KR20080033099A - 액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체분사 헤드 - Google Patents

액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체분사 헤드 Download PDF

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신샨 리
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

하(下)전극이나 하지(underlying base)와 산화 지르코늄층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체 분사 헤드를 제공한다.
기판의 한쪽면측에 Zr 층을 형성하는 공정과, 이 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하는 공정과, 상기 ZrO2 층상에 하전극을 형성하는 공정과, 상기 하전극상에 압전체층을 형성하는 공정과, 상기 압전체층상에 상(上)전극을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 Zr을 결정 성장시켜서 형성하는 동시에, 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역을, 상기 기판과는 반대측인 표면에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 가지는 Zr 층으로 되도록 성막한다.

Description

액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체 분사 헤드{ACTUATOR DEVICE, LIQUID-JET HEAD AND METHOD OF MANUFACTURING ACTUATOR DEVICE}
도 1은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 개략 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 주요부 평면도이다.
도 3은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 주요부 확대 단면도이다.
도 4는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 주요부 확대 단면도이다.
도 5는 Zr 층의 주요부 확대 단면도이다.
도 6은 Zr 층의 주요부 확대 평면도이다.
도 7은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 8은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 9는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단이도이다.
도 10은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 11은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
<부호의 설명>
10 유로(流路) 형성 기판,
12 압력 발생실,
13 연통(連通)부,
14 잉크 공급로,
20 노즐 플레이트(nozzle plate),
21 노즐 개구(開口),
30 보호 기판,
31 리저버(reservoir)부
32 압전 소자 홀딩(holding)부,
40 컴플라이언스(compliance) 기판,
60 하전극막,
70 압전체층,
80 상전극막,
90 리드 전극,
100 리저버,
300 압전 소자,
320 압전체 능동부,
401 Zr 층,
402 특별 결정 영역,
403 돌출부,
404 볼록부
본 발명은 진동판상에, 하전극, 압전 재료로 이루어지는 압전체층 및 상전극으로 구성되는 압전 소자를 가지는 액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체 분사 헤드에 관한 것이다.
전압을 인가하는 것에 의해 변위하는 압전 소자를 구비하는 액츄에이터 장치는 예를 들어 물방울을 분사하는 액체 분사 헤드 등에 탑재되고, 이와 같은 액체 분사 헤드로서는 예를 들어 노즐 개구와 연통하는 압력 발생실의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판을 압전 소자에 의해 변형시켜서 압력 발생실의 잉크를 가압하여 노즐 개구로부터 잉크 물방울을 토출(吐出)시키는 잉크젯식 기록 헤드가 알려져 있다. 그리고, 잉크젯식 기록 헤드에는 압전 소자의 축 방향으로 신장, 수축 하는 종(縱) 진동 모드의 압전 액츄에이터 장치를 탑재한 것과, 휨 진동 모드의 압전 액츄에이터 장치를 탑재한 것인 2 종류가 실용화되고 있다.
전자는 압전 소자의 단면을 진동판에 닿게 하는 것에 의해 압력 발생실의 용적을 변화시킬 수 있고, 고밀도 인쇄에 적합한 헤드의 제작이 가능한 반면, 압전 소자를 노즐 개구의 배열 피치(pitch)에 일치시켜 빗살 형상으로 분리한다고 하는 곤란한 공정이나, 분리된 압전 소자를 압력 발생실에 위치 결정하여 고정하는 작업이 필요하여, 제조 공정이 복잡하다라고 하는 문제가 있다. 이것에 대해서, 후자는 압전 재료의 그린 시트(green sheet)를 압력 발생실의 형상에 맞추어서 첩부(貼付)하고, 이것을 소성(燒成)한다고 하는 비교적 간단한 공정으로 진동판에 압전 소자 를 만들어 붙일 수 있지만, 휨 진동을 이용하는 관계상, 어느 정도의 면적이 필요하여, 고밀도 배열이 곤란하다라고 하는 문제가 있다. 또, 후자의 부적절함을 해소하기 위하여, 진동판의 표면 전체에 걸쳐서 성막 기술에 의해 균일한 압전 재료층을 형성하여, 이 압전 재료층을 리소그래피법에 의해 압력 발생실에 대응하는 형상으로 분리하고 각 압력 발생실마다 독립하도록 압전 소자를 형성한 것이 있다.
이와 같은 압전 소자를 구성하는 압전 재료층의 재료로서는 예를 들어 티탄산 지르콘산납(PZT)이 이용된다. 이 경우, 압전 재료층을 소성할 때에, 압전 재료층의 납 성분이, 실리콘(Si)으로 이루어지는 유로 형성 기판의 표면에 마련되어 진동판을 구성하는 산화 실리콘(SiO2)막에 확산해 버린다. 그리고, 이 납 성분의 확산에 의해서. 산화 실리콘의 융점이 강하하여, 압전 재료층 소성시의 열에 의해 용융 해 버린다고 하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 예를 들어 산화 실리콘막상에 진동판을 구성하는 산화 지르코늄(ZrO2) 층을 형성하는 것으로, 압전 재료층으로부터 산화 실리콘막으로의 납 성분의 확산을 방지한 것이 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특개평 11-204849호 공보(도 1, 도 2, 제5 페이지)
그러나, 이와 같은 구조의 액츄에이터 장치에서는, 산화 지르코늄층과 그 위에 마련된 하전극의 밀착력이나, 산화 지르코늄층의 하지인 산화 실리콘막과 산화 지르코늄층의 밀착력이 충분하지 않고, 액츄에이터 장치를 구동하여 휨 진동시켰을 때에 하전극이나 하지가 산화 지르코늄층으로부터 박리해 버린다고 하는 문제가 있 었다. 또한, 이와 같은 문제는 잉크젯식 기록 헤드 등의 액체 분사 헤드에 탑재되는 액츄에이터 장치뿐만 아니라, 다른 장치에 탑재되는 액츄에이터 장치에 있어서도 동양(同樣)으로 존재한다.
