JP4897767B2 - 薄膜圧電体素子及びその製造方法並びにそれを用いたヘッドジンバルアセンブリ、及びそのヘッドジンバルアセンブリを用いたハードディスクドライブ - Google Patents

薄膜圧電体素子及びその製造方法並びにそれを用いたヘッドジンバルアセンブリ、及びそのヘッドジンバルアセンブリを用いたハードディスクドライブ Download PDF

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Description

本発明は、圧電体膜の逆圧電効果による微小位置決めに用いる薄膜圧電体素子及びその製造方法並びにそれを用いたヘッドジンバルアセンブリ、及びそのヘッドジンバルアセンブリを用いたハードディスクドライブに関するもので、特に磁気記録ディスク装置の記録情報の読み取り及び書取りを行う磁気ヘッドの位置決め構造に関する。
近年、磁気記録(ハードディスク)の高密度大容量化へのアプローチにおいて、トラッキングの高精度位置決め機構として薄膜圧電体素子の必要性が高くなっている。この種の薄膜圧電体素子を開示するものとしては、例えば、下記の特許文献1〜3がある。
特許文献1には、一対の電極膜14A,18Aの間に圧電体膜16Aが介在する圧電積層体21Aと、一対の電極膜14B,18Bの間に圧電体膜16Bが介在する圧電積層体21Bとが、接着剤膜12を介して重なっている薄膜圧電体素子が開示されている。また、特許文献2には、導電性接着剤13により電気的に短絡されている第1の薄膜圧電体11A及び第2の薄膜圧電体11Bの2層構造を有する薄膜圧電体素子10A及び10Bが対をなして構成されている薄膜圧電体素子が開示されている。また、特許文献3には、第1の下層電極膜52と第1の上層電極膜54とで挟まれた第1の圧電体薄膜53、第2の下層電極膜56と第2の上層電極膜58とで挟まれた第2の圧電体薄膜57とを接着膜60で貼り合わせた構造体66が形成され、この構造体66を覆うように絶縁膜62が形成された薄膜圧電体素子が開示されている。
特開2005−286037号公報 特開2002−134807号公報 特開2003−101095号公報
しかしながら、特許文献1〜3に開示されている薄膜圧電体素子はすべて、圧電体膜を含む圧電積層体を2つ備えており、量産性と共に低価格性といった市場要求を満足させることが困難である。現在、薄膜圧電体素子において、このような2層の圧電積層体構造が採用されているのは、薄膜圧電体素子が薄膜で構成されていることに起因する。具体的に説明すると、圧電膜等を含む各層を基板上に成膜する際に、熱、格子定数の不整合等による各種応力によって基板の反りが起こり、各製造工程を経て得られた薄膜圧電体素子にも大きく反りが発生してしまう。また、その反りは、薄膜圧電体素子中の圧電層体の目的方向ではない方向への変位(以下、屈曲変位という)を招くことになる。そして、従来の2つの圧電積層体を備えた薄膜圧電体素子を動作させる場合は、2つの圧電積層体の変位方向を同じにすることで屈曲変位を抑え、目的とする長手方向の変位を得る構造としており、構造上2つの圧電積層体を積層せざるを得ない。そのため、単層の圧電積層体構造では、薄膜圧電体素子の高性能化及び高信頼性を図ることができず、また、この薄膜圧電体素子を組み込んだ装置の破損、不具合等も不可避であった。
以上の問題により、2層の圧電積層体を貼り合せる2層の圧電積層体構造を採用することで製造時及び動作時の反りを相殺し、素子の変形の抑制及び屈曲変位の抑制を図っている。
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性及び低コスト化が実現可能な薄膜圧電体素子及びその製造方法並びにそれを用いたヘッドジンバルアセンブリ、及び、ハードディスクドライブを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る薄膜圧電体素子の製造方法は、第1基板上に第1電極膜、圧電体膜及び第2電極膜を順に積層して第1積層体を形成する工程と、第2基板上に支持膜を積層して第2積層体を形成する工程と、第2電極膜と支持膜とが対向するように第1積層体と第2積層体とを接着膜で貼り合わせて第1積層体、接着膜及び第2積層体からなる第3積層体を形成する工程と、第3積層体から第1基板を除去する工程と、第1基板の除去工程後に、第3積層体を所望の形状に加工する工程と、第3積層体の加工工程後に、第2基板を除去する工程と、を備え、接着膜のヤング率は、圧電体膜のヤング率より低く、第2電極膜及び支持膜それぞれのヤング率が接着膜のヤング率より高く、第3積層体は、その圧電体膜以外に圧電体膜を有していない。
本発明に係る薄膜圧電体素子の製造方法では、まず、1つの圧電体膜を含む第1積層体と圧電体膜を含んでいない第2積層体を接着膜で貼り付けて単層の圧電積層体である第3積層体を形成する。その後、第3積層体から第1基板を除去する工程と、第3積層体を所望の形状に加工する工程と、第2基板を除去する工程とを経て、薄膜圧電体素子を完成する。
