JP5083499B2 - Method for manufacturing actuator device and liquid jet head - Google Patents
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Description
本発明は、基板の一方面側に振動板を設け、この振動板を介して設けられる圧電素子を備えたアクチュエータ装置の製造方法及びその製造方法によって形成されたアクチュエータ装置の変位によってインク等の液滴を吐出する液体噴射ヘッドに関する。 The present invention provides a method for manufacturing an actuator device provided with a vibration plate on one surface side of a substrate and a piezoelectric element provided through the vibration plate, and a liquid such as ink by displacement of the actuator device formed by the manufacturing method. The present invention relates to a liquid jet head that ejects droplets.
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、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。 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 ink jet 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膜を設け、この酸化ジルコニウム膜を介して圧電材料層を設けることで、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 to 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 film constituting a vibration plate is provided on a silicon oxide film, and a piezoelectric material layer is provided via the zirconium oxide film, so that the piezoelectric material layer is changed to the silicon oxide film. There is one that prevents the diffusion of lead components. (For example, refer to Patent Document 1).
このような酸化ジルコニウム層は、例えば、スパッタ法によりジルコニウム膜を形成後、このジルコニウム膜を熱酸化することによって形成される。そして、このように形成されたジルコニウム膜の配向度を所定の配向となるようにして下地との密着性を向上させる製造方法(例えば、特許文献2参照)や、ジルコニウム層の表面粗さを所望の範囲として上層との密着性を向上させる製造方法(例えば、特許文献3参照)が提案されている。 Such a zirconium oxide layer is formed, for example, by forming a zirconium film by sputtering and then thermally oxidizing the zirconium film. And the manufacturing method (for example, refer patent document 2) which improves the adhesiveness with a foundation | substrate by making the orientation degree of the zirconium film | membrane formed in this way become a predetermined orientation, and the surface roughness of a zirconium layer is desired. As a range, a manufacturing method for improving the adhesion with the upper layer (for example, see Patent Document 3) has been proposed.
しかしながら、ジルコニウム層に表面に数十nmの高さの異常成長部が発生し、この異常成長部は酸化ジルコニウム層にも同様に存在し、さらに、酸化ジルコニウム層上に設けた下電極層へも受け継がれ、アクチュエータ装置の信頼性を低下させるという問題があった。 However, an abnormally grown portion having a height of several tens of nanometers is generated on the surface of the zirconium layer, and this abnormally grown portion is present in the zirconium oxide layer as well, and further to the lower electrode layer provided on the zirconium oxide layer. There is a problem that the reliability of the actuator device is lowered.
本発明は、このような事情に鑑み、異常成長部のないジルコニウム層を成膜し、信頼性を向上したアクチュエータ装置を得ることができるアクチュエータ装置の製造方法及びその製造方法によって形成されたアクチュエータ装置を備えた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, the present invention provides a method for manufacturing an actuator device that can be obtained by forming a zirconium layer having no abnormally grown portion to improve the reliability, and an actuator device formed by the method. An object of the present invention is to provide a liquid ejecting head including the above.
上記目的を達成する本発明の一の態様は、基板の一方面側に設けられる振動板と、該振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するアクチュエータ装置の製造方法において、前記基板の一方面側にジルコニウム層をスパッタ法により形成するジルコニウム層形成工程と、ジルコニウム層を熱酸化して酸化ジルコニウム層とする酸化ジルコニウム層形成工程とを具備し、前記ジルコニウム層形成工程が、相対的に高いスパッタ圧力且つ低い成膜レートで30nm〜60nmの厚さのジルコニウム第1層を形成する高圧工程と、この高圧工程より低いスパッタ圧力且つ高い成膜レートで総膜厚が所望の厚さとなるまでジルコニウム第2層を形成する低圧工程とで、柱状で配向度が(101)面優先であるジルコニウム層を形成するものであ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。 One aspect of the present invention that achieves the above object includes a vibration plate provided on one side of a substrate, and a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode provided through the vibration plate. In the manufacturing method of the actuator device, comprising a zirconium layer forming step of forming a zirconium layer on one side of the substrate by a sputtering method, and a zirconium oxide layer forming step of thermally oxidizing the zirconium layer to form a zirconium oxide layer, The zirconium layer forming step includes a high pressure step of forming a first zirconium layer having a thickness of 30 nm to 60 nm at a relatively high sputtering pressure and a low film formation rate, and a lower sputtering pressure and a higher film formation rate than the high pressure step. In a low-pressure process in which the second zirconium layer is formed until the total film thickness reaches a desired thickness, the columnar shape and the degree of orientation have priority over the (101) plane. In the manufacturing method of the actuator device, characterized in that forms a Koniumu layer.
