JP5682216B2 - 圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン基板と圧電体とを接合してなる圧電デバイスと、その圧電デバイスの製造方法とに関するものである。
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）などの圧電体が用いられている。その一方で、近年の装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、シリコン基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用すれば、例えばインクジェットヘッド、超音波センサ、赤外線センサ、周波数フィルタなど、種々のデバイスを作製することができる。
ここで、シリコン基板上に圧電体を貼り付ける際には、例えば、導電性接着剤やエポキシ系接着剤などの有機系の接着剤が一般に用いられる。しかし、このように接着剤を用いてシリコン基板と圧電体とを接合する手法では、接着剤を構成する樹脂の耐熱性の制約から、接着剤で接合したウェハを高温下で加熱することができない。そのため、採用できる微細加工プロセスや圧電デバイスの用途に制約が生じる。
例えば、シリコン基板と圧電体とを接合した圧電デバイスをインクジェットヘッドに応用する場合、シリコン基板における圧電体の接合側とは反対側を深堀し、圧力室の一部となる凹部を形成する。その後、凹部に蓋をかぶせるように、上記のシリコン基板とノズルプレート（別のシリコン基板で構成される）とをガラス基板を介して接合する。このときのシリコンとガラスとの接合には、陽極接合という接合方法が用いられる。この陽極接合とは、シリコンおよびガラスに数百℃の温度下で数百Ｖの直流電圧を印加し、Ｓｉ−Ｏの共有結合を生じさせることによって両者を直接、接合する手法である。
しかし、シリコンと圧電体との接合に接着剤を用いると、耐熱性の観点から上記のような陽極接合を用いることができないため、他の接合方法を採用せざるを得なくなり、製造プロセスに制約が生じる。
また、例えば、圧電体を接合したシリコン基板とノズルプレートとをガラス基板を介さずに直接接合するようにすれば、常温接合（表面活性化接合）という接合方法で両者を接合することもできる。なお、常温接合とは、高真空中でプラズマ照射等により接合表面を活性化し、化学結合を形成しやすい状態にした基板同士を接合する方法である。しかし、このような常温接合で両者を接合する装置は一般的に高価であり、製造コストが増大するため、コスト面を考えると、圧電デバイスをインクジェットヘッドに適用することが困難となる。つまり、圧電デバイスの用途にも制約が生じる。
一方、例えば特許文献１では、セラミックス基板上に、銀とパラジウムとからなるペーストを塗布して焼成し、その上に金ペーストを塗布して焼成した後、所定の金属をはんだ付けして、上記所定の金属とセラミックス基板とを接合している。このように金属ペーストを焼成して両者を接合する手法を「ろう付け」と呼ぶが、このような手法を、シリコン基板と圧電体との接合に適用すれば、上記した接着剤を用いたときの制約が生じないので、陽極接合の採用および圧電デバイスのインクジェットヘッドへの応用が可能となるものと思われる。
ところが、シリコン基板と圧電体とを接合した圧電デバイスでは、電圧印加による圧電体の伸縮が起こるため、シリコン基板と圧電体との接合強度を十分に確保する必要がある。例えば金属ペーストを焼成してなる接合層を介して、シリコン基板と圧電体とを接合したときに、接合層とシリコン基板との接合強度が不十分であると、それらの界面で圧電体とシリコン基板とが剥がれて、デバイスとして機能しなくなる場合がある。したがって、シリコン基板と圧電体とを金属ペーストを用いて接合する場合には、特許文献１の手法をそのままストレートに採用することはできず、両者の接合強度を向上させるための何らかの工夫が必要となる。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、シリコン基板と圧電体とを金属ペーストを用いて接合する場合でも、シリコン基板と圧電体との接合強度を向上させて、デバイスとしての信頼性を向上させることができる圧電デバイスの製造方法と、その圧電デバイスとを提供することにある。
本発明の圧電デバイスの製造方法は、シリコン基板と圧電体とを接合層を介して接合してなる圧電デバイスの製造方法であって、前記シリコン基板上に、前記接合層を密着させるための密着層を形成する密着層形成工程と、前記密着層上に、金属ペーストを介して前記圧電体を配置する圧電体配置工程と、前記金属ペーストを焼成して固めることによって前記接合層を形成し、該接合層によって前記シリコン基板と前記圧電体とを接合する接合工程とを有していることを特徴としている。
また、本発明の圧電デバイスは、シリコン基板と圧電体とを接合層を介して接合してなる圧電デバイスであって、前記接合層は、金属ペーストを焼成して固めることによって形成されており、前記接合層を前記シリコン基板に密着させるための密着層が、前記シリコン基板上に形成されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、シリコン基板と圧電体とは、金属ペーストを焼成することによって形成される接合層で接合される。このように、接着剤を用いずにシリコン基板と圧電体とが接合されるので、製造された圧電デバイスを例えばインクジェットヘッドに応用する場合でも、高温での製造プロセス（例えば陽極接合）を採用することが可能となる。したがって、用途や製造プロセスに制約が生じるのを回避することができ、圧電デバイスの応用の自由度を増大させることができる。
また、シリコン基板上に密着層を形成し、接合層を密着層によってシリコン基板に密着させることにより、接合層とシリコン基板との接合強度を向上させることができ、これによって、接合層を介して接合される圧電体とシリコン基板との接合強度を向上させることができる。したがって、シリコン基板と圧電体とを金属ペーストを用いて接合する場合でも、シリコン基板と圧電体とが剥がれるのを確実に回避することができ、信頼性の高い圧電デバイスを実現することができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記シリコン基板は、単結晶シリコン単体からなる半導体基板またはＳＯＩ基板の表面に熱酸化膜を形成して構成されており、前記接合工程では、前記金属ペーストとして貴金属のペースト材料を用いて前記接合層を形成し、前記密着層形成工程は、卑金属層を形成する工程を含んでいてもよい。