본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 하전극이나 하지와 산화 지르코늄층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체 분사 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 제1 양상은, 기판의 한쪽면측에 Zr 층을 형성하는 공정과; 이 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하는 공정과; 상기 ZrO2 층상에 하전극을 형성하는 공정과; 상기 하전극상에 압전체층을 형성하는 공정과; 상기 압전체층상에 상전극을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 Zr을 결정 성장시켜서 형성하는 동시에, 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역을, 상기 기판과는 반대측인 표면에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 가지는 Zr 층이 되도록 성막하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이에 따른 제1 양상에서는, 하전극측의 표면에 소정의 특별 결정 영역을 가지도록 성막한 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하므로, 기판 등의 하지와 ZrO2 층의 밀착력이나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제2 양상은, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서 Zr을 결정 성장시켜서 형성하는 동시에, 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역을, 상기 기판과는 반대측인 표면에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 가지는 Zr 층이 되도록 성막하는 것을 특징으로 하는 제1 양상의 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이에 따른 제2 양상에서는 소정의 특별 결정 영역을 가지도록 성막한 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하므로, 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 확실하게 뛰어난 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제3 양상은, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서 상기 기판상에 SiO2 층을 형성한 후, 상기 SiO2 층상에 상기 Zr 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제1 또는 제2 양상의 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이에 따른 제3 양상에서는 ZrO2 층의 하지인 SiO2 층이나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제4 양상은, 상기 기판의 상기 한쪽면측이 금속 산화물로 이루어지고, Zr 층을 형성하는 공정에서는 상기 기판상에 직접 상기 Zr 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제1 ~ 제3 중 어느 한 양상의 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이에 따른 제4 양상에서는 ZrO2 층의 하지인 기판이나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제5 양상은, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서 상기 Zr 층을 스퍼터링(sputtering)법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 제1 ~ 제4 중 어느 한 양상의 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이에 따른 제5 양상에서는 스퍼터링법에 의해, 소정의 특별 결정 영역을 가지도록 성막한 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하므로, 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제6 양상은, 제1 ~ 제5 중 어느 한 양상의 제조 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치이다.
이에 따른 제6 양상에서는 하전극측의 표면에 소정의 특별 결정 영역을 가지도록 성막한 Zr 층을 산화하여 형성된 ZrO2 층을 가지므로, 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다. 따라서, 액츄에이터 장치를 구동했을 때 ZrO2 층으로부터의 하전극이나 하지의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명의 제7 양상은, ZrO2 층은 상기 하전극측의 표면에, 상기 특별 결정 영역이 산화되는 것에 의해 형성된 돌출부를 가지고, 상기 돌출부는 높이가 10 ~ 1 00㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 상기 ZrO2 층상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 제6 양상의 액츄에이터 장치이다.
이에 따른 제7 양상에서, ZrO2 층은 전구체(前軀體)인 Zr 층의 특별 결정 영역에 따른 소정의 돌출부를 가지고, 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다.
본 발명의 제8 양상은, 상기 돌출부는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며, 상기 ZrO2 층상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 제7 양상에 기재된 액츄에이터 장치이다.
이에 따른 제8 양상에서, ZrO2 층은 전구체인 Zr 층의 특별 결정 영역에 따른 소정의 돌출부를 가지고, 확실하게 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다.
본 발명의 제9 양상은, 상기 하전극은 상기 압전체층측의 표면에, 상기 ZrO2 층의 상기 돌출부에 의해서 돌출한 볼록부를 가지고, 상기 볼록부는 높이가 10 ~ 1 00㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 상기 하전극상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 제7 또는 제8 양상의 액츄에이터 장치이다.
이에 따른 제9 양상에서, 하전극은 ZrO2 층의 돌출부상에 볼록부를 가지고, 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다.
본 발명의 제10 양상은, 상기 볼록부는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며, 상기 하전극상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 제9 양상에 기재된 액츄에이터 장치이다.
이에 따른 제10 양상에서, 하전극은 ZrO2 층의 돌출부상에 볼록부를 가지고, 확실하게 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다.
본 발명의 제11 양상은 제6 ~ 제10 중 어느 한 양상의 액츄에이터 장치를 액체를 분사시키기 위한 액체 토출 수단으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이에 따른 제11 양상에서는, 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 밀착력이 뛰어난 악츄에이터 장치를 이용하기 때문에, 액츄에이터 장치의 구동에 의한 기판 등의 하지나 하전극과 ZrO2 층의 박리가 방지되므로, 내구성이 뛰어난 액체 분사 헤드를 실현할 수 있다.
이하에 본 발명을 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 액츄에이터 장치를 가지는 액체 분사 헤드의 일례인 잉크젯식 기록 헤드의 개략 구성을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 잉크젯식 기록 헤드의 주요부 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A' 단면도, 도 4는 도 3의 주요부 확대도, 도 5는 산화 지르코늄(ZrO2) 층의 전구체인 지르코늄(Zr) 층의 주요부 확대도, 도 6은 ZrO2 층의 전구체인 Zr 층의 주요부 확대 평면도이다.
도시한 바와 같이, 유로 형성 기판(10)은 본 실시 형태에서는 면방위(面方位)(110)의 실리콘 단결정 기판으로 이루어지고, 그 한쪽의 면에는 미리 열산화에 의해 형성한 이산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지는 두께 0.5 ~ 2㎛ 의 탄성막(50)이 형성되어 있다. 유로 형성 기판(10)에는 격벽(compartment wall ; 11)에 의해서 구획된 복수의 압력 발생실(12)이 그 폭 방향(짧은 쪽 방향)으로 병설(竝設)되어 있다. 또, 유로 형성 기판(10)의 압력 발생실(12)의 긴 쪽 방향 일단(一端)부측에는 잉크 공급로(14)와 연통로(15)가 격벽(11)에 의해서 구획되어 있다. 또, 연통로(15)의 일단에는 각 압력 발생실(12)의 공통 잉크실(액체실)로 되는 리저버(100)의 일부를 구성하는 연통부(13)가 형성되어 있다. 즉, 유로 형성 기판(10)에는 압력 발생실(12), 연통부(13), 잉크 공급로(14) 및 연통로(15)로 이루어지는 액체 유로가 마련되어 있다.