そのため、本薄膜圧電体素子の製造方法によれば、第1積層体形成工程において、熱、結晶格子定数の不整合等に起因して圧電体膜と第1基板との間に生じる各種応力が、第1基板除去工程における第1基板の除去により開放されて、その開放された各種応力が第2基板に転移される。このとき、圧電体膜と第2基板との間に圧電体膜より低いヤング率を有する材料からなる接着膜が介在されているため、第2基板に転移される各種応力が接着膜により緩和される。そのため、本発明に係る製造方法により得られる薄膜圧電素子は単層の圧電積層体からなるものでありながらも、素子の反り及び屈曲変位が効果的に抑制される。また、接着膜が第2電極膜及び支持膜により挟まれた構造を採用しており、第2電極膜及び支持膜それぞれのヤング率が接着膜のヤング率より高いため、素子の反り及び屈曲変位が更に抑制される。また、単層の圧電積層体からなるため、製造コストが低減される。従って、本発明に係る薄膜圧電体素子の製造方法によれば、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性化及び低コスト化が実現可能な薄膜圧電体素子を容易に製造することができる。
また、第3積層体の形成工程においては、接着剤を熱硬化することにより前記接着膜を形成し、第2電極膜及び支持膜それぞれの熱膨張係数が接着膜の熱膨張係数より小さいことが好ましい。これにより、接着膜で貼り合わせることで形成された第1積層体、接着膜及び第2積層体からなる第3積層体を形成する工程において、熱硬化により収縮が起こる際に、第2電極膜及び支持膜と接着膜との熱膨張係数の差により接着膜の中心方向に引張り応力が加わるため、応力が互いに相殺されて、第3積層体の反りが低減される。
また、本発明に係る薄膜圧電体素子は、支持膜、接着膜、第2電極膜、圧電体膜及び第1電極膜が順に積層された積層体を備えた薄膜圧電体素子において、接着膜のヤング率は、圧電体膜のヤング率より低く、第2電極膜及び支持膜それぞれのヤング率が接着膜のヤング率より高く、薄膜圧電体素子は圧電体膜以外に圧電体膜を有していない。
本発明に係る薄膜圧電体素子は、積層体中の圧電体膜以外に圧電体膜を有しない単層の圧電積層体を有するものであり、接着膜を更に備えている。また、接着膜のヤング率は圧電体膜のヤング率より低い。そのため、圧電体膜で生じて開放される応力が接着膜により緩和される。その結果、本発明に係る薄膜圧電素子によれば、単層の圧電積層体からなるものでありながらも、素子の反り及び屈曲変位が効果的に抑制される。また、接着膜が第2電極膜及び支持膜により挟まれた構造を採用しており第2電極膜及び支持膜それぞれのヤング率が接着膜のヤング率より高いため、素子の反り及び屈曲変位が更に抑制される。また、単層の圧電積層体からなるため、製造コストが低減される。従って、本発明に係る薄膜圧電体素子によれば、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性化及び低コスト化が実現可能となる。
また、圧電体膜の表面を覆う絶縁膜を更に備えることが好適である。これにより、圧電体膜の表面を絶縁および保護することができる。
また、積層体を密封する絶縁膜を更に備えることが好適である。このように、絶縁膜が単層の圧電積層体である積層体を密封することにより、低減された積層体の反りを更に相殺させることができると共に、外部応力から積層体の損傷を抑制することができる。また、素子の吸湿、腐食を更に防ぐことができ、素子としての信頼性をより確保することができる。
また、本発明に係るヘッドジンバルアセンブリは、記録媒体に対して記録又は再生の少なくとも一方を行う薄膜磁気ヘッドを有するヘッドスライダと、ヘッドスライダが搭載されたサスペンションと、サスペンションの搭載面に搭載され、ヘッドスライダをサスペンションに対して相対的に変位させる薄膜圧電体素子と、を備え、薄膜圧電体素子は、支持膜、接着膜、第2電極膜、圧電体膜及び第1電極膜が順に積層された積層体を備えた薄膜圧電体素子において、接着膜のヤング率は、圧電体膜のヤング率より低く、第2電極膜及び支持膜それぞれのヤング率が接着膜のヤング率より高く、薄膜圧電体素子は圧電体膜以外に圧電体膜を有していない。
また、本発明に係るハードディスクドライブは、上述のヘッドジンバルアセンブリを備える。
本発明に係るヘッドジンバルアセンブリは、このような構成を採用しているため、装置の高性能化、高信頼性化及び低コスト化を図ることができる。
本発明によれば、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性化及び低コスト化が実現可能な薄膜圧電体素子及びその製造方法並びにそれを用いたヘッドジンバルアセンブリが提供される。
以下、添付図面を参照して本発明に係る薄膜圧電アクチュエータ(薄膜圧電体素子)40及びヘッドジンバルアセンブリ(Head Gimbals Assembly:HGA)10の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
まず、実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40及びHGA10についての説明の前に、これらが適用されるハードディスク装置(ハードディスクドライブ)1の一例について説明する。図1は、本実施形態に係るHGA10を備えたハードディスク装置1を示す図である。ハードディスク装置1は、HGA10を作動させて、高速回転するハードディスク5の記録面に、ヘッドスライダ50の薄膜磁気ヘッド51によって磁気情報を記録及び再生するものである。
ハードディスク装置1は、筺体3内に、記録媒体としてハードディスク5と、これに磁気情報を記録及び再生するHGA10と、HGA10によるハードディスク5への磁気情報の記録及び再生等の制御を行う制御部7と、後述する薄膜磁気ヘッド51をハードディスク5上から退避させておくためのランプ機構9とを備えている。
