JP6111849B2 - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータを有する圧電デバイスの製造方法に関するものである。

近年、複数の微細なノズルからインクを吐出して各種記録媒体に画像を形成するインクジェットヘッドには、より高精度、高精細な画像形成を実現するために、ノズルの高密度配置が求められている。また、製造コストの削減要求も一層厳しくなっている。

このような高密度配置と製造コストの削減とを実現するため、インクジェットヘッドは、シリコン微細加工を応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いて製造されることが望ましい（このようにして製造されるインクジェットヘッドはＭＥＭＳヘッドとも呼ばれる）。ＭＥＭＳプロセスを用いることにより、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工を適用できるため、素子の小型化や高密度化が可能となる。また、Ｓｉウェハ上に素子を高密度に一括で作製することにより、素子を個別に製造する枚葉製造に比べて、コストを大幅に低減することができる。

また、シリコンは、結晶中の欠陥が非常に低いレベルで管理されたシリコンウェハとして容易に入手することができる。このため、シリコンウェハを用いたＭＥＭＳプロセスにより、インクジェットヘッドを製造することが、製品の信頼性の観点からも望ましい。

インクジェットヘッドにおけるインクの吐出は、アクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形などによるもの）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。

圧電式のアクチュエータ（圧電アクチュエータ）には、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体（圧電薄膜）を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴を大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。なお、圧電アクチュエータにおいて、圧電薄膜を用いるか、バルク状の圧電体を用いるかは、用途に応じて選択すればよい。

ＭＥＭＳヘッドに用いられる圧電アクチュエータは、圧力室を覆うシリコン薄肉層上に、圧電体層を上部電極と下部電極とで挟むようにして形成される。上記のシリコン薄肉層は、圧電体層の伸縮に応じて振動する振動板を形成している。上部電極および下部電極間にｋＨｚオーダーの高周波の電界を印加すると、圧電体層が逆圧電効果により振動板の面内方向に伸縮し、これによって圧力室上方の振動板が面内方向と垂直な方向に変位（振動）する。インクジェットヘッドでは、このような振動板の変位により、振動板に接する圧力室の容積が変化し、インクを吐出することが可能となる。

インクジェットヘッドでは、圧電アクチュエータの駆動時にシリコン薄肉層に発生する最大応力は、破壊強度以下に設計されるが、およそ１００ＭＰａ〜８００ＭＰａ程度である。シリコンの破壊強度については様々な文献で示されているが、実験データ等により、少なくとも１ＧＰａ以上と見積もられている。

しかしながら、従来の製法で製造されたインクジェットヘッドでは、破壊強度以下の応力下においても、高周波での繰り返し駆動を継続すると、シリコン薄肉層が破壊してしまう場合があった。これは、以下の理由によるものと考えられる。圧電アクチュエータの表面に水分が吸着していると、この水分が、ウェハの製造過程やＭＥＭＳプロセスによって生じたシリコン薄肉層の表面（特に圧力室上方で圧電体層の外側の表面）の微少亀裂に入り込んで酸化を促す。そして、高周波駆動によるシリコン薄肉層の繰り返し変位により、シリコン薄肉層の酸化部分を起点にして新たな亀裂が生じる。このような過程を繰り返して亀裂が進展することにより、最終的にシリコン薄肉層が破壊してしまうものと考えられる。

この点、特許文献１では、振動板の一部を、柱状結晶からなる酸化ジルコニウム（絶縁体膜）で構成することで、アクチュエータの耐久性を向上させるようにしている。また、特許文献２では、アクチュエータの製造中にアニールを行うことにより、各層の残留応力や熱応力を調整して、アクチュエータの割れ、カケ、ヒビ等の物理的な破壊を防ぐようにしている。

特開２００７−２６６２７４号公報（請求項１、段落〔０００９〕、〔００１０〕、図２等参照） 特開２０１２−２３８８１７号公報（請求項１、段落〔０００３〕、〔００３８〕、図３等参照）

