致动装置的制造方法、及包括该致动装置的液体喷射装置.pdf

本发明提供一种防止振动板的剥离并提高了耐久性及可靠性的液体喷头的制造方法。所述制造方法至少具有振动板形成工序，和在所述振动板上形成压电元件的压电元件形成工序，其中，所述振动板形成工序至少包括形成绝缘体膜的工序，即，在流路形成基板的一个面上，通过溅射法形成锆层，使其表面的(002)面取向度为80％以上，并热氧化锆层，形成由氧化锆构成的、并构成振动板一部分的绝缘体膜。

1.  一种致动装置的制造方法，所述致动装置包括振动板和设置于所述振动板上的、由下电极、压电体层及上电极构成的压电元件，所述制造方法的特征在于，
至少具有振动板形成工序，和在所述振动板上形成压电元件的压电元件形成工序，其中，所述振动板形成工序至少包括形成绝缘体膜的工序，在所述形成绝缘体膜的工序中，在所述基板的一个面上通过溅射法形成锆层，使其表面的(002)面取向度为80％以上，并对所述锆层进行热氧化，形成由氧化锆构成的、并构成所述振动板的一部分的绝缘体膜。

2.  如权利要求1所述的致动装置的制造方法，其特征在于，
所述振动板形成工序还包括形成弹性膜的工序，在所述形成弹性膜的工序中，在由单晶硅衬底构成的所述基板的一个面上，形成由氧化硅(SiO₂)构成的、并构成所述振动板的一部分的弹性膜；所述绝缘体膜形成在所述弹性膜上。

3.  如权利要求1所述的致动装置的制造方法，其特征在于，所述压电元件形成工序至少包括形成由锆钛酸铅(PZT)构成的压电体层的工序。

4.  如权利要求1所述的致动装置的制造方法，其特征在于，在形成所述绝缘体膜的工序中，通过DC溅射法来形成所述锆层。

5.  如权利要求4所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的溅射输出为500W以下。

6.  如权利要求4所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的加热温度为100℃以上。

7.  如权利要求4所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的溅射压力为0.5Pa以下。

8.  如权利要求1所述的致动装置的制造方法，其特征在于，在形成所述绝缘体膜的工序中，使热氧化温度为850～1000℃，并使负荷速度为300mm/min以上。

9.  一种致动装置，包括振动板和设置于所述振动板上的、由下电极、压电体层以及上电极构成的压电元件，所述致动装置的特征在于，
所述振动板至少包括由氧化锆(ZrO₂)构成的绝缘体膜，所述绝缘体膜的结晶在(-111)面上优先取向。

10.  如权利要求9所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的结晶为柱状。

11.  如权利要求9所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的结晶为单斜晶。

12.  如权利要求9所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的膜厚为200nm以上，并且结晶粒径为20nm～100nm。

13.  如权利要求9所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的应力处于-150～-300[MPa]的范围内。

