JP2009032745A - Substrate heating method, substrate heating apparatus, manufacturing method of piezoelectric element, and manufacturing method of liquid injection head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板の基板加熱方法及び基板加熱装置に関し、特に、圧電体前駆体膜を焼成することにより形成される圧電体層を有する圧電素子の製造方法、及び圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate heating method and a substrate heating apparatus for a substrate, and more particularly, a method for manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer formed by firing a piezoelectric precursor film, and a liquid jet head including the piezoelectric element. It relates to the manufacturing method.
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等の強誘電材料からなる圧電体層を2つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層は、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。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。 A piezoelectric element used for a liquid jet head or the like is an element in which a piezoelectric layer made of a ferroelectric material such as a piezoelectric material exhibiting an electromechanical conversion function is sandwiched between two electrodes, and the piezoelectric layer is crystallized, for example. It is composed of piezoelectric ceramics. As a liquid ejecting head using such a piezoelectric element, for example, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle for ejecting ink droplets is constituted by a diaphragm, and the diaphragm is deformed by the piezoelectric element to generate pressure. There is an ink jet recording head that pressurizes ink in a chamber and ejects ink droplets from nozzles.
ここで、圧電素子を構成する圧電体層としては、例えば、複数の強誘電体膜を積層することによって形成されたものがある。その製造方法としては、次のようなものがある。まず、基板上に設けられた下電極膜上に強誘電体前駆体膜を形成し、その後、高温で熱処理して結晶化させて最下層の強誘電体膜(第1の強誘電体膜)を形成する。次に、第1の強誘電体膜及び下電極膜をエッチングすることによってこれら第1の強誘電体膜及び下電極膜を所定形状に形成する。その後、再び、強誘電体前駆体膜を形成し高温で熱処理して結晶化させて強誘電体膜を形成する。そして、このような強誘電体膜を複数層形成して所定厚さの圧電体層を形成する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Here, as a piezoelectric layer constituting the piezoelectric element, for example, there is one formed by laminating a plurality of ferroelectric films. The manufacturing method is as follows. First, a ferroelectric precursor film is formed on a lower electrode film provided on a substrate, and then heat-treated at a high temperature for crystallization to form a lowermost ferroelectric film (first ferroelectric film). Form. Next, the first ferroelectric film and the lower electrode film are formed into a predetermined shape by etching the first ferroelectric film and the lower electrode film. Thereafter, a ferroelectric precursor film is formed again and crystallized by heat treatment at a high temperature to form a ferroelectric film. There is a method of forming a plurality of such ferroelectric films to form a piezoelectric layer having a predetermined thickness (see, for example, Patent Document 1).
また、このように圧電体層を形成する際、例えば、脱脂工程等においては加熱装置のホットプレート上に基板を載置して加熱することで、強誘電体前駆体膜を加熱している。このように基板(強誘電体前駆体膜)を加熱する加熱装置は、種々提案されている(例えば、特許文献2参照)。 When the piezoelectric layer is formed in this way, for example, in the degreasing process, the ferroelectric precursor film is heated by placing the substrate on a hot plate of a heating device and heating it. Various heating devices for heating the substrate (ferroelectric precursor film) have been proposed (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、このような加熱装置のホットプレートでは、通常、その表面がフラットであるため、基板をその全面に亘って均一に加熱することができないという問題がある。具体的には、基板上に下電極膜や強誘電体膜等、線膨張係数の異なる材料からなる膜が形成されている状態で、この基板を加熱すると、線膨張係数の違いによって反りが生じてしまう。これに対し、ホットプレートの表面は平坦である。したがって、基板とホットプレートとの間に、隙間が形成されてしまい加熱温度にばらつきが生じてしまうという問題がある。 However, since the surface of such a hot plate of a heating device is usually flat, there is a problem that the substrate cannot be heated uniformly over the entire surface. Specifically, when a film made of a material having a different linear expansion coefficient, such as a lower electrode film or a ferroelectric film, is formed on the substrate, warping occurs due to the difference in the linear expansion coefficient. End up. On the other hand, the surface of the hot plate is flat. Therefore, there is a problem that a gap is formed between the substrate and the hot plate, resulting in variations in the heating temperature.