かかる本発明では、相対的に高スパッタ圧力で且つ低い成膜レートでの高圧工程と、低スパッタ圧力で且つ高い成膜レートの低圧工程とを実施することにより、異常成長部の発生のないジルコニウム層を成膜することができ、信頼性の高いアクチュエータ装置を製造することができる。 In the present invention, by performing a high pressure process at a relatively high sputtering pressure and a low film formation rate, and a low pressure process at a low sputtering pressure and a high film formation rate, zirconium having no abnormally grown portion is generated. A layer can be formed, and a highly reliable actuator device can be manufactured.
ここで、例えば、前記高圧工程のスパッタ圧力が2〜6Paの範囲であり、前記低圧工程のスパッタ圧力が1Pa未満であるのが好ましい。
すなわち、2〜6Paのスパッタ圧力で薄く形成して異常成長部を抑制し、一方、1Pa未満のスパッタ圧力では表面粗さが比較的小さく緻密な膜が成膜し易くなり、異常成長部のないジルコニウム層を成膜することができる。
Here, for example, it is preferable that the sputtering pressure in the high-pressure process is in the range of 2 to 6 Pa, and the sputtering pressure in the low-pressure process is less than 1 Pa.
That is, the abnormal growth portion is suppressed by forming it thinly at a sputtering pressure of 2 to 6 Pa. On the other hand, when the sputtering pressure is less than 1 Pa, a surface film having a relatively small surface roughness is easily formed and there is no abnormal growth portion. A zirconium layer can be deposited.
また、例えば、前記高圧工程の条件が、パワー密度が3〜10kW/m2、成膜温度が室温の条件であるのが好ましい。
すなわち、所定の範囲のスパッタ条件内で成膜することにより、全体として信頼性の高いジルコニウム層を形成することができる。
For example, it is preferable that the conditions of the high-pressure process are conditions where the power density is 3 to 10 kW / m 2 and the film formation temperature is room temperature.
That is, a highly reliable zirconium layer can be formed as a whole by depositing the film within a predetermined range of sputtering conditions.
また、例えば、前記ジルコニウム層形成工程の前記高圧工程と前記低圧工程とは減圧状態を保持したまま5〜15秒の間隔をおいて実行するのが好ましい。
すなわち、高圧工程と低圧工程とを交互に繰り返すには、スパッタ装置のチャンバ内を常圧に戻すことなく減圧状態を保持したまま、圧力を変化させて繰り返すことにより、異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層を成膜することができる。
For example, it is preferable that the high-pressure step and the low-pressure step in the zirconium layer forming step are executed at intervals of 5 to 15 seconds while maintaining a reduced pressure state.
In other words, in order to alternately repeat the high-pressure process and the low-pressure process, it is possible to maintain reliability without abnormal growth by changing the pressure while maintaining the reduced pressure state without returning the inside of the sputtering apparatus chamber to normal pressure. A high zirconium layer can be formed.
また、例えば、前記ジルコニウム層形成工程にて形成されるジルコニウム層の総膜厚が200〜500nmであるのが好ましい。
すなわち、30nm〜60nmの厚さの所定の層を異なる条件で交互に成膜して200〜500nmとすることにより、最終的に異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層を成膜することができる。
For example, it is preferable that the total film thickness of the zirconium layer formed in the said zirconium layer formation process is 200-500 nm.
That is, by forming a predetermined layer having a thickness of 30 nm to 60 nm alternately under different conditions to 200 to 500 nm, a highly reliable zirconium layer without an abnormally grown portion can be finally formed. it can.
また、例えば、前記ジルコニウム層形成工程を、ターゲットと基板との距離が、成膜できる基板直径の半分の寸法より小さいスパッタ装置で行うのが好ましい。
すなわち、ターゲットと基板との距離が成膜できる基板直径の半分の寸法より小さいスパッタ装置を用いることにより、最終的に異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層をより簡便に成膜することができる。
In addition, for example, it is preferable that the zirconium layer forming step is performed by a sputtering apparatus in which the distance between the target and the substrate is smaller than half the substrate diameter that can be formed.
In other words, by using a sputtering apparatus in which the distance between the target and the substrate is smaller than the half of the substrate diameter that can be formed, a highly reliable zirconium layer without an abnormally grown portion can be formed more easily. it can.