잉크 공급로(14)는 압력 발생실(12)의 긴 쪽 방향 일단부측에 연통하고, 또 압력 발생실(12)보다 작은 단면적을 가진다. 예를 들어, 본 실시 형태에서 잉크 공급로(14)는 리저버(100)와 각 압력 발생실(12) 사이의 압력 발생실(12)측의 유로를 폭 방향으로 좁히는 것으로, 발생실(12)의 폭보다 작은 폭으로 형성되어 있다. 또한, 이와 같이 본 실시 형태에서는 유로의 폭을 한쪽측으로부터 좁히는 것으로 잉크 공급로(14)를 형성하였으나, 유로의 폭을 양측으로부터 좁히는 것으로 잉크 공 급로를 형성해도 된다. 또, 유로의 폭을 좁히는 것이 아니라, 두께 방향으로부터 좁히는 것으로 잉크 공급로를 형성해도 된다. 또한, 각 연통로(15)는 잉크 공급로(14)의 압력 발생실(12)과는 반대측으로 연통하고, 잉크 공급로(14)의 폭 방향(짧은 쪽 방향)보다 큰 단면적을 가진다. 본 실시 형태에서는 연통로(15)를 압력 발생실(12)과 동일한 단면적으로 형성하였다. 즉, 유로 형성 기판(10)에는 압력 발생실(12)과, 압력 발생실(12)의 짧은 쪽 방향의 단면적보다 작은 단면적을 가지는 잉크 공급로(14)와, 이 잉크 공급로(14)에 연통하는 동시에, 잉크 공급로(14)의 짧은 쪽 방향의 단면적보다 크고 압력 발생실(12)과 동등한 단면적을 가지는 연통로(15)가 복수의 격벽(11)에 의해 구획되어서 마련되어 있다.
또, 유로 형성 기판(10)의 개구면측에는, 각 압력 발생실(12)의 잉크 공급로(14)와는 반대측의 단부 근방으로 연통하는 노즐 개구(21)가 천설(穿設)된 노즐 플레이트(20)가 접착제나 열용착 필름 등에 의해서 고착되어 있다. 또한, 노즐 플레이트(20)는 두께가 예를 들어 0.01 ~ 1mm 이고, 선팽창 계수가 300℃ 이하에서, 예를 들어 2.5 ~ 4.5[×10-6/℃] 인 글라스 세라믹, 실리콘 단결정 기판 또는 스텐레스강 등으로 이루어진다.
한편, 유로 형성 기판(10)의 개구면과는 반대측에는 상술한 바와 같이, 이산화 실리콘으로 이루어지고 두께가 예를 들어 약 1.0㎛ 의 탄성막(50)이 형성되고, 상기 탄성막(50)상에는 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어지고 두께가 예를 들어 약 0.3 ~ 0.4㎛ 인 ZrO2 층(55)이 적층 형성되어 있다.
또, ZrO2 층(55)상에는 두께가 예를 들어 약 0.1 ~ 0.2㎛ 하전극막(60)과, 두께가 예를 들어 약 0.5 ~ 5㎛ 의 압전체층(70)과, 두께가 예를 들어 약 10 ~ 200㎚ 인 상전극막(80)으로 이루어지는 압전 소자(300)가 형성되어 있다.
또, 압전 소자(300)는 하전극막(60), 압전체층(70) 및 상전극막(80)을 포함하는 부분을 말한다. 일반적으로, 압전 소자(300)의 어느 한쪽의 전극을 공통 전극으로 하고, 다른쪽의 전극 및 압전체층(70)을 각 압력 발생실(12)마다 패터닝하여 구성한다. 그리고, 여기서는 패터닝된 어느 한쪽의 전극 및 압전체층(70)으로 구성되고, 양(兩)전극으로의 전압 인가에 의해 압전 변형이 생기는 부분을 압전체 능동부(320)라고 한다. 본 실시 형태에서는 하전극막(60)을 압전 소자(300)의 공통 전극으로 하여, 상전극막(80)을 압전 소자(300)의 개별 전극으로 하고 있지만, 구동 회로나 배선의 사정으로 이것을 반대로 해도 지장은 없다. 어느 경우에 있어서도, 각 압력 발생실(12)마다 압전체 능동부(320)가 형성되어 있게 된다. 또한, 본 실시 형에서는 하전극(60), 압전체층(70) 및 상전극막(80)이 도 3에 나타내는 바와 같이, 상전극막(80)측의 폭이 좁아지도록 패터닝되고, 그 측면은 경사면으로 되어 있다. 또, 여기서는 압전 소자(300)와 해당 압전 소자(300)의 구동에 의해 변위가 생기는 진동판을 합쳐서 액츄에이터 장치라고 칭한다. 상술한 예에서는 탄성막(50), ZrO2 층(55) 및 하전극막(60)이 진동판으로서 작용하지만, 물론 이것으로 한정되는 것이 아니고, 탄성막(50)을 마련하지 않고, ZrO2(55) 및 하전극막(60)이 진동판으로서 작용하도록 해도 된다.
본 발명에 있어서, 상기 ZrO2 층(55)은 유로 형성 기판(10)상의 탄성막(50)상에 마련된 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 Zr 층(401)을 산화하는 것에 의해 형성된 것이다. 그리고, 이 Zr 층(401)은 도 5의 주요부 확대 단면도 및 도 6의 주요부 확대 평면도에 나타내는 바와 같이, Zr의 결정을 성장시켜서 형성되고, 유로 형성 기판(10)상과는 반대측인 표면, 즉 하전극막(60)이 마련되는 측에 돌출한 특별 결정 영역(402)이 형성되도록 성막된 것이다. 이 특별 결정 영역(402)은 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로 돌출하고, Zr 층(401) 표면에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로, 바람직하게는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 로 돌출하여 Zr 층(401) 표면에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 형성되어 있다. 이 특별 결정 영역(402)은 Zr의 결정을 탄성막(50)측으로부터 성장시켜서 Zr 층(401)을 형성할 때에, Zr 층(401)의 두께 방향으로, 다른 영역의 Zr의 결정보다 높게 성장한 Zr의 결정으로 구성된 것이다. 따라서, 평탄한 Zr 층을 형성한 후의 Zr 층상에 부분적으로 Zr 결정을 적층하는 것에 의해 돌출한 영역을 형성한 것이나, 평탄한 Zr 층을 형성한 후 그 표면을 패터닝 등 하는 것에 의해 돌출한 영역을 형성한 것과는 다르다. 또한, 본 실시 형태에서는 특별 결정 영역(402)은 평면에서 볼 때의 직경이 20 ~ 100㎚ 정도의 기둥 형상 결정으로 (002)면 배향도(配向度)가 70% 이상인 Zr의 결정 그룹으로 구성되어 있다. 여기서, 「배향도」는 X선 회절 광각법에 의해 Zr 층을 측정했을 때에 생기는 회절 강도의 비율을 말한다. 구체적으로, Zr 층을 X선 회절 광각 법에 의해 측정하면, (100)면, (002)면 및 (101)면에 상당하는 회절 강도의 피크가 발생하지만, 「(002)면 배향도」는 이러한 각 면에 상당하는 피크 강도의 합에 대한 (002)면에 상당하는 피크 강도의 비율을 의미한다.