本発明の圧電デバイスにおいて、前記シリコン基板は、単結晶シリコン単体からなる半導体基板またはＳＯＩ基板の表面に熱酸化膜を形成して構成されており、前記接合層は、貴金属で構成されており、前記密着層は、卑金属層を含んで構成されていてもよい。
シリコン基板の熱酸化膜（酸化シリコン）上に卑金属層を形成すると、卑金属が酸化シリコンとの界面で酸化物を形成し、酸素を介して酸化シリコンと卑金属酸化物とが結合し、卑金属酸化物と卑金属とが同元素で結合する。これにより、卑金属層とシリコン基板との密着性を向上させることができる。また、貴金属からなる接合層と密着層の卑金属層とは、金属結合による自由電子の共有によって密着するため、その密着性も向上させることができる。したがって、卑金属層を介してシリコン基板および接合層との接合強度を確実に向上させることができ、接合層を介して接合されるシリコン基板と圧電体との接合強度を確実に向上させることができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記卑金属層は、チタン、ニッケル、クロム、ジルコンのいずれかの卑金属材料からなる層を含んでいてもよい。
卑金属層を上記の材料で構成することにより、シリコン基板および接合層の両者に対する卑金属層の密着性を確実に向上させることができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記密着層形成工程は、前記卑金属層上に貴金属層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
本発明の圧電デバイスにおいて、前記密着層は、前記卑金属層上に形成される貴金属層をさらに含んで構成されていてもよい。
密着層を卑金属層と貴金属層との２層で構成することにより、密着層の卑金属層の表面の酸化を貴金属層で回避することができ、卑金属層と接合層とを酸化膜を介さずに接合することができる。しかも、密着層の卑金属層と貴金属層とは、金属結合によって接合強度が向上し、密着層の貴金属層と、接合層との接合は、ともに貴金属同士の接合となるため、貴金属材料が同一であっても異なっていても、高い接合強度を得ることができる。よって、卑金属層と接合層との接合強度を高めることができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記金属ペーストおよび前記密着層の前記貴金属層は、金、白金、銀、パラジウムのいずれかの貴金属材料またはそれらの合金からなっていてもよい。
この場合、貴金属層によって、卑金属層と接合層との接合強度を高める効果を確実に得ることができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記密着層を形成する前に、前記シリコン基板から前記圧電体、および前記圧電体から前記シリコン基板への原子の相互の拡散を阻止するバリア層を、前記シリコン基板上に形成するバリア層形成工程をさらに有していてもよい。
金属ペーストの焼成による熱処理時に、シリコン基板と圧電体との間で原子（例えばシリコン原子、鉛原子）が相互に拡散すると、シリコン基板の強度が低下したり、圧電体の特性が劣化する。しかし、上記のような原子の相互移動がバリア層によって阻止されるので、シリコン基板の強度低下および圧電体の特性劣化を回避することができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記圧電体をエッチングすることによって形成される複数の素子が縦横に所定のピッチで並ぶように、前記圧電体をエッチングするエッチング工程をさらに有しており、前記圧電体配置工程では、前記シリコン基板上に前記圧電体を均等な隙間を介して複数並べて配置し、前記エッチング工程では、前記素子の縦のピッチの略整数倍および横のピッチの略整数倍が、１個の前記圧電体の縦および横の寸法とそれぞれ等しくなるように、前記複数の圧電体をエッチングすることが望ましい。
複数の圧電体を２次元的に配置して、複数の素子が縦横に所定のピッチで並ぶように各圧電体をエッチングする場合でも、エッチングにより形成された素子が、隣り合う２つの圧電体の境界をまたいで形成されることがなく、形成された素子を素子として確実に機能させることができる。
本発明の圧電デバイスの製造方法において、前記圧電体は、鉛系のペロブスカイト型化合物からなる圧電材料を含んでいてもよい。
圧電材料として、例えばチタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、ＰＺＴにランタン、ニオブを加えたものを用いて圧電デバイスを製造する場合において、上述した本発明の効果を得ることができる。
本発明によれば、金属ペーストを焼成することによって接合層を形成し、この接合層によってシリコン基板と圧電体とを接合するので、接着剤を用いてシリコン基板と圧電体とを接合する場合のように、用途や製造プロセスに制約が生じるのを回避することができ、圧電デバイスの応用の自由度を増大させることができる。また、密着層によって接合層をシリコン基板に密着させることにより、接合層を介して接合される圧電体とシリコン基板との接合強度を向上させることができる。これにより、圧電体の伸縮動作によってシリコン基板と圧電体とが剥がれるのを確実に回避することができ、信頼性の高い圧電デバイスを実現することができる。
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
〔１．圧電デバイスの構成について〕
図１は、本実施形態の製造方法によって製造される圧電デバイス１０の概略の構成を示す断面図である。この圧電デバイス１０は、シリコン基板１と圧電体２とを接合層３を介して接合して構成されている。
