JP2009272329A - Method for manufacturing actuator device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の変位により振動部材を変形させるアクチュエータ装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an actuator device that deforms a vibrating member by displacement of a piezoelectric element.
電圧を印加することにより変位する圧電素子を備えたアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの液体吐出手段として用いられる。液体噴射装置としては、例えば、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を備えたインクジェット式記録装置が知られている。 An actuator device including a piezoelectric element that is displaced by applying a voltage is used as, for example, a liquid ejecting unit of a liquid ejecting head mounted on a liquid ejecting apparatus that ejects droplets. As a liquid ejecting apparatus, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so as to pressurize ink in the pressure generation chamber and eject ink droplets from the nozzle opening. 2. Description of the Related Art An ink jet recording apparatus provided with an ink jet recording head to be ejected is known.
インクジェット式記録ヘッドとして、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、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各圧力発生室に独立して圧電素子を形成したたわみ振動モードのアクチュエータ装置を搭載したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As an ink jet recording head, for example, a uniform piezoelectric film is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and the piezoelectric layer is separated into shapes corresponding to pressure generation chambers by a lithography method. 2. Description of the Related Art An actuator device in a flexural vibration mode in which a piezoelectric element is independently formed in a generation chamber is known (see, for example, Patent Document 1).
アクチュエータ装置は、流路形成基板の表面に、弾性膜が形成されると共に、上下電極に挟まれた強誘電体膜を圧電素子として形成される。強誘電体膜は、例えば、有機金属ゾルが塗布・焼結される等して形成され、強誘電体膜が圧電素子として形成された後、流路形成基板の他面に圧力室がエッチングにより形成される。 In the actuator device, an elastic film is formed on the surface of a flow path forming substrate, and a ferroelectric film sandwiched between upper and lower electrodes is formed as a piezoelectric element. The ferroelectric film is formed, for example, by applying and sintering an organic metal sol, and after the ferroelectric film is formed as a piezoelectric element, a pressure chamber is etched on the other surface of the flow path forming substrate. It is formed.
一般に知られているアクチュエータ装置では、強誘電体膜を生成する場合の有機金属ゾルは、フラットな基板に塗布することが強誘電体膜の基板面内分布向上のために重要である。また、流路形成基板の他面に異方性エッチング等で圧力室をエッチングする工程においては、圧力室パターン形成のために基板の平坦性が重要である。 In a generally known actuator device, it is important to apply the organometallic sol for generating a ferroelectric film to a flat substrate in order to improve the in-plane distribution of the ferroelectric film. In the process of etching the pressure chamber on the other surface of the flow path forming substrate by anisotropic etching or the like, the flatness of the substrate is important for forming the pressure chamber pattern.
基板上に弾性膜や強誘電体膜を積層形成する過程では、各生成膜の内部応力により基板に多少なりとも変形(反り)が生じることは避けられないのが現状である。このため、初期段階で基板に形成された反りは、強誘電体膜の形成工程や圧力室のエッチング工程で大きな影響を及ぼすものであるが、アクチュエータ装置を製造する際に、初期段階における基板の反りは特別に考慮されていないのが実情であった。 In the process of laminating and forming an elastic film or a ferroelectric film on a substrate, it is inevitable that the substrate is somewhat deformed (warped) due to internal stress of each generated film. For this reason, the warp formed on the substrate in the initial stage has a great influence on the formation process of the ferroelectric film and the etching process of the pressure chamber. The actual situation is that warpage is not specifically considered.
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程の初期に形成されて後工程に大きな影響を及ぼす基板の変形を、圧電素子の形成工程での影響を最小限に抑制する状態に制御することができるアクチュエータ装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and controls the deformation of the substrate that is formed in the early stage of the manufacturing process and has a great influence on the subsequent process to a state in which the influence in the piezoelectric element forming process is suppressed to a minimum. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an actuator device that can be used.
