JP4811598B2

JP4811598B2 - 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

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Publication number: JP4811598B2
Application number: JP2007005034A
Authority: JP
Inventors: 剛 ▲斉▼藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP2008172100A

Description

本発明は、基板上に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、結晶化した圧電性セラミックス等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。

ここで、圧電素子は、シリコン単結晶基板上に密着層と白金層と拡散防止層とを積層して形成した下電極上と、圧電材料からなる圧電体前駆体膜を形成して焼成することで結晶化された圧電体膜からなる圧電体層と、上電極とを順次積層することによって形成されている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ９９／４５５９８（第１９〜２３頁、第１２〜１４図）

しかしながら、密着層としてチタンを用いた場合、圧電体層を加熱焼成して形成した際に下電極も同時に加熱されて、チタンが白金層内に拡散してしまい、シリコン単結晶基板と下電極との密着性が低下してしまうと共に剥離等が発生してしまうという問題がある。

また、密着層として白金層に拡散しにくい材料、例えば、ジルコニウム等を用いることでシリコン単結晶基板と密着層との密着力を確保することができるものの、ジルコニウムからなる密着層では、下電極の剛性が低下してしまい、圧電素子を繰り返し駆動した際に変位低下が発生し、長期信頼性が低下してしまうという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子が基板から剥離するのを確実に防止することができると共に、圧電素子の繰り返し駆動による長期信頼性を向上することができる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、基板上に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、前記下電極が、前記基板上に設けられた密着層と、該密着層上に形成された導体層とで構成され、前記密着層は、前記基板との密着性を有すると共に、前記圧電体層の形成において前記導体層に対して拡散しにくい金属材料からなり、前記導体層は、白金にチタンが拡散した金属材料からな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、圧電素子の下電極の基板側の最下層に、導体層に拡散しにくい密着層を設けることで、下電極と基板との密着性を向上することができ、圧電素子の駆動による剥離を防止することができる。また、導体層として、チタンが拡散された白金を用いることで、下電極全体の剛性を向上して、圧電素子の繰り返し駆動による下電極の変位劣化を防止して、長期信頼性を向上することができる。

ここで、前記下電極が、前記導体層上に設けられ、前記圧電体層の形成において前記導体層と前記圧電体層との間の拡散を防止する拡散防止層を具備することが好ましい。これによれば、圧電体層を形成する際に導体層に含まれるチタンが圧電体層側に拡散するのを防止することができると共に、圧電体層に含まれる成分が下電極に拡散するのを防止することができる。

また、前記拡散防止層が酸化イリジウムからなることが好ましい。これによれば、圧電体層を形成する際に導体層に含まれるチタンが圧電体層側に拡散するのを防止することができると共に、圧電体層に含まれる成分が下電極に拡散するのを防止することができる。

また、前記基板上には、前記下電極側に酸化ジルコニウムが設けられていることことが好ましい。これによれば、密着層によって酸化ジルコニウムと下電極との密着性を向上して、圧電素子の駆動による剥離を防止することができる。

また、前記密着層が、ジルコニウム、タンタル、タングステン、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、コバルトからなる群から選択される少なくとも１種の材料からなることが好ましい。これによれば、基板と下電極との密着性を向上することができる。

本発明の他の態様は、上記態様のアクチュエータ装置を液体を噴射する液体噴射手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、長期信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。

本発明の他の態様は、基板上に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、前記下電極が、前記基板上に設けられた密着層と該密着層上に設けられた導体層とで構成されたアクチュエータ装置の製造方法であって、前記基板上に、当該基板との密着性を有すると共に前記圧電体層の形成において前記導体層に対して拡散しにくい金属材料からなる前記密着層を形成する工程と、前記密着層上にチタンからなる拡散層を形成する工程と、該拡散層上に白金からなる白金層を形成して前記下電極を形成する工程と、前記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加熱焼成することで前記圧電体層を形成すると共に、前記下電極を同時に加熱して前記拡散層を前記白金層に拡散させて前記導体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成することにより前記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。
かかる態様では、圧電素子の下電極の基板側の最下層に、導体層に拡散しにくい（密着層を容易に形成することができ、下電極と基板との密着性を向上することができる。また、導体層として、チタンが拡散された白金を容易に形成することができ、下電極全体の剛性を向上して、圧電素子の繰り返し駆動による下電極の変位劣化を防止して、長期信頼性を向上することができる。

