KR100731438B1 - 액츄에이터 장치의 제조 방법 및 액체 분사 장치 - Google Patents
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Abstract
기판의 한 표면에 진동판을 형성하는 공정과, 상기 진동판상에 하부 전극, 압전체층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성하는 공정을 구비하고, 상기 진동판을 형성하는 공정은 기판의 한 표면에 지르코늄(zirconium)층을 형성하는 막(film) 형성 공정과, 지르코늄층을 소정의 열산화 온도에서 열산화시켜서 산화 지르코늄층으로 이루어지는 절연체막을 형성하는 동시에, 상기 절연체막의 응력(stress)을 조정하는 열산화 공정을 적어도 포함하는 절연체막 형성 공정을 포함한다.
Description
도 1은 실시 형태 1에 따른 기록 헤드의 분해 사시도.
도 2(a), (b)는 실시 형태 1에 따른 기록 헤드의 평면도 및 단면도.
도 3(a) 내지 (d)는 실시 형태 1에 따른 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.
도 4(a) 내지 (d)는 실시 형태 1에 따른 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.
도 5(a), (b)는 실시 형태 1에 따른 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.
도 6은 제조 공정에 이용하는 확산노의 개략도.
도 7은 열산화 처리 후의 절연체막의 응력을 나타내는 그래프.
도 8은 어닐링 처리 전후에서의 절연체막의 응력 변화를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기록 장치의 개략도.
[부호의 설명]
10 유로 형성 기판,
12 압력 발생실,
20 노즐 플레이트,
21 노즐 개구,
30 보호 기판,
31 압전 소자 홀딩부,
32 리저버부,
40 컴플라이언스 기판,
50 탄성막,
55 절연체막,
60 하부 전극막,
70 압전체층,
80 상부 전극막,
100 리저버,
110 유로 형성 기판용 웨이퍼,
300 압전 소자
본 발명은 압력 발생실의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판상에 압전체층을 갖는 압전 소자를 형성하고, 상기 압전 소자의 변위에 의해 진동판을 변형시키는 액츄에이터(actuator) 장치의 제조 방법 및 이 액츄에이터 장치를 이용하여 액체 방울(liquid droplet)을 토출(ejection)시키는 액체 분사(liquid-jet) 장치에 관한 것이다.
전압의 인가에 의해 변위되는 압전 소자를 구비하는 액츄에이터 장치는, 예를 들면 액체 방울을 분사하는 액체 분사 장치에 탑재되는 액체 분사 헤드의 액체 토출 수단으로서 이용된다. 이와 같은 액체 분사 장치로서는, 예를 들면 노즐 개구(nozzle orifice)와 연통하는 압력 발생실의 일부를 진동판으로 구성하고, 상기 진동판을 압전 소자에 의해 변형시켜서 압력 발생실의 잉크를 가압함으로써 노즐 개구로부터 잉크 방울을 토출시키는 잉크젯(ink-jet)식 기록 헤드를 구비하는 잉크젯식 기록 장치가 알려져 있다.
이 잉크젯식 기록 헤드는 2가지 타입이 실용화되어 있다. 그 중에서 하나는 압전 소자의 축 방향으로 신장 및 수축하는 세로 진동 모드의 액츄에이터 장치를 탑재한 것이다. 다른 하나는 휨(flexural) 진동 모드의 액츄에이터 장치를 탑재한 것이다. 그리고, 휨 진동 모드의 액츄에이터 장치를 사용하는 잉크젯식 기록 헤드는, 예를 들면 막 형성 기술로 진동판의 표면 전체에 균일한 압전체층을 형성하고, 이 압전체층을 리소그래피(lithography)법에 의해 압력 발생실에 대응하는 형상으로 절단함으로써 각 압력 발생실마다 독립적으로 압전 소자를 형성하는 것이다.
상기 압전 소자를 구성하는 압전 재료층의 재료로서는, 예를 들면 티탄산 지르콘산연(PZT)이 이용된다. 이와 같은 경우, 압전 재료층을 소성할 때에, 압전 재료층의 납 성분이 실리콘(Si)으로 이루어지는 유로(流路, passage) 형성 기판의 표 면에 설치되어서 상기 진동판을 구성하는 산화 실리콘(SiO2)막으로 확산된다. 이 납 성분의 확산에 의하여 산화 실리콘의 융점이 강하하고, 상기 산화 실리콘막이 압전 재료층의 소성시에 발생된 열에 의해 용융된다고 하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면 산화 실리콘막상에 진동판을 구성하고, 소정의 두께를 갖는 산화 지르코늄막을 설치하고, 이 산화 지르코늄막상에 압전 재료층을 설치함으로써, 압전 재료층으로부터 산화 실리콘막에의 납 성분의 확산을 방지하는 구조가 고안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 특개평 1999-204849호 공보 참조).