ハードディスク5は、図示を省略するモータによって回転させられる。HGA10は、ボイスコイルモータ(VCM)21により、支軸23の回りを回動可能とされており、ハードディスク5に対応するように取り付けられたヘッドスライダ50を有している。
以下、HGA10の構成について具体的に説明する。図2は、図1のHGA10の拡大斜視図であり、図3は、図2のHGA10の斜視分解図である。図2及び図3に示すように、HGA10は、サスペンションアーム20、フレクシャ30、及び薄膜圧電アクチュエータ40からなるサスペンション22と、サスペンション22に搭載されたヘッドスライダ50とを有している。薄膜圧電アクチュエータ40は、ヘッドスライダ50をサスペンションアーム20に対して相対的に変位させるものであり、HGA10が薄膜圧電アクチュエータ40を有することにより、HGA10は薄膜磁気ヘッド51を2段階で変動させることができる。すなわち、薄膜磁気ヘッド51の比較的大きな移動はVCM21によるサスペンション22全体の駆動により制御され、微小な移動は薄膜圧電アクチュエータ40によるヘッドスライダ50の駆動により制御される。
サスペンションアーム20は、金属製のものであり、先端には、ヘッドスライダ50がランプ機構9に退避している際にスロープに乗り上がるためのタブ26が形成されている。
フレクシャ30は、図3に示すようにポリイミド樹脂等で形成された可撓性を有する配線基板32と、ステンレス鋼によって形成されており配線基板32の底面に部分的に張り付けられている支持板34とにより構成されており、レーザスポット溶接によってサスペンションアーム20に接着されている。
配線基板32は、圧電アクチュエータ搭載領域36とヘッドスライダ搭載領域38とにより構成されている。圧電アクチュエータ搭載領域36は、薄膜圧電アクチュエータ40の形状に対応する形状を有しており、薄膜圧電アクチュエータ40が搭載される前端部36aと、薄膜圧電アクチュエータ40用の電極パッド39a〜d、ヘッドスライダ50のための記録用電極及び再生用電極等のための電極パッド(図示せず)が形成されている後端部36bとを有している。
また、ヘッドスライダ搭載領域38は、圧電アクチュエータ搭載領域36の前端部36aの先端側に連続的に設けられた領域に、ヘッドスライダ50の記録用パッド及び再生用パッドにそれぞれ接続される記録用電極(図示せず)及び再生用電極(図示せず)が配列されている。このヘッドスライダ搭載領域38上に配列された記録用電極及び再生用電極は、ソルダーボールボンディング等の方法で、配線基板32上の複数の配線により、対応するフレクシャ30の後端部36b上の電極パッドと電気的に接続されている。
また、フレクシャ30には、圧電アクチュエータ搭載領域36の前端部36aの中央部にヘッドスライダ搭載領域38と離間して配置されており、ヘッドスライダ搭載領域38に搭載されるヘッドスライダ50の後端部が搭載される変位伝達板33が設けられている。なお、変位伝達板33は、圧電アクチュエータ搭載領域36の後端部36bに張り付けられた支持板34から前端部36aの外側に沿って延びている曲線状のウィング部35と接続されることで、支持板34と一体化されている。圧電アクチュエータ搭載領域36に薄膜圧電アクチュエータ40が搭載され、ヘッドスライダ搭載領域38及び変位伝達板33にヘッドスライダ50が搭載されると、変位伝達板33の上面はヘッドスライダ50の下面に対向し、変位伝達板33の下面は薄膜圧電アクチュエータ40の上面に対向することになる。また、変位伝達板33は、薄膜圧電アクチュエータ40の動作時においては薄膜圧電アクチュエータ40の変位をヘッドスライダ50に伝達する。なお、変位伝達板33及びウィング部35は、支持板34と同様にステンレス鋼から構成されている。
次に、図3及び図4を参照しながら薄膜圧電アクチュエータ40の詳細について説明する。図4は、図3におけるIV-IV方向の断面構成を示す模式図である。薄膜圧電アクチュエータ40は、伸縮方向が互いに異なるように構成され、分離した第1領域40a及び第2領域40bを有している。第1領域40aと第2領域40bは、それぞれの互いに対向する内側の辺が離間して並行に延びており、それぞれの外側の辺が根元領域40Rから先端側に向けて徐々に狭まるように配置される。なお、薄膜圧電アクチュエータ40は根元領域40Rでつながった構成としても良い。
第1領域40aの根元領域40Rには、駆動電圧が印加される電極41a,45aが設けられており、第2領域40bの根元領域40Rには、駆動電圧が印加される電極41b,45bが設けられている。薄膜圧電アクチュエータ40の第1領域40aと第2領域40bは、紫外線硬化型樹脂により、フレクシャ30の圧電アクチュエータ搭載領域36にそれぞれ接着され、各電極41a、45a、41b、45bはソルダーボールボンディングにより電極パッド39a〜dにそれぞれ接続される。なお、第1領域40a及び第2領域40bは同一の構成を有しているため、以下の第1領域40aを中心に説明して重複する説明を省略する。第1領域40aは、第2電極膜41、圧電体膜43及び第1電極膜45が順に積層されて形成された積層体L2と、第2電極膜41の下側に順に設けられた接着膜47及び支持膜48と、積層体L2の表面を覆う樹脂膜(絶縁膜)49とを備える。
