JP2005072473A - 圧電体パターンの形成方法、圧電体パターン、圧電体素子、液滴吐出ヘッド、センサ、及びデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 任意の平面形状を有する圧電体薄膜を低コストで、かつ短いタクトタイムで形成することが可能となる圧電体パターンの形成方法、並びに圧電体パターンを提供する。
【解決手段】 圧電体層を形成するための圧電体材料に対して相対的に高い親和性を有する高親和性領域A1(第1の領域)と、前記高親和性領域に比して前記圧電体材料に対する親和性が低い低親和性領域A2(第2の領域)とを基板1上に形成する工程(a)と、前記基板1上に圧電体材料を供給し、前記高親和性領域A1に前記圧電体材料を配置して圧電体層10を形成する工程(b)と、を含む形成方法とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 圧電体層を形成するための圧電体材料に対して相対的に高い親和性を有する高親和性領域A1(第1の領域)と、前記高親和性領域に比して前記圧電体材料に対する親和性が低い低親和性領域A2(第2の領域)とを基板1上に形成する工程(a)と、前記基板1上に圧電体材料を供給し、前記高親和性領域A1に前記圧電体材料を配置して圧電体層10を形成する工程(b)と、を含む形成方法とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、圧電体パターンの形成方法、圧電体パターン、圧電体素子、液滴吐出ヘッド、及びデバイスに関するものである。
従来、圧電体素子は、一般的に、多結晶体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極及び下部電極と、を備えた構造を有している。
この圧電体薄膜の組成は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という)を主成分とする二成分系、または、この二成分系のPZTに第三成分を加えた三成分系とされている。これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザーアブレーション法及びCVD法等により形成することができる。
上記圧電体薄膜素子を、液滴吐出式記録ヘッドに適用する場合、0.5μm〜20μm程度の膜厚を備えた圧電体薄膜(PZT膜)が必要となり、また、この圧電体薄膜には、高い圧電ひずみ定数が要求される。
この圧電体薄膜の組成は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という)を主成分とする二成分系、または、この二成分系のPZTに第三成分を加えた三成分系とされている。これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、レーザーアブレーション法及びCVD法等により形成することができる。
上記圧電体薄膜素子を、液滴吐出式記録ヘッドに適用する場合、0.5μm〜20μm程度の膜厚を備えた圧電体薄膜(PZT膜)が必要となり、また、この圧電体薄膜には、高い圧電ひずみ定数が要求される。
一方、上記圧電体薄膜素子の上部電極および下部電極を構成する材料としては、白金、イリジウム、ルテニウム、チタン、金、ニッケル等、種々の導電体が使用されている。
また、近年、上記のような圧電体素子を用いた種々の液滴吐出式記録ヘッドが提案されており、従来の圧電体素子の製造方法では、上部電極の形成を、下部電極上に基板全面に成膜した圧電体薄膜の上に白金などの金属膜をスパッタ法などにより基板全面に成膜した後、フォトリソグラフィ法により、圧電体薄膜とともに不要部分をエッチング除去することで行うか、あるいはスクリーン印刷などの印刷法により行うものとしていた。(例えば、特許文献1参照。)
特開平5−286131号公報
また、近年、上記のような圧電体素子を用いた種々の液滴吐出式記録ヘッドが提案されており、従来の圧電体素子の製造方法では、上部電極の形成を、下部電極上に基板全面に成膜した圧電体薄膜の上に白金などの金属膜をスパッタ法などにより基板全面に成膜した後、フォトリソグラフィ法により、圧電体薄膜とともに不要部分をエッチング除去することで行うか、あるいはスクリーン印刷などの印刷法により行うものとしていた。(例えば、特許文献1参照。)
しかしながら、フォトリソグラフィ法では、材料の使用効率が悪く、また工程が煩雑となるため、高コストとなりタクトタイムも大きくなるという問題が、印刷法では、微細パターンの形成が困難で、またパターンごとにマスクを作製しなくてはならないという問題がある。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、任意の平面形状を有する圧電体薄膜を低コストで、かつ短いタクトタイムで形成することが可能となる圧電体パターンの形成方法、並びに圧電体パターンを提供することを目的としている。
また本発明は、先の圧電体パターンを備える圧電体素子、液滴吐出ヘッド、センサ、及びデバイスを提供することを目的としている。
また本発明は、先の圧電体パターンを備える圧電体素子、液滴吐出ヘッド、センサ、及びデバイスを提供することを目的としている。
本発明は、上記課題を解決するために、基体上に所定平面形状の圧電体層を形成する圧電体パターンの形成方法であって、圧電体層を形成するための圧電体材料に対して高い親和性を有する第1の領域と、前記第1の領域に比して前記圧電体材料に対する親和性が低い第2の領域とを前記基体上に形成する工程と、前記基体上に圧電体材料を供給し、前記第1の領域に前記圧電体材料を配置する工程と、を含むことを特徴とする圧電体パターンの形成方法を提供する。
本発明によれば、液体状や気体状の圧電体材料を用いて基板上に圧電体層を形成する場合などにおいて、その圧電体材料を基板上に塗布、堆積などする前に、かかる基板に、前記圧電体材料に対して相対的に高い親和性を有する第1の領域と、相対的に低い親和性を有する第2の領域とを形成しておく。ここで、相対的に低い親和性を有する第2の領域では基板に圧電体材料が付着し難く、第1の領域では圧電体材料が形成され易い。したがって、本発明によれば、基板上において所定平面形状の第1の領域を形成するとともに、係る第1の領域を囲むように前記第2の領域を形成しておき、第1の領域内に圧電体材料を充填することなどにより、圧電体層の形状(線幅、曲線形状、断面形状など)を容易にかつ高精度に制御することができる。
また、本発明によれば、圧電体材料を基板全面に塗布などした場合であっても、相対的に低い親和性を有する第2の領域に塗布された圧電体材料はその領域から弾き出される作用を受けるので、エッチングを行うことなく極めて簡便に高精度な圧電体パターンを、高効率、低コストにて形成することができる。
また、本発明によれば、圧電体材料を基板全面に塗布などした場合であっても、相対的に低い親和性を有する第2の領域に塗布された圧電体材料はその領域から弾き出される作用を受けるので、エッチングを行うことなく極めて簡便に高精度な圧電体パターンを、高効率、低コストにて形成することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記第1の領域及び第2の領域が形成された基体上に前記圧電体材料のミストを供給することにより、前記第1の領域に前記圧電体材料のパターンを形成することができる。
この形成方法によれば、基体上に供給される圧電体材料がサブミクロンオーダーの液滴であるミストとして供給されるので、前記第1の領域に形成する圧電体パターンが微細なものであっても、極めて高精度、かつ容易に形成することが可能になる。
この形成方法によれば、基体上に供給される圧電体材料がサブミクロンオーダーの液滴であるミストとして供給されるので、前記第1の領域に形成する圧電体パターンが微細なものであっても、極めて高精度、かつ容易に形成することが可能になる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記第1の領域及び第2の領域が形成された基体上に、CVD法を用いて前記圧電体材料を堆積させることにより、前記第1の領域に前記圧電体材料のパターンを形成することもできる。
この形成方法によっても、極めて高精度に微小な圧電体パターンを、前記第1の領域に選択的に形成することができ、優れた圧電特性を備えた圧電体パターンを低コストで形成することができる。
この形成方法によっても、極めて高精度に微小な圧電体パターンを、前記第1の領域に選択的に形成することができ、優れた圧電特性を備えた圧電体パターンを低コストで形成することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を、表面修飾膜を用いて形成することが好ましい。すなわち、基体表面の所定領域に所定の親和性を付与するべく表面修飾膜を設けることが好ましい。このような形成方法とすることで、極めて容易に基体表面の特性を制御することが可能になり、低コストで圧電体パターンを形成できるようになる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を、基体上に所定形状のマスク層を形成した後、前記基体上に表面修飾膜を成膜し、その後前記マスク層を除去することにより形成することができる。
