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JP5024564B2 - Actuator device and liquid jet head - Google Patents
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JP5024564B2 - Actuator device and liquid jet head - Google Patents

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Description

本発明は、振動板上に、下電極、圧電材料からなる圧電体層及び上電極で構成される圧電素子を有するアクチュエーター装置の製造方法及びアクチュエーター装置並びに液体噴射ヘッドに関する。   The present invention relates to a method of manufacturing an actuator device having a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer made of a piezoelectric material, and an upper electrode on a vibration plate, an actuator device, and a liquid ejecting head.

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ー装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射ヘッド等に搭載され、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ー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ー装置を搭載したものの2種類が実用化されている。   An actuator device including a piezoelectric element that is displaced by applying a voltage is mounted on, for example, a liquid ejecting head that ejects liquid droplets. As such a liquid ejecting head, for example, pressure generation that communicates with a nozzle opening is performed. There is known an ink jet recording head in which a part of a chamber is constituted by a diaphragm, and the diaphragm is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in a pressure generating chamber and eject ink droplets from a nozzle opening. Two types of inkjet recording heads have been put into practical use: those equipped with a piezoelectric actuator device in a longitudinal vibration mode that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those equipped with a piezoelectric actuator device in a flexural vibration mode. Yes.

前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。また、後者の不都合を解消すべく、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料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て各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。   The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary. On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult. In addition, in order to eliminate the inconvenience of the latter, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm, and this piezoelectric material layer is cut into a shape corresponding to the pressure generating chamber by a lithography method. Some have piezoelectric elements formed so as to be independent for each pressure generating chamber.

このような圧電素子を構成する圧電材料層の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が用いられる。この場合、圧電材料層を焼成する際に、圧電材料層の鉛成分が、シリコン(Si)からなる流路形成基板の表面に設けられて振動板を構成する酸化シリコン(SiO2)膜に拡散してしまう。そして、この鉛成分の拡散によって酸化シリコンの融点が降下し、圧電材料層の焼成時の熱により溶融してしまうという問題がある。このような問題を解決するために、例えば、酸化シリコン膜上に振動板を構成する酸化ジルコニウム(ZrO)層を設けることで、圧電材料層から酸化シリコン膜への鉛成分の拡散を防止したものがある。(例えば、特許文献1参照)。 For example, lead zirconate titanate (PZT) is used as the material of the piezoelectric material layer constituting such a piezoelectric element. In this case, when the piezoelectric material layer is fired, the lead component of the piezoelectric material layer is diffused into the silicon oxide (SiO 2 ) film that is provided on the surface of the flow path forming substrate made of silicon (Si) and forms the diaphragm. Resulting in. The diffusion of the lead component causes the melting point of silicon oxide to drop, and there is a problem that it is melted by the heat at the time of firing the piezoelectric material layer. In order to solve such a problem, for example, a zirconium oxide (ZrO 2 ) layer constituting a diaphragm is provided on the silicon oxide film, thereby preventing diffusion of a lead component from the piezoelectric material layer to the silicon oxide film. There is something. (For example, refer to Patent Document 1).

特開平11−204849号公報(第1図、第2図、第5頁)Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-204849 (FIGS. 1, 2, and 5)

しかしながら、このような構造のアクチュエーター装置では、酸化ジルコニウム層とその上に設けられた下電極との密着力や、酸化ジルコニウム層の下地である酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム層との密着力が十分ではなく、アクチュエーター装置を駆動してたわみ振動させた際に下電極や下地が酸化ジルコニウム層から剥離してしまうことがあるという問題があった。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ー装置だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置においても同様に存在する。   However, in the actuator device having such a structure, the adhesion force between the zirconium oxide layer and the lower electrode provided thereon, and the adhesion force between the silicon oxide film and the zirconium oxide layer, which are the bases of the zirconium oxide layer, are not sufficient. However, when the actuator device is driven to bend and vibrate, there is a problem that the lower electrode and the base may be peeled off from the zirconium oxide layer. Such a problem exists not only in an actuator device mounted on a liquid ejecting head such as an ink jet recording head but also in an actuator device mounted on another device.

本発明はこのような事情に鑑み、下電極と酸化ジルコニウム層との密着力に優れたアクチュエーター装置及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an actuator device and a liquid jet head that are excellent in adhesion between a lower electrode and a zirconium oxide layer.

上記課題を解決する本発明の第1の態様は、基板上に形成されたSiO 層と、前記SiO 層上に形成されたZrO 層と、前記ZrO 層上に形成された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上電極を具備し、前記ZrO 層は、前記下電極側の表面に突出部を有し、前記突出部は、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmであり、前記ZrO 層上に1.11×10 〜1.25×10 個/cm の密度で存在することを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる第の態様では、ZrOは所定の突出部を有し、下電極とZrO層との密着力に優れたアクチュエーター装置となる。
A first aspect of the present invention that solves the above problems includes a SiO 2 layer formed on a substrate, a ZrO 2 layer formed on the SiO 2 layer, and a lower electrode formed on the ZrO 2 layer. And a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer, and the ZrO 2 layer has a protrusion on the surface on the lower electrode side, The protrusion has a height of 16.0 to 40.6 nm and a plan view size of 0.3 to 0.5 μm in diameter, and is 1.11 × 10 7 to 1.25 × 10 on the ZrO 2 layer. It exists in the actuator apparatus characterized by existing with the density of 7 piece / cm < 2 > .
In the first aspect, the ZrO 2 layer has a protrusion Jo Tokoro, an excellent actuator device to the adhesion between the lower electrode and the ZrO 2 layer.

本発明の第の態様は、前記下電極は、前記圧電体層側の表面に、前記ZrO層の前記突出部によって突出した凸部を有し、前記凸部は、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmであり、前記下電極上に1.11×10 〜1.25×10 個/cm の密度で存在することを特徴とする第の態様のアクチュエーター装置にある。
かかる第の態様では、下電極はZrO層の突出部上に凸部を有し、下電極とZrO層との密着力に優れたアクチュエーター装置となる。
According to a second aspect of the present invention, the lower electrode has a protrusion protruding from the protrusion of the ZrO 2 layer on the surface of the piezoelectric layer side, and the protrusion has a height of 16. a diameter 0.3~0.5μm size in plan view in 0~40.6Nm, present at a density of 1.11 × 10 7 ~1.25 × 10 7 cells / cm 2 on the lower electrode The actuator device according to the first aspect is characterized in that.
In the second aspect, the lower electrode has a convex portion on the projecting portion of the ZrO 2 layer, an excellent actuator device to the adhesion between the lower electrode and the ZrO 2 layer.