上記目的を達成するための本発明のアクチュエータ装置の製造方法は、基板の一方面に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程を有し、前記圧電素子の形成の状況に基づいて前記圧電素子を形成する前段のアニール処理の状況を設定するアニール処理設定工程を備え、前記アニール処理設定工程の設定に基づいて前記アニール処理を制御することを特徴とする。 The manufacturing method of the actuator device of the present invention for achieving the above object has a step of forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode on one surface of a substrate, and the state of formation of the piezoelectric element An annealing treatment setting step for setting the state of the preceding annealing treatment for forming the piezoelectric element based on the annealing treatment is controlled, and the annealing treatment is controlled based on the setting of the annealing treatment setting step.
本発明では、アニール処理設定工程の設定に基づいてアニール処理を制御することで、圧電素子を形成する工程での基板の変形を所望の範囲に抑制できる状態に初期工程での基板の変形を調整することができる。 In the present invention, by controlling the annealing process based on the setting of the annealing process setting process, the deformation of the substrate in the initial process is adjusted so that the deformation of the substrate in the process of forming the piezoelectric element can be suppressed to a desired range. can do.
そして、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記圧電素子の形成の状況は、前記圧電体層の前駆体形成の状況であることを特徴とする。これにより、圧電体層の生成膜の内部応力による基板の変形を所望の範囲に抑制することができる。 In the manufacturing method of the actuator device, the state of formation of the piezoelectric element is a state of formation of a precursor of the piezoelectric layer. Thereby, the deformation | transformation of the board | substrate by the internal stress of the production | generation film | membrane of a piezoelectric material layer can be suppressed to a desired range.
また、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記アニール処理設定工程では、前記アニール処理の条件を決定し、決定された条件に基づいて前記アニール処理を実行することを特徴とする。また、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記アニール処理の条件は、前記アニール処理の実行の有無を含むことを特徴とする。 In the method for manufacturing an actuator device, the annealing treatment setting step may determine conditions for the annealing treatment and perform the annealing treatment based on the decided conditions. In the method for manufacturing the actuator device, the annealing process condition includes whether or not the annealing process is performed.
図1には本発明の一実施形態例に係る製造方法により製造されたアクチュエータ装置を備えたインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視、図2には図1の平面視、図3には図2中のIII−III線矢視、図4〜図6には本発明の一実施形態例に係る製造方法の工程説明を示してある。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head having an actuator device manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, and FIG. In FIGS. 4 to 6, steps of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention are shown.
図1〜図3に基づいてインクジェット式記録ヘッドを説明する。
図に示すように、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、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、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。尚、連通部13は、後述する保護基板のリザーバ部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。
The ink jet recording head will be described with reference to FIGS.
As shown in the figure, the flow
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。尚、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等から形成される。
On the opening surface side of the flow
流路形成基板10の開口面とは反対側には、二酸化シリコン(SiO2)からなる弾性膜50が形成され、弾性膜50の上には酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁体膜55が形成されている。絶縁体膜55上には下電極膜60と、圧電体層70と、上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子300を構成している。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。
An
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、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が圧電体能動部となっている。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12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
In general, one electrode of the
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されている。各圧電素子300の上電極膜80には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90がそれぞれ接続され、リード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加される。
The
流路形成基板10上の圧電素子300側の面には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部31を有する保護基板30が接合されている。圧電素子300は圧電素子保持部31の内部に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。更に、保護基板30には、流路形成基板10の連通部13に対応する領域にリザーバ部32が設けられている。リザーバ部32は、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の並設方向に沿って設けられ、流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
A
保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバ部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に下電極膜60の一部及びリード電極90の先端部が露出され、これら下電極膜60及びリード電極90には、図示しないが、駆動ICから延設される接続配線の一端が接続される。
A through
尚、保護基板30は、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料のシリコン単結晶基板を用いて形成されている。保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等で形成することも可能である。
