JP5344120B2 - 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 - Google Patents
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Description
本発明は、熱酸化によって生成されたケイ素酸化物層を少なくとも表面に有する基板上にジルコニウム酸化物層を介して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具備するアクチュエータ装置及びその製造方法並びにアクチュエータ装置を液体噴射手段として具備する液体噴射ヘッドに関する。
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。
このような圧電素子としては、熱酸化によって生成されたケイ素酸化物層を表面に有する基板上にジルコニウム酸化物層を介して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ものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。
基板表面にケイ素酸化物層を熱酸化で形成することは、ＣＶＤ法などの蒸着法でケイ素酸化物層を形成する場合に比べてピンホールの発生などが生じにくい。また、そのピンホールの無いケイ素酸化物層上に形成する層に対してもピンホールの発生による影響を受けない層を形成することになるので、しいては、所望のアクチュエータ装置が得られる。また、液体噴射ヘッドにおいても、基板をウェットエッチングすることで圧力発生室など流路を形成するのであるが、そのウェットエッチングする際のエッチングストップ層として機能させるために、ケイ素酸化物層にピンホールの無いことが必要であることから、ケイ素酸化物層を熱酸化によって形成することでピンホールの無いケイ素酸化物層を得ていた。また、ジルコニウム酸化物層は、圧電体層が結晶する前の状態である「前駆体膜」を高温化で焼成する際に、圧電体層を構成する成分が当該圧電体層からケイ素酸化物層方向に拡散するのであるが、圧電体層から拡散してくる成分をジルコニウム酸化物層によって抑制している。
しかしながら、上述したような熱酸化によって生成されたケイ素酸化物層上にジルコニウム酸化物層を形成すると、ケイ素酸化物層はピンホールが僅少であるため当該ピンホールによる影響は無いものの、発生原因の詳細は不明であるが、ピンホールによる影響とは別の理由により、そのジルコニウム酸化物層を構成する結晶の一部が異常成長してしまい、均一な厚さのジルコニウム酸化物層を形成することができないという問題があった。その結果、ジルコニウム酸化物層に形成された凹凸がそのジルコニウム酸化物層上に形成される下電極、圧電体層及び上電極に伝播して、それらの成膜状態に悪影響を与え、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置が得られないという問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑み、ジルコニウム酸化物結晶の異常成長を防止することによって、厚さが均一で緻密なジルコニウム酸化物層が形成され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ことを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、熱酸化によって生成されたケイ素酸化物層を少なくとも表面の一部に有する基板上にジルコニウム酸化物層を介して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具備し、前記ケイ素酸化物層と前記ジルコニウム酸化物層との間に、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層が設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。かかる態様では、厚さが均一で緻密なジルコニウム酸化物層が形成されたアクチュエータ装置を提供することができる。その結果、厚さが均一で緻密な下電極、圧電体層及び上電極を形成することができるので、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置を提供することができる。また、ケイ素酸化物層とジルコニウム酸化物層との密着性を向上させることができるので、高い耐久性及び信頼性を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
ここで、前記中間層の厚さが５〜５０ｎｍであることが好ましい。これによれば、中間層の密着性及び緻密性を向上させることができる。その結果、厚さがより均一でより緻密な下電極、圧電体層及び上電極を形成することができるので、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置を容易に提供することができる。なお、中間層の厚さが５ｎｍよりも薄いと、ジルコニウム酸化物層を構成する結晶の一部が異常成長を抑制する効果が弱まり、また、中間層の厚さが５０ｎｍよりも厚いと、ジルコニウム酸化物層を構成する結晶の一部が異常成長を抑制する機能は確保されるものの、アクチュエータ装置を構成する各層同士の応力バランスを崩す可能性が生じる。
また、前記中間層は、非晶質であることが好ましい。これによれば、中間層上に形成される結晶膜の特性変化を生じさせるのを防止することができる。
また、前記中間層が、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなり、前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との間にそれらの拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム層が設けられていることが好ましい。これによれば、中間層とジルコニウム酸化物層との間に機械的特性及び耐久性に優れた部分安定化ジルコニウム層が形成されているので、機械的特性及び耐久性により優れたアクチュエータ装置を提供することができる。
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る圧力発生手段として上述した何れかのアクチュエータ装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。かかる態様によれば、信頼性の高い液体噴射ヘッドを提供することができる。
