JP5398315B2 - 圧電素子及びその製造方法並びにインクジェットヘッド - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、圧電型インクジェットヘッドを製造する際、圧電体膜の各圧力室の間に相当する箇所にダイシング等によって溝を形成することにより、個々の圧電素子を構成する複数の圧電体層を形成することが開示されている。
また、特許文献2には、応力集中を抑制するとともに上下の電極間でのリーク電流や吸湿に起因する圧電体層の劣化を防止することを目的として、上部電極の上面と圧電体層の側面を覆う絶縁体層を形成したインクジェットヘッドが開示されている。
<1> 支持体と、
前記支持体上に形成されている下部電極と、
前記下部電極上に形成されている圧電体層と、
前記圧電体層上に前記下部電極と対向するように形成されている上部電極と、を有し、
前記圧電体層の前記下部電極側の面が前記上部電極側の面よりも大きくなるように前記圧電体層の前記下部電極側の周囲に段差部が形成されており、
前記圧電体層の底面と前記段差部の側面との成す角度θ1が、前記圧電体層の底面と本体の側面との成す角度θ2より小さく、
前記段差部の厚さが、前記圧電体層の厚さの10分の1以上3分の1以下であり、
前記角度θ1が45°以上75°以下であり、前記角度θ2が75°以上90°以下である圧電素子。
<2> 前記段差部の上面部分の長さが、100nm以上3μm以下である<1>に記載の圧電素子。
<3> <1>又は<2>に記載の圧電素子を有するインクジェットヘッド。
<4> <1>又は<2>に記載の圧電素子を製造する方法であって、
支持体上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の一部にマスクを形成する工程と、
前記圧電体膜の前記マスクから露出する部分をドライエッチングによって厚みを薄膜化することにより前記マスクで覆われた部分を凸部に形成する工程と、
前記凸部の少なくとも側面にエッチング保護膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の前記薄膜化された部分のうち前記エッチング保護膜から露出している部分をエッチングによって除去することにより、前記凸部の前記下部電極側の周囲に段差部を形成する工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
例えば、図7に示すように、厚さ方向の断面形状が矩形となる垂直の圧電体層40Aを基板12上に形成すると、圧電体層40Aの周縁部に沿って応力が集中し易い。そこで、図8に示すように、側面が傾斜し、厚さ方向の断面形状が台形となる圧電体層40Bを形成すれば、底面の面積が大きくなり、応力集中は緩和される。
すなわち、圧電体膜をドライエッチングにより加工する際、圧電体膜上にマスクを略垂直に形成した後、圧電体膜の露出部分をある程度の深さまで除去し、マスクで覆われている部分を凸形状に加工したところでエッチングを停止する。そして、形成された凸部の側面にエッチング保護膜を形成した後、再びエッチングすることにより圧電体層を略垂直に加工する。
本実施形態に係る圧電素子10は、支持体(基板12,絶縁膜14)上に形成されている下部電極16と、下部電極16上に形成されている圧電体層20と、圧電体層20上に下部電極16と対向するように形成されている上部電極24と、を有している。圧電体層20の下部電極16側の周囲には段差部20Aが形成されており、圧電体層20の下部電極16側の面が上部電極24側の面よりも大きくなっている。また、圧電体層20と上部電極24の一部には保護膜(バリア膜)18が形成されており、上部電極24の一部は保護膜18から露出して配線22と電気的に接続されている。また、基板12には圧力室13が形成されている。
図3及び図4は、本発明に係る圧電素子の製造方法の一例(第1の方法)を示している。
(1)下部電極の形成
支持体上に下部電極16を形成する。
まず、支持体となるシリコン基板12の表面に、スパッタ法、CVD法、熱酸化法などにより絶縁膜14、例えば酸化膜(SiO2)を形成する。酸化膜14の厚さは例えば500nm程度とする。
