JP2003309304A - アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法Info
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Abstract
利用した大面積・長尺のアクチュエーター及びインクジ
ェットヘッドの製造方法を提供する。 【解決手段】 接合された単結晶基板(好ましくは、Mg
O, STO, BaTiO3、Yあるいは希土類でドープされてい
ても良いZrO2基板)の上に単結晶圧電膜を成膜し、これ
を振動板構造部材に接合後、上記結晶板を除去し、アク
チュエーター及びインクジェットヘッドの製造する。接
合された基板の接合部を介して測定された表面粗度Raが
15nm以下のものを用いることにより、より優れたデバ
イスを作製することが出来、インクジェットヘッド作製
に利用した場合、高密度・大面積な特性の良いヘッドを
得ることが出来る。
Description
びインクジェットヘッドの製造方法において、単結晶基
板上の圧電膜を振動板構造体に接合し、単結晶基板を除
去するアクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造
方法に関する。特に、大面積のアクチュエータおよびイ
ンクジェットヘッドを作成する場合に有効な製造方法に
関する。また、大面積・高密度のアクチュエータ及びイ
ンクジェットヘッドを作製出来る製造方法である。例え
ば、圧電/電歪膜型素子、中でも主にインクジェットプ
リントヘッド、マイクロホン、発音体(スピーカーな
ど)、各種振動子や発振子、更にはセンサー等に用いら
れるユニモルフ型やバイモルフ型等の屈曲変位を発生さ
せるタイプの圧電/電歪膜型素子等の製造方法に好適に
用いることが出来る。なお、ここで呼称される素子と
は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち機械
的な変位または応力または振動に変換する素子の他、そ
の逆の変換を行う素子をも意味するものである。
て、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する
変位素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素
子が所望されるようになってきており、これに応えるも
のとして、強誘電体の圧電/電歪材料に電界を加えた時
に起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位あ
るいはその逆の現象を利用した素子である、アクチュエ
ータやセンサーの如き圧電/電歪素子の開発が進められ
ている。
等においては、そのような圧電/電歪素子構造として、
従来から知られているユニモルフ型やバイモルフ型が、
好適に採用されている。そして、そこでは、そのような
素子を用いたプリンターの印字品質・印字速度等の向上
が要求されており、それに応えるべく、かかる圧電/電
歪膜型素子の小型高密度化、低電圧駆動化、高速応答性
化、長尺多ノズル化を図るための開発が進められてい
る。
の圧電/電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力
或いは発生電位を得るために、振動板となる基板の厚さ
を薄くすることが重要とされるが、かかる基板の厚さを
減少させると、強度が低下したり、平滑性が低下すると
いう問題があった。しかも、従来のユニモルフ型やバイ
モルフ型の圧電/電歪素子においては、接着剤を用いる
ために信頼性を損ねるという問題点もあった。
号公報には、圧電スピーカーとして、圧電セラミックス
とセラミックス振動板を同時に焼結することで強固な接
合強度をもたらす技術が開示されている。しかしなが
ら、この方法は高温で異種の材料を焼結することから、
振動板の選択が制限され最適な設計が出来ないこと、振
動板及び圧電セラミックスそのものが収縮するため、大