根元領域40Rの第1領域40aの電極41a及び第2領域40bの電極41bは例えばコンタクトホールを介してそれぞれの第2電極膜41に接続されており、第1領域40の電極45a及び第2領域40bの電極45bは例えばコンタクトホールを介してそれぞれの第1電極膜45に接続されている。これにより、第1領域40aの電極41a,45aと第2領域40bの電極41b,45bとには互いに逆のバイアスが印加されることにより、例えば第1領域40aにおける圧電体膜43は図3の矢印A1方向に収縮され、第2領域40bにおける圧電体膜43は矢印A2方向に伸張されることになる。
第2電極膜41の材料は導電性材料であれば特に限定されず、例えばPt(ヤング率:152GPa、熱膨張係数:8.8ppm/℃)、Au(ヤング率:77.2GPa、熱膨張係数:14.4ppm/℃)、等の金属材料を用いることができる。また、SrRuO(SRO)等の導電性セラミックスを用いることも可能である。さらに、第2電極膜41の上下にくる構成材料との密着性や全体の応力調整の目的で、第2電極膜41を多層構造としても良い。第2電極膜41の厚みt1は特に限定されず、例えば、0.1〜1μm程度とすることができる。なお、電極膜41が厚くなると変位量の阻害になるので、接着膜47の厚さよりも薄いことが好ましい。屈曲抑制支持剛性と長手方向の変位量とはトレードオフの関係にあることに基づく。
圧電体膜43の材料は、圧電特性を示すものであれば特に限定されず、例えば、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛、ヤング率:47〜95GPa)、等が挙げられる。圧電体膜43の厚みt2は特に限定されず、例えば、0.5〜10μm程度とすることができる。
第1電極膜45については、第2電極膜41と同様である。第1電極膜45の厚みt3は特に限定されず、例えば、0.1〜1μm程度とすることができる。
接着膜47の材料は、第2電極膜41と支持膜48とを接着できるものであれば特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂(ヤング率:3.1GPa、熱膨張係数:60ppm/℃)、アクリル樹脂(ヤング率:3.1GPa、熱膨張係数:60ppm/℃)、シリコーン樹脂(ヤング率:0.7GPa程度、熱膨張係数:200ppm/℃程度)、ポリイミド樹脂(ヤング率:3.0GPa、熱膨張係数:36ppm/℃)、フッ素樹脂(ヤング率:1.3GPa、熱膨張係数:60ppm/℃)、ポリイミドシリコン樹脂(ヤング率:2.4GPa、熱膨張係数:60ppm/℃)、ベンゾシクロブテン(BCB)樹脂(ヤング率:2.9GPa、熱膨張係数:52ppm/℃)等の樹脂接着剤や、Sn/Ag系(ヤング率:40〜50GPa、熱膨張係数:50ppm/℃)等のハンダ(ソフトソルダー)を用いることができる。特に、樹脂接着剤の中でも、加熱により硬化した熱硬化性樹脂接着剤が好ましい。また、接着膜47の厚みt4は特に限定されず、例えば、1〜30μm程度とすることができる。
支持膜48の材料は、第2電極膜41と同程度の硬さの材料であれば特に限定されず、例えばPt(ヤング率:152GPa、熱膨張係数:8.8ppm/℃)、Au(ヤング率:77.2GPa、熱膨張係数:14.4ppm/℃)、等の金属材料を用いることができる。また、SRO等の導電性セラミックスを用いることも可能である。さらに、支持膜48の上下に位置する構成材料との密着性や全体の応力調整の目的で、支持膜48を多層構造としても良い。支持膜48の厚みtは特に限定されず、例えば、0.1〜1μm程度とすることができる。
樹脂膜49の材料は、積層体L2との密着性を有し、積層体L2の表面を覆うことが可能なものであれば特に限定されないが、例えば接着膜47と同様のものとすることができる。樹脂膜49の厚みt6は特に限定されず、例えば、0.3〜30μm程度とすることができる。また、この構成部材は、樹脂に代えて絶縁性を有するセラミックス等の材料としても良く、厚みは特に限定されず0.005〜1μm程度とすることができる。
ここで、接着膜47のヤング率が圧電体膜43のヤング率より低く、かつ、第2電極膜41及び支持膜48それぞれのヤング率が接着膜47のヤング率より高いことが必要である。また、第2電極膜41及び支持膜48それぞれの熱膨張係数が接着膜47の熱膨張係数より小さいことが必要である。最も好ましい材料の組み合わせの一例は、第2電極膜41/圧電体膜43/第1電極膜45/接着膜47/支持膜48/樹脂膜49がPt/PZT/Pt/エポキシ樹脂/Pt/ポリイミド樹脂である。
以下、圧電体膜43の変位量u(l)と関連付けて、本実施形体に係る薄膜圧電アクチュエータ40の動作を説明する。薄膜圧電アクチュエータ40の圧電体膜43の変位量u(l)は以下のように表すことができる。
ここで、nは圧電体膜43の積層数(本願においてはn=1)を、iは各膜を、 は各膜iの等価膜厚を、tPZTは圧電体膜43の等価膜厚を、 は各膜iのヤング率を、EPZTは圧電体膜43のヤング率を、d31はd31方向(圧電体膜43の長手方向、すなわち図3におけるA1又はA2方向)の圧電定数を、Lは圧電体膜43の長手方向長さ、V/tPZTは圧電体膜43に係る電界強度をそれぞれ示すものである。各膜iには、具体的には第2電極膜41、第1電極膜45、接着膜47及び支持膜48が含まれる。
また、P=E×tの関係を用いて上記の式(1)を以下の式(2)に簡略化することができる。式(2)において、Eは各膜iのヤング率を、tは各膜iの厚みを、Pは各膜iの剛性係数をそれぞれ表すものである。