図１は、本実施形態の製造方法によって製造される圧電デバイス１０の概略の構成を示す断面図である。この圧電デバイス１０は、シリコン基板１と圧電体２とを接合層３を介して接合して構成されている。
シリコン基板１は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて形成されている。すなわち、このＳＯＩ基板は、シリコンからなる支持層１ａと、酸化シリコンからなる絶縁酸化膜層（ＢＯＸ層）１ｂと、シリコンからなる活性層１ｃとをこの順で積層して構成されている。そして、ＳＯＩ基板の表面には、酸化シリコンからなる熱酸化膜１ｄ・１ｅがそれぞれ形成されている。つまり、支持層１ａにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に熱酸化膜１ｄが形成されており、活性層１ｃにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に熱酸化膜１ｅが形成されている。なお、ＳＯＩ基板の代わりに、単結晶シリコン単体からなる半導体基板を用いてシリコン基板１を形成してもよい。
圧電体２は、電圧印加によって伸縮する圧電特性を有するものであり、圧電材料２ａを２つの電極層２ｂで挟持して構成されている。各電極層２ｂは、例えば圧電材料２ａ側から、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の各層をイオンプレーティング法によって順に積層して形成されている。このうち、クロム、ニッケルの各層は、電極層２ｂ１を構成し、金の層は、電極層２ｂ２を構成している。なお、クロム、ニッケル、金の各膜厚は、例えば０．１〜０．２μｍ、０．２５μｍ、０．２μｍである。
圧電材料２ａを後述するＰＺＴで構成する場合は、電極層２ｂ１は、チタン（Ｔｉ）やジルコニウム（Ｚｒ）で構成されてもよい。チタンやジルコニウムは、ＰＺＴに含まれる元素と同じであるので、この場合は、圧電材料２ａと電極層２ｂ２との密着性を向上させることができる。
圧電材料２ａとしては、本実施形態では、鉛系のペロブスカイト型化合物であるＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）を用いている。図２は、ＰＺＴの結晶構造を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１-ｘ）Ｏ３の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子が位置し、体心にＴｉ原子またはＺｒ原子が位置し、各面心にＯ原子が位置する構造を採る。このような結晶構造はペロブスカイト構造と呼ばれ、良好な圧電効果を発揮する。本実施形態では、鉛原子を有するペロブスカイト構造の化合物を圧電材料２ａとして用いることで、圧電デバイスとしての特性向上を図っている。このような鉛系のペロブスカイト型化合物で構成される圧電材料２ａとしては、例えば日本セラテック社製のＤ材を用いることができる。
なお、ＰＺＴのＺｒ、Ｔｉの元素をＭｇ、Ｎｂに置き換えたＰＭＮ（マグネシウムニオブ酸鉛）や、Ｚｎに置き換えたＰＺＮ（亜鉛ニオブ酸鉛）などの、いわゆるリラクサ材料を圧電材料２ａとして用いることも勿論可能であり、この場合は、ＰＺＴよりもさらに大きな圧電特性を得ることができる。また、ランタン（Ｌａ）を付加して鉛系のペロブスカイト型化合物を実現することも可能である。
接合層３は、シリコン基板１と圧電体２とを接合するための層であるが、本実施形態では、金属ペーストを焼成して固めることによって形成されている。金属ペーストとしては、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかの貴金属材料またはそれらの合金を用いることができる。したがって、金属ペーストを焼成し、固めて接合層３を形成したときには、接合層３は貴金属で構成されることになる。
また、本実施形態では、シリコン基板１上に密着層４が形成されており、この密着層４を介して接合層３がシリコン基板１上に形成されている。密着層４は、接合層３をシリコン基板１に密着させるための層であり、卑金属層４ａと貴金属層４ｂとで構成されている。
卑金属層４ａは、例えばチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコン（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）のいずれかの卑金属材料からなる層で形成されている。一般に、卑金属は、イオン化傾向が水素よりも大きく、酸化されやすい特性を持つ。
一方、貴金属層４ｂは、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）のいずれかの貴金属材料またはそれらの合金で構成されており、卑金属層４ａ上、すなわち、卑金属層４ａと接合層３との間に形成されている。貴金属層４ｂは、接合層３として用いる金属ペーストと同一の貴金属材料で構成されてもよいし、異なる貴金属材料で構成されてもよい。一般に、貴金属は、イオン化傾向が水素よりも小さく、酸化されにくい特性を持つ。
なお、密着層４の膜厚が薄いと、密着層４の厚さの均一性が損なわれ、膜厚が厚いと、生産性が損なわれるため、卑金属層４ａの膜厚は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることが望ましく、貴金属層４ｂの膜厚は、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であることが望ましい。また、密着層４は、少なくとも卑金属層４ａを有していればよく、貴金属層４ｂを含んでいなくてもよい。
図３は、上記の圧電デバイス１０の応用例の一つであるインクジェットプリンタ用ヘッド（インクジェットヘッド）の概略の構成を示す断面図である。同図に示すように、圧電デバイス１０のシリコン基板１の熱酸化膜１ｄを除去し、フォトリソグラフィー技術により、支持層１ａを所定のパターンでエッチングすることで、圧力室１０ａが形成されている。そして、シリコン基板１の支持層１ａとガラス１１、およびガラス１１とシリコンからなるノズルプレート１２とを４００℃に加熱して陽極接合することで、インクジェットヘッドが形成される。