ところが、特許文献１の方法では、振動板の一部として、酸化ジルコニウムからなる特殊な絶縁体膜を形成する工程が余分に必要となり、コスト高となる欠点があった。また、特許文献２のように、アクチュエータの製造中にアニールを行うと、アクチュエータの製造中に表面に付着している水分は除去されるが、アクチュエータ製造後の搬送、保存、組み立て、加工などの各工程において、アクチュエータ表面への水分の付着を防止することができない。このため、アクチュエータ製造後に、圧力室上方におけるシリコン薄肉層の亀裂部分への水分の浸入、酸化により、シリコン薄肉層に亀裂が生じる。つまり、アクチュエータの製造中にアニールを行うだけでは、アクチュエータの破壊を防止するには不十分であった。

なお、上記の問題は、圧電体層を有するデバイス（圧電デバイス）であれば、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータのみならず、熱センサ（焦電センサ）やＲＦ−ＭＥＭＳ（Radio Frequency-Micro Electro Mechanical System）などのデバイスでも同様に起こり得る。

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、圧電体層の繰り返し駆動により、振動板を構成するシリコン薄肉層が繰り返し変位しても、シリコン薄肉層が破壊するのを十分に低減できる、低コストで耐久性の高い圧電デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の一側面に係る圧電デバイスの製造方法は、圧力室を覆うシリコン薄肉層上に、前記圧力室を覆う下部電極と、前記圧力室の一部を覆う圧電体層および上部電極とをこの順で形成して圧電アクチュエータを作製する工程を有する圧電デバイスの製造方法であって、前記圧電アクチュエータをアニールする工程と、アニール後に、前記圧電アクチュエータを外部環境から封止する工程とを有している。

シリコン薄肉層上に、下部電極、圧電体層および上部電極をこの順で形成して圧電アクチュエータをアニールすることにより、圧電アクチュエータの表面に吸着していた水分が除去される。そして、このアニール後に圧電アクチュエータを外部環境から封止することにより、その後の搬送や組み立て等の工程においても、圧電アクチュエータの表面への水分の付着が防止される。

したがって、圧力室の上方で圧電体層の外側に位置するシリコン薄肉層の表面に微小な亀裂が最初から存在していたとしても、圧電デバイスの製造中および製造後において、シリコン薄肉層の上記亀裂に水分が入り込むのを十分に低減することができ、その水分によってシリコンの酸化が促進され、亀裂が進むのを十分に低減することができる。したがって、圧電体層の繰り返し駆動によって、シリコン薄肉層が圧力室の上方で繰り返し変位しても、シリコン薄肉層が破壊するのを十分に低減することができる。しかも、従来のような特殊な絶縁体膜を形成することなく、上記の効果を得ることができ、低コストで耐久性の高い圧電デバイスを得ることができる。

前記圧電アクチュエータをアニールするときの温度は、１００℃以上で、かつ、前記圧電体層のキュリー温度以下であることが望ましい。上記の温度範囲で圧電アクチュエータをアニールすることにより、圧電体層の脱分極を回避しながら、圧電アクチュエータ表面の水分を確実に除去することができる。

前記シリコン薄肉層の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。シリコン薄肉層の厚さが薄いほど、繰り返し変位による破壊が生じやすい。このため、シリコン薄肉層の厚さが特に上記の範囲のときに、上述の製造方法が非常に有効となる。

前記シリコン薄肉層において、前記圧電アクチュエータの駆動時に発生する最大応力が８００ＭＰａ以下であってもよい。上記の応力範囲であれば、上述の製造方法によって、シリコン薄肉層の繰り返し変位における破壊を十分に低減できる。

前記圧電体層は、鉛系ペロブスカイト酸化物で構成されていることが望ましい。例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような鉛系ペロブスカイト酸化物は、良好な圧電特性を示し、低電圧で大きな圧電変位が得られる。したがって、このような鉛系ペロブスカイト酸化物で圧電体層を構成した場合は、シリコン薄肉層の変位量も大きくなってシリコン薄肉層が破壊しやすくなるため、上述した製造方法が非常に有効となる。

