン濃度の変化はないので、それに伴う応力差は生じず、割れも生じない。この結果、信頼性の高いアクチュエータ装置を得ることができる。
また、前記したように、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を摂氏６３０度〜６８０で焼成するとチタン濃度は約６０％程度となりアクチュエータ装置の変位特性は若干低下する。しかし、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を第３圧電体層７３よりも薄く形成したので、圧電体層７０の変位特性が低下した領域を最小限とすることができる。
なお、第１圧電体層７１の厚さは種チタン層６１の厚さの５〜４０倍としたが、これらの厚さは、種チタン層６１からのチタンが焼成工程により第１圧電体層７１に拡散し、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２との界面近傍でチタン濃度が６０％程度になるように設定した値である。
このように、本実施形態では、圧電体層７０を第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を第３圧電体層の焼成温度よりも低温で焼成することで、圧電体層７０に組成不安定相ができることを防止し、アクチュエータ装置の変位特性の向上を図ることができると共に、信頼性を向上できる。また、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を第３圧電体層７３よりも薄く形成することで、第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を低温で焼成したことによるアクチュエータ装置の変位特性の低下を抑えることができる。これにより、インク吐出特性（液体噴射特性）を向上すると共に信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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、下電極６０及び第１圧電体層７１を形成後、これらを同時にパターニングしたが、特にこれに限定されず、圧電体層７０及び上電極８０を形成した後パターニングしてもよい。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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、下電極６０及び第１圧電体層７１を形成後、これらを同時にパターニングしたが、特にこれに限定されず、圧電体層７０及び上電極８０を形成した後パターニングしてもよい。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、第１圧電体層７１と第２圧電体層７２とを形成する際に用いるゾルとして、ジルコニウムに対するチタンの割合が異なるものを用いるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、ジルコニウムに対するチタンの割合が同一のゾルを用いて第１圧電体層７１及び第２圧電体層７２を形成するようにしてもよい。
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。
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 種チタン層、 ６２ 結晶種、 ７０ 圧電体層、 ７１ 第１圧電体層、 ７２ 第２圧電体層、 ７３ 第３圧電体層、 ７４ 圧電体前駆体膜、 ７５ 圧電体膜、８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子
Claims (4)
- 基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上にチタン、ジルコニウム及び鉛を含む圧電体前駆体膜を形成すると共に前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化して圧電体膜を形成する工程を繰り返し行って菱面体晶系の結晶構造を有する複数の圧電体膜で構成される圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備し、
前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に第１圧電体層と、該第１圧電体層上に第２圧電体層と、該第２圧電体層上に第３圧電体層とを形成する際、
前記下電極を形成した後、前記下電極上に種チタン層を形成し、その後、該種チタン層上に前記第３圧電体層の焼成温度よりも低い温度で焼成することにより前記第１圧電体層を形成すると共に、
前記第１圧電体層を形成した後、前記第１圧電体層上に中間種チタン層を形成し、その後、該中間種チタン層上に前記第３圧電体層の焼成温度よりも低い温度で焼成することにより前記第２圧電体層を形成すると共に、
該第２圧電体層上に１層以上の圧電体膜を積層して第３圧電体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。 - 請求項１に記載するアクチュエータ装置の製造方法において、
前記第１圧電体層を、前記種チタン層の厚さの５〜４０倍の厚さに形成すると共に摂氏６３０度〜６８０度で焼成し、
前記第２圧電体層を、前記中間種チタン層の厚さの５〜４０倍の厚さに形成すると共に摂氏６３０度〜６８０度で焼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。 - 請求項１又は請求項２に記載するアクチュエータ装置の製造方法において、
前記第１圧電体層を形成した後、前記下電極と前記第１圧電体層とを同時にパターニングする工程を更に具備し、
前記圧電体層を形成する工程では、パターニングされた前記第１圧電体層を含む前記基板上に前記中間チタン層を形成した後、前記第２圧電体層と前記第３圧電体層と前記上電極とを順次積層することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 - 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と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせて前記ノズル開口から液体を噴射させる液体噴射手段を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記液体噴射手段を請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のアクチュエータ装置の製造方法で形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
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