專利名稱：壓電元件及液體噴頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電元件及使用所述壓電元件的液體噴頭，特別是涉 及一種可以使晶片平面的結(jié)晶取向均勻，并且使壓電特性均勻的壓電元件 的制造方法。
背景技術(shù)：
壓電元件是以兩個(gè)電極夾著呈現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換功能的壓電膜的元件，壓電 膜由結(jié)晶后的壓電性陶瓷構(gòu)成。以往，壓電元件的制造方法公知有所謂的溶膠一凝膠法。即，在形成 了下電極的襯底上涂布有機(jī)金屬化合物的溶膠，并使其干燥及脫脂，從而 形成壓電體的前驅(qū)體。在執(zhí)行該涂布、干燥及脫脂工序預(yù)定次數(shù)后，在高 溫中進(jìn)行熱處理從而使其結(jié)晶。為了再進(jìn)一步增加其膜厚，在結(jié)晶后的壓 電層上進(jìn)一步重復(fù)執(zhí)行溶膠的涂布、干燥及脫脂工序、以及結(jié)晶工序。使上述有機(jī)金屬化合物的溶膠脫脂的方法公知有使用箱型干燥機(jī)的方 法、使用電熱爐的方法。此外，所述壓電元件適用于噴墨式記錄頭等液體噴頭，所述噴墨式記 錄頭中用振動(dòng)膜構(gòu)成與噴出墨滴的噴嘴開(kāi)口連通的壓力產(chǎn)生室的一部分， 并通過(guò)壓電元件使此振動(dòng)膜變形從而給壓力產(chǎn)生室的墨水加壓，從而從噴 嘴開(kāi)口噴出墨滴。噴墨式記錄頭f據(jù)實(shí)際應(yīng)用分為兩種使用在壓電元件 的軸方向上伸長(zhǎng)、收縮的縱振動(dòng)模式的壓電致動(dòng)器的噴墨式記錄頭和使用 撓曲振動(dòng)模式的壓電致動(dòng)器的噴墨式記錄頭。作為使用撓曲振動(dòng)模式的壓 電致動(dòng)器的噴墨式記錄頭，例如，公知有按如下方式形成壓電元件的噴墨式記錄頭通過(guò)遍及振動(dòng)膜的表面整體的成膜技術(shù)形成均勻的壓電層，并 使用平板印刷術(shù)將此壓電層切分為與壓力產(chǎn)生室相對(duì)應(yīng)的形狀，使其按每 個(gè)壓力產(chǎn)生室各自獨(dú)立。并且，例如在日本專利文獻(xiàn)特開(kāi)2000 — 326503號(hào)公報(bào)中所公開(kāi)的那 樣，在具有這種撓曲振動(dòng)模式的壓電元件的噴墨式記錄頭中，通過(guò)在與壓力產(chǎn)生室相對(duì)的區(qū)域內(nèi)對(duì)構(gòu)成壓電元件的下電極進(jìn)行圖案化，可抑制振動(dòng) 膜的初期撓曲，并增加由壓電元件的驅(qū)動(dòng)所引起的振動(dòng)膜的位移量。在壓電元件制造中的以往的脫脂工序中，在壓電體的前驅(qū)體中很難形 成壓電體結(jié)晶的核。因此，在結(jié)晶時(shí)很難得到想要的結(jié)晶。此外，根據(jù)晶 片的面內(nèi)位置的不同在升溫率上會(huì)產(chǎn)生偏差，從而產(chǎn)生各種各樣的脫脂條 件。因此，在結(jié)晶取向和壓電體特性上也會(huì)產(chǎn)生偏差。此外，若在被如上述那樣圖案化的下電極上形成壓電膜，則在下電極 的端部及其外側(cè)形成的壓電膜的膜質(zhì)差，從而存在壓電元件的驅(qū)動(dòng)可靠性 降低的問(wèn)題。即，在下電極上的壓電膜和在下電極外側(cè)的壓電膜上結(jié)晶性 等特性不同，從而壓電層在下電極端部附近實(shí)際上是不連續(xù)的。因此，存 在當(dāng)向壓電膜施加電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋等破壞。特別是在與下電極的長(zhǎng)度方 向的端部相對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域中的壓電膜容易被破壞。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種壓電元件及使用該壓 電元件的液體噴頭以及它們的制造方法，所述壓電元件可以得到想要良好 結(jié)晶性，并可以提高其均勻性，此外可以防止壓電膜的破壞并得到穩(wěn)定的 位移特性。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種壓電元件，所述壓電元件具有 下電極、在下電極上形成的壓電膜、在所述壓電膜上形成的上電極，其特 征在于，所述壓電膜具有柱狀結(jié)晶，該柱狀結(jié)晶的結(jié)晶粒徑在所述上電極 側(cè)比在所述下電極側(cè)大，并且，所述壓電膜的規(guī)定面取向的取向度比其他 面取向的取向度高。在所述本發(fā)明中，提高了壓電膜的結(jié)晶性等膜質(zhì)，并可使膜質(zhì)均勻。這里，優(yōu)選所述壓電膜的(100)面取向度比其他的面取向度高。由 此，能更加切實(shí)地提高壓電膜的結(jié)晶性等膜質(zhì)，并且可是膜質(zhì)更加均勻。此外，優(yōu)選的是，所述下電極被圖案化為預(yù)定形狀，僅在所述下電極 上形成構(gòu)成所述壓電膜的多層壓電層中的、作為最下層的第一壓電層，使 其他壓電層覆蓋所述下電極的端面及第一壓電層的端面，所述第一壓電層 及在所述第一壓電層的緊鄰的上面形成的第二壓電層構(gòu)成所述下層部分。 由此，壓電膜的結(jié)晶性等膜質(zhì)更切實(shí)地提高了。