不活性ガス（例えば窒素、アルゴンガス）または乾燥空気からなる雰囲気中で、前記圧電アクチュエータを封止することが望ましい。上記の雰囲気中では、水分が含まれないか、十分に低減されているので、そのような雰囲気中で圧電アクチュエータを封止することにより、アニール後の圧電アクチュエータにおいて、水分に起因するシリコン薄肉層の亀裂の進行および破壊を確実に低減することができる。

前記圧電アクチュエータを封止する際に、封止環境内に吸湿剤を設置してもよい。封止環境内の水分は、吸湿剤によって吸収されるので、この場合でも、アニール後の圧電アクチュエータにおいて、水分に起因するシリコン薄肉層の亀裂の進行および破壊を確実に低減することができる。

上記した製造方法によれば、圧電体層の繰り返し駆動により、シリコン薄肉層が繰り返し変位する場合でも、シリコン薄肉層が破壊するのを十分に低減することができる。その結果、特殊な絶縁体膜を形成することなく低コストで、耐久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係る圧電デバイスに適用される圧電アクチュエータの製造工程を示す断面図である。 上記圧電デバイスの一構成例を示す断面図である。 上記圧電デバイスの製造の流れを示すフローチャートである。 上記圧電デバイスの他の構成例を示す断面図である。 上記圧電アクチュエータを適用したインクジェットヘッドとしての圧電デバイスの構成例を示す断面図である。 上記圧電デバイスの製造の流れを示すフローチャートである。 上記圧電デバイスの他の構成例を示す断面図である。

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。

〔圧電アクチュエータの製造方法〕
図１は、本実施形態の圧電デバイスに適用される圧電アクチュエータの製造工程を示す断面図である。まず、本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法について説明する。なお、以下で示す膜厚や材料は一例であり、これらに限定されるわけではない。

まず、基板１を用意する。この基板１は、支持シリコン基板１ａ（厚さ６００μｍ）上に、中間酸化膜１ｂ（厚さ０．５μｍ）、シリコンデバイス層１ｃ（厚さ５μｍ）、熱酸化膜１ｄ（厚さ０．１μｍ）を順に形成したＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。支持シリコン基板１ａの厚さは、本実施形態の圧電アクチュエータの用途に応じて適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態の圧電アクチュエータがインクジェットヘッドに用いられる場合は、支持シリコン基板１ａの厚さは、インクジェットヘッドの設計に応じて設定されればよい。なお、基板１は、単結晶シリコン基板の表面に熱酸化膜を形成したものであってもよい。

次に、基板１の熱酸化膜１ｄ側の表面に、チタン（Ｔｉ：厚さ１０〜２０ｎｍ）、白金（Ｐｔ：厚さ１００ｎｍ）を順にスパッタ成膜し、密着層２と下部電極３とをそれぞれ形成する。チタンからなる密着層２は、白金からなる下部電極３と熱酸化膜１ｄとの密着性を向上させるために設けられているが、酸化チタン（ＴｉＯｘ）で構成されていてもよい。下部電極３を構成する白金は、自己配向性を有しており、基板１に対して（１１１）方向に配向している。

続いて、下部電極３上に、鉛系ペロブスカイト酸化物であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をスパッタ成膜し、圧電体層４を形成する。このときの圧電体層４の厚さは５μｍであり、成膜温度は６００℃である。なお、ＰＺＴを構成するジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）との組成比は、ＭＰＢ組成である５２：４８付近が望ましい。また、成膜したＰＺＴ膜は、高い圧電特性が得られるペロブスカイトの（１００）に配向していることが望ましい。