本発明の第3の態様は、前記ZrO  In a third aspect of the present invention, the ZrO 2 層が、柱状結晶で(−111)面優先配向していることを特徴とする第1又は2の態様に記載のアクチュエーター装置にある。In the actuator device according to the first or second aspect, the layer is a columnar crystal and has a (−111) plane preferential orientation.
本発明の第4の態様は、前記ZrO  In a fourth aspect of the present invention, the ZrO 2 層はZr層を酸化することにより形成されたものであり、前記突出部は、Zrを結晶成長させて形成されると共に高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmで突出した1.11×10The layer is formed by oxidizing the Zr layer, and the protrusion is formed by crystal growth of Zr, has a height of 16.0 to 40.6 nm, and has a diameter in plan view of 0 mm. 1.11 × 10 protruding at 3 to 0.5 μm 7 〜1.25×10~ 1.25 × 10 7 個/cmPiece / cm 2 の密度の特別結晶領域が酸化されることにより形成されたものであることを特徴とする第1〜3の何れか一つの態様のアクチュエーター装置にある。In the actuator device according to any one of the first to third aspects, the special crystal region having a density of 1 is formed by oxidation.
かかる第4の態様では、下電極側の表面に所定の特別結晶領域を有するように成膜したZr層を酸化して形成されたZrO  In the fourth aspect, ZrO formed by oxidizing a Zr layer formed to have a predetermined special crystal region on the surface on the lower electrode side. 2 層は、特別結晶領域に応じた所定の突出部を有し、下地であるSiOThe layer has a predetermined protrusion corresponding to the special crystal region, and is a base SiO 2 2 層や下電極とZrOLayer and lower electrode and ZrO 2 層との密着力に優れたアクチュエーター装置となる。The actuator device has excellent adhesion to the layer.

本発明の第の態様は、第1〜4の何れか一つの態様のアクチュエーター装置を液体を噴射させるための液体吐出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。
かかる第の態様では、下電極等とZrO層との密着力に優れたアクチュエーター装置を用いるため、アクチュエーター装置の駆動による下電極等とZrO層との剥れが防止されるので、耐久性に優れた液体噴射ヘッドを実現できる。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a liquid ejecting head including the actuator device according to any one of the first to fourth aspects as liquid ejecting means for ejecting liquid.
In the fifth aspect, since the use of superior actuator device to the adhesion between the lower electrode and the like and the ZrO 2 layer, the peeling of the lower electrode or the like and the ZrO 2 layer by the driving of the actuator device is prevented, the durability A liquid jet head with excellent performance can be realized.

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。FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの要部平面図である。FIG. 3 is a plan view of a main part of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the recording head according to the first embodiment. Zr層の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of a Zr layer. Zr層の要部拡大平面図である。It is a principal part enlarged plan view of a Zr layer. 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。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 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。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 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。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 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。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG. 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。5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the recording head according to Embodiment 1. FIG.

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に係るアクチュエーター装置を有す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、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図であり、図3は、図2のA−A′断面図、図4は図3の要部拡大図、図5は酸化ジルコニウム(ZrO)層の前駆体であるジルコニウム(Zr)層の要部拡大断面図、図6はZrO層の前駆体であるZr層の要部拡大平面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head having an actuator device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of a main part of the ink jet recording head. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2, FIG. 4 is an enlarged view of a main part of FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram of a zirconium (Zr) layer that is a precursor of a zirconium oxide (ZrO 2 ) layer. FIG. 6 is an enlarged plan view of a main part of a Zr layer that is a precursor of a ZrO 2 layer.

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(SiO)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、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(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)となるリザーバー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。 As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and one surface thereof is composed of silicon dioxide (SiO 2 ) previously formed by thermal oxidation. An elastic film 50 having a thickness of 0.5 to 2 μm is formed. In the flow path forming substrate 10, a plurality of pressure generating chambers 12 partitioned by a partition wall 11 are arranged in parallel in the width direction (short direction). In addition, an ink supply path 14 and a communication path 15 are partitioned by a partition wall 11 on one end side in the longitudinal direction of the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10. Further, at one end of the communication passage 15, a communication portion 13 is formed that constitutes a part of the reservoir 100 that serves as a common ink chamber (liquid chamber) for each pressure generating chamber 12. That is, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including a pressure generation chamber 12, a communication portion 13, an ink supply path 14, and a communication path 15.

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。例えば、本実施形態では、インク供給路14は、リザーバー100と各圧力発生室12との間の圧力発生室12側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室12の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路15は、インク供給路14の圧力発生室12とは反対側に連通し、インク供給路14の幅方向(短手方向)より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路15を圧力発生室12と同じ断面積で形成した。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12と、圧力発生室12の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路14と、このインク供給路14に連通すると共にインク供給路14の短手方向の断面積よりも大きく圧力発生室12と同等の断面積を有する連通路15とが複数の隔壁11により区画されて設けられている。   The ink supply path 14 communicates with one end side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 and has a smaller cross-sectional area than the pressure generation chamber 12. For example, in this embodiment, the ink supply path 14 has a width smaller than the width of the pressure generation chamber 12 by narrowing the flow path on the pressure generation chamber 12 side between the reservoir 100 and each pressure generation chamber 12 in the width direction. It is formed with. As described above, in this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. Further, each communication path 15 communicates with the side of the ink supply path 14 opposite to the pressure generation chamber 12 and has a larger cross-sectional area than the width direction (short direction) of the ink supply path 14. In the present embodiment, the communication passage 15 is formed with the same cross-sectional area as the pressure generation chamber 12. In other words, the flow path forming substrate 10 is connected to the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14 having a smaller cross-sectional area in the short direction of the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14, and the ink supply. A communication passage 15 having a cross-sectional area larger than the cross-sectional area in the short direction of the passage 14 and having the same cross-sectional area as the pressure generation chamber 12 is provided by being partitioned by a plurality of partition walls 11.

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。 Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end portion of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive or It is fixed by a heat welding film or the like. The nozzle plate 20 has a thickness of, for example, 0.01 to 1 mm, a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 −6 / ° C.], glass ceramics, silicon It consists of a single crystal substrate or stainless steel.

一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム(ZrO2)からなり厚さが例えば、約0.3〜0.4μmのZrO2層55が積層形成されている。 On the other hand, an elastic film 50 made of silicon dioxide and having a thickness of, for example, about 1.0 μm is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. A ZrO 2 layer 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) and having a thickness of, for example, about 0.3 to 0.4 μm is laminated.

