JP2009113419A - Manufacturing method of liquid jet head and manufacturing method of piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子の製造方法に関し、特に液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法及び圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle opening and a method for manufacturing a piezoelectric element.
液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる誘電体膜を2つの電極で挟んだ素子であり、誘電体膜は、例えば、結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。 A piezoelectric element used for a liquid ejecting head or the like is an element in which a dielectric film made of a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function is sandwiched between two electrodes. The dielectric film is made of, for example, crystallized piezoelectric ceramics. Has been.
また、インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子は、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上に、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が成膜技術により形成されている。 In addition, a piezoelectric element used in an ink jet recording head is formed by forming a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening. Is formed.
そして、圧電素子を構成する下電極として、チタンからなる密着層と、密着層上に設けられた白金からなる白金層と、白金層上に設けられたイリジウムからなるイリジウム層とを設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、下電極を構成する白金層は、圧電体層を高温の熱処理においても導電性を喪失しない材料として選定され、また、イリジウム層は、圧電体層を形成する際の高温の熱処理により圧電体層を構成する成分が下電極中に拡散することを防止する拡散防止層として機能する。 And what provided the adhesion layer which consists of titanium, the platinum layer which consists of platinum provided on the adhesion layer, and the iridium layer which consists of iridium provided on the platinum layer as a lower electrode which constitutes a piezoelectric element It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The platinum layer constituting the lower electrode is selected as a material that does not lose conductivity even when the piezoelectric layer is subjected to high-temperature heat treatment, and the iridium layer is formed by the high-temperature heat treatment when forming the piezoelectric layer. It functions as a diffusion preventing layer for preventing components constituting the layer from diffusing into the lower electrode.
しかしながら、下電極は圧電体層を焼成する際に同時に加熱され、密着層であるチタンが、イリジウム層と白金層との界面に酸化チタンとして形成される。そして、酸化チタンは、イリジウム層と白金層との間に不均一に分布してしまい、白金上の酸化チタンのばらつきによって下電極に局所的な応力集中が生じ、下電極にクラックが発生するなどの破壊が生じてしまうという問題がある。なお、応力集中は、下電極膜が加熱された際の熱膨張や熱収縮、圧電素子の変形によって発生する。 However, the lower electrode is heated at the same time as the piezoelectric layer is fired, and titanium, which is an adhesion layer, is formed as titanium oxide at the interface between the iridium layer and the platinum layer. Titanium oxide is unevenly distributed between the iridium layer and the platinum layer. Due to variations in titanium oxide on platinum, local stress concentration occurs in the lower electrode, and cracks occur in the lower electrode. There is a problem that the destruction of. The stress concentration occurs due to thermal expansion or contraction when the lower electrode film is heated, or deformation of the piezoelectric element.
また、このような問題はインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。さらに、液体噴射ヘッドの圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子だけではなく、その他のデバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。 Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink, but also in a liquid ejecting head that ejects liquid other than ink. Further, not only piezoelectric elements as pressure generating means for causing a pressure change in the pressure generating chamber of the liquid ejecting head but also piezoelectric elements used for other devices.
本発明はこのような事情に鑑み、下電極及び圧電素子の破壊を確実に防止することができる液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a method for manufacturing a liquid ejecting head and a method for manufacturing a piezoelectric element that can reliably prevent the lower electrode and the piezoelectric element from being destroyed.
上記課題を解決する本発明の態様は、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の一方面側にチタンからなる密着層と、該密着層上に白金からなる白金層と、該白金層上にチタンからなるチタン層と、該チタン層上にイリジウムからなる拡散防止層とを積層して下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体前駆体膜を形成して、該圧電体前駆体膜を焼成することにより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ことで、前記下電極、前記圧電体層及び前記上電極からなる圧電素子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。
かかる態様では、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体層を形成する際に、同時に下電極も加熱処理されて、密着層、白金層、酸化チタン層及び酸化イリジウム層で構成される下電極が形成されることで、白金層と酸化イリジウム層との間に酸化チタン層をほぼ均一な膜厚で形成することができる。これにより、白金層上に酸化チタンが不均一に存在することによる応力集中を防止して、下電極にクラック等の破壊が発生するのを防止することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problem is that an adhesive layer made of titanium is formed on one surface side of a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and platinum is formed on the adhesive layer. A lower electrode is formed by laminating a platinum layer made of titanium, a titanium layer made of titanium on the platinum layer, and a diffusion preventing layer made of iridium on the titanium layer, and a piezoelectric precursor on the lower electrode Forming a piezoelectric layer by firing the piezoelectric precursor film and forming an upper electrode on the piezoelectric layer, thereby forming the lower electrode, the piezoelectric layer, and the piezoelectric layer. According to another aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a liquid ejecting head, wherein a piezoelectric element including an upper electrode is formed.
