JP2006173499A

JP2006173499A - 圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2006173499A
Application number: JP2004366649A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Kazama; 宏信風間; Akira Kuriki; 彰栗城; Masami Murai; 正己村井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】スクラブ洗浄によりウエハー面内のパーティクルを除去し、ウエハーの面内への異物の発生を抑制し、圧電素子の作製の際の不良の発生を低減する。
【解決手段】下電極膜６０に強誘電体膜７１からなる圧電体層７０を形成し、圧電体層７０に上電極膜８０を形成する圧電素子３００の製造方法において、下電極膜６０を成膜してから上電極膜８０を形成するまでの間でスクラブ洗浄を行って圧電体層７０を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板の表面に形成されて変位によりインク滴を吐出させるための圧電素子の製造方法に関する。

また、本発明は、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等である液体噴射ヘッドの製造方法に関する。

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体膜は、例えば、結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。

また、このような圧電素子を用いた液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けることによって圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。

また、この圧電素子を構成する圧電体層の製造方法としては、いわゆるゾル−ゲル法等が知られている。具体的には、下電極を形成した基板上に有機金属化合物のゾルを塗布して乾燥およびゲル化（脱脂）させて圧電体の前駆体膜を形成する工程を少なくとも一回以上実施し、その後、高温で熱処理して結晶化させる。そして、これらの工程を複数回繰り返し実施することで所定厚さの圧電体層（圧電体薄膜）を製造している（例えば、特許文献１参照）。

このような製造方法によれば、例えば、１μｍ以上の厚さの圧電体層を比較的良好に形成することができ、圧電素子の変位特性を向上することはできる。しかし、スパッタにより下電極を形成した基板には少なからずパーティクル（異物）が存在し、表面の異物がウエハーの面内に多数発生して圧電素子の作製の際に不良が発生する虞があった。なお、このような問題は、液体噴射ヘッド等に搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子においても同様に存在する。

特開平９−２２３８３０号公報（第４〜６頁）

本発明は、このような事情に鑑み、ウエハーの表面上の異物を低減して圧電体層を良好に形成することができる圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、下電極膜に強誘電体膜からなる圧電体層を形成し、圧電体層に上電極膜を形成する圧電素子の製造方法において、下電極膜を成膜してから上電極膜を形成するまでの間でスクラブ洗浄を行って圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第１の態様では、スクラブ洗浄によりウエハー面内のパーティクルが除去され、異物がウエハーの面内に発生することが抑制され、圧電素子の作製の際の不良の発生を低減することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、下電極膜を成膜した後にスクラブ洗浄を行って強誘電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第２の態様では、下電極膜を成膜した際に発生するパーティクルを除去することができる。

本発明の第３の態様は、第１または２の態様において、強誘電体膜は複数層に形成され、強誘電体膜を形成した後にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第３の態様では、強誘電体膜を形成した際に発生するパーティクルを除去することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様において、強誘電体膜の各層を形成する毎にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第４の態様では、強誘電体膜の各層の間で発生するパーティクルを除去することができる。

本発明の第５の態様は、第３または４の態様において、１層目の強誘電体膜を形成した後に、電極パターニングを行って電極パターニングで生じるレジストを除去し、レジストを除去した後にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第５の態様では、レジスト除去の際に発生するパーティクルを除去することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜６のいずれかにおいて、強誘電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第６の態様では、ＰＺＴの圧電素子のパーティクルを除去することができる。

上記課題を解決する本発明の第７の態様は、液滴を吐出する多数のノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の一方面側に、振動板を介して請求項１から６のいずれかの方法で製造された圧電素子を設けたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第７の態様では、異物がウエハーの面内に発生することが抑制された圧電素子を備えた液体噴射ヘッドとすることができる。

以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１には本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視、図２には図１の平面、及びＡ−Ａ’断面、図３には圧電素子の層構造を示す概略を示してある。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

このような圧力発生室１２等は、弾性膜５０とは反対側の面から流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されている。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０が面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなるため、シリコン単結晶基板の（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。すなわち、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。

本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。

このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０（例えば、Ｔｉ／Ｉｒ／Ｐｔ）と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、所定のプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。例えば、下電極膜６０はスパッタにより形成され、圧電体層７０が多数層形成される。１層目の圧電体層７０が形成された後、電極がイオンミーリングによりパターニングされ、その後レジストが除去される。

ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。

ここで、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、圧力発生室１２の両端部近傍でそれぞれパターニングされ、圧力発生室１２の並設方向に沿って連続的に設けられている。また、本実施形態では、各圧力発生室１２に対向する領域の下電極膜６０の端面は、絶縁体膜５５に対して所定角度で傾斜する傾斜面となっている。

また、圧電体層７０は、圧力発生室１２毎に独立して設けられ、図３に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電材料からなる複数層の強誘電体膜７１（７１ａ〜７１ｊ）で構成され、それらのうちの最下層である第１の強誘電体膜７１ａは下電極膜６０の上面のみに設けられている。強誘電体膜７１は、例えば、ゾル−ゲル法により形成されている。そして、この第１の強誘電体膜７１ａの端面は、下電極膜６０の端面に連続する傾斜面となっている。また、この第１の強誘電体膜７１ａ上に形成される第２〜１０の強誘電体膜７１ｂ〜７１ｊは、第１の強誘電体膜７１ａ上から絶縁体膜５５上まで、第１の強誘電体膜７１ａ及び下電極膜６０の傾斜した端面を覆って設けられている。