この場合において、本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記マスク層を、フォトリソグラフィ法により形成することが好ましい。
この形成方法によれば、一般的な半導体製造装置を用いて簡便かつ高精度に上記第1の領域及び第2の領域を形成することができる。すなわち、基板上にレジストを形成し、露光、現像処理することで、上記マスク層を容易に形成できる。また、基板上に選択配置されるマスク層は、インクジェットノズルなどから液体材料を滴下する液滴吐出方式により形成することもできる。
この場合において、本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記マスク層を、フォトリソグラフィ法により形成することが好ましい。
この形成方法によれば、一般的な半導体製造装置を用いて簡便かつ高精度に上記第1の領域及び第2の領域を形成することができる。すなわち、基板上にレジストを形成し、露光、現像処理することで、上記マスク層を容易に形成できる。また、基板上に選択配置されるマスク層は、インクジェットノズルなどから液体材料を滴下する液滴吐出方式により形成することもできる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記基体上に表面修飾膜を成膜し、該表面修飾膜における所望部分を除去することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することもできる。
この形成方法によれば、レジストパターンなどからなるマスク層を形成することなく、すなわちフォトリソグラフィ法などを用いることなく、所望形状の表面修飾膜からなる第1の領域又は第2の領域を形成することができる。
この形成方法によれば、レジストパターンなどからなるマスク層を形成することなく、すなわちフォトリソグラフィ法などを用いることなく、所望形状の表面修飾膜からなる第1の領域又は第2の領域を形成することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記基体上に表面修飾膜を成膜し、該表面修飾膜における所望部分の表面特性を選択的に改質することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することもできる。
この形成方法によれば、表面修飾膜の表面特性が改質された領域と改質されない領域との、圧電体材料に対する親和性の差異を利用して圧電体材料の選択配置を行うことができる。また、表面修飾膜の表面特性を簡易かつ高精度に制御できるため、圧電体材料に対する親和性をより高度に制御でき、従って圧電体パターンの形状制御性にも優れた形成方法となる。
この形成方法によれば、表面修飾膜の表面特性が改質された領域と改質されない領域との、圧電体材料に対する親和性の差異を利用して圧電体材料の選択配置を行うことができる。また、表面修飾膜の表面特性を簡易かつ高精度に制御できるため、圧電体材料に対する親和性をより高度に制御でき、従って圧電体パターンの形状制御性にも優れた形成方法となる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、電子線、イオンビーム、及び光のうち少なくとも1種類を前記表面修飾膜に照射することにより前記表面修飾膜の除去ないし表面特性の改質を行うこともできる。
電子線、イオンビーム及び光は、極めて微小なスポットにでき、簡易にかつ高精度に位置制御することができるので、圧電体パターンの線幅などの形状を簡易にかつ高精度に制御することができる。したがって、本発明によれば極めて微細な圧電体パターンを簡易に製造することができる。
電子線、イオンビーム及び光は、極めて微小なスポットにでき、簡易にかつ高精度に位置制御することができるので、圧電体パターンの線幅などの形状を簡易にかつ高精度に制御することができる。したがって、本発明によれば極めて微細な圧電体パターンを簡易に製造することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記光の波長が、250nm以下であることが好ましい。この形成方法によれば、上記波長範囲の高エネルギーの光により表面修飾膜をその種類によらず除去することができるので、表面修飾膜の形成領域と非形成領域とを正確に区画でき、もって圧電体パターンを正確に形成することが可能になる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記圧電体材料に対する親和性の異なる2種類の前記表面修飾膜を用い、前記2種類の表面修飾膜のうち、相対的に高い前記親和性を有する表面修飾膜により前記第1の領域を形成し、相対的に低い前記親和性を有する表面修飾膜により前記第2の領域を形成することもできる。
この形成方法によれば、2種類の表面修飾膜を基体上に形成することで上記第1の領域と第2の領域を形成するので、圧電体材料に対する親和性をそれぞれの領域(表面修飾膜)にて独立に制御することができる。従って、上記第1の領域に形成される圧電体層の形状をより高度に制御することができる。
この形成方法によれば、2種類の表面修飾膜を基体上に形成することで上記第1の領域と第2の領域を形成するので、圧電体材料に対する親和性をそれぞれの領域(表面修飾膜)にて独立に制御することができる。従って、上記第1の領域に形成される圧電体層の形状をより高度に制御することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、所定の転写形状を有する転写型を用い、前記転写型の転写面に前記表面修飾膜を成膜した後、該表面修飾膜を前記基体上の所定領域に転写することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することもできる。
この形成方法によれば、転写型の転写面に形成した表面修飾膜を基体表面に転写するので、例えば1つの転写型を繰り返し使用して同一パターンの表面修飾膜を基体上に複数形成することができ、表面修飾膜を簡便、かつ効率よく形成することができる。
この形成方法によれば、転写型の転写面に形成した表面修飾膜を基体表面に転写するので、例えば1つの転写型を繰り返し使用して同一パターンの表面修飾膜を基体上に複数形成することができ、表面修飾膜を簡便、かつ効率よく形成することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記表面修飾膜の基体への転写を、マイクロコンタクトプリンティングにより行うことが好ましい。
この形成方法では、凸版印刷の一種であるマイクロコンタクトプリンティング(μCP)により所望パターンの表面修飾膜を基体上に形成することができる。
この形成方法では、凸版印刷の一種であるマイクロコンタクトプリンティング(μCP)により所望パターンの表面修飾膜を基体上に形成することができる。
上記転写型を用いる形成方法において、前記転写面と表面修飾膜との密着性は、前記基体と表面修飾膜との密着性より弱くなるように前記転写型及び表面修飾膜並びに基体の材質が選定されていることが好ましい。あるいは、前記転写面と表面修飾膜との密着性は、前記基体と表面修飾膜との密着性より弱くなるように前記転写型及び表面修飾膜並びに基体の所望部位を温度制御することが好ましい。
これらの形成方法を適用することにより、転写型から基体への表面修飾膜の転写を簡便かつ良好に行うことができ、表面修飾膜の形状制御性にも優れたものとなる。
これらの形成方法を適用することにより、転写型から基体への表面修飾膜の転写を簡便かつ良好に行うことができ、表面修飾膜の形状制御性にも優れたものとなる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記転写型を基体上面に押圧して前記表面修飾膜を基体上に接着させた後、アブレーションさせて前記表面修飾膜を前記転写型から剥離し、前記表面修飾膜の転写を行うことが好ましい。
この形成方法によれば、転写型上に成膜された表面修飾膜を基板に転写する際、レーザなどを転写面上の表面修飾膜に照射してアブレーションさせ、転写型から表面修飾膜を高精度に剥離することができる。
この形成方法によれば、転写型上に成膜された表面修飾膜を基板に転写する際、レーザなどを転写面上の表面修飾膜に照射してアブレーションさせ、転写型から表面修飾膜を高精度に剥離することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記表面修飾膜として、自己組織化単分子膜を用いることが好ましい。
本発明によれば、自己組織化単分子膜を用いて前記第1の領域又は第2の領域を形成するので、第1の領域及び第2の領域の形状を極めて高精度に制御することができ、またかかる領域の親和性の程度を極めて高精度に制御することができる。ここで、自己組織化単分子膜(SAMs:Self-Assembled Monolayers)は、固体表面へ分子を固定する方法であって高配向・高密度な分子層が形成可能な方法である自己組織化(SA:Self-Assembly)法によって作製される膜である。自己組織化法は、オングストロームオーダで分子の環境及び幾何学的配置を操作できる。