次いで、Tiなどを用いて絶縁膜14上に密着層(図示せず)を形成する。密着層の厚さは、例えば10〜20nm程度とする。
密着層を形成した後、下部電極16を形成する。下部電極16は、Pt、Ir、Ru、それらの酸化物などの貴金属材料を用い、スパッタ法、CVD法等で形成すれば良い。下部電極16の厚さは、例えば200nm程度とする。
次いで、下部電極16上に圧電体膜19を形成する(図3(A))。圧電体膜19としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等を用い、スパッタ法、CVD法等で成膜すれば良い。圧電体膜19の厚さは、例えば3μm程度とする。
次いで、圧電体膜19をパターニングするためのマスク30を形成する(図3(B))。
マスク30は、酸化膜(SiO2)、クロムなどのハードマスク、あるいは、フォトレジスト(ネガ型レジスト又はポジ型レジスト)などの感光性樹脂を用いて形成すれば良い。工程数を少なくするなどの観点からフォトレジストを用いてマスク30を形成することが望ましい。フォトレジストとしては、例えば、東京応化工業社のOFPRシリーズ、TSMRシリーズ、AZ社の1500シリーズ、10XTシリーズなどを用いれば良い。
例えば、AZ社の10XTを用いて10μmの膜厚を有するレジストマスクを形成する場合は、基板上にレジストを滴下し、スピンコータにて1000rpmにて30秒回転しレジスト膜を形成する。
露光はアライナーやステッパーを用い、各種レジスト材に最適な露光量で行えば良い。例えば、コンタクトアライナーを用いて露光を行う。コンタクトアライナーは、市販の装置を用いれば良く、例えばズースマイクロテック社のMA−6などが挙げられる。露光量が例えば800mJ/cm2となるように露光を行えば良い。
次いで、圧電体膜19のマスク30から露出する部分をドライエッチングによって薄膜化することにより、マスク30で覆われた部分を凸部(本体)20Bに形成する(図3(C))。
ドライエッチング装置としては、例えば、誘導結合型プラズマ(Inductive Coupling Plasma:ICP)のドライエッチング装置で行えば良い。なお、本発明で用いるドライエッチング装置は特に限定されるものではなく、例えば、ヘリコン波励起プラズマ(Helicon Wave Plasma:HWP)、電子サイクロトン共鳴プラズマ(Electron Cyclotron resonance Plasma:ECP)、マイクロ波励起表面波プラズマ(Surface Wave Plasma:SWP)などのプラズマ源を用いた方式を適用して圧電体膜19を加工することも可能である。
プロセスガスとしては、塩素を10%〜60%とC4F8を40%〜90%(いずれも容量%)含む混合ガスを用いる。例えば塩素の流量を20sccm、C4F8を80sccmとすれば良い。
プロセスガスの圧力は0.1〜5Pa、例えば1.0Paにすれば良い。
アンテナRF電力は350〜1000W、例えば500Wにする。基板バイアス電力は50〜500W、例えば200Wにする。
マスクにレジストを用いる場合、ステージの温度は−20〜150℃、例えば5℃にすれば良い。
圧電体膜19にドライエッチングを施して凸部20Bを形成した後、圧電体膜の凸部20Bの少なくとも側面にエッチング保護膜32を形成する。
例えば、ドライエッチングを停止した後、エッチング保護膜32を基板全面に形成する(図3(D))。エッチング保護膜32はSiO2などの酸化膜を用いても良く、スパッタ法、CVD法、大気圧CVD法などで形成すれば良い。ただし、酸化膜などの場合は、後の工程で除去するのが困難であり、また、保護膜32を除去するときに圧電体層20にダメージを与え易い。このような観点から、保護膜32として炭化フッ素(CF)系のポリマーを用いることが望ましい。
基板全面に形成された保護膜32のうち、圧電体層の凸部20B側面に形成された保護膜を残し、凸部20Bの上面や凸部20B以外の部分(平面部)に形成された保護膜を除去するため、ディスカム処理を行う(図4(A))。