また、ZrO2層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0.5〜5μmの圧電体層70と、厚さが例えば約10〜200nmの上電極膜80とからなる圧電素子300が形成されている。 On the ZrO 2 layer 55, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.1 to 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 having a thickness of, for example, about 0.5 to 5 μm, and a thickness of, for example, A piezoelectric element 300 composed of the upper electrode film 80 of about 10 to 200 nm is formed.

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。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部320が形成されていることになる。なお、本実施形態では、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80が、図3に示すように、上電極膜80側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面は傾斜面となっている。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。上述した例では、弾性膜50、ZrO2層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、弾性膜50を設けずに、ZrO2層55及び下電極膜60が振動板として作用するようにしてもよい。 Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In this case, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. In any case, the piezoelectric active part 320 is formed for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80 are patterned so that the width on the upper electrode film 80 side becomes narrower as shown in FIG. It has become. Also, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as an actuator device. In the example described above, the elastic film 50, ZrO 2 layer 55 and the lower electrode film 60 function as a vibration plate, not of course limited thereto, without providing the elastic film 50, ZrO 2 layer 55 and the lower The electrode film 60 may act as a diaphragm.

本発明において、上記ZrO2層55は、流路形成基板10上の弾性膜50上に設けられたジルコニウム(Zr)からなるZr層401を酸化することにより形成されたものである。そして、このZr層401は、図5の要部拡大断面図及び図6の要部拡大平面図に示すように、Zrの結晶を成長させて形成され、流路形成基板10上とは反対側の表面、即ち、下電極膜60が設けられる側に突出した特別結晶領域402が形成されるように成膜されたものである。この特別結晶領域402は、高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmで突出し、Zr層401表面に1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で、好ましくは、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmで突出しZr層401表面に1.11×10〜1.25×10個/cmの密度で形成されている。この特別結晶領域402は、Zrの結晶を弾性膜50側から成長させてZr層401を形成する際に、Zr層401の厚さ方向に、他の領域のZrの結晶よりも高く成長したZrの結晶で構成されたものである。したがって、平坦なZr層を形成した後このZr層上に部分的にZr結晶を積層することにより突出した領域を形成したものや、平坦なZr層を形成した後その表面をパターニング等することにより突出した領域を形成したものとは異なる。なお、本実施形態では、特別結晶領域402は、平面視の粒径が20〜100nm程度の柱状結晶で(002)面配向度が70%以上であるZrの結晶群で構成されている。ここで、「配向度」とは、X線回折広角法によってZr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、Zr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が、「(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。 In the present invention, the ZrO 2 layer 55 is formed by oxidizing the Zr layer 401 made of zirconium (Zr) provided on the elastic film 50 on the flow path forming substrate 10. The Zr layer 401 is formed by growing a Zr crystal as shown in the enlarged cross-sectional view of the main part in FIG. 5 and the enlarged plan view of the main part in FIG. The special crystal region 402 is formed so as to protrude to the surface, that is, the side on which the lower electrode film 60 is provided. The special crystal region 402 protrudes with a height of 10 to 100 nm and a plan view size of 0.1 to 1 μm in diameter, and 1.0 × 10 6 to 1.0 × 10 8 pieces / cm on the surface of the Zr layer 401. 2 and preferably projecting with a height of 16.0 to 40.6 nm and a plan view size of 0.3 to 0.5 μm in diameter, and 1.11 × 10 7 to 1.25 on the surface of the Zr layer 401. It is formed at a density of × 10 7 pieces / cm 2 . When the Zr layer 401 is formed by growing a Zr crystal from the elastic film 50 side, the special crystal region 402 is higher in the thickness direction of the Zr layer 401 than the Zr crystal in other regions. It is comprised by the crystal | crystallization of this. Therefore, by forming a flat Zr layer and then forming a protruding region by partially laminating Zr crystals on the Zr layer, or by patterning the surface after forming a flat Zr layer It is different from what formed the protruding region. In the present embodiment, the special crystal region 402 is composed of a Zr crystal group having a columnar crystal with a grain size of about 20 to 100 nm in plan view and a (002) plane orientation degree of 70% or more. Here, “degree of orientation” refers to a ratio of diffraction intensities generated when the Zr layer is measured by the X-ray diffraction wide angle method. Specifically, when the Zr layer is measured by the X-ray diffraction wide angle method, peaks of diffraction intensity corresponding to the (100) plane, the (002) plane, and the (101) plane are generated. "Means the ratio of the peak intensity corresponding to the (002) plane to the sum of the peak intensity corresponding to each of these planes.

このようなZrO層55を有すると、ZrO層55の下地であるSiOからなる弾性膜50とZrO層55との密着力が優れる。また、ZrO層55上に設けられた下電極膜60とZrO層55との密着力が優れる。したがって、アクチュエーター装置を駆動した際のZrO層55からの弾性膜50や下電極膜60の剥れを防止できる。 When having such a ZrO 2 layer 55, the adhesion between the elastic membrane 50 and the ZrO 2 layer 55 made of SiO 2 as a base of ZrO 2 layer 55 is excellent. Further, adhesion between the lower electrode film 60 and the ZrO 2 layer 55 provided on the ZrO 2 layer 55 is excellent. Therefore, peeling of the elastic film 50 and the lower electrode film 60 from the ZrO 2 layer 55 when the actuator device is driven can be prevented.

なお、ZrO層55は、表面から突出した特別結晶領域402を有するZr層401を酸化して形成されたものであるため、図4に示すように、ZrO層55には下電極膜60側の表面に特別結晶領域402が酸化されることによって形成された突出部403を有する。このZrO層55の突出部403は、高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmであり、ZrO層55上に1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で、好ましくは、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmでありZrO層55上に1.11×10〜1.25×10個/cmの密度で存在する。また、本実施形態では、ZrO層55は、粒径20〜100nm程度の柱状結晶で(−111)面が優先配向している。 Since the ZrO 2 layer 55 is formed by oxidizing the Zr layer 401 having the special crystal region 402 protruding from the surface, the lower electrode film 60 is formed on the ZrO 2 layer 55 as shown in FIG. On the surface on the side, a protrusion 403 is formed by oxidizing the special crystal region 402. The protrusion 403 of the ZrO 2 layer 55 has a height of 10 to 100 nm and a size in a plan view of 0.1 to 1 μm in diameter, and is 1.0 × 10 6 to 1.0 × on the ZrO 2 layer 55. 10 8 pieces / cm 2 , preferably 16.0 to 40.6 nm in height and 0.3 to 0.5 μm in diameter in plan view, and 1.11 × on the ZrO 2 layer 55. 10 7 to 1.25 is present at a density of × 10 7 cells / cm 2. In the present embodiment, the ZrO 2 layer 55 is a columnar crystal having a particle size of about 20 to 100 nm, and the (−111) plane is preferentially oriented.