이와 같은 ZrO2 층(55)을 가지면, ZrO2 층(55)의 하지인 SiO2 로 이루어지는 탄성막(50)과 ZrO2 층(55)의 밀착력이 뛰어나다. 또, ZrO2 층(55)상에 마련된 하전극막(60)과 ZrO2 층(55)의 밀착력이 뛰어나다. 따라서, 액츄에이터 장치를 구동했을 때의 ZrO2 층(55)으로부터의 탄성막(50)이나 하전극막(60)의 박리를 방지할 수 있다.
또한, ZrO2 층(55)은 표면으로부터 돌출한 특별 결정 영역(402)을 가지는 Zr 층(401)을 산화하여 형성된 것이기 때문에, 도 4에 나타내는 바와 같이, ZrO2 층(55)에는 하전극막(60)측의 표면에 특별 결정 영역(402)이 산화되는 것에 의해서 형성된 돌출부(403)를 가진다. 이 ZrO2 층(55)의 돌출부(403)는 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, ZrO2 층(55)상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로, 바람직하게는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며 ZrO2 층(55)상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재한다. 또, 본 실시 형태에서 ZrO2 층(55)은 입경 20 ~ 100㎚ 정도의 기둥 형상 결정으로 (-111)면이 우선 배향하고 있다.
그리고, 하전극막(60)은 돌출부(403)를 가지는 ZrO2 층(55)상에 마련된 것이기 때문에, 도 4에 나타내는 바와 같이, 압전체층(70)측의 표면에, ZrO2 층(55)의 돌출부(403)에 의해서 돌출한 볼록부(404)를 가진다. 이 하전극막(60)의 볼록부(404)는 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 하전극막(60)상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로, 바람직하게는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며 하전극막(60)상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재한다.
본 실시 형태의 하전극막(60)으로서는 이리듐(Ir), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W) 등의 각종 금속이나, 이들의 합금 등을 들 수 있다. 또, 본 실시 형태에서는 압전 소자(300)를 구성하는 압전체층(70)의 재료(압전 재료)로서는 예를 들어 티탄산 지르콘산납(PZT) 등의 강유전성 압전성 재료나, 이것에 니오브, 니켈, 마그네슘, 비스머스 또는 이트륨 등의 금속을 첨가한 리라크사 강유전체 등이 이용되고 있다. 그 조성으로서는 예를 들어, 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) 등을 들 수 있다. 또, 상전극막(80)으로서는 Ir, Pt, 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 등의 각종 금속 중 어느 하나이어도 된다. 또, 이들의 합금이나, 산화 이리듐 등의 금속 산화물을 들 수 있다.
그리고, 압전 소자(300)의 개별 전극인 각 상전극막(80)에는, 잉크 공급로(14)측의 단부 근방에서부터 나와서 ZrO2 층(55)상에까지 뻗어 설치되는, 예를 들어, 금(Au) 등으로 이루어지는 리드 전극(90)이 접속되어 있다. 이 리드 전극(90)를 통하여 각 압전 소자(300)에 선택적으로 전압이 인가되게 되어 있다.
또, 압전 소자(300)가 형성된 유로 형성 기판(10)상에는, 압전 소자(300)에 대향하는 영역에 압전 소자(300)의 운동을 저해하지 않는 정도의 공간을 가지는 압전 소자 홀딩부(32)를 가지는 보호 기판(30)이 접착제(35)에 의해서 접합되어 있다. 또한, 압전 소자 홀딩부(32)는 압전 소자(300)의 운동을 저해하지 않는 정도의 공간을 가지고 있으면 되고, 해당 공간은 밀봉되어 있어도, 밀봉되어 있지 않아도 된다.
또, 보호 기판(30)에는 연통부(13)에 대향하는 영역에 리저버부(31)가 마련되어 있고, 이 리저버부(31)는 상술한 바와 같이, 유로 형성 기판(10)의 연통부(13)와 연통되어 각 압력 발생실(12)의 공통 잉크실로 되는 리저버(100)를 구성하고 있다. 또, 보호 기판(30)의 압전 소자 홀딩부(32)와 리저버부(31) 사이의 영역에는 보호 기판(30)을 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍(33)이 마련되고, 상기 관통 구멍(33)내에 하전극막(60)의 일부 및 리드 전극(90)의 선단부가 노출되어 있 다.
또, 보호 기판(30)상에는 압전 소자(300)를 구동하기 위한 도시하지 않는 구동 회로가 고정되어 있고, 구동 회로와 리드 전극(90)은 본딩 와이어 등의 도전성 와이어로 이루어지는 접속 배선을 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
보호 기판(30)으로서는 유로 형성 기판(10)의 열팽창율과 거의 동일한 재료, 예를 들어 유리, 세라믹 재료 등을 이용하는 것이 바람직하고, 본 실시 형태에서는 유로 형성 기판(10)과 동일 재료의 실리콘 단결정 기판을 이용하여 형성하였다.