なお、上記のようにＰＺＴをＰｔ上に直接成膜してもよいが、ＰＺＴの結晶配向性をより安定して制御するために、ＰｔとＰＺＴとの間にバッファ層（配向制御層）を挿入してもよい。バッファ層としては、ペロブスカイト型のチタン酸ランタン鉛（ＰＬＴ）や、酸化ストロンチウムルテニウム（ＳＲＯ）、酸化ストロンチウムチタン（ＳＴＯ）等があり、基板面（積層面）に対して平行な（１００）方向に配向していることが望ましい。これにより、（１００）配向のＰＺＴ膜の成長を容易にすることができる。このようにして形成されるＰＺＴの圧電定数ｄ₃₁としては、−１８０ｐｍ／Ｖと非常に高い値が得られる。

次に、圧電体層４上に、Ｔｉ（厚さ０．０１μｍ）、金（Ａｕ：厚さ０．２μｍ）を順にスパッタして上部電極５を形成する。その後、上部電極５の上にレジストを塗布して、露光、現像を行い、個別電極のマスクパターンを形成し、上部電極５のウェットエッチングを行う。

続いて、圧電体層４上に、圧電体層４をウェットエッチングでパターニングするためのレジストパターン（直径１８０μｍ）を形成する。その後、フッ硝酸、過酸化水素水、フッ酸等の混合エッチング液でＰＺＴをウェットエッチングして、直径１８０μｍのＰＺＴパターンを形成する。

次に、基板１の支持シリコン基板１ａ側にレジストを塗布し、露光、現像を行ってレジストパターンを形成し、中間酸化膜１ｂをエッチングストッパー層として、支持シリコン基板１ａをＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）装置のボッシュプロセス（エッチングガスとしてＳＦ₆、Ｃ₄Ｆ₈を使用）で深堀加工する。そして、露出した中間酸化膜１ｂを、ＨＦによるウェットエッチング、もしくはＣＨＦ₃等のガスを用いたドライエッチングによって除去し、直径２００μｍの圧力室１１、つまりダイヤフラムの可動部を形成する。これにより、圧電アクチュエータ２０が完成する。

なお、上記の深堀加工により、基板１のシリコンデバイス層１ｃは、圧力室１１を覆うように形成されて、圧電体層５の駆動（面内方向の伸縮）によって基板面とは垂直な方向に振動する振動板として機能する。以下、この振動板として機能するシリコンデバイス層１ｃを、シリコン薄肉層１２とも称する。

図１では、圧力室１１の上方で、圧力室１１の形成範囲よりも内側に圧電体層４および上部電極５が位置していることから、圧電体層４および上部電極５は、圧力室１１の一部を覆うように形成されていると言うことができる。なお、上部電極５を圧力室１１の外側（圧力室１１の側壁上方）に引き出すために、圧電体層４および上部電極５を、圧力室１１とその側壁との境界をまたぐようにパターニング形成してもよい。この場合でも、圧電体層４および上部電極５は、圧力室１１の一部を覆うように形成されていることに変わりはない。

つまり、上記の製造工程により、圧力室１１を覆うシリコン薄肉層１２上に、圧力室１１を覆う下部電極３と、圧力室１１の一部を覆う圧電体層４および上部電極５とがこの順で形成された圧電アクチュエータ２０が作製される。

なお、上記した各工程において、必要に応じて超純水リンスによる洗浄を行ってもよい。特に、圧電アクチュエータ２０を例えばインクジェットヘッドの圧電デバイスとして用いる場合は、インク流路内に異物があると、ノズルが詰まるため、注意深く洗浄する必要がある。超純水リンスによる洗浄だけで不十分な場合は、さらに超音波洗浄を行ってもよいし、イソプロピルアルコールやアセトンを用いた洗浄を行ってもよい。また、強固な汚れがある場合は、ＰＺＴ表面側を保護した上で、アンモニア過酸化水素水や硫酸過酸化水素水を用いたＲＣＡ洗浄を行うことも有効である。