상기 산화 지르코늄막은, 예를 들면 스퍼터링(sputtering)법에 의해 지르코늄막을 형성하고, 이 지르코늄막을 열산화함으로써 형성된다. 이 때문에, 상기 지르코늄막의 열산화시에 발생하는 응력에 의하여 산화 지르코늄막에 크랙(crack)이 발생하는 등과 같은 불량이 발생한다고 하는 문제가 있다. 또, 유로 형성 기판과 산화 지르코늄막 사이의 응력에 차이가 큰 경우에, 예를 들면 유로 형성 기판에 압력 발생실을 형성한 후에, 유로 형성 기판 등이 변형되어서 지르코늄막이 벗겨지게 되는 등의 문제도 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 진동판의 크랙과 같은 불량을 방지하며, 내구성 및 신뢰성을 향상시킨 액츄에이터 장치의 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1의 양태는, 기판의 한 표면에 진동판을 형성하는 공정과, 상기 진동판상에 하부 전극, 압전체층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성하는 공정을 구비하고, 상기 진동판을 형성하는 공정은 상기 기판의 한 표면측에 지르코늄층을 형성하는 막 형성 공정과, 이 지르코늄층을 소정의 열산화 온도에서 열산화시켜서 산화 지르코늄층으로 이루어지는 절연체막을 형성하는 동시에, 해당 절연체막의 응력을 조정하는 열산화 공정을 적어도 포함하는 절연체막 형성 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법이다.
이러한 제1의 양태에서는 절연체막을 형성할 때에 그 응력을 조정한다. 이에 따라, 크랙 등을 일으키는 일 없이 진동판을 형성할 수 있다. 또, 상기 압전 소자를 포함하는 막 전체를 양호한 응력 상태로 할 수 있고, 압전 소자의 변위 특성을 균일화한 액츄에이터 장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 제2의 양태는, 제1의 양태에 따른 액츄에이터 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 열산화 공정에서는 상기 열산화 온도를 제어함으로써 상기 절연체막의 응력을 조정하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제2의 양태에서, 절연체막의 응력을 보다 확실히 조정할 수 있다.
본 발명의 제3의 양태는 제1 또는 제2의 양태에 따른 액츄에이터 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 열산화 공정에서 확산노(diffusion furnace)에 의하여 상기 지르코늄층을 열산화시키는 것을 특징으로 한다.
이러한 제3의 양태에서, 절연체막의 응력을 더욱 확실히 조정할 수 있다.
본 발명의 제4의 양태는 제1 ~ 제3 중 어느 한 양태에 따른 액츄에이터 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 지르코늄층을 열산화할 때의 온도를 800℃ 이상 1000℃ 이하로 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제4의 양태에서, 지르코늄층을 양호하게 열산화할 수 있고, 상기 절연체막의 응력을 보다 확실히 조정할 수 있다.
본 발명의 제5의 양태는 제1 ~ 제4 중 어느 한 양태에 따른 액츄에이터 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 절연체막 형성 공정은 상기 열산화 공정 이후에 행해지며, 상기 절연체막을 상기 열산화 온도 이하의 온도에서 어닐링(annealing) 처리하고, 해당 절연체막의 응력을 추가로 조정하는 어닐링 처리 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 제5의 양태에서, 진동판을 구성하는 절연체막의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 또, 동일한 웨이퍼내에서의 절연체막의 밀착력의 불균일성도 억제할 수 있다.
본 발명의 제6의 양태는 제1 ~ 제5 중 어느 한 양태의 제조 방법에 따라 제조된 액츄에이터 장치이다.
이러한 제6의 양태에서, 진동판의 내구성을 향상시키고, 압전 소자의 변위 특성에서의 균일화를 이룬 액츄에이터 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 제7의 양태는 제1 ~ 제5 중 어느 한 양태의 제조 방법에 따라 제조된 액츄에이터 장치를 액체 분사 수단으로서 갖는 액체 분사 헤드를 구비하는 액 체 분사 장치이다.
이러한 제7의 양태에서, 진동판의 내구성을 향상시키는 동시에, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량을 향상시킬 수 있고, 액체 방울에 대한 토출 특성을 향상시킨 액체 분사 장치를 실현할 수 있다.
