JP5581781B2 - 圧電アクチュエーターの製造方法 - Google Patents
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Description
圧電素子の形成部分以外に残った下電極膜、圧電体層および上電極膜のうち、後に形成される引出電極間にまたがったエッチング残りは、引出電極を形成した際に、上電極膜を介して引出電極間の短絡を生じさせる。したがって、引出電極間の絶縁性が保たれず、短絡によって圧電アクチュエーターの駆動不良が生じる。
下電極または上電極のうちどちら一方を個別電極として備えた圧電素子と前記個別電極からそれぞれ引き出される引出電極とを備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、基板上に下電極膜を形成する下電極膜形成工程と、前記下電極膜上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、前記圧電体層と前記下電極膜または前記上電極膜とを選択的にエッチングして、圧電体と前記下電極または前記上電極のうちどちらか一方を前記個別電極として備えた前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、前記圧電素子形成工程後、前記引出電極間の前記基板の少なくとも一部を、前記上電極膜が除去され、前記基板が除去されない条件でエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程後、前記個別電極からそれぞれ引き出される前記引出電極を形成する引出電極形成工程とを含むことを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
上記圧電アクチュエーターの製造方法であって、前記エッチング工程では、前記引出電極間を、前記引出電極に沿ってエッチングし前記基板にスリットを形成することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
この適用例では、引出電極間に引出電極に沿ってスリットが形成されるので、上電極膜を含むエッチング残りが引出電極間のどの場所に生じても、上電極膜が分断され引出電極間の絶縁が保たれる。したがって、引出電極間の短絡によって生じる圧電アクチュエーターの駆動不良がより減少した圧電アクチュエーターの製造方法が得られる。
上記圧電アクチュエーターの製造方法であって、前記圧電素子形成工程は、共通電極としての前記下電極を前記基板に形成し、前記圧電体層と前記上電極膜とを選択的にエッチングして、前記圧電体と前記個別電極として前記上電極とを備えた前記圧電素子を形成することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
この適用例では、振動板に形成された下電極を共通電極とし、圧電体に形成された上電極を個別電極とする圧電アクチュエーターにおいて、前述の効果を有する圧電アクチュエーターの製造方法が得られる。
図1は、圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド1を備えた液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置1000の一例を示す概略図である。
図1に示すように、インクジェット式記録装置1000は、記録ヘッドユニット1Aおよび1Bを備えている。
記録ヘッドユニット1Aおよび1Bには、インク供給手段を構成するカートリッジ2Aおよび2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1Aおよび1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。
図3(a)には、インクジェット式記録ヘッド1の部分平面図を、(b)には、そのA−A断面図を示した。
流路形成基板10とノズルプレート20と接合基板30とは、流路形成基板10をノズルプレート20と接合基板30とで挟むように積み重ねられ、接合基板30上には、コンプライアンス基板40が形成されている。また、接合基板30上には、駆動IC400が載せられている。
なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01〜1mmで、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板または不錆鋼等からなる。
流路形成基板10とノズルプレート20とは、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。
流路形成基板10の弾性膜50上には、酸化膜からなる絶縁体膜51が形成されている。さらに、この絶縁体膜51上には、下電極60と、ペロブスカイト構造の圧電体70と、上電極80とが形成され、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極60、圧電体70および上電極80を含む部分をいう。
なお、本実施形態では、下電極60を圧電素子300の共通電極とし、上電極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。いずれの場合においても、圧力発生室12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
ここで、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弾性膜50、絶縁体膜51(2膜合わせて振動板53という)および引出電極90とを合わせて圧電アクチュエーター100と称する。下電極60は、基板としての振動板53上に形成されている。
また、スリット91は、引出電極90に沿って、隣り合う引出電極90間の振動板53の少なくとも一部に形成されている。本実施形態では、引出電極90が上電極80に形成されている部分から、絶縁体膜51の外周にいたるまで形成されている。ここで、スリット91は、振動板53の厚さよりも浅く形成されている。
段差調整部310は、インク供給路13と圧電素子300との間の位置に、段差調整部320は、インク供給路13を挟んで段差調整部310と対向する位置に形成されている。
段差調整部310は、下電極膜61、圧電体層71および上電極膜81から構成され、段差調整部320は、下電極膜62、圧電体層72および上電極膜82から構成されている。
ここで、段差調整部310の上電極膜81には、応力を緩和するためのスリット311が、インクジェット式記録ヘッド1の長手方向に形成されている。
