JP2005209889A

JP2005209889A - 膜形成方法

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Publication number: JP2005209889A
Application number: JP2004014967A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamada; 和弘山田; Teppei Kubota; 哲平久保田; Katsuhiko Tanaka; 克彦田中; Yukio Sakabe; 行雄坂部
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP4590871B2

Abstract

【課題】ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、破損させることなく、スクリーン印刷法などの安価な膜形成方法を用いて厚膜を形成させることが可能な方法を提供する。
【解決手段】基板への膜形成方法は、第１の主面に対向する第２の主面側に開口部を有する基板において、前記開口部に液状物質を充填・硬化させ、前記の硬化された液状物質によって埋められた前記開口部の面の高さが前記第２の主面側の基板面と同じ位置になるようにし、前記基板の第１の主面側に厚膜を形成させた後に、前記基板の開口部から前記の硬化された液状物質を除去させることを特徴とする。この液状物質は、アクリル系樹脂もしくはシリコン系樹脂であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して、厚膜を形成する方法に関するものである。

この発明にとって興味ある従来の膜形成方法、すなわち、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して膜を形成する方法として、特許文献１に記載のものがあるが、この特許文献１に記載のものを含めて、従来の膜形成方法は、一般的に、次のような膜形成方法が採用されている。

すなわち、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して、ＳｉＯ₂薄膜、ＺｎＯ圧電薄膜、電極膜などの薄膜を形成させる場合、スパッタリング、リフトオフ蒸着法、および電子ビーム蒸着法などのような薄膜工法を用いている。これにより、ダイヤフラム部を有する圧電素子を作製している（以下、従来技術１とする）。

しかしながら、上記従来技術１に記載の方法には、以下に示すような問題点を有していた。

従来技術１に記載の方法では、この薄膜工法を用いて作製したダイヤフラム部を有する圧電素子は、圧電膜の厚みが非常に薄いため、圧電体としての駆動力が小さく、大きな駆動力が要求される圧電素子、例えばサウンダ、ブザーやポンプを容易に作製することはできなかった。

また、上記薄膜工法を用いて形成した圧電薄膜やＳｉＯ₂薄膜などの膜では、その表面が平滑すぎるため、前述の膜と電極膜との接触面積は小さくなり、その接合強度を十分に得ることができなかった。

さらに、この薄膜工法を用いる場合、使用する原材料および薄膜工法に用いる設備は非常に高価であり、実用上大きな問題となっている。

そこで、本発明者らによって、安価なスクリーン印刷法のような厚膜工法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのように、一方主面側に開口部を有する基板に対して膜を形成し、大きな駆動力を要求される圧電素子が作製可能かどうかの検討がなされてきた。

例えば、本発明者らは、基板の開口部と同等の形をした金型を作製し、その金型を基板の開口部に嵌め込んで、基板の開口部とは反対側の主面に、スクリーン印刷法を用いて、膜を形成する方法を提案している（以下、従来技術２とする）。

その他には、開口部を有しない平滑な基板に、スクリーン印刷法を用いて厚膜を形成し、その後に、膜が形成されている側の基板面とは反対側の基板面に、サンドブラストのような微細加工を施して、開口部を形成する方法を提案している。（以下、従来技術３とする）。
特開２００１−２１１０５３号公報

しかしながら、上記従来技術２および従来技術３の方法では、以下に示すような問題点を有している。

従来技術２では、金型に基板を嵌め込みやすくために、金型の大きさと基板の開口部との間にある程度の公差を設ける必要がある。この場合、スクリーン印刷にて膜を形成する際に、基板と金型間の密着性が十分でないため、膜形成用の材料ペーストの粘性力により、基板の開口部から金型が外れ、基板自体が破損する場合がしばしば見受けられた。また、逆に、金型の大きさと基板の開口部との間に公差をほとんど設けないと、基板に金型を嵌め込む時や金型を基板から外す時にかかる負荷によって、基板自体を破損させる確率が非常に高くなる。