面積でミクロンオーダーの寸応精度を合わせることが困
難であるという問題があった。そのため信頼性の高い大
面積の圧電/電歪素子(アクチュエータ)やインクジェ
ットヘッドを得ることが困難であった。また、より高密
度のヘッドを得るために単結晶系圧電膜を作製し、イン
クジェットヘッドを得る方法として、特開平11-348285
号公報には、単結晶PbTiO3上に成膜された単結晶Pb(Zr,
Ti)O3をインクジェットヘッドに利用する方法が記載さ
れているが、圧電膜上に作製する振動板の緻密性に劣
り、耐久性の良いヘッドを得ることが出来なかった。ま
た、特開2001-113712号公報には、複数枚の単結晶MgO基
板を用いて長尺のインクジェットヘッドを製造する方法
が記載されている。しかし、この方法では、基板を配置
した場合に起こる基板間の間隙の関係から、高密度なヘ
ッドを作製することは不可能であった。また、大面積の
単結晶MgO基板は安定的に製造出来ないことから、単結
晶基板上に作製した単結晶または単一配向結晶の圧電膜
を大面積のアクチュエーター及びインクジェットヘッド
に利用することは不可能であった。
問題点を解決した圧電/電歪膜型素子、特に、アクチュ
エーター及びインクジェットヘッドに好適な新規製造方
法を提供することにある。特に、単結晶圧電膜あるいは
単一配向の多結晶膜を利用した大面積・長尺のアクチュ
エーター及びインクジェットヘッドの製造方法を提供す
ることにある。大面積・長尺のアクチュエータ及びイン
クジェットヘッドを作製する方法として、振動板構造体
に直接圧電膜を成膜した後、加工・成型しデバイスを作
製する方法が一般的であるが、振動板構造体の格子定
数、熱膨張係数の関係で望む特性の圧電膜を成膜出来な
い場合がある。本発明は上記問題も解決した製造方法で
あり、所望の特性を有する圧電膜を大面積・長尺のデバ
イスに応用することが出来る。本発明の目的は、上記課
題を解決するものであり、その製造方法により大面積で
特性のばらつきの少ないアクチュエータ及びインクジェ
ットヘッドを提供することにある。これらは、インクジ
ェットヘッド以外にマイクロホン、発音体(スピーカー
等)、各種振動子・発振子、更には加速度センサー、圧
力センサー、振動センサー、角速度センサー等に好適に
用いられる。
の製造方法は、単結晶基板上に形成された圧電膜を振動
板構造部材に接合した後、単結晶基板を除去しアクチュ
エータを製造するアクチュエータの製造方法であって、
単結晶基板が複数枚の単結晶基板を互いに接合した接合
部を有する基板である。また、接合部の幅が3μm以下
である前記単結晶基板を用いてもよい。また、接合部を
介して測定した単結晶基板の表面粗度Raが15nm以下
であってもよい。また、XRD(X線回折)測定での、ロッ
キングカーブ測定による二本のピーク位置が0.05°から
0.3°離れている単結晶基板が好ましい。また、単結晶
基板がMgO基板、STO基板、BaTiO3基板、Yまたは希土類
がドープされていても良いZrO2基板のうちいずれかであ
ってもよい。また、単結晶基板の厚みが0.05mmから
2.5mmであってもよい。本発明のインクジェットヘッ
ドの製造方法は、単結晶基板上に形成された圧電膜を振
動板構造部材に接合した後、単結晶基板を除去しインク
ジェットヘッドを製造する製造方法であって、単結晶基
板が複数枚の単結晶基板を互いに接合した接合部を有す
る基板である。従って、本発明の製造方法は、高密度で
長尺で特性の良い圧電アクチュエーターおよびインクジ
ェットヘッドを製造できる。また、本発明の製造方法
は、単結晶基板を用いて圧電特性の良い圧電膜を選択で
き、かつ、デバイスサイズが大きくなっても適応でき
る。
合された単結晶基板上の圧電膜を振動板構造体に接合す
る工程、単結晶基板を除去する工程を含む製造方法であ
る。本発明の製造方法は、単結晶基板上に圧電膜を成膜
する工程、圧電膜を振動板構造部材に接合する工程、基
板を除去する工程を有する。図1は本発明の工程を図示
したものである。図1の(a)は基板上に圧電膜を成
