(57)【要約】【課題】  圧電素子を構成する圧電体層の特性を向上でき且つ圧電体層の特性を安定させた圧電素子、及びこれを用いた液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びにこの圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】  振動板を介して形成された下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを有し、前記下電極の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあるようにする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板を介して形成された下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを有し、前記下電極の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、前記下電極は、前記振動板側に位置する最下層である密着層を有し、前記密着層の表面粗さが前記下電極の表面粗さより小さいことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
請求項２において、前記密着層は、チタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
請求項２又は３において、前記下電極は、前記圧電体層側に位置しＩｒを含む第一層と、この第一層の下側に位置しＰｔを含む第二層とを有することを特徴とする圧電素子。
【請求項５】
請求項４において、前記下電極は、前記密着層と前記第二層との間にＩｒを含む第三層を有することを特徴とする圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧電体層は、菱面体晶系の（１００）面に優先配向していることを特徴とする圧電素子。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記圧電体層は、前記下電極上に所望の厚さに設けられた種Ｔｉ層上に形成されたものであることを特徴とする圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかの圧電素子を圧電アクチュエータとして備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項９】
請求項８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。
【請求項１０】
基板の一方面に設けられた振動板上に下電極を、その表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあるように形成する工程と、この下電極上にスパッタ法によりチタン（Ｔｉ）を塗布して種チタン層を形成する工程と、該種チタン層上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで前記圧電体層を形成する工程と、この圧電体層上に上電極を形成する工程とを具備することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記下電極を形成する工程は、前記振動板上に密着層を、その表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあるように形成する工程と、この密着層上の第１のＩｒ層を形成する工程と、この第１のＩｒ層上にＰｔ層を形成する工程と、このＰｔ層上の第２のＩｒ層を形成する工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記密着層が、チタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２において、前記密着層を、圧力が０．０１〜０．２Ｐａの条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記密着層を、温度が常温から２００℃の範囲、パワー密度が３〜１０ｋＷ／ｍ２の条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１〜１４の何れかにおいて、前記第１のＩｒ層、前記Ｐｔ層及び前記第２のＩｒ層を、パワー密度を８〜３０ｋＷ／ｍ２、０．０１〜０．３Ｐａの圧力、常温から２００℃の温度という条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置、並びに圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を印加することにより変位する圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射ヘッド等に搭載される。このような液体噴射ヘッドとしては、例えば、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知られている。そして、インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータ装置を搭載したものの２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体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ることによっ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。
【０００３】
この圧電体層（圧電体薄膜）としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体が用いられている。そして、このような圧電体薄膜は、例えば、下電極上にスパッタ法等によりチタン結晶を形成し、このチタン結晶上にゾル−ゲル法により圧電体前駆体膜を形成すると共にこの圧電体前駆体膜を焼成することによって形成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような方法で圧電体層を形成すると、チタン結晶を核として圧電体層の結晶が成長し、比較的緻密で柱状の結晶を得ることができる。しかしながら、圧電体層の結晶性を制御するのは難しく、圧電体層の電気的、あるいは機械的特性を均一化することができないため、圧電素子の変位特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置の製造時だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置の製造時においても同様に存在する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７４４７２号公報（第５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑み、圧電素子を構成する圧電体層の特性を向上でき且つ圧電体層の特性を安定させた圧電素子、及びこれを用いた液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びにこの圧電素子を用いた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決する本発明の第１の態様は、振動板を介して形成された下電極と、該下電極上に形成された圧電体層と、該圧電体層上に形成された上電極とを有し、前記下電極の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第１の態様では、下電極の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲に制御されているので、圧電体層の特性が向上されている。
