JP2013149646A - 圧電素子の製造方法および液体噴射装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】保護膜100の形成工程前に、下電極60、圧電体70および上電極80をプラズマに曝すと、CVD法によって形成する酸化アルミニウムを有する保護膜100の形成速度が上がる。したがって、同じ厚みの保護膜100を形成するのに要する時間を短縮でき、保護膜形成工程でかかる時間を減少でき、原料ガスの消費も少ない圧電素子300の製造方法を得ることができる。
【選択図】図4
Description
また、液体としてのインクを吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を圧電アクチュエーターで構成し、圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させる液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッドおよび液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置が知られている。
下電極、圧電体および上電極を備えた圧電素子の製造方法であって、基板上に前記下電極を形成する下電極形成工程と、前記下電極上に圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程と、前記圧電体膜上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、前記上電極膜上に、前記上電極および前記圧電体を形成するためのレジストによるマスクを形成するレジスト形成工程と、前記マスクを介してエッチングを行い、前記上電極および前記圧電体を形成する工程と、前記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、前記レジストを剥離した後、前記下電極、前記圧電体および前記上電極をプラズマに曝すプラズマ処理工程と、前記プラズマ処理工程後に、少なくとも前記圧電体を覆うように酸化アルミニウムを有する保護膜をCVD法によって形成する保護膜形成工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
上記圧電素子の製造方法において、前記レジストの剥離に酸素プラズマを用い、前記プラズマ処理工程の前記プラズマに酸素プラズマを用いて、前記レジスト剥離工程と前記プラズマ処理工程とを連続して行うことを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、保護膜形成工程前に、下電極、圧電体および上電極を酸素プラズマに曝すと、CVD法によって形成する酸化アルミニウムを有する保護膜の形成速度がより上がる。したがって、同じ厚みの保護膜を形成するのに要する時間がより短縮され、保護膜形成工程でかかる時間がより減少し、原料ガスの消費もより少ない圧電素子の製造方法が得られる。
上記圧電素子の製造方法において、前記レジスト剥離工程は、前記酸素プラズマ発生の出力が900W以上で1200W以下であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、酸素プラズマ発生の出力が900W以上で1200W以下であると、同じ厚みの保護膜を形成するのに要する時間がより短縮され、保護膜形成工程でかかる時間がより減少し、原料ガスの消費もより少ない圧電素子の製造方法が得られる。
上記圧電素子の製造方法において、前記レジスト剥離工程および前記プラズマ処理工程は、前記基板を110℃以上、120℃以下の温度のステージに置いて行われることを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、基板が110℃以上でかつ120℃以下の温度で、レジスト剥離工程およびプラズマ処理工程を行うと、前述の効果に加えて、保護膜の膜厚の面内ばらつきが少ない圧電素子の製造方法が得られる。
前記レジスト剥離工程は、前記酸素プラズマに曝す時間が7分以上でかつ8分以下であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、酸素プラズマに曝す時間が7分以上であれば、同じ厚みの保護膜を形成する時間がより短縮され、8分以下で行うと、保護膜の膜厚の面内ばらつきが少ない圧電素子の製造方法が得られる。
液体を噴射するノズル開口にそれぞれ連通する圧力室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板上に形成され、下電極、圧電体および上電極を含み、少なくとも前記圧電体が保護膜により覆われている圧電素子とを備えた液体噴射装置の製造方法であって、基板上に前記下電極を形成する下電極形成工程と、前記下電極上に圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程と、前記圧電体膜上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、前記上電極膜上に、前記上電極および前記圧電体を形成するためのレジストによるマスクを形成するレジスト形成工程と、前記マスクを介してエッチングを行い、前記上電極および前記圧電体を形成する工程と、前記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、前記レジストを剥離した後、前記下電極、前記圧電体および前記上電極を酸素プラズマに曝すプラズマ処理工程と、前記酸素プラズマを曝す工程後に、少なくとも前記圧電体が前記保護膜により覆われるように酸化アルミニウムを有する前記保護膜をCVD法によって形成する保護膜形成工程とを含むことを特徴とする液体噴射装置の製造方法。
図1は、実施形態における液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置1000の一例を示す概略図である。インクジェット式記録装置1000は、記録媒体である記録シートSに液体としてのインクを噴射して記録を行う装置である。
図1において、インクジェット式記録装置1000は、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド1を有する記録ヘッドユニット1Aおよび1Bを備えている。記録ヘッドユニット1Aおよび1Bには、インク供給手段を構成するカートリッジ2Aおよび2Bが着脱可能に設けられている。
ここで、インクジェット式記録ヘッド1は、記録ヘッドユニット1Aおよび1Bの記録シートSと対向する側に設けられており、図1においては図示されていない。