また例えば、基板上に形成された圧電体前駆体膜(強誘電体前駆体膜)を乾燥、或いは脱脂する際に、このような加熱温度のばらつきが生じてしまうと、形成される圧電体層の結晶性にばらつきが生じてしまい、圧電素子の変位特性が低下してしまう虞がある。 Also, for example, when such a variation in heating temperature occurs when a piezoelectric precursor film (ferroelectric precursor film) formed on a substrate is dried or degreased, the formed piezoelectric layer There is a possibility that the crystallinity will vary and the displacement characteristics of the piezoelectric element will deteriorate.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、基板をその全面に亘って均一に加熱することができる基板加熱方法及び基板加熱装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、圧電素子の変位特性を向上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目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the board | substrate heating method and board | substrate heating apparatus which can heat a board | substrate uniformly over the whole surface. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element and a method for manufacturing a liquid ejecting head that can improve the displacement characteristics of the piezoelectric element.
上記課題を解決する本発明は、基板上に膜を形成し、この膜が形成された基板をホットプレート上に載置して加熱する際に、前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記基板を加熱するようにしたことを特徴とする基板加熱方法にある。
かかる本発明では、ホットプレートの表面とその上に載置された基板との間隔が加熱中は常に一定となるため、基板全体を均一な温度に加熱することができる。
The present invention that solves the above-mentioned problems forms a film on a substrate, and when the substrate on which the film is formed is placed on a hot plate and heated, the surface of the hot plate is formed in a convex shape or a concave shape. And the substrate is heated in a state in which the distance between the substrate warped by heating and the surface of the hot plate is substantially constant in the in-plane direction of the substrate. It is in the substrate heating method.
In the present invention, since the distance between the surface of the hot plate and the substrate placed thereon is always constant during heating, the entire substrate can be heated to a uniform temperature.
また、本発明は、基板上に電極層及び圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子の製造方法であって、前記基板上に圧電体前駆体膜を形成する膜形成工程と、前記基板を所定温度に加熱して前記圧電体前駆体膜を乾燥させる乾燥工程と、前記基板を所定温度に加熱して前記圧電体前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、脱脂した圧電体前駆体膜をさらに焼成する焼成工程と、によって前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程を有し、前記圧電体層形成工程で前記基板をホットプレート上に載置して前記圧電体前駆体膜を加熱する際に、前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記圧電体前駆体膜を加熱するようにしたことを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる本発明では、ホットプレートの表面とその上に載置された基板との間隔が加熱中は常に一定となるため、基板上の圧電体前駆体膜を均一に加熱することができる。これにより、圧電体層の結晶性が向上するため、圧電素子の変位特性を向上することができる。
The present invention also relates to a method of manufacturing a piezoelectric element having an electrode layer and a piezoelectric layer made of a piezoelectric material on a substrate, the film forming step of forming a piezoelectric precursor film on the substrate, A drying step for drying the piezoelectric precursor film by heating to a predetermined temperature; a degreasing step for degreasing the piezoelectric precursor film by heating the substrate to a predetermined temperature; and a degreasing piezoelectric precursor film A piezoelectric layer forming step of forming the piezoelectric layer by a baking step of baking, and the substrate is placed on a hot plate in the piezoelectric layer forming step to heat the piezoelectric precursor film In this case, the surface of the hot plate is formed in a convex or concave shape, and the distance between the substrate warped by heating and the surface of the hot plate is substantially constant in the in-plane direction of the substrate. Said piezoelectric precursor in a state In the manufacturing method of the piezoelectric element, characterized in that so as to heat the.
In the present invention, since the distance between the surface of the hot plate and the substrate placed thereon is always constant during heating, the piezoelectric precursor film on the substrate can be uniformly heated. Thereby, since the crystallinity of the piezoelectric layer is improved, the displacement characteristics of the piezoelectric element can be improved.
具体的には、例えば、前記脱脂工程において、前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記圧電体前駆体膜を加熱する。また、例えば、前記乾燥工程において、前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記圧電体前駆体膜を加熱する。このように脱脂工程又は乾燥工程、或いはその両工程で、圧電体前駆体膜を均一に加熱することで、圧電体層の結晶性がより確実に向上する。 Specifically, for example, in the degreasing step, the surface of the hot plate is formed in a convex or concave shape, and the distance between the substrate that has been warped by heating and the surface of the hot plate is the substrate. The piezoelectric precursor film is heated in a state that is substantially constant in the in-plane direction. Further, for example, in the drying step, the surface of the hot plate is formed in a convex or concave shape, and the distance between the substrate that has been warped by heating and the surface of the hot plate is within the plane of the substrate. The piezoelectric precursor film is heated in a state that is substantially constant in the direction. Thus, the crystallinity of the piezoelectric layer is more reliably improved by heating the piezoelectric precursor film uniformly in the degreasing step or the drying step, or both steps.