【０００８】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記下電極は、前記振動板側に位置する最下層である密着層を有し、前記密着層の表面粗さが前記下電極の表面粗さより小さいことを特徴とする圧電素子にある。
かかる第２の態様では、密着層の表面粗さＲａが下電極の表面粗さより小さく、すなわち、２ｎｍより小さく制御されており、その上に積層された層を有する下電極の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲に比較的容易に制御される。
【０００９】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記密着層は、チタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第３の態様では、チタンからなる密着層の表面粗さを制御することにより、下電極の表面粗さが比較的容易に制御される。
【００１０】
本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記下電極は、前記圧電体層側に位置しＩｒを含む第一層と、この第一層の下側に位置しＰｔを含む第二層とを有することを特徴とする圧電素子にある。
かかる第４の態様では、下電極は、圧電体層側のＩｒを含む第一層とこの第一層の下側にあるＰｔを含む第二層とを有し、密着層の表面粗さの制御により、比較的容易に第一層の表面粗さＲａが２ｎｍ以下となるようになる。
【００１１】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記下電極は、前記密着層と前記第二層との間にＩｒを含む第三層を有することを特徴とする圧電素子にある。
かかる第５の態様は、密着層上に設けられたＩｒを含む第三層と、第三層上に設けられた第二層と、第二層上に設けられた第一層とを有し、第一層の表面粗さＲａが２ｎｍ以下に制御されている。
【００１２】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧電体層は、菱面体晶系の（１００）面に優先配向していることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第６の態様では、圧電体層の結晶の配向が制御されているので、機械的特性に優れたものとなる。
【００１３】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記圧電体層は、前記下電極上に所望の厚さに設けられた種Ｔｉ層上に形成されたものであることを特徴とする圧電素子にある。
かかる第７の態様では、圧電体層は、表面粗さが制御された下電極上に設けられた種Ｔｉ層上に形成されているので、結晶性が向上されたものである。
【００１４】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様の圧電素子を圧電アクチュエータとして備えたことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第８の態様は、変位特性が向上した圧電アクチュエータを具備する液体噴射ヘッドが実現できる。
【００１５】
本発明の第９の態様は、第８の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。
かかる第９の態様では、変位特性が向上した圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドが搭載されているので、液体の噴射特性が向上した液体噴射装置が実現できる。
【００１６】
本発明の第１０の態様は、基板の一方面に設けられた振動板上に下電極を、その表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあるように形成する工程と、この下電極上にスパッタ法によりチタン（Ｔｉ）を塗布して種チタン層を形成する工程と、該種チタン層上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで前記圧電体層を形成する工程と、この圧電体層上に上電極を形成する工程と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。
かかる第１０の態様では、表面粗さが所定の値に制御された下電極上に種チタン層を設けて圧電体層を形成するので、種チタン層が有効に作用して、結晶性の向上した圧電体層を有する圧電素子が比較的容易に製造できる。
【００１７】
本発明の第１１の態様は、第１０の態様において、前記下電極を形成する工程は、前記振動板上に密着層を、その表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にあるように形成する工程と、この密着層上の第１のＩｒ層を形成する工程と、この第１のＩｒ層上にＰｔ層を形成する工程と、このＰｔ層上の第２のＩｒ層を形成する工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１１の態様では、密着層の表面粗さが所望の範囲になるように制御することにより、その上に積層される第１のＩｒ層、Ｐｔ層、及び第２のＩｒ層の表面粗さを比較的容易に制御することができ、表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にある下電極を比較的容易に製造することができる。
【００１８】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記密着層が、チタン（Ｔｉ）からなることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１２の態様では、チタンからなる密着層の表面粗さを制御することにより、その上に積層する各層の表面粗さを比較的容易に制御することができる。
【００１９】
本発明の第１３の態様は、第１１又は１２の態様において、前記密着層を、圧力が０．０１〜０．２Ｐａの条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１３の態様は、密着層を圧力が０．０１〜０．２Ｐａの条件下でのスパッタ法により形成することにより、比較的容易に表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にある層とすることができる。
【００２０】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様において、前記密着層を、温度が常温から２００℃の範囲、パワー密度が３〜１０ｋＷ／ｍ２の条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１４の態様では、表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にある密着層を比較的容易に形成できる。
【００２１】
本発明の第１５の態様は、第１１〜１４の何れかの態様において、前記第１のＩｒ層、前記Ｐｔ層及び前記第２のＩｒ層を、パワー密度を８〜３０ｋＷ／ｍ２、０．０１〜０．３Ｐａの圧力、常温から２００℃の温度という条件下でのスパッタ法により形成したことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１５の態様では、表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲にある下電極を比較的容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