この式(2)に示されているように、材料の圧電定数d31、アクチュエータ長さLが決まっている場合の変位量u(l)は、V/tPZTの電界強度を調節することで、調節することができる。しかし、圧電体膜43が薄膜であるため、第2電極膜41、第1電極膜45及び接着膜47の剛性係数の影響も受けることになる。本実施形態においては、薄膜圧電アクチュエータ40を構成する接着膜47のヤング率が圧電体膜43のヤング率より低いため、Pの総合値を比較的に低く維持することができPの総合値に対するPPZTの比率(以下、剛性占有率という)の低下を抑制することができる。その結果、変位量u(l)の低下を抑制することができる。
また、接着膜47のヤング率が圧電体膜43のヤング率より低いため、薄膜圧電アクチュエータ40の製造時に、圧電体膜43で生じて開放される応力が接着膜47により緩和される。そのため、薄膜圧電アクチュエータ40は単層の圧電積層体からなるものでありながらも、素子の反り及び屈曲変位が効果的に抑制される。そのため、屈曲変位による変位量u(l)の損失を抑制することができ、目的変位方向(d31方向)に効率よく変位を発生させることができる。また、接着膜47が第2電極膜41及び支持膜48により挟まれており、又第2電極膜41及び支持膜48それぞれのヤング率が接着膜47のヤング率より高い。そのため、素子の反り及び屈曲変位が更に抑制される。また、単層の圧電積層体からなるため、製造コストを低減することができる。従って、薄膜圧電アクチュエータ40によれば、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性化及び低コスト化が実現できる。
また、薄膜圧電アクチュエータ40は、積層体L2の表面を覆う樹脂膜49を備えているため、第2電極膜41や第1電極膜45と接していない圧電体膜43の表面を絶縁および保護することができる。
なお、本実施形態の薄膜圧電アクチュエータ40において、第2電極膜41、接着膜47及び支持膜48は、圧電体膜43を支持する支持体として機能しており、それらの膜41,47及び48の合計厚みは、変位を起す圧電体膜43より厚いことが好ましい。これにより、本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40は、積層体の厚み方向の応力コントロールが好適になされるため、薄膜圧電アクチュエータ40を駆動させた際に、屈曲方向の変位を極めて高度に抑制しつつ、目的とする長手方向の変位を得ることができる。また、第2電極膜41、接着膜47及び支持膜48からなる支持体全体のヤング率が圧電体膜43と比べ充分小さいことが好ましい。これにより、長手方向の変位が容易となる。
引き続いて、図5を参照しながら、本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40の変形例を説明する。図5は、変形例に係る薄膜圧電アクチュエータ40Aの薄膜圧電アクチュエータ40の図4に対応する断面図である。図5に示されるように、薄膜圧電アクチュエータ40Aは、支持膜48の下側に樹脂膜46を更に備える点、樹脂膜49が積層体L2のみならず接着膜47、支持膜48及び樹脂膜(絶縁膜)46をも覆うように設けられている点で薄膜圧電アクチュエータ40と相違する。なお、その他の構成は、薄膜圧電アクチュエータ40の構成と同等であるため、同一の符号を付して重複説明を省略する。
樹脂膜46の材料は、支持膜48との密着性を有する樹脂であれば特に限定されないが、例えば、接着膜47と同様のものとすることができる。樹脂膜46の厚みは特に限定されず、例えば、0.3〜30μm程度とすることができる。また、この構成部材は、樹脂に代えて絶縁性を有するセラミックス等の材料としても良く、厚みは特に限定されず0.005〜1μm程度とすることができる。
変形例に係る薄膜圧電アクチュエータ40Aは、下側の樹脂膜46及び上側の樹脂膜49により積層体L2、接着膜47及び支持膜48で構成されており単層の圧電積層体である積層体Pを全体的に覆う構成を有することで、薄膜圧電アクチュエータ40と同様な効果が得られるほか、以下のような効果を更に奏することができる。すなわち、低減された積層体Pの反りを更に相殺させることができると共に、外部応力から積層体Pの損傷を抑制することができる。また、圧電体膜43の表面の絶縁および保護に加えて、薄膜圧電アクチュエータ40全体の吸湿、腐食などを防ぐことができる。さらに、接着膜47に接する構成部材との界面の接着強度を向上させることができ、素子としての信頼性をより確保することができる。
次に、図6〜図11を参照して、薄膜圧電アクチュエータ40の製造工程について説明する。図6(a)、図7(a)、図8、図9(a)、図10(a)及び図11は、薄膜圧電アクチュエータ40の製造工程を説明するための模式図である。図6(b)は図6(a)におけるVIb-VIb方向の断面構成を示す模式図である。図7(b)は図7(a)におけるVIIb-VIIb方向の断面構成を示す模式図である。図9(b)は図9(a)におけるIXb-IXb方向の断面構成を示す模式図である。図10(b)は図10(a)におけるXb-Xb方向の断面構成を示す模式図である。薄膜圧電アクチュエータ40は、例えば以下の工程を経ることによって完成される。
(第1積層体形成工程)