また、本発明の他の態様は、熱酸化によって基板の少なくとも表面の一部にケイ素酸化物層を形成する工程と、前記ケイ素酸化物層上にチタン酸化物、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に前記ジルコニウム酸化物層を形成する工程と、前記ジルコニウム酸化物層上に、下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子を形成する工程と、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。かかる態様によれば、ジルコニウム酸化物層を構成する結晶の異常成長を防止して、厚さが均一で緻密なジルコニウム酸化物層が形成されたアクチュエータ装置を製造することができる。その結果、厚さが均一で緻密な下電極、圧電体層及び上電極を形成することができるので、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置を製造することができる。
ここで、前記中間層はチタン酸化物からなり、前記ケイ素酸化物層上にチタン層を設けると共に該チタン層上にジルコニウム層を設けた後、前記チタン層と前記ジルコニウム層とに熱酸化処理を行い、前記熱酸化処理にて前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層とを同時に形成することが好ましい。これによれば、製造工程数を削減することができ、結果としてアクチュエータ装置の生産性を向上させることができる。
また、前記中間層は、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物、希土類酸化物及びこれらの酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなり、前記ケイ素酸化物層上に、前記材料を構成する金属からなる金属層を形成し、該金属層上にジルコニウム層を設けた後、前記金属層と前記ジルコニウム層とに熱酸化処理を行い、前記熱酸化処理にて前記中間層と、前記ジルコニウム酸化物層と、前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との間に前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム層と、を形成することが好ましい。これによれば、中間層とジルコニウム酸化物層との間に機械的特性及び耐久性により優れた部分安定化ジルコニウム層を形成することができるので、機械的特性及び耐久性に優れたアクチュエータ装置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、基板である流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）面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ケイ素酸化物の一例である二酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる弾性膜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。
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、ステンレス鋼等からなる。
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、ケイ素酸化物の一例である二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には中間膜（層）５３が設けられている。ここで、ケイ素酸化物とは、ケイ素と酸素とが結合したＳｉＯ2などの既知の化合物及びそれらの混合状態をいう。
中間膜５３は、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物、希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなっている。すなわち、中間膜５３は、これらの酸化物うちの１種のみで構成されていてもよく、これらの酸化物のうちのいくつかを組み合わせた混合物で構成されていてもよい。ここで、希土類酸化物とは希土類元素と酸素との化合物をいい、希土類元素にはランタノイド以外にスカンジウム及びイットリウムが含まれるものとする。また、上述した各酸化物には、各酸化物を構成する金属元素と酸素とが結合した既知の化合物以外に、それらの化合物の混合状態を含むものとする。例えば、チタン酸化物としては、ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｔｉ2Ｏ5、ＴｉＯ3、又はこれらの混合状態が挙げられる。このような材料からなる中間膜５３を設けることにより、詳細は後述するが、この中間膜５３上に厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５を形成することができる。
この中間膜５３の厚みとしては、５〜５０ｎｍの範囲が好ましく、特に１０〜２０ｎｍの範囲が好ましい。中間膜５３の厚みが５ｎｍより薄くなると、厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５を形成することができず、５０ｎｍより厚くなると、弾性膜５０と絶縁体膜５５との間の密着性が低下してしまう上、アクチュエータ装置を構成する各層同士の応力バランスを崩す可能性が生じる。
また、中間膜５３は、結晶構造を有するものであっても、また、結晶構造を有しない非晶質（アモルファス）のものであってもよい。例えば、非晶質の中間膜５３を設けることで、中間膜５３上に形成された結晶膜である絶縁体膜５５の結晶の特性変化を生じさせるのを防止することができるという効果を奏する。すなわち、中間膜５３が結晶構造を有するものである場合、中間膜５３の結晶構造が中間膜５３上に形成される絶縁体膜５５等の結晶膜に影響を与え、中間膜５３上に所望の結晶性を有する結晶膜を形成するのが困難になる可能性があるからである。
そして、この中間膜５３上にはジルコニウム酸化物からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。ここで、ジルコニウム酸化物とは、ジルコニウムと酸素とが結合したＺｒＯ2などの既知の化合物及びそれらの混合状態をいう。
さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０〜５．０μｍの圧電体層７０と、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。
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上まで延設されるリード電極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。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の共通の液体室となるリザーバ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。