ディスカム処理は、前述した「(4)圧電体膜のパターニング」、及び、「(5)保護膜の形成」に用いたドライエッチング装置を用いて行うことができる。このように1台のドライエッチング装置で複数の工程を行えば効率が良く、低コスト化を図ることができる。例えば、酸素流量を50sccm、圧力を0.5Paに制御し、プラズマ生成用RF出力を1000W、基板バイアス出力を300Wとし、処理時間を1分間程度として行うことで、凸部20B側面以外の部分の保護膜32を除去する。1Pa以下の真空度で処理することで、イオンの指向性を用い、凸部20B側面の保護膜32をほとんどエッチングすることなく、平面部に形成されている保護膜を選択的に除去することができる。
圧電体膜19の薄膜化された部分のうちエッチング保護膜32から露出している部分をエッチングによって除去することにより、凸部20Bの下部電極16側の周囲に段差部20Aを形成する(図4(B))。
例えば、「(4)圧電体膜のパターニング」と同様の方法でドライエッチングを行うことで、圧電体膜のレジストマスク30及び保護膜32から露出する部分を全て除去する。圧電体膜の凸部20Bの上面にはレジストマスク30が形成されており、また、凸部20Bの側面には保護膜32が形成されているため、凸部20Bはエッチングされることはない。また、圧電体膜の凸部20B以外の薄膜化されている部分のうち、凸部20Bの下部電極16側の周囲では保護膜32の厚さ分だけ保護されてエッチングされない。これにより、凸部20Bの下部電極16側の周囲には圧電体の段差部(鍔部)20Aが形成される。なお、オーバーエッチングによって圧電体膜19の下地にある下部電極16を構成する材料が飛散しても、圧電体凸部20Bの側面には保護膜32が形成されているため、圧電体層20の側壁に直接付着するのを防止することができ、リーク電流を確実に防止することができる。
図2に示されるように、圧電体層20全体の厚さをTとし、圧電体層20の段差部20Aの厚さ(段差部20Aの底面から上面までの距離)をT1、段差部20Aの上面から圧電体層20の上面までの厚さをT2とする。また、圧電体層20の底面と段差部20Aの側面との成す角度(適宜「段差部の傾斜角」という。)をθ1、圧電体層20の底面と本体20B(段差部20Aが形成されていない部分)の側面との成す角度(適宜「本体の傾斜角」という。)をθ2とする。
一方、保護膜形成後に2回目のエッチングを行うときに圧電体層本体20Bの傾斜角θ2が75°未満である場合は、エッチング時にイオンが保護膜32に当たり易く、保護膜自体がエッチングされて段差部20Aの形状が悪化するおそれがある。
このような観点から、凸部(圧電体層本体)20Bの傾斜角θ2は75°以上90°以下であることが望ましい。
また、上記のような理由から、圧電体層の段差部20Aの傾斜角θ1は、本体20Bの傾斜角θ2より小さいことが好ましい。
プロセスガスは、塩素を10%〜60%とC4F8を40%〜90%の混合ガスを用いる。例えば塩素の流量を20sccm、C4F8を80sccmとすれば良い。
プロセスガスの圧力は0.1〜5Pa、例えば1.0Paにすれば良い。
アンテナRF電力は350〜1000W、例えば500Wに設定する。基板バイアス電力は50〜500W、例えば250Wに設定する。
ステージの温度は、レジストマスクを用いた場合は、−20〜150℃、例えば5℃に設定すれば良い。
エッチングによって圧電体層20に段差を形成した後、レジストマスク30及びエッチング保護膜32を除去する(図4(C))。
これらの除去方法としては、市販のポリマー除去液を用いるウエット処理による方法、ドライアイスブラストによる方法、水蒸気によって除去する方法などが挙げられる。
ドライアイスブラストを用いてマスク30等を除去する場合は、ドライアイス粒を圧縮空気により処理基板12へ吹き付けてサーマルショックを発生させると同時にドライアイス粒が昇華する際の膨張エネルギーを利用してレジストマスク30及び保護膜32を剥離除去する。
水蒸気によってマスク30等を除去する場合は、高圧(0.01〜1MPa)の水蒸気に純水や微量の薬液を混合した純水を処理基板に吹き付けることでレジストマスク30や保護膜32を除去する。
いずれの方法にせよ、レジストマスク30と保護膜32を除去することで、ドライエッチングの際、これらの膜上に堆積した堆積物も一緒に除去することができる。
段差部20Aを有する圧電体層20を形成した後、圧電体層20上に、上部電極24、絶縁膜(バリア膜)18としてシリコン酸化膜などを形成する。さらに絶縁膜18にはパターニングにより上部電極24からの配線引き出し用の開口部を形成し、上部電極24からの配線22をパターニングする。これにより図1に示すような構成を有する圧電素子10を製造することができる。