〔圧電デバイスおよびその製造方法〕
図２は、本実施形態の圧電デバイス３０の一構成例を示す断面図であり、図３は、圧電デバイス３０の製造の流れを示すフローチャートである。本実施形態の圧電デバイス３０は、インクジェットヘッドに適用可能であるが、熱センサ（赤外線センサ）にも適用可能である。図２では、圧電デバイス３０を熱センサに適用した例を示している。

この圧電デバイス３０は、上述した製法によって作製される圧電アクチュエータ２０を、封止ケース２１によって封止することで構成されている。封止ケース２１は、アルミニウムやセラミックスで構成されている。この封止ケース２１には、外部から赤外線を圧電体層４に導くための、透明なガラスや樹脂からなる透過窓２１ａが設けられている。

圧電体層４を構成するＰＺＴは、圧電材料であるとともに焦電材料でもあり、常温で結晶構造が非対称であり、元素が変位することによって自発分極を有している。このような焦電材料を加熱すると、温度の上昇とともに結晶構造の非対称性が失われ、キュリー点で完全に対称な結晶構造となり、分極が失われる。このように、温度変化に伴って自発分極の変化が生じるため、温度変化に伴う自発分極の変化を上部電極５および下部電極３を介して容量変化として検出することにより、焦電材料をセンサとして機能させ、熱（赤外線）を検知することができる。

上記した圧電デバイス３０の製造方法は、圧電アクチュエータの作製工程（Ｓ１）、圧電アクチュエータのアニール工程（Ｓ２）、配線取り出し工程（Ｓ３）、圧電アクチュエータの封止工程（Ｓ４）とを有している。このうち、Ｓ１の圧電アクチュエータの作製工程については、上述した図１に基づく圧電アクチュエータ２０の作製工程を適用することができる。以下、Ｓ２以降の各工程について説明する。

＜Ｓ２のアニール工程＞
アニール工程では、作製した圧電アクチュエータ２０に対して、１００℃以上で、かつ、圧電体層４のキュリー温度以下で、オーブンもしくはホットプレートを用いてアニール処理を行う。これにより、圧電アクチュエータ２０の表面の水分が除去される。このとき、圧電体層４のキュリー温度以上に加熱すると、圧電体の脱分極が生じるため、キュリー温度以下でアニールを行う必要がある。

＜Ｓ３の配線取り出し工程＞
配線取り出し工程では、ワイヤーボンディングにより、下部電極３と図示しない駆動回路（フレキシブル回路基板）、および上部電極５と駆動回路とが電気的に接続される。

＜Ｓ４の封止工程＞
封止工程では、封止ケース２１を用い、不活性ガスまたは乾燥空気からなる雰囲気中で、圧電アクチュエータ２０を封止する。なお、上記の不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、クリプトンなどの希ガスや乾燥窒素を用いることができる。また、乾燥空気としては、空気中の水蒸気量（水蒸気圧）を著しく低下させて、湿度を１０％以下、望ましくは１％以下まで低下させたものを用いることができる。

封止ケース２１で圧電アクチュエータ２０を封止する際には、例えば封止ケース２１を２つに分割しておき、上記雰囲気中で接着剤等により２つのケースを接着し、封止してもよい。また、圧電アクチュエータ２０を封止する際に、封止環境内（封止ケース２１内）に吸湿剤を設置してもよい。

なお、圧電アクチュエータ２０を封止する前または封止した後、圧電体層４の分極処理を行うことが望ましい。分極処理の条件としては、圧電体層４に抗電界以上の電圧を印加し、１００℃以下の温度を与えることが挙げられる。

〔アニールの有無による破壊の発生状況について〕
次に、本実施形態のように圧電アクチュエータ２０に対してアニールを行った場合と行わなかった場合とで、圧電体層４の繰り返し駆動におけるシリコン薄肉層１２の破壊の発生状況を調べた。なお、ここでは、圧電体層４を厚さ４〜５μｍのＰＺＴとし、下部電極３をＰｔとし、上部電極５をＡｕとし、シリコン薄肉部１２の厚さを４〜７μｍとして考察した。