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。保護基板３０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。
さらに、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。
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、中間膜５３、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。
次に、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５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工程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の表面を熱酸化させて、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、スパッタリングにより金属層であって金属チタンからなるＴｉ膜（層）５２を形成する。
次に、図３（ｃ）に示すように、そのＴｉ膜５２上に、スパッタリングにより金属ジルコニウムからなるＺｒ膜（層）５４を形成する。具体的には、ＤＣスパッタリング法を用い、成膜温度：室温（２３℃）〜１００℃、成膜時のＡｒ圧力：０．０２〜１．０Ｐａ以下、出力のパワー密度：３〜３０ｋＷ／ｍ2の範囲内で、各条件のバランスを調整することで、Ｚｒ膜５４を成膜する。
そして、これらのＴｉ膜５２及びＺｒ膜５４を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより、図３（ｄ）に示すように、二酸化シリコン膜５１上に酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる中間膜５３と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５５とを同時に形成する。
ここで、Ｚｒ膜５４はＴｉ膜５２上に形成されているので、熱酸化される際に絶縁体膜５５を構成する酸化ジルコニウム結晶の異常成長を防止して、厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５を形成することができると共に、形成された中間膜５３により弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上させることができる。
これに対して、弾性膜上に直接Ｚｒ膜を形成し、そのＺｒ膜を熱酸化して絶縁体膜を形成すると、熱酸化される際に酸化ジルコニウム結晶の一部が異常成長してしまい、均一な厚さの絶縁体膜を形成することができないという問題が生ずる。しかしながら、本実施形態ではこのよう問題が生ずるおそれはない。
なお、本実施形態では、Ｔｉ膜５２上にＺｒ膜５４を形成した後、Ｔｉ膜５２及びＺｒ膜５４を加熱して熱酸化することにより、中間膜５３と絶縁体膜５５とを形成するようにしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、酸化ジルコニウムをスパッタリング法等により熱処理することなく直接形成して絶縁体膜５５を形成するようにしてもよい。このように、絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成することで、その下地として、非晶質（アモルファス）の中間膜５３を形成することができる。すなわち、絶縁体膜５５を熱処理により形成すると、下地となる中間膜５３も同時に加熱されるため、たとえ非晶質の中間膜５３を形成したとしても、その後の絶縁体膜５５の形成によって中間膜５３が結晶化されてしまう。
これに対して、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成すれば、その下地として非晶質（アモルファス）の中間膜５３を予め形成したとしても、絶縁体膜５５を形成した際に中間膜５３が熱処理されず、結晶化することがない。なお、絶縁体膜５５を形成した後に、詳しくは後述する製造方法によって圧電体層７０が熱処理により形成されるが、中間膜５３は絶縁体膜５５によって覆われているため、圧電体層７０の熱処理により中間膜５３が結晶化することはない。また、圧電体層７０を形成する際の熱処理温度は、ジルコニウムを熱処理して酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する際の温度よりも低いため、これによっても中間膜５３の結晶化は抑制される。
ちなみに、非晶質（アモルファス）の中間膜５３は、スパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、ＣＶＤ法や電子ビーム蒸着法などの蒸着法、イオンプレーティング法などで形成することができる。なお、中間膜５３として用いる前述した材料に応じて、比較的緻密な膜が形成可能な製造方法を適宜用いるようにすればよい。例えば、中間膜５３として酸化アルミニウムを用いる場合には、ＣＶＤ法が好ましく、酸化チタンを用いる場合には、スパッタリング法が好適である。
次いで、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、例えば、スパッタリング法などを用いて、下電極膜６０及び上電極膜８０を、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法及びスパッタリング法などの薄膜形成技術で圧電体層７０を流路形成基板１０に形成し、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。ここで、下電極膜６０は厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５上に形成されることになるので、下電極膜６０も同様に厚さが均一で緻密なものとなる。したがって、所望の圧電特性を有する圧電体層７０を容易に製造することができる。また、圧電体層７０及び上電極膜８０も同様に厚さが均一で緻密な膜上に順次形成されることになるので、それらも同様に厚さが均一で緻密なものとなる。その結果、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置を製造することができる。
そして、リード電極９０を形成した後、図５（ａ）に示すように、パターニングされた複数の圧電素子３００を保持する保護基板３０を、流路形成基板１０上に接着剤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。
次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０上に、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５などを形成する。