そして、下電極膜60は、突出部403を有するZrO層55上に設けられたものであるため、図4に示すように、圧電体層70側の表面に、ZrO層55の突出部403によって突出した凸部404を有する。この下電極膜60の凸部404は、高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmであり、下電極膜60上に1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で、好ましくは、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmであり下電極膜60上に1.11×10〜1.25×10個/cmの密度で存在する。 Then, the lower electrode film 60 because it was provided on the ZrO 2 layer 55 having a projecting portion 403, as shown in FIG. 4, the surface of the piezoelectric layer 70 side, the protruding portions of the ZrO 2 layer 55 It has a convex portion 404 protruding by 403. The convex portion 404 of the lower electrode film 60 has a height of 10 to 100 nm and a size in plan view of a diameter of 0.1 to 1 μm, and is 1.0 × 10 6 to 1.0 × on the lower electrode film 60. The density is 10 8 pieces / cm 2 , and the height is preferably 16.0 to 40.6 nm and the size in plan view is 0.3 to 0.5 μm in diameter, and 1.11 × on the lower electrode film 60. 10 7 to 1.25 is present at a density of × 10 7 cells / cm 2.

本実施形態の下電極膜60としては、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、チタン(Ti)、タングステン(W)等の各種金属や、これらの合金等が挙げられる。また、本実施形態では圧電素子300を構成する圧電体層70の材料(圧電材料)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や、これにニオブ、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が用いられる。その組成としては、例えば、PbTiO(PT)、PbZrO(PZ)、Pb(ZrTi1−x)O(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O−PbTiO(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O−PbTiO(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O−PbTiO(PIN−PT)、Pb(Sc1/2Ta1/2)O−PbTiO(PST−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O−PbTiO(PSN−PT)、BiScO−PbTiO(BS−PT)、BiYbO−PbTiO(BY−PT)等が挙げられる。また、上電極膜80としては、Ir,Pt,タングステン(W),タンタル(Ta),モリブデン(Mo)等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。 Examples of the lower electrode film 60 in this embodiment include various metals such as iridium (Ir), platinum (Pt), titanium (Ti), and tungsten (W), and alloys thereof. In the present embodiment, as a material (piezoelectric material) of the piezoelectric layer 70 constituting the piezoelectric element 300, for example, a ferroelectric piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), niobium, nickel, A relaxor ferroelectric or the like to which a metal such as magnesium, bismuth or yttrium is added is used. As the composition, for example, PbTiO 3 (PT), PbZrO 3 (PZ), Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT), Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PNN-PT), Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PIN-PT), Pb (Sc 1/2 Ta 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PST-PT), Pb (Sc 1/2 nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 ( PSN-PT), biScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT), BiYbO 3 -PbTiO 3 (BY-PT) and the like. Further, the upper electrode film 80 may be any of various metals such as Ir, Pt, tungsten (W), tantalum (Ta), and molybdenum (Mo), and alloys thereof and metal oxides such as iridium oxide. Is mentioned.

そして、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、ZrO2層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。 Each upper electrode film 80, which is an individual electrode of the piezoelectric element 300, is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended to the ZrO 2 layer 55, for example, gold (Au) or the like. The lead electrode 90 which consists of is connected. A voltage is selectively applied to each piezoelectric element 300 via the lead electrode 90.

さらに、圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、圧電素子300に対向する領域に、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を有する保護基板30が、接着剤35によって接合されている。なお、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。   Furthermore, on the flow path forming substrate 10 on which the piezoelectric element 300 is formed, the protective substrate 30 having the piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 in a region facing the piezoelectric element 300. Are joined by an adhesive 35. In addition, the piezoelectric element holding part 32 should just have a space of the grade which does not inhibit the motion of the piezoelectric element 300, and the said space may be sealed or may not be sealed.

また、保護基板30には、連通部13に対向する領域にリザーバー部31が設けられており、このリザーバー部31は、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ー100を構成している。また、保護基板30の圧電素子保持部32とリザーバー部31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ている。   Further, the protective substrate 30 is provided with a reservoir portion 31 in a region facing the communication portion 13, and the reservoir portion 31 is communicated with the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 as described above. A reservoir 100 serving as an ink chamber common to the pressure generation chamber 12 is configured. In addition, a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction is provided in a region between the piezoelectric element holding portion 32 and the reservoir portion 31 of the protective substrate 30, and the lower electrode film 60 is provided in the through hole 33. And the tip of the lead electrode 90 are exposed.

また、保護基板30上には、圧電素子300を駆動するための図示しない駆動回路が固定されており、駆動回路とリード電極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を介して電気的に接続されている。   In addition, a drive circuit (not shown) for driving the piezoelectric element 300 is fixed on the protective substrate 30, and the drive circuit and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring made of a conductive wire such as a bonding wire. Connected.

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。   As the protective substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass or ceramic material. It formed using the crystal substrate.

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によってリザーバー部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。   On the protective substrate 30, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the reservoir portion 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

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、ZrO2層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からインク滴が吐出する。本実施形態では、下電極膜60や弾性膜50とZrO2層55との密着力が高いので、アクチュエーター装置を駆動してたわみ変形させても下電極膜60や弾性膜50がZrO2層55から剥離しないため、耐久性に優れたものとなる。 In the ink jet recording head of this embodiment, after taking ink from an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, the pressure is applied according to the recording signal from the drive circuit. By applying a voltage between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the generation chamber 12, the elastic film 50, the ZrO 2 layer 55, the lower electrode film 60 and the piezoelectric layer 70 are bent and deformed. The pressure in each pressure generating chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21. In the present embodiment, because of the high adhesion between the lower electrode film 60 and the elastic film 50 and the ZrO 2 layer 55, the lower electrode film 60 and the elastic film 50 be deformed deflection by driving the actuator device ZrO 2 layer 55 Since it does not peel off, it has excellent durability.