14.  如权利要求9所述的致动装置，其特征在于，所述振动板包括由氧化硅(SiO₂)构成的弹性膜，所述绝缘体膜被设置于所述弹性膜上。

15.  一种液体喷射装置，其具有通过权利要求1所述的制造方法而制造的致动装置。

16.  一种液体喷射装置，其特征在于，具有液体喷头，所述液体喷头具有权利要求9所述的致动装置。

致动装置的制造方法、及包括该致动装置的液体喷射装置
技术领域
本发明涉及致动装置的制造方法、液体喷头以及液体喷射装置，其中，所述致动装置在形成了压力产生室的流路形成基板的一面上设置振动板，并包括经由该振动板而设置的压电元件；所述液体喷头通过根据所述制造方法而形成的致动装置的位移来喷出墨水等液滴。
背景技术
具备通过施加电压而发生位移的压电元件的致动装置例如被安装在喷射液滴的液体喷头等上，这种液体喷头例如公知有如下的喷墨式记录头，所述喷墨式记录头通过振动板来构成与喷嘴开口连通的压力产生室的一部分，并通过压电元件使该振动板发生形变，从而给压力产生室的墨水加压，使墨滴从喷嘴开口喷出。另外，在喷墨式记录头中，实际应用的有如下两种：一种安装了在压电元件的轴方向上伸长、收缩的纵向振动模式的压电致动装置；另一种安装了弯曲振动模式的压电致动装置。
前者通过使压电元件的端面与振动板相接触，可以使压力产生室的容积发生变化，从而可制成适于高密度印刷的喷头，但相反，其需要将压电元件与喷嘴开口的排列间隙一致地划分成梳齿状的困难工序，以及将所划分的压电元件定位并固定在压力产生室内的作业，从而存在制造工序复杂的问题。与此相反，后者使压电材料的印刷电路板与压力产生室的形状一致地进行粘贴，虽然可以通过对其进行烧制这一较为简单的工序来将压电元件固定在振动板上，但由于利用弯曲振动的关系，需要某种程度的面积，存在难以高密度排列的问题。此外，为消除后者的缺点，有如下形成压电元件的，即：通过成膜技术将均匀的压电材料层形成在振动板的整个表面上，再通过光刻法将该压电材料层划分为与压力产生室相对应的形状，使每个压力产生室独立。
作为构成这种压电元件的压电材料层的材料，例如可使用锆钛酸铅(PZT)。此时，当烧制压电材料层时，压电材料层的铅成分扩散至氧化硅(SiO₂)膜，其中所述氧化硅膜被设置在由硅(Si)构成的流路形成基板的表面上并构成振动板。然后，由于所述铅成分的扩散而氧化硅的熔点降低，于是就存在被烧制压电材料时的热量熔化的问题。为了解决这种问题，例如通过在氧化硅膜上设置构成振动板的氧化锆膜，并在该氧化锆膜上设置压电材料层，从而防止了铅成分从压电材料层向氧化硅膜的扩散(例如，参照日本专利特开平11-204849号公报)。
但是，氧化锆膜与氧化硅膜之间的粘附性低，于是存在发生振动板剥离等的问题。即，氧化锆膜例如是在通过溅射法形成锆膜后，通过热氧化该锆膜而形成的。另外，虽然如此形成的锆膜为多结晶结构，但其结晶多为团状，即使含有柱状结晶其比例也很低，因而与氧化硅膜之间的粘附性较低，存在发生氧化锆膜剥离等的问题。另外，这种问题不仅是在安装于喷墨式记录头等液体喷头中的致动装置中，在安装于其他装置中的致动装置中也同样存在。
发明内容
鉴于所述问题，本发明的课题在于，将提供一种防止振动板剥离并提高耐久性及可靠性的致动装置的制造方法，以及具有通过该制造方法而形成的致动装置的液体喷射装置。
为解决上述问题，本发明的第一方案是一种致动装置的制造方法，所述致动装置包括振动板和设置在该振动板上的、由下电极、压电体层及上电极构成的压电元件，所述制造方法的特征在于，其至少具有振动板形成工序，和在所述振动板上形成压电元件的压电元件形成工序，其中，所述振动板形成工序至少包括形成绝缘体膜的工序，在所述形成绝缘体膜的工序中，在所述基板的一面上通过溅射法形成锆层，使其表面的(002)面取向度为80％以上，并热氧化该锆层，形成由氧化锆构成的、并构成所述振动板的一部分的绝缘体膜。
在所述第一方案中，可形成结晶性优良地锆层，并通过将这样形成的锆层热氧化，可以形成与下侧的膜之间粘附性优良的绝缘体膜。
本发明的第二方案是如第一方案所述的致动装置的制造方法，其特征在于，所述振动板形成工序还包括形成弹性膜的工序，在所述形成弹性膜的工序中，在由单晶硅衬底形成的所述基板的一个面上，形成由氧化硅(SiO₂)构成的、并构成所述振动板的一部分的弹性膜；并且，所述绝缘体膜形成在所述弹性膜上。
在所述第二方案中，即使绝缘体膜下侧的膜是由氧化硅形成的弹性膜，粘附性也提高了。
本发明的第三方案是如第一或第二方案所述的致动装置的制造方法，其特征在于，所述压电元件形成工序至少包含形成由锆钛酸铅(PZT)构成的压电体层的工序。
