JP2009226728A - 液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 下電極や圧電体層におけるクラックの発生を抑制した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。
【解決手段】 流路形成基板上に、イリジウムを含む下電極用金属層６１を形成する工程と、下電極用金属層６１上に圧電体前駆体膜７１を形成し、圧電体前駆体膜７１を熱処理して圧電体膜７２を形成する圧電体膜形成工程を複数回行って複数の圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成する工程と、圧電体層７０上に上電極膜８０を形成する工程とを具備し、下電極用金属層６１を形成する工程では、一層以上のイリジウム層を含み且つイリジウム層の総厚が２〜５ｎｍとなるように下電極用金属層６１を形成し、圧電体層７０を形成する工程の第１回目の前記圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより下電極用金属層６１中のイリジウムを酸化させて下電極膜６０とする工程を具備することにより液体噴射ヘッドを形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子の製造方法及び圧電素子を具備するインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
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実用化されている。例えば、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料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。
このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、イリジウム（Ｉｒ）からなるイリジウム層を含む下電極膜を形成し、この下電極膜上に熱処理により圧電体層を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような圧電体層は、圧電体膜を複数回繰り返し積層形成することにより所定厚さで形成され、この圧電体前駆体膜を結晶化させる際の加熱によって下電極膜も同時に加熱されて下電極膜のイリジウムの一部が加熱処理されて酸化イリジウム（ＩｒＯ２）となる。かかる酸化イリジウムは強誘電体薄膜の酸素の抜け出しを防ぎ、強誘電体薄膜の特性の劣化を抑制する。一方、下電極膜や圧電体層で応力が集中して、クラックが生じるという問題があった。
なお、このような問題は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子だけでなく、他の装置に用いられる圧電素子においても同様に生じる虞がある。
特許第３５１７８７６号公報（第９〜１０頁、第３図）
本発明はこのような事情に鑑み、下電極や圧電体層におけるクラックの発生を抑制した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。
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を吐出する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、該流路形成基板の前記圧力発生室に相対向する領域に設けられた下電極膜、圧電体層及び上電極膜からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、流路形成基板上に、イリジウムを含む下電極用金属層を形成する工程と、前記下電極用金属層上に圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜を熱処理して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回行って複数の圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成する工程とを具備し、前記下電極用金属層を形成する工程では、一層以上のイリジウム層を含み且つ前記イリジウム層の総厚が２〜５ｎｍとなるように前記下電極金属層を形成し、前記圧電体層を形成する工程の第１回目の前記圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより前記下電極用金属層中のイリジウムを酸化させて下電極膜とする工程を具備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、圧電体層を形成する工程の第１回目の圧電体膜形成工程以降に所定の加熱処理をすることにより、下電極用金属層中のイリジウムを実質的にすべて酸化イリジウムとすることができる。これにより、下電極膜内や、下電極膜と圧電体層との界面に応力が発生するのを抑制することができ、下電極膜や圧電体層におけるクラックの発生を抑制することができる。また、イリジウム層を所定の厚さに形成することにより、イリジウム層を酸化した際に厚さ方向のみに膨張し、面内横方向に膨張することがない。したがって、下電極膜内や、下電極膜と圧電体層との界面に応力が発生するのをより確実に抑制することができ、下電極膜や圧電体層におけるクラックの発生をより確実に抑制することができる。
ここで、前記イリジウムを酸化させて下電極膜とする工程は、第１回目の前記圧電体膜形成工程後であって、第２回目の前記圧電体膜形成工程よりも前に行うことが好ましい。これによれば、圧電体膜から鉛などが溶出しても、酸化イリジウムにより鉛などが基板まで拡散するのを抑制することができるためである。これにより、耐久性がより向上した圧電素子を製造することができる。
