專利名稱：制造致動器裝置的方法以及液體噴射設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造致動器裝置的方法以及使用該致動器裝置噴射液滴的液體噴射設(shè)備，該致動器裝置通過用振動板構(gòu)成壓力產(chǎn)生腔的一部分，在此振動板之上形成具有壓電層的壓電元件并通過壓電元件的位移來使振動板變形。
背景技術(shù)：
一種包括被構(gòu)造成通過施加電壓來產(chǎn)生位移的壓電元件在內(nèi)的致動器裝置被用作安裝在例如用于噴射液滴的液體噴射設(shè)備上的液體噴頭的液體噴射裝置。對于上述液體噴射設(shè)備，已知一種包括噴墨記錄頭的噴墨記錄裝置，該噴墨記錄頭被構(gòu)造為通過使用振動板構(gòu)成與噴嘴孔連通的壓力產(chǎn)生腔的一部分，通過用壓電元件使此振動板變形來對壓力產(chǎn)生腔中的墨水施壓，從而從噴嘴孔噴射出墨滴。
兩種噴墨記錄頭被投入實用，一種安裝有構(gòu)造成在壓電元件的軸向上伸長和收縮的縱向振動模式致動器裝置，一種安裝有彎曲振動模式的致動器裝置。而且，作為應(yīng)用彎曲振動模式的致動器裝置的那一種，例如有一種被構(gòu)造成按照成膜技術(shù)在振動板的整個表面形成均勻壓電膜，并按照光刻方法通過將此壓電層切割成與壓力產(chǎn)生腔相對應(yīng)的形狀而獨立于各個壓力產(chǎn)生腔來形成壓電元件。
作為構(gòu)造這種壓電元件的壓電材料層的材料，例如使用鋯鈦酸鉛(PZT)。在此情況下，當(dāng)焙燒該壓電材料層時，壓電材料層的鉛成分擴散到二氧化硅(SiO2)膜中，該二氧化硅膜設(shè)置在由硅(Si)制成的通道形成襯底的表面上用于構(gòu)成振動板。所以，有這樣的問題，即二氧化硅的熔點由于該鉛成分的擴散而降低，并且二氧化硅由于在焙燒壓電材料層時的熱而熔化。為了解決該問題，例如有這樣的技術(shù)，其在二氧化硅膜上構(gòu)成振動板，提供具有預(yù)定厚度的氧化鋯膜，在此氧化鋯層上提供壓電材料層，從而防止來自壓電材料層的鉛成分擴散到二氧化硅膜中(例如參見專利文獻1)。
該氧化鋯膜例如通過按照濺射方法形成鋯膜并隨后使此鋯層受到熱氧化而形成。因此，會存在出現(xiàn)缺陷的問題，例如由于使鋯膜受到熱氧化時所產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致在二氧化鋯膜上出現(xiàn)裂紋。同時，如果在通道形成襯底與氧化鋯膜之間存在大的應(yīng)力差，則還會出現(xiàn)這樣的問題，即例如由于通道形成襯底的變形等而在通道形成襯底上形成壓力產(chǎn)生腔之后使鋯膜脫落。
專利文獻1日本未審查專利公布No.11(1999)-204849(圖1、圖2、第5頁)。

發(fā)明內(nèi)容
解決上述問題的本發(fā)明第一方面是一種制造致動器裝置的方法，包括以下步驟在襯底的一個表面上形成振動板；以及在所述振動板上形成具有下電極、壓電層和上電極的壓電元件。在此，所述形成振動板的步驟至少包括絕緣膜形成步驟，即通過按照濺射方法在所述襯底的所述一個表面?zhèn)戎闲纬射唽?，并將形成有所述鋯層的所述襯底以大于或等于200mm/min的速度插入加熱到大于或等于700℃的溫度的熱氧化爐而使所述鋯層熱氧化，來形成由氧化鋯制成的絕緣膜。
根據(jù)第一方面，可以提高絕緣膜的粘附力并可以防止出現(xiàn)絕緣膜剝離等。
本發(fā)明的第二方面是根據(jù)第一方面的制造致動器裝置的方法，其中，加熱所述熱氧化爐的所述溫度被設(shè)定在從850℃到1000℃的范圍中。
根據(jù)第二方面，可以通過設(shè)定相對較高的溫度來加熱熱氧化爐來抑制絕緣膜應(yīng)力的增大，由此防止由應(yīng)力導(dǎo)致在絕緣膜上出現(xiàn)裂紋。
本發(fā)明的第三方面是根據(jù)第一或第二方面的制造致動器裝置的方法，其中，在將所述襯底插入所述熱氧化爐中時所述鋯層的溫度升高速率被設(shè)成大于或等于300℃/min。
根據(jù)第三方面，可以通過對鋯層設(shè)定相對較快的溫度升高速率來更可靠地抑制絕緣膜應(yīng)力的增大，并可以增大絕緣膜的密度。
本發(fā)明的第四方面是根據(jù)第三方面的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的密度被設(shè)成大于或等于5.0g/cm3。
根據(jù)第四方面，絕緣膜形成為致密膜。因此，可以有效抑制壓電層的鉛(Pb)成分擴散到彈性膜中。
本發(fā)明的第五方面是根據(jù)第一至第四方面中任一項的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的膜厚被設(shè)成大于或等于40nm。
根據(jù)第五方面，可以可靠抑制壓電層的鉛(Pb)成分擴散到彈性膜中。
本發(fā)明的第六方面是一種制造致動器裝置的方法，包括以下步驟在襯底的一個表面上形成振動板；以及在所述振動板上形成具有下電極、壓電層和上電極的壓電元件。在此，所述形成振動板的步驟至少包括以下步驟通過在所述襯底的所述一個表面?zhèn)戎闲纬射唽?，并在以預(yù)定溫度升高速率將所述鋯層加熱到預(yù)定溫度的同時使所述鋯層熱氧化，而形成由氧化鋯制成的絕緣膜；以及通過在小于或等于所述鋯層的熱氧化中的最高溫度的溫度下使所述絕緣膜退火來調(diào)節(jié)所述絕緣膜的應(yīng)力。