また、本発明の他の態様は、上述したアクチュエータ装置の製造方法によって形成されたアクチュエータ装置を具備し、その変位によって、前記基板に設けられた圧力発生室に連通するノズル開口から液滴を吐出させることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
すなわち、異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層から得られる酸化ジルコニウム層を有する信頼性のあるアクチュエータ装置を用いることにより、信頼性のある液体噴射ヘッドを得ることができる。
According to another aspect of the present invention, an actuator device formed by the above-described actuator device manufacturing method is provided, and a liquid droplet is discharged from a nozzle opening communicating with a pressure generating chamber provided in the substrate by the displacement. In the liquid ejecting head, the liquid ejecting head is provided.
That is, a reliable liquid ejecting head can be obtained by using a reliable actuator device having a zirconium oxide layer obtained from a highly reliable zirconium layer having no abnormally grown portion.
本発明によれば、高圧工程及び低圧工程という条件の異なるスパッタ工程を用いてジルコニウム層を成膜することにより、全体として異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層をより簡便に成膜することができ、これにより、信頼性のあるアクチュエータ装置を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to more easily form a highly reliable zirconium layer having no abnormally grown portion as a whole by forming a zirconium layer using sputtering processes having different conditions of a high pressure process and a low pressure process. Thus, a reliable actuator device can be manufactured.
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装置を備えた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1〜2μmの弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、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及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のリザーバ部31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。なお、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、圧力発生室12の幅方向両側の隔壁11を連通部13側に延設してインク供給路14と連通部13との間の空間を区画することで形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12の幅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の幅方向の断面積よりも大きい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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head including an actuator device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of FIG. As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and one surface thereof is made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation. A 2 μm elastic film 50 is formed. A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a reservoir part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a reservoir that serves as a common ink chamber for the pressure generating chambers 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. 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 passage 15 is formed by extending the partition walls 11 on both sides in the width direction of the pressure generating chamber 12 to the communication portion 13 side to partition the space between the ink supply path 14 and the communication portion 13. Yes. That is, the flow path forming substrate 10 has an ink supply path 14 having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the pressure generating chamber 12 in the width direction, and communicates with the ink supply path 14 and disconnects the ink supply path 14 in the width direction. A communication passage 15 having a cross-sectional area larger than the area 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、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。 Further, 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 on the opening surface side of the flow path forming substrate 10 will be described later. It is fixed by an adhesive, a heat welding film or the like through a mask film. 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 non-rust steel.
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、200〜500nm、本実施形態では、約400nm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。なお、詳しくは後述するが、本発明の絶縁体膜55は、所定の製造工程で成膜されたジルコニウム層を熱酸化することにより形成されて、弾性膜50との密着性が向上されている。 On the other hand, as described above, the elastic film 50 made of silicon dioxide (SiO 2 ) 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. On the elastic film 50, an insulator film 55 made of zirconium oxide (ZrO 2 ) having a thickness of 200 to 500 nm, for example, about 400 nm is formed in this embodiment. As will be described in detail later, the insulator film 55 of the present invention is formed by thermally oxidizing a zirconium layer formed in a predetermined manufacturing process, and the adhesion to the elastic film 50 is improved. .
また、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1.0μm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。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は圧電素子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。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(アクチュエータ装置)と称する。なお、本実施形態では、弾性膜、絶縁体膜及び下電極膜が振動板として作用するが、勿論、弾性膜及び絶縁体膜のみが振動板として作用するようにしてもよい。 Further, on the insulator film 55, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 having a thickness of, for example, about 1.0 μm, and a thickness of, for example, about 0 The upper electrode film 80 having a thickness of 0.05 μm is laminated by a process described later to constitute the piezoelectric element 300. 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 addition, here, 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. In this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. In addition, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator (actuator device). In the present embodiment, the elastic film, the insulator film, and the lower electrode film act as a diaphragm, but of course, only the elastic film and the insulator film may act as a diaphragm.
そして、このような各圧電素子300の上電極膜80には、例えば、金(Au)等からなるリード電極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。 The upper electrode film 80 of each piezoelectric element 300 is connected to a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like, and a voltage is selectively applied to each piezoelectric element 300 via the lead electrode 90. Is applied.