ここで、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図7〜図11を参照して説明する。なお、図7〜図11は、圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図7(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ー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ーを用いている。   Here, a method of manufacturing the ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 7 to 11 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber. First, as shown in FIG. 7A, a flow path forming substrate wafer 110, which is a silicon wafer, is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C., and a silicon dioxide film 51 constituting an elastic film 50 is formed on the surface thereof. To do. In the present embodiment, a silicon wafer having a relatively thick film thickness of about 625 μm and a high rigidity is used as the flow path forming substrate wafer 110.

次に、図7(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、Zr層401を形成する。このZr層401は、Zrを結晶成長させることにより形成し、下電極膜60が形成される側の表面に、高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmで突出した特別結晶領域402が、1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で、好ましくは、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmで突出した特別結晶領域402が1.11×10〜1.25×10個/cmの密度で形成されるように成膜する。この特別結晶領域402は、Zrの結晶を弾性膜50側から成長させてZr層401を形成する際に、例えば、通常のZrの結晶よりもZr層401の厚さ方向に優先的にZrの結晶が成長する領域が発生するように成膜して、通常のZrの結晶よりも高く成長したZrの結晶群で構成することができる。 Next, as shown in FIG. 7B, a Zr layer 401 is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51). The Zr layer 401 is formed by crystal growth of Zr, and protrudes with a height of 10 to 100 nm and a plan view size of 0.1 to 1 μm in diameter on the surface on which the lower electrode film 60 is formed. The special crystal region 402 has a density of 1.0 × 10 6 to 1.0 × 10 8 / cm 2 , and preferably has a height of 16.0 to 40.6 nm and a size in plan view of a diameter of 0. The film is formed so that the special crystal region 402 protruding at 3 to 0.5 μm is formed at a density of 1.11 × 10 7 to 1.25 × 10 7 pieces / cm 2 . When the Zr layer 401 is formed by growing a Zr crystal from the elastic film 50 side, for example, the special crystal region 402 is preferentially formed in the thickness direction of the Zr layer 401 over the normal Zr crystal. The film can be formed so that a region where crystals grow is generated, and can be composed of a Zr crystal group grown higher than a normal Zr crystal.

具体的には、DCスパッタリング法を用い、成膜温度:室温(23℃)〜300℃、成膜時のAr圧力:1Pa以下、出力のパワー密度:3〜30kW/m、ターゲット(Zr)と弾性膜50との距離:60〜180mmの範囲内で、各条件のバランスを調整することで、上記特別結晶領域402が形成されたZr層401を成膜することができる。例えば、他の条件にも依存するが、成膜温度が高いほうが平面視の大きさが大きな特別結晶領域402が得られ易く、Ar圧力が低いほうが特別結晶領域402を形成しやすくなる。また、他の条件にも依存するが、Zr層401の(002)面配向度が高いほうが、例えば70%以上のほうが、特別結晶領域402が形成されやすくなる。 Specifically, using a DC sputtering method, film formation temperature: room temperature (23 ° C.) to 300 ° C., Ar pressure during film formation: 1 Pa or less, output power density: 3 to 30 kW / m 2 , target (Zr) The Zr layer 401 in which the special crystal region 402 is formed can be formed by adjusting the balance of the respective conditions within the range of the distance between the elastic film 50 and the elastic film 50: 60 to 180 mm. For example, although depending on other conditions, the higher the film formation temperature, the easier it is to obtain the special crystal region 402 having a larger size in plan view, and the lower the Ar pressure, the easier it is to form the special crystal region 402. Further, although depending on other conditions, the higher the (002) plane orientation degree of the Zr layer 401 is, for example, 70% or more, the special crystal region 402 is more likely to be formed.

Zr層401を形成した後は、Zr層401を酸化することにより、図7(c)に示すように、ZrO2層55を形成する。本実施形態では、Zr層401を、例えば500〜1200℃の拡散炉で熱酸化することにより、ZrO2層55を形成した。なお、本実施形態ではドライ酸化によりZr層401を酸化したが、ウェット酸化でZr層401を酸化してもよい。このように形成されたZrO2層55は、Zr層401の特別結晶領域402が酸化されることにより、図4に示すような突出部403が形成される。なお、ZrO2層55の突出部403の高さ・大きさ・密度は、Zr層401の特別結晶領域402に応じたものとなり、高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmで、ZrO2層55表面に1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で形成される。 After the Zr layer 401 is formed, the Zr layer 401 is oxidized to form a ZrO 2 layer 55 as shown in FIG. 7C. In the present embodiment, the ZrO 2 layer 55 is formed by thermally oxidizing the Zr layer 401 in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C., for example. In this embodiment, the Zr layer 401 is oxidized by dry oxidation, but the Zr layer 401 may be oxidized by wet oxidation. In the ZrO 2 layer 55 formed in this way, the protrusion 403 as shown in FIG. 4 is formed by oxidizing the special crystal region 402 of the Zr layer 401. The height, size, and density of the protrusions 403 of the ZrO 2 layer 55 correspond to the special crystal region 402 of the Zr layer 401, the height is 10 to 100 nm, and the size in plan view is 0. 1 to 1 μm and formed on the surface of the ZrO 2 layer 55 at a density of 1.0 × 10 6 to 1.0 × 10 8 pieces / cm 2 .

その後、例えば、チタン(Ti)、白金(Pt)とイリジウム(Ir)とをZrO2層55上にスパッタリング法等により積層することにより、図8(a)に示すように、下電極膜60を形成する。このように形成された下電極膜60は、図4に示すように、ZrO層55の突出部403上に凸部404が形成される。なお、この下電極膜60の凸部404の高さ・大きさ・密度は、下電極膜60の成膜条件やZrO2層55の突出部403に依存するものであり、例えば、DCスパッタリング法を用い、成膜温度:23〜100℃、成膜時のAr圧力:0.3〜1Pa、出力のパワー密度:3〜30kW/mで下電極膜60を成膜すると、凸部404は高さが10〜100nmで平面視の大きさが直径0.1〜1μmであり、下電極膜60上に1.0×10〜1.0×10個/cmの密度で形成される。 Thereafter, for example, titanium (Ti), platinum (Pt), and iridium (Ir) are stacked on the ZrO 2 layer 55 by sputtering or the like, so that the lower electrode film 60 is formed as shown in FIG. Form. In the lower electrode film 60 formed in this way, as shown in FIG. 4, convex portions 404 are formed on the protruding portions 403 of the ZrO 2 layer 55. The height, size, and density of the convex portions 404 of the lower electrode film 60 depend on the film forming conditions of the lower electrode film 60 and the protruding portions 403 of the ZrO 2 layer 55. For example, the DC sputtering method When the lower electrode film 60 is formed at a film forming temperature of 23 to 100 ° C., an Ar pressure during film formation: 0.3 to 1 Pa, and an output power density of 3 to 30 kW / m 2 , The height is 10 to 100 nm and the size in plan view is 0.1 to 1 μm in diameter, and is formed on the lower electrode film 60 at a density of 1.0 × 10 6 to 1.0 × 10 8 pieces / cm 2. The

次に、下電極膜60上に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなる圧電体層70を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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。また、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。また、この他のスパッタリング法を用いてもよい。   Next, a piezoelectric layer 70 made of lead zirconate titanate (PZT) or the like is formed on the lower electrode film 60. Here, in the present embodiment, a so-called sol-gel in which a so-called sol obtained by dissolving and dispersing a metal organic substance in a solvent is applied, dried, gelled, and further fired at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. The piezoelectric layer 70 is formed using the method. Moreover, it is not limited to a sol-gel method, For example, you may use the MOD (Metal-Organic Decomposition) method etc. Further, other sputtering methods may be used.