根據(jù)第六方面，提高了構(gòu)成振動板的絕緣膜的粘附力。而且，還可以抑制同一晶片中絕緣膜粘附力的不均勻性，并可以制造具有均勻壓電元件位移特性的致動器裝置。
本發(fā)明的第七方面是根據(jù)第六方面的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的所述溫度升高速率被設(shè)成大于或等于5℃/sec。
根據(jù)第七方面，可以進一步提高絕緣膜的粘附力。而且，因為絕緣膜的密度增大，所以可以抑制壓電層的鉛(Pb)成分擴散到彈性膜中。
本發(fā)明的第八方面是根據(jù)第七方面的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的所述溫度升高速率被設(shè)成大于或等于50℃/sec。
根據(jù)第八方面，通過將溫度升高速率設(shè)成大于或等于預(yù)定值而使絕緣膜形成為更致密的膜，并且可靠提高了絕緣膜的粘附力。
本發(fā)明的第九方面是根據(jù)第八方面的制造致動器裝置的方法，其中，在所述鋯層熱氧化時通過RTA方法來加熱所述鋯層。
根據(jù)第九方面，可以通過使用RTA方法在所期望的溫度升高速率下加熱鋯層。
本發(fā)明的第十方面是根據(jù)第七至第九方面中任一項的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的密度被設(shè)成大于或等于5.0g/cm3。
根據(jù)第十方面，絕緣膜形成為致密膜。因此，可以有效抑制壓電層的鉛(Pb)成分擴散到彈性膜中。
本發(fā)明的第十一方面是根據(jù)第十方面的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的膜厚被設(shè)成大于或等于40nm。
根據(jù)第十一方面，可以可靠抑制壓電層的鉛(Pb)成分擴散到彈性膜中。
本發(fā)明的第十二方面是根據(jù)第六至第十一方面中任一項的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的溫度被設(shè)定在從800℃到1000℃的范圍中。
根據(jù)第十二方面，可以有利地使鋯層熱氧化，并可以更加可靠地提高絕緣膜的粘附力。
本發(fā)明的第十三方面是根據(jù)十二方面的制造致動器裝置的方法，其中，所述絕緣膜退火時的溫度被設(shè)定在從800℃到900℃的范圍中。
根據(jù)第十三方面，可以在不減小粘附力的情況下調(diào)節(jié)絕緣膜的應(yīng)力。
本發(fā)明的第十四方面是根據(jù)第十三方面的制造致動器裝置的方法，其中，所述絕緣膜的退火時間段被調(diào)節(jié)在從0.5小時到2小時的范圍中。
根據(jù)第十四方面，可以在不減小粘附力的情況下可靠調(diào)節(jié)絕緣膜的應(yīng)力。
本發(fā)明的第十五方面是根據(jù)第一至第十四方面中任一項的制造致動器裝置的方法，其中所述形成振動板的步驟包括在由單晶硅襯底制成的所述襯底的所述一個表面之上形成由二氧化硅(SiO2)制成的彈性膜的步驟。在此，所述絕緣膜形成在所述彈性膜之上。
根據(jù)第十五方面，即使當(dāng)絕緣膜下方的膜是由二氧化硅制成的彈性膜時，也提高了粘附力。
本發(fā)明的第十六方面是根據(jù)第一至第十五方面中任一項的制造致動器裝置的方法，其中，所述形成壓電元件的步驟至少包括在所述振動板之上形成由鋯鈦酸鉛(PZT)制成的壓電層的步驟。
根據(jù)第十六方面，可以防止壓電層的鉛成分擴散到振動板中，由此可以有利地形成振動板和壓電元件。
本發(fā)明的第十七方面是一種液體噴射設(shè)備，其包括液體噴頭，所述液體噴頭應(yīng)用根據(jù)第一至第十六方面中任一項的方法制造的致動器裝置作為液體噴射裝置。
根據(jù)第十七方面，可以提高振動板的耐久性，并可以提高通過壓電元件的驅(qū)動的振動板的位移量。因此可以實現(xiàn)具有提高的液滴噴射特性的液體噴射設(shè)備。


圖1是根據(jù)實施例1的記錄頭的分解立體圖。
圖2(a)是根據(jù)實施例1的記錄頭的俯視圖，圖2(b)是其剖視圖。
圖3(a)至3(d)是示出根據(jù)實施例1的記錄頭的制造工藝的剖視圖。
圖4(a)至4(d)是示出根據(jù)實施例1的記錄頭的制造工藝的剖視圖。
圖5(a)和5(b)是示出根據(jù)實施例1的記錄頭的制造工藝的剖視圖。
圖6是制造工藝中所使用的擴散爐的示意圖。
圖7是示出舟加載速度與粘附力之間關(guān)系的曲線圖。
圖8是示出熱氧化溫度與應(yīng)力之間關(guān)系的曲線圖。
圖9是示出舟加載速度與應(yīng)力之間關(guān)系的曲線圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例的記錄裝置的示意圖。
圖11是用于解釋粘附力測量位置的視圖。
圖12是示出溫度升高速率與粘附力之間關(guān)系的曲線圖。
圖13(a)至13(c)是示出絕緣膜橫截面的SEM圖像。
圖14是示出退火經(jīng)過時間與絕緣膜應(yīng)力之間關(guān)系的曲線圖。
圖15是示出根據(jù)對比示例的絕緣膜的粘附力的非均勻性的曲線圖。
圖16是示出根據(jù)示例的絕緣膜的粘附力的非均勻性的曲線圖。
標(biāo)號說明10通道形成襯底12壓力產(chǎn)生腔20噴嘴板21噴嘴孔30保護板31壓電元件保持部分32儲液室部分40柔性板50彈性膜55絕緣膜60下電極膜70壓電層80上電極膜100儲液室110通道形成襯底晶片300壓電元件具體實施方式

