JP5365793B2

JP5365793B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法

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Publication number: JP5365793B2
Application number: JP2009135487A
Authority: JP
Inventors: 剛 ▲斉▼藤; 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: JP2010280139A

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に関する。

液体噴射ヘッドの代表的な例としては、ノズルからインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、インク滴を噴射するノズル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からインク滴を吐出させるものがある。また、インクジェット式記録ヘッドに採用される圧電素子としては、例えば、一対の電極とこれらの電極間に挟持される圧電体層とを具備するものが知られている。

また、振動板と圧電素子の電極との密着性を向上するために、電極の振動板側にチタンからなる密着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）。

特開２００６−２１３９２号公報

しかしながら、振動板を構成する酸化膜上に亘って略均一な厚さで密着層を設けると、密着層が圧電体層の変形による応力を吸収し、圧電素子の変位量が小さくなってしまうという問題がある。

また、密着層を設けないと、酸化膜と第１電極との密着性が低下し、層間剥離が発生してしまう虞があるという問題がある。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドに限定されず、インク以外の他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。

本発明はこのような事情に鑑み、耐久性が低下することなく、圧電素子の変位特性を向上することができる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、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、該流路形成基板上に形成された酸化膜と、該酸化膜上に形成された第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを有する圧電素子と、を具備し、前記酸化膜と前記第１電極との間には、チタン又はチタンを主成分とする島状の応力緩和層が前記酸化膜の表面に亘って点在していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、酸化膜と第１電極との間に応力緩和層を設けることによって、酸化膜と第１電極とのヤング率の差異に比例した応力差を応力緩和層に吸収させて、密着性を向上して耐久性を向上することができる。また、応力緩和層が島状に点在することで、応力緩和層を介さずに酸化膜と第１電極とを直接接合させることができ、圧電素子の応力を第１電極から酸化膜に良好に伝播させることができる。これにより、圧電素子の優れた変位特性を得ることができる。

ここで、前記応力緩和層が、前記酸化膜の前記第１電極側の表面を２％以上５０％未満の範囲で被覆して設けられていることが好ましい。これによれば、密着性を向上して耐久性を向上することができると共に、圧電素子の変位特性を向上することができる。

また、前記酸化膜が、酸化ジルコニウムを主成分とする層からなると共に、前記第１電極が前記酸化膜側に白金を主成分とする白金層を有することが好ましい。これによれば、第１電極として導電性に優れた材料を用いることができ、第１電極が厚くなって圧電素子の変位を阻害するのを抑制することができると共に、応力緩和層によって密着性を向上することができる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、耐久性を向上して、印刷特性を向上することができる液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の一方面側に、酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記流路形成基板の前記酸化膜上にチタン又はチタンを主成分とするチタン層を前記酸化膜の表面に亘って連続して形成する工程と、前記チタン層上に第１電極を形成する工程と、該第１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することで結晶化した圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程によって前記圧電体膜を有する圧電体層を形成する工程と、前記第１電極上に形成された前記圧電体前駆体膜を加熱焼成して結晶化して圧電体層を形成すると共に、前記チタン層及び前記第１電極を同時に加熱することにより、当該チタン層の一部を拡散させて、前記酸化膜の前記第１電極側の表面に亘ってチタン又はチタンを主成分とする島状の応力緩和層を点在させる工程と、前記圧電体層上に第２電極を形成する工程と、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、島状の応力緩和層を酸化膜の第１電極側に均一に点在させることができると共に、酸化膜上にヤング率の異なる第１電極を形成することで発生する内部応力の差を、チタン層の一部を拡散させることで、緩和させることができる。

ここで、前記圧電体膜形成工程を繰り返し行うと共に、１層目の圧電体前駆体膜の焼成を、２層目以降の焼成温度に比べて高い温度で行うことが好ましい。これによれば、チタン層のチタンが第１電極に拡散する拡散量を制御し易くして、島状の応力緩和層を所望の面積で形成することができる。

また、前記チタン層を形成する工程では、当該チタン層を２ｎｍ以上の厚さで形成することが好ましい。これによれば、酸化膜と第１電極との間のチタン層が全て拡散するのを防止することができる。