In this embodiment, when the piezoelectric precursor film is baked to form the piezoelectric layer, the lower electrode is also heat-treated at the same time, so that the lower electrode is configured by the adhesion layer, the platinum layer, the titanium oxide layer, and the iridium oxide layer. Thus, a titanium oxide layer can be formed with a substantially uniform thickness between the platinum layer and the iridium oxide layer. Thereby, it is possible to prevent stress concentration due to non-uniform presence of titanium oxide on the platinum layer and to prevent the lower electrode from being broken such as cracks.
ここで、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に前記圧電体前駆体膜を塗布する塗布工程、前記圧電体前駆体膜を乾燥する乾燥工程、乾燥した前記圧電体前駆体膜を脱脂する脱脂工程、脱脂した前記圧電体前駆体膜を焼成して前記圧電体層を形成する焼成工程を含むことが好ましい。これによれば、塗布、乾燥、脱脂及び焼成工程によって圧電体層を形成することによって、優れた圧電特性を有する圧電体層を形成することができると共に、各工程の加熱処理によって下電極が熱膨張・熱収縮を繰り返したとしても、酸化チタンが不均一に形成されることによる応力集中を確実に防止することができる。 Here, in the step of forming the piezoelectric layer, a coating step of applying the piezoelectric precursor film on the lower electrode, a drying step of drying the piezoelectric precursor film, and the dried piezoelectric precursor film It is preferable to include a degreasing step for degreasing and a firing step for firing the degreased piezoelectric precursor film to form the piezoelectric layer. According to this, a piezoelectric layer having excellent piezoelectric characteristics can be formed by forming a piezoelectric layer by coating, drying, degreasing and firing processes, and the lower electrode is heated by heat treatment in each process. Even if expansion and thermal contraction are repeated, stress concentration due to uneven formation of titanium oxide can be reliably prevented.
また、前記圧電体層を形成する工程では、前記塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を繰り返し行って複数層の圧電体層を形成することが好ましい。これによれば、所望の厚さの圧電体層を得ることができると共に、複数回の加熱処理によって下電極が熱膨張・熱収縮を繰り返したとしても、酸化チタンが不均一に形成されることによる応力集中を確実に防止することができる。 Further, in the step of forming the piezoelectric layer, it is preferable to repeat the coating step, the drying step, the degreasing step, and the firing step to form a plurality of piezoelectric layers. According to this, a piezoelectric layer having a desired thickness can be obtained, and even if the lower electrode repeats thermal expansion / contraction by multiple heat treatments, titanium oxide is formed unevenly. It is possible to reliably prevent stress concentration due to.
さらに、本発明の他の態様は、基板上に設けられた下電極と、該下電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた上電極とを具備する圧電素子の製造方法であって、基板の一方面側にチタンからなる密着層と、該密着層上に白金からなる白金層と、該白金層上にチタンからなるチタン層と、該チタン層上にイリジウムからなる拡散防止層とを積層して下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体前駆体膜を形成し、該圧電体前駆体膜を焼成して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。
かかる態様では、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体層を形成する際に、同時に下電極も加熱処理されて、密着層、白金層、酸化チタン層及び酸化イリジウム層で構成される下電極が形成されることで、白金層と酸化イリジウム層との間に酸化チタン層をほぼ均一な膜厚で形成することができる。これにより、白金層上に酸化チタンが不均一に存在することによる応力集中を防止して、下電極にクラック等の破壊が発生するのを防止することができる。
Furthermore, another aspect of the present invention provides a piezoelectric element comprising a lower electrode provided on a substrate, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper electrode provided on the piezoelectric layer. The method comprises: an adhesion layer made of titanium on one side of the substrate, a platinum layer made of platinum on the adhesion layer, a titanium layer made of titanium on the platinum layer, and iridium on the titanium layer. A step of forming a lower electrode by laminating a diffusion prevention layer comprising: a step of forming a piezoelectric precursor film on the lower electrode, and firing the piezoelectric precursor film to form a piezoelectric layer; And a step of forming an upper electrode on the piezoelectric layer.