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に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部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。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。 Further, a protective substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 capable of securing a space that does not hinder the movement of the region facing the piezoelectric element 300 is bonded to the surface of the flow path forming substrate 10 on the piezoelectric element 300 side. It is joined via the agent 35. Since the piezoelectric element 300 is formed in the piezoelectric element holding part 31, it is protected in a state hardly affected by the external environment. Further, the protective substrate 30 is provided with a reservoir portion 32 in a region corresponding to the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. In this embodiment, the reservoir portion 32 is provided along the direction in which the pressure generating chambers 12 are arranged so as to penetrate the protective substrate 30 in the thickness direction, and as described above, the communication portion of the flow path forming substrate 10. The reservoir 100 is connected to the pressure generation chamber 12 and serves as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12.
ここで、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32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。 Here, the communication part 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality for each pressure generation chamber 12 and only the reservoir part 32 may be used as the reservoir. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and a reservoir and a member interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) An ink supply path 14 that communicates with each pressure generation chamber 12 may be provided.
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、駆動ICから延設される接続配線の一端が接続される。 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 31 and the reservoir portion 32 of the protective substrate 30, and the lower electrode film 60 is provided in the through hole 33. A part of the lead electrode 90 and the leading end of the lead electrode 90 are exposed, and one end of a connection wiring extending from the drive IC is connected to the lower electrode film 60 and the lead electrode 90, although not shown.
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。 In addition, examples of the material of the protective substrate 30 include glass, ceramic material, metal, resin, and the like, but it is more preferable that the material is substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10. In this embodiment, the silicon single crystal substrate made of the same material as the flow path forming substrate 10 is used.
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。 A compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. 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 one surface of the reservoir portion 32 is sealed by the sealing film 41. Yes. 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からインク滴が吐出する。 In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then in accordance with a recording signal from a drive IC (not shown). Then, a voltage is applied between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 to bend and deform the elastic film 50, the insulator film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70. As a result, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
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。 Here, a method of manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 3 to 6 are cross-sectional views of the pressure generating chamber 12 in the longitudinal direction. First, as shown in FIG. 3A, a channel 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.
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、まず、弾性膜50上に、スパッタ法、例えば、本実施形態では、DCスパッタ法によりジルコニウム層を形成する。 Next, as shown in FIG. 3B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50 (silicon dioxide film 51). Specifically, first, a zirconium layer is formed on the elastic film 50 by sputtering, for example, DC sputtering in this embodiment.
ここで、異常成長部のない信頼性のあるジルコニウム層を成膜するために、スパッタ条件の異なる二種類の工程を実施するマルチステップで成膜する。すなわち、具体的には、高圧工程及び低圧工程を実施して成膜を行い、柱状結晶で(101)面配向度が50%以上のジルコニウム層となるようにしている。 Here, in order to form a reliable zirconium layer having no abnormally grown portion, the film is formed by multi-steps in which two kinds of processes having different sputtering conditions are performed. Specifically, film formation is performed by performing a high-pressure process and a low-pressure process to form a zirconium layer having columnar crystals and a (101) plane orientation degree of 50% or more.
ここで、「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、「(101)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(101)面に相当するピーク強度の比率を意味する。 Here, “degree of orientation” refers to a ratio of diffraction intensities generated when a zirconium layer is measured by the X-ray diffraction wide angle method. Specifically, when the zirconium 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. The “degree of (101) plane orientation” means the ratio of the peak intensity corresponding to the (101) plane to the sum of the peak intensity corresponding to each of these planes.
図4には、本実施形態におけるジルコニウム層を成膜し、酸化ジルコニウム層とするプロセスを示す。ここで、ジルコニウム層を成膜するジルコニウム層成膜工程でのスパッタ条件は、高圧工程及び低圧工程の何れにおいても、成膜温度を室温から100℃以下とし、パワー密度が10〜60kW/m2の範囲とし、スパッタ圧力は、2〜6Paの範囲とするのが好ましい。信頼性のあるアクチュエータ装置に適した酸化ジルコニウム層を得るために適した条件であるからである。また、使用するDCスパッタ装置は、ターゲットと基板との距離が、成膜できる基板直径の半分の寸法より小さいスパッタ装置とするのが好ましく、本実施形態では、ターゲットと基板との距離が65mmの装置を用いた。このような装置を用いると、最終的に異常成長部のない信頼性の高いジルコニウム層を比較的簡便に成膜することができるからである。 FIG. 4 shows a process of forming a zirconium layer in this embodiment to form a zirconium oxide layer. Here, the sputtering conditions in the zirconium layer forming step for forming the zirconium layer are as follows: the film forming temperature is from room temperature to 100 ° C. and the power density is 10 to 60 kW / m 2 in both the high pressure step and the low pressure step. The sputtering pressure is preferably in the range of 2 to 6 Pa. This is because the conditions are suitable for obtaining a zirconium oxide layer suitable for a reliable actuator device. In addition, the DC sputtering apparatus to be used is preferably a sputtering apparatus in which the distance between the target and the substrate is smaller than half of the substrate diameter that can be formed. In this embodiment, the distance between the target and the substrate is 65 mm. A device was used. This is because when such an apparatus is used, a highly reliable zirconium layer having no abnormally grown portion can be finally formed relatively easily.