さらに、本発明の他の態様は、酸化膜と、該酸化膜上に形成された第１電極と、該第１電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に設けられた第２電極とを有し、前記酸化膜と前記第１電極との間には、チタン又はチタンを主成分とする島状の応力緩和層が前記酸化膜の表面に亘って均一に点在していることを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、酸化膜と第１電極との間に応力緩和層を設けることによって、酸化膜と第１電極とのヤング率の差異に比例した応力差を応力緩和層に吸収させて、密着性を向上して耐久性を向上することができる。また、応力緩和層が島状に点在することで、応力緩和層を介さずに酸化膜と第１電極とを直接接合させることができ、圧電体層の変位による応力を第１電極から酸化膜に良好に伝播させることができる。これにより、優れた変位特性を有するアクチュエーター装置を実現できる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施形態１に係る圧電素子の要部拡大断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。本発明の実施例及び比較例の検査結果を示す画像である。本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図である。

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を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図であり、図３は、圧電素子の要部拡大断面図である。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩを構成する流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化シリコンを主成分とする弾性膜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ー部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ーの一部を構成する。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ことになる。

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、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、本実施形態の酸化膜である酸化ジルコニウムを主成分とする絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、チタン又はチタンを主成分とする島状の応力緩和層５６と、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０と、が積層形成されて圧電素子３００（本実施形態の圧力発生素子）を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極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、第１電極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。

絶縁体膜５５上に形成された島状の応力緩和層５６は、絶縁体膜５５の第１電極６０側の面に亘って均一に点在している。すなわち、応力緩和層５６が均一に点在しているとは、応力緩和層５６が絶縁体膜５５の第１電極６０側の面に亘って連続して設けられておらず、絶縁体膜５５上に、島状に分断されて複数設けられていることを言う。また、応力緩和層５６が均一に点在しているとは、絶縁体膜５５の単位面積当たりの応力緩和層５６の個数が、何れの領域でも略同じであることを言う。

このような応力緩和層５６は、絶縁体膜５５を形成する酸化ジルコニウム及び第１電極６０の絶縁体膜５５側の材料（詳しくは後述する白金からなる導電層６１）よりもヤング率が低いものである。酸化ジルコニウムのヤング率は、２００〜２２０ＧＰａ程度であり、白金のヤング率は１６０〜１８０ＧＰａ程度である。そして、応力緩和層５６は、詳しくは後述するが、絶縁体膜５５上の全面に亘って連続する層を形成後、加熱することで連続する層の一部を第１電極６０側に拡散させて島状に形成される。したがって、製造方法を考慮すると、応力緩和層５６は、加熱により第１電極６０に拡散し易い材料であるのが好ましい。なお、ここで言う加熱とは、圧電体層７０を焼成して結晶化する際の加熱である。また、応力緩和層５６が第１電極６０側に拡散するためには、第１電極６０の材料の選定も重要である。

このような応力緩和層５６の材料としては、チタン又はチタンを主成分とするものが好適である。チタンは、ヤング率が、１０６〜１１３ＧＰａ程度であり、加熱によって白金からなる導電層６１側に容易に拡散するものである。なお、チタンを主成分とするとは、チタン以外の成分を含むものを指すが、例えば、応力緩和層５６の全てが酸化チタンや窒化チタンなどのチタン化合物で形成されると、応力緩和層５６のヤング率が高くなってしまう。このため、応力緩和層５６がチタン化合物を含む場合には、その全てがチタン化合物となっているのではなく、応力緩和層５６の一部、例えば、第１電極６０側等に含むものであればよい。

このような応力緩和層５６は、上記ヤング率及び加熱時の拡散条件を有するものであれば、チタン及びチタンを主成分とするものに限定されるものではない。応力緩和層５６のその他の材料としては、加熱による拡散速度が比較的速く、高融点材料、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）が挙げられる。

このような応力緩和層５６は、酸化膜である絶縁体膜５５上に第１電極６０を形成した際の内部応力を緩和するものであると共に、圧電素子３００を駆動させた際の絶縁体膜５５と第１電極６０との界面の応力を緩和するものである。