In this embodiment, when the piezoelectric precursor film is baked to form the piezoelectric layer, the lower electrode is also heat-treated at the same time, so that the lower electrode is configured by the adhesion layer, the platinum layer, the titanium oxide layer, and the iridium oxide layer. Thus, a titanium oxide layer can be formed with a substantially uniform thickness between the platinum layer and the iridium oxide layer. Thereby, it is possible to prevent stress concentration due to non-uniform presence of titanium oxide on the platinum layer and to prevent the lower electrode from being broken such as cracks.
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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. FIG.
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。
As shown in the drawing, the flow
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及び連通路15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。さらに、各連通路15は、圧力発生室12の幅方向両側の隔壁11を連通部13側に延設してインク供給路14と連通部13との間の空間を区画することで形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12の幅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の幅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。
A plurality of
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、例えば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。
Further, on the opening surface side of the flow
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。
On the other hand, as described above, the
そして、加熱処理された本実施形態の下電極膜60は、図3に示すように、チタン(Ti)からなる密着層61と、密着層61上に設けられた白金(Pt)からなる白金層62と、白金層62上に設けられた酸化チタン(TiOx)からなる酸化チタン層63と、酸化チタン層63上に設けられた酸化イリジウム(IrOx)からなる酸化イリジウム層64とを含む構成となっている。白金層62は、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体層70を形成する際に、高温の熱処理においても導電性を喪失しない材料として選定される。また、酸化イリジウム層64は、圧電体層70を形成する際の高温の熱処理により圧電体層70を構成する成分が下電極膜60中に拡散することを防止する拡散防止層として機能する。
Then, the heat-treated
また、白金層62は、柱状結晶からなり、各柱状結晶粒62aの粒界には、酸化チタン層63から連続して存在する酸化チタンからなる粒界層63aを有するものである。
The
これらの各層61〜64は、後述するような製造プロセスで成膜後、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体層70を形成する際に、同時に加熱処理されて熱拡散により形成されたものである。これらの層構造は顕微鏡観察により観察される結果を図示したものであり、明確に層構造を特定できない場合もあり、また、層の界面が明確でない場合もあるが、図3に示される本実施形態の層構造は、後述する製造プロセスで形成されたものである。
Each of these
すなわち、本実施形態の下電極膜60は、製造プロセスを説明する後述する図4(c)に示すように、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65と、密着層65上に白金(Pt)からなる白金層66と、白金層66上にチタン(Ti)からなるチタン層67と、チタン層67上にイリジウムからなる拡散防止層68とを順次積層した後、圧電体層70を焼成により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たものである。
That is, the
このような下電極膜60では、図3に示すように、焼成において密着層65を構成するチタンが拡散して白金層62の柱状結晶粒62aの粒界に偏析して存在して粒界層63aを形成すると共に白金層62の上面の酸化チタン層63の一部を形成する。また、白金層66の上面に設けられたチタン層67が熱酸化して酸化チタン層63を形成する。
In such a
このように、白金層66上に予めチタン層67を形成しておくことで、加熱処理された際に、白金層62と酸化イリジウム層64との間に酸化チタン層63をほぼ均一な膜厚で形成することができる。したがって、白金層62と酸化イリジウム層64との間に酸化チタンが不均一に存在するのを防止して、下電極膜60に局所的な応力集中が発生するのを防止して下電極膜60にクラック等の破壊が発生するのを防止することができる。なお、酸化チタン層63は、密着層65を構成するチタンに比べてチタン層67を構成するチタンの割合が高いため、密着層65を構成するチタンの拡散が白金層62の上面の面内で不均一となっていたとしても、その影響は低い。
Thus, by forming the
ちなみに、加熱処理される前の下電極膜60として、チタン層67を設けていない場合、密着層65のチタンが白金層62の粒界に拡散すると共に酸化して、白金層62上に酸化チタン層63を形成するが、密着層65のチタンが拡散される量や方向を制御するのは困難であり、白金層62上に酸化チタン層63が不均一な状態で形成されてしまう。そして、下電極膜60に応力が印加された際に、白金層62上の酸化チタンが形成されていない領域に比べて、酸化チタンが形成された領域に局所的に応力集中が発生し、下電極膜60にクラックが発生するなどの破壊が生じてしまう。なお、下電極膜60への応力の印加は、例えば、下電極膜60が加熱処理された際の熱膨張・熱収縮や、圧電素子300の変形によって行われる。