本発明の他の態様は、下電極膜と、圧電体層と、上電極膜とを有する圧電素子の製造方法であって、基板上に、イリジウムを含む下電極用金属層を形成する工程と、前記下電極用金属層上に圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜を熱処理して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回行って複数の圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成する工程とを具備し、前記下電極用金属層を形成する工程では、一層以上のイリジウム層を含み且つ前記イリジウム層の総厚が２〜５ｎｍとなるように前記下電極金属層を形成し、前記圧電体層を形成する工程の第１回目の前記圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより前記下電極用金属層中のイリジウムを酸化させて下電極膜とする工程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、所定の加熱処理により下電極用金属層中のイリジウムを実質的にすべて酸化イリジウムとすることができる。これにより、下電極内や、下電極と圧電体層との界面に応力が発生するのを抑制することができ、下電極や圧電体層におけるクラックの発生を抑制することができる。また、イリジウム層を所定の厚さに形成することにより、イリジウム層を酸化した際に厚さ方向のみに膨張し、面内横方向に膨張することがない。したがって、下電極膜内や、下電極膜と圧電体層との界面に応力が発生するのをより確実に抑制することができ、下電極膜や圧電体層におけるクラックの発生をより確実に抑制することができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る製造方法によって製造され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（ａ）は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、結晶面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。この流路形成基板１０には、その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複数の圧力発生室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。
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、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、上述したように酸化膜からなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜、例えば、蛍石型酸化物からなる絶縁体膜５５が積層形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を含む下電極膜６０と、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。
ここで、一般的に、圧電素子３００を構成する一対の電極のうちの一方の電極は、複数の圧電素子３００に共通する共通電極として機能し、他方の電極が各圧電素子３００で独立する個別電極として機能する。例えば、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を各圧電素子３００の個別電極としている。勿論、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお本実施形態では、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、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。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。
ここで、下電極膜６０は、詳しくは後述する製造方法によって形成されるものであり、本実施形態では、白金と酸化イリジウムとを含むものである。下電極膜６０は、酸化イリジウムを含んでいればよく、白金の代わりに他の導電性材料を含んでいてもよく、白金以外の導電性材料をさらに含んでいてもよい。
また、圧電体層７０は、圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられるが、実使用時に変位が十分得られるものであれば特に限定されず、その他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、ビスマス又はイットリ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。その組成としては、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（Ｓｃ1/2Ｔａ1/2）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。
上電極膜８０は、例えば、白金（Ｐｔ）、又はイリジウム（Ｉｒ）、もしくはこれらの積層又は合金等の金属材料からなる。なお、上電極膜８０は、勿論、これ以外の導電性材料から構成されていてもよい。
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３２を有する保護基板３０が、接着剤３５によって接合されている。なお、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。
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３１が設けられており、このリザーバ部３１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３２とリザーバ部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、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。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。すなわち、流路形成基板１０に圧力発生室１２とインク供給路１４のみを形成してもよい。
このような保護基板３０の材料としては、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、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が好適に用いられる。
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。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。