一方、装置本体4にはキャリッジ3に沿ってプラテン8が設けられている。このプラテン8は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
図3(a)には、インクジェット式記録ヘッド1の部分平面図を、(b)には、そのA−A断面図を示した。図4には、図3(a)におけるB−B概略部分断面図を示した。
流路形成基板10とノズルプレート20と接合基板30とは、流路形成基板10をノズルプレート20と接合基板30とで挟むように積み重ねられ、接合基板30上には、コンプライアンス基板40が形成されている。また、コンプライアンス基板40上には、駆動IC120が載せられている。
なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01mm〜1.00mmで、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板または不錆鋼等からなる。
流路形成基板10とノズルプレート20とは、圧力発生室12を異方性エッチングで形成する際のマスクとして用いられた絶縁保護膜51を介して、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。
振動板を構成する弾性膜50および絶縁体膜55は、酸化シリコンのほかに、例えば、酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の層、またはこれらの層の積層体とすることができる。
振動板は、圧電素子300が駆動することによって振動する機能を有する。振動板は、圧電素子300の動作によって変形し、圧力発生室12の体積を変化させる。インクが充填された圧力発生室12の体積が小さくなれば、圧力発生室12内部の圧力が大きくなり、ノズルプレート20のノズル開口21よりインクが噴射される。
下電極60の材質は、導電性を有する限り特に限定されず、例えばニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(例えば酸化イリジウムなど)、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物、ランタンとニッケルの複合酸化物などを用いることができる。
圧電体70は、下電極60および、上電極80によって電界が印加されることで伸縮変形し、機械的な出力を行うことができる。圧電体70の材質としては、PZTおよびPZTN(登録商標)が、圧電性能が特に良好であるためより好ましい。
一般的には、圧電素子300のいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極および圧電体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いずれか一方の電極および圧電体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。
なお、本実施形態では、下電極60は圧電素子300の共通電極とし、上電極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。いずれの場合においても、各圧力発生室12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と圧電素子300の駆動により変位が生じる弾性膜50および絶縁体膜55と流路形成基板10の一部を含む部分を圧電アクチュエーター310と称する。
保護膜100の材料としては、無機絶縁材料として、酸化アルミニウム(AlOx)を有する材料を用いる。
また、圧電素子300の列13の外側には、下電極用リード電極95と下電極60とを接続するための接続孔101bが設けられている。
さらに、上電極80を覆おう保護膜100の一部が取り除かれ、矩形の開口を有する孔102が形成されている。孔102からは、上電極80の一部が露出している。
したがって、圧電素子300を構成する各層のパターン領域は、少なくとも接続孔101a,101b、孔102を除いて、保護膜100によって覆われている。
接合基板30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状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部31を有する。圧電素子保持部31は、圧力発生室12の列13に対応して設けられている。
接合基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成する。
図5は、圧電素子300の製造方法を示すフローチャート図である。
圧電素子300の製造方法は、下電極形成工程であるステップ1(S1)と、圧電体膜形成工程であるステップ2(S2)と、上電極膜形成工程であるステップ3(S3)と、第1のレジスト形成工程であるステップ4(S4)と、圧電体形成工程であるステップ5(S5)と、第1のレジスト剥離工程であるステップ6(S6)と、保護膜形成工程としてのステップ7(S7)と、第2のレジスト形成工程としてのステップ8(S8)と、スパッタ工程としてのステップ9(S9)と、第2のレジスト剥離工程としてのステップ10(S10)とを含む。
図6(a)は下電極形成工程(S1)を、図6(b)は圧電体膜形成工程(S2)を、図6(c)は上電極膜形成工程(S3)を、図6(d)はレジスト形成工程としての第1のレジスト形成工程(S4)を、図6(e)は圧電体形成工程(S5)を、図6(f)および図6(g)は、第1のレジスト剥離工程(S6)を、図6(h)は保護膜形成工程(S7)を、図6(i)は第2のレジスト形成工程(S8)を、図6(j)はスパッタ工程(S9)を、図6(k)は第2のレジスト剥離工程(S10)を図示している。
振動板の一部である弾性膜50および絶縁体膜55は、スパッタ法、真空蒸着、CVD法などの方法で形成することができる。
さらに、下電極60は、前述の材料の単層からなってもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
圧電体膜700は、ゾルゲル法やCVD法などによって形成することができる。ゾルゲル法においては、原料溶液塗布、予備加熱、結晶化アニールの一連の作業を複数回繰り返して所定の膜厚にしてもよい。
例えば、PZTを形成する場合は、Pb,Zr,Tiを含むゾルゲル溶液を用いて、スピンコート法、印刷法などにより形成することができる。
例えば、圧電材料(PZT:チタン酸ジルコン酸鉛)の湿式のエッチングは、いろいろな酸を複合したもので行うことができる。例えば、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、塩酸、酢酸、硝酸、塩化アンモニウム、緩衝酸化物エッチング溶液の混合物25%+水75%のエッチング液を用いて行う。