特別是，下電極的端面以 及外側(cè)壓電膜的膜質(zhì)得以提高，從而能獲得良好的壓電特性。此外，優(yōu)選的是，所述第一及第二壓電層的各自的厚度都比其他壓電 層各自的厚度薄。由此，更加可靠地提高了壓電膜的膜質(zhì)。此外，優(yōu)選的是，所述下電極的端面及所述第一壓電層的端面是傾斜 面。由此，提高了下電極及在第一壓電層的緊鄰的上面形成的第二壓電層 等的膜質(zhì)，從而防止產(chǎn)生由于電壓的施加而產(chǎn)生壓電膜的裂紋等。此外，優(yōu)選的是，在所述壓電膜的長(zhǎng)度方向的端部附近具有與所述下 電極不電連接的金屬層。由此，由于在大致均勻的加熱條件下進(jìn)行結(jié)晶從 而形成壓電層，所以可以得到膜質(zhì)良好的壓電膜。本發(fā)明還提供了一種液體噴頭，其特征在于，具有作為液體噴出驅(qū)動(dòng) 源的上述那樣的壓電元件。在所述本發(fā)明中，由于提高了噴出特性并且使其均勻，所以可以實(shí)現(xiàn) 提高了可靠性的液體噴頭。


圖1是第一實(shí)施方式中的打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是表示第一實(shí)施方式中的記錄頭的簡(jiǎn)略分解立體圖；圖3是第一實(shí)施方式中的記錄頭的平面圖及剖面圖；圖4是表示第一實(shí)施方式中的壓電元件的層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)略剖面圖；圖5是第一實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖；圖6是第一實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖；圖7是表示壓電元件的詳細(xì)層結(jié)構(gòu)的部分剖面圖；圖8是表示第二實(shí)施方式中的記錄頭的簡(jiǎn)略分解立體圖； 圖9是第二實(shí)施方式中的記錄頭的平面圖及剖面圖； 圖IO是第二實(shí)施方式中的記錄頭的剖面圖； 圖11是第二實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖-, 圖12是第二實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖； 圖13是第二實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖； 圖14是第二實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖； 圖15是第二實(shí)施方式中的記錄頭的制造工序剖面圖；圖16是第三實(shí)施方式中的記錄頭的平面圖及剖面圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。 (第一實(shí)施方式)圖1是使用噴墨式記錄頭(液體噴頭的一個(gè)例子)的打印機(jī)(液體噴 射裝置的一個(gè)例子)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中所述噴墨式記錄頭具有根據(jù)本實(shí) 施方式的方法制造出來(lái)的壓電元件。在該打印機(jī)中，在主體2上設(shè)置有托盤3、排出口 4及操作按鈕9。另外，在主體2的內(nèi)部具有噴墨式記錄頭 1、饋紙機(jī)構(gòu)6、控制電路8。噴墨式記錄頭1具有由本發(fā)明的制造方法制造出來(lái)的壓電元件。噴墨 式記錄頭l可以對(duì)應(yīng)控制電路8提供的噴出信號(hào)，從噴嘴噴出墨水。主體2是打印機(jī)的框體，在可從托盤3提供用紙5的位置上配置饋紙 機(jī)構(gòu)6，并配置噴墨式記錄頭1使得可以在用紙5上打印。托盤3被構(gòu)成 為可向饋紙機(jī)構(gòu)6提供打印前的用紙5，排出口 4是將打印結(jié)束后的用紙 5排出去的出口。饋紙機(jī)構(gòu)6具有馬達(dá)600、輥601、 602及其他圖中未示出的機(jī)械結(jié) 構(gòu)。馬達(dá)600可以對(duì)應(yīng)控制電路8提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而旋轉(zhuǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)可以 將馬達(dá)600的轉(zhuǎn)矩傳遞給輥601、 602。在馬達(dá)600的轉(zhuǎn)矩被傳遞過(guò)來(lái)后， 輥601及602發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而通過(guò)旋轉(zhuǎn)引入放置在托盤3上的用紙5，從 而可以提供給頭l進(jìn)行印刷?？刂齐娐?具有圖中未示出的CPU、 ROM、 RAM、接口電路等，從 而可以對(duì)應(yīng)打印信息向饋紙機(jī)構(gòu)6提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)或向噴墨式記錄頭1提供 噴出信號(hào)，其中所述打印信息是通過(guò)圖中未示的連接器由計(jì)算機(jī)提供的。 此外，控制電路8可以對(duì)應(yīng)來(lái)自操作按鈕9的操作信號(hào)來(lái)進(jìn)行操作模式的 設(shè)定、復(fù)位處理等。