圧電体２におけるシリコン基板１とは反対側の電極層２ｂは、上部電極を構成し、圧電体２におけるシリコン基板１側の電極層２ｂ、接合層３、密着層４は下部電極を構成する。これらの上部電極および下部電極は、図示しない配線により、外部の制御回路と接続されている。
制御回路から、上部電極および下部電極に電気信号を印加することにより、圧電体２を駆動することができる。つまり、上部電極および下部電極に所定の電界を加えると、圧電体２が左右方向に伸縮し、バイメタルの効果によって圧電体２およびシリコン基板１の活性層１ｃが上下に湾曲する。これにより、シリコン基板１に形成された圧力室１０ａ内に充填されたインクを、ノズルプレート１２から外部に吐出させることができる。
なお、圧電体２の電荷量を上部電極および下部電極を介して検出することにより、圧電体２の変形量を検出することができるので、この場合は、圧電デバイス１０をセンサとして用いることもできる。つまり、音波や超音波により、圧電体２が振動することによって上下の電極間に電界が発生するため、このときの電界の大きさや検出信号の周波数を検出することにより、圧電デバイス１０をセンサとして用いることができる。
〔２．圧電デバイスの製造方法について〕
次に、上記した圧電デバイス１０の製造方法について、実施例１〜３として説明する。また、実施例１〜３との比較のため、比較例１〜３についても説明する。
次に、上記した圧電デバイス１０の製造方法について、実施例１〜３として説明する。また、実施例１〜３との比較のため、比較例１〜３についても説明する。
（実施例１）
図４〜図７は、実施例１に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。まず、図４に示すように、直径が例えば３インチのＳＯＩ基板の表面を加熱し、支持層１ａにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｄを形成し、活性層１ｃにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｅを形成する（Ｓ１；熱酸化膜形成工程）。
図４〜図７は、実施例１に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。まず、図４に示すように、直径が例えば３インチのＳＯＩ基板の表面を加熱し、支持層１ａにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｄを形成し、活性層１ｃにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｅを形成する（Ｓ１；熱酸化膜形成工程）。
このときのＳＯＩ基板の支持層１ａの厚さは、例えば４００μｍであり、絶縁酸化膜層１ｂの厚さは例えば０．２μｍであり、活性層１ｃの厚さは例えば２μｍである。なお、ＳＯＩ基板の表面に予め熱酸化膜１ｄ・１ｅが形成されたものを用いてもよく、この場合は、Ｓ１の工程を省略することができる。
続いて、熱酸化膜１ｅ上にチタンをスパッタし、密着層４の卑金属層４ａを例えば５０ｎｍの膜厚で形成する（Ｓ２；密着層形成工程）。さらに、卑金属層４ａ上に、金をスパッタし、密着層４の貴金属層４ｂを例えば２００ｎｍの膜厚で形成する（Ｓ３；密着層形成工程）。なお、Ｓ３の工程を省略して、密着層４を卑金属層４ａのみで構成してもよい。そして、ろう材３ａ１（金属ペースト）として金ペースト（田中貴金属社製 ＴＲ−１３０１）を用い、バーコーターもしくはスクリーン印刷機にて、密着層４の上にろう材３ａ１を約２μｍの厚さとなるように塗布する（Ｓ４；金属ペースト塗布工程）。
次に、ＰＺＴからなる圧電材料２ａの両面に電極層２ｂ１・２ｂ２を順に形成したチップ状の圧電体２を、ろう材３ａ１上に２次元的に並べて配置して、基板全面に密に貼り付けた後、プレス機で３ＭＰａの圧力を加えて、圧電体２をろう材３ａ１に密着させる（Ｓ５；圧電体配置工程）。ちなみに、図８は、シリコン基板１上に圧電体２を２次元的に並べて配置した状態を示している。このように、複数の圧電体２をシリコン基板１上に密に配置する。なお、圧電体２は、例えば縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの大きさに切り出されている。
なお、圧電体２としては、ＰＺＴからなる圧電材料２ａの両面に、チタンをスパッタして電極層２ｂ１（例えば膜厚５０ｎｍ）を形成し、その上に金をスパッタして電極層２ｂ２（例えば膜厚１００ｎｍ）を形成したものを用いた。
次に、図５に示すように、約１００℃で約１時間の乾燥により、シリコン基板１上に圧電体２を仮固定する（Ｓ６；乾燥工程）。続いて、８５０℃で３０分の加熱により、ろう材３ａ１を焼成し、これを固めることによって接合層３ａを形成し、この接合層３ａによってシリコン基板１と圧電体２とを接合する（Ｓ７；接合工程）。焼成後は、圧電体２の電極層２ｂ２を構成する金と、ろう材３ａ１の焼成によって固まる金（接合層３ａの金）と、密着層４の貴金属層４ｂを構成する金とが一体的に接着する。
続いて、圧電体２の表面にワックス５を塗布し、圧電体２の端部および隣り合う圧電体２の隙間をワックス５で埋める（Ｓ８；ワックス塗布工程）。そして、この状態で（隙間をワックス５で埋めたまま）、圧電体２を厚さが例えば２０μｍとなるように研磨する（Ｓ９；圧電体研磨工程）。圧電体２を研磨するのは、デバイスの薄型化のためと、圧電体２を薄型化したほうが圧電体２の伸縮による変位量が増大し、圧電特性が向上するからである。
そして、図６に示すように、ワックス５を残したまま、圧電体２（圧電材料２ａ）の表面にチタンをスパッタして、電極層２ｂ１を例えば膜厚５０ｎｍで形成し（Ｓ１０；電極層形成工程）、さらにその上に金をスパッタして電極層２ｂ２を例えば膜厚１００ｎｍで形成する（Ｓ１１；電極層形成工程）。これらの電極層２ｂ１・２ｂ２は、アクチュエータの上部電極となる。
その後、ワックス５を除去する（Ｓ１２；ワックス除去工程）。このとき、ワックス５の上部に位置する電極層２ｂ１・２ｂ２は、膜厚が薄いため、ワックス５の除去と同時に除去される。そして、下部電極を構成する接合層３ａと上部電極との間に電圧を印加し、ＰＺＴの分極を行う。