また、圧電体層４には、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電圧を、２０Ｖ付近から電圧を徐々に増加させて印加し、それぞれの電圧で１時間程度保持した。各電圧でのシリコン薄肉層１２の変位をレーザードップラー変位計等で測定しておき、有限要素法で計算した変位時のシリコン薄肉層１２の応力分布と比較することで、各電圧印加時の最大発生応力を見積もることができる。表１は、シリコン薄肉層１２の破壊の発生状況についてまとめた結果を示している。

表１より、アニールを行わなかったアクチュエータでは、シリコン薄肉層１２の最大応力が３００ＭＰａにおいて、シリコン薄肉層１２に亀裂（破壊）が発生している。一方、アニールを行ったアクチュエータでは、少なくとも８００ＭＰａ程度の応力が発生していても、シリコン薄肉層１２に亀裂が発生していない。

通常、シリコンの破壊強度（応力）は少なくとも１ＧＰａ以上であると報告されているが、本テストでは、アニール処理を行っていないアクチュエータでは、はるかに小さい３００ＭＰａの応力で破壊が生じている。これは、アニール処理を行っていないアクチュエータでは、アクチュエータ表面に吸着した水分と高周波駆動による繰り返し変位とが要因であるものと考えられる。つまり、アクチュエータ表面に水分が吸着していると、ウェハの製造過程やＭＥＭＳプロセスによって生じたシリコン表面の微少亀裂において、吸着した水分がシリコンの酸化を促す。そして、繰り返し変位によってシリコンの酸化部分が亀裂を起こすことで、シリコンに新たな微少亀裂が生じ、微少亀裂がさらに酸化されることで亀裂が進展していく。特に、下部電極にＰｔを用いている場合、Ｐｔは触媒効果により酸素を取り込みやすく、シリコンの酸化を促すため、上記の亀裂が進展しやすくなると考えられる。なお、アクチュエータ表面への水分の吸着は、ＭＥＭＳプロセスでのウェット処理や湿度環境下でのアクチュエータの保管等によって発生する。

これに対して、アニール処理を行ったアクチュエータでは、表面に吸着した水分がアニール処理によって除去されるため、シリコン薄肉層の１２表面に微少亀裂が生じていても、水分によるシリコンの酸化が起こりにくい。このため、最大応力が８００ＭＰａ以下では亀裂が進展しにくくなり、破壊が発生していないものと考えられる。

本実施形態では、圧電アクチュエータ２０をアニールすることにより、圧電アクチュエータの表面に吸着していた水分を除去し、さらにアニール後の圧電アクチュエータ２０を、封止ケース２１を用いて外部環境から封止している（Ｓ４参照）。これにより、圧電デバイス３０の製造中のみならず、製造後の搬送や組み立て、保管等の工程においても、圧電アクチュエータ２０の表面への水分の付着（一度除去した水分の再付着も含む）を十分に低減して、上記水分によるシリコンの酸化および亀裂の進展を十分に低減できる。したがって、圧電体層４の繰り返し駆動によって、シリコン薄肉層１２が圧力室１１の上方で繰り返し変位しても、シリコン薄肉層１２が破壊するのを十分に低減することができる。しかも、振動板（シリコン薄肉層１２）の一部に従来のような特殊な絶縁体膜を形成することなく、上記の効果を得ることができるので、低コストで耐久性の高い圧電デバイス３０を得ることができる。

また、表１より、圧電アクチュエータ２０をアニールするときの温度は、圧電アクチュエータ２０の表面の水分の付着を低減して、シリコン薄肉層１２の繰り返し変位による破壊を低減する観点から、１００℃以上であることが望ましく、２３０℃以上であることがより望ましいと言える。また、圧電体層４を構成する圧電材料（ＰＺＴ）のキュリー温度は約３００℃であることから、このキュリー温度以下の温度でアニールすることにより、圧電体層４の脱分極を回避することができる。