ここで、絶縁体膜５５と第１電極６０とをヤング率の異なる材料で積層すると、絶縁体膜５５と第１電極６０との界面にヤング率の差異に比例する応力差が生じる。この応力差によって、層間剥離が発生するなどの密着力の低下が生じる。これに対して、本発明のように、絶縁体膜５５の第１電極６０側の表面に島状の応力緩和層５６を均一に点在させることで、応力緩和層５６が絶縁体膜５５と第１電極６０との界面の応力差を吸収し、圧電素子３００を変形させた際に、絶縁体膜５５及び第１電極６０が滑らかに変形する。ちなみに、絶縁体膜５５と第１電極６０との間に亘って連続する応力緩和層を設けた場合、圧電素子３００からの応力伝播が応力緩和層で吸収されてしまい、振動板の変位量が小さくなってしまう。すなわち、絶縁体膜５５の第１電極６０側の表面に島状の応力緩和層５６を均一に点在させることで、絶縁体膜５５と第１電極６０との界面のヤング率の差異による応力差を吸収して密着性を向上することができると共に、圧電素子３００の応力を応力緩和層５６が形成されていない領域で第１電極６０から絶縁体膜５５に伝播させて、振動板に所望の変位を行わせることができる。

なお、応力緩和層５６上に形成された第１電極６０は、絶縁体膜５５側に白金（Ｐｔ）からなる導電層６１を有する。本実施形態では、第１電極６０として、白金からなる導電層６１と、導電層６１上に形成された拡散防止層６２とを設けるようにした。

導電層６１は、第１電極６０の導電性を確保するものであり、導電性が高い（抵抗が低い）材料を用いることができる。拡散防止層６２としては、例えば、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金属又はこれらの酸化物が挙げられる。本実施形態では、詳しくは後述するが、導電層６１上にイリジウムを形成後、圧電体層７０を加熱焼成して形成した際に同時に加熱されることで、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）からなる拡散防止層６２を設けた。なお、拡散防止層６２は、詳しくは後述する圧電体層７０を加熱焼成して結晶化させる際に、導電層６１に含まれるチタンが圧電体層７０に拡散するのを防止すると共に、圧電体層７０の成分が第１電極６０に拡散するのを防止するためのものである。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。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。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０．５〜５μｍ前後の厚さで形成した。

圧電素子３００の個別電極である各第２電極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、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部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。このリザーバー部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ー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、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。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）にリザーバーと各圧力発生室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。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ー等の導電性ワイヤーからなる接続配線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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバー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、リザーバー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Ｉでは、インクカートリッジやインクタンクなどのインク貯留手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー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第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。

以上説明したように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、酸化膜である絶縁体膜５５と第１電極６０との間に、島状の応力緩和層５６を設けるようにしたため、応力緩和層５６によって絶縁体膜５５と第１電極６０との応力差を吸収させて密着性を向上し、層間剥離を抑制することができる。これにより、長期耐久性に優れた圧電素子３００を実現できる。

また、島状の応力緩和層５６を絶縁体膜５５の第１電極６０側の面に亘って均一に点在するようにしたため、絶縁体膜５５と第１電極６０との間には、応力緩和層５６が形成されていない領域が存在する。このため、圧電素子３００を変位させた際に、応力緩和層５６が設けられていない領域によって圧電素子３００の変位を第１電極６０から絶縁体膜５５に伝播させることができる。これにより、圧電素子３００及び振動板の変位特性を向上することができる。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの製造方法について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜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４（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０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５１を形成する。

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、スパッタリング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４（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５の流路形成基板用ウェハー１１０とは反対側の全面に亘って連続するチタン層１５６を形成する。

チタン層１５６の厚さとしては、例えば、圧電体層７０を焼成により形成する際の温度によってチタン層１５６の一部のチタンが第１電極６０内に拡散する拡散量が変化するため、圧電体層７０を構成する圧電体膜の一層目の焼成温度に基づいて適宜決定すればよい。本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を７００℃以上で焼成するため、チタン層１５６の厚さとしては、２ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好適である。ちなみに、チタン層１５６の厚さが２ｎｍより薄いと、圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜を形成した際に同時に加熱されることによって、全てのチタン層１５６が第１電極６０内に拡散し、絶縁体膜５５と第１電極６０との界面に応力緩和層５６を形成することができない。また、チタン層１５６が２０ｎｍよりも厚いと、圧電体前駆体膜７１を焼成した際にチタン層１５６が拡散しきれず、応力緩和層５６が絶縁体膜５５と第１電極６０との間に亘って連続して形成されてしまう。