また前記圧電体前駆体膜を、有機金属熱分解法により形成することが好ましい。これにより、結晶性に優れた圧電体層を比較的容易に形成することができる。 The piezoelectric precursor film is preferably formed by an organometallic pyrolysis method. Thereby, a piezoelectric layer having excellent crystallinity can be formed relatively easily.
また前記基板が面方位(110)のシリコン単結晶基板からなることが好ましい。これにより、基板上に圧電素子を良好に形成することができる。 The substrate is preferably composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110). Thereby, a piezoelectric element can be favorably formed on a substrate.
さらに、本発明は、このような製造方法によって製造された圧電素子を用いることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。これにより、液滴の吐出特性に優れた液体噴射ヘッドを実現することができる。 Furthermore, the present invention resides in a method for manufacturing a liquid ejecting head using a piezoelectric element manufactured by such a manufacturing method. Thereby, it is possible to realize a liquid jet head having excellent droplet discharge characteristics.
また本発明は、基板が載置されるホットプレートと該ホットプレートを所定温度に加熱する加熱手段とを有し、該ホットプレートの表面が、加熱により生じる前記基板の反りに沿って形成されており、前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定な状態で当該基板が加熱されることを特徴とする基板加熱装置にある。
かかる本発明では、ホットプレートの表面とその上に載置された基板との間隔が加熱中は常に一定となるため、基板全体を均一に加熱することができる。
The present invention also includes a hot plate on which the substrate is placed and a heating means for heating the hot plate to a predetermined temperature, and the surface of the hot plate is formed along the warp of the substrate caused by heating. In the substrate heating apparatus, the substrate is heated in a state where the distance between the substrate and the surface of the hot plate is substantially constant in the in-plane direction of the substrate.
In the present invention, since the distance between the surface of the hot plate and the substrate placed thereon is always constant during heating, the entire substrate can be heated uniformly.
ここで、前記ホットプレートの外周部には、前記基板を支持する同一長さの支持ピンが設けられていることが好ましい。これにより、ホットプレートの表面と基板との間隔を比較的容易に略一定な状態に保持することができる。 Here, it is preferable that support pins having the same length to support the substrate are provided on the outer peripheral portion of the hot plate. Thereby, the space | interval of the surface of a hotplate and a board | substrate can be hold | maintained in a substantially constant state comparatively easily.
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、液体噴射ヘッドの一例であ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であり、図2は、図1の平面図及びA−A’断面図であり、図3は、圧電素子の層構造を示す拡大断面図である。図示するように、インクジェット式記録ヘッドを構成する流路形成基板10は、例えば、面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、隔壁11によって区画された複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向一端部側には、隔壁11によって区画され各圧力発生室12に連通するインク供給路13と連通路14とが設けられている。連通路14の外側には、各連通路14と連通する連通部15が設けられている。この連通部15は、後述する保護基板30のリザーバ部32と連通して、各圧力発生室12の共通するリザーバ100の一部を構成する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an outline of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head, FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1, and FIG. It is an expanded sectional view which shows the layer structure. As shown in the figure, the flow
インク供給路13は、圧力発生室12よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部15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。このインク供給路13は、具体的には、リザーバ100と各圧力発生室12との間の圧力発生室12側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室12の幅より小さい幅で形成されている。各連通路14は、圧力発生室12の幅方向両側の隔壁11を連通部15側に延設してインク供給路13と連通部15との間の空間を区画することで形成されている。なお、インク供給路13は、上述した構成に限定されず、例えば、流路の幅が両側から絞られていてもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。このような流路形成基板10の材料として、上述したようにシリコン単結晶基板が好適に用いられるが、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよい。
The