特に、シリコン薄肉層１２において、圧電アクチュエータ２０の駆動時に発生する最大応力が８００ＭＰａ以下であれば、アニールによる水分除去によって、シリコン薄肉層１２の繰り返し変位における破壊を確実に低減できると言える。

本実施形態では、シリコン薄肉層１２（シリコンデバイス層１ｃ）の厚さを５μｍとしているが、シリコン薄肉層１２の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下と薄ければ、繰り返し変位による破壊が生じやすいため、シリコン薄肉層１２の破壊を低減する上述した本実施形態の製造方法が非常に有効となる。

また、本実施形態のように、圧電アクチュエータ２０の圧電体層４が、鉛系ペロブスカイト酸化物であるＰＺＴで構成されている場合、低電圧で大きな圧電変位が得られるため、圧電体層４の駆動時におけるシリコン薄肉層１２の変位量も大きく、繰り返し変位によってシリコン薄肉層１２が破壊しやすい。したがって、圧電体層４が鉛系ペロブスカイト酸化物で構成される場合は、そのようなシリコン薄肉層１２の繰り返し変位による破壊を低減する本実施形態の製造方法が非常に有効となる。

なお、本実施形態では、鉛系ペロブスカイト酸化物してＰＺＴを用いているが、ＰＺＴ以外にも、ＰＺＴにＬａ（ランタン）や、Ｎｂ（ニオブ）、Ｓｒ（ストロンチウム）を添加したものや、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ₃、ＰｂＴｉＯ₃等の酸化物またはこれらの組み合わせを用いることができる。

また、本実施形態のように、圧電アクチュエータ２０を封止する際に、水分が十分に低減された不活性ガスまたは乾燥空気からなる雰囲気中で封止することにより、アニール後の圧電アクチュエータ２０において、水分に起因するシリコン薄肉層１２の亀裂の進行および破壊を確実に低減することができる。

また、圧電アクチュエータを封止する際に、封止環境内に吸湿剤を設置した場合は、封止環境内の水分が吸湿剤によって吸収されるため、この場合でも、アニール後の圧電アクチュエータ２０において、水分に起因するシリコン薄肉層１２の亀裂の進行および破壊を確実に低減することができる。

ところで、図４は、本実施形態の圧電デバイス３０の他の構成例を示す断面図である。同図に示すように、圧電アクチュエータ２０を作製した後、封止ケース２１（図２参照）で封止する代わりに、圧力室１１の上方で圧電体層４の外側のシリコン薄肉層１２を覆うように、上部電極５の表面から下部電極３の表面にわたって保護膜２２を形成してもよい。この場合の保護膜２２としては、例えばシリコン酸化膜（厚さ１μｍ）とシリコン窒化膜（厚さ０．３μｍ）とを積層したものを用いることができる。

この場合は、保護膜２２の形成工程が必要となるが、圧電アクチュエータ２０の作製後において、圧力室１１の上方のシリコン薄肉層１２の表面の亀裂部分への水分の浸入およびそれによるシリコンの酸化を低減して、シリコン薄肉層１２の破壊を低減し、耐久性を向上させることができる点に変わりはない。

なお、以上では、圧電デバイス３０として熱センサを例に挙げて説明したが、その他に、高性能かつ小型の無線通信用デバイスを実現可能なＲＦ−ＭＥＭＳに本実施形態の圧電アクチュエータ２０を適用して圧電デバイス３０を構成することもできる。

〔インクジェットヘッド（その１）〕
図５は、本実施形態の圧電デバイス３１の構成例を示す断面図である。この圧電デバイス３１は、上述した製法によって作製される圧電アクチュエータ２０を、インクジェットヘッドに適用したものである。

より詳しくは、圧電アクチュエータ２０の基板１（ボディープレート）における圧電体層４の形成側とは反対側に、中間ガラス３２（中間プレート）を介してノズル基板３３（ノズルプレート）が接合されており、上述の封止ケース２１が圧電アクチュエータ２０を覆うようにして中間ガラス３２と接着剤によって接着されている。なお、封止ケース２１は、基板１と接着されていてもよいし、ノズル基板３３と接着されていてもよい。