The
保護基板30上には封止膜41及び固定板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。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、封止膜41によってリザーバ部32の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、ステンレス鋼(SUS)等)で形成される。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の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
A
上述した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ICからの記録信号に従い、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する。電圧を印加することにより弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70がたわみ変形し、各圧力発生室12内の圧力が高められてノズル開口21からインク滴が吐出する。
In the above-described ink jet recording head, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the
上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法を図4〜図6に基づいて説明する。図4〜図6は圧力発生室12の長手方向の断面状況である。
A method for manufacturing the above-described ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 4 to 6 are sectional views of the
図4(a)に示すように、シリコンウエハである流路形成基板用ウエハ110を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン膜51を形成する(工程A)。
As shown in FIG. 4A, a flow path forming
図4(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。具体的には、弾性膜50上に、例えば、DCスパッタ法により所定厚さのジルコニウム層を形成する(工程B)。そして、ジルコニウム層が形成された流路形成基板用ウエハ110を、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)法を用いて熱酸化させ、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する(工程C)。
As shown in FIG. 4B, an
絶縁体膜55を形成した後、上述したジルコニウム層を熱酸化する際の最高温度以下の温度で、絶縁体膜55をアニール処理する(工程D)。アニール処理における温度及び時間等の条件を変化させることにより、工程Aから工程Cまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を調整し、後述する圧電素子を形成する工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を所望の範囲に誘導(抑制)する。また、初期工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を調整し、後述するインク流路のエッチング工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を所望の範囲に誘導(抑制)する。
After forming the
工程Aから工程Cまでの初期工程の後に実施されるアニール処理の温度及び時間等の条件は、後述する圧電素子を形成する工程でのエッチング条件やインク流路のエッチング工程でのエッチング条件に応じて、流路形成基板用ウエハ110の変形が所望の範囲に誘導(抑制)されるように設定される(アニール処理設定工程)。工程Aから工程Cまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ110の変形の状況や、後述する圧電素子を形成する工程でのエッチング条件やインク流路のエッチング工程でのエッチング条件によっては、アニール処理を行わない場合もある。即ち、アニール処理設定工程の設定に基づいてアニール処理が制御されるようになっている。
Conditions such as the temperature and time of the annealing process performed after the initial process from the process A to the process C depend on the etching conditions in the process of forming the piezoelectric element described later and the etching conditions in the etching process of the ink flow path. Thus, the deformation of the flow path forming
絶縁体膜55を形成した後(絶縁体膜55をアニール処理した後)、図4(c)に示すように、下電極膜60を形成する。例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜55上にスパッタリングにより積層し(工程E)、所定形状にパターニングすることで下電極膜60を形成する(工程F)。
After the
次に、図5(a)に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を流路形成基板用ウエハ110に形成する。即ち、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し(工程G)、高温で焼成等することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る。つまり、ゾル−ゲル法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成している。更に、例えば、イリジウムからなる上電極膜80をスパッタリングにより積層する(工程H)。これにより、圧電体層70と上電極膜80とが流路形成基板用ウエハ110の全面に形成される。
Next, as shown in FIG. 5A, for example, a
図5(b)に示すように、圧電体層70及び上電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子300を形成する(工程I)。そして、図5(c)に示すように、流路形成基板用ウエハ110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなる金属層91を形成する。その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して金属層91を圧電素子300毎にパターニングすることでリード電極90が形成される。
これにより、流路形成基板用ウエハ110の全面に圧電素子300が形成される。
As shown in FIG. 5B, the
As a result, the
そして、図6(a)に示すように、流路形成基板用ウエハ110の圧電素子300側に、シリコンウエハであり複数の保護基板30となる保護基板用ウエハ130を接合する。図6(b)に示すように、流路形成基板用ウエハ110をある程度の厚さとなるまで研磨した後、弗化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エハ110を所定の厚みにする。
6A, a
次いで、図6(c)に示すように、流路形成基板用ウエハ110上に、例えば、窒化シリコン(SiN)からなるマスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜52を介して流路形成基板用ウエハ110を異方性エッチングすることにより、図6(d)に示すように、流路形成基板用ウエハ110に圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14等を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, a
その後は、流路形成基板用ウエハ110及び保護基板用ウエハ130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウエハ110の保護基板用ウエハ130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウエハ130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウエハ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、インクジェット式記録ヘッドとする。
Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
前述した工程Dにおけるアニール処理の条件が、例えば、3種類設定されている。条件1は温度850℃で時間が1時間であり、条件2は温度700℃で時間が1時間であり、条件3はアニール処理を実施しない条件である。尚、アニール処理の条件は、例えば、処理時間の長短、処理雰囲気(酸化、不活性雰囲気)により適宜設定することができ、種々の条件を設定することで、反り量(膜内応力)を可変に制御することができる。また、製品の特性に応じて最適な条件を選定することができる。
For example, three types of conditions for the annealing process in the process D described above are set.