次に、圧電体２の表面にレジスト６を塗布し（Ｓ１３；レジスト塗布工程）、その後、図７に示すように、レジスト６をパターニングする（Ｓ１４；レジストパターニング工程）。続いて、パターニングしたレジスト６をマスクとして、圧電体２の上部電極（電極層２ｂ１・２ｂ２）を所定のパターンでドライエッチングし（Ｓ１５；電極パターニング工程）、さらに、同じレジストをマスクとして、圧電材料２ａを所定のパターンでウェットエッチングする（Ｓ１６；圧電体パターニング工程）。なお、Ｓ１３〜Ｓ１６の工程をまとめて、圧電体２のエッチング工程と呼ぶこともできる。なお、圧電材料２ａをエッチングした後、さらに圧電材料２ａの下方の電極層２ｂ１・２ｂ２を同じレジストをマスクとしてエッチングしてもよい。最後に、レジスト６を除去する（Ｓ１７；レジスト除去工程）。これにより、複数の圧電デバイス１０が完成する。
ところで、上述したＳ１３〜Ｓ１６の圧電体２のエッチング工程においては、圧電体２をエッチングする際に、シリコン基板１上に貼り付ける圧電体２の大きさと、エッチングにより形成される素子の大きさとを考慮してエッチングを行う必要がある。以下、この点について説明する。
図９は、圧電体２をエッチングして形成される素子２０を拡大して示す平面図である。１つの素子２０は、複数（図９では例えば５つ）の圧電デバイス１０の集合で構成されている。Ｓ５において、シリコン基板１上に複数の圧電体２が均等な隙間Ｓを介して２次元的に並べて配置されている場合、Ｓ１３〜Ｓ１６のエッチング工程では、圧電体２をエッチングすることによって形成される複数の素子２０が縦方向および横方向に所定のピッチで並ぶように、圧電体２をエッチングする。
このとき、素子２０の縦方向の形成ピッチの略整数倍および横方向の形成ピッチの略整数倍が、１個の圧電体２の縦方向および横方向の寸法とそれぞれ等しくなるように、複数の圧電体２をエッチングする。図９では、複数の素子２０が、縦方向に約５ｍｍのピッチで形成されており、横方向に約３．３ｍｍのピッチで形成されている。１個の圧電体２の縦方向および横方向の寸法がそれぞれ１０ｍｍであることを考慮すると、素子２０の縦方向の形成ピッチの整数倍（ここでは２倍）および横方向の形成ピッチの整数倍（ここでは３倍）が、１個の圧電体２の縦方向および横方向の寸法とほぼ等しいと言える。
このように、複数の圧電体２をエッチングすることにより、エッチングによって形成された素子２０が、隣り合う２つの圧電体２の境界（隙間Ｓ）をまたいで形成されることがないため、全ての素子２０を確実に動作させることができる。
（比較例１）
比較例１では、実施例１の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（金ペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例１と同様である。
比較例１では、実施例１の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（金ペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例１と同様である。
（実施例２）
図１０〜図１４は、実施例２に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。実施例２では、実施例１のＳ１〜Ｓ４の各工程を、Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ２、Ｓ３−１、Ｓ３−２、Ｓ４−１に置き換え、それ以外については実施例１と同様の工程により、圧電デバイス１０を製造している。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
図１０〜図１４は、実施例２に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。実施例２では、実施例１のＳ１〜Ｓ４の各工程を、Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ２、Ｓ３−１、Ｓ３−２、Ｓ４−１に置き換え、それ以外については実施例１と同様の工程により、圧電デバイス１０を製造している。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
まず、図１０に示すように、直径が例えば３インチのＳＯＩ基板の表面を加熱し、支持層１ａにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｄを形成し、活性層１ｃにおける絶縁酸化膜層１ｂとは反対側の面に、膜厚が例えば０．２μｍの熱酸化膜１ｅを形成する（Ｓ１−１；熱酸化膜形成工程）。
続いて、熱酸化膜１ｅ上に、バリア層７を形成する（Ｓ１−２；バリア層形成工程）。より詳しくは、熱酸化膜１ｅ上に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる第１のバリア層７ａを膜厚例えば０．２μｍで形成し、さらに、その上に酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる第２のバリア層７ｂを膜厚例えば０．１μｍで形成する。このバリア層７は、
その後の熱処理時（例えば金属ペーストの焼成時）において、シリコン基板１から圧電体２へのシリコン原子の拡散（移動）、および圧電体２からシリコン基板１への鉛原子の拡散を阻止するためのものである。
その後の熱処理時（例えば金属ペーストの焼成時）において、シリコン基板１から圧電体２へのシリコン原子の拡散（移動）、および圧電体２からシリコン基板１への鉛原子の拡散を阻止するためのものである。
次に、バリア層７の表面にチタンをスパッタし、密着層４の卑金属層４ａを例えば５０ｎｍの膜厚で形成する（Ｓ２；密着層形成工程）。さらに、卑金属層４ａ上に、白金をスパッタし、密着層４の貴金属層４ｂを例えば１００ｎｍの膜厚で形成する（Ｓ３−１；密着層形成工程）。
一方、図１１に示すように、ＰＺＴからなる圧電材料２ａの両面に電極層２ｂ１・２ｂ２を順に形成したチップ状の圧電体２の一方の面（シリコン基板１との接合側の電極層２ｂ２の表面）には、白金をスパッタして、密着層２ｃを形成する（Ｓ３−２；密着層形成工程）。