ジルコニウム層成膜工程では、図4(a)に示すように、まず、相対的に高いスパッタ圧力で且つ低い成膜レートで30nm〜60nmの厚さのジルコニウム第1層541を形成する高圧工程を実行する。かかる高圧工程のスパッタ圧力は、例えば、2〜6Paの範囲、好ましくは、3〜4Paの範囲とする。また、このような高圧工程では、(101)面配向が優先となる結晶の膜が成膜され、(002)面配向度は低い。 In the zirconium layer film forming step, as shown in FIG. 4A, first, a high pressure step of forming a zirconium first layer 541 having a thickness of 30 nm to 60 nm at a relatively high sputtering pressure and a low film forming rate is performed. Run. The sputtering pressure in such a high-pressure process is, for example, in the range of 2-6 Pa, preferably in the range of 3-4 Pa. Further, in such a high-pressure process, a crystal film in which (101) plane orientation is prioritized is formed, and the degree of (002) plane orientation is low.
また、かかる高圧工程においては、成膜レートが比較的低い条件、すなわち、低レートの成膜条件は、例えば、成膜温度を低くし、パワー密度を低めにするのが好ましい。具体的には、成膜温度は室温程度とし、パワー密度が3〜10kW/m2、特に好ましくは3〜5kW/m2での低い成膜レートとするのがよい。高い成膜レートとすると、異常成長部が生じ易いからである。 In such a high-pressure process, it is preferable that the film formation rate is relatively low, that is, the film formation condition at a low rate is, for example, to lower the film formation temperature and lower the power density. Specifically, the film forming temperature is about room temperature, and the power density is preferably 3 to 10 kW / m 2 , particularly preferably 3 to 5 kW / m 2 . This is because abnormal growth tends to occur when the film forming rate is high.
次いで、図4(b)に示すように、高圧工程より低いスパッタ圧力で且つ高い成膜レートであって総膜厚が所望の厚さになるまでジルコニウム第2層542を形成する低圧工程を実行する。かかる低圧工程のスパッタ圧力は、例えば、0.01Pa以上1Pa未満の範囲、好ましくは、0.01〜0.7Paの範囲とする。 Next, as shown in FIG. 4B, a low-pressure process is performed in which the zirconium second layer 542 is formed at a sputtering pressure lower than that in the high-pressure process and at a high film formation rate until the total film thickness reaches a desired thickness. To do. The sputtering pressure in such a low-pressure process is, for example, in the range of 0.01 Pa to less than 1 Pa, preferably in the range of 0.01 to 0.7 Pa.
ジルコニウム層成膜工程は、このような高圧工程と低圧工程と実行するマルチステップとすることにより、全体として異常成長部のないジルコニウム層を得ることができる。ここで、高圧工程と低圧工程とを実行する場合、その間ではスパッタ装置内を常圧に戻すことなく減圧状態を保持したまま、圧力を変化させて、高圧工程と低圧工程とを実行するのが好ましい。すなわち、これらの工程は例えば、5〜15秒の間隔をおいて実行するのが好ましい。 The zirconium layer film forming process is a multi-step that executes such a high-pressure process and a low-pressure process, whereby a zirconium layer having no abnormally grown portion as a whole can be obtained. Here, when performing the high pressure process and the low pressure process, the high pressure process and the low pressure process are performed while changing the pressure while maintaining the reduced pressure state without returning the inside of the sputtering apparatus to the normal pressure. preferable. That is, these steps are preferably performed at intervals of 5 to 15 seconds, for example.
このようにジルコニウム層54を形成した後は、図4(c)に示すように、例えば、850〜1000℃に加熱した拡散炉内に、例えば、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54を熱酸化させ、酸化ジルコニウム層からなる絶縁体膜55とする。これにより、異常成長部のない結晶状態が良好な絶縁体膜55を得ることができる。すなわち、絶縁体膜55を構成する酸化ジルコニウムが異常成長部のない柱状の結晶となり、振動板の信頼性を向上させることができる。 After the zirconium layer 54 is formed in this manner, as shown in FIG. 4C, for example, in a diffusion furnace heated to 850 to 1000 ° C., for example, 300 mm / min or more, preferably 500 mm / min or more. The flow path forming substrate wafer 110 is inserted at a speed to thermally oxidize the zirconium layer 54 to form an insulator film 55 made of a zirconium oxide layer. Thereby, the insulator film 55 having a good crystal state without an abnormally grown portion can be obtained. That is, the zirconium oxide constituting the insulator film 55 becomes a columnar crystal without an abnormally grown portion, and the reliability of the diaphragm can be improved.