보호 기판(30)상에는 봉지(封止)막(41) 및 고정판(42)으로 이루어지는 컴플라이언스 기판(40)이 접합되어 있다. 여기서, 봉지막(41)은 강성이 낮고 가요성을 가지는 재료(예를 들어, 두께가 6㎛ 인 폴리페닐렌 술파이드(PPS) 필름)로 이루어지고, 이 봉지막(41)에 의해서 리저버부(31)의 한쪽면이 봉지되어 있다. 또, 고정판(42)은 금속 등인 경질의 재료(예를 들어, 두께가 30㎛ 인 스텐레스강(SUS) 등)로 형성된다. 이 고정판(42)의 리저버(100)에 대향하는 영역은 두께 방향으로 완전하게 제거된 개구부(43)로 되어 있기 때문에, 리저버(100)의 한쪽면은 가요성을 가지는 봉지막(41)만으로 봉지되어 있다.
이와 같은 본 실시 형태의 잉크젯식 기록 헤드에서는 도시하지 않는 외부 잉크 공급 수단으로부터 잉크를 취하고, 리저버(100)로부터 노즐 개구(21)에 도달할 때까지 내부를 잉크로 채운 후, 구동 회로로부터의 기록 신호에 따라, 압력 발생실(12)에 대응하는 각각의 하전극막(60)과 상전극막(80) 사이에 전압을 인가하고, 탄성막(50), ZrO2 층(55), 하전극막(60) 및 압전체층(70)을 휨 변형시키는 것에 의해, 각 압력 발생실(12)내의 압력이 높은 노즐 개구(21)로부터 잉크 물방울이 토출한다. 본 실시 형태에서는 하전극막(60)이나 탄성막(50)과 ZrO2 층(55)의 밀착력이 높기 때문에, 액츄에이터 장치를 구동하여 휨 변형시켜도 하전극막(60)이나 탄성막(50)이 ZrO2 층(55)으로부터 박리되지 않기 때문에, 내구성이 뛰어난 것이 된다.
여기서, 잉크젯식 기록 헤드의 제조 방법에 대해서, 도 7 ~ 도 11을 참조하여 설명한다. 또한, 도 7 ~ 도 11은 압력 발생실의 긴 쪽 방향의 단면도이다. 우선, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼인 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 약 1100℃의 확산노에서 열산화하고, 그 표면에 탄성막(50)을 구성하는 이산화 실리콘막(51)을 형성한다. 또한, 본 실시 형태에서는 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)로서, 막 두께가 약 625㎛ 로 비교적 두껍고 강성이 높은 실리콘 웨이퍼를 이용하고 있다.
다음에, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 탄성막(50)(이산화 실리콘막(51))상에 Zr 층(401)을 형성한다. 이 Zr 층(401)은 Zr을 결정 성장시키는 것에 의해 형성하고, 하전극막(60)이 형성되는 측의 표면에, 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역(402)이 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로, 바람직하게는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역(402)이 1.11×107 ~ 1.25×107 개/ ㎠ 의 밀도로 형성되도록 성막한다. 이 특별 결정 영역(402)은 Zr의 결정을 탄성막(50)측으로부터 성장시켜서 Zr 층(401)을 형성할 때에, 예를 들어 통상의 Zr 결정보다 Zr 층(401)의 두께 방향으로 우선적으로 Zr의 결정이 성장하는 영역이 발생하도록 성막하여, 통상의 Zr 결정보다 높게 성장한 Zr의 결정 그룹으로 구성할 수 있다.
구체적으로, DC 스퍼터링법을 이용하여, 성막 온도 : 실온(23℃) ~ 300℃, 성막시의 Ar 압력 : 1 Pa 이하, 출력의 파워 밀도 : 3 ~ 30 kW/㎡, 타겟(Zr)과 탄성막(50)의 거리 : 60 ~ 180mm의 범위내에서, 각 조건의 밸런스를 조정하는 것으로, 상기 특별 결정 영역(402)이 형성된 Zr 층(401)을 성막할 수 있다. 예를 들어, 다른 조건에도 의존하지만, 성막 온도가 높은 쪽이 평면에서 볼 때의 크기가 큰 특별 결정 영역(402)을 얻어지기 쉽고, Ar 압력이 낮은 쪽이 특별 결정 영역(402)을 형성하기 쉬워진다. 또, 다른 조건에도 의존하지만, Zr 층(401)의 (002)면 배향도가 높은 쪽이, 예를 들어 70% 이상인 쪽이, 특별 결정 영역(402)이 형성되기 쉬워진다.
Zr 층(401)을 형성한 후에는 Zr 층(401)을 산화하는 것에 의해, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, ZrO2 층(55)을 형성한다. 본 실시 형태에서는 Zr 층(401)을, 예를 들어 500 ~ 1200℃ 의 확산노에서 열산화하는 것에 의해, ZrO2 층(55)을 형성하였다. 또한, 본 실시 형태에서는 드라이 산화에 의해 Zr 층(401)을 산화하였으나, 웨트 산화로 Zr 층(401)을 산화해도 된다. 이와 같이 형성된 ZrO2 층(55)은 Zr 층(401)의 특별 결정 영역(402)이 산화되는 것에 의해, 도 4에 나타내는 돌출부(403)가 형성된다. 또한, ZrO2 층(55)의 돌출부(403)의 높이·크기·밀도는 Zr 층(401)의 특별 결정 영역(402)에 따른 것이 되고, 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로, ZrO2 층(55) 표면에 1.0×106 ~ 1.0× 108 개/㎠의 밀도로 형성된다.
그 후, 예를 들어 티탄(Ti), 백금(Pt)과 이리듐(Ir)을 ZrO2 층(55)상에 스퍼터링법 등에 의해 적층하는 것에 의해, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 하전극막(60)을 형성한다. 이와 같이 형성된 하전극막(60)은 도 4에 나타내는 바와 같이, ZrO2 층(55)의 돌출부(403)상에 볼록부(404)가 형성된다. 또한, 이 하전극막(60)의 볼록부(404)의 높이·크기·밀도는 하전극막(60)의 성막 조건이나 ZrO2 층(55)의 돌출부(403)에 의존하는 것이고, 예를 들어 DC 스퍼터링법을 이용하여 성막 온도 : 23 ~ 100℃, 성막시의 Ar 압력 : 0.3 ~ 1 Pa, 출력의 파워 밀도 : 3 ~ 30 kW/㎡ 로 하전극막(60)을 성막하면, 볼록부(404)는 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 하전극막(60)상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 형성된다.