なお、上電極膜８０は、圧電体層７０と同様に圧力発生室１２毎に独立して設けられている。そして、各上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなる絶縁体膜５５上まで延設されるリード電極９０がそれぞれ接続されている。

また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合されている。また、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。さらに、封止基板３０上には、剛性が低く可撓性を有する材料で形成される封止膜４１と金属等の硬質の材料で形成される固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。なお、固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

上述した圧電体層７０（強誘電体膜７１）の材料として、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、インクジェット式記録ヘッドに使用する材料としては、良好な変位特性を得られればチタン酸ジルコン酸鉛系の材料に限定されない。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子３００の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ_３（ＰＺ）、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。

本実施形態例では、圧電素子３００を形成するにあたり、下電極膜６０を成膜してから上電極膜８０を形成するまでの間でスクラブ洗浄を行って圧電体層７０を形成するようになっている。

図４にはスクラブ洗浄を行っている状態の概念、図５にはスクラブ洗浄の工程概念、図６には異物の数を比較する表を示してある。

スクラブ洗浄は、図４に示すように、ウエハーＷを回転テーブル５０１に載せ、回転テーブル５０１を回転させると共に、中心部の上方のノズル５０２から純水を供給することで実施される。回転テーブル５０１の回転に伴う遠心力により純水がウエハーＷの外側に流れ、ウエハーＷの表面のパーティクルが除去される。なお、スクラブ洗浄は、純水を用いるほかに、所定のガスを含んだ水を用いたりブラシを用いることも可能である。

スクラブ洗浄の実施は、図５に示すように、下電極膜６０を成膜してから上電極膜８０を形成するまでの間で、下電極膜６０をスパッタにより成膜した後(１)、下電極膜６０の上に１層目の強誘電体膜７１ａを形成してパターニングを行ってレジストを除去した後(２)、複数層の強誘電体膜７１（７１ｂ〜７１ｊ）をそれぞれ形成した後(３)〜(ｎ)にそれぞれ行われる。

このため、下電極膜を成膜した際に発生するパーティクルを除去することができると共に、電極をパターニンしてレジストを除去する際に発生するパーティクルを除去することができる。また、強誘電体膜７１ａ〜７１ｊを形成した際に誘電体膜７１ａ〜７１ｊの各層の間で発生する発生するパーティクルを除去することができる。

図６には、例えば、６層までのパーティクルのトータルの個数を、スクラブ洗浄をした場合としなかった場合とで比較して示してある。

図に示すように、図５に示した(１)〜(ｎ)までの各層でスクラブ洗浄を行った場合、最終的に６層の場合に１０個のパーティクルが確認された。下電極膜６０をスパッタにより成膜した後の(１)だけでスクラブ洗浄を行った場合、最終的に６層の場合に６７個のパーティクルが確認された。このため、各層でスクラブ洗浄を行った場合に飛躍的にパーティクルが減少する結果となり、ウエハーＷの面内のパーティクルが除去され、異物がウエハーＷの面内に発生することが抑制される。従って、圧電素子３００の作製の際の不良の発生を低減することができる。

上述した実施形態例では、図５に示した(１)〜(ｎ)までの各層でスクラブ洗浄を行った例を示したが、本発明は、下電極膜６０を成膜してから上電極膜８０を形成するまでの間のいずれかでスクラブ洗浄を行うことでウエハーＷの面内のパーティクルを除去することができる。好ましくは、下電極膜６０の上に１層目の強誘電体膜７１ａを形成してパターニングを行ってレジストを除去した後の(２)の工程が最もパーティクルが多く発生するため、少なくとも(２)の工程を含めた工程を含めるとよい。

本発明は、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板の表面に形成されて変位によりインク滴を吐出させるための圧電素子の製造方法の分野で利用することができる。

また、本発明は、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等である液体噴射ヘッドの製造方法の分野で利用することができる。

本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。圧電素子の層構造を示す概略図である。スクラブ洗浄を行っている状態の概念図である。スクラブ洗浄の工程概念図である。異物の数を比較する表図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０封止基板、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、６０下電極膜、７０圧電体層、７１強誘電体膜、８０上電極膜、９０リード電極、３００圧電素子

Claims

下電極膜に強誘電体膜からなる圧電体層を形成し、圧電体層に上電極膜を形成する圧電素子の製造方法において、下電極膜を成膜してから上電極膜を形成するまでの間でスクラブ洗浄を行って圧電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項１において、下電極膜を成膜した後にスクラブ洗浄を行って強誘電体層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項１または２において、強誘電体膜は複数層に形成され、強誘電体膜を形成した後にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項３において、強誘電体膜の各層を形成する毎にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項３または４において、１層目の強誘電体膜を形成した後に、電極パターニングを行って電極パターニングで生じるレジストを除去し、レジストを除去した後にスクラブ洗浄を行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項１〜６のいずれかにおいて、強誘電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
液滴を吐出する多数のノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が形成される流路形成基板の一方面側に、振動板を介して請求項１から６のいずれかの方法で製造された圧電素子を設けたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。