膜した状態を示す。(b)は、デバイスの必要性に応じて
圧電膜をパターニングした状態を示す。この工程は必須
ではないが、インクジェットヘッドのデバイス化には好
ましい態様である。(c)は、パターニングされた圧電
膜を振動板構造部材に接合した状態を示す。は接合
に使用した接合層で主に金属材料でできている。(d)
は、接合後に基板を除去した状態である。
晶基板であり、例えば、MgO, STO(SrTiO3), BaTiO3、
Yあるいは希土類でドープされていても良いZrO2基板等
が用いられる。希土類としてはPr,Nd,Eu,Tb,Dy,Ho,Yb,,
Sm,Gd,Er,Laなどである。好ましい結晶面は(10
0)、(111)あるいは(101)である。好ましい
基板は、MgO基板、STO基板またはドープされたZrO2基板
である。また、本発明で用いられる基板は、複数枚の基
板が接合されたものである。そのため、XRD測定でロッ
キングカーブ測定した場合、主ピークから数度異なる一
本以上のピークが測定される。特に本発明で使用される
単結晶基板のロッキングカーブ測定では、主ピークと他
のピークの位置が0.05°から0.3°異なるもので
ある。これに対して、単板の単結晶基板では一本のピー
クしか観測されない(単結晶性の不良な基板では主ピー
クから10°以上離れた位置にピークが出る場合があ
る。)が、本発明の基板は接合面での若干の方位のずれ
が生じるため、このようなXRDピークが観測される。接
合される単板単結晶基板のロッキングカーブ測定では、
ピークの位置のずれは0.3°以下が好ましく、このよう
な数度の方位ずれがあるにもかかわらず、その上に成膜
される圧電膜は十分特性が良いばかりか、この方位のず
れにより大面積成膜をした場合も膜中の応力が適度に分
散され均一な圧電膜が成膜されている可能性がある。本
発明で用いられる基板の膜厚は、0.05mmから2.5mm、
好ましくは、0.1mmから1.2mmである。基板の膜厚
が0.05mm未満の場合は基板面積が大きくなった場合
(例えば、500mm2以上等)に平面性が保持されにくいこ
と、強度に劣ることより好ましくない。平面性が保持さ
れない場合には、単結晶基板上へ圧電膜を成膜する場合
に良好な圧電膜を成膜できにくくなる。また、膜厚が2.
5mmを超えるとアクチュエーターあるいはインクジェッ
トヘッドを作製する工程で基板を除去する際に作業性に
劣ることより好ましくない。
いて例示する。図2は、基板の作成工程を図示したもの
である。図2(a)は、単結晶バルク体を4部重ねたも
のであり、各接触面(イ)での単結晶体の表面は研摩さ
れている。これを加圧下で、高温処理することにより、
(b)の接合体になる。(ロ)は、接合部である。この
接合部(ロ)は、光学的に認識することが出来る。こう
して接合された単結晶体を切断することにより本発明で
使用される接合部を有する大面積の単結晶基板(ハ)を
得ることが出来る。
好なデバイスを得るために接合部(ロ)の幅は3μm以
下の物を用いることが好ましい。より好ましくは、2.2
μm以下である。接合部の幅の測定は、SEM観察により
測定することが出来る。単結晶基板の接合部は屈折率の
違いからか、あるいは格子ミスマッチングからか目視あ
るいは光学顕微鏡で接合部の有無の確認は出来る。この
接合部を横断するように表面粗度を測定した時に、本発
明で用いられる好ましい基板のRaは、15nm以下であ
り、より好ましくは10nm以下である。測定方法は、例
えば、ケーエルエー・テンコール社(KLA Tencor)のテン
コールP-10で、探針圧5mg、スキャン速度5μm/
秒、データー取得周波数500Hzで接合部を挟んで300μm
長を測定することによりされる。接合部の幅が3μmを
超える場合や、Raが15nmを超えると基板内での圧電膜
の結晶性が不良となり、デバイスにした場合に均一性の
良いデバイスが得られにくくなる。
電膜を成膜する。本発明で用いられる圧電膜は単結晶
膜、あるいは単一配向した多結晶膜である。単一配向し