다음에, 하전극막(60)상에, 티탄산 지르콘산납(PZT) 등으로 이루어지는 압전체층(70)을 형성한다. 여기서, 본 실시 형태에서는 금속 유기물을 용매에 용해·분산한, 이른바 졸을 도포 건조하여 겔화하고, 추가로 고온에서 소성하는 것으로 금 속 산화물로 이루어지는 압전체층(70)을 얻는, 이른바 졸-겔법을 이용하여 압전체층(70)을 형성하고 있다. 또, 졸-겔법으로 한정되지 않고, 예를 들어 MOD(Metal- -Organic Decomposition)법 등을 이용해도 된다. 또, 그외의 스퍼터링법을 이용해도 된다.
압전체층(70)의 구체적인 형성 순서로서는 우선 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, 하전극막(60)상에 PZT 전구체막인 압전체 전구체막(71)을 성막한다. 즉, 하전극막(60)이 형성된 유로 형성 기판(10)상에 금속 유기 화합물(티탄산 지르콘산납)을 포함하는 졸(용액)을 스핀 코트법 등으로 도포하여 압전체 전구체막(71)을 형성한다(도포 공정). 그 다음에, 이 압전체 전구체막(71)을 소정 온도로 가열하여 일정 시간 건조시킨다(건조 공정). 다음에, 건조한 압전체 전구체막(71)을 소정 온도로 가열하여 일정 시간 홀딩하는 것에 의해 탈지(脫脂)한다(탈지 공정). 또한, 여기서 말하는 탈지는 압전체 전구체막(71)에 포함되는 유기 성분을, 예를 들어 NO2, CO2, H2O 등으로 하여 이탈시키는 것이다.
다음에, 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 압전체 전구체막(71)을 소정 온도로 가열하여 일정 시간 홀딩하는 것에 의해서 결정화시켜서, 압전체막(72)을 형성한다 (소성 공정). 또한, 건조 공정, 탈지 공정 및 소성 공정에서 이용되는 가열 장치로서는 예를 들어 적외선 램프의 조사에 의해 가열하는 RTA(Rapid Therma1 Annealing) 장치나 핫 플레이트(hot plate) 등을 들 수 있다.
다음에, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 압전체막(72)상에 소정 형상의 레지 스트(400)를 형성한다. 다음에, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 레지스트(400)를 마스크로 하여 하전극막(60) 및 1층째의 압전체막(72)을 이들의 측면이 경사하도록 동시에 패터닝한다.
그 다음에, 레지스트(400)를 박리한 후, 상술한 도포 공정, 건조 공정, 탈지 공정 및 소성 공정으로 이루어지는 압전체막 형성 공정을 복수 회 반복하여 복수의 압전체막(72)으로 이루어지는 압전체층(70)을 형성하는 것으로, 도 9(c)에 나타내는 바와 같이 복수 층의 압전체막(72)으로 이루어지는 소정 두께의 압전체층(70)을 형성한다. 예를 들어, 졸의 1회당의 막 두께를 매우 얇게 하여 복수 층의 압전체막으로 이루어지는 압전체층(70) 전체의 막 두께를 약 1 ~ 3㎛ 정도로 한다. 본 실시 형태에서는 압전체막(72)을 적층하여 마련하였으나, 압전체막(72)의 1층만큼의 막 두께를 두껍게 하여 1층만으로 구성해도 된다. 이와 같이 하여 얻어진 압전체층(70)은 평활하고 돌출한 영역이 존재하지 않는다.
압전체층(70)을 형성한 후에는 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 압전체층(70)상의 전체 면에 걸쳐서 Ir로 이루어지는 상전극막(80)을 스퍼터링법 등으로 형성하여, 각 압력 발생실(12)에 대향하는 영역에 패터닝하고, 하전극막(60)과 압전체층(70)과 상전극막(80)으로 이루어지는 압전 소자(300)를 형성한다. 또한, 압전체층(70)과 상전극막(80)의 패터닝에서는 소정 형상으로 형성한 레지스트(도시 없음)를 개재시켜 드라이 에칭하는 것에 의해 일괄적으로 행할 수 있다. 그리고, 이와 같은 드라이 에칭에서는 레지스트의 측면을 미리 경사시켜 두면, 압전체층(70) 및 상전극막(80)이, 상전극막(80)측의 폭이 좁아지도록 패터닝되어, 그 측 면이 경사면으로 된다.
다음에, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 전체 면에 걸쳐서, 예를 들어 금(Au) 등으로 이루어지는 리드 전극(90)을 형성한 후, 예를 들어 레지스트 등으로 이루어지는 마스크 패턴(도시 없음)을 개재시켜서 각 압전 소자(300)마다 패터닝한다.
다음에, 도 10(c)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 압전 소자(300)측에, 실리콘 웨이퍼이며 복수의 보호 기판(30)으로 되는 보호 기판용 웨이퍼(130)를, 접착제(35)를 통하여 접합한다. 또한, 이 보호 기판용 웨이퍼(130)는 예를 들어 수백 ㎛ 정도의 두께를 가지기 때문에, 보호 기판용 웨이퍼(130)를 접합하는 것에 의해서 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 강성은 현저하게 향상하게 된다.
다음에, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 어느 정도의 두께로 될 때까지 얇게 한다. 또, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)상에 예를 들어 마스크막(52)을 새롭게 형성하여 소정 형상으로 패터닝한다.
그리고, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 마스크막(52)을 개재시켜 KOH 등의 알칼리 용액을 이용한 이방성(異方性) 에칭(웨트 에칭)하는 것에 의해, 압전 소자(300)에 대응하는 압력 발생실(12), 연통부(13), 잉크 공급로(14) 및 연통로(15) 등을 형성한다.