一方、従来技術３では、厚膜が形成されている側の基板面は、その厚膜の形成によって段差が生じるため、サンドブラストなどの機械を用いて微細加工すると、基板自体が破損する場合がしばしば見受けられた。また、アルカリ溶液によるケミカルエッチング方法を用いて微細加工する場合では、厚膜自体がその溶液によって溶解するため、厚膜の保護が非常に困難であった。

そこで、上記問題点を解決するために、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、破損させることなく、スクリーン印刷法などの安価な膜形成方法を用いて厚膜を形成させることが可能な方法を提供することを目的とする。

この発明に係る基板への膜形成方法は、第１の主面に対向する第２の主面側に開口部を有する基板において、前記開口部に液状物質を充填・硬化させ、前記の硬化された液状物質によって埋められた前記開口部の面の高さが前記第２の主面側の基板面と同じ位置になるようにし、前記基板の第１の主面側に厚膜を形成させた後に、前記基板の開口部から前記の硬化された液状物質を除去させることを特徴とする。

また、前記液状物質は、アクリル系樹脂もしくはシリコン系樹脂であることが好ましい。

本発明に係る膜形成方法は、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、硬化された液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、第２の主面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、硬化された液状物質と基板との間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。したがって、スクリーン印刷時において、硬化された液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、膜を形成することができる。

つまり、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、破損させることなく、スクリーン印刷法という安価な方法を用いて、厚膜を形成させることができるという利点がある。

特に、大きな駆動力を要求される素子、例えばサウンダ、ブザーやポンプを作製する場合には有効な方法であり、圧電膜などの膜と電極膜との接合強度を十分に確保することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る基板への膜形成方法に関する最良の実施形態を詳細に説明する。

なお、この実施形態を適用できる場合としては、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板に対して、膜を形成する場合に特に有効な方法であるが、前記一方主面側に開口部を有する基板を、表面に何らかの凹凸を有する基板に置き換えた場合でも、適用可能である。

図１は、本発明に係る膜形成方法の標準フローを示している断面図である。なお、膜を形成する被対象物は、ダイヤフラム部を有する圧電素子などのような一方主面側に開口部を有する基板である。

まず、所定厚みの基板１、例えばＳｉＯ₂層が全面に形成されたＳｉ基板を用意する。［図１の（１）参照］
次に、この基板１の第２の主面１ｂ（以下、ウラ面とする）に開口部２を形成し、開口部を有するＳｉ基板を用意する。例えば、以下のように製造される。この基板１のウラ面１ｂを、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部とする部分のＳｉＯ₂層をバッファードフッ酸液（以下、ＢＨＦ液とする）でエッチングすることにより、基板エッチング用のマスクを形成する。そしてその後に、上記基板１のウラ面１ｂを、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム液（以下、ＴＭＡＨ液と略する）を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば５０μｍ厚の開口部２を形成する。なお、この工程の後に、スパッタリング法を用いて、例えばＡｌ₂Ｏ₃の中間層やＰｔ電極層を付与してもよい。この場合、Ｓｉ基板とＡｌ₂Ｏ₃層との接合性やＡｌ₂Ｏ₃層とＰｔ電極層との接合性が十分に確保される熱処理条件を採用することに留意する。［図１の（２）参照］
以上により、開口部を有するＳｉ基板を用意する。

次いで、上記基板１のウラ面１ｂに形成されている開口部２に、液状物質、例えば後述の液状シリコン系樹脂や液状アクリル系樹脂を充填し、所望の条件にて硬化させて、前記液状物質によって埋められた前記開口部２の面の高さが前記ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部２が補強される。［図１の（３）参照］
そしてその後、上記基板１の第１の主面（以下、オモテ面とする）１ａ側に、スクリーン印刷法を用いて、所望の膜、例えば圧電体、電極などの膜を形成する。なお、印刷膜の焼成は、後述のように、使用する樹脂によって、若干の工程の相違が見られる。［図１の（４）参照］
次いで、上記基板１のウラ面１ｂに形成されている開口部２に充填・硬化された樹脂を除去する。なお、後述のように、使用する樹脂によって、若干の工程の相違が見られる。［図１の（５）参照］
以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、膜を形成することができる。