（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としての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、図１の平面図及び断面図である。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り形成した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、その他方面側から異方性エッチングすることにより形成され、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を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部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。
【００２４】
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、後述するマスク膜を介して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不錆鋼などからなる。
【００２５】
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の二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５が形成されている。また、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍ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。
【００２６】
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。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
【００２７】
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圧電アクチュエータと称する。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が振動板としての役割を果たす。
【００２８】
また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、リード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。
【００２９】
ここで、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の下地となる下電極膜６０の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が０．０５〜２ｎｍの範囲内にあり、好ましくは１．５ｎｍ以下、さらに好ましくは１．０ｎｍ以下になっている。詳しくは後述するが、下電極膜６０の表面粗さＲａを所望の範囲に制御することにより、圧電体層７０の特性を向上させている。なお、下電極膜６０の表面粗さが小さいほど圧電体層７０の特性が向上すると考えられ、上述した範囲より大きいと、圧電体層７０の特性を顕著に向上させるという効果は得られず、一方、上記範囲より小さい表面粗さは実際上得ることが難しい。
【００３０】
また、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域に圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２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の並設方向に沿って設けられており、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。
【００３１】
また、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２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、これら下電極膜６０及びリード電極９０には、図示しないが、一端が駆動ＩＣに接続された接続配線の他端が接続される。
【００３２】
なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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。
【００３３】
また、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。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３２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。
【００３４】
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、図示しない駆動ＩＣ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、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からインクが吐出する。
【００３５】
ここで、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６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、圧力発生室１２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を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
【００３６】
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、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、ＤＣスパッタ法又はＲＦスパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成する。このとき、ジルコニウム層の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）が１〜３ｎｍ、好ましくは１．５ｎｍ以上、さらに好ましくは２．０ｎｍより大きくなるように制御する。
【００３７】
さらに、ジルコニウム層は、その表面の（００２）面配向度が８０％以上となっていることが好ましい。なお、ここでいう「配向度」とは、Ｘ線回折広角法によってジルコニウム層を測定した際に生じる回折強度の比率をいう。具体的には、ジルコニウム層をＸ線回折広角法により測定すると、（１００）面、（００２）面及び（１０１）面に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「（００２）面配向度」とは、これら各面に相当するピーク強度の和に対する（００２）面に相当するピーク強度の比率を意味する。
【００３８】
そして、このようにジルコニウム層の表面粗さＲａを１〜３ｎｍの範囲内とするためには、ジルコニウム層を形成する際のスパッタ出力を５００Ｗ以下とすることが好ましい。また、スパッタ温度は常温（約２３〜２５℃）とすることが好ましい。さらに、スパッタ圧力は０．５Ｐａ以上とするのが好ましい。また、ターゲット間隔（ターゲットと基板との間の距離）を１００ｍｍ以下とするのが好ましい。このように成膜条件を適宜選択してジルコニウム層を形成することにより、ジルコニウム層の表面粗さＲａを１〜３ｎｍの範囲内に制御することができ、また同時に（００２）面配向度を８０％以上とすることができる。