その後、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を接合することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが作製される。
以上説明したように、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、絶縁体膜５５を構成する酸化ジルコニウム結晶の異常成長を防止して、厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５が形成されたアクチュエータ装置を製造することができる。その結果、厚さが均一で緻密な下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０を形成することができるので、所望の変位特性を有するアクチュエータ装置を製造することができる。また、弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上させることができるので、高い耐久性及び信頼性を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
（実施形態２）
実施形態１では、弾性膜５０上にＴｉ膜５２及びＺｒ膜５４を形成し、それらを熱酸化して中間膜５３及び絶縁体膜５５を同時に形成するようにしたが、弾性膜５０上に酸化チタンからなる中間層を形成した後、Ｚｒ膜５４を形成し、そのＺｒ膜５４を熱酸化して絶縁体膜５５を形成してもよい。
実施形態１では、弾性膜５０上にＴｉ膜５２及びＺｒ膜５４を形成し、それらを熱酸化して中間膜５３及び絶縁体膜５５を同時に形成するようにしたが、弾性膜５０上に酸化チタンからなる中間層を形成した後、Ｚｒ膜５４を形成し、そのＺｒ膜５４を熱酸化して絶縁体膜５５を形成してもよい。
具体的には、スパッタリングを用いて弾性膜５０上に直接中間膜５３を形成してもよいし、ゾル−ゲル法及びＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法を用いて弾性膜５０上にＴｉを含む化合物を塗布し、それらを加熱酸化させて中間膜５３を形成する。そして、スパッタリング等によりＺｒ膜５４を形成した後、熱酸化して絶縁体膜５５を形成する。このようにしても、実施形態１と同様の効果が得られる。
もちろん、本実施形態であっても、実施形態１と同様に、例えば、酸化チタンからなる中間膜５３を直接形成した後、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成するようにしてもよい。このように、絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成することで、その下地として、非晶質（アモルファス）の中間膜５３を形成することができる。
（実施形態３）
上述した実施形態では、弾性膜５０と絶縁体膜５５との間に、酸化チタンからなる中間膜５３を設けたが、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）や、酸化セリウム（ＣｅＯ2）を含むランタノイド酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層を設け、その中間層と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜との間にそれらの拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム膜（層）を設けてもよい。
上述した実施形態では、弾性膜５０と絶縁体膜５５との間に、酸化チタンからなる中間膜５３を設けたが、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）や、酸化セリウム（ＣｅＯ2）を含むランタノイド酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層を設け、その中間層と酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜との間にそれらの拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム膜（層）を設けてもよい。
具体的には、図６に示すように、弾性膜５０と絶縁体膜５５との間に、上述した材料からなる中間膜５３Ａ及び部分安定化ジルコニウム膜５７を設けてもよい。このように中間膜５３Ａと絶縁体膜５５との間に機械的特性及び耐久性に優れた部分安定化ジルコニウム膜５７を設けることにより、後述するように、実施形態１と同様の効果に加えて、機械的特性及び耐久性により優れたアクチュエータ装置を提供することができる。なお、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの他の構成要素は、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドと同様であるので同符号を付して説明を省略する。
次に、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について説明する。なお、この製造方法についても、中間膜５３Ａ、部分安定化ジルコニウム膜５７及び絶縁体膜５５を形成する工程以外は、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法と同様であるので、以下では、図７を参照してこの工程についてのみ説明する。なお、図７は、本発明の実施形態３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７（ａ）に示すように、熱酸化によって生成された二酸化シリコン膜５１が形成された弾性膜５０上に、例えばスパッタリングにより酸化アルミニウムからなる中間膜５３Ａを形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、中間膜５３Ａ上に、実施形態１と同様にして金属ジルコニウムからなるＺｒ膜５４を形成する。
そして、このＺｒ膜５４を５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより、図７（ｃ）に示すように、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。ここで、この熱酸化の際に、中間膜５３Ａと絶縁体膜５５との間で拡散反応が起こり、中間膜５３Ａと絶縁体膜５５との間に部分安定化ジルコニウムからなる部分安定化ジルコニウム膜５７が形成される。すなわち、酸化アルミニウムからなる中間膜５３Ａ上に形成された金属ジルコニウムからなるＺｒ膜５４を熱酸化することにより、酸化アルミニウムからなる中間膜５３Ａと、部分安定化ジルコニウムからなる部分安定化ジルコニウム膜５７と、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５とが順次積層された３層構造の膜が形成されることになる。