前記のように圧電体層20の側面に下部電極16側の面が大きくなるような段差部20Aを有する構造とし、好ましくは圧電体層20の段差部20Aの側面を緩やかなテーパー角度に加工しておくことで、絶縁膜18や配線22を形成する際に圧電体層20の下部におけるカバレッジ性を向上させることができ、応力集中をより緩和することができる。
図5は、本発明に係る圧電素子の製造方法の他の例(第2の方法)を示している。この方法では、マスクを2回形成して圧電体層の段差部を形成する。
まず、シリコン基板上に、絶縁膜、密着層、圧電体膜を順次形成する工程、圧電体膜上にレジストマスクを形成する工程、圧電体膜をドライエッチングによりパターニングする工程については第1の方法と同様であるので、説明を省略する。
次いで、凸部(本体)20Bとその周囲を覆うように、フォトリソグラフィ法によって段差部20Aを形成するための第2のレジストマスク34を形成する(図5(B))。第2のマスク34を形成した後、ドライエッチングを行う。これにより、圧電体膜のうち、マスク34によって覆われていない部分を除去する(図5(C))。
ドライエッチング後、マスク34を除去することで、凸部20Bの下部電極16側の周囲に段差部20Aを有する圧電体層20が得られる(図5(D))。
また、上記実施形態では、段差部20Aを有する圧電体層20を形成した後に上部電極24を形成する場合について説明したが、圧電体膜と上部電極を一緒にエッチングしてパターニングしてもよい。すなわち、圧電体膜19をパターニングする前に圧電体膜19上に上部電極となる金属膜を形成する。次いで、この金属膜上にマスクを形成してドライエッチングを行うことで、圧電体層とともに上部電極をパターニングしてもよい。
12 基板(支持体)
14 酸化膜(絶縁膜)
16 下部電極
18 絶縁膜
19 圧電体膜
20 圧電体層
20A 段差部
20B 凸部(圧電体層本体)
22 配線
24 上部電極
30 マスク
32 エッチング保護膜
100 インクジェットヘッド
104 絶縁膜
106 下部電極
108 圧電体層
110 上部電極
114 配線
120 圧力室
122 流路
124 吐出口
126 供給孔
130 基板
Claims (4)
- 支持体と、
前記支持体上に形成されている下部電極と、
前記下部電極上に形成されている圧電体層と、
前記圧電体層上に前記下部電極と対向するように形成されている上部電極と、を有し、
前記圧電体層の前記下部電極側の面が前記上部電極側の面よりも大きくなるように前記圧電体層の前記下部電極側の周囲に段差部が形成されており、
前記圧電体層の底面と前記段差部の側面との成す角度θ1が、前記圧電体層の底面と本体の側面との成す角度θ2より小さく、
前記段差部の厚さが、前記圧電体層の厚さの10分の1以上3分の1以下であり、
前記角度θ1が45°以上75°以下であり、前記角度θ2が75°以上90°以下である圧電素子。 - 前記段差部の上面部分の長さが、100nm以上3μm以下である請求項1に記載の圧電素子。
- 請求項1又は請求項2に記載の圧電素子を有するインクジェットヘッド。
- 請求項1又は請求項2に記載の圧電素子を製造する方法であって、
支持体上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上の一部にマスクを形成する工程と、
前記圧電体膜の前記マスクから露出する部分をドライエッチングによって薄膜化することにより前記マスクで覆われた部分を凸部に形成する工程と、
前記凸部の少なくとも側面にエッチング保護膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の前記薄膜化された部分のうち前記エッチング保護膜から露出している部分をエッチングによって除去することにより、前記凸部の前記下部電極側の周囲に段差部を形成する工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
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