次いで、図５（ａ）に示すように、チタン層１５６上に導電層６１と拡散防止層６２とからなる第１電極６０を形成する。具体的には、まず、絶縁体膜５５上に、チタン層１５６上に白金（Ｐｔ）からなる導電層６１を形成する。次に、導電層６１上に拡散防止層６２を形成する。これにより、導電層６１及び拡散防止層６２からなる第１電極６０が形成される。なお、拡散防止層６２は、後の工程で圧電体前駆体膜７１を加熱焼成して圧電体膜を形成する際に、第１電極６０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の成分が第１電極６０に拡散するのを防止するためのものである。拡散防止層６２としては、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金属又はこれらの酸化物が挙げられる。このような拡散防止層６２の厚さは、５〜２０ｎｍが好ましい。本実施形態では、拡散防止層６２として、イリジウム層を設けた。また、拡散防止層６２は、圧電体前駆体膜７１を加熱焼成する際に同時に加熱されて酸化ジルコニウムとなる。また、第１電極６０は、後の工程で圧電体前駆体膜７１を加熱焼成する際に同時に加熱されて、チタン層１５６の一部が拡散される。

このような導電層６１及び拡散防止層６２は、スパッタリング法により形成することができる。導電層６１をスパッタリング法により製造する際の条件としては、圧力が１．０Ｐａ以下で、パワー密度が３ｋＷ／ｍ^２以下であるのが好適である。ちなみに、導電層６１を高圧で且つ高いパワー密度で形成すると、白金からなる導電層６１の柱状結晶が乱れてチタン層１５６の一部の拡散が良好に行われない。本実施形態では、上記製造条件で導電層６１を形成することで、後の工程でチタン層１５６の一部を導電層６１を介して第１電極６０内に拡散することができる。

次いで、図５（ｂ）に示すように、第１電極６０上にチタン（Ｔｉ）からなる結晶種層６３を形成する。このように第１電極６０の上に結晶種層６３を設けることにより、後の工程で第１電極６０上に結晶種層６３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６３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。また、本実施形態では、結晶種層６３として、チタン（Ｔｉ）を用いるようにしたが、結晶種層６３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６３として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いてもよい。もちろん、第１電極６０と圧電体層７０との間に結晶種層６３が残留するようにしてもよい。

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）法やスパッタリング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（ｃ）に示すように、結晶種層６３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、第１電極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）。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。

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、ここでいう脱脂とは、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。

次に、図６（ａ）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７００℃以上に加熱するのが好ましい。また、焼成工程では、上記温度で１０分以上の加熱を行えば、チタン層１５６の第１電極６０への拡散を十分に行わせることができる。なお、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。

また、圧電体前駆体膜７１を加熱焼成して圧電体膜７２を形成する圧電体膜形成工程を行うことで、チタン層１５６及び第１電極６０も同時に加熱される。このとき、チタン層１５６のチタンは、第１電極６０内に拡散し易い材料からなるため、その一部が第１電極６０に拡散する。これにより、絶縁体膜５５と第１電極６０との界面に亘って均一に点在する島状の応力緩和層５６を形成することができる。すなわち、チタン層１５６は、その全てが第１電極６０内に拡散してしまうのではなく、その一部が第１電極６０内に拡散することによって、絶縁体膜５５と第１電極６０との界面に島状に均一に残留する。

このように、チタン層１５６の一部のチタンを第１電極６０内に拡散することによって、絶縁体膜５５上に第１電極６０を形成することによって発生した内部応力を緩和することができる。すなわち、絶縁体膜５５上に第１電極６０を形成すると、これらのヤング率の違いから、それぞれの内部応力に差が生じる。この内部応力の差を、チタン層１５６の一部を第１電極６０に拡散することによって緩和することができる。

また、上述したように、イリジウム（Ｉｒ）からなる拡散防止層６２は、圧電体膜形成工程によって加熱されて酸化され、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）となる。なお、拡散防止層６２は、全てが酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）となっていなくてもよく、酸化されないイリジウム（Ｉｒ）が残留してもよい。

さらに、上述したように、拡散防止層６２上に形成された結晶種層６３は、圧電体膜７２内に拡散する。もちろん、結晶種層６３は、第１電極６０と圧電体膜７２との間にチタンとして残留してもよいし、酸化チタンとして残留してもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１電極６０上に１層目の圧電体膜７２を形成した段階で、第１電極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、第１電極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。

ここで、例えば、第１電極６０の上に結晶種層６３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・アッシングして第１電極６０をパターニングするために結晶種層６３が変質してしまい、変質した結晶種層６３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。

それに比べ、１層目の圧電体膜７２を形成した後に第１電極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６３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。