下面將通過實施例詳細描述本發(fā)明。
(實施例1)圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例1的噴墨記錄頭的分解立體圖。圖2(a)和圖2(b)是圖1的俯視圖和剖視圖。如這些圖中所示，在本實施例中通道形成襯底10由具有(110)面取向的單晶硅襯底制成，并且在通道形成襯底10的一個表面上形成厚度為0.5μm到2μm的彈性膜50，該彈性膜50由預(yù)先通過熱氧化單晶硅襯底而形成的二氧化硅構(gòu)成。在通道形成襯底10上，沿其寬度方向排列多個壓力產(chǎn)生腔12。而且，連通部分13形成在通道形成襯底10的壓力產(chǎn)生腔12的縱向外側(cè)區(qū)域中，并且連通部分13通過為各個壓力產(chǎn)生腔12設(shè)置的墨水供應(yīng)通路14而與各個壓力產(chǎn)生腔12連通。在此，連通部分13構(gòu)成儲液室的一部分，該儲液室與后述保護板的儲液室部分連通并形成對于各個壓力產(chǎn)生腔12的公共墨水腔。墨水供應(yīng)通路14以比壓力產(chǎn)生腔12更窄的寬度形成，并使墨水從連通部分13流入壓力產(chǎn)生腔12中的通道阻力保持恒定。
同時，通過粘接劑、熱熔膜等將噴嘴板20固定到通道形成襯底10的開口表面?zhèn)?，在噴嘴?0上鉆有用于與各個壓力產(chǎn)生腔12的墨水供應(yīng)通路14相反側(cè)的端部附近連通的噴嘴孔21。在此，噴嘴板20例如由厚度在從0.01mm至1mm范圍內(nèi)且線性膨脹系數(shù)在低于或等于300℃的溫度下從2.5至4.5×[10-6/℃]范圍內(nèi)的玻璃陶瓷、單晶硅襯底、不銹鋼等制成。
同時，如前所述，在此通道形成襯底10與開口表面相反的一側(cè)上形成厚度例如約為1.0μm且由二氧化硅(SiO2)制成的彈性膜50，并且在此彈性膜50上形成厚度例如約為0.4μm且由氧化鋯(ZrO2)制成的絕緣膜55。而且，在此絕緣膜55上通過后面將描述的工藝按層疊形式形成厚度例如約為0.2μm的下電極膜60、厚度例如約為1.0μm的壓電層70和厚度例如約為0.05μm的上電極膜80，從而構(gòu)成壓電元件300。在此，壓電元件300指的是包括下電極膜60、壓電層70和上電極膜80的部分。一般而言，壓電元件300的電極之一被用作公共電極；同時，對各個壓力產(chǎn)生腔12圖案化另一電極和壓電層70。而且，包括這樣圖案化的一個電極和壓電層70的并且被構(gòu)造成通過對這兩個電極施加電壓來產(chǎn)生壓電應(yīng)變的部分在此被稱為壓電活性部分。在此實施例中，下電極膜60用作對于壓電元件300的公共電極，而上電極膜80用作壓電元件300的單個電極。但是，按照驅(qū)動電路和布線的需要可以顛倒該構(gòu)造。在任一情況下，將對各個壓力產(chǎn)生腔形成壓電活性部分。而且，壓電元件300和通過壓電元件300的驅(qū)動而產(chǎn)生位移的振動板在此被一起稱為壓電致動器。注意例如由金(Au)制成的引線電極90被連接到上述各個壓電元件300的上電極膜80，并且通過這些引線電極90對各個壓電元件300有選擇地施加電壓。
同時，在壓電元件300這一側(cè)上，具有壓電元件保持部分31的保護板30被接合到通道形成襯底10，該壓電元件保持部分31能夠在與壓電元件300相對的區(qū)域中確保足夠的空間以不妨礙壓電元件300的移動。壓電元件300形成在壓電元件保持部分31內(nèi)，因此壓電元件300在幾乎不受外部環(huán)境影響的狀態(tài)下被保護。此外，保護板30在與通道形成襯底10的連通部分13相對應(yīng)的區(qū)域中設(shè)有儲液室部分32。在本實施例中，該儲液室部分32在厚度方向上穿透保護板30的同時沿著壓力產(chǎn)生腔12的排列方向設(shè)置，并且儲液室部分32與通道形成襯底10的連通部分13連通以由此構(gòu)成儲液室100，所述儲液室100如上所述形成為各個壓力產(chǎn)生腔12的公共墨水腔。
同時，在保護板30位于壓電元件保持部分31和儲液室部分32之間的區(qū)域中，設(shè)置在厚度方向上穿透保護板30的通孔33。下電極膜60的一部分和引線電極90的尖端部分在此通孔33中露出。盡管未在圖中示出，但是從驅(qū)動IC延伸出的連接線的一端連接到下電極膜60和引線電極90。
在此，保護板30的材料例如可以包括玻璃、陶瓷材料、金屬、樹脂等。但是，優(yōu)選地用具有與通道形成襯底10的材料基本相同的熱膨脹系數(shù)的材料形成保護板30。在本實施例中，用作為與通道形成襯底10相同材料的單晶硅襯底形成保護板30。
而且，包括密封膜41和固定板42的柔性板40被接合到保護板30。密封膜41由低剛度的柔性材料(例如，厚度為6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)形成，并且用此密封膜41密封儲液室部分32的一個表面。同時，固定板42由諸如金屬的硬材料(例如，厚度為30μm的不銹鋼(SUS))形成。此固定板42與儲液室110相對的區(qū)域在厚度方向上被完全去除，并形成為開口部分43。所以，儲液室110的一個表面僅僅由具有柔性的密封膜41來密封。