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１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応する圧電素子３００に上電極膜８０側から駆動信号を入力し、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からインク滴が噴射する。
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７は、圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、図８は、下電極用金属層の要部断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、複数の流路形成基板１０が一体的に形成され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、蛍石型酸化物、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。勿論、二酸化シリコン膜５１を形成せずに、流路形成基板用ウェハ１１０上に絶縁性体膜５５を形成してもよい。
次いで、下電極用金属層６１を形成する。具体的には、まず、図３（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５上に、密着層６２を形成する。ここで、この密着層６２としては、例えば、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、チタン（Ｔｉ）からなる密着層６２を形成した。この密着層６２を設けることによって、絶縁体膜５５と下電極用金属層６１との密着力を高めることができる。次いで、図８（ａ）に示すように、密着層６２上に、イリジウム（Ｉｒ）からなり厚さ２ｎｍのイリジウム層６３と、白金（Ｐｔ）からなり厚さ６０ｎｍの白金層６４と、白金層６４上にイリジウム（Ｉｒ）からなり厚さ２ｎｍのイリジウム層６５とを積層することにより、図４（ａ）に示すように密着層６２上に下電極用金属層６１を形成する。なお、本実施形態のように、下電極用金属層６１が白金層６４とイリジウム層（６３，６５）を含むことにより電気的特性に優れた下電極膜６０を形成することができる。また、下電極用金属層６１が白金層６４を含むことにより配向を制御した圧電体層７０を形成することができる。ただし、この下電極用金属層６１は、イリジウム層を含んでいればよく、例えば、白金層と一層のイリジウム層とを積層したもの、イリジウム層のみからなるもの、白金層６４に代えて他の導電性材料からなる層を含むもの、イリジウム層と白金層とさらに他の導電材料からなる層とを積層したものが挙げられる。
そして、図４（ｂ）に示すように、下電極用金属層６１上にチタン（Ｔｉ）からなる種チタン層６６を、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。このように下電極用金属層６１の上に種チタン層６６を設けることにより、後の工程で下電極用金属層６１上に種チタン層６６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６６としては、チタン（Ｔｉ）だけに限定されず、例えば、酸化チタンやチタン酸鉛など少なくともチタンを含むものを使うことができる。種チタン層６６は圧電体層７０を焼成により形成する際に、チタン酸鉛等中間生成物を形成し、圧電体層７０の結晶化を助け良好な結晶を得られるようにするが、焼成後には圧電体層７０中にその一部又は全部が拡散するものである。
上述したような密着層６２、下電極用金属層６１の各層６３〜６５及び種チタン層６６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、少なくとも下電極用金属層６１の各層６３〜６５及び種チタン層６６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。すなわち、下電極用金属層６１の剥離が比較的発生しやすい各層同士を連続して成膜することで層同士の密着力を向上させることができる。そして、このように密着層６２、下電極用金属層６１を構成する各層６３〜６５及び種チタン層６６を積層形成した後、図４（ｃ）に示すように、パターニングすることで下電極用金属層６１を形成する。
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５（ａ）に示すように、下電極用金属層６１上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を一層成膜する。すなわち、下電極用金属層６１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分間保持するようにした。
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、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。
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）。この焼成工程では、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。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。
このときの下電極用金属層６１について詳細に説明する。図８（ａ）に示すように、密着層６２上にイリジウム層６３、白金層６４及びイリジウム層６５からなる下電極用金属層６１が積層形成された状態から、１層目の圧電体膜７２を焼成により形成すると、図８（ｂ）に示すように、下電極用金属層６１に圧電体膜７２の鉛（Ｐｂ）及び酸素（Ｏ）が拡散される。これにより、イリジウム層６５の一部が酸化されて圧電体膜７２側に酸化イリジウム層６５ａが形成されると共に、密着層６２が絶縁体膜５５と下電極用金属層６１に拡散される。