乾式のエッチングとしては、イオンミリング等を用いることができる。
また、この工程では、フォトリソ等を複数回行ってもよい。本工程のエッチングは、例えばドライエッチング等の方法によっても行うことができる。
なお、このプラズマ処理工程は、第1のレジスト剥離工程(S6)とは別に行ってもよい。また、別に行うプラズマ処理工程は、酸素プラズマに限らず、アルゴンプラズマ、窒素プラズマ等を用いてもよい。
保護膜100は、CVD法によって形成される。そして、保護膜100を形成する際に、例えば、温度、ガス流量等の各種条件を適宜調整することで、所望の特性、例えば、膜密度、ヤング率等を有する保護膜100を比較的容易に形成することができる。
図7は、第1のレジスト剥離工程(S6)の酸素プラズマ処理の時間を7minおよび8minとして、ステージ温度を変化させたときの、酸化アルミニウムの保護膜100の膜厚(nm)を示す図である。
ここで、第1のレジスト剥離工程(S6)の酸素プラズマ処理の時間とは、酸素プラズマでパターン400を灰化し、引き続き下電極60、圧電体70および上電極80を酸素プラズマに曝す累計の処理時間のことである。
図8は、プラズマ発生に必要なパワーとステージ温度(℃)ごとに、第1のレジスト剥離工程(S6)の酸素プラズマ処理時間(min)を変えたときの、酸化アルミニウムの保護膜100の膜厚(nm)を示す図である。
図7および図8において、白抜きマークは、静電容量結合プラズマを利用した櫛歯型電極を備えたアッシング装置を、塗りつぶしマークは、容量誘導結合プラズマを利用したICP型電極を備えたアッシング装置を用いた結果である。図7および図8の結果は、流路形成基板101のウェハーの中心で得られた結果である。
これらの工程後、流路形成基板101を弾性膜50までエッチングして圧力発生室12を形成することで、各圧力発生室12に圧電体能動部が形成され、圧電アクチュエーター310が駆動可能な状態になる。
(1)保護膜形成工程(S7)前に、下電極60、圧電体70および上電極80をプラズマに曝すと、CVD法によって形成する酸化アルミニウムを有する保護膜100の形成速度が上がる。したがって、同じ厚みの保護膜100を形成するのに要する時間を短縮でき、保護膜形成工程(S7)でかかる時間を減少でき、原料ガスの消費も少ない圧電素子300の製造方法を得ることができる。
また、上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、実施形態では、上電極80を覆おう保護膜100の一部が取り除かれ、矩形の開口を有する孔102が形成されているが、孔102が形成されてなく、保護膜100が上電極80をすべて覆う構造であってもよい。
また、振動板は、例えば、ステンレス鋼等の金属の層が積層されていてもよいし、下電極が振動板を兼ねていてもよい。
Claims (6)
- 下電極、圧電体および上電極を備えた圧電素子の製造方法であって、
基板上に前記下電極を形成する下電極形成工程と、
前記下電極上に圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程と、
前記圧電体膜上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、
前記上電極膜上に、前記上電極および前記圧電体を形成するためのレジストによるマスクを形成するレジスト形成工程と、
前記マスクを介してエッチングを行い、前記上電極および前記圧電体を形成する工程と、
前記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、
前記レジストを剥離した後、前記下電極、前記圧電体および前記上電極をプラズマに曝すプラズマ処理工程と、
前記プラズマ処理工程後に、少なくとも前記圧電体を覆うように酸化アルミニウムを有する保護膜をCVD法によって形成する保護膜形成工程とを含む
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項1に記載の圧電素子の製造方法において、
前記レジストの剥離に酸素プラズマを用い、
前記プラズマ処理工程の前記プラズマに酸素プラズマを用いて、
前記レジスト剥離工程と前記プラズマ処理工程とを連続して行う
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項2に記載の圧電素子の製造方法において、
前記レジスト剥離工程は、前記酸素プラズマ発生の出力が900W以上で1200W以下である
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項2または請求項3に記載の圧電素子の製造方法において、
前記レジスト剥離工程および前記プラズマ処理工程は、前記基板を110℃以上、120℃以下の温度のステージに置いて行われる
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法において、
前記レジスト剥離工程は、前記酸素プラズマに曝す時間が7分以上でかつ8分以下である
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 液体を噴射するノズル開口にそれぞれ連通する圧力室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板上に形成され、下電極、圧電体および上電極を含み、少なくとも前記圧電体が保護膜により覆われている圧電素子とを備えた液体噴射装置の製造方法であって、
基板上に前記下電極を形成する下電極形成工程と、
前記下電極上に圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程と、
前記圧電体膜上に上電極膜を形成する上電極膜形成工程と、
前記上電極膜上に、前記上電極および前記圧電体を形成するためのレジストによるマスクを形成するレジスト形成工程と、
前記マスクを介してエッチングを行い、前記上電極および前記圧電体を形成する工程と、
前記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、
前記レジストを剥離した後、前記下電極、前記圧電体および前記上電極を酸素プラズマに曝すプラズマ処理工程と、
前記酸素プラズマを曝す工程後に、少なくとも前記圧電体が前記保護膜により覆われるように酸化アルミニウムを有する前記保護膜をCVD法によって形成する保護膜形成工程とを含む
ことを特徴とする液体噴射装置の製造方法。
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