これにより、振動板の剥離等の発生を防止することができ、耐久性及び信頼性を向上したアクチュエータ装置及びそれを備えたインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。 As a result, it is possible to prevent occurrence of peeling of the vibration plate and the like, and it is possible to realize an actuator device with improved durability and reliability and an ink jet recording head including the actuator device.
上述したように、絶縁体膜55を形成した後は、図3(c)に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜55上に積層することにより下電極膜60を形成後、この下電極膜60を所定形状にパターニングする。次いで、図3(d)に示すように、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スパッタ法で種チタン層65を形成する。この種チタン層65の膜厚は、1nm〜8nmの範囲内となるように形成するのが好ましい。種チタン層65をこのような厚さで形成することにより、後述する工程で形成される圧電体層70の結晶性を向上させることができるからである。 As described above, after forming the insulator film 55, as shown in FIG. 3C, for example, after forming the lower electrode film 60 by laminating platinum and iridium on the insulator film 55, The lower electrode film 60 is patterned into a predetermined shape. Next, as shown in FIG. 3D, a seed titanium layer 65 is formed on the lower electrode film 60 and the insulator film 55 by sputtering titanium (Ti), for example, DC sputtering. The seed titanium layer 65 is preferably formed to have a thickness in the range of 1 nm to 8 nm. This is because by forming the seed titanium layer 65 with such a thickness, the crystallinity of the piezoelectric layer 70 formed in the process described later can be improved.
次いで、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と、例えば、イリジウムからなる上電極膜80とを流路形成基板用ウェハ110の全面に形成する。ここで、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−ゲル法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成している。そして、このように圧電体層70を形成すると、焼成時に圧電体層70の鉛成分が弾性膜50に拡散する虞があるが、圧電体層70の下側には酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55が設けられているため、圧電体層70の鉛成分が弾性膜50に拡散することはない。なお、圧電体層70の形成方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、MOD(Metal-Organic Decomposition)法でもよく、また、スパッタ法によってもよい。 Next, a piezoelectric layer 70 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT) and an upper electrode film 80 made of, for example, iridium are formed on the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110 on the seed titanium layer 65. . Here, in the present embodiment, a so-called sol-gel is obtained in which a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a catalyst 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 made of lead zirconate titanate (PZT) is formed by the method. When the piezoelectric layer 70 is formed in this way, the lead component of the piezoelectric layer 70 may diffuse into the elastic film 50 during firing. However, an insulator film made of zirconium oxide is formed below the piezoelectric layer 70. 55 is provided, the lead component of the piezoelectric layer 70 does not diffuse into the elastic film 50. The method for forming the piezoelectric layer 70 is not limited to the sol-gel method, but may be a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sputtering method.
次いで、図5(a)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(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。 Next, as shown in FIG. 5A, the piezoelectric layer 300 is formed by patterning the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 in regions facing the pressure generation chambers 12. Next, the lead electrode 90 is formed. Specifically, as shown in FIG. 5B, a metal layer 91 made of, for example, gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110. Thereafter, for example, the lead electrode 90 is formed by patterning the metal layer 91 for each piezoelectric element 300 through a mask pattern (not shown) made of a resist or the like.
次に、図5(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を接合する。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。 Next, as shown in FIG. 5C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is bonded to the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110. By bonding the protective substrate wafer 130, the rigidity of the flow path forming substrate wafer 110 is remarkably improved.
次いで、図5(d)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薄くする。次に、図6(a)に示すように、流路形成基板用ウェハ110上に、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、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(b)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、インク供給路14及び連通路15等を形成する。 Next, as shown in FIG. 5D, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a certain thickness. Next, as shown in FIG. 6A, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. Then, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched through the mask film 52, whereby, as shown in FIG. 13, the ink supply path 14 and the communication path 15 are formed.
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。 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. The nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the protective substrate wafer 130 is bonded, and the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130. By dividing the flow path forming substrate wafer 110 and the like into the flow path forming substrate 10 and the like of one chip size as shown in FIG. 1, the ink jet recording head of this embodiment is obtained.