次に、図５（ｃ）に示すように、第１回目の圧電体膜７２を形成工程後に、下電極用金属層６１中のイリジウムを酸化することにより下電極膜６０とする。具体的には、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより下電極用金属層６１中のイリジウムを酸化して下電極膜６０とする。言い換えると、下電極用金属層６１のイリジウムが実質的にすべて酸化イリジウムとなったものが下電極膜６０である。ここで実質的に全てとは、一般的に知られている任意の分析方法を行って、下電極膜６０中に存在する酸化イリジウムとイリジウムとの合計に対する酸化イリジウムの割合が９５％以上である状態を指す。なお、加熱処理の時間は加熱温度によって異なるが、例えば、４００℃で３時間程度、６５０℃で３０分程度である。本実施形態では、４００℃で３時間加熱処理を行った。圧電体膜７２を積層する際に上述した圧電体前駆体膜７１の焼成工程を複数回繰り返しても、下電極用金属層６１中のイリジウムの一部が酸化されるだけであり、イリジウムと酸化イリジウムが混在した状態となるが、さらに上述した条件で長時間加熱処理を行うことにより、下電極用金属層６１中のイリジウムを全て酸化させることができる。このように圧電体前駆体膜７１を焼成する工程よりも低い温度で加熱処理をすることにより、圧電体膜７２の状態を変化させることなく、下電極用金属層６１中のイリジウムを完全に酸化させることができる。これにより、イリジウムと酸化イリジウムとの界面に応力が発生する虞がなく、下電極膜６０内や、下電極膜６０と圧電体層７０との界面に応力が発生するのを抑制することができる。したがって、下電極膜６０や圧電体層７０におけるクラックの発生を抑制することができる。なお、下電極用金属層６１を形成直後に上述の加熱処理を行うと、イリジウムが酸化する際に凝集してしまうため、良好な下電極膜が得られなくなってしまう。
ここで、本実施形態では、下電極用金属層６１中のイリジウム層６３及びイリジウム層６５をそれぞれ２ｎｍとしたが、下電極用金属層６１中のイリジウム層の総厚は２〜５ｎｍとなるように形成するのが好ましい。詳しくは後述するが、イリジウム層の総厚をこの範囲にすることで、イリジウムが酸化する際に、厚さ方向のみに膨張し、面内横方向に膨張することがない。すなわち、イリジウムが酸化イリジウムとなる際には膨張するが、イリジウム層の総厚が２〜５ｎｍの場合には面内横方向に膨張することなく、厚さ方向のみに膨張する。このため、酸化イリジウムと、他の材料との界面に応力が発生する虞がない。また、イリジウム層の総厚をこの範囲にすることで、上述した加熱処理で下電極用金属層６１中のイリジウムを全て酸化させることができる。
なお、本実施形態では、加熱される前のイリジウム層６３及びイリジウム層６５の厚さがそれぞれ２ｎｍであるため、これが熱酸化されることによって厚さ方向にのみ約２．４倍膨張する。これにより、下電極膜６０内や、下電極膜６０と圧電体層７０との界面に応力が発生するのを抑制することができ、下電極膜６０や圧電体層７０におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、本実施形態のように、第１回目の圧電体膜７２の形成後であって、第２回目の圧電体膜７２よりも前に、下電極膜６０を形成することにより、圧電体膜７２から鉛や酸素などが溶出しても、酸化イリジウムにより鉛や酸素が流路形成基板用ウェハ１１０まで拡散するのを抑制することができる。また、圧電体膜７２の酸素の抜け出しを抑制でき、圧電体膜７２の特性の劣化を抑制することができる。これにより、耐久性がより向上した圧電素子を製造することができる。
そして、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、本実施形態では１０回繰り返すことで、図５（ｄ）に示すように１０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、圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す工程によって圧電体層７０及び下電極膜６０を形成した後は、図６（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することによって圧電素子３００を形成する。
次に、図６（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によって接合する。なお、保護基板３０には、リザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が予め形成されている。また、保護基板３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコン単結晶基板からなり、保護基板３０を接合することで流路形成基板１０の剛性は著しく向上することになる。
そして、図７（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。次いで、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００が形成された面とは反対側の面に、二酸化シリコン膜５１を所定形状にパターニングすることで保護膜５２を形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、保護膜５２をマスクとして流路形成基板用ウェハ１１０を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、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５を形成する。
その後は、流路形成基板１０の保護基板３０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３０にコンプライアンス基板４０を接合することで、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッドが形成される。
なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、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毎に分割することでインクジェット式記録ヘッドが形成される。
（実施例）
シリコン単結晶基板上に厚さが５ｎｍのイリジウムからなるイリジウム層をスパッタリングにより形成した後、４００℃で３時間加熱することにより酸化イリジウム層を形成した。
（比較例）
イリジウム層の厚さを１０ｎｍとした以外は、実施例と同様にして酸化イリジウム層を形成した。
（試験例）
実施例及び比較例の酸化イリジウム層の断面をＴＥＭで観察し、酸化イリジウムの厚さを測定した。なお、イリジウムが酸化して酸化イリジウムとなる際の理論的な体積膨張は２．４倍である。
Figure 2009226728
表１に示すように、厚さ５ｎｍのイリジウム層を酸化した実施例のイリジウム層は、厚さ方向の膨張が２．４倍であり、理論的な体積膨張と一致した。すなわち、厚さ方向のみに膨張したことがわかった。