【００３９】
このようにジルコニウム層を形成した後は、このジルコニウム層を熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。このときの加熱温度は、９００℃以下、好ましくは７００〜９００℃の範囲内とするのがよい。このように熱酸化時の加熱温度を調整することで、絶縁体膜５５の表面粗さＲａが１〜３ｎｍの範囲内となるように形成する。例えば、本実施形態では、約７００〜９００℃に加熱された酸素雰囲気下の拡散炉内に、３００ｍｍ／ｍｉｎ以上、好ましくは５００ｍｍ／ｍｉｎ以上のスピードで流路形成基板用ウェハ１１０を挿入してジルコニウム層を約１５〜６０分間熱酸化させるようにした。
【００４０】
これにより、結晶状態が良好な絶縁体膜５５が得られ、その絶縁体膜５５の表面粗さＲａが１〜３ｎｍの範囲内となる。すなわち、絶縁体膜５５を構成する酸化ジルコニウムの結晶が略均一に成長して下面から上面まで連続的な柱状結晶となることで、表面粗さＲａが１〜３ｎｍの範囲内と比較的粗くなる。なお、本実施形態では、絶縁体膜５５を設けているが、絶縁体膜５５は必ずしも設ける必要はなく、また、その表面粗さも上述した範囲以外でもよい。
【００４１】
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、少なくとも白金とイリジウムとからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５の全面にスパッタ法等により形成する。本実施形態では、最下層に密着層６１、その上に第三層としてＩｒ層６２、第二層としてＰｔ層６３、第一層としてＩｒ層６４を順次積層し、下電極膜６０とした。ここで、下電極膜６０の表面粗さ、すなわち、第一層のＩｒ層６４の表面粗さＲａが０．０５〜２ｎｍの範囲内にあれば、上述したように、圧電体層７０の特性を向上させることができるが、本実施形態では、密着層６１、Ｉｒ層６２及びＰｔ層６３、特に、密着層６１の成膜条件を調整してその表面粗さを、Ｉｒ層６４（下電極膜６０）の所望の表面粗さより小さくなるように制御することにより、比較的容易にＩｒ層６４の表面粗さＲａを所望の範囲に制御している。
【００４２】
ここで、密着層６１の厚さは、密着性が確保できるように１０ｎｍ以上とするのが好ましい。なお、密着層６１は、下電極膜６０の下地層との密着性を良好にするためのものであり、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）などの金属層、好ましくはＴｉ層とすればよく、本実施形態ではＴｉ層とした。
【００４３】
本実施形態では、密着層６１、Ｉｒ層６２、Ｐｔ層６３、及びＩｒ層６４をＤＣスパッタ法又はＲＦスパッタ法などのスパッタ法により順次積層した。ここで、密着層６１としてのＴｉ層は、圧力を０．２Ｐａ以下の条件で形成するのが好ましい。これより大きい圧力で行うと、表面粗さが大きくなって平滑性が薄れ、結果として下電極膜６０の表面粗さＲａが２ｎｍ以下という条件を満足できないからである。なお、パワー密度は３ｋＷ・ｍ２以上で、せいぜい１０ｋＷ・ｍ２程度までで行うのが好ましく、温度は常温（約２３〜２５℃）から２００℃の範囲で行うのが好ましい。
【００４４】
このように比較的平滑な層となった密着層６１上に形成されるＩｒ層６２、Ｐｔ層６３、及びＩｒ層６４は、密着層６１の平滑性のため、比較的平滑に形成することができ、各層の成膜は、例えば、圧力０．３Ｐａ以下、パワー密度が３０ｋＷ・ｍ２以下、温度が２００℃以下という条件で行うのが好ましい。
【００４５】
このような条件で製造すると、結晶性が良好で、表面が平滑で欠陥のほとんどない下電極膜６０を得ることができる。また、特に、密着層６１を上述した条件で設けると、下地、例えば、絶縁体層５５の同一ウェハ内での表面粗さのばらつきが低減され、例えば、絶縁体膜５５の表面粗さＲａが、中心部で１．７ｎｍ程度、外周部で１．４ｎｍ程度というばらつきに対して、下電極膜６０の表面粗さＲａのばらつきは極めて小さく抑えられる。なお、このような層構造とすると、後述するように圧電体前駆体膜を焼成して圧電体膜を形成することにより、圧電体層側から順に、Ｉｒを含む第一層と、Ｐｔを含む第二層と、Ｉｒを含む第三層と、Ｔｉを含む最下層からなる下電極膜６０となる。
【００４６】
次に、図３（ｄ）に示すように、下電極膜６０を所定形状にパターニングした後、下電極膜６０及び絶縁体膜５５上に、チタン（Ｔｉ）をスパッタ法、例えば、ＤＣスパッタ法で２回以上、本実施形態では２回塗布することにより所定の厚さの種チタン層６５を形成する。このときのスパッタ条件は特に限定されないが、スパッタ圧力は、０．４〜４．０Ｐａの範囲内であるのが好ましい。また、スパッタ出力は５０〜１００Ｗとするのが好ましく、スパッタ温度は常温（約２３〜２５℃）〜２００℃の範囲内とするのが好ましい。さらに、パワー密度は１〜４ｋＷ／ｍ２程度とすることが好ましい。また、上述したように、ここではチタンを２回塗布することで、次工程で形成する圧電体層７０の結晶の核となる種チタンを多数形成することができる。
【００４７】
次に、このように形成した種チタン層６５上に、例えば、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。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・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ＰＺＴからなる圧電体層７０を形成した。
【００４８】
圧電体層７０の形成手順としては、まず、図４（ａ）に示すように、種チタン層６５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、流路形成基板用ウェハ１１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する。次いで、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、ゾルの溶媒を蒸発させることで圧電体前駆体膜７１を乾燥させる。さらに、大気雰囲気下において一定の温度で一定時間、圧電体前駆体膜７１を脱脂する。なお、ここでいう脱脂とは、ゾル膜の有機成分を離脱させることである。
【００４９】
そして、このような塗布・乾燥・脱脂の工程を、所定回数、例えば、本実施形態では、２回繰り返すことで、図４（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定厚に形成し、この圧電体前駆体膜７１を拡散炉で加熱処理することによって結晶化させて圧電体膜７２を形成する。すなわち、圧電体前駆体膜７１を焼成することで種チタン層６５を核として結晶が成長して圧電体膜７２が形成される。例えば、本実施形態では、約７００℃で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、このように形成した圧電体膜７２の結晶は（１００）面に優先配向する。
【００５０】
さらに、上述した塗布・乾燥・脱脂・焼成の工程を、複数回繰り返すことにより、図４（ｃ）に示すように、複数層、本実施形態では、５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、ゾルの塗布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１μｍとなる。
【００５１】