(実施例)
ここで、ジルコニウム層54を成膜した具体的な実施例及び比較例を示す。以下に示す実施例及び比較例から、上述したような高圧工程及び低圧工程を実施するマルチステップによりジルコニウム層を成膜することにより、異常成長部のない、信頼性の高いジルコニウム層を形成できることがわかる。一方、高圧工程及び低圧工程でも、高圧工程での成膜レートを比較例のように高くすると、異常成長部が発生することが確認された。
(Example)
Here, specific examples and comparative examples in which the zirconium layer 54 is formed are shown. From the following examples and comparative examples, it is possible to form a highly reliable zirconium layer having no abnormally grown portion by forming a zirconium layer by multi-steps in which the above-described high-pressure process and low-pressure process are performed. Recognize. On the other hand, in the high-pressure process and the low-pressure process, it was confirmed that when the film formation rate in the high-pressure process was increased as in the comparative example, an abnormal growth portion was generated.
(実施例1)
ターゲットと基板との距離が65mmのDCスパッタ装置を用い、スパッタ圧力3Pa、パワー密度3kW/m2、室温の条件で高圧工程を実施して50nmのジルコニウム第1層を形成し、次いで、スパッタ圧力0.5Pa、パワー密度15kW/m2、室温の条件で低圧工程を実施して220nmのジルコニウム第2層を形成し、総膜厚が270nmのジルコニウム層を形成した。
Example 1
Using a DC sputtering apparatus with a distance between the target and the substrate of 65 mm, a high pressure process is performed under conditions of a sputtering pressure of 3 Pa, a power density of 3 kW / m 2 , and a room temperature to form a 50 nm zirconium first layer. A low pressure process was performed under the conditions of 0.5 Pa, power density 15 kW / m 2 , and room temperature to form a 220 nm zirconium second layer, and a total thickness of 270 nm zirconium layer was formed.
かかるジルコニウム層を観察すると、異常成長部がない柱状結晶であった。また、(101)配向度を測定したところ51.7%(注:(002)面配向度が24.6%)であり、(101)配向が優先であった。 When such a zirconium layer was observed, it was a columnar crystal having no abnormally grown portion. Further, when the (101) orientation degree was measured, it was 51.7% (note: (002) plane orientation degree was 24.6%), and (101) orientation was preferential.
(実施例2)
ターゲットと基板との距離が65mmのDCスパッタ装置を用い、スパッタ圧力4Pa、パワー密度3kW/m2、室温の条件で高圧工程を実施して50nmのジルコニウム第1層を形成し、次いで、スパッタ圧力0.5Pa、パワー密度15kW/m2、室温の条件で低圧工程を実施して220nmのジルコニウム第2層を形成し、総膜厚が270nmのジルコニウム層を形成した。
(Example 2)
Using a DC sputtering apparatus with a distance between the target and the substrate of 65 mm, a high pressure process is performed under conditions of a sputtering pressure of 4 Pa, a power density of 3 kW / m 2 , and a room temperature to form a 50 nm zirconium first layer. A low pressure process was performed under the conditions of 0.5 Pa, power density 15 kW / m 2 , and room temperature to form a 220 nm zirconium second layer, and a total thickness of 270 nm zirconium layer was formed.
かかるジルコニウム層を観察すると、異常成長部がない柱状結晶であった。(101)配向度を測定したところ55.2%(注:(002)面配向度が20.8%)であった。 When such a zirconium layer was observed, it was a columnar crystal having no abnormally grown portion. When the (101) orientation degree was measured, it was 55.2% (note: (002) plane orientation degree was 20.8%).
(比較例1)
ターゲットと基板との距離が65mmのDCスパッタ装置を用い、スパッタ圧力3Pa、パワー密度30kW/m2、室温の条件で50nmのジルコニウム第1層を形成し、次いで、スパッタ圧力0.5Pa、パワー密度15kW/m2、室温の条件で220nmのジルコニウム第2層を形成し、総膜厚が270nmのジルコニウム層を形成した。
(Comparative Example 1)
Using a DC sputtering apparatus with a distance between the target and the substrate of 65 mm, a zirconium first layer of 50 nm is formed under conditions of a sputtering pressure of 3 Pa, a power density of 30 kW / m 2 and a room temperature, and then a sputtering pressure of 0.5 Pa and a power density. A 220 nm zirconium second layer was formed under conditions of 15 kW / m 2 and room temperature, and a zirconium layer having a total film thickness of 270 nm was formed.