次に、図６（ｃ）に示すように、１層目の圧電体膜７２と第１電極６０とをパターニングした後は、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複数層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成する。ここで、例えば、２層目以降の圧電体膜７２の焼成温度は、１層目の圧電体膜７２の焼成温度に比べて低くするのが好ましい。これによれば、１層目の圧電体前駆体膜７１の焼成時の加熱によって、主にチタン層１５６の一部を第１電極６０に拡散させて、２層目以降の圧電体前駆体膜７１の焼成時にチタン層１５６の一部が第１電極６０に拡散する拡散量を低減させて、チタン層１５６の拡散量を制御し易くするためである。同じ理由から、２層目以降の圧電体前駆体膜７１の焼成時間は、１層目の圧電体前駆体膜７１の焼成時間に比べて短くするのが好ましい。ただし、チタン層１５６の拡散量は、加熱時間よりも加熱温度の方が支配的であるため、温度条件を既定する方が好適である。

次に、図７（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）からなる第２電極８０を形成した後、圧電体層７０及び第２電極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及び第２電極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。

次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー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（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合する。

次に、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。

次いで、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー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（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー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ー１１０及び保護基板用ウェハー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ー１１０の保護基板用ウェハー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、保護基板用ウェハー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ー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２とする。

（実施例）
実施例として、チタン層１５６を２０ｎｍで形成した以外、上述した実施形態１の製造方法と同じ条件で応力緩和層５６を形成した。

（比較例）
比較例として、チタン層１５６を５０ｎｍで形成した以外、実施例と同じ条件で応力緩和層を形成した。

そして、これら実施例と比較例との応力緩和層について、厚さ方向の断面を透過型電子顕微鏡で観察すると共に、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ測定）を行った。この結果を図９に示す。なお、図９（ａ）は実施例のＴＥＭ画像及びＥＤＸ測定結果であり、図９（ｂ）は比較例のＴＥＭ画像及びＥＤＸ測定結果である。

図９（ａ）に示すように、実施例の厚さが２０ｎｍのチタン層１５６を用いて形成した応力緩和層５６は、島状に点在して形成されるのに対し、図９（ｂ）に示すように、比較例の厚さが５０ｎｍのチタン層を用いて形成した応力緩和層は、絶縁体膜５５と第１電極６０との間に亘って連続して層状に形成された。このことから、拡散前のチタン層１５６の厚さを、２０ｎｍ以下とすれば、島状に点在する応力緩和層５６を形成することができる。

（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、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、導電層６１及び拡散防止層６２を有する第１電極６０を形成した後、圧電体層７０を加熱焼成して形成する製造方法を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、第１電極６０として、絶縁体膜５５側にイリジウムからなるイリジウム層を有するものであってもよい。また、上述した応力緩和層５６は、導電性を有するため、第１電極６０の一部としても機能する。

さらに、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、これら上述したインクジェット式記録ヘッドＩ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１０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１０に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩ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、駆動モーター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ー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

さらに、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、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルター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にも適用することができる。

また、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置ＩＩを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。

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ー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ー装置にも適用することができる。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、１５連通路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１リザーバー部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜（酸化膜）、５６応力緩和層、６０第１電極、６１導電層、６２拡散防止層、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００リザーバー、１１０流路形成基板用ウェハー、１３０保護基板用ウェハー、１５６チタン層、３００圧電素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の一方面側に、酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記流路形成基板の前記酸化膜上にチタン又はチタンを主成分とするチタン層を前記酸化膜の表面に亘って連続して形成する工程と、
前記チタン層上に第１電極を形成する工程と、
該第１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することで結晶化した圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程によって前記圧電体膜を有する圧電体層を形成する工程と、
前記第１電極上に形成された前記圧電体前駆体膜を加熱焼成して結晶化して圧電体層を形成すると共に、前記チタン層及び前記第１電極を同時に加熱することにより、当該チタン層の一部を拡散させて、前記酸化膜の前記第１電極側の表面に亘ってチタン又はチタンを主成分とする島状の応力緩和層を点在させる工程と、
前記圧電体層上に第２電極を形成する工程と、
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。
前記圧電体膜形成工程を繰り返し行うと共に、１層目の圧電体前駆体膜の焼成を、２層目以降の焼成温度に比べて高い温度で行うことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記チタン層を形成する工程では、当該チタン層を２ｎｍ以上の厚さで形成することを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッドの製造方法。