条件を適宜設定することにより、工程Aから工程Cまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を調整し、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を形成する工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を所望の範囲に誘導(抑制)している。また、工程Aから工程Cまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を調整し、流路形成基板用ウエハ110を異方性エッチングし、圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14等を形成する工程での流路形成基板用ウエハ110の変形を所望の範囲に誘導(抑制)している。
A step of adjusting the deformation of the flow path forming
条件1から条件3におけるアニール処理を実施した場合の各工程(工程Aから工程I)の流路形成基板用ウエハ110の反り量を図7に示してある。
FIG. 7 shows the warpage amount of the flow path forming
図に示すように、条件1から条件3のそれぞれで、反り量が0μmに近似する工程が異なり、例えば、条件2でアニール処理を設定した場合、圧電素子を形成する工程における流路形成基板用ウエハ110の平坦度が確保される。また、条件3でアニール処理を設定(アニール処理を実施しない)した場合、圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14等を形成する工程の前の段階(流路形成基板用ウエハ110の全面に圧電素子が形成された段階)における流路形成基板用ウエハ110の平坦度が確保される。
As shown in the figure, the process of approximating the warp amount to 0 μm is different for each of the
尚、条件1から条件3による結果は、圧電素子を始めとする膜の厚さやスパッタリングの条件等により変わるものであり、図示の状況に特定されるものではない。
The results under
従って、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を形成する工程での流路形成基板用ウエハ110の反り量を0μmに近似するようにアニール処理の条件を設定することにより、有機金属ゾルを塗布する工程において塗布乾燥時の反りによる膜厚むらや乾燥むらを抑制することができ、強誘電体膜の面内特性分布の均一性を高くすることができる。また、流路形成基板用ウエハ110の全面に圧電素子が形成された段階における流路形成基板用ウエハ110の平坦度が確保されるようにアニール処理の条件を設定することにより、圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14等を形成する異方性エッチングでパターン精度を確保することができる。
Accordingly, by setting the annealing conditions so that the warpage amount of the flow path forming
上述した製造方法を用いることにより、製造工程の初期に形成されて後工程に大きな影響を及ぼす基板の変形を、圧電素子の形成工程での影響を最小限に抑制する状態に制御することができる。 By using the manufacturing method described above, it is possible to control the deformation of the substrate that is formed in the early stage of the manufacturing process and has a great influence on the post-process so as to suppress the influence in the piezoelectric element forming process to a minimum. .
尚、本発明の製造方法は、基板上に複合膜を積層、加工、形成する、例えば、MEMS、電子デバイスの製造に用いることができる。 In addition, the manufacturing method of this invention can be used for manufacture of a MEMS, an electronic device which laminates | stacks, processes, and forms a composite film on a board | substrate, for example.
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 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバ部、 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、 80 上電極膜、100 リザーバ、 110 流路形成基板用ウェハ、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記圧電素子の形成の状況は、前記圧電体層の前駆体形成の状況であることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the actuator device according to claim 1,
The method of manufacturing an actuator device, wherein the state of formation of the piezoelectric element is a state of precursor formation of the piezoelectric layer.
前記アニール処理設定工程では、前記アニール処理の条件を決定し、決定された条件に基づいて前記アニール処理を実行することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the actuator device according to claim 1 or 2,
In the annealing treatment setting step, a condition for the annealing treatment is determined, and the annealing treatment is executed based on the determined condition.
前記アニール処理の条件は、前記アニール処理の実行の有無を含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the actuator device according to claim 3,
The method for manufacturing an actuator device, wherein the annealing treatment condition includes whether or not the annealing treatment is performed.
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