かかるジルコニウム層を観察すると、柱状結晶であり、異常成長部が観察された。(002)配向度を測定したところ、74.0%であった。 When such a zirconium layer was observed, it was a columnar crystal and an abnormally grown portion was observed. When the degree of orientation was measured, it was 74.0%.
(比較例2)
ターゲットと基板との距離が65mmのDCスパッタ装置を用い、スパッタ圧力4Pa、パワー密度30kW/m2、室温の条件で50nmのジルコニウム第1層を形成し、次いで、スパッタ圧力0.5Pa、パワー密度15kW/m2、室温の条件で220nmのジルコニウム第2層を形成し、総膜厚が270nmのジルコニウム層を形成した。
(Comparative Example 2)
Using a DC sputtering apparatus with a distance between the target and the substrate of 65 mm, a zirconium first layer of 50 nm is formed under conditions of a sputtering pressure of 4 Pa, a power density of 30 kW / m 2 and a room temperature, and then a sputtering pressure of 0.5 Pa and a power density. A 220 nm zirconium second layer was formed under conditions of 15 kW / m 2 and room temperature, and a zirconium layer having a total film thickness of 270 nm was formed.
かかるジルコニウム層を観察すると、柱状結晶であり、サイズが小さいものであったが、異常成長部が観察された。また、(002)配向度を測定したところ66.7%であった。 When such a zirconium layer was observed, it was a columnar crystal and a small size, but an abnormally grown portion was observed. Further, the (002) orientation degree was measured and found to be 66.7%.
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、弾性膜50上に絶縁体膜55を形成するようにしたが、絶縁体膜55は、弾性膜50よりも圧電体層70側に設けられていればよく、例えば、弾性膜50と絶縁体膜55との間に他の層が設けられていてもよい。また、上述した実施形態においては、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例示して本発明を説明したが、液体噴射ヘッド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。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(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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the insulator film 55 is formed on the elastic film 50. However, the insulator film 55 only needs to be provided closer to the piezoelectric layer 70 than the elastic film 50. Another layer may be provided between the elastic film 50 and the insulator film 55. In the above-described embodiments, the present invention has been described by exemplifying an ink jet recording head as an example of the liquid ejecting head. However, the basic configuration of the liquid ejecting head is not limited to the above-described configuration. The present invention covers a wide range of liquid ejecting heads, and can naturally be applied to those ejecting liquids other than ink. 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.
また、本発明の製造方法は、液体噴射ヘッド(インクジェット式記録ヘッド)に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できることは言うまでもない。 It goes without saying that the manufacturing method of the present invention can be applied not only to an actuator device mounted on a liquid jet head (inkjet 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、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバ部、 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、 70 圧電体膜、 80 上電極膜、 100 リザーバ、 300 圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 31 Piezoelectric element holding | maintenance part, 32 Reservoir part, 40 Compliance board | substrate, 50 Elastic film, 55 Insulator film, 60 Lower electrode film , 70 piezoelectric film, 80 upper electrode film, 100 reservoir, 300 piezoelectric element
Claims (7)
前記基板の一方面側にジルコニウム層をスパッタ法により形成するジルコニウム層形成工程と、ジルコニウム層を熱酸化して酸化ジルコニウム層とする酸化ジルコニウム層形成工程とを具備し、
前記ジルコニウム層形成工程が、相対的に高いスパッタ圧力且つ低い成膜レートで30nm〜60nmの厚さのジルコニウム第1層を形成する高圧工程と、この高圧工程より低いスパッタ圧力且つ高い成膜レートで総膜厚が所望の厚さとなるまでジルコニウム第2層を形成する低圧工程とで、柱状で配向度が(101)面優先であるジルコニウム層を形成するものであることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 In a method for manufacturing an actuator device comprising a diaphragm provided on one surface side of a substrate, and a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode provided via the diaphragm,
A zirconium layer forming step of forming a zirconium layer on one side of the substrate by sputtering, and a zirconium oxide layer forming step of thermally oxidizing the zirconium layer to form a zirconium oxide layer,
The zirconium layer forming step includes a high pressure step of forming a first zirconium layer having a thickness of 30 nm to 60 nm at a relatively high sputtering pressure and a low film formation rate, and a lower sputtering pressure and a higher film formation rate than the high pressure step. An actuator device comprising: a low-pressure step of forming a zirconium second layer until a total film thickness reaches a desired thickness; and forming a zirconium layer having a columnar shape and an orientation degree of (101) plane priority. Production method.
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