在所述第三方案中，可防止压电体层的铅成分向振动板扩散，并可良好地形成振动板及压电元件。
本发明的第四方案是如第一至第三方案任一项所述的致动装置的制造方法，其特征在于，在形成所述绝缘体膜的工序中，通过DC溅射法来形成所述锆层。
在所述第四方案中，可以比较容易地形成表面的(002)面取向度为80％以上的锆层。
本发明的第五方案是如第四方案所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的溅镀输出为500W以下。
在所述第五方案中，通过调整溅射输出，可以形成结晶性优良的锆层。
本发明的第六方案是如第四或第五方案所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的加热温度为100℃以上。
在所述第六方案中，通过调整溅射时的加热温度，可以形成结晶性优良的锆层。
本发明的第七方案是如第四至第六方案任一项所述的致动装置的制造方法，其特征在于，使形成所述锆层时的溅射压力为0.5Pa以下。
在所述第七方案中，通过调整溅射压力，可以形成结晶性优良的锆层。
本发明的第八方案是如第一至第七方案任一项所述的致动装置的制造方法，其特征在于，在形成所述绝缘体膜的工序中，使热氧化温度为850～1000℃，并使负荷速度为300mm/min以上。
在所述第八方案中，可以获得结晶在(-111)面上优先取向且结晶状态良好的绝缘体膜。
本发明的第九方案是一种致动装置，所述致动装置包括振动板和由设置于该振动板上的下电极、压电体层以及上电极形成的压电元件，其特征在于，所述振动板至少包括由氧化锆(ZrO₂)构成的绝缘体膜，该绝缘体膜的结晶在(-111)面上优先取向。
在所述第九方案中，绝缘体膜的质量提高了，并防止了振动板的剥离。此外，通过提高绝缘体膜的质量，使得形成于该绝缘体膜上的压电体层等各层的质量稳定。
本发明的第十方案是如第九方案所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的结晶为柱状。
在所述第十方案中，通过使绝缘体膜的结晶成为从下表面到上表面连续的柱状，提高了下层及上层之间的粘附性。
本发明的第十一方案是如第九或第十方案所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的结晶为单斜晶。
在所述第十一方案中，绝缘体膜的结晶在(-111)面上良好地取向。
本发明的第十二方案是如第九至第十一方案任一项所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的膜厚为200nm以上，并且结晶粒径为20nm～100nm。
在所述第十二方案中，绝缘体膜与其上层及下层的粘附性进一步可靠地提高了。
本发明的第十三方案是如第九至第十二方案中任一项所述的致动装置，其特征在于，所述绝缘体膜的应力为-150～-300[MPa]的范围内。
在所述第十三方案中，可以可靠地防止绝缘体膜的剥离。此外，防止了由压电元件的驱动所导致的振动板的位移。
本发明的第十四方案是如第九至第十三方案任一项所述的致动装置，其特征在于，所述振动板包括由氧化硅(SiO₂)构成的弹性膜，所述绝缘体膜被设置于所述弹性膜上。
在所述第十四方案中，即使绝缘体膜的下层为由氧化硅形成的弹性膜，粘附性也提高了。
本发明的第十五方案是一种液体喷头，其具有通过第一方案的制造方法而制造的致动装置。
在所述第十五方案中，可获得提高了耐久性及可靠性的液体喷射装置。
本发明的第十六方案是一种液体喷射装置，其特征在于，具有液体喷头，该液体喷头包括第九方案所述的致动装置。
在所述第十六方案中，可获得提高了耐久性及可靠性的液体喷射装置。
图1是第一实施方式的记录头的分解立体图；
图2是第一实施方式的记录头的俯视图及剖面图；
图3是表示第一实施方式的记录头的制造工序的剖面图；
图4是表示第一实施方式的记录头的制造工序的剖面图；
图5是表示第一实施方式的记录头的制造工序的剖面图；
图6是锆层的X线衍射测定结果的一个例子的示意图；
图7是第一实施方式的锆层的X线衍射测定结果的示意图；
图8是第一实施方式的氧化锆层的X线衍射测定结果的示意图；
图9是表示第一实施方式的氧化锆层的剖面的SEM像；
图10是表示第一实施方式的氧化锆层的表面的SEM像；
图11是表示第一实施方式的氧化锆层的表面的SEM像；
图12是一个实施方式中的记录装置的简图。
下面，基于实施方式对本发明进行详细说明。
(第一实施方式)
