JP6846888B2 - 圧電素子利用装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
パッシベーション膜を形成する際には、圧電素子の表面のほぼ全域は、水素バリア膜および絶縁膜によって覆われている。しかしながら、圧電素子の表面のうち、水素バリア膜および絶縁膜にコンタクト孔が形成されている部分は、水素バリア膜によって覆われていない。このため、パッシベーション膜形成時に発生した水素が、コンタクト孔および上部電極を通過して、圧電体膜に達する。これにより、圧電体膜が水素還元される。この結果、圧電体膜の耐圧不良が生じたり、圧電体膜のヒストリシス(分極)特性劣化が生じたりするおそれがある。
この発明の一実施形態では、前記可動膜形成層は、SiO2単膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記可動膜形成層は、前記キャビティ上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、Pt単膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、前記圧電体膜上に形成されたIrO 2膜と、前記IrO 2膜上に形成されたIr膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記下部電極は、前記可動膜側に形成されたTi膜と、前記Ti膜上に形成されたPt膜との積層膜からなる。
図1は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの主要部の構成を説明するための図解的な平面図である。図2は、インクジェットプリントヘッドの主要部の図解的な平面図であって、保護基板が省略された平面図である。図3は、図1のIII-III線に沿う図解的な断面図である。図4は、図1のIV-IV線に沿った切断面のうちの一部を図解的に示す拡大断面図である。図5は、前記インクジェットプリントヘッドの下部電極および第1上部配線のパターン例を示す図解的な平面図である。図6は、前記インクジェットプリントヘッドの圧電体膜のパターン例を示す図解的な平面図である。
インクジェットプリントヘッド1は、アクチュエータ基板2と、ノズル基板3と、保護基板4とを備えている。アクチュエータ基板2の表面には、可動膜形成層10が積層されている。アクチュエータ基板2には、インク流路(インク溜まり)5が形成されている。インク流路5は、この実施形態では、アクチュエータ基板2を貫通して形成されている。インク流路5は、図3に矢印で示すインク流通方向41に沿って細長く延びて形成されている。インク流路5は、インク流通方向41の上流側端部(図3では左端部)のインク流入部6と、インク流入部6に連通する圧力室(キャビティ)7とから構成されている。図3において、インク流入部6と圧力室7との境界を二点鎖線で示すことにする。
可動膜形成層10の表面には、金属バリア膜8が形成されている。金属バリア膜8は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。金属バリア膜8の厚さは、50nm〜100nm程度である。金属バリア膜8の表面には、圧電素子9と第1上部配線16とが配置されている。圧電素子9は、圧力室7の天壁である可動膜10A上に配置されている。第1上部配線16は、圧力室7に対して、インク流通方向41の下流側に配置されている。
水素バリア膜14上に、絶縁膜15が積層されている。絶縁膜15は、たとえば、SiO2、低水素のSiN等からなる。絶縁膜15の厚さは、500nm程度である。絶縁膜15上には、第3上部配線17および下部配線18が形成されている。これらの配線17,18は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。これらの配線17,18の厚さは、たとえば、1000nm(1μm)程度である。
インク流路5におけるインク流入部6側の端部に対応する位置に、パッシベーション膜21、絶縁膜15、水素バリア膜14、下部電極11、金属バリア膜8および可動膜形成層10を貫通するインク供給用貫通孔22が形成されている。下部電極11には、インク供給用貫通孔22を含み、インク供給用貫通孔22よりも大きな貫通孔23が形成されている。下部電極11の貫通孔23とインク供給用貫通孔22との隙間には、水素バリア膜14が入り込んでいる。インク供給用貫通孔22は、インク流入部6に連通している。
アクチュエータ基板2には、複数のインク流路5(圧力室7)が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数のインク流路5毎に、圧電素子9が配置されている。インク供給用貫通孔22は、複数のインク流路5毎に設けられている。保護基板4の収容凹所52およびインク供給路53は、複数のインク流路5毎に設けられている。
下部電極11は、複数の圧電素子9に対して共用される共通電極である。下部電極11は、圧電素子9を構成する平面視矩形状の主電極部11Aと、主電極部11Aから可動膜形成層10(金属バリア膜8)の表面に沿う方向に引き出され、圧力室7の天面部の周縁の外方に延びた延長部11Bとを含んでいる。主電極部11Aの長手方向の長さは、可動膜10Aの長手方向の長さよりも短い。主電極部11Aの両端縁は、可動膜10Aの対応する両端縁に対して、それぞれ、所定間隔を開けて内側に配置されている。また、主電極部11Aの短手方向の幅は、可動膜10Aの短手方向の幅よりも狭い。主電極部11Aの両側縁は、可動膜10Aの対応する両側縁に対して、所定間隔を開けて内側に配置されている。