下面說(shuō)明安裝在上述打印機(jī)上的噴墨式記錄頭的結(jié)構(gòu)。此外，圖2是 表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的噴墨式記錄頭的簡(jiǎn)略分解立體圖，圖3是 圖2的平面圖及A—A'剖面圖。圖4是表示壓電元件的層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)略剖面 圖。如圖所示，在本實(shí)施方式中，流路形成基板10由(110)晶向的硅單 晶基板構(gòu)成，其一個(gè)面上形成有厚度為1 2um的彈性膜50，所述彈性 膜50由通過(guò)預(yù)熱氧化形成的二氧化硅構(gòu)成。在流路形成基板10上，在其 寬度方向上并列設(shè)置有多個(gè)壓力產(chǎn)生室12。此外，在流路形成基板10的 壓力產(chǎn)生室12的長(zhǎng)度方向的外側(cè)區(qū)域上形成有連通部13，連通部13與壓 力產(chǎn)生室12經(jīng)由設(shè)置在每個(gè)壓力產(chǎn)生室12上供墨通路14連通。此外，連 通部13與后述的貯液池形成基板30的貯液池部31連通，從而構(gòu)成作為各 個(gè)壓力產(chǎn)生室12的共用墨室的貯液池100的一部分。供墨通路14被形成 為寬度比壓力產(chǎn)生室12還要窄，將從連通部B流入壓力產(chǎn)生室12的墨水 的流路阻力保持為恒定。此外，形成有所述壓力產(chǎn)生室12等的流路形成基板IO的厚度最好配 合設(shè)置壓力產(chǎn)生室12的密度來(lái)選擇最合適的厚度。例如，當(dāng)以每英寸180 個(gè)(180dpi)的程度配置壓力產(chǎn)生室12時(shí)，合適的流路形成基板10的厚 度是180 280ym左右，最好是220um左右。此外，例如，當(dāng)將壓力產(chǎn) 生室12配置為360dpi左右的較高密度時(shí)，流路形成基板IO的厚度最好為 100ixm以下。這是由于這樣配置可以在保持相鄰壓力產(chǎn)生室12之間的隔 膜11的剛性的同時(shí)，提高排列密度。此外，在流路形成基板10的開(kāi)口面一側(cè)上通過(guò)粘合劑或熱熔敷薄膜 等固定有噴嘴板20，在所述噴嘴板20上貫穿設(shè)置有噴嘴開(kāi)口 21,其與各 壓力產(chǎn)生室12的與供墨通路14相反一側(cè)的端部附近相連通。此外，噴嘴板20由厚度例如是0.1 lmm、線膨脹系數(shù)在300°C以下例如是2.5 4.5[X 1(T，C]的玻璃陶瓷、硅單晶基板或不銹鋼等形成。另一方面，如圖4所示，在所述流路形成基板10的與開(kāi)口面相反的 一側(cè)上，如上所述，形成有厚度例如約為l.Oum的彈性膜50，在該彈性 膜50上形成有厚度例如約為0.4um的絕緣膜55。進(jìn)而，在該絕緣膜55 上通過(guò)后述工藝層疊形成有厚度例如約為0.2 um的下電極膜60、厚度例 如約為l.Oum的壓電層70和厚度例如約為0.05um的上電極膜80，從而 構(gòu)成壓電元件300。此處，壓電元件300說(shuō)的是包含下電極膜60、壓電層 70及上電極膜80的部分。 一般來(lái)說(shuō)，以壓電元件300的任一電極作為共 用電極，按各壓力產(chǎn)生室12的每一個(gè)對(duì)另一個(gè)電極及壓電層70進(jìn)行圖案 化。并且，將由圖案化的任一個(gè)電極及壓電層70構(gòu)成的、并由于向兩個(gè) 電極施加電壓而產(chǎn)生壓電應(yīng)變的部分稱為壓電致動(dòng)部。在本實(shí)施方式中， 將下電極膜60作為壓電元件300的共用電極，將上電極膜80作為壓電元 件300的專用電極，但只要驅(qū)動(dòng)電路及配線允許，也可以反過(guò)來(lái)配置。無(wú) 論哪一種情況，在各壓力產(chǎn)生室上都形成壓電致動(dòng)部。此外，在這里，壓 電元件300和通過(guò)所述壓電元件300的驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生位移的振動(dòng)膜合起來(lái)稱 為壓電致動(dòng)器。在此處，在本實(shí)施方式中，在與絕緣膜55相同的區(qū)域內(nèi)形成下電極 膜60，并且下電極膜60還兼起振動(dòng)膜的作用，以便使下電極膜60作為在 流路形成基板10形成的多個(gè)壓電元件300的共用電極發(fā)揮作用。此外， 該下電極膜60的材料最好使用具有導(dǎo)電性的材料，例如鉑、銥等。這是 由于通過(guò)后述的反應(yīng)濺射法或溶膠一凝膠法而形成的壓電膜70在成膜后 必須在大氣氣氛下或氧氣氣氛下以600 1000°C左右的溫度進(jìn)行燒結(jié)并結(jié)曰曰曰o此外，壓電膜70的組成使用例如鋯鈦酸鉛(Pb (Zra56、 Tio.44) 03: PZT))等壓電陶瓷。其他，也可以是鈦酸鉛鑭((Pb、 La) Ti03)、鋯 酸鉛鑭((Pb、 La) Zr03)或鈮鎂酸鉛一鋯鈦酸鉛(Pb (Mg、 Nb) (Zr、 Ti) 03: PMN—PZT)、鋯鈦酸鋇(Ba (Zr、 Ti) 03: BZT)等。此外，作為上電極膜80的材料，只要是具有導(dǎo)電性的材料，并沒(méi)有特別 的限定，例如在本實(shí)施方式中使用銥(Ir)。