接合基板30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確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部32を有する。圧電素子保持部32は、圧力発生室12の列に対応して設けられている。
接合基板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する。
図4は、インクジェット式記録ヘッド1の製造方法を表すフローチャート図であり、図5〜図10は、圧力発生室12の長手方向の断面図である。
インクジェット式記録ヘッド1は、ウェハー状態で複数のインクジェット式記録ヘッド1を形成した後に各インクジェット式記録ヘッド1を切り離すことによって得られる。図5〜図10は、インクジェット式記録ヘッド1の形成過程における断面図の一部を示したものである。
ここで、圧電アクチュエーター100の製造方法は、振動板形成工程(S1)と、下電極形成工程(S2)と、圧電体層形成工程(S3)と、上電極膜形成工程(S4)と、圧電素子形成工程(S5)と、エッチング工程(S6)と、引出電極形成工程(S7)とを含む。
図5(a)において、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、その表面に二酸化シリコンを含む弾性膜50を形成する。例えば、流路形成基板用ウェハー110として、厚さが約625μmと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハーを用いることができる。
振動板は、単層構造であってもよいし、二酸化シリコンや酸化ジルコニウム以外の材料から構成されていてもよい。
図5(c)において、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等からなる下電極膜600を絶縁体膜51の全面に形成する。下電極膜600は、積層構造であってもよい。例えば、白金とリジウムとを積層した積層構造を用いることができる。
その後、図5(d)において、所定形状にパターニングして下電極60が得られる。このとき、図2および図3に示した段差調整部310,320の下電極膜61,62も形成する。
圧電体層700の製造方法としては、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700を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いることができる。
なお、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。
なお、ここで言う脱脂とは、ゾル膜の有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。
焼成温度は、650〜850℃程度であることが好ましく、例えば、約700℃で30分間、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体膜を形成する。このような条件で形成した圧電体膜の結晶は(100)面に優先配向する。
上述した塗布・乾燥・脱脂・焼成の工程を、複数回繰り返すことにより、多層の圧電体膜からなる所定厚さの圧電体層700を形成する。
図6(g)において、上電極膜800上にレジストを塗布してレジスト膜500を形成する。
図6(h)において、図2および図3で示した圧電素子300、段差調整部310,320が形成される領域に、レジスト膜510,520,530を現像によって残す。
図7(j)において、レジスト膜510,520,530を剥離する。
図7(k−1)および図8(k−2)において、エッチング工程(S6)では、図2および図3に示したスリット91を形成する。スリット91は、後に形成される引出電極90間の振動板53を、引出電極90に沿ってエッチングして形成する。
エッチング工程(S6)は、圧電素子形成工程(S5)と同様に、フォトリソグラフィ工程を用いて行なうことができる。
実施形態では、エッチング工程(S6)は、段差調整部310の上電極膜81の応力を緩和するためのスリット311(図2および図3に示した)を形成する工程と同じ工程で同時に行うことができる。エッチングは、上電極膜81が除去され、振動板53が除去されない条件で行なう。
なお、エッチング工程(S6)は、スリット311を形成する工程と同時に行なわなくてもよい。例えば、エッチング工程(S6)を引出電極形成工程(S7)後に行なってスリット91を形成してもよい。この場合、新たな工程が必要となる。
図8(l)において、流路形成基板用ウェハー110上の全面にわたって、金属層900を形成する。引出電極90を構成する主材料としては、比較的導電性の高い材料であれば特に限定されず、例えば、金、アルミニウム、銅が挙げられる。また、下地層としてNiCrを用いる2層構造、あるいは多層構造であってもよい。
図8(m)において、例えば、レジスト等からなる図示しないマスクパターンを介して金属層900を圧電素子300の個別電極である上電極80毎にパターニングすることによって引出電極90を形成する。
なお、この接合基板用ウェハー130は、例えば、400μm程度の厚さを有するため、接合基板用ウェハー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。
また、段差調整部310,320を設けることにより、接着剤35を厚くしなくて済み、接着剤35のはみ出しによるごみを抑え、接着剤35が厚くなることによる応力の発生を抑えることができる。
図9(o)において、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研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みにする。例えば、約70μm厚になるように流路形成基板用ウェハー110をエッチング加工することができる。
具体的には、流路形成基板用ウェハー110を、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液等のエッチング液によって弾性膜50が露出するまでエッチングすることより、圧力発生室12、連通部14およびインク供給路13を同時に形成する。
次に、流路形成基板用ウェハー110表面のマスク膜54を除去する。
その後、流路形成基板用ウェハー110および接合基板用ウェハー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の接合基板用ウェハー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、接合基板用ウェハー130に、可撓性を有する弾性膜としての封止膜41と、SUS等の金属材料からなる押さえ基板としての固定板42とが積層されたコンプライアンス基板40を接合する。