在本實施例的上述噴墨記錄頭中，墨水從未示出的外部墨水供應(yīng)裝置裝載。在從儲液室100延伸到噴嘴孔21的內(nèi)部填充墨水之后，根據(jù)來自未示出的驅(qū)動IC的記錄信號，在對應(yīng)于各個壓力產(chǎn)生腔12的上電極膜80和下電極膜60之間施加電壓，以使彈性膜50、絕緣膜55、下電極膜60和壓電層70發(fā)生彎曲變形，由此各個壓力產(chǎn)生腔12內(nèi)的壓力增大并且墨滴從噴嘴孔21噴出。
在此，將參考圖3(a)至5(b)說明制造上述噴墨記錄頭的方法。注意圖3(a)至5(b)是沿縱向所取的壓力產(chǎn)生腔12的剖視圖。首先，如圖3(a)所示，作為硅晶片的通道形成襯底晶片110在擴散爐中約1100℃下被熱氧化，并在其表面上形成構(gòu)成彈性膜50的二氧化硅膜51。此處在本實施例中，使用具有約625μm的相對較大膜厚的高剛度硅晶片作為通道形成襯底晶片110。
接著，如圖3(b)所示，在彈性膜50(二氧化硅膜51)上形成由氧化鋯制成的絕緣膜55。更具體而言，按照例如DC濺射方法在彈性膜50上形成預(yù)定厚度(在本實施例中等于約300nm)的鋯層。然后，將形成有鋯層的通道形成襯底晶片110以大于或等于200mm/min的速度插入被加熱到高于或等于700℃的熱擴散爐中，以使鋯層受到熱氧化，由此形成由氧化鋯制成的絕緣膜55。
如圖6所示，用于熱氧化鋯層的擴散爐200例如包括芯管203和布置在芯管203外側(cè)的加熱器204，該芯管203在一端側(cè)上具有頸部201并在另一端上具有用于反應(yīng)氣體的引入端口202。頸部201可以由閘板205打開和關(guān)閉。而且在本實施例中，多片形成有鋯層的通道形成襯底晶片110被固定到作為固定構(gòu)件的舟206，然后此舟206以大于或等于200mm/min的速度插入被加熱到約900℃的擴散爐200中，然后在關(guān)閉閘板205的同時使鋯層熱氧化約一個小時，以形成絕緣膜55。
該舟206的插入速度(下面稱為舟加載速度)至少需要快于200mm/min，但優(yōu)選地設(shè)成大于或等于500mm/min。同時，在將通道形成襯底晶片110插入擴散爐200中時鋯層的溫度升高速率優(yōu)選地設(shè)成大于或等于300℃/min。因此，優(yōu)選地響應(yīng)于擴散爐200的加熱溫度恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整舟加載速度，以建立此溫度升高速率。
如上所述形成有鋯層的通道形成襯底晶片110以快于200mm/min的舟加載速度插入被加熱到大于或等于700℃的擴散爐200中，以使鋯層熱氧化。因此，可以將絕緣膜55形成為致密膜，并可以防止絕緣膜55上出現(xiàn)裂紋。而且，因為絕緣膜55的粘附性增強了，所以即使在通過壓電元件300的驅(qū)動而反復(fù)變形的情況下也可以防止絕緣膜55的剝離。
在此，通過在將擴散爐200保持在約900℃的恒定溫度下的同時在從20mm/min到1500mm/min的范圍中改變舟加載速度來形成氧化鋯層(絕緣膜)，并通過在這些氧化鋯層上進行刮擦測試來檢查粘附力。結(jié)果在圖7中示出。如圖7所示，氧化鋯層(絕緣膜)的粘附力隨著舟加載速度的增大而增大。當(dāng)舟加載速度大于200mm/min時，獲得至少大于或等于150mN的粘附力。從此結(jié)果明顯可見，優(yōu)選地將舟加載速度設(shè)成盡可能快，以獲得絕緣膜55的粘附力。但是，如果舟加載速度大于200mm/min，則可以形成具有足夠粘附力的絕緣膜55。
同時，擴散爐200的加熱溫度并不具體受限，只要該溫度設(shè)成大于或等于700℃。但是，優(yōu)選將該溫度設(shè)在從850℃到1000℃的范圍中。通過將擴散爐200的加熱溫度設(shè)在此溫度范圍中，絕緣膜55的應(yīng)力變成弱的張應(yīng)力，更具體而言變成在從約-100MPa到-250MPa范圍中的應(yīng)力，該應(yīng)力與諸如彈性膜50之類的其他膜的應(yīng)力平衡。所以，可以防止可歸因于絕緣膜55應(yīng)力的裂紋出現(xiàn)、絕緣膜55的剝離等。
在此，研究當(dāng)形成鋯層(其在不同濺射溫度下形成)時不同熱氧化溫度下氧化鋯層(絕緣膜)的應(yīng)力的變化。結(jié)果在圖8中示出。注意在此情況下的舟加載速度穩(wěn)定為500mm/min。如圖8所示，當(dāng)熱氧化溫度被設(shè)成900℃時，氧化鋯層的應(yīng)力在-200MPa附近，與形成鋯層時的濺射溫度無關(guān)。相反，當(dāng)熱氧化溫度被設(shè)成約800℃時，與將熱氧化溫度設(shè)成900℃的情況相比，氧化鋯層的應(yīng)力在四分之一(約-50MPa)附近。
如上所述，氧化鋯層(絕緣膜)的應(yīng)力也稍稍受到濺射溫度的影響，但是主要根據(jù)熱氧化溫度而變化。就是說，當(dāng)熱氧化溫度設(shè)得越高，則張應(yīng)力趨向于變得越大。而且，當(dāng)熱氧化溫度(擴散爐的溫度)被設(shè)定在從約850℃到1000℃的范圍中時，絕緣膜55的應(yīng)力被設(shè)定到從約-100MPa到-250MPa的范圍中。
在此，熱氧化溫度(擴散爐的溫度)穩(wěn)定在900℃，并且進一步研究在改變舟加載速度時氧化鋯層(絕緣膜)的應(yīng)力。結(jié)果在圖9中示出。如圖9所示，顯然氧化鋯層的張應(yīng)力趨向于隨著舟加載速度的增大而變得更小。而且，通過將舟加載速度設(shè)成快于200mm/min，氧化鋯膜(絕緣膜)的應(yīng)力變得大于-250MPa，換言之，氧化鋯層的張應(yīng)力變得小于250MPa。