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13とは反対側の端部近傍に連通するノズル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。ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼(SUS)などからなる。
On the opening surface side of the flow
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、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、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、下電極膜60と、厚さが1.0〜5.0μm程度の圧電体層70と、上電極膜80とからなる圧電素子300が形成されている。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、他方の電極を圧電体層70と共に圧力発生室12毎にパターニングして個別電極とする。本実施形態では、下電極膜60を圧電素子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。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60が実質的に振動板として作用するが、弾性膜50、絶縁体膜55を設けずに、下電極膜60のみを残して下電極膜60を振動板としてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
On the other hand, the
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。なお、下電極膜60の端面は、必ずしも傾斜面となっている必要はなく、絶縁体膜55に対して略垂直な面であってもよい。
Here, the
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)等の圧電材料からなる複数層の圧電体膜71(71a〜71d)で構成され、それらのうちの最下層である第1の圧電体膜71aは下電極膜60上のみに設けられている。そして、この第1の圧電体膜71aの端面は、下電極膜60の端面から連続する傾斜面となっている。また、この第1の圧電体膜71a上に形成される第2〜4の圧電体膜71b〜71dは、第1の圧電体膜71a上から絶縁体膜55上まで、第1の圧電体膜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。そして、第1の圧電体膜71aと下電極膜60とは、圧力発生室12の長手方向に対向する領域内に形成され、また、第2〜4の圧電体膜71b〜71dは、圧力発生室12の長手方向端部に対向する領域から当該領域外にまで延設されている。
The
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)等からなるリード電極90の一端側が接続され、このリード電極90の他端側は絶縁体膜55上まで延設されている。
The
また流路形成基板10上には、圧電素子300を保護するための圧電素子保持部31を有する保護基板30が接合されている。なお、この圧電素子保持部31は密封されていてもよいが、密封されていなくてもよい。さらに保護基板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。保護基板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。
A
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、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、圧電素子300及び振動板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21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the
以下、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法、特に、圧電素子の形成方法について図4〜図10を参照して説明する。まず、図4(a)に示すように、流路形成基板10となるシリコンウェハである流路形成基板用ウェハ110上に弾性膜50となる二酸化シリコン膜51を形成する。次いで、図4(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁体膜55を形成する。次いで、図4(c)に示すように、絶縁体膜55上に下電極膜60を形成する。この下電極膜60の材料は、特に限定されないが、圧電体層70としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましい。このため、下電極膜60の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。
Hereinafter, a method for manufacturing an ink jet recording head according to the present embodiment, in particular, a method for forming a piezoelectric element will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 4A, a
次いで、下電極膜60上に圧電体層70を形成する圧電体層形成工程を実施する。圧電体層70は、上述したように複数層の圧電体膜71a〜71dを積層することによって形成されている。例えば、本実施形態では、いわゆるMOD(Metal-Organic Decomposition)法によって圧電体膜71を形成している。すなわち、金属アルコキシド等の有機金属化合物をアルコールに溶解し、これに加水分解抑制剤等を加えて得たコロイド溶液を被対象物上に塗布して圧電体前駆体膜72を形成した後、この圧電体前駆体膜72を乾燥・脱脂して有機成分を離脱させた後、焼成して結晶化させることで各圧電体膜71を得ている。
Next, a piezoelectric layer forming step for forming the
なお、圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料が用いられる。また焼成によって形成される圧電体層70中の鉛の欠けを防止するために過剰鉛(化学量論比を上回る鉛)を含有する圧電材料が用いられる。勿論、圧電体層70の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に限定されるものではない。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)にニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリ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、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(Sc1/2Ta1/2)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3−PbTiO3(PSN−PT)、BiScO3−PbTiO3(BS−PT)、BiYbO3−PbTiO3(BY−PT)等が挙げられる。また、本実施形態では、圧電体層70を構成する各圧電体膜71を、MOD法により形成するようにしたが、これに限定されず、いわゆるゾル−ゲル法によって形成するようにしてもよい。
In addition, as a material of the