이하에 본 발명을 실시 형태에 근거하여 상세하게 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 잉크젯식 기록 헤드를 나타내는 분해 사시도이다. 도 2(a) 및 (b)는 도 1의 잉크젯식 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다. 도시한 바와 같이, 유로 형성 기판(10)은 본 실시 형태에서 평면인 면방위(plane orientation)(110)를 갖는 단결정(單結晶) 실리콘 기판으로 이루어진다. 탄성막(elastic film)(50)은 미리 열산화에 의해 형성된 이산화 실리콘으로 이루어지며 두께가 0.5 ~ 2 ㎛ 이고, 유로 형성 기판(10)의 한 표면에 설치되어 있다. 상기 유로 형성 기판(10)에서, 복수의 압력 발생실(12)이 상기 유로 형성 기판(10)의 폭 방향으로 병렬 설치되어 있다. 연통부(13)는 상기 유로 형성 기판(10)의 압력 발생실(12)의 긴쪽 방향으로 외측의 영역에 형성된다. 상기 연통부(13)와 각 압력 발생실(12)은 각 압력 발생실(12)마다 설치된 잉크 공급로(14)를 통하여 연통되어 있다. 또한, 연통부(13)는 (후술하는) 보호 기판의 리저버(reservoir)부와 연통하여 각 압력 발생실(12)의 공통의 잉크실로 되는 리저버를 구성한다. 상기 잉크 공급로(14)는 압력 발생실(12)보다 좁은 폭으로 형성되어 있고, 연통부(13)에서부터 압력 발생실(12)로 유입하는 잉크의 유로 저항을 일정하게 유지하고 있다.
또, 유로 형성 기판(10)의 개구 표면상에서, 천공된 노즐 개구를 갖는 노즐 플레이트(nozzle plate)(20)가 접착제나 또는 열 봉지막(heat sealing film) 등에 의해 고착되어 있다. 상기 노즐 개구(21) 각각은 잉크 공급로(14)와는 반대측상에 압력 발생실(12)의 단부의 근방과 연통하고 있다. 상기 노즐 플레이트(20)는 두께가 예를 들면 0.01 ~ 1 mm 이고, 선팽창 계수가 예를 들면 300℃ 이하에서 2.5 ~ 4.5 [×10-6/℃] 인 유리 세라믹스, 단결정 실리콘 기판 또는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어진다.
이와 같은 상기 개구 표면과는 반대측인 유로 형성 기판(10)의 표면상에서, 상술한 바와 같이 예를 들면 두께가 약 1.0 ㎛ 이고, 이산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지는 탄성막(50)이 형성된다. 두께가 예를 들면 약 0.3 ㎛ 이고, 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어지는 절연체막(55)이 탄성막(50)상에 형성되어 있다. 상기 절연체막(55)상에서, 두께가 예를 들면 약 0.2 ㎛ 인 하부 전극막(60)과, 두께가 예를 들면 약 1.0 ㎛ 인 압전체층(70)과, 두께가 예를 들면 약 0.05 ㎛ 인 상부 전극막(80)이 (후술하는) 프로세스에 의해 적층된(laminated) 상태로 형성되어서 압전 소자(300)를 구성하고 있다. 상기 압전 소자(300)는 하부 전극막(60), 압전체층(70) 및 상부 전극막(80)을 포함하는 부분을 말한다. 일반적으로, 압전 소자(300)의 한쪽 전극이 공통 전극으로 사용되고, 다른쪽 전극 및 압전체층(70)은 각 압력 발생실(12)에 패터닝하여 구성한다. 여기서는 패터닝된 어느 한쪽의 전극 및 압전체층(70)으로 구성되고, 양(both) 전극에의 전압 인가에 의해 압전 일그러짐 (distortion)이 발생하는 부분을 압전체 능동부라고 한다. 본 실시 형태에서, 하부 전극막(60)은 압전 소자(300)의 공통 전극으로 사용하고, 상부 전극막(80)은 압전 소자(300)의 개별 전극으로 사용하고 있다. 그러나, 구동 회로나 배선의 편의상 그 사용을 반대로 해도 지장은 없다. 어느 쪽의 경우에 있어서도, 압전체 능동부가 각 압력 발생실마다 형성되게 된다. 여기서, 상기 압전 소자(300)와, 해당 압전 소자(300)의 구동에 의해 변위가 생기는 진동판을 합쳐서 압전 액츄에이터라고 칭한다. 예를 들면, 금(Au) 등으로 이루어지는 리드 전극(90)이 각 압전 소자(300)의 상부 전극막(80)에 접속된다. 상기 리드 전극(90)을 통하여 각 압전 소자(300)에 선택적으로 전압이 인가되어 있다.