次に、ろう材３ｂ１として白金ペースト（田中貴金属社製 ＴＲ−７９０５）を用い、バーコーターもしくはスクリーン印刷機にて、密着層４（貴金属層４ｂ）の上にろう材３ｂ１を約１μｍの厚さとなるように塗布する（Ｓ４−１；金属ペースト塗布工程）。
その後は、実施例１のＳ５以降と同様の工程を行うが、本実施例では、金属ペーストして白金ペーストを用いているため、Ｓ７の接合工程では、焼成温度を１０５０℃とする。つまり、１０５０℃で３０分の加熱により、ろう材３ｂ１を焼成し、これを固めることによって接合層３ｂを形成し、この接合層３ｂによってシリコン基板１と圧電体２とを接合する（Ｓ７；接合工程）。焼成後は、圧電体２の密着層２ｃを構成する白金と、ろう材３ｂ１の焼成によって固まる白金（接合層３ｂの白金）と、密着層４の貴金属層４ｂを構成する白金とが一体的に接着する。
（比較例２）
比較例２では、実施例２の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３−１）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（白金ペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例２と同様である。
比較例２では、実施例２の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３−１）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（白金ペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例２と同様である。
（実施例３）
図１５〜図１８は、実施例３に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。実施例３では、実施例１のＳ４の工程を、Ｓ４−２に置き換え、それ以外については実施例１と同様の工程により、圧電デバイス１０を製造している。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
図１５〜図１８は、実施例３に係る圧電デバイス１０の製造方法における製造の流れを、製造工程の断面図とともに示す説明図である。実施例３では、実施例１のＳ４の工程を、Ｓ４−２に置き換え、それ以外については実施例１と同様の工程により、圧電デバイス１０を製造している。以下、実施例１と異なる部分のみ説明する。
Ｓ２にて、熱酸化膜１ｅ上にチタンをスパッタし、密着層４の卑金属層４ａを例えば５０ｎｍの膜厚で形成し、Ｓ３にて、卑金属層４ａ上に、金をスパッタし、密着層４の貴金属層４ｂを例えば２００ｎｍの膜厚で形成した後、ろう材３ｃ１として銀パラジウムペースト（田中貴金属社製 ＴＲ−４８６５Ｐ）を用い、バーコーターもしくはスクリーン印刷機にて、密着層４（貴金属層４ｂ）の上にろう材３ｃ１を約３μｍの厚さとなるように塗布する（Ｓ４−２；金属ペースト塗布工程）。
その後は、実施例１のＳ５以降と同様の工程を行うが、本実施例では、金属ペーストして銀パラジウムペーストを用いているため、Ｓ７の接合工程では、焼成時間を６０分とする。つまり、８５０℃で６０分の加熱により、ろう材３ｃ１を焼成し、これを固めることによって接合層３ｃを形成し、この接合層３ｃによってシリコン基板１と圧電体２とを接合する（Ｓ７；接合工程）。焼成後は、圧電体２の電極層２ｂ２を構成する金と、ろう材３ｃ１の焼成によって固まる銀パラジウム合金（接合層３ｃの銀パラジウム合金）と、密着層４の貴金属層４ｂを構成する金とが一体的に接着する。
（比較例３）
比較例３では、実施例３の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（銀パラジウムペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例３と同様である。
比較例３では、実施例３の密着層形成工程（Ｓ２、Ｓ３）を省略し、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）を形成することなく、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペースト（銀パラジウムペースト）を用いて接合した。それ以外については、実施例３と同様である。
〔３．接合強度について〕
次に、実施例１〜３、比較例１〜３の製法によって製造された圧電デバイスの接合強度を調べた。接合強度の測定方法は、以下の通りである。
次に、実施例１〜３、比較例１〜３の製法によって製造された圧電デバイスの接合強度を調べた。接合強度の測定方法は、以下の通りである。
各実施例および各比較例ともに、測定用サンプルとして、圧電体２のエッチングによるパターニング前の状態、すなわち、Ｓ１２の状態で、圧電体２に沿って縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの大きさに切り出したものを準備した。そして、シリコン基板１側および圧電体２側をそれぞれ、接着剤で鉄板と接着した。各鉄板には、クランプ（つなぎ金具）が取り付けられるように穴が開いており、クランプを介して各鉄板を互いに反対方向に引っ張り、シリコン基板１と圧電体２とが剥がれたときの力の大きさから、接合強度を求めた。なお、接着剤の接合強度は、シリコン基板１と圧電体２の接合強度よりも大きくなるように選定した。表１は、各実施例１および各比較例の測定用サンプル（圧電デバイス）の接合強度を示している。
表１より、実施例１〜３の圧電デバイスでは、比較例１〜３に比べて接合強度が格段に高いことがわかる。一方、比較例１〜３の圧電デバイスでは、接合強度が低いため、引っ張り方向の力を加えたときに、実施例１〜３のものよりも早く剥がれてしまうことが確認された。
〔４．まとめ〕