圧電体層70の具体的な形成手順としては、まず、図8(b)に示すように、下電極膜60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上に金属有機化合物(チタン酸ジルコン酸鉛)を含むゾル(溶液)をスピンコート法等で塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(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)。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)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。 As a specific procedure for forming the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 8B, a piezoelectric precursor film 71 that is a PZT precursor film is formed on the lower electrode film 60. That is, the piezoelectric precursor film 71 is formed by applying a sol (solution) containing a metal organic compound (lead zirconate titanate) on the flow path forming substrate 10 on which the lower electrode film 60 is formed by spin coating or the like. (Application process). Next, the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature and dried for a predetermined time (drying step). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature and holding it for a predetermined time (degreasing step). The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the piezoelectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O or the like.

次に、図8(c)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)。なお、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、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。   Next, as shown in FIG. 8C, the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by being heated to a predetermined temperature and held for a predetermined time, thereby forming a piezoelectric film 72 (firing step). Examples of the heating apparatus used in the drying process, the degreasing process, and the baking process include an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus and a hot plate that are heated by irradiation with an infrared lamp.

次に、図9(a)に示すように、圧電体膜72上に所定形状のレジスト400を形成する。次に、図9(b)に示すように、レジスト400をマスクとして下電極膜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。   Next, as illustrated in FIG. 9A, a resist 400 having a predetermined shape is formed on the piezoelectric film 72. Next, as shown in FIG. 9B, the lower electrode film 60 and the first piezoelectric film 72 are simultaneously patterned using the resist 400 as a mask so that the side surfaces thereof are inclined.

次いで、レジスト400を剥離した後、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して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図9(c)に示すように複数層の圧電体膜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1回あたりの膜厚を非常に薄くして複数層の圧電体膜からなる圧電体層70全体の膜厚を約1〜3μm程度とする。本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、圧電体膜72の1層分の膜厚を厚くして1層のみで構成してもよい。このようにして得られた圧電体層70は、平滑であり突出した領域は存在しない。   Next, after the resist 400 is peeled off, the piezoelectric film forming process including the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process described above is repeated a plurality of times to form the piezoelectric layer 70 including the plurality of piezoelectric films 72. Then, as shown in FIG. 9C, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed. For example, the film thickness per one time of the sol is made very thin, and the film thickness of the entire piezoelectric layer 70 composed of a plurality of layers of piezoelectric films is set to about 1 to 3 μm. In the present embodiment, the piezoelectric film 72 is provided by being laminated. However, the film thickness of one layer of the piezoelectric film 72 may be increased to constitute only one layer. The piezoelectric layer 70 thus obtained is smooth and has no protruding region.

圧電体層70を形成した後は、図10(a)に示すように、圧電体層70上の全面に亘ってIrからなる上電極膜80をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして、下電極膜60と圧電体層70と上電極膜80からなる圧電素子300を形成する。なお、圧電体層70と上電極膜80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。そして、このようなドライエッチングでは、レジストの側面を予め傾斜させておくと、圧電体層70及び上電極膜80が、上電極膜80側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面が傾斜面となる。   After the piezoelectric layer 70 is formed, as shown in FIG. 10A, an upper electrode film 80 made of Ir is formed over the entire surface of the piezoelectric layer 70 by a sputtering method or the like, and each pressure generating chamber 12 is formed. The piezoelectric element 300 composed of the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80 is formed by patterning in a region opposite to the substrate. The patterning of the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 can be performed collectively by dry etching via a resist (not shown) formed in a predetermined shape. In such dry etching, when the side surfaces of the resist are inclined in advance, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 are patterned so that the width on the upper electrode film 80 side is narrow, and the side surfaces are inclined. It becomes a surface.

次に、図10(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。   Next, as shown in FIG. 10B, after forming the lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, for example, a mask pattern made of a resist or the like. Patterning is performed for each piezoelectric element 300 via (not shown).

次に、図10(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。なお、この保護基板用ウェハー130は、例えば、数百μm程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハー130を接合することによって流路形成基板用ウェハー110の剛性は著しく向上することになる。   Next, as shown in FIG. 10C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is disposed on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive 35. Join. Since the protective substrate wafer 130 has a thickness of, for example, about several hundred μm, the rigidity of the flow path forming substrate wafer 110 is remarkably improved by bonding the protective substrate wafer 130.

次に、図11(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をある程度の厚さとなるまで薄くする。また、流路形成基板用ウェハー110上に、例えば、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。   Next, as shown in FIG. 11A, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a certain thickness. Further, for example, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.

そして、図11(b)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。   Then, as shown in FIG. 11B, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52 to thereby form the piezoelectric element 300. Corresponding pressure generating chambers 12, communication portions 13, ink supply passages 14, communication passages 15 and the like are formed.

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とは反対側の面の二酸化シリコン膜51を除去した後にノズル開口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とする。   Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. Then, after removing the silicon dioxide film 51 on the surface opposite to the protective substrate wafer 130 of the flow path forming substrate wafer 110, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed therein is bonded, and the protective substrate wafer is also formed. The compliance substrate 40 is bonded to 130, and the flow path forming substrate wafer 110 or the like is divided into the flow path forming substrate 10 or the like having a single chip size as shown in FIG. To do.