図1、図3、図4および図7に示すように、保護基板4の対向面51には、複数の収容凹所52が、インク流通方向41と直交する方向に間隔をおいて平行に形成されている。複数の収容凹所52は、平面視において、複数の圧力室7に対向する位置に配置されている。各収容凹所52に対してインク流通方向41の上流側にインク供給路53が配置されている。各収容凹所52は、平面視において、対応する圧電素子9の上部電極13のパターンよりも少し大きな矩形状に形成されている。そして、各収容凹所52に、対応する圧電素子9が収容されている。
図8A〜図8Nは、前記インクジェットプリントヘッド1の製造工程の一例を示す断面図であり、図3に対応する切断面を示す。
次に、図8Hに示すように、第2および第3コンタクト孔32,33内を含む絶縁膜15上に、スパッタ法によって、第3上部配線17および下部配線18を構成する配線膜が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、配線膜がパターニングされることにより、第3上部配線17および下部配線18が同時に形成される。
次に、レジストマスクが剥離される。そして、フォトリソグラフィによってインク供給用貫通孔22に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、水素バリア膜14、金属バリア膜8および可動膜形成層10がエッチングされる。これにより、図8Kに示すように、水素バリア膜14、金属バリア膜8および可動膜形成層10に、インク供給用貫通孔22が形成される。
次に、図8Mに示すように、アクチュエータ基板2を薄くするための裏面研削が行われる。アクチュエータ基板2が裏面2bから研磨されることにより、アクチュエータ基板2が薄膜化される。たとえば、初期状態で670μm厚程度のアクチュエータ基板2が、300μm厚程度に薄型化されてもよい。次に、アクチュエータ基板2に対して、アクチュエータ基板2の裏面からエッチング(ドライエッチングまたはウェットエッチング)を行うことによって、インク流路5(インク流入部6および圧力室7)が形成される。
この後、図8Nに示すように、ノズル基板3がアクチュエータ基板2の裏面に張り合わされることにより、インクジェットプリントヘッド1が得られる。
また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ノチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
2 アクチュエータ基板
2a 表面
2b 裏面
3 ノズル基板
3a 凹部
3b インク吐出通路
3c 吐出口
4 保護基板
5 インク流路
6 インク流入部
7 圧力室
8 金属バリア膜
9 圧電素子
10 可動膜形成層
10A 可動膜
11 下部電極
11A 主電極部
11B 延長部
12 圧電体膜
12A 能動部
12B 非能動部
13 上部電極
13A 主電極部
13B 延長部
14 水素バリア膜
15 絶縁膜
16 第1上部配線
17 第3上部配線
18 下部配線
21 パッシベーション膜
22 インク供給路
23 貫通孔
31 第1コンタクト孔
32 第2コンタクト孔
33 第3コンタクト孔
41 インク流通方向
50 接着剤
51 対向面
52 収容凹所
53 インク供給路
71 圧電体材料膜
72 上部電極膜
Claims (13)
- キャビティと、
前記キャビティ上に配置されかつ前記キャビティの天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、
前記可動膜上に形成され、下部電極と前記下部電極上に形成された圧電体膜と前記圧電体膜上に形成された上部電極とを含む圧電素子と、
前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において、前記可動膜形成層上であって前記キャビティの天面部の周縁の外側領域に配置された第1上部配線と、
前記上部電極の上面および側面と、上記圧電体膜の側面と、前記第1上部配線の上面と、前記下部電極の上面とを覆う水素バリア膜と、
前記水素バリア膜上に形成された絶縁膜とを含み、
前記上部電極は、前記圧電素子を構成する主電極部と、前記主電極部から引き出され、前記第1上部配線に接続された第2上部配線としての延長部とを含み、
前記第1上部配線は、前記延長部と前記可動膜形成層との間に配置された部分を有しており、この部分内において前記延長部が前記第1上部配線に接続されており、
前記下部電極は、前記圧電素子を構成している主電極部と、前記主電極部から前記可動膜形成層の表面に沿う方向に引き出され、前記平面視において、前記キャビティの天面部周縁を跨いで前記キャビティの外方に延びた延長部とを含み、
前記平面視において、前記下部電極の主電極部は、前記下部電極における前記キャビティの天面部周縁よりも内側にある内側電極領域に含まれており、前記下部電極の延長部は、前記内側電極領域に繋がりかつ前記下部電極における前記キャビティの天面部周縁よりも外側にある外側電極領域を含んでおり、
前記水素バリア膜および前記絶縁膜には、前記第1上部配線の一部を露出させる第2コンタクト孔と前記下部電極の外側電極領域の一部を露出させる第3コンタクト孔が形成されており、
前記絶縁膜上に、前記第2コンタクト孔を介して前記第1上部配線に接続された第3上部配線と前記第3コンタクト孔を介して前記下部電極の外側電極領域に接続された下部配線とが形成されている、圧電素子利用装置。 - 前記平面視において、前記圧電素子は、前記可動膜よりも前記キャビティの内方に後退した周縁を有し、
前記第1上部配線は、前記平面視において、前記可動膜形成層上における前記キャビティの天面部の周縁の外側領域に形成されており、