本発明に係る膜形成方法に関する一実施例を示している。なお、実施例１では、下記で示す充填樹脂として、液状シリコン系樹脂を用いている。

まず、例えば２００μｍ厚のＳｉ基板において、その全面に、ＳｉＯ₂層の層が形成されたものを用意する。

次に、このＳｉ基板のウラ面を、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部となる部分のＳｉＯ₂層をＢＨＦ液でエッチングすることにより、Ｓｉエッチング用のマスクを形成する。

そしてその後に、上記Ｓｉ基板のウラ面を、ＴＭＡＨ液を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば５０μｍ厚の開口部を形成する。

次に、上記Ｓｉ基板のオモテ面側に、スパッタリング法を用いて、例えばＡｌ₂Ｏ₃の中間層を付与し、例えば９５０℃で熱処理を行ない、上記中間層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Ｓｉ基板とＡｌ₂Ｏ₃層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。

次に、上記Ａｌ₂Ｏ₃層の上に、スパッタリング法を用いて、例えばＰｔ電極層を付与し、例えば９５０℃で熱処理を行い、Ｐｔ電極層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Ａｌ₂Ｏ₃層とＰｔ電極層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。

以上により、開口部を有するＳｉ基板を用意する。

次いで、上記Ｓｉ基板のウラ面側に形成されている開口部に、液状シリコン系樹脂を充填し、例えば１５０℃、１０分の条件で加熱硬化させて、この液状シリコン系樹脂によって埋められたこの開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部が補強される。

そしてその後、上記Ｓｉ基板のオモテ面側に、スクリーン印刷法を用いて、以下に示すような圧電体ペーストを塗布し、圧電体層の未焼成膜を付与する。なお、圧電体ペーストとしては、結晶粉末、ビヒクル、および溶剤を含んだペーストである。また、上記結晶粉末としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃が８５モル％、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃が１５モル％を含有する原料粉末が９７重量％、Ｂｉ₂Ｏ₃粉末が２重量％、およびＺｎＯ粉末が１重量％で配合された圧電粉末を使用する。また、ビヒクルは、例えばエチルセルロース系のバインダを使用し、溶剤は、例えばジエチレングリコールモノブチルエーテルのような有機溶剤を使用する。

次いで、上記Ｓｉ基板のウラ面側に形成されている開口部に充填・加熱硬化された液状シリコン系樹脂を手で捲り剥がすことにより除去する。なお、上記樹脂を充填させる際に、開口部の壁面に離型剤を付与すると、上記液状シリコン系樹脂の除去はより容易となる。

そしてその後に、上記Ｓｉ基板を焼成することにより、例えば１０μｍ厚の圧電体層の焼成膜を形成する。

以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、膜を形成することができる。

本発明に係る膜形成方法に関する一実施例を示している。なお、実施例２では、下記で示す充填樹脂として、液状アクリル系樹脂を用いている。

まず、例えば２００μｍ厚のＳｉ基板において、その全面に、例えばＳｉＯ₂層の層が形成されたものを用意する。

次に、上記Ａｌ₂Ｏ₃層の上に、スパッタリング法を用いて、Ｐｔ電極層を付与し、例えば９５０℃で熱処理を行い、Ｐｔ電極層の焼成膜を形成する。なお、上記熱処理条件は、Ａｌ₂Ｏ₃層とＰｔ電極層との接合強度が十分に確保できる条件を採用している。