また、自己組織化単分子膜は、有機分子の固定化技術の有力な一手段となり作製法の簡便さと分子と基板間に存在する化学結合のために膜の熱的安定性も高く、オングストロームオーダの分子素子作製のための重要技術である。また、自己組織化単分子膜は、基本的に自己集合プロセスであり、自発的に微細パターンを形成することができる。したがって、自己組織化単分子膜は、超微小電子回路で用いられるような、すなわち既存のリソグラフィー法が使えないような、緻密で高度なパターン形成を簡便に形成することができる。したがって、本発明によれば、極めて微細な圧電体パターンを簡便にかつ高精度に形成することができる。
本発明によれば、自己組織化単分子膜を用いて前記第1の領域又は第2の領域を形成するので、第1の領域及び第2の領域の形状を極めて高精度に制御することができ、またかかる領域の親和性の程度を極めて高精度に制御することができる。ここで、自己組織化単分子膜(SAMs:Self-Assembled Monolayers)は、固体表面へ分子を固定する方法であって高配向・高密度な分子層が形成可能な方法である自己組織化(SA:Self-Assembly)法によって作製される膜である。自己組織化法は、オングストロームオーダで分子の環境及び幾何学的配置を操作できる。
また、自己組織化単分子膜は、有機分子の固定化技術の有力な一手段となり作製法の簡便さと分子と基板間に存在する化学結合のために膜の熱的安定性も高く、オングストロームオーダの分子素子作製のための重要技術である。また、自己組織化単分子膜は、基本的に自己集合プロセスであり、自発的に微細パターンを形成することができる。したがって、自己組織化単分子膜は、超微小電子回路で用いられるような、すなわち既存のリソグラフィー法が使えないような、緻密で高度なパターン形成を簡便に形成することができる。したがって、本発明によれば、極めて微細な圧電体パターンを簡便にかつ高精度に形成することができる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記自己組織化単分子膜として、有機ケイ素化合物とチオール化合物の少なくとも一方を含むものを用いることが好ましい。
本発明によれば、有機ケイ素化合物(シランカップリング剤)又はチオール化合物を使用して、前記第1の領域又は第2の領域を形成する自己組織化単分子膜をつくることができる。チオール化合物とは、メルカプト基(−SH)を持つ有機化合物(R1−SH)の総称である。シランカップリング剤とは、R2 nSiX4−nで表される化合物である。特に、R1又はR2がCnF2n+1CmH2mであるようなフッ素原子を有する化合物は、他材料との親和性が小さいので上記第2の領域を形成する自己組織化単分子膜の材料として好適である。また、メルカプト基又は−COOHを有する化合物は、他材料との親和性が高く、上記第1の領域を形成する自己組織化単分子膜の材料として好適である。
本発明によれば、有機ケイ素化合物(シランカップリング剤)又はチオール化合物を使用して、前記第1の領域又は第2の領域を形成する自己組織化単分子膜をつくることができる。チオール化合物とは、メルカプト基(−SH)を持つ有機化合物(R1−SH)の総称である。シランカップリング剤とは、R2 nSiX4−nで表される化合物である。特に、R1又はR2がCnF2n+1CmH2mであるようなフッ素原子を有する化合物は、他材料との親和性が小さいので上記第2の領域を形成する自己組織化単分子膜の材料として好適である。また、メルカプト基又は−COOHを有する化合物は、他材料との親和性が高く、上記第1の領域を形成する自己組織化単分子膜の材料として好適である。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記圧電体材料を配置された基体を熱処理することにより前記基体上に圧電体層を形成することもできる。すなわち、液相で基体上に供給された圧電体材料を、熱処理により乾燥、脱脂等することで、圧電体層とする形成方法が適用できる。
本発明の圧電体パターンの形成方法では、前記圧電体層が、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3:PZT)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3:PLZT)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)TiO3:PMN−PT)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn、Nb)TiO3:PZN−PT)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc、Nb)TiO3:PSN−PT)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni、Nb)TiO3:PNN−PT)、(Ba1−xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3のうちいずれかの物質を含むことが好ましい。
係る形成方法によれば、強誘電体からなる圧電体層のパターンを形成でき、圧電体素子に用いて好適な圧電体パターンを簡便かつ高精度に形成することができる。
係る形成方法によれば、強誘電体からなる圧電体層のパターンを形成でき、圧電体素子に用いて好適な圧電体パターンを簡便かつ高精度に形成することができる。
次に、本発明は、先のいずれかに記載の形成方法により得られた圧電体パターンを提供する。すなわち、本発明によれば、平面形状を高精度に制御され、かつエッチング工程を経ていないことで欠陥が少ない圧電体層を構成要素とする圧電体パターンを提供することができる。
次に、本発明の圧電体素子は、先に記載の圧電体パターンを備えたことを特徴とする。この構成によれば、平面形状を高精度に制御され、かつ欠陥が少なく圧電特性に優れる圧電体素子を提供することができる。
次に、本発明の液滴吐出ヘッドは、先の本発明の圧電体素子を備えたことを特徴とする。この構成によれば、簡便かつ低コストにて製造でき、高性能の圧電体素子を備えた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
次に、本発明のセンサは、先の本発明の圧電体パターンを備えたことを特徴とする。この構成によれば、簡便かつ低コストにて製造できる圧電体層を有し、高性能の表面弾性波センサが提供される。
次に、本発明のデバイスは、先の本発明の圧電体パターンを備えたことを特徴とする。この構成によれば、簡便かつ低コストにて製造でき、かつ特性に優れる圧電体層を有する圧電アクチュエータ、薄膜コンデンサ、周波数フィルタ、光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器等のデバイスが提供される。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(圧電体パターンの形成方法)
本発明に係る圧電体パターンの形成方法では、まず、圧電体パターンを形成する基体の表面特性に、圧電体パターンを形成するための圧電体材料に対する選択性を付与する工程を行う。ここで、基体の表面特性に選択性を付与するとは、基体の表面に前記圧電体材料に対する濡れ性等の異なる複数の領域を形成することである。具体的には、前記圧電体材料に対する親和性を有する第1の領域と、この第1の領域よりも前記圧電体材料に対する親和性の小さい第2の領域とを形成する。
そして、後続の工程で、これらの領域の親和性(表面特性)の差を利用し、各領域間での材料の堆積速度や基体との密着性における選択性により、前記第1の領域に選択的に圧電体材料のパターンを形成する。その後、必要に応じて所定の処理を行うことにより、前記圧電体材料から圧電体層を形成し、所定平面形状を有する圧電体パターンを得る。
(圧電体パターンの形成方法)
本発明に係る圧電体パターンの形成方法では、まず、圧電体パターンを形成する基体の表面特性に、圧電体パターンを形成するための圧電体材料に対する選択性を付与する工程を行う。ここで、基体の表面特性に選択性を付与するとは、基体の表面に前記圧電体材料に対する濡れ性等の異なる複数の領域を形成することである。具体的には、前記圧電体材料に対する親和性を有する第1の領域と、この第1の領域よりも前記圧電体材料に対する親和性の小さい第2の領域とを形成する。
そして、後続の工程で、これらの領域の親和性(表面特性)の差を利用し、各領域間での材料の堆積速度や基体との密着性における選択性により、前記第1の領域に選択的に圧電体材料のパターンを形成する。その後、必要に応じて所定の処理を行うことにより、前記圧電体材料から圧電体層を形成し、所定平面形状を有する圧電体パターンを得る。
本発明に係る圧電体パターンの形成方法としては、圧電体材料に対する親和性において異なる第1の領域と第2の領域の形態の別に応じて、以下の第1〜第3の形成方法を適用できる。
<第1の形成方法>
図1は、本発明に係る圧電体パターンの第1の形成方法を示す模式断面図である。