これ対し、厚さ１０ｎｍのイリジウム層を酸化した比較例のイリジウム層は、厚さ方向の膨張が１．７倍であり、理論的な体積膨張よりも低く、面内横方向にも膨張したことがわかった。
以上より、下電極用金属層のイリジウム層の厚さを５ｎｍ以下とすることで下電極用金属層の面内横方向の膨張を抑制して、厚さ方向のみに膨張させることができる。これにより、下電極膜６０内や、下電極膜６０と圧電体層７０との界面に応力が発生するのを抑制することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１に係る製造方法を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの製造方法は上述したものに限定されるものではない。例えば、４５０〜６００℃で３０分以上の加熱処理をすることにより下電極用金属層６１中のイリジウムを酸化して下電極膜６０を形成する工程は、第１回目の圧電体膜形成工程以降であればよく、例えば、第２回目の圧電体膜形成工程の後でも、第３回目の圧電体膜形成工程の後でもよく、最上層となる圧電体膜形成工程後に行ってもよい。ただし、酸化イリジウムが圧電体膜７２からの鉛や酸素の拡散を抑制する働きがあるため、圧電体膜７２の形成工程の早い段階で下電極膜６０を形成するのが好ましい。
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、下電極用金属層６１をパターニングした後に圧電体層７０を形成するようにしたが、デバイスの関係上、下電極用金属層６１をパターニングすることなく流路形成基板用ウェハ１１０上の全面に形成した後、１層目の圧電体膜７２を形成し、その後、下電極用金属層６１（又は下電極膜６０）をパターニングするようにしてもよい。
また、実施形態１では、圧電体前駆体膜の形成方法として、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法を例示したが、圧電体前駆体膜の形成方法はこれらの方法に限定されず、例えば、圧電体前駆体膜はスパッタ法で形成してもよい。圧電体前駆体膜をスパッタ法で形成する場合も同様に、圧電体層７０を複数の圧電体膜形成工程で形成する際に、第１回目の圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすればよい。
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９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９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（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。
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。 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に係る製造方法を示す下電極用金属層の要部断面図である。 一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
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 下電極用金属層、 ６２ 密着層、 ６３ イリジウム層、 ６４ 白金層、 ６５ イリジウム層、 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、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子

Claims (3)

  1. 液体を吐出する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、該流路形成基板の前記圧力発生室に相対向する領域に設けられた下電極膜、圧電体層及び上電極膜からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
    流路形成基板上に、イリジウムを含む下電極用金属層を形成する工程と、前記下電極用金属層上に圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜を熱処理して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回行って複数の圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成する工程とを具備し、
    前記下電極用金属層を形成する工程では、一層以上のイリジウム層を含み且つ前記イリジウム層の総厚が２〜５ｎｍとなるように前記下電極金属層を形成し、
    前記圧電体層を形成する工程の第１回目の前記圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより前記下電極用金属層中のイリジウムを酸化させて下電極膜とする工程を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
  2. 前記イリジウムを酸化させて下電極膜とする工程は、第１回目の前記圧電体膜形成工程後であって、第２回目の前記圧電体膜形成工程よりも前に行うことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  3. 下電極膜と、圧電体層と、上電極膜とを有する圧電素子の製造方法であって、
    基板上に、イリジウムを含む下電極用金属層を形成する工程と、前記下電極用金属層上に圧電体前駆体膜を形成し、当該圧電体前駆体膜を熱処理して圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回行って複数の圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極膜を形成する工程とを具備し、
    前記下電極用金属層を形成する工程では、一層以上のイリジウム層を含み且つ前記イリジウム層の総厚が２〜５ｎｍとなるように前記下電極金属層を形成し、
    前記圧電体層を形成する工程の第１回目の前記圧電体膜形成工程以降に、４００〜６５０℃で３０分以上の加熱処理をすることにより前記下電極用金属層中のイリジウムを酸化させて下電極膜とする工程を具備することを特徴とする圧電素子の製造方法。
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