以上により、開口部を有するＳｉ基板を用意する。

次いで、上記Ｓｉ基板のウラ面側に形成されている開口部に、液状アクリル系樹脂を充填し、ＵＶ露光により硬化させて、この液状シリコン系樹脂によって埋められたこの開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部が補強される。

そしてその後、上記Ｓｉ基板のオモテ面に、スクリーン印刷法を用いて、以下に示すような圧電体ペーストを塗布し、圧電体層の未焼成膜を付与する。なお、圧電体ペーストとしては、結晶粉末、ビヒクル、および溶剤を含んだペーストである。また、上記結晶粉末としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃が８５モル％、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃が１５モル％を含有する原料粉末が９７重量％、Ｂｉ₂Ｏ₃粉末が２重量％、およびＺｎＯ粉末が１重量％で配合された圧電粉末を使用する。また、ビヒクルは、例えばエチルセルロース系のバインダを使用し、溶剤は、例えばジエチレングリコールモノブチルエーテルのような有機溶剤を使用する。

次いで、上記Ｓｉ基板を１００℃で１０分乾燥した後、例えば４５０℃前後で加熱することにより、上記Ｓｉ基板のウラ面に形成されている開口部に充填・硬化された液状アクリル系樹脂を除去する。なお、４５０℃前後の条件で加熱しても、厚膜の焼成に悪影響を及ぼすことはなく、厚膜特性は劣化されないことは確認されている。

そしてその後に、上記Ｓｉ基板を本焼成することにより、例えば１０μｍ厚の圧電体層の焼成膜を形成する。

図２は、本発明に係る膜形成方法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子（ここでは、圧電ポンプ）を作製した一実施例の標準フローを示している断面図である。また、図３は作製したダイヤフラム部を有する圧電素子（ここでは、圧電ポンプ）の断面図であり、図４は図３の線Ａ−Ａに沿う断面図である。なお、実施例３では、充填樹脂は、液状アクリル系樹脂を用いている。

まず、ＳｉＯ₂層が全面に形成された２００μｍ厚のＳｉ基板（以下、Ｓｉ基板１１）を用意する。［図２の（１）参照］
次に、このＳｉ基板１１のウラ面１１ｂを、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンニングをし、開口部となる部分をＢＨＦ液でエッチングすることにより、Ｓｉエッチング用のマスクを形成する。そしてその後に、上記Ｓｉ基板１１のウラ面１１ｂを、ＴＭＡＨ液を用いてケミカルエッチングを行い、所望の厚み、例えば３０μｍ厚の開口部１２を形成する。［図２の（２）参照］
以上により、開口部を有するＳｉ基板１１を用意する。

次いで、上記Ｓｉ基板１１のウラ面１１ｂ側に形成されている開口
部１２に、液状アクリル系樹脂１３を充填し、ＵＶ露光により硬化させて、この液状シリコン系樹脂１３によって埋められたこの開口部の面の高さが、上記Ｓｉ基板１１のウラ面１１ｂ側の基板面と同じ位置になるようにする。これにより、開口部１２が補強される。［図２の（３）参照］
そしてその後、スクリーン印刷法を用いて、上記Ｓｉ基板１１のオモテ面１１ａの全面に、チタン酸バリウムペーストを塗布し、１００℃で乾燥することにより、チタン酸バリウム層１４の乾燥膜が形成される。［図２の（４）参照］
次に、上記Ｓｉ基板１１のチタン酸バリウム層１４上に、同様にスクリーン印刷法を用いて、引き出し用電極ペーストを塗布し、１００℃で乾燥することにより、引き出し用電極層１５の乾燥膜が形成される。［図２の（５）参照］
次いで、スクリーン印刷法を用いて、上記Ｓｉ基板１１の引き出し用電極層１５上に、チタン酸バリウムペーストを塗布し、１００℃で乾燥することにより、チタン酸バリウム層１６の乾燥膜が形成される。［図２の（６）参照］
次に、上記Ｓｉ基板１１のチタン酸バリウム層１６上に、同様にスクリーン印刷法を用いて、電極ペーストを塗布し、１００℃で乾燥することを、電極層１７の乾燥膜が形成される。同様にして、上記電極層１７上にチタン酸バリウムペーストを付与させて、チタン酸バリウム層１６の乾燥膜を形成し、そのチタン酸バリウム層１６の乾燥膜上に電極ペーストを付与させて、電極層１７の乾燥膜を形成させる。［図２の（７）参照］
そしてその後に、上記Ｓｉ基板１１（図２の（７）参照）を、例えば４５０℃前後で加熱して気化させることにより、上記Ｓｉ基板１１のウラ面１１ｂ側に形成されている開口部１２に充填・硬化された液状アクリル系樹脂１３を除去する。［図２の（８）参照］
次いで、上記Ｓｉ基板１１（図２の（８）参照）を１０００℃で本焼成することにより、上記Ｓｉ基板１１（図２の（８）参照）上に、チタン酸バリウム層および電極層の焼成膜を形成する［図示は省略］。