まず、図1(a)に示すように、基板(基体)1の表面に部分的に自己組織化単分子膜(表面修飾膜)2aを形成する。これにより、圧電体材料に対する親和性において、基板1表面より小さい親和性を有する低親和性領域(第2の領域)A2が形成され、この自己組織化単分子膜2aの形成領域以外の基板1の表面が、前記圧電体材料に対して相対的に高い親和性を有する高親和性領域(第1の領域)A1となる。
基板1としては、ガラス、シリコン、セラミックなど任意のものを適用することができ、係る基板1の表面に、半導体膜、金属膜、誘電体膜等が設けられたものであってもよい。
<第1の形成方法>
図1は、本発明に係る圧電体パターンの第1の形成方法を示す模式断面図である。
まず、図1(a)に示すように、基板(基体)1の表面に部分的に自己組織化単分子膜(表面修飾膜)2aを形成する。これにより、圧電体材料に対する親和性において、基板1表面より小さい親和性を有する低親和性領域(第2の領域)A2が形成され、この自己組織化単分子膜2aの形成領域以外の基板1の表面が、前記圧電体材料に対して相対的に高い親和性を有する高親和性領域(第1の領域)A1となる。
基板1としては、ガラス、シリコン、セラミックなど任意のものを適用することができ、係る基板1の表面に、半導体膜、金属膜、誘電体膜等が設けられたものであってもよい。
自己組織化単分子膜の形成方法としては、例えば、次のように行う。先ず、基板1の表面に金などを真空蒸着等させる。その後、基板1を洗浄する。その後、チオール類の数μ〜数十μmol/lエタノール溶液に、所定時間侵漬し、自己組織化単分子膜を作成する。その後、エタノール、純水の順に金表面を洗浄する。必要であれば、金表面を窒素雰囲気化で乾燥させる。以上で自己組織化単分子膜が形成される。この自己組織化単分子膜の形成方法は、以降でのべる各種方法に用いることができる。
そして、基板1の表面における低親和性領域A2となる部分全体上に、基板1表面より圧電体材料に対する親和性の小さい自己組織化単分子膜2aをパターン形成することで、所望パターンの低親和性領域A2を形成する。自己組織化単分子膜2aは、後続の工程で基板上に供給される圧電体材料の基板への付着を防止し得るものとする。
自己組織化単分子膜2aは、基板1の構成元素と反応可能な結合性官能基と、それ以外の直鎖分子とからなり、この直鎖分子の相互作用により極めて高い配向性を有する化合物を形成した膜である。この膜は、単分子を配向させていることから膜厚を極めて薄くすることができ、しかも分子レベルで均一な膜となる。このような構造により、膜表面には同じ分子が配列されることとなり、基板1の表面に均一かつ優れた選択性を付与することが可能になる。
例えば、このような特性を備えた自己組織化単分子膜2aは、シランカップリング剤(有機珪素化合物)やチオール化合物を用いて形成することができる。チオール化合物とは、メルカプト基(−SH)を持つ有機化合物(R1−SH)の総称をいう。シランカップリング剤とは、R2 nSiX4−nで表される化合物である。特に、R1又はR2がCnF2n+1CmH2mであるようなフッ素原子を有する化合物は、他材料との親和性が小さく、低親和性領域を形成する材料として好適である。
次に、図1(b)に示すように、基板1の表面における自己組織化単分子膜2aからなる低親和性領域A2以外の部分(すなわち高親和性領域A1)に圧電体材料を配置することで圧電体層10を形成する。
圧電体層10の具体的組成としては、特に限定されるものではないが、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3:PZT)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3:PLZT)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)TiO3:PMN−PT)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn、Nb)TiO3:PZN−PT)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc、Nb)TiO3:PSN−PT)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni、Nb)TiO3:PNN−PT)、(Ba1−xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3のうちいずれかであることが好ましい。例えば、マグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛であれば、Pb(Mg1/3Nb2/3)0.1Zr0.504Ti0.396O3という組成が好適である。
圧電体層10の具体的組成としては、特に限定されるものではないが、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3:PZT)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3:PLZT)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)TiO3:PMN−PT)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn、Nb)TiO3:PZN−PT)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc、Nb)TiO3:PSN−PT)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni、Nb)TiO3:PNN−PT)、(Ba1−xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3のうちいずれかであることが好ましい。例えば、マグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛であれば、Pb(Mg1/3Nb2/3)0.1Zr0.504Ti0.396O3という組成が好適である。
この基板1表面への圧電体材料の供給には、PVD法やCVD法等の気相法、あるいはゾルゲル法等の液相法のいずれも用いることができ、本実施形態では、液相法を用いた場合について以下に説明する。
尚、気相法を用いる場合、圧電体層10を構成する材料の気体やプラズマを基板1上に供給し、堆積させることにより高親和性領域A1に選択的に圧電体層10を形成することができる。
尚、気相法を用いる場合、圧電体層10を構成する材料の気体やプラズマを基板1上に供給し、堆積させることにより高親和性領域A1に選択的に圧電体層10を形成することができる。
液相法を用いる本実施形態の形成方法では、圧電体層10の構成物質を含む材料の溶液を基板1上に供給することにより、高親和性領域A1上に選択的に圧電体材料(溶液)を付着させ、圧電体層10を形成する。例えば、PZT(ジルコニウム酸チタン酸鉛;Pb(Zr,Ti)O3)からなる圧電体層10を形成する場合、PZTを酢酸系溶媒に溶かした溶液を用いることができ、この酢酸系溶媒は以下の方法で作製することができる。
[酢酸系溶媒の製造方法]
まず、酢酸鉛・三水和物(Pb(CH3COO)2・3H2O)、ジルコニウムアセチルアセトナート(Zr(CH3COCHCOCH3)4)および酢酸マグネシウム・三水和物(Mg(CH3COO)2・3H2O)を、酢酸を溶媒として攪拌する。初期は室温で攪拌し、次いで100℃程度の雰囲気下で10分から20分間程度攪拌し、室温下で冷却する。次いでチタニウムテトライソプロポキシド(Ti(O−i−C3H7)4)およびペンタエトキシニオブ(Nb(OC2H5)5)を加えて攪拌する。さらにブトキシエタノール(C4H9OC2H4OH)を加えて室温下で5分間程度攪拌する。3%塩酸アルコールを加えて室温下で5分間程度攪拌する。さらにアセチルアセトン(CH3COCH2COCH3)を加えて室温にて60分間程度攪拌する。最後に、ポリエチレングリコール(HO(C2H4)nH)を加えて室温下で5分間程度攪拌する。以上の工程によって酢酸系溶媒が完成する。但し、溶媒等はこれに限るものではない。
まず、酢酸鉛・三水和物(Pb(CH3COO)2・3H2O)、ジルコニウムアセチルアセトナート(Zr(CH3COCHCOCH3)4)および酢酸マグネシウム・三水和物(Mg(CH3COO)2・3H2O)を、酢酸を溶媒として攪拌する。初期は室温で攪拌し、次いで100℃程度の雰囲気下で10分から20分間程度攪拌し、室温下で冷却する。次いでチタニウムテトライソプロポキシド(Ti(O−i−C3H7)4)およびペンタエトキシニオブ(Nb(OC2H5)5)を加えて攪拌する。さらにブトキシエタノール(C4H9OC2H4OH)を加えて室温下で5分間程度攪拌する。3%塩酸アルコールを加えて室温下で5分間程度攪拌する。さらにアセチルアセトン(CH3COCH2COCH3)を加えて室温にて60分間程度攪拌する。最後に、ポリエチレングリコール(HO(C2H4)nH)を加えて室温下で5分間程度攪拌する。以上の工程によって酢酸系溶媒が完成する。但し、溶媒等はこれに限るものではない。