この工程では、積層体(第1積層体)Lを形成する(図6(a)及び(b)参照)。まず、第1基板S1を用意する。そして、第1基板S1上にバッファ膜42、第1電極膜45、圧電体膜43及び第2電極膜41を順次に積層させる。これらの層の積層には、エピタキシャル成長法を用いることができる。より具体的に説明すると、まず、第1基板S1上にバッファ膜42をエピタキシャル成長させる。バッファ膜42は、(100)方向、(010)方向または(001)方向に配向し、例えばその上面が{111}ファセット面を有するエピタキシャル成長膜を用いることができる。
引き続いて、バッファ膜42上に第1電極膜45、及び圧電体膜43を順にエピタキシャル成長させ、更に圧電体膜43上に第2電極膜41を形成する。これにより、第1基板S1、バッファ膜42、第1電極膜45、圧電体膜43及び第2電極膜41からなる積層体Lが形成される。圧電体膜43の成長に際には、結晶配向方向を分極方向(001)と揃えた配向圧電体膜を作ることで、外部から電場を加えていなくても物質が電気双極子を生じる自発分極が発生する強誘電体膜を得ることができる。なお、積層体Lの形成には、エピタキシャル成長法として、スパッタ法、CVD法等の成膜法等を用いることができる。
第1基板S1の材料は、その上に積層体Lが形成可能なものであれば特に限定されず、例えば、Si、MgO等を用いることができる。第1基板S1の厚みは特に限定されず、例えば、100〜3000μm程度とすることができる。また、バッファ膜42の材料は、格子定数ミスマッチのコントロール及び、配向方向をコントロールし、圧電体膜43の結晶性を良くするようなものであれば特に限定されず、例えば、ZrO膜、Y膜等を用いることができる。バッファ膜42の厚みは特に限定されず、例えば、0.003〜0.1μm程度とすることができる。
(第2積層体形成工程)
次に、積層体(第2積層体)Mを形成する(図7(a)及び(b)参照)。まず、第2基板S2を用意して、第2基板S2上に下地膜44及び支持膜48を順次に積層させる。これらの層の積層には、蒸着、スパッタ、メッキなどの一般的な薄膜形成方法を用いることができる。これにより、第2基板S2、下地膜44及び支持膜48からなる積層体Mが形成される。
第2基板S2の材料は、その上に積層体Mが形成可能なものであれば特に限定されず、例えば、Si、ガラス、アルミナ等のセラミックス等を用いることができる。第2基板S2の厚みは特に限定されず、例えば、100〜3000μm程度とすることができる。また、下地膜44の材料は、第2基板S2と支持膜48との間の密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば、SRO、Cr等を用いることができる。下地膜44の厚みは特に限定されず、例えば、0.01〜0.3μm程度とすることができる。
(第3積層体形成工程)
この工程においては、まず、積層体Lの第2電極膜41上に接着膜47a、及び積層体Mの支持膜48上に接着膜47bを形成する(図8参照)。接着膜47a及び47bの形成には、例えばモノマーを気化させて支持膜48に蒸着すると同時に重合させる、いわゆる重合蒸着法を用いることができる。また、接着膜47a及び47bを構成する樹脂をスピンコートにより塗布する方法等で形成することもできる。
その後、第2電極膜41と支持膜48とが対向するように接着膜47a及び47bを重ね合わせ、加圧しながら熱硬化法により接着し、積層体L、接着膜47a及び47b、及び積層体Mからなる積層体Pを形成する(図9参照)。なお、接着膜47a及び47bは接着膜47を構成することになる。また、接着膜47の形成には、熱硬化法の他に、常温硬化型の接着剤を用いる方法や熱溶融型の接着剤等が用いられてもよく、接着膜47が、例えば紫外線(UV)硬化型のエポキシ樹脂である場合には、紫外線照射により接着する方法が好ましい。また、接着膜47a及び47bのうちの一方のみを形成して接着をしても実施は可能である。更に、工程において位置合わせが必要な場合は、熱硬化・紫外線硬化併用型接着剤の使用も好ましい。
次に、積層体の第1基板S1を除去する(図9(a)及び(b)参照)。第1基板S1の除去には、第1基板S1としてSiの単結晶基板が用いられる本実施形態のような場合には、フッ硝酸によるウェットエッチング、または反応性イオンエッチング法(RIE法)等によるドライエッチングを用いることができる。なお、前段階の粗削りとして砥石研削(バーチカル)やコロイダルシリカ(CMP)によるポリッシングや、軟質金属定盤(ズズ定盤など)を使ったダイヤスラリーによるポリッシングにより基板除去をすることができる。その後、RIE法によって、バッファ膜42をエッチングする。これにより、積層体Lは、第1基板S1及びバッファ膜42が除去され、第2電極膜41、圧電体膜43及び第1電極膜45からなる積層体L2になる。
(積層体加工工程)
次に、積層体Lを所望の形状に加工(パターニング)する(図10(a)及び(b)参照)。この工程では、まずフォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いて第1領域40a及び第2領域40bに対応する形状のレジストパターン(図示せず)を形成する。その後、このレジストパターンをマスクとしてマスクされていない領域を下地膜44が露出するまでエッチングし、レジストパターンを除去する。
次に、第2電極膜41、圧電体膜43及び第1電極膜45の腐食を回避するためにこれらの層を覆うように樹脂膜49を形成する。樹脂膜49は、樹脂膜49を構成する樹脂材料を塗布した後にベークすることにより形成される。その後、樹脂膜49上の第1領域40a及び第2領域40bそれぞれの根元領域40Rに駆動電圧を印加するための電極41a,45a及び電極41b,45bを形成する。