그 후에는 유로 형성 기판용 웨이퍼(110) 및 보호 기판용 웨이퍼(130)의 바깥 둘레부의 불필요 부분을, 예를 들어 다이싱 등에 의해 절단하는 것에 의해 제거 한다. 그리고, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 보호 기판용 웨이퍼(130)와는 반대측인 면의 이산화 실리콘막(51)을 제거한 후에 노즐 개구(21)가 천설된 노즐 플레이트(20)를 접합하는 동시에, 보호 기판용 웨이퍼(130)에 컴플라이언스 기판(40)을 접합하고, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110) 등을, 도 1에 나타내는 하나의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10) 등으로 분할하는 것에 의해, 본 실시 형태의 잉크젯식 기록 헤드로 한다.
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여 보다 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
상기 실시 형태에 기초하여, 액츄에이터 장치를 제조하였다. 상세히 설명하면, 실리콘 기판에 두께 1㎛의 SiO2 막을 마련하였다. 이 SiO2 막상에, DC 스퍼터법으로 성막시의 Ar 압력 : 0.5 Pa, 출력의 파워 밀도 : 15 kW/㎡, 성막 온도 : 실온 (23℃. 표에서 「RT」로 표기함), 타겟(Zr)과 SiO2 막의 거리(T/S) : 65mm 의 조건에서, 두께 270㎚의 Zr 층을 성막하였다. 얻어진 Zr 층은 실리콘 기판과는 반대측인 표면에 특별 결정 영역을 가지고, 또 결정이 치밀한 막이었다. 특별 결정 영역의 높이, 평면에서 볼 때의 크기(직경) 및 밀도나, Zr 층의 (002)면 배향도를 표 1에 나타낸다.
그 후, Zr 층을 900℃의 확산노에서 열산화하여 ZrO2 층을 형성하였다. 이 ZrO2 층은 Zr 층의 특별 결정 영역과 동일한 높이, 크기 및 밀도의 돌출부를, 실리콘 기판과는 반대측인 면에 가지고, 또 결정이 치밀한 막이었다.
그 다음에, ZrO2 층상에, 두께 20㎚의 Ti 막, 두께 20㎚의 Ir 막, 두께 60㎚ 의 Pt 막, 두께 20㎚ 의 Ir 막을 순서대로 스퍼터링법으로 적층 형성하여 하전극막(60)을 형성하였다. 또한, 각 금속막의 스퍼터링 조건은 성막시의 Ar 압력, 출력의 파워 밀도, 성막 온도의 순서로, Ti 막은 0.4 Pa, 9 kW/㎡, 실온, Ti 막상의 Ir 막은 0.4 Pa, 30 kW/㎡, 실온, Pt 막은 0.4 Pa, 30 kW/㎡, 실온, Pt 막상의 Ir 막은 0.4 Pa, 30 kW/㎡, 실온으로 하였다. 얻어진 하전극막은 실리콘 기판과는 반대측인 표면에, 볼록부를 가지고 있었다. 하전극막의 볼록부의 높이 등을 표 3에 나타낸다. 표 3에 나타내는 바와 같이 Zr 층의 특별 결정 영역이 동일해도 하전극막의 성막 조건에 의해, 하전극막의 볼록부의 크기는 차이가 있었다.
그 후, PZT 로 이루어지는 두께 1.1㎛ 압전체층과 두께 50㎚의 Ir 로 이루어지는 상전극막(80)을 마련하고, 액츄에이터 장치를 제조하였다.
(실시예 2 ~ 6)
실시예 2 ~ 4에 대해서는 하전극막을 형성할 때의 각 금속막의 성막 조건을 표 2에 나타내는 조건으로 한 이외는 실시예 1과 동양으로 하고, 또 실시예 5 및 6에 대해서는 Zr 층을 형성할 때의 성막 조건을 표 1에 나타내는 조건으로 한 이외는 실시예 1과 동양으로 하고, 액츄에이터 장치를 작성하였다. 얻어진 각 실시예 2 ~ 6의 Zr 층은 실리콘 기판과는 반대측인 표면에, 특별 결정 영역을 가지고, 또 결정이 치밀한 막이었다. 특별 결정 영역의 높이 등이나, Zr 층의 (002)면 배향도를 표 1에 나타낸다. 또, 각 실시예 2 ~ 6의 ZrO2 층은 각 실시예 2 ~ 6의 Zr 층의 특별 결정 영역과 동일한 높이, 크기 및 밀도의 돌출부를, 실리콘 기판과는 반대측인 면에 가지고, 또 결정이 치밀한 막이었다. 그리고, 각 실시예 2 ~ 6의 하전극막은 실리콘 기판과는 반대측인 면에 볼록부를 가지고 있었다. 하전극막의 볼록부의 높이 등을 표 1에 나타낸다.
(비교예 1 ~ 3)
Zr 층을 형성할 때의 성막 조건을 표 1에 나타내는 조건으로 한 이외는 실시예 1과 동양으로 하여 액츄에이터 장치를 제조하였다. 얻어진 Zr 막의 표면은 평탄하고, 특별 결정 영역은 존재하지 않고, ZrO2 층이나 하전극막도 평탄하였다.