そして、例えば上記酢酸系溶媒を基板1表面に供給する。すると、基板1上に塗布された酢酸系溶媒は、自己組織化単分子膜2a上からは弾き出される作用(力)を受け、低親和性領域A2以外の部分に集められる、又は低親和性領域A2以外の部分から外に出ることを抑制される作用(力)を受ける。したがって基板1の表面全体に酢酸系溶媒(圧電体材料)を塗布しても、また、低親和性領域A2以外の部分に酢酸系溶媒を塗布しても、その溶媒は低親和性領域A2以外の部分全体(高親和性領域A1)上に正確に充填されることとなる。
上記酢酸系溶媒の基板1への供給方法としては、スピンコート法やディップ法等のように液体を直接基板1上に塗布する方法や、圧電体材料の溶液をミストにして供給する方法が適用でき、特にミストにして供給することで、微細な圧電体パターンを極めて高精度に作製することができる。溶液をミストで供給するには、例えば、液体を噴射して壁に衝突させ、飛散したミストをキャリアガスで搬送するインジェクション法や、超音波により飛散させたミストを搬送する方法が適用できる。
基板1上に酢酸系溶媒(圧電体材料の溶液)を付着させたならば、一定温度(例えば180℃)で一定時間(例えば10分間程度)乾燥させる。この乾燥工程により溶媒であるブトキシエタノールが蒸発する。乾燥後、さらに大気中で所定の高温(例えば400℃)で一定時間脱脂する。脱脂により金属に配位している有機配位子が熱分解され、金属が酸化されて金属酸化物となる。この付着→乾燥→脱脂の各工程を所定回数、例えば8回繰り返して8層のセラミックス層を積層する。これらの乾燥や脱脂により溶液中の金属アルコキシドが加水分解、重縮合され金属−酸素−金属のネットワークが形成される。
上記付着→乾燥→脱脂の工程を繰り返し行う場合において、所定数積層後に圧電体層10の結晶化を促進し、圧電特性を高めるための熱処理を行うこともできる。例えば、8層積層の圧電体層10を形成する場合に、4層積層後に酸素雰囲気下で、600℃×5分間、及び725℃×1分間の高速熱処理(RTA)を行う。さらに、8層積層後に、酸素雰囲気下で、650℃×5分間、及び900℃×1分間のRTAを行う。このような熱処理を行うことで、圧電体層10中に含まれるアモルファス相を結晶化することができる。
以上の工程により、基板1上に選択的に圧電体層10が形成された圧電体パターンを得ることができる。このように、本実施形態の形成方法によれば、エッチング工程を行うことなく基板1上に所定平面形状の圧電体層10を形成することができ、極めて簡便に高精度な圧電体パターンを形成することができる。特に、サブミクロンオーダーの微小液滴であるミストにて圧電体材料の供給を行えば、微細パターンを極めて高精度に、かつ低コストで形成することが可能である。
<第2の形成方法>
図2は、本発明の実施形態に係る圧電体パターンの第2形成方法を示す模式断面図である。先ず、図2(a)に示すように、基板1の表面に、親液性の自己組織化単分子膜(表面修飾膜)2bからなる高親和性領域A1を形成する。この高親和性領域A1は、基板1における圧電体層10の形成領域と同一領域にすることが好ましい。自己組織化単分子膜2bの形成方法については、第1の形成方法にて述べた方法が適用できる。
図2は、本発明の実施形態に係る圧電体パターンの第2形成方法を示す模式断面図である。先ず、図2(a)に示すように、基板1の表面に、親液性の自己組織化単分子膜(表面修飾膜)2bからなる高親和性領域A1を形成する。この高親和性領域A1は、基板1における圧電体層10の形成領域と同一領域にすることが好ましい。自己組織化単分子膜2bの形成方法については、第1の形成方法にて述べた方法が適用できる。
圧電体材料に対して高い親和性を有する自己組織化単分子膜2bは、シランカップリング剤(有機ケイ素化合物)又はチオール化合物を用いて形成することができる。チオール化合物はメルカプト基(−SH)を持つ有機化合物(R1−SH)である。そして、メルカプト基又は−COOHを有する化合物は、他材料との親和性が高く、高親和性領域A1を形成する自己組織化単分子膜2bの材料として好適である。
次いで、図2(b)に示すように、基板1の表面における自己組織化単分子膜2bからなる高親和性領域A1に圧電体層10を形成する。この圧電体層10の形成方法については、先の第1の形成方法と同様とすることができる。液相法を用いる場合には上記酢酸系溶媒が好適に使用できる。
基板1上に圧電体材料を供給すると、圧電体材料は自己組織化単分子膜2bに引きつけられ、自己組織化単分子膜2b以外の部分からは弾き出される作用を受ける。従って、基板1の表面全体に圧電体材料を供給しても、また、高親和性領域A1に圧電体材料を塗布しても、その圧電体材料は高親和性領域A1全体に正確に充填されることとなる。そして、必要に応じて基板1上に付着した圧電体材料に所定の処理を施すことで、基板1上に選択的に圧電体層10を形成することができる。
基板1上に圧電体材料を供給すると、圧電体材料は自己組織化単分子膜2bに引きつけられ、自己組織化単分子膜2b以外の部分からは弾き出される作用を受ける。従って、基板1の表面全体に圧電体材料を供給しても、また、高親和性領域A1に圧電体材料を塗布しても、その圧電体材料は高親和性領域A1全体に正確に充填されることとなる。そして、必要に応じて基板1上に付着した圧電体材料に所定の処理を施すことで、基板1上に選択的に圧電体層10を形成することができる。
このように、本実施形態の形成方法によっても、エッチング工程を行うことなく基板1上に所定平面形状の圧電体層10を形成することができ、極めて簡便に高精度な圧電体パターンを形成することができる。
<第3の形成方法>
図3は、本発明の実施形態に係る圧電体パターンの第3形成方法を示す模式断面図である。先ず、図3(a)に示すように、基板1の表面に、圧電体材料に対して親和性の小さい自己組織化単分子膜2aからなる低親和性領域A2と、この自己組織化単分子膜2aより圧電体材料に対する親和性が大きい自己組織化単分子膜2bからなる高親和性領域A1とを形成する。ここで、例えば、高親和性領域A1は基板1における圧電体層10の形成領域と同一の領域とし、低親和性領域A2は圧電体層10の形成領域を囲む領域とする。
図3は、本発明の実施形態に係る圧電体パターンの第3形成方法を示す模式断面図である。先ず、図3(a)に示すように、基板1の表面に、圧電体材料に対して親和性の小さい自己組織化単分子膜2aからなる低親和性領域A2と、この自己組織化単分子膜2aより圧電体材料に対する親和性が大きい自己組織化単分子膜2bからなる高親和性領域A1とを形成する。ここで、例えば、高親和性領域A1は基板1における圧電体層10の形成領域と同一の領域とし、低親和性領域A2は圧電体層10の形成領域を囲む領域とする。
また、基板1における低親和性領域A2の形成は、高親和性領域A1の形成より前に行うことが好ましい。例えば、先に高親和性領域A1(すなわち自己組織化単分子膜2b)を形成し、その後に低親和性領域A1(自己組織化単分子膜2a)を形成する場合、低親和性領域A2を形成するときに高親和性領域A1に、低親和性領域A2の構成材料などが侵入し易くなり、精密な領域パターンが形成しにくくなる。一方、先に低親和性領域A2を形成した場合は、低親和性領域A2には高親和性領域A1の構成材料なども侵入しにくいので、より簡便にかつ高精度に所望パターンの低親和性領域A2及び高親和性領域A1を形成することができる。
次いで、図3(b)に示すように、基板1の表面における自己組織化単分子膜2bからなる高親和性領域A1に圧電体層10を形成する。この圧電体層10の形成方法については、先の第1の形成方法と同様とすることができる。液相法を用いる場合には上記酢酸系溶媒が好適に使用できる。
基板1の表面に圧電体材料を供給すると、圧電体材料は自己組織化単分子膜2bには引きつけられ、自己組織化単分子膜2aからは弾き出される作用を受ける。従って、基板1の表面全体に圧電体材料を供給しても、また、高親和性領域A1に圧電体材料を塗布しても、その圧電体材料は高親和性領域A1全体に正確に充填されることとなる。そして、必要に応じて基板1上に付着した圧電体材料に所定の処理を施すことで、基板1上に選択的に圧電体層10を形成することができる。
基板1の表面に圧電体材料を供給すると、圧電体材料は自己組織化単分子膜2bには引きつけられ、自己組織化単分子膜2aからは弾き出される作用を受ける。従って、基板1の表面全体に圧電体材料を供給しても、また、高親和性領域A1に圧電体材料を塗布しても、その圧電体材料は高親和性領域A1全体に正確に充填されることとなる。そして、必要に応じて基板1上に付着した圧電体材料に所定の処理を施すことで、基板1上に選択的に圧電体層10を形成することができる。
このように、本実施形態の形成方法によっても、エッチング工程を行うことなく基板1上に所定平面形状の圧電体層10を形成することができ、極めて簡便に高精度な圧電体パターンを形成することができる。
以上の第1〜第3の形成方法では、高親和性領域A1及び低親和性領域A2を基板1上に形成するに際して、所定の表面特性を与える自己組織化単分子膜2a、2bを用いた場合について説明したが、本発明に係る圧電体パターンの形成方法では、基板1上に選択的に圧電体材料を配置し得る手段であれば、他の方法により前記両領域A1,A2を形成してもよい。例えば、酸素プラズマ処理により、基板1表面と圧電体材料との親和性を高める処理を行った後、基板1上の所定領域にフッ素系化合物を選択的に形成すれば、このフッ素系化合物の形成領域を低親和性領域A2とすることができ、残る領域を高親和性領域A1とすることができる。