圧電体層70の形成手順としては、具体的にはまず、図5(a)に示すように、下電極膜60上に、チタン又は酸化チタンからなる結晶種(層)65を、例えば、スパッタ法により形成する。なお、この結晶種(層)65は、必要に応じて形成すればよい。次いで、図5(b)に示すように、例えば、スピンコート法等の塗布法により未結晶状態の圧電体前駆体膜72aを所定の厚さとなるように形成し(膜形成工程)、この圧電体前駆体膜72aを乾燥させて溶媒(アルコール)を蒸発させる(乾燥工程)。圧電体前駆体膜72aを乾燥させる温度は、例えば、150℃以上200℃以下であることが好ましく、好適には180℃程度である。また、乾燥させる時間は、例えば、5分以上15分以下であることが好ましく、好適には10分程度である。
Specifically, as a procedure for forming the
次いで、乾燥した圧電体前駆体膜72aを所定温度で脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜72aの有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。なお、脱脂時の流路形成基板用ウェハ110の加熱温度は300℃〜500℃程度であることが好ましい。例えば、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ110を400℃程度に加熱して、圧電体前駆体膜72aの脱脂を行っている。なお、加熱温度が高すぎると圧電体前駆体膜72aの結晶化が始まってしまい、温度が低すぎると十分な脱脂が行えない虞がある。
Next, the dried
次いで、流路形成基板用ウェハ110を、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置等に投入し、圧電体前駆体膜72aを約700℃の高温で焼成して結晶化することにより、最下層の圧電体膜である第1の圧電体膜71aを形成する(焼成工程)。
Next, the flow path forming
次に、下電極膜60と第1の圧電体膜71aとを同時にパターニングする。まず図5(c)に示すように、第1の圧電体膜71a上にレジストを塗布し、露光及び現像することにより所定パターンのレジスト膜150を形成する。ここで、レジストは、例えば、ネガレジストをスピンコート法等により塗布して形成し、レジスト膜150は、その後、所定のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより形成する。勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。なお、本実施形態では、レジスト膜150の端面が所定角度で傾斜するように形成している。
Next, the
そして、図6(a)に示すように、このようなレジスト膜150を介して下電極膜60及び第1の圧電体膜71aをイオンミリングすることによってパターニングする。このとき、これら下電極膜60及び第1の圧電体膜71aは、レジスト膜150の傾斜した端面に沿ってパターニングされ、これらの端面は、振動板に対して所定角度で傾斜する傾斜面となる。
Then, as shown in FIG. 6A, patterning is performed by ion milling the
次に、図6(b)に示すように第1の圧電体膜71a上のレジスト膜150を剥離させ、その後、図6(c)に示すように、この第1の圧電体膜71a上に、スピンコート法等により圧電体前駆体膜72bを所定の厚さとなるように形成する(膜形成工程)。次いで、上述した乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を実施する。本実施形態では、3回の塗布・乾燥・脱脂により所望の厚さの圧電体前駆体膜72bを得ている。その後、圧電体前駆体膜72bを焼成して結晶化させて第2の圧電体膜71bとする。
Next, as shown in FIG. 6B, the resist
その後、このような膜形成工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を回繰り返すことによって、残りの圧電体膜を形成する。すなわち、3回の塗布によって圧電体前駆体膜を形成する工程と、その圧電体前駆体膜を乾燥・脱脂後、焼成して圧電体膜を形成する工程とを複数回繰り返すことにより、残りの圧電体膜である第3及び第4の圧電体膜71c,71dを形成する。これにより、複数層の圧電体膜71a〜71dからなる圧電体層70が形成される(図6(d))。
Then, the remaining piezoelectric film is formed by repeating such a film formation process, a drying process, a degreasing process, and a baking process. That is, by repeating the step of forming the piezoelectric precursor film by three times of coating and the step of drying and degreasing the piezoelectric precursor film and then baking and forming the piezoelectric film, the remaining number of times is obtained. Third and fourth
このように圧電体層形成工程では、膜形成工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回繰り返すことによって圧電体層70を形成している。詳しくは後述するが、この圧電体層形成工程では、流路形成基板用ウェハ110を基板加熱装置のホットプレート上に載置することで圧電体前駆体膜72を加熱している。例えば、本実施形態では、乾燥工程及び脱脂工程において、このようにホットプレートによって圧電体前駆体膜72を加熱している。
As described above, in the piezoelectric layer forming step, the
ここで、下電極膜60或いは圧電体膜71が形成されている流路形成基板用ウェハ110は、流路形成基板用ウェハ110と、その上に形成された各層(例えば、下電極膜60)との線膨張係数の違いにより、常温では下電極膜60とは反対面側が凸となる若干の反りが生じる。これに対し、この流路形成基板用ウェハ110を加熱すると、線膨張係数の違いにより流路形成基板用ウェハ110には下電極膜60側が凸となる反りが生じる。例えば、6インチのウェハの場合、反り量は、最大で数百μm程度である。
Here, the flow path forming
本発明では、ホットプレート上に流路形成基板用ウェハを載置して圧電体前駆体膜を加熱する際に、加熱により反りが生じた流路形成基板用ウェハとホットプレートの表面との間隔が、流路形成基板用ウェハの面内方向において略一定となるようにしている。具体的には、以下に説明する基板加熱装置のホットプレート上に流路形成基板用ウェハを載置して圧電体前駆体膜を加熱している。 In the present invention, when the flow path forming substrate wafer is placed on the hot plate and the piezoelectric precursor film is heated, the gap between the flow path forming substrate wafer and the surface of the hot plate that is warped by heating. However, it is made substantially constant in the in-plane direction of the flow path forming substrate wafer. Specifically, the flow path forming substrate wafer is placed on a hot plate of a substrate heating apparatus described below to heat the piezoelectric precursor film.