(第2基板除去工程)
次に、ウェットエッチングを行い、下地膜44を除去する(図11参照)。これにより、第2基板S2が積層体Mから除去される。その結果、積層体Pは,積層体L2、接着膜47及び支持膜48からなる積層体P2となる。以上の工程を経ることで、図4に示されている薄膜圧電アクチュエータ40が完成される。なお、下地膜44の材料として、例えばZrO膜、Y膜等のような絶縁保護膜を用いてもよい。この場合、この下地膜44はパターニングしないで、パターニングされた積層体Pは、樹脂膜49側をワックス等を介して何らかの基材に保持し、その後ドライエッチングあるいはウェットエッチング等により第2基板S2を除去し、その後ワックス等を溶かして素子を個片化してもよい。この場合には、素子の個片化の際に、上面に素子が存在しない下地膜44の部分は破れてなくなる。こうすることで、エッチング時の素子へのダメージを低減させることができる。
本実施形態の薄膜圧電アクチュエータ40の製造方法によれば、積層体Lの形成工程において、熱、結晶格子定数の不整合等に起因して圧電体膜43と第1基板S1との間に生じる各種応力が、第1基板S1の除去工程における第1基板S1の除去により開放されて、その開放された各種応力が第2基板S2に転移される。このとき、圧電体膜43と第2基板S2との間に圧電体膜43より低いヤング率を有する材料からなる接着膜47a及び47bが介在されているため、第2基板S2に転移される各種応力が接着膜47により緩和される。そのため、本実施形態に係る製造方法により得られる薄膜圧電アクチュエータ40は単層の圧電積層体からなるものでありながらも、素子の反り及び屈曲変位が効果的に抑制される。
また、接着膜47が第2電極膜41及び支持膜48により挟まれるように積層体Pが形成され、第2電極膜41及び支持膜48それぞれのヤング率が接着膜47のヤング率より高い。そのため、素子の反り及び屈曲変位が更に抑制され、圧電体膜43の変位量u(l)阻害が抑制された支持体を形成することができる。また、単層の圧電積層体からなるため、製造コストが低減される。従って、本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40の製造方法によれば、単層の圧電積層体による高性能化、高信頼性化及び低コスト化が実現可能な薄膜圧電アクチュエータを容易に製造することができる。
また、積層体Lを製造する際に、第1電極膜45をエピタキシャル成長させる前に、第1基板S1上に上面が{111}ファセット面を有するバッファ膜42を形成することにより、結晶配向の高い第1電極膜45を得ることができる。また、これに伴って第1電極膜45上にエピタキシャル成長される圧電体膜43の結晶性をも改善することができ、薄膜圧電アクチュエータ40の信頼性を向上させることができる。
また、積層体L、接着膜47a、接着膜47b及び積層体Mからなる積層体Pの形成には熱硬化法が用いられているが、第2電極膜41及び支持膜48それぞれの熱膨張係数が接着膜47の熱膨張係数より小さい。これにより、熱硬化により収縮が起こる際に、第2電極膜41及び支持膜48と接着膜47との熱膨張係数の差により接着膜47の中心方向に引張り応力が加わるため、応力が互いに相殺されて、積層体Pの反りがより低減される。
更に、従来のような2層の圧電積層体構造の場合には、変位阻害となる両側の基板を除去した後でなければ素子の正しい特性を評価することができなかったが、本実施形態に係る製造方法では第2基板S2に接着膜47を介して形成された圧電体膜43をパターニングするため、ウェハーレベルの測定でも素子の誘電率等の特性を正しく評価することができる。
なお、変形例に係る薄膜圧電アクチュエータ40Aを形成するためには、積層体Mの形成工程において、下地膜44と支持膜48との間に樹脂膜46を更に形成し、積層体加工工程後、樹脂膜49を形成する際に樹脂膜49を構成する樹脂材料を接着膜47、支持膜48及び樹脂膜46を更に覆うように塗布、硬化することで形成することができる。
本変形例に係る薄膜圧電アクチュエータ40Aの製造方法によれば、本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40の製造方法と同様な効果が得られる他、以下のような効果を更に奏することができる。すなわち、低減された積層体Pの反りを更に相殺すると共に外部応力から積層体Pの損傷を抑制することができる薄膜圧電アクチュエータを容易に製造することができる。


続いて、図3を参照してHGA10の組立工程の一例を説明する。まず、フレクシャ30をレーザスポット溶接にてサスペンションアーム20に固定する。また、薄膜圧電アクチュエータ40をフレクシャ30に対して位置決めした後に、紫外線硬化型接着剤等により支持膜48が圧電アクチュエータ搭載領域36と接するように固定する。その後、薄膜圧電アクチュエータ40の第1領域40a上の電極41aと第2領域40b上の電極41bとが逆相に交流印加されるように、圧電アクチュエータ搭載領域36の後端部36b上の対応する電極パッド39a〜dに接続させる。続いて、ヘッドスライダ搭載領域38及び変位伝達板33にヘッドスライダ50を搭載させ接着剤等により固定し、ヘッドスライダ搭載領域38上の記録用電極及び再生用電極にヘッドスライダ50上の記録用パッド及び再生用パッドを接着することにより、HGA10が得られる。