상기 압전 소자(300)가 위치된 유로 형성 기판(10)상의 표면에, 압전 소자(300)에 대향하는 영역에 상기 압전 소자의 운동을 저해하지 않는 정도의 공간을 확보할 수 있는 압전 소자 홀딩(holding)부(31)를 갖는 보호 기판(30)이 접합(bond)되어 있다. 상기 압전 소자(300)는 이 압전 소자 홀딩부(31)내에 형성되어 있기 때문에, 외부 환경의 영향을 실질적으로 받지 않는 상태에서 보호되고 있다. 또한, 상기 보호 기판(30)에서, 리저버부(32)가 유로 형성 기판(10)의 연통부(13)에 대응하는 영역에 설치되어 있다. 상기 리저버부(32)는 본 실시 형태에서 보호 기판(30)을 두께 방향으로 관통하여 압력 발생실(12)의 병렬 배열의 방향을 따라서 설치되어 있다. 상술한 바와 같이, 상기 리저버부(32)는 유로 형성 기판(10)의 연통부(13)와 연통되어서 각 압력 발생실(12)의 공통 잉크실로 되는 리저버(100)를 구성하고 있다.
상기 압전 소자 홀딩부(31)와 리저버부(32)와의 사이에서 규정된 상기 보호 기판(30)의 영역에서, 관통공(33)은 보호 기판(30)을 그 두께 방향으로 관통하여 설치된다. 상기 하부 전극막(60)의 일부 및 리드 전극(90)의 선단부가 관통공(33)내에 노출된다. 구동 IC로부터 연장하여 설치되는 접속 배선의 일단(一端)은 도시하지 않으나, 상기 하부 전극막(60) 및 리드 전극(90)에 접속된다.
상기 보호 기판(30)의 재료는 예를 들면 유리, 세라믹스 재료, 금속, 또는 수지이다. 바람직하게는, 상기 보호 기판(30)은 유로 형성 기판(10)의 열팽창율과 거의 동일한 재료로 형성되어 있는 것이다. 본 실시 형태에서, 상기 보호 기판(30)은 유로 형성 기판(10)과 동일한 재료의 단결정 실리콘 기판으로 형성된다.
또한, 봉지막(41) 및 고정판(42)으로 이루어지는 컴플라이언스(compliance) 기판(40)이 보호 기판(30)상에 접합되어 있다. 상기 봉지막(41)은 강성(rigidity)이 낮으며, 가요성(flexibility) 재료(예를 들면, 두께가 6 ㎛ 인 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide)(PPS) 필름)로 이루어지고, 이 봉지막(41)은 리저버부(32)의 한 표면을 밀봉한다. 상기 고정판(42)은 금속과 같은 경질(硬質)의 재료(예를 들면, 두께가 30 ㎛ 인 스테인리스 스틸(SUS) 등)로 형성된다. 상기 리저버(100)에 대향하는 고정판(42)의 영역은 상기 판의 두께 방향으로 완전하게 제거된 개구부(43)로 되어 있다. 이에 따라, 상기 리저버(100)의 한 표면은 가요성을 갖는 봉지막(41)만으로 밀봉되어 있다.
상술한 본 실시 형태의 잉크젯식 기록 헤드에서는 도시하지 않는 외부 잉크 공급 수단으로부터 잉크를 취하고, 상기 리저버(100)로부터 노즐 개구(21)에 이를 때까지 상기 헤드의 내부를 잉크로 채운다. 그 다음에, 구동 IC(도시하지 않음)로부터의 기록 신호에 따라서, 상기 압력 발생실(12)에 대응하는 하부 전극막(60)과 상부 전극막(80)과의 사이에 전압을 인가하여, 탄성막(50), 절연체막(55), 하부 전극막(60) 및 압전체층(70)을 굴곡 변형시킨다. 결과적으로, 압력 발생실(12)내의 압력이 높아져서 노즐 개구(21)를 통하여 잉크 방울이 토출한다.
상술한 바와 같은 잉크젯식 기록 헤드의 제조 방법은 도 3(a) 내지 (d) ~ 도 5(a) 및 (b)를 참조하여 설명한다. 이러한 도면들은 압력 발생실(12)의 긴쪽 방향의 단면도이다. 우선, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼인 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 약 1,100℃ 의 확산노에서 열산화하여, 상기 웨이퍼(110)의 표면상에 탄성막(50)을 구성하는 이산화 실리콘막(51)을 형성한다. 본 실시 형태에서, 두께가 약 625 ㎛ 로 비교적 두껍고 강성이 높은 실리콘 웨이퍼를 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)로서 이용하고 있다.