此外，在形成有所述壓電元件300的流路形成基板io上接合有ie液池形成基板30，其中所述貯液池形成基板30具有構(gòu)成作為各壓力產(chǎn)生室 12的共用墨室的貯液池100的至少一部分的貯液池部31。進(jìn)而，在此貝亡 液池形成基板30上接合有可撓曲基板40，所述可撓曲基板40包括由剛性 低而具有柔性的材料形成的密封膜41和由金屬等硬質(zhì)材料形成的固定板 42。此外，固定板42的與貯液池100相對(duì)的區(qū)域形成有在寬度方向上完 全被切去的開(kāi)口部分43，在貯液池100的一個(gè)表面上僅通過(guò)密封膜41密 封。如上所述的本實(shí)施方式的噴墨式記錄頭在從圖中未示出的外部供墨裝 置取得墨水，并且從貯液池100到噴嘴開(kāi)口 21為止的內(nèi)部都被墨水填滿 后，根據(jù)來(lái)自圖中未示出的驅(qū)動(dòng)電路的記錄信號(hào)，通過(guò)外部配線分別在與 壓力產(chǎn)生室12對(duì)應(yīng)的下電極膜60和上電極膜80之間施加電壓，從而使彈 性膜50、絕緣膜55、下電極膜60及壓電層70撓曲變形，由此各壓力產(chǎn) 生室12內(nèi)的壓力增加從而從噴嘴開(kāi)口 21噴出墨滴。以下，參照?qǐng)D5 圖7，說(shuō)明所述本實(shí)施方式中的噴墨式記錄頭的制 造方法，特別是壓電元件的制造方法。首先如圖5 (a)所示，使形成流路 形成基板IO的硅晶片IIO在約IIO(TC的擴(kuò)散爐中熱氧化，從而在整個(gè)表 面上形成構(gòu)成彈性膜50及掩膜51的二氧化硅膜52。接著，如圖5 (b) 所示，在彈性膜50 (二氧化硅膜52)上形成鋯(Zr)層之后，在例如 500 1200°C的擴(kuò)散爐中熱氧化從而形成由二氧化鋯(Zr02)形成的絕緣 膜55。接著，如圖5 (c)所示，在絕緣膜55上形成例如由鉑和銥形成的 下電極膜60。此外，以下圖中并未示出，在下電極膜60上形成有由鈦或 二氧化鈦構(gòu)成并且厚度在2nm 200nm左右的范圍內(nèi)較理想、最好是5nm 的結(jié)晶種層。在形成此鈦種層時(shí)使用例如公知的直流濺射法等。該種層以 相同的厚度形成，但根據(jù)情況也可以構(gòu)成島嶼形狀。此外，還可以在下電極膜60和絕緣膜55中間進(jìn)一步形成厚度為 20nm左右的鈦膜或二氧化鈦膜(粘合層圖中未示出)。通過(guò)設(shè)置所述 密合層，可以提高絕緣膜55和下電極膜60之間的粘合性。接著，如圖5 (d)所示，在下電極膜60上形成壓電前驅(qū)體膜 711'。壓電前驅(qū)體膜711'在后述的處理中結(jié)晶從而形成第一壓電層711 之前，其作為非晶形膜構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，PZT前驅(qū)體膜使用溶膠一 凝膠法形成。所謂的溶膠一凝膠法是將烷氧基金屬等金屬有機(jī)化合物在溶液類中加 水分解，并使其縮聚的方法。具體來(lái)說(shuō)，首先，在基板上涂布含有金屬有 機(jī)化合物的溶液(溶膠)711"，并使其干燥。所使用的金屬有機(jī)化合物 可以例舉出構(gòu)成無(wú)機(jī)氧化物的金屬的甲醇鹽、乙醇鹽、異丙醇、丁醇等醇 鹽或醋酸鹽化合物等。也可以是硝酸鹽、水草酸、高氯酸鹽等無(wú)機(jī)鹽。在本實(shí)施方式中，作為PZT膜的初始原料，準(zhǔn)備了 Pb (CH3COO) 2'3H20、 Zr (t—OCH4H9) 4、 Ti (i—OC3H7) 4的混合溶液(溶膠)。在 1500rpm下將此混合溶液旋轉(zhuǎn)涂布為O.lym厚度。在涂布后的階段，構(gòu)成 PZT的金屬原子作為有機(jī)金屬聯(lián)合體而分散。在涂布后，在一定溫度下干燥一定時(shí)間，從而蒸發(fā)溶膠的溶劑。例 如，將干燥溫度設(shè)定為例如150°C以上200°C以下。最好在18(TC下千 燥。將干燥時(shí)間設(shè)為例如5分鐘以上15分鐘以下。最好干燥10分鐘左 右。干燥以后，進(jìn)一步在大氣氣氛和一定的脫脂溫度下進(jìn)行一定時(shí)間的脫 脂。此外，此處所說(shuō)的脫脂是使溶膠膜的有機(jī)成分、例如N02、 C02、 1120等脫離。脫脂溫度在300。C以上500。C以下的范圍內(nèi)較理想。這是由 于在比此范圍高的溫度下會(huì)開(kāi)始結(jié)晶，而在比此范圍低的溫度下無(wú)法進(jìn)行 充分的脫脂。最好設(shè)定在360。C 400。C左右。脫脂時(shí)間例如是5分鐘以 上90分鐘以下。這是由于若比此范圍的時(shí)間長(zhǎng)，則會(huì)在膜內(nèi)部沒(méi)有進(jìn)行 結(jié)晶的狀態(tài)下只在膜表面開(kāi)始結(jié)晶了，若比此范圍的時(shí)間短，則無(wú)法進(jìn)行 充分的脫脂。最好進(jìn)行10分鐘左右的脫脂。通過(guò)脫脂，配位到金屬內(nèi)的 有機(jī)物從金屬中分離出來(lái)并產(chǎn)生燃燒氧化反應(yīng)，從而飛散到大氣中。在最初的脫脂，即用于形成第一壓電層711的脫脂中，至少第一次脫脂時(shí)的升溫率要在500°C/min以下。通過(guò)低升溫率慢慢加熱，從而可以使 脫脂條件均勻，并且在涂布后的溶膠711"內(nèi)產(chǎn)生很多小種晶。為了將升 溫率控制在500°C/min以下，可以將涂布有溶膠的常溫的基板放置在例如 常溫的鋁基板上，再將其放置在加熱到400°C的加熱板上。