ここで、Ｚｒ膜５４は中間膜５３Ａ上に形成されているので、熱酸化される際に酸化ジルコニウム結晶の異常成長を防止して、厚さが均一で緻密な絶縁体膜５５を形成することができる。また、同時に、中間膜５３Ａと絶縁体膜５５との間に機械的特性及び耐久性に優れた部分安定化ジルコニウム膜５７を形成することができる。その結果、実施形態１と同様の効果に加えて、機械的特性及び耐久性により優れたアクチュエータ装置を製造することができる。
もちろん、本実施形態であっても、実施形態１と同様に、例えば、酸化アルミニウムからなる中間膜５３Ａを直接形成した後、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成するようにしてもよい。このように、絶縁体膜５５を熱処理することなく直接形成することで、その下地として、非晶質（アモルファス）の中間膜５３Ａを形成することができる。
（他の実施形態）
以上、上述した実施形態１では、アクチュエータ装置を備えた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。
以上、上述した実施形態１では、アクチュエータ装置を備えた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、実施形態１では、中間膜５３を構成する材料として酸化チタンを用いたが、酸化チタンに代えて酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を用いてもよい。中間膜５３を構成する材料として酸化ハフニウムを用いることにより、酸化チタンを用いた場合と比較して中間膜５３の膜厚を薄くすることができる。
さらに、実施形態３では、弾性膜５０上に直接中間膜５３Ａを形成した後、Ｚｒ層５４を形成して加熱酸化させることによって、中間膜５３Ａと、部分安定化ジルコニウム膜５７と、絶縁体膜５５とを形成したが、弾性膜５０上に金属アルミニウムからなるＡｌ層とＺｒ層とを順次積層し、それらを加熱酸化させることにより、中間膜５３Ａと、部分安定化ジルコニウム膜５７と、絶縁体膜５５とを同時に形成してもよい。このようにすることで、製造工程数を削減することができ、結果としてアクチュエータ装置の生産性を向上させることができる。
また、本発明は、液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置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、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５３ 中間膜、 ５５ 絶縁体膜、 ５７ 部分安定化ジルコニウム膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、１００ リザーバ、 １１０ 流路形成基板用ウェハ、 ３００ 圧電素子
Claims (8)
- 熱酸化によって生成されたケイ素酸化物層を少なくとも表面の一部に有する基板上にジルコニウム酸化物層を介して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具備し、
前記ケイ素酸化物層と前記ジルコニウム酸化物層との間に、チタン酸化物、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層が設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。 - 前記中間層が、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなり、
前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との間にそれらの拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。 - 前記中間層は、非晶質であ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。
- 前記中間層の厚さが５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
- 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る圧力発生手段として請求項１〜４の何れか一項に記載のアクチュエータ装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 熱酸化によって基板の少なくとも表面の一部にケイ素酸化物層を形成する工程と、
前記ケイ素酸化物層上にチタン酸化物、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物及び希土類酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に前記ジルコニウム酸化物層を形成する工程と、
前記ジルコニウム酸化物層上に、下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子を形成する工程と、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。 - 前記中間層はチタン酸化物からなり、
前記ケイ素酸化物層上にチタン層を設けると共に該チタン層上にジルコニウム層を設けた後、前記チタン層と前記ジルコニウム層とに熱酸化処理を行い、
前記熱酸化処理にて前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層とを同時に形成することを特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ装置の製造方法。 - 前記中間層は、アルミニウム酸化物、カルシウム酸化物、希土類酸化物及びこれらの酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料からなり、
前記ケイ素酸化物層上に、前記材料を構成する金属からなる金属層を形成し、該金属層上にジルコニウム層を設けた後、前記金属層と前記ジルコニウム層とに熱酸化処理を行い、
前記熱酸化処理にて前記中間層と、前記ジルコニウム酸化物層と、前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との間に前記中間層と前記ジルコニウム酸化物層との拡散反応により生じた部分安定化ジルコニウム層と、を形成することを特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ装置の製造方法。
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