Incidentally, when the
また、白金層62及びこれを形成する各柱状結晶粒62aが酸化チタンで囲まれているので、下電極膜60の剛性及び靱性が向上する。また、下電極膜60と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55との密着性が良好になり、さらに、白金層62と酸化イリジウム層64とが酸化チタン層63を介して強固に密着されたものとなる。
Further, since the
圧電体層70は、下電極膜60上に形成されるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層70としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体材料や、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。当該金属酸化物は、酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウムに限定されるものではない。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)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)O3)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。
The
また、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。
Further, each
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、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバ部31のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にリザーバと各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
On the flow
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。
A piezoelectric
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。
As such a
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。
The
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。
A
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、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、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。
In addition, a
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、絶縁体膜55、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。
In such an ink jet recording head of the present embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the
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4〜図7を参照して説明する。なお、図4〜図7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4(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。
Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 4 to 7 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head which is an example of the liquid jet head according to the first embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 4A, a
次いで、図4(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、拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁体膜55を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, an
次いで、図4(c)に示すように、密着層65、白金層66、チタン層67及び拡散防止層68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、厚さが10〜50nmのチタン(Ti)からなる密着層65を形成する。本実施形態では、密着層65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65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65上に白金(Pt)からなり厚さが50〜500nmの白金層66を形成する。次いで、白金層66上にチタン(Ti)からなるチタン層67を形成する。そして、チタン層67上にイリジウム(Ir)からなる拡散防止層68を形成する。これにより、密着層65、白金層66、チタン層67及び拡散防止層68からなる下電極膜60が形成される。
Next, as shown in FIG. 4C, a
なお、チタン層67は、後の工程で圧電体層70を焼成して結晶化させた際に、図3に示すように、白金層62と酸化イリジウム層64(拡散防止層68が酸化した層)との間に酸化された酸化チタン層63を形成して、密着層65の成分の不均一な拡散を防止するためのものである。このようなチタン層67は、2〜10nmの厚さで形成するのが好ましい。チタン層67が2nmより薄いと、酸化チタン層63が形成された際に、密着層65のチタンが拡散・酸化した割合が大きくなり、酸化チタン層63の面内での膜厚への影響が大きくなり、応力集中が発生してしまう虞があるからである。また、チタン層67が10nmより厚くなると、圧電体層70の(100)配向強度が低下し、圧電性能の劣化が懸念される。
As shown in FIG. 3, when the