如上所述，通過將擴散爐200的溫度設(shè)定在從約850℃到1000℃的范圍中并將舟加載速度設(shè)成快于約200mm/min，可以將絕緣膜55形成為致密的高粘附性膜。此外，絕緣膜55的應(yīng)力被設(shè)定在從約-100MPa到-250MPa的范圍中，并與其他膜的應(yīng)力平衡。所以，可以防止由于應(yīng)力而導(dǎo)致的在絕緣膜55上出現(xiàn)的裂紋，或者當(dāng)形成絕緣膜55時或當(dāng)在后述工藝中形成壓力產(chǎn)生腔12時絕緣膜55的剝離等等。
在此，在形成上述絕緣膜55之后，通過如圖3(c)所示在絕緣膜55上層疊例如鉑和銥來形成下電極膜60，然后將此下電極膜60圖案化成預(yù)定形狀。隨后，如圖3(d)所示，由例如鋯鈦酸鉛(PZT)制成的壓電層70和由例如銥制成的上電極膜80被形成在通道形成襯底晶片110的整個表面上。在此，在本實施例的情形中，利用所謂的溶膠凝膠法形成由鋯鈦酸鉛(PZT)制成的壓電層70，該溶膠凝膠法構(gòu)造成這樣來得到由金屬氧化物制成的壓電層70，即通過涂覆和干燥將所謂的溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠，其中溶膠包括溶解和分散在溶劑中的金屬有機物質(zhì)，并隨后在高溫下焙燒所述凝膠。在此，當(dāng)壓電層70如上所述形成時，有壓電層70的鉛成分在焙燒時分散到彈性膜50中的危險。但是，因為由氧化鋯制成的絕緣膜55設(shè)置在壓電層70下方，所以可以防止壓電層70的鉛成分分散到彈性膜50中。
在此，作為壓電層70的材料，還可以使用通過將諸如鈮、鎳、鎂、鉍或鐿之類的金屬加入到例如鋯鈦酸鉛(PZT)的鐵電壓電材料中而形成的馳豫壓電體。盡管可以考慮到壓電元件的特性、應(yīng)用等來恰當(dāng)選擇成分，但成分可以是例如PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PNN-PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)、Pb(Sc1/3Ta2/3)O3-PbTiO3(PST-PT)、Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PSN-PT)、BiScO3-PbTiO3(BS-PT)和BiYbO3-PbTiO3(BY-PT)等。同時，制造壓電層70的方法不限于溶膠凝膠法，還可以使用例如MOD(金屬有機物分解)法。
隨后，如圖4(a)所示，將壓電層70和上電極膜80圖案化成面對各個壓力產(chǎn)生腔12的區(qū)域，由此形成壓電元件300。接著，形成引線電極90。更具體地，如圖4(b)所示，在通道形成襯底晶片110的整個表面上形成由例如金(Au)等制成的金屬層91。此后，例如通過由光刻膠等制成的掩模圖案(未示出)對各個壓電元件300圖案化金屬層91，來形成引線電極90。
接著，如圖4(c)所示，在壓電元件300這一側(cè)上，將作為構(gòu)成多個保護板30的硅晶片的保護板晶片130接合到通道形成襯底晶片110。在此，此保護板晶片130具有例如約400μm的厚度。所以，通過接合保護板晶片130大大提高了通道形成襯底晶片110的剛度。
隨后，如圖4(d)所示，將通道形成襯底晶片110拋光到某一厚度，并接著通過氟硝酸濕法刻蝕將通道形成襯底晶片110進一步形成為預(yù)定厚度。例如在本實施例中，通道形成襯底晶片110經(jīng)過刻蝕工藝而實現(xiàn)約70μm的厚度。隨后，如圖5(a)所示，由例如氮化硅(SiN)制成的掩模膜52被新形成在通道形成襯底晶片110上，并且被圖案化成預(yù)定形狀。然后，通過此掩模膜52對通道形成襯底晶片110進行各向異性刻蝕，在通道形成襯底晶片110中形成壓力產(chǎn)生腔12、連通部分13和墨水供應(yīng)通路14等，如圖5(b)所示。
此后，例如通過劃片切割并去除通道形成襯底晶片110和保護板晶片130的外周上的多余部分。然后，其上鉆有噴嘴孔21的噴嘴板20被接合到通道形成襯底晶片110與保護板晶片130相反的一側(cè)，并且柔性板40被接合到保護板晶片130。然后，將通道形成襯底晶片110等分割成如圖1所示的一個芯片大小的通道形成襯底10，由此形成本實施例的噴墨記錄頭。
在此，按照上述制造方法制造的噴墨記錄頭構(gòu)成包括與墨盒等連通的墨水通道在內(nèi)的記錄頭單元的一部分，并安裝在噴墨記錄裝置上。圖10是示出噴墨記錄裝置示例的示意圖。如圖10所示，構(gòu)成墨水供應(yīng)裝置的盒2A和2B被可拆卸地設(shè)置到包括噴墨記錄頭在內(nèi)的記錄頭單元1A和1B。安裝這些記錄頭單元1A和1B的滑架3設(shè)置到滑架軸5(其安裝到裝置主體4)以在軸向上可移動。例如，這些記錄頭單元1A和1B構(gòu)造成分別噴射黑色墨水組合物和彩色墨水組合物。而且，當(dāng)驅(qū)動電機6的驅(qū)動力通過未示出的多個齒輪和同步帶7被傳遞到滑架3時，安裝著記錄頭單元1A和1B的滑架3沿著滑架軸5移動。同時，裝置主體4沿著滑架軸5設(shè)有滾筒8，并且作為記錄介質(zhì)的記錄片材S在滾筒8上傳送，記錄片材S由紙等制成并通過未示出的供紙輥供入。
(實施例2)本實施例是噴墨記錄頭或具體而言致動器裝置的制造方法的另一示例。具體地，盡管本實施例中也以與實施例1(參見圖3(a)至圖5(b))相同的過程制造噴墨記錄頭，但制造絕緣膜55的方法是不同的?，F(xiàn)在，下面將描述根據(jù)本實施例制造絕緣膜55的方法。