本実施形態に係る基板加熱装置200は、図7に示すように、加熱手段としてのヒータ201が内部に設けられたホットプレート202を有し、このホットプレート202がハウジング203内に配置されてなる(図7(b))。またこのホットプレート202の表面は、例えば、本実施形態では凸状の曲面に形成されている。つまり、ホットプレート202の表面は、加熱に生じる流路形成基板用ウェハ110の反りに沿って凸状の曲面に形成されている。これにより、加熱された流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202との間隔が、流路形成基板用ウェハ110の面内方向において略一定となるようにしている。
As shown in FIG. 7, the substrate heating apparatus 200 according to this embodiment includes a
本実施形態では、ホットプレート202の周縁部に、流路形成基板用ウェハ110を支持する複数(例えば、3本)の支持ピン204が、それぞれ一定の長さで設けられている。そして、流路形成基板用ウェハ110は、この支持ピン204を介してホットプレート202上に載置され、これら複数の支持ピン204によって支持された流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔が、流路形成基板用ウェハ110の面内方向において略一定となるようにしている。
In the present embodiment, a plurality (for example, three) of support pins 204 that support the flow path forming
上述したように流路形成基板用ウェハ110は、常温では下電極膜60側が凸となるように反りが生じているが、所定温度に加熱されたホットプレート202上に載置すると急激な温度上昇に伴って反り状態が変化し、流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔が略一定となる。そして、このように流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔を略一定にした状態を所定時間保持して圧電体前駆体膜72を加熱する。
As described above, the flow path forming
これにより、流路形成基板用ウェハ110に形成されている圧電体前駆体膜72の全体を均一に加熱することができ、各圧電素子300を構成する圧電体膜71(圧電体層70)内での結晶性のばらつきを防止することができる。したがって、各圧電素子300を構成する圧電体層70の結晶性が良好な状態で均一化される。よって、圧電素子300の変位特性を向上させることができる。また一枚の流路形成基板用ウェハ110に形成される各圧電素子300の変位特性のばらつきも防止されるため、歩留まりを向上して製造コストを削減することもできる。なお、脱脂工程において上記のように圧電体前駆体膜72を加熱することで、特にこのような効果が得られやすい。
As a result, the entire
なお、加熱された流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔は、加熱温度のばらつきが許容範囲内となる程度に一定となっていればよい。つまり、加熱された流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔は流路形成基板用ウェハ110の面内方向において略一定であればよい。
It should be noted that the distance between the heated flow path forming
また、本実施形態のように圧電体層70が複数の圧電体膜71a〜71dで形成されている場合、各圧電体膜71a〜71dを形成する工程で、流路形成基板用ウェハ110の反り量が変化する場合がある。つまり、各工程で形成される圧電体膜71が厚い程、反り量は大きくなる傾向にある。また、乾燥工程と脱脂工程とでは加熱温度が異なるため、やはり流路形成基板用ウェハ110の反り量は変化する場合がある。この変化量が比較的大きい場合には、各圧電体膜71を形成する工程で、表面形状の曲率半径が異なるホットプレート202を適宜選択して用いるようにするのが好ましい。これにより、圧電体膜71(圧電体層70)の結晶性のばらつきをより確実に防止することができる。
Further, when the
なお、ホットプレート202の表面形状は、流路形成基板用ウェハ110を試験的に加熱して圧電体前駆体膜72を加熱してその際の反り量を測定し、その測定結果に基づいて決定すればよい。なお基板の反り量は、その上に形成されている膜の材質、厚さ、膜を形成する領域等の膜形成条件、或いは加熱温度、加熱時間等の加熱条件によって変化するものの、これらの条件が一定であれば、基板の反り量は常に一定となる。
The surface shape of the
また、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ110として面方位(110)のシリコン単結晶基板を用いているため、結晶方向によってその反り量は異なる。具体的には、流路形成基板用ウェハ110の反り量は、(001)方向で最大となり、(001)方向とは直交する方向である(1−10)方向で最小となる。したがって、このような基板を加熱する場合には、ホットプレート202表面の各方向における曲率半径を、反り量に応じて変化させることが好ましい。またこのような反り量の違いは、加熱温度の違いによっても発生する場合がある。例えば、比較的低温で加熱する乾燥工程では結晶方向に拘わらず反り量は一定となるが、比較的高温で加熱する脱脂工程では、上記のように結晶方向によって反り量が変化することがある。このような場合には、各工程でホットプレート202を適宜選択して使用することが好ましい。
In the present embodiment, since the silicon single crystal substrate having the plane orientation (110) is used as the flow path forming
ちなみに、例えば、面方位(100)のシリコン単結晶基板等は、等方性であり面内の各方向における反り量は一定となる。このような基板を加熱する場合には、ホットプレート202表面の曲率半径は各方向において一定とすればよい。
Incidentally, for example, a silicon single crystal substrate having a plane orientation (100) is isotropic, and the amount of warpage in each direction in the plane is constant. When such a substrate is heated, the radius of curvature on the surface of the