由此，升溫率 約為430°C/min。使涂布有溶膠的表面處于與加熱板的承載面相反的一 側(cè)，從而由于是從基板一側(cè)加熱，所以可以均勻并且高效地進(jìn)行脫脂。使上述涂布、干燥、脫脂的工序重復(fù)預(yù)定次數(shù)，例如兩次，從而形成 由兩個(gè)凝膠層組成的第一壓電前驅(qū)體膜711'(圖5 (e))。此時(shí)，第二 次的脫脂工序最好也和第一次的脫脂工序一樣在500°C/min以下的升溫率 下加熱。此外，重復(fù)這些涂布、干燥、脫脂的次數(shù)并不僅限于兩次，也可 以是一次，也可以是三次。下面，通過(guò)對(duì)由上述工序得到的第一壓電前驅(qū)體膜711'進(jìn)行加熱處 理，從而形成第一壓電層711 (圖5 (f))。燒結(jié)條件根據(jù)材料而有所不 同，在本實(shí)施方式的氧氣氣氛中為在700°C下進(jìn)行30分鐘的加熱。加熱 裝置除可以使用擴(kuò)散爐之外還可以是RTA (快速退火爐)。通過(guò)該結(jié)晶化 形成第一壓電層711。根據(jù)本實(shí)施方式，由于結(jié)晶后的PZT的(100)面 取向度為80。％，所以可以形成壓電特性優(yōu)良的壓電膜。并且，可以得到在 基板表面內(nèi)的偏差少并且遍及基板整體的良好特性。下面，通過(guò)將與上述重復(fù)兩次溶膠的涂布、干燥、脫脂后再使其結(jié)晶 的工序相同的工序重復(fù)五次，從而形成預(yù)定厚度的壓電膜70。例如，當(dāng)溶 膠每次涂布的膜厚是O.lum左右時(shí)，壓電膜70整體的膜厚約為lum。 圖7是表示壓電元件的詳細(xì)層結(jié)構(gòu)的一部分的剖面圖。在最初的結(jié)晶工序 中形成的第一壓電層711上層積了多層壓電層712 715。在初次結(jié)晶化之后進(jìn)行的脫脂工序中，使升溫率為1000。C/min以 上。為了將升溫率控制在1000°C/min以上，可以將涂布有溶膠的常溫基 板直接放置在被加熱到例如400。C的加熱板上。由此，升溫率約為25000° C/min。通過(guò)使升溫率比第一次時(shí)高而快速加熱，從而在溶膠膜內(nèi)很難產(chǎn)生種 晶。由于很難產(chǎn)生種晶，所以將之前結(jié)晶的壓電體結(jié)晶作為核，從而進(jìn)行 后續(xù)的結(jié)晶工序中的結(jié)晶成長(zhǎng)。因此，可以防止壓電體結(jié)晶在上下層上不 連續(xù)的現(xiàn)象。如上所述，通過(guò)使第一次脫脂時(shí)的升溫率比其他脫脂時(shí)的升 溫率低來(lái)進(jìn)行加熱，從而第一壓電層711上形成有粒徑小的柱狀結(jié)晶，而在第二層以后的壓電層712 715上形成有與第一壓電層711的柱狀結(jié)晶 連續(xù)并且粒徑比它大的柱狀結(jié)晶。此外，根據(jù)本實(shí)施方式，結(jié)晶后的PZT 受到下層的影響，從而(100)面取向度可以達(dá)到80%以上，并且基板面 內(nèi)的偏差很小。接著，如圖6 (a)所示，在如上所述形成的壓電膜70上形成上電極 膜80。具體來(lái)說(shuō)，將作為上電極膜80的鉑(Pt)用DC濺射法形成膜厚為 0.05um左右的膜。接著，在上電極膜80上旋轉(zhuǎn)涂布抗蝕劑之后，與應(yīng)形成墨室的位置 相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行曝光、顯影從而進(jìn)行圖案化。將剩下的抗蝕劑作為掩膜，從 而通過(guò)離子研磨等對(duì)上電極膜80、壓電膜70進(jìn)行蝕刻(圖6 (b))。接著，如圖6 (c)所示，在流路形成基板IO上形成壓力產(chǎn)生室12。 具體來(lái)說(shuō)，將設(shè)置在流路形成基板10上的掩膜51圖案化為預(yù)定形狀，將 該掩膜51作為蝕刻掩膜，通過(guò)使用活性氣體的例如平行平板型的反應(yīng)性 離子蝕刻等干式蝕刻，來(lái)蝕刻到預(yù)定的深度，在本實(shí)施方式中蝕刻到貫通 流路形成基板10為止，從而形成壓力產(chǎn)生室12。此外，沒(méi)有被蝕刻而留 下來(lái)的部分成為隔膜ll。最后如圖6 (d)所示，使用樹(shù)脂等將噴嘴板20接合到流路形成基板 10上。在將噴嘴板20接合到流路形成基板IO上時(shí)，要進(jìn)行定位，使得噴 嘴開(kāi)口 21對(duì)應(yīng)壓力產(chǎn)生室12的各個(gè)空間進(jìn)行配置。通過(guò)上述工序，形成 了噴墨式記錄頭。(第二實(shí)施方式)圖8是表示第二實(shí)施方式中的記錄頭的簡(jiǎn)略分解立體圖，圖9是圖8 的平面圖及B—B，剖面圖，圖IO是表示壓電元件的層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)略圖。此外，對(duì)與第一實(shí)施方式中說(shuō)明的部件相同的部件標(biāo)上相同的符號(hào)，并且省 略重復(fù)的說(shuō)明。本實(shí)施方式是壓電元件的層結(jié)構(gòu)的其他例子，具體來(lái)說(shuō)，如圖8 圖10所示，構(gòu)成壓電元件300的下電極膜60A在壓力產(chǎn)生室12的兩個(gè)端部 附近被分別圖案化，并且沿著壓力產(chǎn)生室12的并列設(shè)置方向連續(xù)設(shè)置。 