图1是表示具有本发明第一实施方式的致动装置的喷墨式记录头的分解立体图，图2是图1的俯视图及剖面图。如图所示，流路形成基板10在本实施方式中由面取向(110)的单晶硅衬底形成，其一个面上形成有厚度为1～2μm的弹性膜50，该弹性膜由通过预热氧化而形成的二氧化硅构成。在流路形成基板10中，在其宽度方向上并列设置有多个压力产生室12。此外，在流路形成基板10的压力产生室12的长度方向外侧的区域内形成有连通部13，连通部13与各压力产生室12通过设置于每个压力产生室12上的供墨通路14来连通。另外，连通部13与后述保护基板的贮液部连通并构成贮液池的一部分，所述贮液池是各压力产生室12共用的墨水室。供墨通路14以比压力产生室12窄的宽度而形成，将从连通部13流入压力产生室12的墨水的流路阻力保持恒定。
此外，在流路形成基板10的开口面一侧，经由后述掩模通过粘接剂或者热焊接薄膜而固定有喷嘴板20，所述喷嘴板20上贯穿设有喷嘴开口21，所述喷嘴开口21与各压力产生室12的供墨通路14在其相反侧的端部附近连通。另外，喷嘴板20由厚度例如为0.01～1mm，线膨胀系数在300℃以下例如为2.5～4.5[×10^-6/℃]的玻璃陶瓷、单晶硅衬底或者不锈钢等构成。
另一方面，在与这种流路形成基板10的开口面相反一侧，如上所述，形成了由厚度例如约为1.0μm的二氧化硅(SiO₂)组成的弹性膜50，在该弹性膜50上形成有由氧化锆(ZrO₂)、例如在本实施方式中由单斜晶的氧化锆组成的绝缘体膜55。此外，具体将在后面说明，但这种绝缘体膜55是通过热氧化(002)面取向度为80％以上的锆层而形成的。另外，如此形成的本实施方式的绝缘体膜55其结晶优先取向(-111)，并且结晶形成为柱状。
在这种结构中，由于大幅度提高了绝缘体膜55与弹性膜50之间的粘附性，所以可以防止产生振动板剥离等。此外，可以使形成于该绝缘体膜55上的各层的品质稳定。因此，可以实现提高了耐久性及可靠性的喷模式记录头。
另外，所谓优先取向，指的是结晶的取向方向不是无次序的，而是特定的结晶面大体朝向恒定的方向的状态。例如，在本实施方式中，氧化锆的结晶的(-111)面为朝向绝缘体膜55的表面侧的状态。此外，结晶为柱状的膜是指近似圆柱体的结晶以中心轴与厚度方向大体一致的状态遍及面方向进行集合而形成膜的状态。
此外，这种绝缘体膜55最好是以至少为200nm以上的厚度形成，例如在本实施方式中是以约为400nm的厚度形成的。另外，该绝缘体膜55在形成压电体层时，起着防止铅成分向弹性膜50扩散的作用。另外，绝缘体膜55如果是以200nm以上的厚度形成的，则可以可靠地防止铅成分向该弹性膜50扩散。
此外，绝缘体膜55(氧化锆)的结晶粒径最好根据绝缘体膜55的厚度进行适当调整，具体地说，例如最好为20nm～100nm左右。由此，进一步提高了绝缘体膜55与弹性膜50之间的粘附性。另外，绝缘体膜55的应力最好为-150～-300[MPa]的范围，即，拉伸方向的应力最好为150～300[MPa]的范围。如果为这种程度的应力，则在绝缘体膜55上不会产生裂纹，从而大幅提高了产量。
此外，在该绝缘体膜55上，以后述工艺层积形成了：厚度例如约为0.2μm的下电极膜60、厚度例如约为1.0μm的压电体层70、厚度例如约为0.05μm的上电极膜80，从而构成了压电元件300。这里，压电元件300指得是包括下电极膜60、压电体层70以及上电极膜80的部分。一般来说，将压电元件300的任一个电极作为公共电极，另一个电极以及压电体层70通过在每一个压力产生室12进行图案化而形成。而且，这里由图案化的任一个电极及压电体层70构成的、并通过向两电极施加电压而产生压电失真的部分被称为压电体有源部分。在本实施方式中，下电极膜60为压电元件300的公共电极，上电极膜80为压电元件300的分立电极，但根据驱动电路或者配线的情况，即使相反设置也可以。在任一种情况下，各压力产生室的每一个都形成有压电体有源部分。并且，此处，压电元件300与通过该压电元件300的驱动而产生位移的振动板被合称为压电致动器。另外，在本实施方式中，虽然弹性膜、绝缘体膜以及下电极膜作为振动板来起作用，但是，当然也可以只将弹性膜及绝缘体膜作为振动板来起作用。
然后，在这种各压电元件300的上电极膜80中，分别连接有例如由金(Au)等形成的引线电极90，通过该引线电极90可以选择地向各压电元件300施加电压。
此外，在流路形成基板10上的压电元件300一侧的面上，接合着具有压电元件保持部31的保护基板30，所述压电元件保持部31可在与压电元件300相对的区域内确保不妨碍其运动的空间。由于压电元件300是形成在该压电元件保持部31内的，所以可被保护在几乎不受外界环境影响的状态下。另外，在保护基板30上，在与流路形成基板10的连通部13相对的区域内设有贮液部32。在本实施方式中，该贮液部32在厚度方向上贯穿保护基板30，并沿着压力产生室12的并列设置方向而设置，如上所述，与流路形成基板10的连通部13相连通，并构成作为各压力产生室12共用的墨水室的贮液池100。