更具體而言，首先，類似于上述實施例，按照例如DC濺射方法在彈性膜50上形成厚度約300nm的鋯層。此后，在本實施例中，通過用例如RTA設(shè)備將形成有此鋯層的通道形成襯底晶片110以預(yù)定溫度升高速率加熱到預(yù)定溫度，而形成絕緣膜55。
優(yōu)選將如上所述使鋯層熱氧化的溫度升高速率設(shè)成大于或等于5℃/sec。特別地，理想的是設(shè)定大于或等于50℃/sec的相對較快速率。而且，優(yōu)選通過如上所述設(shè)定相對較快的溫度升高速率來將由氧化鋯制成的絕緣膜55的密度設(shè)成等于5g/cm3。在此，盡管加熱鋯層的方法并不特別受限，但優(yōu)選如同本實施例中這樣使用RTA(快速熱退火)方法。這樣，可以設(shè)定相對較快的溫度升高速率。同時，優(yōu)選將鋯層熱氧化時的溫度設(shè)定在從800℃到1000℃的范圍中。在本實施例中，溫度被設(shè)定為約900℃。
如上所述，通過以相對較快的溫度升高速率加熱和氧化鋯層，可以將絕緣膜55形成為致密膜，從而防止在絕緣膜55上出現(xiàn)裂紋。更具體而言，可以通過將絕緣膜55的密度設(shè)成大于或等于5g/cm3，可以可靠地防止在絕緣膜55上出現(xiàn)裂紋。而且，絕緣膜55如上所述形成為致密膜的事實還得到這樣的效果，即防止了由PZT制成的壓電層70的鉛成分通過此絕緣膜55擴散到形成在通道形成襯底晶片110的表面上的彈性膜中。
在此，在下表1所示改變氧化鋯層時溫度升高速率的同時形成絕緣膜，并且通過在不形成下電極膜的情況下在這些絕緣層上直接形成由PZT制成的壓電層來制造多個樣品1至5。然后，針對這些樣品1至5，研究絕緣膜的密度和壓電層的Pb成分擴散到彈性膜(通道形成襯底晶片)中的深度。結(jié)果也在下表1中示出。
表1

如上表1所示，絕緣膜的密度與鋯層的氧化溫度升高速率成比例地變得更高。而且可以確定，當(dāng)絕緣膜的密度超過5g/cm3時，即當(dāng)氧化溫度升高的速率超過約5℃/sec時，絕緣膜的密度增大停止，并且即使在溫度升高的速率被設(shè)定成更快時，絕緣膜的密度也幾乎保持不變。例如，即使在將溫度升高的速率設(shè)成約150℃/sec時，絕緣膜的密度也將幾乎等于樣品5的值。同時，如表1所示，可以確定Pb的擴散深度隨著絕緣膜密度的增大而減小。
而且，從此結(jié)果明顯可見，可以通過將鋯層氧化時的溫度升高速率設(shè)成大于或等于5℃/sec或優(yōu)選地等于50℃/sec，而將Pb成分進入彈性膜(通道形成襯底晶片)的擴散調(diào)節(jié)為恒定量，以如本實施例中的那樣將絕緣膜的密度控制為等于或大于5g/cm3。此外，可以通過將絕緣膜的厚度設(shè)定成等于或大于40nm來可靠地防止Pb成分擴散進入彈性膜(通道形成襯底晶片)。
此外，通過如同本實施例中這樣以相對較快的溫度升高速率加熱鋯層實現(xiàn)熱氧化，來提高絕緣膜55和彈性膜50之間的粘附力。所以還有以下效果，即，即使在通過壓電元件300的驅(qū)動進行反復(fù)變形的情況下也可以防止絕緣膜55的剝離。
在此，對于不同的溫度升高速率研究絕緣膜的粘附力。更具體而言，通過在彈性膜上形成鋯層，將除溫度升高速率之外的條件設(shè)成不變，以及在將溫度升高速率設(shè)成15、50、100和150℃/sec的同時使鋯層熱氧化，來形成樣品6至9的絕緣膜(氧化鋯層)。然后，對這些樣品中每個的絕緣膜進行刮擦測試。在此如圖11所示，在將通道形成襯底晶片110的中心定義為參考點P0的同時對沿與定向平坦平面110a垂直的方向的y軸上的三個點進行刮擦測試，或更具體而言，分別對通道形成襯底晶片110的中心點P0、在y軸正向上離中心點60mm的位置P1以及在y軸負向上離中心點60mm的位置P2進行刮擦測試。結(jié)果在圖12中示出。如圖12所示，采用15℃/sec的溫度升高速率的樣品6的絕緣膜具有100mN左右的粘附力。同時，從采用50℃/sec的溫度升高速率的樣品7的絕緣膜得到200mN左右的粘附力，并且從采用大于或等于100℃/sec的溫度升高速率的樣品8和樣品9的絕緣膜得到300mN左右的極其有利的粘附力。如上所述，在將鋯層熱氧化時的溫度升高速率設(shè)定得越快時，絕緣膜對彈性膜的粘附力增大得越多。更具體而言，通過將溫度升高速率設(shè)成大于或等于50℃/sec或者更具體地大于或等于100℃/sec，可以獲得足夠的粘附力。
而且在此，在圖13(a)至13(c)中示出樣品10至12的絕緣膜55的橫截面SEM圖像，這些樣品通過在將除溫度升高速率之外的條件設(shè)成不變以及將溫度升高速率設(shè)成4、19和150℃/sec的同時使鋯層熱氧化而得到。如圖13(a)和13(b)所示，當(dāng)如同樣品10和11的絕緣膜55中那樣將溫度升高速率設(shè)成相對較低時，在絕緣膜55與彈性膜50之間的界面上形成由玻璃態(tài)物質(zhì)制成的低密度層。注意在絕緣膜55與彈性膜50之間的界面上觀察到的黑色部分是低密度層。在樣品10中，如圖中的箭頭所示，確定了明顯存在低密度層。而且，當(dāng)存在此低密度層時，減小了絕緣膜55對彈性膜50的粘附力。相反，在采用150℃/sec的相對較高溫度升高速率的樣品12的SEM圖像中，如圖13(c)所示完全無法確定有低密度層。
從這些結(jié)果明顯可見，為了獲得絕緣膜55的粘附力，優(yōu)選通過將鋯層熱氧化時的溫度升高速率設(shè)成相對較快，或更具體而言將速率設(shè)成大于或等于50℃/sec，來避免絕緣膜55與彈性膜50之間的界面上低密度層的存在。