上記の製造方法で得られた薄膜圧電アクチュエータ40を用いてHGA10に組み立てることで、高性能化、高信頼性化及び低コスト化が可能なHGA10を製作することができる。また、上記のHGA10の組み立てにおいては、支持膜48が圧電アクチュエータ搭載領域36と接するように薄膜圧電アクチュエータ40を圧電アクチュエータ搭載領域36に固定するため、変位伝達板33の下面側に薄膜圧電アクチュエータ40の第1電極膜45が位置されることになるが、薄膜圧電アクチュエータ40は電圧の印加を受けると長手方向に変位するように設計されているため、第1電極膜45が圧電アクチュエータ搭載領域36に近い向きに薄膜圧電アクチュエータ40を搭載しても、HGA10の機能に差は生じない。
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、上記実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータ40においては、接着膜47a,47bがエポキシ樹脂からなるものであるが、これに限定されず、ヤング率が圧電体膜43より小さい限り、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミドシリコン樹脂、フッ素樹脂などであってもよい。
また、第2電極膜41及び支持膜48は、上記に開示内容に限定されることはなく、接着膜47a,47bに比べて高いヤング率を有する硬質材であり、接着膜47a,47bに比べて低い熱膨張係数を有するものであれば、セラミック等であってもよい。
本実施形態に係るHGAを備えたハードディスク装置を示す図である。 図1に示されているHGAの拡大斜視図である。 図2に示されているHGAの斜視分解図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータを示す図である。 変形例に係る薄膜圧電アクチュエータを示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。 本実施形態に係る薄膜圧電アクチュエータの製造方法の一工程を模式的に示す図である。
符号の説明
S1…第1基板、S2…第2基板、P,L,M…積層体、10…ヘッドジンバルアセンブリ、22…サスペンション、40…薄膜圧電アクチュエータ、41…第2電極膜、43…圧電体膜、45…第1電極膜、44…下地膜、47,47a,47b…接着膜、48…支持膜、50…ヘッドスライダ、51…薄膜磁気ヘッド。

Claims (7)

  1. 第1基板上に第1電極膜、圧電体膜及び第2電極膜を順に積層して第1積層体を形成する工程と、
    第2基板上に支持膜を積層して第2積層体を形成する工程と、
    前記第2電極膜と前記支持膜とが対向するように前記第1積層体と前記第2積層体とを接着膜で貼り合わせて前記第1積層体、前記接着膜及び前記第2積層体からなる第3積層体を形成する工程と、
    前記第3積層体から前記第1基板を除去する工程と、
    前記第1基板の除去工程後に、前記第3積層体を所望の形状に加工する工程と、
    前記第3積層体の加工工程後に、前記第2基板を除去する工程と、
    を備え、
    前記接着膜のヤング率は、前記圧電体膜のヤング率より低く、
    前記第2電極膜及び前記支持膜それぞれのヤング率が前記接着膜のヤング率より高く、
    前記第3積層体は、前記圧電体膜以外に圧電体膜を有していない薄膜圧電体素子の製造方法。
  2. 前記第3積層体の形成工程においては、接着剤を熱硬化することにより前記接着膜を形成し、
    前記第2電極膜及び前記支持膜それぞれの熱膨張係数が前記接着膜の熱膨張係数より小さい請求項1に記載の薄膜圧電体素子の製造方法。
  3. 支持膜、接着膜、第2電極膜、圧電体膜及び第1電極膜のみからなり、この順に積層された積層体を備え、かつ、当該積層体を支持する基板を備えない薄膜圧電体素子において、
    前記接着膜のヤング率は、前記圧電体膜のヤング率より低く、
    前記第2電極膜及び前記支持膜それぞれのヤング率が前記接着膜のヤング率より高く、
    前記薄膜圧電体素子は前記圧電体膜以外に圧電体膜を有していない薄膜圧電体素子。
  4. 前記圧電体膜の表面を覆う絶縁膜を更に備える請求項3に記載の薄膜圧電体素子。
  5. 前記積層体を密封する絶縁膜を更に備える請求項3に記載の薄膜圧電体素子。
  6. 記録媒体に対して記録又は再生の少なくとも一方を行う薄膜磁気ヘッドを有するヘッドスライダと、
    前記ヘッドスライダが搭載されたサスペンションと、
    前記サスペンションの搭載面に搭載され、前記ヘッドスライダを前記サスペンションに対して相対的に変位させる薄膜圧電体素子と、
    を備え、
    前記薄膜圧電体素子は、
    支持膜、接着膜、第2電極膜、圧電体膜及び第1電極膜のみからなり、この順に積層された積層体を備え、かつ、当該積層体を支持する基板を備えない薄膜圧電体素子において、
    前記接着膜のヤング率は、前記圧電体膜のヤング率より低く、
    前記第2電極膜及び前記支持膜それぞれのヤング率が前記接着膜のヤング率より高く、
    前記薄膜圧電体素子は前記圧電体膜以外に圧電体膜を有していないヘッドジンバルアセンブリ。
  7. 請求項6に記載のヘッドジンバルアセンブリを備えるハードディスクドライブ。
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