また、拡散防止層68は、後の工程で圧電体層70を焼成して結晶化させた際に、密着層65及びチタン層67の成分(チタン)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68の厚さは5〜20nmが好ましい。
The
このような密着層65、白金層66、チタン層67及び拡散防止層68からなる下電極膜60は、例えば、スパッタリング法や、CVD法(化学蒸着法)などにより順次形成することができる。
The
ここで、白金層66は、厚さ方向に結晶が伸びた柱状結晶とする必要があるが、結晶粒界に粒界層63aを良好に形成するためには、白金層66を、できるだけきれいな柱状結晶とするのが好ましい。このようなきれいな柱状結晶の白金層66は、例えば、スパッタリングの圧力を比較的低圧にするのが好ましい。このように、白金層66をきれいな柱状結晶とすることで、後述する圧電体層70の優先配向方位を、例えば、(100)とするのに有効に作用する。
Here, the
また、このような下電極膜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65上に白金層66、チタン層67及び拡散防止層68を設けたので、密着層65を構成する金属、すなわち、本実施形態でのチタン(Ti)は、拡散すると共に酸化されながら、図3に示すように、白金層62を形成する柱状結晶粒62aの粒界を通って、白金層62の上面側に進む。この際、酸化された酸化チタン(TiOx)が偏在した粒界層63aを形成し、また、白金層62の上面側で予め形成されたチタン層67と共に酸化チタン層63を形成する。
Further, such a
すなわち、下電極膜60として、白金層66上にチタン層67を形成しないと、密着層65の成分であるチタンが拡散されると共に酸化されて白金層62の上面(粒界)に偏析により存在、すなわち偏在し、白金層62の上面(粒界)に酸化チタンが不均一に形成されることになる。これに対して、加熱処理される前の下電極膜60として、白金層66上に予めチタン層67を形成しておくことで、加熱処理された際に、白金層62上に酸化チタンが面内で不均一に形成されるのを防止して、白金層62上にほぼ均一な膜厚で酸化チタン層63を形成することができる。これにより、白金層62と酸化イリジウム層64との間に酸化チタンが不均一に存在するのを防止して、下電極膜60に局所的な応力集中が発生するのを防止して下電極膜60にクラック等の破壊が発生するのを防止することができる。なお、酸化チタン層63は、密着層65を構成するチタンに比べてチタン層67を構成するチタンの割合が高いため、密着層65を構成するチタンの拡散が白金層62の上面の面内で不均一となっていたとしても、その影響は低い。
That is, if the
ちなみに、加熱処理される前の下電極膜60として、白金層66上に酸化チタンからなる酸化チタン層を形成しておくことも考えられるが、酸化チタンは、密着力が弱く、白金層66と拡散防止層68との層間剥離が発生してしまう虞があるため好ましくない。
Incidentally, it is conceivable that a titanium oxide layer made of titanium oxide is formed on the
次いで、図4(d)に示すように、下電極膜60上にチタン(Ti)からなる結晶種層69を形成する。この結晶種層69は、3.5〜5.5nmの厚さで形成する。なお、結晶種層69の厚さは、4.0nmが好ましい。本実施形態では、結晶種層69を4.0nmの厚さで形成した。なお、本実施形態では、結晶種層69として、チタン(Ti)を用いるようにしたが、結晶種層69は、後の工程で圧電体層70を形成する際に、圧電体層70の結晶の核となるものであれば、特にこれに限定されず、例えば、結晶種層69として、酸化チタン(TiOx)を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 4D, a
また、このように形成される結晶種層69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/cm3以上であることが望ましい。結晶種層69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、結晶種層69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、結晶種層69は非晶質であることが好ましい。具体的には、結晶種層69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。このように結晶種層69が非晶質であると、結晶種層69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。
The
このように下電極膜60の上に結晶種層69を設けることにより、後の工程で下電極膜60上に結晶種層69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、結晶種層69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。
By providing the
なお、このような結晶種層69は、例えば、スパッタリング法やCVD法(化学蒸着法)等によって形成することができる。
Such a
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、有機金属化合物を溶媒に溶解・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、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、スパッタリング法を用いてもよい。
Next, a
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上に有機金属化合物を含むゾル(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)。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)。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)。
As a specific procedure for forming the
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。 In addition, as a heating apparatus used in such a drying process, a degreasing process, and a baking process, for example, a hot plate, an RTP (Rapid Thermal Processing) apparatus that heats by irradiation with an infrared lamp, or the like can be used.