あるいは、プラズマ処理により基板1上にフッ素系化合物を形成することで基板1と圧電体材料との親和性を小さくした後、係るフッ素系化合物に対して部分的に紫外線を照射することで、基板1上の所望の領域に高親和性領域A1を形成し、残る領域を低親和性領域A2とすることもできる。
あるいは、プラズマ処理により基板1上にフッ素系化合物を形成することで基板1と圧電体材料との親和性を小さくした後、係るフッ素系化合物に対して部分的に紫外線を照射することで、基板1上の所望の領域に高親和性領域A1を形成し、残る領域を低親和性領域A2とすることもできる。
(表面修飾膜の形成方法)
次に、上記各圧電体パターンの形成方法において、基板1上に表面修飾膜として設けられる自己組織化単分子膜の形成方法について、図4ないし図6を参照して説明する。
次に、上記各圧電体パターンの形成方法において、基板1上に表面修飾膜として設けられる自己組織化単分子膜の形成方法について、図4ないし図6を参照して説明する。
<第1の自己組織化単分子膜形成方法>
図4は、本発明の実施形態に係る第1の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図4(a)に示すように、基板1の表面にマスク材となるレジスト3のパターンを形成する。このレジスト3のパターンは、露光装置などでレジストをパターンニングするリソグラフィ方式、又はインクジェットノズルなどから液状材料を基板の所望部位に吐出する液滴吐出方式などによって形成することができる。また、レジスト3のパターンは、図1に示す自己組織化単分子膜2a(第2の領域)又は、図2に示す自己組織化単分子膜2b(第1の領域)に相当するパターン、すなわち圧電体層10の形成領域又はそれ以外の領域に相当するパターンとする。
図4は、本発明の実施形態に係る第1の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図4(a)に示すように、基板1の表面にマスク材となるレジスト3のパターンを形成する。このレジスト3のパターンは、露光装置などでレジストをパターンニングするリソグラフィ方式、又はインクジェットノズルなどから液状材料を基板の所望部位に吐出する液滴吐出方式などによって形成することができる。また、レジスト3のパターンは、図1に示す自己組織化単分子膜2a(第2の領域)又は、図2に示す自己組織化単分子膜2b(第1の領域)に相当するパターン、すなわち圧電体層10の形成領域又はそれ以外の領域に相当するパターンとする。
その後、図4(b)に示すように、レジスト3が形成された基板1の表面全体に、自己組織化単分子膜2を成膜する。この自己組織化単分子膜2を形成するに際して、圧電体材料に対する親和性が基板1より低い材料を用いることで前記自己組織化単分子膜2aを形成でき、圧電体材料に対する親和性が基板1より高い材料を用いることで、前記自己組織化単分子膜2bを形成することができる。
上記自己組織化単分子膜2は、CVD法等の気相成長法によって形成しても良いし、スピンコート法やディップ法等の液相を用いた方法によって形成することもできる。液相を用いる場合には、液体又は溶媒に溶解させた物質を使用する。例えば、液相を用いてチオール化合物からなる自己組織化単分子膜2を形成するには、前記チオール化合物を、ジクロロメタン、トリクロロメタン等の有機溶剤に溶かして0.1〜10mM程度の溶液としたものを用いることができる。
その後、図4(c)に示すように、基板1上からレジスト3を剥離する。このレジスト3の剥離により、レジスト3上の成膜されていた自己組織化単分子膜2も基板1上から剥離される。これにより、基板1の表面において所望パターンの第1の領域又は第2の領域となる自己組織化単分子膜2(2a、2b)を形成することができる。
<第2の自己組織化単分子膜形成方法>
図5は、本発明の実施形態に係る第2の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図5(a)に示すように、基板1の表面に全体的に自己組織化単分子膜2を成膜する。なお、基板1の表面における一部領域にのみ自己組織化単分子膜2を成膜するものとしてもよい。ここで、圧電体材料に対する親和性が基板1より低い材料を用いることで前記自己組織化単分子膜2a(第2の領域)を形成でき、圧電体材料に対する親和性が基板1より高い材料を用いることで、前記自己組織化単分子膜2b(第1の領域)を形成することができる。
図5は、本発明の実施形態に係る第2の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図5(a)に示すように、基板1の表面に全体的に自己組織化単分子膜2を成膜する。なお、基板1の表面における一部領域にのみ自己組織化単分子膜2を成膜するものとしてもよい。ここで、圧電体材料に対する親和性が基板1より低い材料を用いることで前記自己組織化単分子膜2a(第2の領域)を形成でき、圧電体材料に対する親和性が基板1より高い材料を用いることで、前記自己組織化単分子膜2b(第1の領域)を形成することができる。
その後、図5(b)に示すように、電子線・イオンビーム又は光4を用いて、不要な部分の自己組織化単分子膜2を直接的に除去する。ここで、不要な部分とは、例えば自己組織化単分子膜2が、圧電体材料に対して、基板1より低い親和性を有するときは圧電体形成領域の部分であり、基板1より高い親和性を有するときは圧電体形成領域以外の部分である。これにより、基板1の表面において所望パターンの第1の領域又は第2の領域となる自己組織化単分子膜2を形成することができる。
第2の自己組織化単分子膜形成方法において、光を用いて自己組織化単分子膜2を部分的に除去する場合、その光の波長は250nm以下であることが好ましい。波長250nm以下の光は、高エネルギーをもつので、自己組織化単分子膜2の種類にかかわらず、その自己組織化単分子膜2を除去することができるからである。
第2の自己組織化単分子膜形成方法において、電子線、イオンビーム又は光によって自己組織化単分子膜2を除去する代わりに、電子線、イオンビーム又は光によって自己組織化単分子膜2の表面特性を改質することとしてもよい。これにより、自己組織化単分子膜2の圧電体材料に対する親和性を簡易にかつ高精度に制御することができる。
また、例えば基板1の上面全体に自己組織化単分子膜2を成膜し、その後、その自己組織化単分子膜2における所望領域に電子線、イオンビーム又は光を照射することで、簡便にかつ高精度に所望パターンの高親和性領域A1及び低親和性領域A2を形成することができる。
<第3の自己組織化単分子膜形成方法>
図6は、本発明の実施形態に係る第3の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図6(a)に示すように、所望のスタンプ(転写型)5を作成する。このスタンプ5は、シリコーンゴム又はポリジメチルシロキサン(PDMS)などで形成することができる。このスタンプ5における凸部の形状は、上記高親和性領域A1又は低親和性領域A2の形状と同一とする。
図6は、本発明の実施形態に係る第3の自己組織化単分子膜形成方法を示す模式断面図である。先ず、図6(a)に示すように、所望のスタンプ(転写型)5を作成する。このスタンプ5は、シリコーンゴム又はポリジメチルシロキサン(PDMS)などで形成することができる。このスタンプ5における凸部の形状は、上記高親和性領域A1又は低親和性領域A2の形状と同一とする。
また、スタンプ5における凸部は、基材をエッチングして形成してもよい。あるいは、基材をエッチングして凸部の反転形状を有する原盤を形成し、この原盤の形状をシリコーンゴムや樹脂などに転写することで凸部を形成してもよい。また、例えば、スタンプ5として、マイクロコンタクトプリンティング(μCP)用のスタンプを使用してもよい。その場合、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などでスタンプ5を形成してもよい。
その後、図6(b)に示すように、スタンプ5上に自己組織化単分子膜2を成膜する。ここで、自己組織化単分子膜2は、形成する高親和性領域A1、低親和性領域A2の別に応じて異なる材料を選択する。例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などで形成されたスタンプ5を、自己組織化単分子膜を構成する物質を溶媒に溶かしてなる溶液に一旦漬け、その後、スタンプ5に付着した溶液を乾燥させることなどで、自己組織化単分子膜2をスタンプ5上に成膜する。
その後、図6(c)に示すように、スタンプ5を基板1の所望部位に押し付けて、マイクロコンタクトプリンティング(μCP)を行い、基板1上に自己組織化単分子膜2を転写する。マイクロコンタクトプリンティングは、凸版印刷の一種である。
そして、図6(d)に示すように、スタンプ5を基板1上から除去することで基板1上の所望部位に自己組織化単分子膜2からなる領域(高親和性領域A1又は低親和性領域A2)が形成される。その後、スタンプ5は再利用することができ、上記図6(a)から図6(d)に示す工程を1つのスタンプ5で繰り返し行うことができる。