此外，在保护基板30的压电元件保持部31与贮液部32之间的区域内，设有在厚度方向上贯通保护基板30的贯通孔33，在该贯通孔33内露出下电极膜60的一部分及引线电极90的顶端部分，并在所述下电极膜60及引线电极90上，连接从驱动IC延伸设置的连接配线的一端(图中未示出)。
另外，保护基板30的材料例如可例举的有：玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等，但最好使用与流路形成基板10的热膨胀率大致相同的材料来形成，在本实施方式中，使用了与流路形成基板10材料相同的单晶硅衬底来形成。
此外，在保护基板30上，接合有由密封膜41及固定板42构成的顺从基板40。密封膜41由刚性低、具有挠性的材料(例如，厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)薄膜)形成，并且通过该密封膜41来密封贮液部32的一个面。此外，固定板42由金属等硬质材料(例如，厚度约为30μm的不锈钢(SUS)等)形成。由于与该固定板42的贮液池100相对的区域由在厚度方向上被完全除去的开口部43形成，所以贮液池100的一个面仅用具有挠性的密封膜41密封。
在这样的本实施方式的喷墨式记录头中，从图中未示出的外部供墨单元取入墨水，并在用墨水将内部从贮液池100充满至喷嘴开口21之后，根据来自图中未示出的驱动IC的记录信号，在与压力产生室12相对应的各个下电极膜60与上电极膜80之间施加电压，并通过使弹性膜50、绝缘体膜55、下电极膜60及压电体层70发生弯曲形变，来提高各压力产生室12内的压力，将墨滴从喷嘴开口21喷出。
这里，参照图3～图5，对这种喷墨式记录头的制造方法进行说明。另外，图3～图5是压力产生室12的长度方向的剖面图。首先，如图3(a)所示，将硅晶片、即流路形成基板用的晶片110在大约1100℃的扩散炉中进行热氧化，从而在其表面上形成构成弹性膜50的二氧化硅膜51。另外，在本实施方式中，流路形成基板用的晶片110使用了膜厚约为625μm的较厚的、刚性高的硅晶片。
接着，如图3(b)所示，在弹性膜50(二氧化硅膜51)上，形成由氧化锆构成的绝缘体膜55。具体地说，首先，在弹性膜50上通过溅射法、例如在本实施方式中通过DC溅射法来形成锆层。此时，以预定的溅射条件形成锆层，并使得锆层的表面的(002)面取向度为80％以上，最好为90％以上。
这里，所谓“取向度”是指通过X线大角衍射法来测定锆层时所产生的衍射强度的比率。具体地说，如果通过X线大角衍射法测定锆层，则产生与(100)面、(002)面及(101)面相当的衍射强度的峰值。例如，图6所示的X线衍射测定结果是(002)面取向度约为70％的锆层，则可知与(100)面及(101)面相当的位置上和与(002)面相当的位置一起产生强度的峰值。然后，所谓“(002)面取向度”，就意味着与(002)面相当的峰值强度相对于与所述各面相当的峰值强度之和的比率。
此外，为获得(002)面取向度为80％以上的锆层，最好使通过DC溅射法形成锆层时的输出为500W以下。此外，溅射时的加热温度最好为100℃以上。但是，由于加热温度过高的话会有在流路形成基板10上产生裂纹等的担心，所以最好为100～300℃左右。另外，溅射压力最好为0.5Pa以下。通过这样适当选择成膜条件并通过DC溅射法来形成锆层，从而能够可靠地形成表面的(002)面取向度为80％以上的锆层。
然后，通过对(002)面取向为80％以上的锆层进行热氧化，从而形成由氧化锆构成的绝缘体膜55。具体地说，例如在加热到850～1000℃的扩散炉内，例如以300mm/min、最好以500mm/min以上的速度(负荷速度)来插入流路形成基板用的晶片110，并使锆层热氧化。由此，可得到在(-111)面上优先取向且结晶状态良好的绝缘体膜55。此外，构成如此形成的绝缘体膜55的氧化锆的结晶，是从下表面到上表面连续的柱状结晶。
这里，在图7中示出了在预定基板上以下述表1中的溅射条件而形成的锆层的X线衍射测定结果。此外，在图8中示出了热氧化该锆层而形成的氧化锆层的X线衍射测定结果。此外，在图9中示出了以下述表1中的热氧化条件分别对(002)面取向度为80％、90％、99.7％的锆层进行热氧化而形成的氧化锆层的剖面SEM像。另外，在图9(b)及(c)中，图中右侧为氧化锆层的上表面一侧。
【表1】