前記圧電体膜は、前記圧電素子を構成している能動部と、前記能動部から引き出され、前記第1上部配線上まで延びた非能動部とを含み、
前記非能動部には、前記可動膜の主面に対する法線方向に貫通し、前記第1上部配線の一部を露出させる第1コンタクト孔が形成されおり、
前記上部電極の延長部は、前記第1コンタクト孔を介して前記第1上部配線に接続されている、請求項1に記載の圧電素子利用装置。 - 前記平面視において、前記キャビティの天面部が所定の一方向に長い矩形状であり、
前記第1上部配線は、前記平面視で、前記キャビティの天面部の一端よりも外方に配置されており、
前記圧電素子は、前記平面視において、前記キャビティの天面部の短手方向の幅より短い幅と、前記キャビティの天面部の長手方向の長さより短い長さとを有する前記一方向に長い矩形状であり、その両端縁および両側縁が前記キャビティの天面部の両端縁および両側縁よりも前記キャビティの内方にそれぞれ後退しており、
前記圧電体膜は、前記圧電素子を構成している能動部と、前記平面視において、前記能動部の前記第1上部配線側の一端から前記キャビティの天面部の対応する一端を跨いで、前記第1上部配線上まで延びた非能動部とを含み、
前記非能動部には、前記可動膜の主面に対する法線方向に貫通し、前記第1上部配線の一部を露出させる第1コンタクト孔が形成されおり、
前記上部電極の延長部は、前記非能動部の表面から前記第1コンタクト孔内に入り込み、前記第1コンタクト孔内で前記第1上部配線に接続されており、
前記下部電極は、前記平面視において、前記キャビティの天面部の前記一端の外方において、前記上部電極の延長部の下方に存在しない、請求項1に記載の圧電素子利用装置。 - 前記第1上部配線は、前記下部電極を形成する工程と同一工程で形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記可動膜形成層は、SiO2単膜からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記可動膜形成層は、前記キャビティ上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記圧電体膜は、PZT膜からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記上部電極は、Pt単膜からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記上部電極は、前記圧電体膜上に形成されたIrO 2膜と、前記IrO 2膜上に形成されたIr膜との積層膜からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記下部電極は、前記可動膜側に形成されたTi膜と、前記Ti膜上に形成されたPt膜との積層膜からなる、請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- キャビティが形成されるべき基板上に可動膜形成領域を含む可動膜形成層を形成する工程と、
前記可動膜形成層上に電極・配線膜を形成した後、前記電極・配線膜をパターニングして、下部電極を形成すると同時に前記可動膜形成領域の外側領域に第1上部配線を形成する工程と、
前記可動膜形成層上に圧電体材料膜を形成した後、前記圧電体材料膜の表面から前記第1上部配線に達する第1コンタクト孔を形成することにより、所定の中間パターンの圧電体材料膜を形成する工程と、
前記可動膜形成層上に上部電極膜を形成した後、前記上部電極膜をパターニングすることにより、主電極部と、前記主電極部から引き出され、前記第1コンタクト孔を介して前記第1上部配線に接続された第2上部配線としての延長部とを含む上部電極を形成する工程と、
前記中間パターンの圧電体材料膜をパターニングして、前記上部電極の主電極部の下面に接する能動部と、前記第1コンタクト孔を有し、前記第1コンタクト孔の側面を含む表面が前記上部電極の延長部に覆われた非能動部とを含む圧電体膜を形成する工程とを含み、
前記圧電体膜を形成する工程によって、前記下部電極と前記上部電極の主電極部とそれらに挟まれた前記能動部とを含む圧電素子が形成される、圧電素子利用装置の製造方法。 - 前記下部電極は、前記能動部の下面に接した主部電極部と、前記下部電極の主電極部から前記可動膜形成層の表面に沿う方向に引き出され、平面視において、前記キャビティの天面部周縁を跨いで前記キャビティの外方に延びた延長部とを含み、平面視において、前記主電極部は、前記下部電極における前記キャビティの天面部周縁よりも内側にある内側電極領域に含まれており、前記延長部は、前記内側電極領域に繋がりかつ前記下部電極における前記キャビティの天面部周縁よりも外側にある外側電極領域を含んでいる、請求項11に記載の圧電素子利用装置の製造方法。
- 前記圧電体膜を形成する工程の後に、前記可動膜形成層上に、前記圧電素子、前記下部電極および前記第1上部配線を覆う水素バリア膜を形成する工程と、
前記水素バリア膜上に絶縁膜を覆う工程と、
前記水素バリア膜および前記絶縁膜に、前記第1上部配線の一部を露出させる第2コンタクト孔と前記下部電極の外側電極領域の一部を露出させる第3コンタクト孔とを形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記第2コンタクト孔を介して前記第1上部配線に接続された第3上部配線と前記第3コンタクト孔を介して前記下部電極の外側電極領域に接続された下部配線とを形成する工程とをさらに含む、請求項12に記載の圧電素子利用装置の製造方法。
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