以上のように、本実施形態の製法によれば、シリコン基板１と圧電体２とは、金属ペーストを焼成することによって形成される接合層３（接合層３ａ・３ｂ・３ｃ）で接合され、接着剤を用いずに圧電デバイス１０が製造されるので、この圧電デバイス１０とガラス１１とを高温環境となる陽極接合を用いて接合してインクジェットヘッドを作製することができ、圧電デバイス１０をインクジェットヘッドに適用することが可能となる。したがって、圧電デバイス１０の用途に制約が生じることがなく、また製造プロセスの制約もないので（陽極接合以外の接合方法を用いなくても済むので）、圧電デバイス１０の応用の自由度を増大させることができる。
以上のように、本実施形態の製法によれば、シリコン基板１と圧電体２とは、金属ペーストを焼成することによって形成される接合層３（接合層３ａ・３ｂ・３ｃ）で接合され、接着剤を用いずに圧電デバイス１０が製造されるので、この圧電デバイス１０とガラス１１とを高温環境となる陽極接合を用いて接合してインクジェットヘッドを作製することができ、圧電デバイス１０をインクジェットヘッドに適用することが可能となる。したがって、圧電デバイス１０の用途に制約が生じることがなく、また製造プロセスの制約もないので（陽極接合以外の接合方法を用いなくても済むので）、圧電デバイス１０の応用の自由度を増大させることができる。
また、上述した実施例と比較例との結果から、シリコン基板１上に密着層４を形成し、接合層３を密着層４によってシリコン基板１に密着させることにより、接合層３とシリコン基板１との接合強度が向上し、接合層３を介して接合される圧電体２とシリコン基板１との接合強度が向上すると言える。したがって、本実施形態のように、シリコン基板１と圧電体２とを金属ペーストを用いて接合する場合でも、両者が剥がれるのを確実に回避することができ、信頼性の高い圧電デバイス１０を実現することができる。
また、シリコン基板１の熱酸化膜１ｅは酸化シリコンであるが、この酸化シリコン上に卑金属層４ａを形成すると、卑金属が酸化シリコンとの界面で酸化物を形成し、酸素を介して酸化シリコンと卑金属酸化物とが結合し、卑金属酸化物と卑金属とが同元素で結合する。これにより、卑金属層４ａとシリコン基板１との密着性を向上させることができる。また、貴金属からなる接合層３と密着層４の卑金属層４ａとは、貴金属層４ｂがあってもなくても、金属結合による自由電子の共有によって密着するため、その密着性も向上させることができる。したがって、密着層４として少なくとも卑金属層４ａを形成することにより、卑金属層４ａを介してシリコン基板１および接合層３との接合強度を確実に向上させることができ、接合層３を介して接合されるシリコン基板１と圧電体２との接合強度を確実に向上させることができる。
特に、卑金属層４ａを、チタン、ニッケル、クロム、ジルコン、亜鉛、マンガンのいずれかの卑金属材料で構成することにより、シリコン基板１および接合層３の両者に対する卑金属層４ａの密着性を確実に向上させることができる。
また、密着層４の卑金属層４ａは酸化されやすいが、密着層４を卑金属層４ａと貴金属層４ｂとの２層で構成することにより、卑金属層４ａを形成した後の表面の酸化を、貴金属層４ｂで回避することができ、卑金属層４ａと接合層３とを酸化膜を介さずに接合することができる。しかも、卑金属層４ａと貴金属層４ｂとは、金属結合で接合されるので、接合強度が向上する。また、貴金属層４ｂと接合層３との接合は、ともに貴金属同士の接合となるため、貴金属材料が同一である場合は勿論のこと、異なっていても、格子定数に差がほとんどなく、物理的、化学的特性もほとんど同じであるので、高い接合強度を得ることができる。よって、貴金属層４ｂを形成することにより、卑金属層４ａと接合層３との接合強度を高めることができる。
特に、接合層３を構成する金属ペーストおよび密着層４の貴金属層４ｂが、金、白金、銀、パラジウムのいずれかの貴金属材料またはそれらの合金からなっていれば、貴金属層４ｂによって、卑金属層４ａと接合層３との接合強度を高める効果を確実に得ることができる。
また、実施例２のように、シリコン基板１上にバリア層７（第１のバリア層７ａ、第２のバリア層７ｂ）を形成してから密着層４を形成することにより、その後の金属ペーストの焼成等の熱処理時に、シリコン基板１から圧電体２へのシリコン原子の拡散、および圧電体２からシリコン基板１への鉛原子の拡散を阻止することができる。これにより、シリコン基板１の強度低下や、圧電体２の特性劣化を回避することができる。
〔５．補足〕
本実施形態では、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）をスパッタによって形成しているが、メッキで形成してもよい。例えば、無電解メッキにより、ニッケル等を膜厚５ｎｍ〜１００ｎｍで形成して卑金属層４ａを形成した後に、金、白金等の貴金属を電解メッキにより膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍで形成して貴金属層４ｂを形成してもよい。なお、電解メッキによって貴金属層４ｂを厚く形成すると、自身の膜応力のため剥がれやすくなってしまうため、適当な厚さで貴金属層４ｂを形成することが必要である。メッキは安価で行うことができるので、メッキによって密着層４を形成することにより、圧電デバイス１０の製造コストを低減することができる。
本実施形態では、密着層４（卑金属層４ａ、貴金属層４ｂ）をスパッタによって形成しているが、メッキで形成してもよい。例えば、無電解メッキにより、ニッケル等を膜厚５ｎｍ〜１００ｎｍで形成して卑金属層４ａを形成した後に、金、白金等の貴金属を電解メッキにより膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍで形成して貴金属層４ｂを形成してもよい。なお、電解メッキによって貴金属層４ｂを厚く形成すると、自身の膜応力のため剥がれやすくなってしまうため、適当な厚さで貴金属層４ｂを形成することが必要である。メッキは安価で行うことができるので、メッキによって密着層４を形成することにより、圧電デバイス１０の製造コストを低減することができる。
なお、メッキでも特に無電解メッキは、酸やアルカリの溶液を用いて行われるため、例えば圧電体２側の電極層２ｂ１をメッキで形成すると、圧電体２にダメージを与えるおそれがある。したがって、密着層４の卑金属層４ａ（例えばニッケル）はメッキで形成してもよいが、電極層２ｂ１（例えばチタン）はスパッタで形成するほうが望ましい。