この自己組織化単分子膜の形成方法では、スタンプ5の表面と自己組織化単分子膜2との密着性が、基板1における低親和性領域A2又は高親和性領域A1が形成される部分と自己組織化単分子膜2との密着性よりも弱くなるように、スタンプ5、自己組織化単分子膜2及び基板1表面それぞれの材質を選定することが好ましい。これにより、上記転写を良好に実行することが可能となる。
また、この自己組織化単分子膜の形成方法では、スタンプ5の表面と自己組織化単分子膜2との密着性が、基板1における低親和性領域A2又は高親和性領域A1が形成される部分と自己組織化単分子膜2との密着性よりも弱くなるように、スタンプ5、自己組織化単分子膜2又は基板1の温度制御をすることが好ましい。これにより、上記転写処理を良好に制御することが可能となる。
また、この自己組織化単分子膜の形成方法では、図6(c)に示すように、スタンプ5を基板1表面に押し付けて自己組織化単分子膜2を基板1に接着させた後に、アブレーションさせて自己組織化単分子膜2をスタンプ5から剥離することが好ましい。
具体的には、例えば、スタンプ5を透明な部材で構成する。そして、スタンプ5の裏面からの紫外線域のレーザ(例えばエキシマレーザ)のビームを照射することで、スタンプ5とその上の自己組織化単分子膜2との間にレーザ・アブレーションを発生させる。レーザ・アブレーションとは、紫外線の範囲のビームを照射して、固体と膜との界面で、ビームの光吸収エネルギーによりガスなどを発生させ、その固体と膜とを分離する技術である。これにより、スタンプ5から自己組織化単分子膜2を良好に剥離することができる。
(液滴吐出ヘッド)
図7に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)の分解斜視図を示す。また、図8に、前記インクジェット式記録ヘッドの主要部一部断面図を示す。
図7に示すように、本インクジェット式記録ヘッド501は、ノズル板510、圧力室基板520、振動板530および筐体525を備えて構成されている。
図7に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)の分解斜視図を示す。また、図8に、前記インクジェット式記録ヘッドの主要部一部断面図を示す。
図7に示すように、本インクジェット式記録ヘッド501は、ノズル板510、圧力室基板520、振動板530および筐体525を備えて構成されている。
図7に示すように、圧力室基板520は、キャビティ521、側壁522、リザーバ523および供給口524を備えている。キャビティ521は、圧力室であってシリコン等の基板をエッチングすることにより形成されるものである。側壁522は、キャビティ521間を仕切るよう構成され、リザーバ523は、各キャビティ521にインク充填時にインクを供給可能な共通の流路として構成されている。供給口524は、各キャビティ521にインクを導入可能に構成されている。
図8に示すように、振動板530は、圧力室基板520の一方の面に貼り合わせ可能に構成されている。振動板530には本発明の圧電体素子540が設けられている。圧電体素子540は、ペロブスカイト構造を持つ強誘電体の結晶であり、振動板530上に所定の形状で形成されて構成されている。ノズル板510は、圧力室基板520に複数設けられたキャビティ(圧力室)521の各々に対応する位置にそのノズル穴511が配置されるよう、圧力室基板520に貼り合わせられている。ノズル板510を貼り合わせた圧力室基板520は、さらに、図7に示すように、筐体525に填められて、インクジェット式記録ヘッド501を構成している。
図9に、圧電体素子540の層構造を説明する断面図を示す。
図9に示すように、振動板530は、絶縁膜531および下部電極532を積層して構成され、圧電体素子540は圧電体層541および上部電極542を積層して構成されている。下部電極532、圧電体層541および上部電極542によって圧電体素子として機能させることができる。
図9に示すように、振動板530は、絶縁膜531および下部電極532を積層して構成され、圧電体素子540は圧電体層541および上部電極542を積層して構成されている。下部電極532、圧電体層541および上部電極542によって圧電体素子として機能させることができる。
絶縁膜531は、導電性のない材料、例えばシリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素により構成され、圧電体層の体積変化により変形し、キャビティ521の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。下部電極532は、圧電体層に電圧を印加するための上部電極542と対になる電極であり、導電性を有する材料、例えば、チタン(Ti)層、白金(Pt)層、チタン層を積層して構成されている。このように複数の層を積層して下部電極を構成するのは、白金層と圧電体層、白金層と絶縁膜との密着性を高めるためである。
圧電体層541は、強誘電体により構成されている。この強誘電体の組成としては、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3:PZT)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3:PLZT)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)TiO3:PMN−PT)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn、Nb)TiO3:PZN−PT)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc、Nb)TiO3:PSN−PT)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni、Nb)TiO3:PNN−PT)、(Ba1−xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3のうちいずれかであることが好ましい。例えば、マグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛であれば、Pb(Mg1/3Nb2/3)0.1Zr0.504Ti0.396O3という組成が好適である。
なお、圧電体層はあまりに厚くすると、層全体の厚みが厚くなり、高い駆動電圧が必要となり、あまりに薄くすると、膜厚を均一にできず各圧電体素子の特性がばらついたり、製造工数が多くなり、妥当なコストで製造できなくなったりする。従って、圧電体層541の厚みは500nm〜2000nm程度が好ましい。
上部電極542は、圧電体層に電圧を印加するための一方の電極となり、導電性を有する材料、例えば膜厚0.1μmの白金、金等で構成されている。尚、表面弾性波素子やフィルタに用いる場合は、前記材料のほかに、強誘電体ではないが圧電体であるZnOを用いても良い。
上部電極542は、圧電体層に電圧を印加するための一方の電極となり、導電性を有する材料、例えば膜厚0.1μmの白金、金等で構成されている。尚、表面弾性波素子やフィルタに用いる場合は、前記材料のほかに、強誘電体ではないが圧電体であるZnOを用いても良い。
上記構成のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電体素子540…として、先の実施形態の形成方法により得られる圧電体パターンを具備するものが用いられている。従って、簡便な製造工程により基板上に配列された圧電体素子540…を作製することができ、インクジェット式記録ヘッドを低コストにて提供することができる。また、圧電体パターンの形成に際してエッチングを要しないので、作製される圧電体素子にエッチングのダメージが生じることが無く、優れた圧電特性を有する圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。
(センサ)
図10に、本発明に係る圧電体パターンの一適用例である表面弾性波センサの外観を示す。図10に示すように、表面弾性波センサは基板40を有するものであり、本実施形態の場合、この基板40として、先の圧電体パターンが形成された基板が用いられている。すなわち、図1に示した単結晶シリコン等の基板1上に、バッファー層を介して形成された圧電体層10を備えた基板である。
図10に、本発明に係る圧電体パターンの一適用例である表面弾性波センサの外観を示す。図10に示すように、表面弾性波センサは基板40を有するものであり、本実施形態の場合、この基板40として、先の圧電体パターンが形成された基板が用いられている。すなわち、図1に示した単結晶シリコン等の基板1上に、バッファー層を介して形成された圧電体層10を備えた基板である。
基板40の上面には、IDT(インターデジタル型)電極41及び42が形成されている。IDT電極41,42は、例えばAl又はAl合金によって形成されたものである。また、IDT電極41,42を挟むように、基板40の上面には吸音部43,44が形成されている。吸音部43,44は、基板40の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基板40上に形成されたIDT電極41には電源45が接続されており、IDT電極42には信号線が接続されている。