此外，在本實(shí)施方式中，與各壓力產(chǎn)生室12相對(duì)區(qū)域的下電極膜60A的 端面是與流路形成基板10的表面成預(yù)定角度傾斜的傾斜面。壓電膜70A按各壓電產(chǎn)生室12每一個(gè)獨(dú)立設(shè)置，如圖10所示，由多 層構(gòu)成，在本實(shí)施方式中是由六層壓電層721 726構(gòu)成，作為這些當(dāng)中 的最下層的第一壓電層721僅設(shè)置在下電極膜60A上。并且，該第一壓電 層721的端面是與下電極膜60A的端面相連的傾斜面。此外，在該第一壓 電層721上形成的第二 第六壓電層722 726被設(shè)置成從第一壓電層721 上延伸到絕緣膜55上，覆蓋第一壓電層721及下電極60A的傾斜的端 面。此處，第一壓電層721及在該第一壓電層721上形成的第二壓電層 722形成為其結(jié)晶密度比剩下的第三 第六的壓電層723 726的結(jié)晶密度 高。g卩，作為壓電層70A的上層部分的第三 第六的壓電層723 726具 有比作為下層部分的第一及第二壓電層721、 722的柱狀結(jié)晶的直徑還要 大的柱狀結(jié)晶。由此，可以提高各壓電層721 726的結(jié)晶取向性、致密 性，從而顯著提高壓電膜70A的膜質(zhì)。此外，第一壓電層721上形成的第二壓電層722最好形成得比其他的 第三 第六的壓電層723 726薄。例如在本實(shí)施方式中，第一及第二壓 電層721、 722約以0.1 ym的厚度形成，其他的第三 第六的壓電層 723 726約以0.2 ii m的厚度形成。此外，在本實(shí)施方式中，設(shè)置在上述壓電膜70A上的上電極膜80上 分別連接有由例如金(Au)等形成的引導(dǎo)電極90，所述引導(dǎo)電極90—直 延伸設(shè)置到絕緣膜55上。此外，在本實(shí)施方式中，在與壓電元件300相對(duì)的區(qū)域中確保有可以 使壓電元件300的活動(dòng)不受阻礙的空間的狀態(tài)下，在與流路形成基板10接合的貯液池形成基板30A上設(shè)置有可以密封所述空間的壓電元件保持部32。并且，各壓電元件300被密封到所述壓電元件保持部32內(nèi)，從而與 外部環(huán)境隔絕。此外，在貯液池形成基板30A的貯液池部31和壓電元件 保持部32之間的區(qū)域設(shè)置有在厚度方向上貫通了貯液池形成基板30A的 貫通孔33，從各壓電元件300引出的引導(dǎo)電極90的端部附近在貫通孔33 內(nèi)露出。以下說(shuō)明所述本實(shí)施方式中的噴墨式記錄頭的制造方法，特別是壓電 元件的制造方法。此外，圖11 圖15是本實(shí)施方式中的噴墨式記錄頭的 制造工序剖面圖。首先，如圖ll (a) 圖11 (c)所示，與第一實(shí)施方式相同，在硅晶 片110上形成由彈性膜50及掩膜51組成的二氧化硅膜52、絕緣膜55及 下電極膜60A。接著，如圖12 (a)所示，在下電極膜60A上形成有由鈦 或二氧化鈦形成的結(jié)晶種(層)65。此外，在本實(shí)施方式中，該結(jié)晶種形 成為島狀。接著，如圖12 (b)所示，形成預(yù)定厚度的、在本實(shí)施方式中 為O.lum厚度的未結(jié)晶的壓電前驅(qū)體膜721'。此外，該壓電前驅(qū)體膜 721'與第一實(shí)施方式相同，通過(guò)溶膠—凝膠法形成，S卩，將包含有金屬 有機(jī)化合物的溶液(溶膠)涂布成預(yù)定厚度后，進(jìn)行干燥、脫脂而形成。此處，在本實(shí)施方式中，使該脫脂時(shí)的升溫率比在后續(xù)工序中形成第 三 第六壓電層723 726時(shí)低。具體來(lái)說(shuō)，該脫脂時(shí)的升溫率例如在從 250°C上升到300°C的階段最好是1.5 2。C/秒左右的升溫率。由此，由 于在壓電前驅(qū)體膜721'上會(huì)產(chǎn)生很多結(jié)晶核，所以提高了經(jīng)由后述的燒 結(jié)工序得到的第一壓電層721的致密性及取向性。并且，通過(guò)將如上所述形成有壓電前驅(qū)體膜721'的硅晶片110插入 到預(yù)定的擴(kuò)散爐中，并且在約700°C的高溫下燒結(jié)壓電前驅(qū)體膜721'來(lái) 使其結(jié)晶，從而形成了離下電極膜60A最近的第一壓電層721。接著，同時(shí)對(duì)下電極膜60A和第一壓電層721進(jìn)行圖案化。具體來(lái) 說(shuō)，首先，如圖12 (c)所示，通過(guò)在第一壓電層721上涂布抗蝕劑并使 用掩膜進(jìn)行曝光、顯影，從而形成預(yù)定圖形的抗蝕膜200。此處，抗蝕劑 例如通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)涂布法涂布負(fù)性抗蝕劑來(lái)形成，抗蝕膜200通過(guò)使用預(yù)定的掩膜進(jìn)行曝光、顯影、烘焙而形成。當(dāng)然，也可以用正性抗蝕劑代替 負(fù)性抗蝕劑。此外，在本實(shí)施方式中，抗蝕膜200的端面201以預(yù)定角度的傾斜而形成。該抗蝕膜200的端面傾斜角度隨著烘焙時(shí)間的加長(zhǎng)而減小。此外，通過(guò)過(guò)多地曝光也可以調(diào)整傾斜角度。并且，如圖13 (a)所示，經(jīng)由所述抗蝕膜，通過(guò)離子研磨對(duì)下電極 膜60A及第一壓電層721進(jìn)行圖案化。