次いで、上記Ｓｉ基板１１（図２の（８）参照）に、端面電極１８をスパッタリング法により形成する。［図２の（９）参照］
そしてこの後に、例えば４００℃、７５Ｖの条件で、上記Ｓｉ基板１１（図２の（９）参照）と、流路１９ａとなる溝およびテーパー弁１９ｂを有する流路１９ａとなる溝をあらかじめ形成したガラス（図は省略）とを陽極接合して、ダイヤフラム部を有する圧電素子（圧電ポンプ）２０を作製する。［図３、図４を参照］
以上のように、基板の開口部は液状物質によって充填・硬化され、かつ、この液状物質によって埋められた開口部の面の高さが、ウラ面側の基板面と同じ位置になるようにしているので、液状物質と基板間に隙間を有することなく優れた密着性が得られる。したがって、スクリーン印刷時において、液状物質が基板から剥離することがないので、基板を破損させることなく、膜を形成することができる。すなわち、開口部を有する基板上に、圧電体厚膜を容易に形成することができる。さらに、Ｓｉ基板と電極との間において電極が剥離することなく、高抵抗を有した絶縁膜を形成できる。

よって、５０Ｖと高い入力電圧においても、Ｓｉ基板と電極との間で電気的に短絡することなく、大きな駆動力を有する圧電素子を作製することができ、５０Ｖでポンプ内の液が移動することが確認できた。

本発明に係る膜形成方法の標準フローを示している断面図である。本発明に係る膜形成方法を用いて、ダイヤフラム部を有する圧電素子（ここでは、圧電ポンプ）を作製した一実施例の標準フローを示している断面図である。作製したダイヤフラム部を有する圧電素子（ここでは、圧電ポンプ）の断面図である。図３の線Ａ−Ａに沿う断面図である。

符号の説明

１基板
２，１２開口部
３液状物質（充填用樹脂）
４厚膜（スクリーン印刷法により形成された膜）
１１ＳｉＯ₂層が形成されたＳｉ基板
１３液状アクリル系樹脂
１４，１６ＢａＴｉＯ₃層
１５引き出し用電極層
１７電極層
１８端面電極
１９ａ流路
１９ｂテーパー弁
２０ダイヤフラム部を有する圧電素子（圧電ポンプ）

Claims

第１の主面に対向する第２の主面側に開口部を有する基板において、前記開口部に液状物質を充填・硬化させ、前記の硬化された液状物質によって埋められた前記開口部の面の高さが前記第２の主面側の基板面と同じ位置になるようにし、前記基板の第１の主面側に厚膜を形成させた後に、前記基板の開口部から前記の硬化された液状物質を除去させることを特徴とする、膜形成方法。
前記液状物質は、アクリル系樹脂もしくはシリコン系樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載の膜形成方法。