그 다음에, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 산화 지르코늄으로 이루어지는 절연체막(55)을 상기 탄성막(50)(이산화 실리콘막(51))상에 형성한다. 구체적으로, 예를 들면 DC 스퍼터링법에 의해 소정 두께, 본 실시 형태에서는 약 0.3 ㎛ 인 지르코늄층을 상기 탄성막(50)상에 형성한다. 그리고, 상기 지르코늄층이 형성된 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 예를 들면 확산노에서 가열하여, 상기 지르코늄층을 열산화시킴으로써, 산화 지르코늄으로 이루어지는 절연체막(55)을 형성한다.
상기 지르코늄층의 열산화에 사용하는 확산노(200)는, 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이 일단(一端)에 노(爐)입구(entrance)(201)를 갖고, 타단(他端)에 반응 가스의 송입구(送入口, inlet)(202)를 갖는 노심관(core tube)(203)과, 상기 노심관(203)의 외측에 배치된 히터(204)로 구성된다. 상기 노입구(201)는 셔터(shutter)(205)로 개폐 가능하게 되어 있다. 본 실시 형태에서, 지르코늄층이 형성된 복수의 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 고정 지그(jig, 治具)인 보트(boat)(206)에 고정한다. 상기 보트(206)를 소정 온도로 가열된 확산노(200)내에, 예를 들면 200 mm/min 이상의 속도로 삽입한다. 그 다음에, 상기 셔터(205)를 닫은 상태에서, 상기 웨이퍼(110)를 약 1시간 동안 유지하여 지르코늄층을 열산화시킴으로써 절연체막(55)을 형성한다.
또한, 본 발명에서, 상기 지르코늄층을 열산화시켜서 절연체막(55)을 형성할 때의 열산화 온도, 예를 들면 본 실시 형태에서 확산노의 온도를 제어함으로써 절연체막(55)의 응력을 조정한다. 예를 들면, 본 실시 형태에서, 지르코늄층은 약 900℃ 로 가열한 확산노에서 열산화시킨다. 상기 절연체막(55)의 응력을 조정함으로써, 압전 소자를 형성 후에 이 압전 소자를 구성하는 각 층을 포함하는 막 전체의 응력 밸런스는 양호한 상태로 되고, 응력으로 인해 각각의 막이 벗겨지는 것이나, 또는 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 절연체막(55)을 구성하는 산화 지르코늄(ZrO2)은, 예를 들면 탄성막(50)을 구성하는 산화 실리콘(SiO2)과 같은 다른 재료에 비해 비교적 영률(Young's modulus)이 높으므로, 산화 지르코늄의 응력을 비교적 넓은 범위에서 조정할 수 있다. 따라서, 이와 같은 절연체막(55)의 응력을 조정함으로써, 막 전체의 응력 밸런스를 보다 확실히 양호한 상태로 할 수 있다.
이 열산화 조건의 차이에 따른 절연체막의 응력 변화에 대해 조사한 결과를 설명한다. 이산화 실리콘으로 이루어지는 탄성막상에 임의의 조건하에서 지르코늄층을 각각 갖는 복수의 유로 형성 기판용 웨이퍼를 약 800℃, 850℃, 900℃ 로 가열한 확산노에 삽입하고, 약 60분 동안 열산화시켜서 절연체막을 형성한다. 각 절연체막의 휘어짐량(탄성막의 휘어짐량으로부터의 휘어짐 차분(差分))을 조사하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 여기서 말하는 휘어짐량이란 유로 형성 기판용 웨이퍼의 중심부에서 약 140 mm 의 스팬(span)까지의 절연체막의 휘어짐량이다. 도 7에 나타내는 바와 같이 절연체막의 휘어짐량은 지르코늄층을 열산화시킬 때의 온도(확산노의 온도)에 따라 변화되었다. 이 결과로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 지르코늄층을 열산화시킬 때의 온도를 제어함으로써, 절연체막을 바람직한 응력 상태로 조정할 수 있다. 물론, 절연체막의 응력은 열산화의 온도 뿐만이 아니라, 열산화의 시간을 제어해서도 조정할 수 있다.
본 실시 형태에서, 지르코늄층을 확산노에 의하여 열산화한다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 RTA(Rapid Therma1 Annea1ing)법을 이용하여 열산화해도 된다.
본 실시 형태에서 절연체막(55)을 형성할 때, 즉 지르코늄층을 열산화시킬 때, 절연체막(55)의 응력을 조정한다. 그러나, 지르코늄층을 열산화시켜서 절연체막(55)을 형성하고, 그 다음에 상기 절연체막(55)을 소정 온도에서 추가로 어닐링 처리함으로써, 절연체막(55)의 응력을 추가로 조정할 수 있다.