此時(shí)，這些下電極膜60A及第一壓 電層721沿抗蝕膜200的傾斜端面201被圖案化，從而這些端面成為與振 動(dòng)膜成預(yù)定角度傾斜的傾斜面。通過(guò)將下電極膜60A及第一壓電層721的 端面做成傾斜面，從而可以在第一壓電層721上以良好的膜質(zhì)形成其他壓 電層。接著，如圖13 (b)所示，在包含有第一壓電層721的硅晶片110的 整個(gè)表面上再次形成結(jié)晶種(層)65A之后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂布法等形成預(yù)定 厚度、在本實(shí)施方式中約為0.1ixm厚度的壓電前驅(qū)體膜722'。并且，通 過(guò)對(duì)此壓電前驅(qū)體膜722'進(jìn)行干燥、脫脂、燒結(jié)，形成第二壓電層 722。此外，成為此第二壓電層722的壓電前驅(qū)體膜722'的脫脂也和第一 壓電層721相同，最好使壓電前驅(qū)體膜722'的升溫率較低。由此，可以 在壓電前驅(qū)體膜722'上產(chǎn)生很多良好的結(jié)晶核。即，從與下電極膜60A 相對(duì)的區(qū)域到與絕緣膜55相對(duì)的區(qū)域可以得到大體均等地形成有很多結(jié) 晶核的第二壓電層722。接著，如圖13 (c)所示，在該第二壓電層722上形成有預(yù)定厚度、 在本實(shí)施方式中為0.2 "m厚度的壓電前驅(qū)體膜723，。由于一次涂布的 壓電前驅(qū)體膜的厚度約為O.lPm左右，所以在本實(shí)施方式中要通過(guò)兩次 涂布、干燥、脫脂來(lái)得到期望厚度的壓電前驅(qū)體膜723'。然后，燒結(jié)該 壓電前驅(qū)體膜723'并使其結(jié)晶，作為第三壓電層723。然后，通過(guò)多次 重復(fù)、在本實(shí)施方式中為四次重復(fù)如上所述的由兩次涂布、干燥、脫脂形 成壓電前驅(qū)體膜的工序和燒結(jié)該壓電前驅(qū)體膜的工序，從而形成第三 第 六壓電層723 726。由此，形成有由多層壓電層721 726組成的、厚度 約為1 Pm的壓電膜70A。此外，在對(duì)可形成這些第三 第六壓電層723 726的壓電前驅(qū)體膜 723' 726'進(jìn)行脫脂時(shí)，如上所述，最好使其升溫率較高，例如，在本 實(shí)施方式中，使得其升溫率比對(duì)作為第一及第二壓電層721、 722的壓電 前驅(qū)體膜721' 、 722'進(jìn)行脫脂時(shí)的升溫率高。然后，在形成所述壓電膜70A之后，如圖14 (a)所示，層積形成上 電極膜80，并在與各壓電產(chǎn)生室12相對(duì)的區(qū)域內(nèi)對(duì)壓電膜70A及上電極 膜80進(jìn)行圖案化，從而形成壓電元件300 (圖14 (b))。如上所述，在本實(shí)施方式中，在形成構(gòu)成壓電膜70A的第一及第二壓 電層721、 722時(shí)，要在較低的升溫率下對(duì)壓電前驅(qū)體膜721" 、 722'進(jìn) 行脫脂，并且在形成剩下的第三 第六壓電層723 726時(shí)，要在較高的 升溫率下對(duì)壓電前驅(qū)體膜723， 726'進(jìn)行脫脂。由此，第一及第二壓電 層721、 722會(huì)產(chǎn)生很多結(jié)晶核，從而大幅提高結(jié)晶的致密性、取向性。 此外，將第二壓電層722的結(jié)晶作為核，從而連續(xù)并良好地形成有剩下的 第三 第六壓電層723 726的結(jié)晶。因此，壓電膜70A的膜質(zhì)得到提 高，并且所有部分的膜質(zhì)大致均勻。從而，在向壓電元件300施加電壓 時(shí)，可以得到良好的位移特性，此外，可以得到即使施加較高的電壓也不 會(huì)破壞壓電膜70A的、具有優(yōu)良可靠性的壓電元件300。此外，在此之后，如圖15 (a)所示，在遍及硅晶片110的整個(gè)表面 上形成由金(Au)形成的金屬層之后，例如通過(guò)由抗蝕劑等形成的掩膜圖 形(圖中未示出)，按各壓電元件300的每一個(gè)對(duì)該金屬層進(jìn)行圖案化， 從而形成引導(dǎo)電極90。并且，如上所述進(jìn)行膜的形成之后，如圖15 (b) 所示，在硅晶片110上接合貯液池形成基板30A之后形成壓力產(chǎn)生室12 等。在本實(shí)施方式中，通過(guò)對(duì)硅晶片IIO進(jìn)行各向異性蝕刻，從而形成壓 力產(chǎn)生室12等。此后，在硅晶片110上粘合上述噴嘴板20及撓曲基板40 從而使其一體化，并通過(guò)將硅晶片IIO對(duì)應(yīng)每個(gè)如圖8所示的具有一個(gè)芯 片大小的流路形成基板IO進(jìn)行分割，從而形成噴墨式記錄頭。此外，在本實(shí)施方式中，在與并列設(shè)置的壓電產(chǎn)生室12對(duì)應(yīng)的區(qū)域 內(nèi)連續(xù)設(shè)置下電極膜60A，但并不僅限于此，例如，也可以將下電極膜形成梳齒形狀，從而在與各壓力產(chǎn)生室相對(duì)的區(qū)域內(nèi)的下電極膜在實(shí)質(zhì)上是 獨(dú)立的。(第三實(shí)施方式)圖16是第三實(shí)施方式中的噴墨式記錄頭的平面圖及剖面圖。 本實(shí)施方式是在壓電膜70A的端部附近的振動(dòng)膜上設(shè)置金屬層的例子，除了設(shè)置有金屬層之外，其他與第二實(shí)施方式相同。