次に、図5(c)に示すように、下電極膜60上に1層目の圧電体膜72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。なお、下電極膜60及び1層目の圧電体膜72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。
Next, as shown in FIG. 5C, when the first
ここで、例えば、下電極膜60の上に結晶種層69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結晶種層69が変質してしまい、変質した結晶種層69上に圧電体膜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、2層目以降の圧電体膜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層70を形成することができない。
Here, for example, when the first
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は結晶種層69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。
In contrast, if the first
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により、図5(d)に示すように複数層の圧電体膜72を積層形成する。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。
Then, after patterning, the piezoelectric film forming process including the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process described above is repeated a plurality of times, thereby stacking a plurality of
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。
As described above, when the first layer of the
このように、圧電体層70を焼成により結晶化させる前の下電極膜60を、チタンからなる密着層65と、白金層66と、チタンからなるチタン層67と、拡散防止層68とで構成し、圧電体層70を焼成させた際に上述した図3に示すような下電極膜60とすることにより、白金層62と酸化イリジウム層64との間に酸化チタンが不均一に存在するのを防止して、下電極膜60に局所的な応力集中が発生するのを防止して下電極膜60にクラック等の破壊が発生するのを防止することができる。
As described above, the
また、白金層62及びこれを形成する各柱状結晶粒62aが酸化チタンからなる粒界層63aで囲まれているので、下電極膜60の剛性及び靱性が向上する。また、下電極膜60と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55との密着性が良好になり、さらに、白金層62と酸化イリジウム層64とが酸化チタン層63を介して強固に密着されたものとなる。
Further, since the
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を形成すると共に、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。
Next, as shown in FIG. 6A, an
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、流路形成基板用ウェハ110の全面に亘ってリード電極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。
Next, the
次に、図6(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。
Next, as shown in FIG. 6 (c), a
次に、図7(a)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7(b)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7(c)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。
Next, as shown in FIG. 7A, the flow path forming
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。
Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
(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、加熱処理前の下電極膜60の最下層に密着層65を形成し、加熱処理後に下電極膜60の最下層に密着層61が形成された構成を例示したが、特にこれに限定されず、加熱処理前に形成した密着層65の成分であるチタンが加熱により全て拡散するようにしてもよい。すなわち、加熱処理後には、下電極膜60の最下層が白金層62となるようにしてもよい。このような密着層61が形成されるか否かは、密着層65の厚さや、加熱処理の温度条件などによって決まる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the first embodiment described above, the configuration in which the
また、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。
In the first embodiment, the
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。
In the first embodiment described above, a silicon single crystal substrate having a (110) crystal plane orientation is exemplified as the flow
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。 In the first embodiment described above, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and is a liquid ejecting liquid other than ink. Of course, the present invention can also be applied to an ejection head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
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圧電素子の製造方法に限られず、他の装置に搭載される圧電素子の製造方法にも適用することができる。 Further, the present invention is not limited to a method for manufacturing a piezoelectric element mounted on a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head, and can also be applied to a method for manufacturing a piezoelectric element mounted on another apparatus.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 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、65 密着層、 62、66 白金層、 63 酸化チタン層、 64 酸化イリジウム層、 67 チタン層、 68 拡散防止層、 69 結晶種層、 70 圧電体層、 71 圧電体前駆体膜、 72 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
I ink jet recording head (liquid ejecting head), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communication section, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 reservoir section, 32 piezoelectric element Holding part, 40 compliance substrate, 60 lower electrode film, 61, 65 adhesion layer, 62, 66 platinum layer, 63 titanium oxide layer, 64 iridium oxide layer, 67 titanium layer, 68 diffusion prevention layer, 69 crystal seed layer, 70 piezoelectric Body layer, 71 piezoelectric precursor film, 72 piezoelectric film, 80 upper electrode film, 90 lead electrode, 100 reservoir, 120 drive circuit, 121 connection wiring, 300 piezoelectric element
Claims (4)
基板の一方面側にチタンからなる密着層と、該密着層上に白金からなる白金層と、該白金層上にチタンからなるチタン層と、該チタン層上にイリジウムからなる拡散防止層とを積層して下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体前駆体膜を形成し、該圧電体前駆体膜を焼成して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することを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric element comprising: a lower electrode provided on a substrate; a piezoelectric layer provided on the lower electrode; and an upper electrode provided on the piezoelectric layer,
An adhesion layer made of titanium on one side of the substrate, a platinum layer made of platinum on the adhesion layer, a titanium layer made of titanium on the platinum layer, and a diffusion prevention layer made of iridium on the titanium layer A step of laminating and forming a lower electrode; a step of forming a piezoelectric precursor film on the lower electrode; and firing the piezoelectric precursor film to form a piezoelectric layer; and And a step of forming an upper electrode.
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