구체적으로, 상기 지르코늄층을 열산화할 때의 최고 온도 이하에서, 본 실시 형태에서는 900℃ 이하의 온도에서 절연체막(55)을 어닐링 처리하고, 그 때의 온도 및 시간 등의 어닐링 처리의 조건을 변화시킴으로써, 절연체막(55)의 응력을 추가로 조정해도 된다.
이와 같이 절연체막(55)을 어닐링 처리하여 그 응력을 조정함으로써, (후술하는) 공정에 의해 형성되는 압전 소자를 구성하는 각각의 층을 포함하는 막 전체의 응력 밸런스를 보다 양호하게 달성할 수 있고, 이에 따라 응력으로 인해 막이 벗겨지거나, 또는 막의 크랙 발생을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 어닐링 처리 동안의 가열 온도는 지르코늄층을 열산화할 때의 최고 온도 이하로 함으로써, 절연체막(55)의 밀착력을 유지할 수 있다. 유로 형성 기판용 웨이퍼의 면 방향으로 절연체막의 밀착력의 변동을 감소시킬 수 있다는 또다른 효과도 있다.
상기 어닐링 처리시의 가열 온도는 상기 최고 온도 이하이면 특히 한정되지 않지만, 가능한 한 고온으로 하는 것이 바람직하다. 상기 절연체막의 응력은 상술한 바와 같이 가열 온도, 가열 시간과 같은 어닐링 처리시의 조건에 의하여 결정되고, 가열 온도를 높게 하는 것으로, 비교적 단시간에 응력의 조정(어닐링 처리)을 완성할 수 있고, 이에 따라 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
어닐링 처리의 전후에 절연체막의 응력 변화에 대해 조사한 결과에 대해 설명한다. 상기 탄성막상에 형성된 지르코늄층을 열산화시켜서 형성한 절연체막을 가열 온도가 900℃ 이고 가열 시간이 60분인 조건하에서 어닐링 처리하였다. 소정 시간이 경과한 후에 절연체막의 휘어짐량(휘어짐 차분)을 조사하였다. 그 결과를 도 8에 나타낸다. 또한, 여기서 말하는 절연체막의 휘어짐량이란 상기 유로 형성 기판용 웨이퍼의 중심부에서 약 140 mm 스팬까지의 절연체막의 휘어짐량을 말한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 어닐링 처리 이전의 절연체막의 최대 휘어짐량은 약 +30 ㎛ 이다. 즉 어닐링 처리 이전의 절연체막은 탄성막이 오목하게 되도록 휘어진 상태로 되었다. 이와 같은 절연체막의 휘어짐량은 어닐링 처리가 시작된 후 약 15분까지 현저하게 변하고, 그 이후에도 부(negative)의 값 방향으로 계속 서서히 변하였다. 어닐링 처리 60분 경과 후의 절연체막은 최대 휘어짐량이 약 -40 ㎛ 이며, 탄성막측이 볼록하게 되도록 휘어진 상태가 되었다. 이 결과로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 절연체막(55)의 응력은 어닐링 처리하는 것에 의해서도 변화한다. 따라서, 지르코늄층을 열산화시켜서 절연체막을 형성한 후, 이 절연체막을 어닐링 처리함으로써, 절연체막(55)을 보다 바람직한 응력 상태로 조정할 수 있다. 물론, 절연체막의 응력은 어닐링 처리의 시간 뿐만이 아니라, 온도를 제어해서도 조정할 수 있다.
상기 절연체막(55)을 형성한 후에는 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 백금과 이리듐을 절연체막(55)상에 적층하여 하부 전극막(60)을 형성하고, 그 이후에 이 하부 전극막(60)을 소정 형상으로 패터닝한다. 그 다음에, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 티탄산지르콘산연(PZT)으로 이루어지는 압전체층(70)과, 예를 들면 이리듐으로 이루어지는 상부 전극막(80)은 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 표면 전체에 형성한다. 본 실시 형태에서, 금속 유기물을 촉매에 용해 또는 분산하여 졸(sol)을 형성하고, 상기 졸을 코팅 및 건조시켜서 겔(gel)을 형성하 고, 상기 겔을 고온에서 소성함으로써, 금속 산화물로 이루어지는 압전체층(70)을 얻는 이른바 졸-겔 프로세스에 의해 티탄산지르콘산연(PZT)으로 이루어지는 압전체층(70)을 형성하고 있다.