た多結晶膜とは、XRD法(X線回折法)で測定した時に、
圧電膜の特定ピーク強度膜が90%以上ある膜であり、
好ましくは、95%以上である。圧電膜の結晶構造は、
正方晶、菱面体晶、斜方晶のいずれかである。好ましい
結晶方位は<001>、<111>である。
焼結法、スパッタリング法、MBE(分子線ビームエピタ
キシー)法、MOCVD法、ゾルゲル法、ガスデポ法、水熱
法等があるが、好適には、スパッタ法、MBE法、MOCVD
法、ゾルゲル法、水熱法である。基板上に成膜される圧
電膜の膜厚としては、0.8μmから50μm、好ましく
は、1.0μmから10μmである。0.8μm未満では、ア
クチュエーターとしての変位力に劣り、基板2を変位さ
せる十分な力を出せない。また、50μmを超えると、圧
電膜自身の剛性が大きくなり変位量を大きく出来なくな
る事や駆動電圧が大きくなる事等のため好ましくない。
コン酸鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZ
T)、マグネシウムニオブ酸鉛、マグネシウムニオブチ
タン酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、亜鉛ニオブチタン酸鉛等で
ある。これらの材料に微量のドーパントを添加させても
良い。
はないが、長尺のインクジェットヘッドを作製する場合
には、好ましい態様であり、圧電膜と振動板構造部材の
熱膨張係数が異なる材料でも安定してデバイス化するこ
とが出来る。パターニング方法としては、ウェットエッ
チング、ドライエッチング、レジストリフトオフ、メタ
ルマスクによる方法等が用いられる。
としては、直接接合、拡散接合、活性金属法、圧接など
の接合方法を採ることが出来る。好ましくは、活性金属
法であり、用いる金属としてはIn,Pd,Au,Cr,Ni,Cu,Sn,M
o,Ti,Zr,Ag,Pb等の金属を用いることが出来る。接合時
の温度は80℃から500℃で、より好ましくは、100℃から
300℃である。また加圧は、0.5kg/mm2から20kg/mm2で
あり、好ましくは0.8kg/mm2から5kg/mm2である。活性
金属法で接合層に利用した層を電極として利用しても良
い。また、直接接合法としては、例えば「信学技報US95
-24,EMD95-20,CPM95-32」記載の方法等がある。
の基板(積層体も含む)であるか、既に加工された振動
板が作成された物である。振動板構造部材としては、好
ましくは前者である。振動板構造部材に用いられる材
料としては、Si, SUS, Ni、Tiなどの金属材料、ジル
コニア、アルミナ、ガラスなどのセラミックス材料であ
る。好ましくは、金属材料であり、より好ましくは、Si
材料である。特にSi基板の結晶方位が{110}の基板が
好ましい。Si基板としては、SOI基板、SOS基板などを用
いても良い。
チング法あるいは剥離法がある。ウェットエッチング法
は基板が溶解する液媒体を用いて基板を溶解除去す
る方法である。好ましくは基板が再利用出来る剥離法で
ある。剥離法としては、レーザー光剥離、ウォータージ
ェット法、機械的剥離があるが、好ましくは、レーザー
光剥離、機械的剥離である。レーザー光剥離とは圧電膜
界面にレーザー光を照射し、急激な温度上昇による熱分
解あるいは基板間の熱膨張率の差を利用して単結晶基板
から圧電膜を剥がす方法である。使用するレーザーとし
ては、エキシマーレーザー、YAGレーザー、He-Neレーザ
ー、ガスレーザー、半導体レーザー等である。機械的剥
離とは物理的機械力を利用して剥離する方法であり、基
板と圧電膜との間に機械的応力を作用させ基板を
剥離する方法である。
は、上記方法と同様の方法で得られたアクチュエーター
に圧力室と、圧力室と連通したインク供給路及びインク
吐出口となるノズル部を形成する製造方法である。図3
にはインクジェットヘッド作成の工程を図示した。図3
(a)は、図1(d)で説明したアクチュエーターであり、
これにインク室を作製する(図3(b))。はイン