[표 1]
Zr 막 ZrO2 밀착력(mN)
스퍼터 조건 002배향도% 특별 결정 영역
높이 (㎚) 직경 (㎛) 밀도 (개/㎠)
실시예 1 0.5 Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 82 40.6 0.5 1.11×107 360
실시예 2 0.5 Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 82 40.6 0.5 1.11×107 360
실시예 3 0.5 Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 82 40.6 0.5 1.11×107 360
실시예 4 0.5 Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 82 40.6 0.5 1.11×107 360
실시예 5 0.5 Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S170㎜ 98 16.0 0.3 1.25×107 360
실시예 6 0.3Pa, 15 kW/㎡, RT, T/S170㎜ 98 19.5 0.3 1.25×107 360
비교예 1 4 Pa, 30 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 59 없음 106
비교예 2 4 Pa, 30 kW/㎡, 150℃, T/S65㎜ 87 없음 150
비교예 3 4 Pa, 3 kW/㎡, RT, T/S65㎜ 29 없음 120
[표 2]
하전극막
Ti(20㎚) Ir(20㎚) Pt(60㎚) Ir(20㎚)
실시예 1 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT
실시예 2 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.8 Pa, 15 kW/㎡, RT 0.8 Pa, 15 kW/㎡, RT 0.8 Pa, 15 kW/㎡, RT
실시예 3 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.8 Pa, 15 kW/㎡, 100℃ 0.8 Pa, 15 kW/㎡, 100℃ 0.8 Pa, 15 kW/㎡, 100℃
실시예 4 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.8 Pa, 15 kW/㎡, 100℃ 0.8 Pa, 15 kW/㎡, 100℃ 0.4 Pa, 30 kW/㎡, 100℃
실시예 5 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT
실시예 6 0.4 Pa, 9 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT 0.4 Pa, 30 kW/㎡, RT
[표 3]
하전극막의 볼록부
높이 (㎚) 직경 (㎛) 밀도 (개/㎠ )
실시예 1 25.72 0.5 1.11×107
실시예 2 29.75 0.5 1.11×107
실시예 3 32.88 0.5 1.11×107
실시예 4 33.04 0.5 1.11×107
실시예 5 19.67 0.3 1.25×107
실시예 6 21.30 0.3 1.25×107
(시험예) 밀착력의 측정
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 3의 액츄에이터 장치에 대해서, 스크래치(scratch) 장치로 스크래치 시험을 행하여, SiO2 와 ZrO2 층의 밀착력을 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
그 결과, 특별 결정 영역을 가지는 Zr 층을 산화한 ZrO2 층을 가지는 실시예 1 ~ 6 에서는 SiO2와 ZrO2 층의 밀착력이 양호하였다. 한편, 특별 결정 영역을 갖지 않는 Zr 층을 산화한 ZrO2 층을 가지는 비교예 1 ~ 3 에서는 실시예 1 ~ 6과 비교하고, 현저하게 밀착력이 낮았다. 또, 스크래치 시험시에 실시예 1 ~ 6의 하전극막이 ZrO2 층으로부터 박리하지 않은 것이므로, 실시예 1 ~ 6의 ZrO2 층과 하전극막의 밀착력이 양호하다는 것도 확인되었다.
(다른 실시 형태)
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였으나, 본 발명의 기본적 구성은 상술한 실시 형태 1로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상술한 실시 형태 1에서는 기판상에 SiO2 층과 Zr 층을 순서대로 마련하였으나, 금속 산화물로 이루어지는 기판을 이용하여 이 기판상에 Zr 층을 직접 마련해도 된다. 금속 산화물의 금속으로서는 Mg 등을 들 수 있다. 이와 같은 구성으로 하면, 하전극막이나 기판과 ZrO2 층의 밀착성이 뛰어난 액츄에이터 장치가 된다. 또한, Zr 층이 마련되는 한쪽면측이 금속 산화물로 이루어지는 기판이면 되고, 예를 들어 기판 본체의 Zr 층이 마련되는 측에 금속 산화막이 마련되어 있는 기판을 이용해도 된다.
또, 상술한 실시 형태 1에서는 액체 분사 헤드의 일례로서 잉크젯식 기록 헤드를 들어 설명하였으나, 본 발명은 넓게 액체 분사 헤드 전반을 대상으로 한 것이고, 잉크 이외의 액체를 분사하는 액체 분사 헤드에도 물론 적용할 수 있다. 그 외의 액체 분사 헤드로서는 예를 들어, 프린터 등의 화상 기록 장치에 이용되는 각종의 기록 헤드, 액정 디스플레이 등의 컬러 필터의 제조에 이용되는 색재(色材) 분사 헤드, 유기 EL 디스플레이, FED(전계 방출 디스플레이) 등의 전극 형성에 이용 되는 전극 재료 분사 헤드, 바이오 chip 제조에 이용되는 생체 유기물 분사 헤드 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명은 액체 분사 헤드(잉크젯식 기록 헤드 등)에 탑재되는 액츄에이터 장치뿐만 아니라, 모든 장치에 탑재되는 액츄에이터 장치에 적용할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 하전극이나 하지와 산화 지르코늄층의 밀착력이 뛰어난 액츄에이터 장치의 제조 방법, 액츄에이터 장치 및 액체 분사 헤드를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판의 한쪽면측에 Zr 층을 형성하는 공정과,
    상기 Zr 층을 산화하여 ZrO2 층을 형성하는 공정과,
    상기 ZrO2 층상에 하전극을 형성하는 공정과,
    상기 하전극상에 압전체층을 형성하는 공정과,
    상기 압전체층상에 상전극을 형성하는 공정을 구비하고,
    상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 Zr을 결정 성장시켜서 형성하는 동시에, 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역을, 상기 기판과는 반대측인 표면에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 가지는 Zr 층으로 되도록 성막(成膜)하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 Zr을 결정 성장시켜서 형성하는 동시에, 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 로 돌출한 특별 결정 영역을, 상기 기판과는 반대측인 표면에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 가지는 Zr 층이 되도록 성막하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제 조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 상기 기판상에 SiO2 층을 형성한 후, 상기 SiO2 층상에 상기 Zr 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판의 상기 한쪽면측이 금속 산화물로 이루어지고, 상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 상기 기판상에 직접 상기 Zr 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 Zr 층을 형성하는 공정에서는 상기 Zr 층을 스퍼터링법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 기재된 제조 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 ZrO2 층은 상기 하전극측의 표면에, 상기 특별 결정 영역이 산화되는 것에 의해 형성된 돌출부를 가지고,
    상기 돌출부는 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 상기 ZrO2 층상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 돌출부는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며, 상기 ZrO2 층상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 하전극은 압전체층측의 표면에, 상기 ZrO2 층의 상기 돌출부에 의해서 돌출한 볼록부를 가지고,
    상기 볼록부는 높이가 10 ~ 100㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.1 ~ 1㎛ 이며, 상기 하전극상에 1.0×106 ~ 1.0×108 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 볼록부는 높이가 16.0 ~ 40.6㎚ 이고 평면에서 볼 때의 크기가 직경 0.3 ~ 0.5㎛ 이며, 상기 하전극상에 1.11×107 ~ 1.25×107 개/㎠ 의 밀도로 존재하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.
  11. 청구항 6 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 액츄에이터 장치를 액체를 분사시키기 위한 액체 토출 수단으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
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