상기 압전체층(70)의 재료로서는, 예를 들면 티탄산지르콘산연(PZT)과 같은 강유전성 압전성 재료나, 또는 이 강유전성 압전성 재료에 니오브(niobium), 니켈, 마그네슘, 비스무트(bismuth) 또는 이트륨과 같은 금속을 첨가한 릴렉서(relaxor) 강유전체이어도 된다. 상기 압전체층(70)의 조성은 압전 소자의 특성, 용도 등을 고려하여 적절히 선택하면 된다. 예를 들면, 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), BiSc03-PbTiO3(BS-PT), BiYb03-PbTiO3(BY-PT) 등을 들 수 있다. 또, 압전체층(70)의 형성 방법은 졸-겔 프로세스로 한정되지 않으며, 예를 들면 M0D(Metal-0rganic Decomposition)법 등을 이용해도 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 적어도 지르코늄층을 열산화시킬 때에, 절연체막(55)의 응력을 조정하였다. 그 대신에 예를 들면 압전체층(70)을 형성할 때에, 그 소성 온도와 같은 조건을 변경시킴으로써 절연체막(55)의 응력을 조정할 수 있다. 그러나, 압전체층(70)의 소성 온도와 같은 조건을 변경하는 경우 압전체층(70) 의 물성이 바뀌게 되기 때문에, 원하는 특성을 얻을 수 없을 우려가 있으므로 바람직하지 않다.
그 다음에, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이 압전체층(70) 및 상부 전극막(80)을 각 압력 발생실(12)에 대향하는 영역에 패터닝하여 압전 소자(300)를 형성한다.다음에, 리드 전극(90)을 형성한다. 구체적으로는 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 금(Au)으로 이루어지는 금속층(91)을 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 표면 전체에 형성한다. 그 다음에, 예를 들면 레지스트로 이루어지는 마스크 패턴(도시하지 않음)을 통하여 금속층(91)을 각 압전 소자(300)에 패터닝하여 리드 전극(90)을 형성한다.
그 다음에, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이 실리콘 웨이퍼이며, 복수의 보호 기판(30)으로 되는 보호 기판용 웨이퍼(130)를, 압전 소자(300)가 형성된 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 표면상에 접합한다. 상기 보호 기판용 웨이퍼(130)는 예를 들면 400 ㎛ 정도의 두께를 갖고 있으며, 이에 따라 보호 기판용 웨이퍼(130)를 접합함으로써 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 강성이 현저하게 향상하게 된다.
그 다음에, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 임의의 두께로 될 때까지 연마(硏磨)한 후, 불화초산으로 웨트-에칭하여 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 소정의 두께로 한다. 예를 들면, 본 실시 형태에서 약 70 ㎛ 의 두께로 되도록 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 에칭하였다. 그 다음에, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 질화 실리콘(SiN)으로 이루어지는 마스크막(52)을 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)상에 새롭게 형성하고, 소정 형상으로 패터닝 한다. 그리고, 이 마스크막(52)을 통하여 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)를 이방성(anisotropic) 에칭함으로써, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)에 압력 발생실(12), 연통부(13) 및 잉크 공급로(14)를 형성한다.
그 다음에, 유로 형성 기판용 웨이퍼(110) 및 보호 기판용 웨이퍼(130)의 외측 둘레 엣지의 불필요한 부분을, 예를 들면 다이싱(dicing)의 수단으로 절단하여 제거한다. 천공된 노즐 개구(21)를 갖는 노즐 플레이트(20)를 상기 보호 기판용 웨이퍼(130)와는 대향하는 상기 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)의 표면에 접합하고, 컴플라이언스 기판(40)을 보호 기판용 웨이퍼(130)에 접합한다. 다른 부재를 포함하는 상기 유로 형성 기판용 웨이퍼(110)는 도 1에 나타내는 바와 같이 하나의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10)으로 분할함으로써, 본 실시 형태의 잉크젯식 기록 헤드를 제공한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서, 산화 지르코늄으로 이루어지는 절연체막(55)을 탄성막(50)상에 형성할 때에, 지르코늄층을 열산화하고, 그 다음에 소정의 조건하에서 어닐링 처리하였다. 이로 인해, 절연체막(55)의 밀착력을 향상시킬 수 있고, 절연체막(55)의 응력을 조정할 수 있다. 따라서, 진동판의 내구성을 개선하고, 압전 소자(300)의 구동에 의한 진동판의 변위량을 향상시킬 수 있고, 잉크 토출 특성을 강화시킨 잉크젯식 기록 헤드를 실현할 수 있다.