ク室隔壁である。インク室の作成方法としては、Si基板
をエッチングしてインク室を作成する方法、あるいはイ
ンク室を形成した基板と接合する方法、あるいはインク
室隔壁部を成膜し作製する方法があり、いずれの方法
を採っても良い。はインクジェットヘッドの振動板お
よび不図示の下部電極であり、厚みは0.5〜15μm、好
ましくは、1〜5μmである。このような薄膜をウェット
エッチングによって均一に残すためには、振動板構造部
材としては、SOI基板を用いることが好ましい。ま
た、ドライエッチングでインク室を作成しても良い。図
3(c)では、上部電極とインク室を形成したアクチ
ュエーター部にノズル部が形成された部材を接合した
インクジェットヘッドが図示されている。ノズル部を構
成する部材は単層基板であっても多層基板であっても良
い。
r,Niなどの金属膜を成膜し、これらを電極および振動板
として利用する製造方法であっても良い。この場合の金
属振動板の厚みは、圧電膜に対して0.5倍から2.0倍の厚
みが好ましい。このような方法を採る場合は、振動板構
造部材としては、振動板にあたる部分がない部材を用い
る事が出来る。
は、ユニモルフタイプのベンダー型ヘッドを容易に安定
して得ることが出来るが、振動板構造部材をシムとし
て利用し振動板構造部材の両側に圧電膜を接合してバイ
モルフタイプのインクジェットヘッドを作成しても良
い。
バルク体10体を接合・切断し、作製された10mm×100
mmのSTO(SrTiO3)基板(厚み0.15mm・接合部の幅
1.2μm・接合部を介しての表面粗度Ra=5nm)上にス
パッタ法でPZT(001)膜を2.5μm成膜した。PZT膜は[00
1]方位に配向されたの単結晶膜であった。この接合され
たSTO基板のXRD測定でのロッキングカーブ測定では主ピ
ークと0.13°から0.16°ずれた位置にピークが確認され
た。STO基板上のPZT膜上にTi層(20nm厚)を成膜したの
ちAu層(200nm厚)を成膜し接合層を作製した。これ
らをウェットで180dpiの密度になるようエッチングし
た。エッチング後のPZTの一素子の大きさは、幅88μ
m、長さ2.8mmであり、STO基板上にこのPZT素子を680
本並べられている。振動板構造部材としてBがドーピン
グされたSi層が3μm、SiO2層が0.5μmのSi(110)層の
厚みが約400μmのSOI基板(Ra=0.02μm、)上に接合
層としてCr(30nm)、Au(200nm)を成膜した。PZT
上のAu層とSOI基板上のAu層を重ね、10-3Paの減圧下
及び0.3kgf/mm2の加圧下、150℃で1時間加熱して接合し
た。SOI基板上のAu層上にPZT膜が密着性良く接合され
た。これにエキシマーレーザー光(KrF)をSTO基板側か
ら約350mJ/cm2の照射量で照射したところ、STO基板とP
ZTが剥離し、SOI基板上にPZTパターニング体を転写する
ことが出来た。上部電極をAuペーストで作成して、接合
後の圧電膜のPrを測定したところ、約40μC/cm2と良好
な特性であった。Si基板の圧電膜の反対面側からSiO2層
をエッチストップ層としてウェットエッチングにより、
各圧電膜の下部に幅100μm、長さ2mmのインク室を
形成し本発明によるアクチュエーターを得た。これに25
μmΦのノズルを開けたSi基板とインク流路を形成した
2枚のSUS基板を重ね、ノズル部がインク室の端部にく
るよう張り合わせインクジェットヘッドを得た。これか
ら5kHzで液体を吐出させると、約20plの液滴を15m/s
の速度で吐出させる事が出来た。
以外は、実施例1と同様にして圧電膜のパターニング体
を作成し、厚み20μmのTi基板の両側から圧電膜を同時
に接合した。その後、STO基板を剥離し、バイモルフタ
イプのアクチュエーターを得た。Ti基板を電極として利
用し、両側の圧電膜には同じ電位を負荷させ、実施例1
と同様の方法で変位量をレーザー変位計で測定したとこ
ろ、1kHzで1.25μm、10kHzでは0.45μmの変位量