これら流路形成基板用ウェハー110等を、図2および図3に示すような1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、上述した構造のインクジェット式記録ヘッド1が製造される。
上電極膜800の形成後からドライエッチング前およびドライエッチング中に付着したパーティクルが特に問題となる。以下には、レジスト膜510,520,530を現像によって残した後にパーティクルが付着した場合を示す。
図12に、図6(h)の状態における部分断面図を示した。図12(a)は、図11におけるB−B部分断面図であり、図12(b)は、図11におけるC−C部分断面図である。
以下、図13、図14、図15および図16の各(a)は、図12と同様に図11におけるB−B部分断面図であり、図13、図14、図15および図16の各(b)は、図12と同様に図11におけるC−C部分断面図である。また、図12(b)、図13(b)、図14(b)には、引出電極90が形成される位置を二点鎖線で示した。
図11および図12(b)において、パーティクルPは、後に形成される引出電極90にまたがって付着している。
図13において、ドライエッチングを行なうと、パーティクルPの付着した部分の図12に示した圧電体層700および上電極膜800がエッチング残りを起こし、エッチング残り圧電体層73およびエッチング残り上電極膜83となる。
図14において、段差調整部310の上電極膜81の応力を緩和するためにスリット311を形成する工程と同じ工程で同時にスリット91を形成すると、エッチング残り上電極膜83にもスリット92が形成される。エッチングは、エッチング残り上電極膜83が除去される条件で行なわれるため、スリット92によってエッチング残り上電極膜83が2つに分断される。
図15において、流路形成基板用ウェハー110の全面にわたって、金属層900を形成すると、スリット91,92の中にも金属層900が形成される。
図16において、金属層900を圧電素子300の個別電極である上電極80毎にパターニングすると、引出電極90が、エッチング残り圧電体層73およびエッチング残り上電極膜83にかかるように形成される。
(1)圧電素子形成工程(S5)後、エッチング工程(S6)において、後の引出電極形成工程(S7)で形成される引出電極90間の振動板53の少なくとも一部を、エッチング残り上電極膜83が除去され、振動板53が除去されない条件でエッチングする。圧電素子形成工程(S5)の際に、エッチング残り上電極膜83が引出電極90間に生じても、エッチング残り上電極膜83がエッチングによって分断され、エッチング残り上電極膜83に形成される引出電極90間の絶縁を保つことができる。したがって、引出電極90間の短絡によって生じる圧電アクチュエーター100の駆動不良が減少した圧電アクチュエーター100の製造方法を得ることができる。
例えば、圧電素子形成工程(S5)後に、露出した圧電体を水分等から保護するために保護層を形成してもよい。保護層としては、例えばAl2O3を用いることができる。エッチング工程(S6)は、保護層形成前に行なってもよいし、保護層形成後に行なってもよい。保護層にピンホール等が生じても実施形態における効果を得ることができる。
上電極を共通電極とする場合は、上電極が保護層として働くため、新たに保護層を形成する必要が少ない。
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、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)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。
さらに、液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載される圧電アクチュエーターだけでなく、あらゆる装置に搭載される圧電アクチュエーターに適用することができる。例えば、圧電アクチュエーターは、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。
Claims (4)
- 下電極または上電極のうちどちらか一方を個別電極として備えた圧電素子と前記個別電極からそれぞれ引き出される引出電極とを備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、
基板上に下電極膜を形成する下電極膜形成工程と、
前記下電極膜上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
前記圧電体層上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、
前記圧電体層と前記下電極膜または前記上電極膜とを選択的にエッチングして、圧電体と前記下電極または前記上電極のうちどちらか一方を前記個別電極として備えた前記圧電素子を形成するとともに、前記基板と前記圧電素子を密封し前記圧電素子の運動を阻害しない空間を有する接合基板との接合高さを調整する前記圧電素子と同じ層構造の段差調整部を形成する圧電素子形成工程と、
前記個別電極からそれぞれ引き出される前記引出電極を形成する引出電極形成工程と、を含み、
前記引出電極間と前記段差調整部の前記上電極膜に同時にスリットを形成するエッチング工程をさらに含む圧電アクチュエーターの製造方法。 - 請求項1に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、
前記圧電素子形成工程は、共通電極として前記下電極を形成し、前記個別電極として前記上電極を形成する、ことを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。 - 基板上に形成された下電極膜と、
前記下電極膜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膜と、
前記下電極膜または前記上電極膜のうちどちらか一方を個別電極として備えた圧電素子と、
前記基板と、前記圧電素子を密封し前記圧電素子の運動を阻害しない空間を有する接合基板と、の接合高さを調整し前記下電極と前記圧電体層と前記上電極とからなる段差調整部と、
前記個別電極からそれぞれ引き出される引出電極と、を含み、
前記段差調整部の前記上電極膜に形成されたスリットと、
前記引出電極間の前記上電極膜に形成されたスリットと、
をさらに含む、圧電アクチュエーター。 - 請求項3に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記下電極が共通電極である、ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
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