而且，在本發(fā)明的制造方法中，如此形成的絕緣膜55在預(yù)定溫度下進一步進行退火以調(diào)節(jié)絕緣膜55的應(yīng)力。更具體而言，通過在小于或等于上述鋯層熱氧化時的最大溫度的溫度下(例如在小于或等于900℃的溫度下)使絕緣膜55退火，并改變在此情況下諸如溫度或時間段之類的條件，來調(diào)節(jié)絕緣膜55的應(yīng)力。例如在本實施例中，通過在850℃的加熱溫度和1小時的加熱時間段的條件下使絕緣膜55退火來調(diào)節(jié)絕緣膜55的應(yīng)力。熱氧化之后絕緣膜55的應(yīng)力為2.4×108左右的壓應(yīng)力。相反，退火后絕緣膜55的應(yīng)力變成2.94×108左右的張應(yīng)力。
如上所述，通過使絕緣膜55退火和進行應(yīng)力調(diào)節(jié)來實現(xiàn)包括構(gòu)成壓電元件的各層在內(nèi)的所有膜之間的應(yīng)力平衡。所以，可以防止可歸因于應(yīng)力的膜的剝離以及裂紋出現(xiàn)。而且，還可以通過將退火加熱溫度設(shè)成小于或等于鋯層熱氧化時的最高溫度來保持絕緣膜55的粘附力。在此，退火加熱溫度并不特別受限，只要該溫度被設(shè)成小于或等于上述最高溫度。但是，優(yōu)選將加熱溫度設(shè)成盡可能高。如上所述，通過諸如加熱溫度或加熱時間段之類的退火條件來確定絕緣膜的應(yīng)力。因此，通過設(shè)定高的加熱溫度，可以在相對較短的時間內(nèi)完成應(yīng)力調(diào)節(jié)(退火)，由此提高了制造效率。
在此，研究退火前后絕緣膜的應(yīng)力變化。更具體而言，通過使形成在彈性膜上的鋯層在900℃的加熱溫度和5秒的加熱時間段的條件下熱氧化來形成絕緣膜。之后，在900℃的加熱溫度和60分鐘的加熱時間段的條件下使絕緣膜退火。然后，在退火時，在每個預(yù)定經(jīng)過時間處檢查絕緣膜的卷曲量。結(jié)果在圖14中示出。注意這里所說的卷曲量等價于通道形成襯底晶片在約140mm的跨度中的中心部分處絕緣膜的卷曲量。
如圖14所示，退火前絕緣膜的最大卷曲量約等于+30μm。就是說，退火前絕緣膜中出現(xiàn)卷曲使得彈性膜側(cè)凹入。盡管此絕緣膜的卷曲量在約15分鐘的退火時間段中變化很大，但是之后卷曲量也在負方向上繼續(xù)逐漸變化。在從退火經(jīng)過60分鐘之后，絕緣膜產(chǎn)生最大卷曲量等于約-40μm的卷曲使得彈性膜側(cè)凸出。從此結(jié)果明顯可見，絕緣膜55的應(yīng)力根據(jù)退火時間段而變化。因此，通過控制絕緣膜的退火時間段，可以將絕緣膜55調(diào)節(jié)到所期望的應(yīng)力狀況。當(dāng)然，絕緣膜的應(yīng)力不僅可以通過控制退火時間段，還可以通過控制溫度來進行調(diào)節(jié)。
在此，還可以想到通過在焙燒壓電層時退火來進行絕緣膜的應(yīng)力調(diào)節(jié)。例如，可以通過修改諸如壓電層70的焙燒溫度之類的條件來調(diào)節(jié)絕緣膜的應(yīng)力。但是，修改諸如壓電層的焙燒溫度之類的條件并不有利，因為所形成的壓電層的物理性質(zhì)可能改變，并且可能難以獲得所期望的特性。
而且，還可以通過上述退火來減小絕緣膜粘附力在通道形成襯底晶片的面內(nèi)方向上的不均勻性。在此，對未退火的對比示例的絕緣膜和經(jīng)過退火的示例的絕緣膜研究粘附力的不均勻性。更具體而言，制造其中通過在上述條件下熱氧化而在彈性膜上形成絕緣膜的多個樣品(對比示例1A、1B和1C)，以及其中在熱氧化之后使絕緣膜進一步退火的多個示例(示例1A、1B和1C)。然后，對根據(jù)各個示例和對比示例的每個樣品在絕緣膜上進行刮擦測試。在此，如前所述，對通道形成襯底晶片110上的三個點(參見圖11)進行刮擦測試。結(jié)果在圖15和圖16中示出。
如圖15和圖16所示，在對比示例1A至1C的樣品中，絕緣膜的粘附力存在差別，最大約等于30mN。相反，在示例1A至1C的樣品中，絕緣膜的粘附力存在非常小的差別。從此結(jié)果明顯可見，可以通過熱氧化形成絕緣膜并使絕緣膜進一步退火，來防止絕緣膜粘附力對通道形成襯底晶片的面內(nèi)方向的不均勻性。而且，還可以使各個通道形成襯底晶片之間的絕緣膜粘附力的不均勻性最小。
(其他實施例)上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各個實施例。但是，注意本發(fā)明并不僅限于上述實施例。例如，在上述實施例中，絕緣膜55形成在彈性膜50上。但是，絕緣膜55僅僅需要形成為比彈性膜50更靠近壓電層70。例如，另一層可以設(shè)置在彈性層50與絕緣層55之間。而且，在上述實施例中，針對液體噴頭或噴墨記錄頭描述了本發(fā)明，所述液體噴頭或噴墨記錄頭構(gòu)造成安裝在液體噴射設(shè)備上并作為示例包括作為液體噴射裝置的致動器裝置。但是，本發(fā)明的目標(biāo)是整個廣泛范圍的致動器裝置，且一定可應(yīng)用于噴出除墨水之外其他液體的液體噴頭。在此，其他液體噴頭例如可以包括在諸如打印機的圖像記錄設(shè)備中使用的記錄頭，用于制造液晶顯示器等的色彩過濾器的顏料噴頭，用于形成有機EL顯示器、FED(面發(fā)射顯示器)等的電極的電極材料噴頭，用于制造生物芯片的生物有機材料噴頭。而且，本發(fā)明不僅可應(yīng)用于安裝在液體噴頭上的致動器裝置，也可應(yīng)用于安裝在各種裝置上的致動器裝置。除上述液體噴頭之外，用于安裝致動器裝置的其他裝置還可以包括例如傳感器。