具體來(lái)說(shuō)，如圖16所示，在壓電膜70A的長(zhǎng)度方向的端部附近設(shè)置有金屬層61，所述金 屬層61由與下電極膜60A相同的層形成，但與下電極膜60A不導(dǎo)電。并 且，壓電膜70A分別延伸設(shè)置到這些金屬層61上的一部分。此外，在本實(shí)施方式中，設(shè)置在壓電膜70A的引導(dǎo)電極90 —側(cè)的端 部附近的金屬膜61A對(duì)應(yīng)每個(gè)壓電元件被分離設(shè)置，并且在該金屬層61A 上延伸設(shè)置有引導(dǎo)電極90。另一方面，設(shè)置在與引導(dǎo)電極90相反的一側(cè) 端部附近的金屬層61B在與多個(gè)壓電元件300相對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)被連續(xù)設(shè) 置。在這種構(gòu)成中，在燒結(jié)壓電前驅(qū)體膜時(shí)，可以大致均勻地加熱壓電前 驅(qū)體膜，從而可以形成具有均勻壓電特性的壓電膜70A。 g卩，由于由二氧 化鋯形成的絕緣膜55與下電極膜60A相比近紅外線的吸收率低，所以在 沒(méi)有形成下電極膜60A的區(qū)域中，燒結(jié)時(shí)的溫度上升緩慢。因此，有時(shí)在 與壓電膜70A的下電極膜60A相對(duì)應(yīng)的區(qū)域和這以外的區(qū)域之間，壓電特 性并不均勻。但是，在本實(shí)施方式中，由于在與壓電膜70A的兩個(gè)端部相 對(duì)應(yīng)的區(qū)域中設(shè)置了金屬層61A、 61B，所以在燒結(jié)時(shí)可以對(duì)壓電前驅(qū)體 膜均勻地進(jìn)行加熱，從而可以形成在整體上具有均勻壓電特性的壓電膜 70 A 。(其他實(shí)施方式)以上說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)并不僅限于上述內(nèi)容。例如，在上述的實(shí)施方式中，將噴墨式記錄頭作為一個(gè)例子進(jìn)行了說(shuō) 明，但本發(fā)明也適用于噴射各種各樣液體的噴頭，例如用于制造液晶顯示 器等的濾色器的顏料噴頭、用于形成有機(jī)EL顯示器或FED (面發(fā)光顯示器)等電極的電極材料噴頭、用于制造生物芯片的生體有機(jī)物噴頭等。此 外，當(dāng)然，本發(fā)明的壓電元件并不僅限于液體噴頭，只要是使用撓曲振動(dòng) 模式的致動(dòng)器的裝置，對(duì)所有裝置都適用。 工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，可提供一種可以得到理想的良好結(jié)晶性，并且可以提高 壓電特性的面內(nèi)均勻性的壓電元件的制造方法，并且可以提供一種提高了 所述均勻性的壓電元件。此外，可以得到一種即使被施加較高的電壓也不 會(huì)破壞壓電膜的具有優(yōu)良可靠性的壓電元件。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，具有下電極、在下電極上形成的壓電膜、在所述壓電膜上形成的上電極，其特征在于，所述壓電膜具有柱狀結(jié)晶，該柱狀結(jié)晶在所述上電極側(cè)的結(jié)晶粒徑比在所述下電極側(cè)大，所述壓電膜的規(guī)定面取向的取向度比其他面取向的取向度高。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，所述壓電膜的 (100)面的取向度比其他面的取向度高。
3. 如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，所述下電極被圖案化 為預(yù)定形狀，僅在所述下電極上形成構(gòu)成所述壓電膜的多層壓電層中的、 作為最下層的第一壓電層，使其他壓電層覆蓋所述下電極的端面及第一壓 電層的端面而形成，所述第一壓電層及在所述第一壓電層的緊鄰的上面形成的第二壓電層 構(gòu)成所述下層部分。
4. 如權(quán)利要求3所述的壓電元件，其特征在于，所述第一及第二壓電 層的各自的厚度都比其他壓電層各自的厚度薄。
5. 如權(quán)利要求3所述的壓電元件，其特征在于，所述下電極的端面及 所述第一壓電層的端面是傾斜面。
6. 如權(quán)利要求3所述的壓電元件，其特征在于，在所述壓電膜的長(zhǎng)度 方向的端部附近具有與所述下電極不電連接的金屬層。
7. —種液體噴頭，其特征在于，具有作為液體噴出驅(qū)動(dòng)源的、權(quán)利要 求1 6中任一項(xiàng)的壓電元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓電元件及使用該壓電元件的液體噴頭，其中所述壓電元件可以得到良好的結(jié)晶性，并可提高其均勻性，此外，可以防止壓電膜的破壞，從而可以得到穩(wěn)定的位移特性。本發(fā)明的壓電元件具有下電極、在下電極上形成的壓電膜、在所述壓電膜上形成的上電極，其特征在于，所述壓電膜具有柱狀結(jié)晶，該柱狀結(jié)晶在所述上電極側(cè)的結(jié)晶粒徑比在所述下電極側(cè)大，所述壓電膜的規(guī)定面取向的取向度比其他面取向的取向度高。
文檔編號(hào)H01L41/187GK101246948SQ200810007370
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者村井正己 申請(qǐng)人:精工愛(ài)普生株式會(huì)社