このように圧電体層70を形成した後は、図8(a)に示すように、例えば、イリジウム(Ir)からなる上電極膜80を積層形成し、圧電体層70及び上電極膜80を各圧力発生室12に対向する領域内にパターニングして圧電素子300を形成する(図8(b))。次いで、図9(a)に示すように、金(Au)からなる金属層91を流路形成基板10の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介してこの金属層91を圧電素子300毎にパターニングすることによってリード電極90を形成する。次に、図9(b)に示すように、複数の保護基板30が一体的に形成される保護基板用ウェハ130を、流路形成基板用ウェハ110上に接着剤35によって接着する。ここで、保護基板用ウェハ130には、圧電素子保持部31、リザーバ部32等が予め形成されている。次いで、図9(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ110を所定の厚みにする。
After the
次いで、図10(a)に示すように、流路形成基板用ウェハ110上に、例えば、窒化シリコン(SiN)からなる保護膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図10(b)に示すように、この保護膜52を介して流路形成基板用ウェハ110を異方性エッチング(ウェットエッチング)して、流路形成基板用ウェハ110に、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15を形成する。その後、流路形成基板用ウェハ110の保護基板用ウェハ130とは反対側の面にノズル21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハ130にコンプライアンス基板40を接合し、これら流路形成基板用ウェハ110等を、図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
Next, as shown in FIG. 10A, a
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、ホットプレート202の表面が曲面で構成されている例を説明したが、このホットプレート202の表面は実質的に曲面になっていればよい。例えば、図11に示すように、複数の段差によって形成された実質的な曲面であってもよい。なお、勿論、各段差があまり大きすぎると基板の加熱温度にばらつきが生じる虞があるため好ましくない。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the structure of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the example in which the surface of the
また例えば、上述の実施形態では、ホットプレート202の表面が凸状に形成されたものを例示したが、勿論、ホットプレート202はその表面が凹状に形成されたものであってもよい。この形状は、あくまで基板の反りに沿って形成されていればよい。また例えば、上述の実施形態では、基板加熱装置として、ホットプレート202上に複数の支持ピン204が設けられた例を説明したが、この支持ピン204は必ずしも設けられている必要はない。勿論、支持ピン204が設けられていない場合でも、流路形成基板用ウェハ110とホットプレート202の表面との間隔は略一定となる。つまり、両者の間隔が略零で一定であり、流路形成基板用ウェハ110の全面がホットプレート202に実質的に接触した状態となる。また例えば、上述の実施形態では、乾燥工程及び脱脂工程のそれぞれでホットプレート202によって圧電体前駆体膜72を加熱するようにした例を説明したが、勿論、一方の工程のみでホットプレート202によって圧電体前駆体膜72を加熱するようにしてもよい。
Further, for example, in the above-described embodiment, the surface of the
さらに例えば、上述の実施形態では、圧電体膜71a上の圧電体膜71b〜71dは、それぞれ三回の塗布・乾燥・脱脂により圧電体前駆体膜72を形成後、この圧電体前駆体膜72を焼成することによって形成されているが、勿論、各圧電体膜は、1回又は2回、或いは4回以上の塗布・乾燥・脱脂により形成した圧電体前駆体膜をそれぞれ焼成することで形成するようにしてもよい。
Further, for example, in the above-described embodiment, the
また上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを例示したが、本発明は、広く液体噴射ヘッドを対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(電界放出ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。また、本発明は、液体噴射ヘッドに利用される圧電素子の製造方法だけでなく、他のあらゆる装置、例えば、マイクロホン、発音体、各種振動子、発信子等に搭載される圧電素子の製造方法にも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head that ejects ink is exemplified as the liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for the liquid ejecting head. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used for an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (field emission display). Electrode material ejecting heads used in manufacturing, bioorganic matter ejecting heads used in biochip production, and the like. The present invention is not limited to a method for manufacturing a piezoelectric element used in a liquid ejecting head, but also a method for manufacturing a piezoelectric element mounted on any other device, for example, a microphone, sounding body, various vibrators, an oscillator, and the like. Needless to say, it can also be applied.