또한, 상술한 제조 방법에 의해 제조된 잉크젯식 기록 헤드는 잉크 카트리지(cartridge) 등과 연통하는 잉크 유로를 구비하는 기록 헤드 유닛의 일부로서 잉크젯식 기록 장치상에 탑재된다. 도 9는 그 잉크젯식 기록 장치의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 잉크 공급 수단을 구성하는 카트리지(2A 및 2B)가 잉크젯식 기록 헤드를 갖는 기록 헤드 유닛(1A 및 1B)에 착탈 가능하게 설치되고, 상기 기록 헤드 유닛(1A 및 1B)을 탑재한 캐리지(carriage)(3)는 장치 본체(4)에 장착된 캐리지 축(5)상에 축 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 상기 기록 헤드 유닛(1A 및 1B)은, 예를 들면 각각 블랙 잉크 조성물 및 컬러 잉크 조성물을 각각 토출하는 것이다. 그리고, 구동 모터(6)의 구동력은 복수의 톱니바퀴(gear)(도시하지 않음) 및 타이밍 벨트(7)를 통하여 캐리지(3)에 전달됨으로써, 기록 헤드 유닛(1A 및 1B)을 탑재한 캐리지(3)는 캐리지 축(5)을 따라서 이동한다. 장치 본체(4)는 캐리지 축(5)을 따라서 플래튼(platen)(8)이 설치되어 있고, 급지(給紙) 롤러 등에 의해 급지된 종이와 같은 기록 매체인 기록 시트 S가 플래튼(8)상에 반송되어 있다.
(다른 실시 형태)
이상, 본 발명의 각 실시 형태를 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시 형태에 있어서, 액츄에이터 장치를 액체 토출 수단으로서 구비하고, 액체 분사 장치에 탑재되는 액체 분사 헤드의 일례로서 잉크젯식 기록 헤드를 예시하였으나, 본 발명은 폭넓게 액츄에이터 장치의 전반을 대상으로 한 것이다. 따라서, 물론 본 발명은 잉크 이외의 액체를 분사하는 액체 분사 헤드에도 적용할 수 있다. 그 이외의 액체 분사 헤드는, 예를 들면 프린터와 같은 화상 기록 장치에 이용되는 각종 기록 헤드, 액정 디스플레이와 같은 컬러 필터의 제조에 이용되는 컬러 재료 분사 헤드, 유기 EL 디스플레이와 FED(면 발광 디 스플레이) 등의 전극 형성에 이용되는 전극 재료 분사 헤드, 바이오칩 제조에 이용되는 생체-유기물 분사 헤드 등을 들 수 있다. 또, 본 발명은 액체 분사 헤드에 탑재되는 액츄에이터 장치 뿐만이 아니라, 모든 타입의 장치에 탑재되는 액츄에이터 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 액츄에이터 장치가 탑재되는 다른 장치는, 예를 들면 상술한 액체 분사 헤드 이외에 센서를 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위내에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 진동판의 크랙과 같은 불량을 방지하며, 내구성 및 신뢰성을 향상시킨 액츄에이터 장치의 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공할 수 있다.
Claims (7)
- 기판의 한 표면상에 진동판을 형성하는 공정과,상기 진동판상에 하부 전극, 압전체층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성하는 공정을 구비하고,상기 진동판을 형성하는 공정은 상기 기판의 한 표면에 형성된 탄성막 상에 지르코늄(zirconium)층을 형성하는 막 형성 공정과, 상기 지르코늄 층을 소정의 열산화 온도에서 열산화시켜서 산화지르코늄 층으로 이루어지는 절연체 막을 형성하는 동시에, 상기 절연체 막의 응력(stress)을 조정하는 열산화 공정을 적어도 포함하는 절연체 막 형성 공정을 가지며,상기 절연체 막 형성공정은, 상기 열산화 공정 후에 실시되어 상기 절연체 막을 상기 열산화 온도 이하의 온도에서 어닐링 처리하여 상기 절연체 막의 응력을 추가로 조정하는 어닐링 처리공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 열산화 공정에서, 상기 열산화 온도를 제어함으로써 상기 절연체막의 응력을 조정하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 열산화 공정에서, 확산노(diffusion furnace)에 의하여 상기 지르코늄층을 열산화시키는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 지르코늄층을 열산화할 때의 온도를 800℃ 이상 1000℃ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 어닐링 처리공정에서는,상기 절연체 막의 휘어진 형상을, 상기 탄성막 측이 오목하게 휘어진 형상으로부터, 상기 탄성막 측이 볼록하게 휘어진 형상이 되도록 상기 절연체 막의 응력을 조정하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치의 제조 방법.
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