以下、実施例及び比較例に基づいてさらに詳細に説明する。
(実施例1)
上記実施形態に基づき、アクチュエーター装置を製造した。詳述すると、シリコン基板に厚さ1μmのSiO膜を設けた。このSiO膜上に、DCスパッタ法で、成膜時のAr圧力:0.5Pa、出力のパワー密度:15kW/m、成膜温度:室温(23℃。表中「RT」表記する。)、ターゲット(Zr)とSiO膜との距離(T/S):65mmの条件で、厚さ270nmのZr層を成膜した。得られたZr層は、シリコン基板とは反対側の表面に、特別結晶領域を有し、また、結晶が緻密な膜だった。特別結晶領域の高さ、平面視の大きさ(直径)及び密度や、Zr層の(002)面配向度を表1に示す。
Hereinafter, it demonstrates further in detail based on an Example and a comparative example.
Example 1
Based on the above embodiment, an actuator device was manufactured. More specifically, a SiO 2 film having a thickness of 1 μm was provided on a silicon substrate. On this SiO 2 film, Ar pressure at the time of film formation: 0.5 Pa, output power density: 15 kW / m 2 , film formation temperature: room temperature (23 ° C., “RT” in the table). ), A Zr layer having a thickness of 270 nm was formed under the condition of the distance (T / S) between the target (Zr) and the SiO 2 film: 65 mm. The obtained Zr layer had a special crystal region on the surface opposite to the silicon substrate, and was a dense crystal film. Table 1 shows the height of the special crystal region, the size (diameter) and density in plan view, and the (002) plane orientation of the Zr layer.

その後、Zr層を900℃の拡散炉で熱酸化してZrO2層を形成した。このZrO2層はZr層の特別結晶領域と同じ高さ、大きさ及び密度の突出部を、シリコン基板とは反対側の面に有し、また、結晶が緻密な膜だった。 Thereafter, the Zr layer was thermally oxidized in a diffusion furnace at 900 ° C. to form a ZrO 2 layer. This ZrO 2 layer had protrusions having the same height, size and density as the special crystal region of the Zr layer on the surface opposite to the silicon substrate, and was a dense crystal film.

次いで、ZrO2層上に、厚さ20nmのTi膜、厚さ20nmのIr膜、厚さ60nmのPt膜、厚さ20nmのIr膜を順にスパッタリング法で積層形成して下電極膜60を形成した。なお、各金属膜のスパッタリング条件は、成膜時のAr圧力、出力のパワー密度、成膜温度の順に、Ti膜は0.4Pa,9kW/m,室温、Ti膜上のIr膜は0.4Pa,30kW/m,室温、Pt膜は0.4Pa,30kW/m,室温、Pt膜上のIr膜は0.4Pa,30kW/m,室温とした。得られた下電極膜は、シリコン基板とは反対側の表面に、凸部を有していた。下電極膜の凸部の高さ等を表3に示す。表3に示すように、Zr層の特別結晶領域が同じでも下電極膜の成膜条件により、下電極膜の凸部の大きさは異なっていた。 Next, on the ZrO 2 layer, a Ti film having a thickness of 20 nm, an Ir film having a thickness of 20 nm, a Pt film having a thickness of 60 nm, and an Ir film having a thickness of 20 nm are sequentially formed by sputtering to form the lower electrode film 60. did. The sputtering conditions for each metal film were as follows: Ar pressure at the time of film formation, output power density, and film formation temperature in the order of 0.4 Pa, 9 kW / m 2 , room temperature, and 0 for the Ir film on the Ti film. 4 Pa, 30 kW / m 2 , room temperature, Pt film was 0.4 Pa, 30 kW / m 2 , room temperature, and the Ir film on the Pt film was 0.4 Pa, 30 kW / m 2 , room temperature. The obtained lower electrode film had a convex part on the surface opposite to the silicon substrate. Table 3 shows the height and the like of the convex portion of the lower electrode film. As shown in Table 3, even when the special crystal region of the Zr layer was the same, the size of the convex portion of the lower electrode film was different depending on the film formation conditions of the lower electrode film.

その後、PZTからなる厚さ1.1μm圧電体層と厚さ50nmのIrからなる上電極膜80を設けて、アクチュエーター装置を製造した。   Then, an actuator device was manufactured by providing a 1.1 μm thick piezoelectric layer made of PZT and an upper electrode film 80 made of Ir having a thickness of 50 nm.

(実施例2〜6)
実施例2〜4については下電極膜を形成する際の各金属膜の成膜条件を表2に示す条件とした以外は実施例1と同様にして、また、実施例5及び6については、Zr層を形成する際の成膜条件を表1に示す条件とした以外は実施例1と同様にして、アクチュエーター装置を作成した。得られた各実施例2〜6のZr層は、シリコン基板とは反対側の表面に、特別結晶領域を有し、また、結晶が緻密な膜だった。特別結晶領域の高さ等や、Zr層の(002)面配向度を表1に示す。また、各実施例2〜6のZrO2層は、各実施例2〜6のZr層の特別結晶領域と同じ高さ、大きさ及び密度の突出部を、シリコン基板とは反対側の面に有し、また、結晶が緻密な膜だった。そして、各実施例2〜6の下電極膜は、シリコン基板とは反対側の面に凸部を有していた。下電極膜の凸部の高さ等を表1に示す。
(Examples 2 to 6)
About Examples 2-4, except having made the film-forming conditions of each metal film at the time of forming a lower electrode film into the conditions shown in Table 2, and about Examples 5 and 6, An actuator device was produced in the same manner as in Example 1 except that the film formation conditions for forming the Zr layer were the conditions shown in Table 1. The obtained Zr layers of Examples 2 to 6 had a special crystal region on the surface opposite to the silicon substrate, and were dense films. Table 1 shows the height of the special crystal region and the (002) plane orientation degree of the Zr layer. In addition, the ZrO 2 layer of each of Examples 2 to 6 has a protrusion having the same height, size, and density as the special crystal region of the Zr layer of each of Examples 2 to 6 on the surface opposite to the silicon substrate. In addition, the film was a dense film. And the lower electrode film of each Example 2-6 had a convex part in the surface on the opposite side to a silicon substrate. Table 1 shows the height and the like of the convex portion of the lower electrode film.

(比較例1〜3)
Zr層を形成する際の成膜条件を表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、アクチュエーター装置を製造した。得られたZr膜の表面は平坦で、特別結晶領域は存在せず、ZrO2層も下電極膜も平坦だった。
(Comparative Examples 1-3)
An actuator device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the film formation conditions for forming the Zr layer were the conditions shown in Table 1. The surface of the obtained Zr film was flat, there was no special crystal region, and the ZrO 2 layer and the lower electrode film were flat.