を測定した。また、各素子間のばらつきが少なく良好な
特性を示した。
mm、接合部の幅400nm以下)上へPbTiO3を成膜後、P
ZTの単結晶膜を成膜した。この場合のMgO基板の方位ず
れはロッキングカーブ測定で(400)のピークが0.13°異
なる二本のピークの観測により確認した(図4参照)。
この基板上のPZTの膜質はXRD測定(θ―2θ測定)によ
りピーク強度比から98%以上の単一配向膜であった。
続いて、PbTiO3層をエッチング除去した以外は実施例1
と同様の方法でアクチュエーターを作製したところ、同
様に特性の良いアクチュエーターを得た。また、ロッキ
ングカーブ測定で0.31°の方位ずれのある基板でも同様
に圧電膜の成膜を行ったところ、PZTの膜質は90%の
単一配向膜であったが、作製したアクチュエーターの特
性は若干の変位量は劣るものの、実用性のある変位であ
った。 (実施例4)STO基板でRaが16nm以上の基板を用いて
実施例1と同様にインクジェットヘッドを作成した。実
施例1と同様の評価の結果、ノズル間の吐出ばらつきは
若干大きいものであったが、優れた液体吐出能力が確認
された。
ンクジェットヘッドを一辺が10mmのSTO基板を10枚
用いて行った。各基板上にスパッタ法でPZT(001)単結晶
膜を2.5μm厚で成膜し、デバイス化したところ、基板
間のつなぎの部分でのヘッドを作成することが出来ず、
180dpiで一連にノズルが連続で配列されたヘッドにはな
らなかった。また、各基板毎での圧電膜の膜厚も若干異
なったため、基板位置ごとでインク吐出能力が変わり、
液適量、液滴吐出速度の異なる制御の困難なデバイスと
なった。
の効果がある。本発明の製造方法は、高密度で長尺で特
性の良い圧電アクチュエーターおよびインクジェットヘ
ッドを製造できるという効果がある。また、本発明の製
造方法は、単結晶基板を用いて圧電特性の良い圧電膜を
選択でき、かつ、デバイスサイズが大きくなっても適応
できるという効果がある。
す図である。
(400)のピークが0.13°異なる二本のピークの観測によ
り確認されたことを示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 単結晶基板上に形成された圧電膜を振動
板構造部材に接合した後、前記単結晶基板を除去しアク
チュエータを製造するアクチュエータの製造方法であっ
て、 前記単結晶基板が複数枚の単結晶基板を互いに接合した
接合部を有する基板であることを特徴とするアクチュエ
ータの製造方法。 - 【請求項2】 前記接合部の幅が3μm以下である前記
単結晶基板を用いることを特徴とする請求項1に記載の
アクチュエータの製造方法 - 【請求項3】 前記接合部を介して測定した前記単結晶
基板の表面粗度Raが15nm以下であることを特徴とす
る請求項1または請求項2に記載のアクチュエータの製
造方法。 - 【請求項4】 XRD(X線回折)測定での、ロッキングカ
ーブ測定による二本のピーク位置が0.05°から0.3°離
れている前記単結晶基板であることを特徴とする請求項
1から請求項3のいずれか1項に記載のアクチュエータ
の製造方法。 - 【請求項5】 前記単結晶基板がMgO基板、STO基板、Ba
TiO3基板、Yまたは希土類がドープされていても良いZrO
2基板のうちいずれかであることを特徴とする請求項1
から請求項4のいずれか1項に記載のアクチュエータの
製造方法。 - 【請求項6】 前記単結晶基板の厚みが0.05mmから
2.5mmであることを特徴とする請求項1から請求項5
のいずれか1項に記載のアクチュエータの製造方法。 - 【請求項7】 単結晶基板上に形成された圧電膜を振動
板構造部材に接合した後、前記単結晶基板を除去しイン
クジェットヘッドを製造する製造方法であって、 前記単結晶基板が複数枚の単結晶基板を互いに接合した
接合部を有する基板であることを特徴とするインクジェ
ットヘッドの製造方法。
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