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′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。

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、その一方の面には予め熱酸化によって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。

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、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］である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、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３２０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１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。

ここで、本実施形態の下電極膜６０は、図３に示すように、流路形成基板１０側に設けられた密着層６１と、密着層６１上に設けられた導体層６２と、導体層６２上に設けられた拡散防止層６３とで構成されている。

密着層６１は、基板（本実施形態では絶縁体膜５５）との密着性を有すると共に、圧電体層７０の形成時の焼成温度で導体層６２に対して拡散しにくい高融点金属材料からなる。ここで、本実施形態の密着層６１が導体層６２に対して拡散しにくい金属材料とは、圧電体層７０の形成時に密着層６１が導体層６２にほとんど拡散しない金属材料のことをいう。具体的には、密着層６１としては、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）からなる群から選択される少なくとも１種の材料が挙げられる。本実施形態では、密着層６１としてジルコニウム（Ｚｒ）を用いた。なお、圧電体層７０の形成時の焼成温度とは、詳しくは後述するが、下電極膜６０上に圧電体前駆体膜を形成後、この圧電体前駆体膜を加熱焼成することにより圧電体層７０を形成する際の焼成温度のことをいう。

導体層６２は、チタン（Ｔｉ）が拡散した白金（Ｐｔ）を主成分とする金属材料からなる。ここで、導体層６２は、金属元素（Ｐｔ）と他の金属元素（Ｔｉ）とが金属結合している合金層であってもよく、また、金属元素（Ｐｔ）と他の金属元素（Ｔｉ）とが金属結合していない混合層であってもよい。

また、拡散防止層６３としては、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、導体層６２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６３を設けた。なお、拡散防止層６３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、導体層６２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の成分が下電極膜６０に拡散するのを防止するためのものである。

なお、密着層６１、導体層６２及び拡散防止層６３は、結晶構造であるのが好ましく、多結晶構造であるのが好適である。これは、詳しくは後述するが、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０は下地となる下電極膜６０の結晶構造を引き継いで形成されるため、圧電体層７０の下地となる下電極膜６０を結晶構造とすることで、圧電体層７０を所望の結晶構造で形成することができるからである。

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。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。

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。

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、厚さが６μｍの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、厚さが３０μｍのステンレス鋼（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２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、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。

このように、本実施形態では、圧電素子３００の下電極膜６０の流路形成基板１０側の最下層に、導体層６２に拡散しにくい密着層６１を設けることで、下電極膜６０と基板（本実施形態では、絶縁体膜５５）との密着性を向上することができる。また、導体層６２として、チタンが拡散された白金を用いることで、下電極膜６０全体の剛性を向上して、圧電素子３００の繰り返し駆動による下電極膜６０の変位劣化を防止して、長期信頼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２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（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５（ａ）に示すように、密着層６１と、導体層６２を構成する拡散層６２ａ及び白金層６２ｂと、拡散防止層６３とからなる下電極膜６０を形成する。具体的には、まず、絶縁体膜５５上に、密着層６１を形成する。密着層６１としては、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）からなる群から選択される少なくとも１種の材料が挙げられる。本実施形態では、密着層６１として、厚さが５ｎｍのジルコニウム（Ｚｒ）を形成した。

次に、密着層６１上にチタン（Ｔｉ）からなる拡散層６２ａを形成する。この拡散層６２ａは、後の工程で圧電体層７０を加熱焼成して形成した際に白金からなる白金層６２ｂに拡散するものである。本実施形態では、拡散層６２ａとして、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を形成した。

次に、拡散層６２ａ上に白金（Ｐｔ）からなり厚さが８０ｎｍの白金層６２ｂを形成する。そして、白金層６２ｂ上に拡散防止層６３を形成する。これにより、密着層６１、拡散層６２ａ、白金層６２ｂ及び拡散防止層６３からなる下電極膜６０が形成される。なお、拡散防止層６３は、後の工程で圧電体層７０を加熱焼成して形成する際に、拡散層６２ａ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の成分が下電極膜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６３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。本実施形態では、拡散防止層６３として、厚さが１０ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）を形成した。