なお、ニッケルは磁性体であるため、ニッケルを用いてスパッタを行う場合は、スパッタ装置のマグネットを強化するなどの工夫が必要となる。このため、スパッタは、ニッケル以外の金属材料を用いて金属層を形成する場合に好適となる。
なお、接合層３の厚さは、例えば０．５μｍ〜５０μｍの範囲であることが望ましい。この厚さの範囲であれば十分な接合強度が得られる。接合層３を上記範囲よりも厚くする場合、特に接合強度については問題ないが、接合層３を構成するための金属ペーストのコストが上昇するため、現実的ではなくなる。
なお、金属ペーストはペースト状であり、重力によるダレが生じることを考えると、接合層３の厚さを２５μｍ以下とする場合は、シリコン基板１側に金属ペーストを塗布した後、上方から圧電体２を貼り合わせることが望ましい。また、接合層３の厚さを２５μｍよりも厚くする場合は、シリコン基板１側に所望の厚さまで金属ペーストの重ね塗りを行うか、または圧電体２側およびシリコン基板１側のそれぞれに金属ペーストを塗布した後、速やかに両者を接合することが望ましい。
なお、金属ペーストとしては、該金属ペーストの焼成温度が、用いる圧電材料の焼成温度よりも低いものを用いることが望ましい。例えば圧電材料がＰＺＴの場合、ＰＺＴの焼成温度は１１５０℃であるので、金属ペーストとしては、本実施形態で示したように、焼成温度が８５０℃である金や銀パラジウム、焼成温度が１０５０℃である白金が好適となる。
本発明は、例えばインクジェットヘッドの振動板をはじめ、ＭＥＭＳ用アクチュエータ（特にマイクロミラーデバイス）、ｐＭＵＴ（Piezo-electric Micromachined Ultrasonic Transducer）などに利用可能である。
１ シリコン基板
１ｅ 熱酸化膜
２ 圧電体
３ 接合層
３ａ 接合層
３ｂ 接合層
３ｃ 接合層
３ａ１ ろう材（金属ペースト）
３ｂ１ ろう材（金属ペースト）
３ｃ１ ろう材（金属ペースト）
４ 密着層
４ａ 卑金属層
４ｂ 貴金属層
７ バリア層
１０ 圧電デバイス
２０ 素子
１ｅ 熱酸化膜
２ 圧電体
３ 接合層
３ａ 接合層
３ｂ 接合層
３ｃ 接合層
３ａ１ ろう材（金属ペースト）
３ｂ１ ろう材（金属ペースト）
３ｃ１ ろう材（金属ペースト）
４ 密着層
４ａ 卑金属層
４ｂ 貴金属層
７ バリア層
１０ 圧電デバイス
２０ 素子
Claims (11)
- シリコン基板と圧電体とを接合層を介して接合してなる圧電デバイスの製造方法であって、
前記シリコン基板上に、前記接合層を密着させるための密着層を形成する密着層形成工程と、
前記密着層上に、金属ペーストを介して前記圧電体を配置する圧電体配置工程と、
前記金属ペーストを焼成して固めることによって前記接合層を形成し、該接合層によって前記シリコン基板と前記圧電体とを接合する接合工程とを有しており、
前記接合工程では、前記金属ペーストとして貴金属のペースト材料を用いて前記接合層を形成し、
前記密着層形成工程は、卑金属層を形成する工程と、前記卑金属層上に貴金属層を形成する工程とを含んでいることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 - 前記シリコン基板は、単結晶シリコン単体からなる半導体基板またはＳＯＩ基板の表面に熱酸化膜を形成して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記卑金属層は、チタン、ニッケル、クロム、ジルコンのいずれかの卑金属材料からなる層を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記金属ペーストおよび前記密着層の前記貴金属層は、金、白金、銀、パラジウムのいずれかの貴金属材料またはそれらの合金からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記密着層を形成する前に、前記シリコン基板から前記圧電体、および前記圧電体から前記シリコン基板への原子の相互の拡散を阻止するバリア層を、前記シリコン基板上に形成するバリア層形成工程をさらに有していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記圧電体をエッチングすることによって形成される複数の素子が縦横に所定のピッチで並ぶように、前記圧電体をエッチングするエッチング工程をさらに有しており、
前記圧電体配置工程では、前記シリコン基板上に前記圧電体を均等な隙間を介して複数並べて配置し、
前記エッチング工程では、前記素子の縦のピッチの略整数倍および横のピッチの略整数倍が、１個の前記圧電体の縦および横の寸法とそれぞれ等しくなるように、前記複数の圧電体をエッチングすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。 - 前記圧電体は、鉛系のペロブスカイト型化合物からなる圧電材料を含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
- シリコン基板と圧電体とを接合層を介して接合してなる圧電デバイスであって、
前記接合層は、金属ペーストを焼成して固めることによって形成されており、
前記接合層を前記シリコン基板に密着させるための密着層が、前記シリコン基板上に形成されており、
前記接合層は、貴金属で構成されており、
前記密着層は、卑金属層と、前記卑金属層上に形成される貴金属層とを含んで構成されていることを特徴とする圧電デバイス。 - 前記シリコン基板は、単結晶シリコン単体からなる半導体基板またはＳＯＩ基板の表面に熱酸化膜を形成して構成されていることを特徴とする請求項８に記載の圧電デバイス。
- 前記卑金属層は、チタン、ニッケル、クロム、ジルコンのいずれかの卑金属材料からなる層を含んでいることを特徴とする請求項８または９に記載の圧電デバイス。
- 前記金属ペーストおよび前記密着層の前記貴金属層は、金、白金、銀、パラジウムのいずれかの貴金属材料またはそれらの合金からなることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の圧電デバイス。
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