前記構成において、電源45からのIDT電極41への入力により基板40の上面にて表面弾性波が励起される。この表面弾性波は、約5000m/s程度の速度で基板40上面を伝播する。IDT電極41から吸音部43側へ伝播した表面弾性波は吸音部43で吸収されるが、IDT電極42側へ伝播した表面弾性波のうち、IDT電極42のピッチ等に応じて定まる特定帯域の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子46a,46bに取り出される。なお、前記特定帯域以外の成分の表面弾性波は、大部分がIDT電極42を通過して吸音部44に吸収される。このような表面弾性波センサは、外部環境の変化に極めて敏感に反応する。すなわち、温度や外力、ガス吸着等により表面弾性波の伝搬速度が変化し、電気信号としてその変位を出力することが可能になっている。
上記構成の表面弾性波センサは、基板40に形成された圧電体パターンとして、先の実施形態の形成方法により得られた圧電体パターンが用いられているので、その製造が容易であり、かつ圧電体パターンの形成に際してエッチングを要しないことから、圧電体層にエッチングのダメージが無く、優れた表面弾性波特性を得ることができるようになっている。
上記実施形態では、本発明に係る圧電体パターンを備えたデバイスとして、液滴吐出ヘッド及びセンサについて説明したが、本発明に係る圧電体パターンの適用範囲はこれらに限定されず、圧電アクチュエータ、薄膜コンデンサ、周波数フィルタ、光学導波管、光学記憶装置、空間光変調器等のデバイスにも好適に用いることができる。
1…基板(基体)、2,2a,2b…自己組織化単分子膜(表面修飾膜)、3…レジスト、4…電子線・イオンビーム又は光、5…スタンプ(転写型)、10…圧電体層、A1…高親和性領域(第1の領域)、A2…低親和性領域(第2の領域)
Claims (23)
- 基体上に所定平面形状の圧電体層を形成する圧電体パターンの形成方法であって、
圧電体層を形成するための圧電体材料に対して高い親和性を有する第1の領域と、前記第1の領域に比して前記圧電体材料に対する親和性が低い第2の領域とを前記基体上に形成する工程と、
前記基体上に圧電体材料を供給し、前記第1の領域に前記圧電体材料を配置する工程と、
を含むことを特徴とする圧電体パターンの形成方法。 - 前記第1の領域及び第2の領域が形成された基体上に前記圧電体材料のミストを供給することにより、前記第1の領域に前記圧電体材料のパターンを形成することを特徴とする請求項1に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記第1の領域及び第2の領域が形成された基体上に、CVD法を用いて前記圧電体材料を堆積させることにより、前記第1の領域に前記圧電体材料のパターンを形成することを特徴とする請求項1に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を、表面修飾膜を用いて形成することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を、基体上に所定形状のマスク層を形成した後、前記基体上に表面修飾膜を成膜し、その後前記マスク層を除去することにより形成することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記マスク層を、フォトリソグラフィ法により形成することを特徴とする請求項5に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記基体上に表面修飾膜を成膜し、該表面修飾膜における所望部分を除去することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することを特徴とする請求項4に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記基体上に表面修飾膜を成膜し、該表面修飾膜における所望部分の表面特性を選択的に改質することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することを特徴とする請求項4に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 電子線、イオンビーム、及び光のうち少なくとも1種類を前記表面修飾膜に照射することにより前記表面修飾膜の除去ないし表面特性の改質を行うことを特徴とする請求項7又は8に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記光の波長が、250nm以下であることを特徴とする請求項9に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記圧電体材料に対する親和性の異なる2種類の前記表面修飾膜を用い、
前記2種類の表面修飾膜のうち、相対的に高い前記親和性を有する表面修飾膜により前記第1の領域を形成し、相対的に低い前記親和性を有する表面修飾膜により前記第2の領域を形成することを特徴とする請求項4に記載の圧電体パターンの形成方法。 - 所定の転写形状を有する転写型を用い、前記転写型の転写面に前記表面修飾膜を成膜した後、該表面修飾膜を前記基体上の所定領域に転写することにより前記第1の領域と第2の領域のうち少なくとも一方の領域を形成することを特徴とする圧電体パターンの形成方法。
- 前記表面修飾膜の基体への転写を、マイクロコンタクトプリンティングにより行うことを特徴とする請求項12に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記転写型を基体上面に押圧して前記表面修飾膜を基体上に接着させた後、アブレーションさせて前記表面修飾膜を前記転写型から剥離し、前記表面修飾膜の転写を行うことを特徴とする請求項13に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記表面修飾膜として、自己組織化単分子膜を用いることを特徴とする請求項4ないし14のいずれか1項に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記自己組織化単分子膜として、有機ケイ素化合物とチオール化合物の少なくとも一方を含むものを用いることを特徴とする請求項15に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記圧電体材料を配置された基体を熱処理することにより前記基体上に圧電体層を形成することを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 前記圧電体層が、ジルコニウム酸チタン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3:PZT)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La)TiO3)、ジルコニウム酸鉛ランタン((Pb,La)ZrO3:PLZT)、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)TiO3:PMN−PT)、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Mg、Nb)(Zr、Ti)O3:PMN−PZT)、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Zn、Nb)TiO3:PZN−PT)、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Sc、Nb)TiO3:PSN−PT)、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛(Pb(Ni、Nb)TiO3:PNN−PT)、(Ba1−xSrx)TiO3(0≦x≦0.3)、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3のうちいずれかの物質を含むことを特徴とする請求項17に記載の圧電体パターンの形成方法。
- 請求項1ないし18のいずれか1項に記載の形成方法により得られた圧電体パターン。
- 請求項19に記載の圧電体パターンを備えたことを特徴とする圧電体素子。
- 請求項19に記載の圧電体パターンを備えたことを特徴とするセンサ。
- 請求項19に記載の圧電体パターンを備えたことを特徴とするデバイス。
- 請求項20に記載の圧電体素子を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
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JP2003303171A JP2005072473A (ja) | 2003-08-27 | 2003-08-27 | 圧電体パターンの形成方法、圧電体パターン、圧電体素子、液滴吐出ヘッド、センサ、及びデバイス |
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