次いで、図５（ｂ）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６４を形成する。なお、結晶種層６４は非晶質であることが好ましい。具体的には、結晶種層６４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６４が非晶質であると、結晶種層６４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。

このように下電極膜６０の上に結晶種層６４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６４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６４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６４として、チタン（Ｔｉ）を用いるようにしたが、結晶種層６４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６４として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いてもよい。

なお、このような下電極膜６０の各層６１〜６３及び結晶種層６４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。

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６４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）。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６５０〜８００℃に加熱するのが好ましく、本実施形態では、上記温度領域で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。また、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、下電極膜６０も同時に加熱される。このとき、密着層６１は、導体層６２となる白金層６２ｂ内に拡散しにくい金属材料からなるため、密着層６１は白金層６２ｂ（導体層６２）にほとんど拡散しない状態で残留する。また、拡散層６２ａは、白金層６２ｂ内に拡散し、拡散層６２ａと白金層６２ｂとが合金化された導体層６２が形成される。さらに、イリジウム（Ｉｒ）からなる拡散防止層６３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６３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。

次に、図６（ｂ）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。

ここで、例えば、下電極膜６０の上に結晶種層６４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６４が変質してしまい、変質した結晶種層６４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６４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と下電極膜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。

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）からなる上電極膜８０を形成した後、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。

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。

次に、図８（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８（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８（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。

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２とする。

以上説明したように、本実施形態では、下電極膜６０として、密着層６１、拡散層６２ａ、白金層６２ｂ及び拡散防止層６３を形成し、下電極膜６０上に圧電体層７０を加熱焼成することにより形成することで、下電極膜６０も同時に加熱されて、密着層６１、導体層６２及び拡散防止層６３からなる下電極膜６０が形成されるようにした。このため、圧電素子３００の下電極膜６０の流路形成基板１０側の最下層に、導体層６２に拡散しにくい密着層６１を形成することができ、下電極膜６０と基板（本実施形態では、絶縁体膜５５）との密着性を向上することができる。また、導体層６２として、チタンが拡散された白金を形成することができ、下電極膜６０全体の剛性を向上して、圧電素子３００の繰り返し駆動による下電極膜６０の変位劣化を防止して、長期信頼性を向上することができる。

（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、密着層６１、拡散層６２ａ、白金層６２ｂ及び拡散防止層６３からなる下電極膜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、下電極膜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。

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。

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２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、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及びその製造方法にも適用することができる。

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要部拡大断面図である。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。

符号の説明

１アクチュエータ装置、２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密着層、６２導体層、６２ａ拡散層、６２ｂ白金層、６３拡散防止層、６４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

Claims

基板上に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、
前記下電極が、前記基板上に設けられた密着層と、該密着層上に形成された導体層とで構成され、
前記密着層は、前記基板との密着性を有すると共に、前記圧電体層の形成において前記導体層に対して拡散しにくい金属材料からなり、
前記導体層は、白金にチタンが拡散した金属材料からなることを特徴とするアクチュエータ装置。
前記下電極が、前記導体層上に設けられ、前記圧電体層の形成において前記導体層と前記圧電体層との間の拡散を防止する拡散防止層を具備することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
前記拡散防止層が酸化イリジウムからなることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ装置。
前記基板上には、前記下電極側に酸化ジルコニウムが設けられてい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。
前記密着層が、ジルコニウム、タンタル、タングステン、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、コバルトからなる群から選択される少なくとも１種の材料からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
請求項１〜５の何れか一項に記載のアクチュエータ装置を液体を噴射する液体噴射手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
基板上に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、前記下電極が、前記基板上に設けられた密着層と該密着層上に設けられた導体層とで構成されたアクチュエータ装置の製造方法であって、
前記基板上に、当該基板との密着性を有すると共に前記圧電体層の形成において前記導体層に対して拡散しにくい金属材料からなる前記密着層を形成する工程と、前記密着層上にチタンからなる拡散層を形成する工程と、該拡散層上に白金からなる白金層を形成して前記下電極を形成する工程と、前記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加熱焼成することで前記圧電体層を形成すると共に、前記下電極を同時に加熱して前記拡散層を前記白金層に拡散させて前記導体層を形成する工程と、前記圧電体層上に前記上電極を形成することにより前記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。