以上のような工程で圧電体層７０を形成することにより、圧電体層７０の特性を向上させることができ且つ特性を安定させることができる。すなわち、圧電体層７０の結晶性、例えば、配向度、強度、粒径等は、その下地の影響を受けやすいが、本発明では、その下地となる下電極膜６０の表面粗さＲａを０．０５〜２ｎｍの範囲内に制御し、また、その結晶性を良好に制御することで、その上に設けられる種チタン層６５の種チタンを有効に作用させることができ、これにより圧電体層７０の結晶性を向上させている。すなわち、下電極膜６０の表面粗さＲａが２ｎｍ以下であるのに対し、種チタン層６５の種チタンの粒径は２ｎｍより大きいので、下電極膜６０の表面の凹部に入り込むことなく、有効に作用して圧電体層７０の特性の向上に寄与することができると思われる。これにより、電気的及び機械的特性に優れた圧電体層７０を形成することができる。また、下電極膜６０の同一ウェハ内での表面粗さや結晶性のばらつきが抑えられているので、圧電体層７０の特性のばらつきも極めて小さく抑えることができる。
【００５２】
さらに、圧電体層７０の結晶性をコントロールしやすくなり、所望の特性の圧電体層７０を比較的容易に製造することができ、量産性も大幅に向上する。すなわち、本発明では、下電極膜６０の表面粗さＲａを０．０５〜２ｎｍの範囲内となるように制御することで、この上に種チタン層６５を形成する際のスパッタ条件を厳密に制御しなくても、下電極膜６０の表面粗さＲａを所定の範囲以外とした場合と比べて、この上に形成される圧電体層７０の結晶を比較的容易に（１００）面に優先配向させ、その特性を比較的容易に向上させることができ且つ圧電体層の特性を比較的容易に安定させることができる。これにより、歩留まりを向上することができる。
【００５３】
なお、圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料に、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を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、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（Ｓｃ１／３Ｔａ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。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。
【００５４】
また、このように圧電体層７０を形成した後は、図５（ａ）に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、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。次に、リード電極９０を形成する。具体的には、図５（ｃ）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）等からなる金属層９１を形成する。その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層９１を各圧電素子３００毎にパターニングすることでリード電極９０が形成される。
【００５５】
次に、図５（ｄ）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を接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
【００５６】
次いで、図６（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、更に弗化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。例えば、本実施形態では、約７０μｍ厚になるように流路形成基板用ウェハ１１０をエッチング加工した。次いで、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００５７】
なお、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とする。
【００５８】
ここで、密着層６１形成時のスパッタ圧力を約０．２Ｐａ、スパッタ出力を９ｋＷ／ｍ２、温度を室温（約２５℃）とし、Ｉｒ層６２、Ｐｔ層６３、Ｉｒ層６４のスパッタ圧力を約０．３Ｐａ、スパッタ出力を８ｋＷ／ｍ２、温度を１００℃として、下電極膜６０を形成した以外は、上述した製造方法により作製したものを実施例１のインクジェット式記録ヘッドとした。この実施例１の下電極の表面粗さＲａは約１．５ｎｍであった。
【００５９】
一方、密着層６１形成時のスパッタ圧力を約０．３Ｐａとした以外は、実施例１と同様に作製したヘッドを比較例１とした。このヘッドの下電極膜の表面粗さＲａは約２．１ｎｍであった。
【００６０】
図７（ａ）には、実施例１の下電極膜の表面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を示す。また、図８（ａ）には、実施例１の密着層の表面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を示す。
【００６１】
図７（ｂ）には、比較例１の下電極膜の表面のＳＥＭ写真を示す。また、図８（ｂ）には、比較例１の密着層の表面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を示す。
【００６２】
図７（ａ）及び図７（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例１の下電極膜は、比較例１の下電極膜よりも平滑な層となっているのが確認できる。そして、上記実施例１及び比較例１のヘッドについて、圧電素子（圧電体層）の特性を比較したところ、比較例１のヘッドよりも実施例１のヘッドの方が圧電体層の特性が高いことが分った。
【００６３】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、上述した実施形態においては、液体噴射装置に用いるヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを例示したが、本発明は、広く液体噴射ヘッドの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もの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（面発光ディスプレー）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、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）に液体吐出手段として搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】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。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施例１及び比較例１の下電極膜の表面のＳＥＭ写真である。
【図８】実施例１及び比較例１の密着層の表面のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００６５】
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、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、６１  密着層、６２  Ｉｒ層、６３  Ｐｔ層、６４  Ｉｒ層、  ６５  種チタン層、  ７０  圧電体膜、  ８０  上電極膜、  ３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006093312.tif 000008
【図８】
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