(試験例)密着力の測定
実施例1〜6及び比較例1〜3のアクチュエーター装置について、スクラッチ装置でスクラッチ試験を行って、SiO2とZrO2層との密着力を測定した。結果を表1に示す。
(Test Example) Measurement of Adhesion Strength The actuator devices of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to a scratch test with a scratch apparatus to measure the adhesion force between the SiO 2 and ZrO 2 layers. The results are shown in Table 1.

この結果、特別結晶領域を有するZr層を酸化したZrO2層を有する実施例1〜6では、SiO2とZrO2層との密着力が良好だった。一方、特別結晶領域を有さないZr層を酸化したZrO2層を有する比較例1〜3では、実施例1〜6と比較して、顕著に密着力が低かった。また、スクラッチ試験の際に実施例1〜6の下電極膜がZrO2層から剥離しなかったことから、実施例1〜6のZrO2層と下電極膜との密着力が良好であることも確認された。 As a result, in Examples 1 to 6 having the ZrO 2 layer obtained by oxidizing the Zr layer having the special crystal region, the adhesion between the SiO 2 and the ZrO 2 layer was good. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 having a ZrO 2 layer obtained by oxidizing a Zr layer having no special crystal region, the adhesive strength was remarkably low as compared with Examples 1 to 6. Moreover, since the lower electrode film of Examples 1-6 did not peel from the ZrO 2 layer during the scratch test, the adhesion between the ZrO 2 layer of Examples 1-6 and the lower electrode film was good. Was also confirmed.

(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、本発明の基本的構成は上述した実施形態1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、基板上にSiO層とZr層を順に設けたが、金属酸化物からなる基板を用い、この基板上にZr層を直接設けてもよい。金属酸化物の金属としては、Mg等が挙げられる。このような構成にすると、下電極膜や基板とZrO層との密着性に優れたアクチュエーター装置となる。なお、Zr層が設けられる一方面側が金属酸化物からなる基板であればよく、例えば、基板本体のZr層が設けられる側に金属酸化膜が設けられている基板を用いてもよい。
(Other embodiments)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the basic configuration of the present invention is not limited to the above-described first embodiment. For example, in Embodiment 1 described above, the SiO 2 layer and the Zr layer are sequentially provided on the substrate. However, a substrate made of a metal oxide may be used, and the Zr layer may be directly provided on the substrate. Examples of the metal of the metal oxide include Mg. With such a configuration, the actuator device is excellent in adhesion between the lower electrode film or substrate and the ZrO 2 layer. In addition, the board | substrate with which a Zr layer is provided should just be a board | substrate which consists of a metal oxide, for example, you may use the board | substrate with which the metal oxide film is provided in the side by which the Zr layer of a substrate body is provided.

また、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、プリンター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。なお、本発明は、液体噴射ヘッド(インクジェット式記録ヘッド等)に搭載されるアクチュエーター装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置に適用できることは言うまでもない。   In the first embodiment described above, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads, and is a liquid ejecting liquid other than ink. Of course, the present invention can also be applied to an ejection head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like. Needless to say, the present invention can be applied not only to an actuator device mounted on a liquid jet head (such as an ink jet recording head) but also to an actuator device mounted on any device.

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 リザーバー部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 下電極膜、 70 圧電体層、 80 上電極膜、 90 リード電極、 100 リザーバー、 300 圧電素子、 320 圧電体能動部、401 Zr層、402 特別結晶領域、403 突出部、404 凸部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 13 Communication part, 14 Ink supply path, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 31 Reservoir part, 32 Piezoelectric element holding part, 40 Compliance board, 60 Lower electrode film , 70 piezoelectric layer, 80 upper electrode film, 90 lead electrode, 100 reservoir, 300 piezoelectric element, 320 piezoelectric active part, 401 Zr layer, 402 special crystal region, 403 protruding part, 404 convex part

Claims (5)

基板上に形成されたSiO  SiO formed on the substrate 2 層と、前記SiOLayer and said SiO 2 層上に形成されたZrOZrO formed on the layer 2 層と、前記ZrOA layer and the ZrO 2 層上に形成された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上電極を具備し、A lower electrode formed on the layer; a piezoelectric layer formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the piezoelectric layer;
前記ZrO  ZrO 2 層は、前記下電極側の表面に突出部を有し、前記突出部は、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmであり、前記ZrOThe layer has a protrusion on the surface on the lower electrode side, and the protrusion has a height of 16.0 to 40.6 nm and a size in plan view of 0.3 to 0.5 μm in diameter. ZrO 2 層上に1.11×101.11 × 10 on the layer 7 〜1.25×10~ 1.25 × 10 7 個/cmPiece / cm 2 の密度で存在することを特徴とするアクチュエーター装置。Actuator device characterized in that it exists at a density of.
前記下電極は、前記圧電体層側の表面に、前記ZrO層の前記突出部によって突出した凸部を有し、前記凸部は、高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmであり、前記下電極上に1.11×10 〜1.25×10 個/cm の密度で存在することを特徴とする請求項に記載のアクチュエーター装置。 The lower electrode has a protrusion protruding from the protrusion of the ZrO 2 layer on the surface of the piezoelectric layer, and the protrusion has a height of 16.0 to 40.6 nm in plan view. a diameter 0.3~0.5μm size, to claim 1, characterized in that present in a density of the 1.11 × 10 7 ~1.25 × 10 7 cells on the lower electrode / cm 2 The actuator device described. 前記ZrO  ZrO 2 層が、柱状結晶で(−111)面優先配向していることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエーター装置。The actuator device according to claim 1, wherein the layer is a columnar crystal and is preferentially oriented in a (−111) plane. 前記ZrO  ZrO 2 層はZr層を酸化することにより形成されたものであり、前記突出部は、Zrを結晶成長させて形成されると共に高さが16.0〜40.6nmで平面視の大きさが直径0.3〜0.5μmで突出した1.11×10The layer is formed by oxidizing the Zr layer, and the protrusion is formed by crystal growth of Zr, has a height of 16.0 to 40.6 nm, and has a diameter in plan view of 0 mm. 1.11 × 10 protruding at 3 to 0.5 μm 7 〜1.25×10~ 1.25 × 10 7 個/cmPiece / cm 2 の密度の特別結晶領域が酸化されることにより形成されたものであ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ー装置。4. The actuator device according to claim 1, wherein the special crystal region having a density of 1 is formed by being oxidized. 5. 請求項1〜4の何れか一項に記載のアクチュエーター装置を液体を噴射させるための液体吐出手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。 Liquid jet head characterized by including the actuator device according to any one of claims 1 to 4 as a liquid ejection means for ejecting the liquid.
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