さらに、本発明の基板加熱方法は、線膨張係数の異なる材料からなる膜が形成された基板を加熱する際に適用できるものであり、例えば、液晶モニタ等に使用されるカラーフィルタの製造等にも適用することができ、その対象は特に限定されるものではない。勿論、本発明の基板加熱装置も、多種多様な基板の加熱に使用することができるものである。 Furthermore, the substrate heating method of the present invention can be applied when heating a substrate on which a film made of a material having a different linear expansion coefficient is formed. For example, for manufacturing a color filter used for a liquid crystal monitor or the like. Can also be applied, and the object is not particularly limited. Of course, the substrate heating apparatus of the present invention can also be used for heating a wide variety of substrates.
10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 インク供給路、 14 連通路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 30 保護基板、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 70 圧電体層、 71 圧電体膜、 72 圧電体前駆体膜、 80 上電極膜、 90 リード電極、 100 リザーバ、 110 流路形成基板用ウェハ、 130 保護基板用ウェハ、 150 レジスト膜、 200 基板加熱装置、 201 ヒータ、 202 ホットプレート、 203 ハウジング、 204 支持ピン、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記基板を加熱するようにしたことを特徴とする基板加熱方法。 When a film is formed on a substrate and the substrate on which this film is formed is placed on a hot plate and heated,
In the state where the surface of the hot plate is formed in a convex or concave shape, and the distance between the substrate and the surface of the hot plate warped by heating is substantially constant in the in-plane direction of the substrate. A substrate heating method characterized by heating a substrate.
前記基板上に圧電体前駆体膜を形成する膜形成工程と、前記基板を所定温度に加熱して前記圧電体前駆体膜を乾燥させる乾燥工程と、前記基板を所定温度に加熱して前記圧電体前駆体膜を脱脂する脱脂工程と、脱脂した圧電体前駆体膜をさらに焼成する焼成工程と、によって前記圧電体層を形成する圧電体層形成工程を有し、
前記圧電体層形成工程で前記基板をホットプレート上に載置して前記圧電体前駆体膜を加熱する際に、前記ホットプレートの表面が凸状又は凹状に形成されたものを用い、加熱により反りが生じた前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定である状態で前記圧電体前駆体膜を加熱するようにしたことを特徴とする圧電素子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric element having an electrode layer and a piezoelectric layer made of a piezoelectric material on a substrate,
A film forming step of forming a piezoelectric precursor film on the substrate; a drying step of drying the piezoelectric precursor film by heating the substrate to a predetermined temperature; and heating the substrate to a predetermined temperature to form the piezoelectric A degreasing step of degreasing the body precursor film, and a firing step of further firing the degreased piezoelectric precursor film, and a piezoelectric layer forming step of forming the piezoelectric layer,
When the substrate is placed on a hot plate and the piezoelectric precursor film is heated in the piezoelectric layer forming step, the surface of the hot plate is formed into a convex shape or a concave shape. Manufacturing of the piezoelectric element characterized in that the piezoelectric precursor film is heated in a state where the distance between the warped substrate and the surface of the hot plate is substantially constant in the in-plane direction of the substrate. Method.
該ホットプレートの表面が、加熱により生じる前記基板の反りに沿って形成されており、前記基板と前記ホットプレートの表面との間隔が当該基板の面内方向において略一定な状態で当該基板が加熱されることを特徴とする基板加熱装置。 A hot plate on which the substrate is placed and a heating means for heating the hot plate to a predetermined temperature;
The surface of the hot plate is formed along the warp of the substrate caused by heating, and the substrate is heated in a state where the distance between the substrate and the surface of the hot plate is substantially constant in the in-plane direction of the substrate. A substrate heating apparatus.
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