權(quán)利要求
1.一種制造致動器裝置的方法，包括以下步驟在襯底的一個表面上形成振動板；以及在所述振動板上形成具有下電極、壓電層和上電極的壓電元件，其中所述形成振動板的步驟至少包括絕緣膜形成步驟，所述絕緣膜形成步驟通過按照濺射方法在所述襯底的所述一個表面?zhèn)戎闲纬射唽?，并將形成有所述鋯層的所述襯底以大于或等于200mm/min的速度插入加熱到大于或等于700℃的溫度的熱氧化爐而使所述鋯層熱氧化，來形成由氧化鋯制成的絕緣膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造致動器裝置的方法，其中，加熱所述熱氧化爐的所述溫度被設(shè)定在從850℃到1000℃的范圍中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項所述的制造致動器裝置的方法，其中，在將所述襯底插入所述熱氧化爐中時所述鋯層的溫度升高速率被設(shè)成大于或等于300℃/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的密度被設(shè)成大于或等于5.Og/cm3。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的膜厚被設(shè)成大于或等于40nm。
6.一種制造致動器裝置的方法，包括以下步驟在襯底的一個表面上形成振動板；以及在所述振動板上形成具有下電極、壓電層和上電極的壓電元件，其中所述形成振動板的步驟至少包括以下步驟通過在所述襯底的所述一個表面?zhèn)戎闲纬射唽?，并在以預(yù)定溫度升高速率將所述鋯層加熱到預(yù)定溫度的同時使所述鋯層熱氧化，而形成由氧化鋯制成的絕緣膜，以及通過在小于或等于所述鋯層的熱氧化中的最高溫度的溫度下使所述絕緣膜退火來調(diào)節(jié)所述絕緣膜的應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的所述溫度升高速率被設(shè)成大于或等于5℃/sec。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的所述溫度升高速率被設(shè)成大于或等于50℃/sec。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造致動器裝置的方法，其中，在所述鋯層熱氧化時通過快速熱退火方法來加熱所述鋯層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的密度被設(shè)成大于或等于5.0g/cm3。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造致動器裝置的方法，其中，在所述絕緣膜形成步驟中所述絕緣膜的膜厚被設(shè)成大于或等于40nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至11中任一項所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述鋯層熱氧化時的溫度被設(shè)定在從800℃到1000℃的范圍中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造致動器裝置的方法，其中，在使所述絕緣膜退火時的溫度被設(shè)定在從800℃到900℃的范圍中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述絕緣膜的退火時間段被調(diào)節(jié)在從0.5小時到2小時的范圍中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述形成振動板的步驟包括在由單晶硅襯底制成的所述襯底的所述一個表面之上形成由二氧化硅制成的彈性膜的步驟，并且所述絕緣膜形成在所述彈性膜之上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的制造致動器裝置的方法，其中，所述形成壓電元件的步驟至少包括在所述振動板之上形成由鋯鈦酸鉛制成的所述壓電層的步驟。
17.一種液體噴射設(shè)備，包括液體噴頭，應(yīng)用通過根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的方法制造的所述致動器裝置作為液體噴射裝置。
全文摘要
公開了一種制造致動器裝置的方法和液體噴射裝置，其通過防止振動板分離而實現(xiàn)了提高的耐久性和可靠性。該方法包括在襯底的一側(cè)上制造振動板的步驟以及在該振動板上制造由下電極、壓電層和上電極構(gòu)成的壓電元件的步驟。振動板制造步驟包括絕緣膜形成子步驟，在該子步驟中通過濺射在襯底的所述一側(cè)上形成鋯層，將具有鋯層的襯底以200mm/min或更大的速度插入加熱到700℃以上的熱氧化爐而使鋯層熱氧化，由此形成氧化鋯絕緣膜。
文檔編號B41J2/045GK1890103SQ200480035810
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
發(fā)明者伊藤牧, 村井正己, 李欣山, 新保俊尚 申請人:精工愛普生株式會社