中間ガラス３２には、圧力室１１と連通する連通孔３２ａが形成されているとともに、インク貯留室（図示せず）から圧力室１１にインクを供給するためのインク供給路３２ｂが形成されている。中間ガラス３２は、ガラス基板をフォトリソグラフィー法によってパターニング加工することにより得られる。

ノズルプレート３３には、連通孔３２ａを介して圧力室１１と連通するノズル孔３３ａが形成されている。ノズルプレート３３は、フォトリソグラフィー法とシリコンエッチングによってシリコンウェハをパターニング加工することにより得られる。

このような圧電デバイス３１では、圧電体層４の駆動に伴ってシリコン薄肉層１２が振動することにより、圧力室１１内のインクに圧力が付与され、圧力室１１から連通孔３２ａおよびノズル孔３３ａを介してインク滴が吐出される。

図６は、図５の圧電デバイス３１の製造の流れを示すフローチャートである。圧電デバイス３１の製造においては、圧電アクチュエータ２０の作製後のアニール工程（Ｓ２）と、配線取り出し工程（Ｓ３）との間に、圧電アクチュエータ２０、中間ガラス３２、ノズル基板３３を接合する接合工程（Ｓ２−２）が新たに入る以外は、基本的に図３で示した圧電デバイス３０の製造の流れと同じである。上記の接合工程において、基板１と中間ガラス３２、中間ガラス３２とノズル基板３３との接合は、例えば陽極接合によって行われる。

上記のようにして製造した圧電デバイス３１（インクジェットヘッド）において、圧力室１１にインクを注入した場合と注入しない場合とで、圧電アクチュエータ２０を高周波駆動させた。いずれも、シリコン薄肉層１２での発生応力は８００ＭＰａ程度であったが、４０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚで１０日間駆動させても、シリコン薄肉層１２は破壊することはなかった。また、インクを注入した場合では、安定的にインクを圧力室１１から吐出させることができた。

〔インクジェットヘッド（その２）〕
図７は、本実施形態の圧電デバイス３１の他の構成例を示す断面図である。この圧電デバイス３１は、上述した製法によって作製される圧電アクチュエータ２０を、インクジェットヘッドに適用したものであるが、インターポーザー基板３４を用いて上部電極５から配線を取り出した以外は、図５の構成と同様である。

より具体的には、インターポーザー基板３４には、厚さ方向に貫通する貫通孔３４ａが形成されており、圧電アクチュエータ２０の上部電極５と電気的に接続される配線３５が、貫通孔３４ａを介して外部に引き出され、図示しない駆動回路（フレキシブル回路基板）と接続されている。なお、上部電極５と配線３５との電気的な接続は、例えばはんだによって行われる。また、インターポーザー基板３４は、上部電極５との間に所定の間隙が形成されるように、下部電極３上に形成される感光性樹脂層３６によって支持されている。このようにインターポーザー基板３４を用いて、上部電極５と接続される配線３５を外部に取り出すことにより、より高密度にインクチャネル（インク吐出部）を配置することができる。

上記した封止ケース２１は、図７では、ノズルプレート３３と接着剤によって接着されているが、中間ガラス３２と接着されてもよいし、基板１と接着されてもよい。

図７の圧電デバイス３１の製造においては、図６におけるＳ３の配線取り出し工程において、配線３５付きのインターポーザー基板３４を上部電極５と所定の間隙をあけて対向配置させ、下部電極３とインターポーザー基板３４との間に感光性樹脂層３６を配置してこれらを接着するとともに、上部電極５と配線３５（上部電極５との対向部分）とをはんだ付けして電気的に接続する。これ以外は、図６で示した圧電デバイス３１の製造の流れと同じである。

図７の圧電デバイス３１（インクジェットヘッド）において、圧力室１１にインクを注入した場合と注入しない場合とで、圧電アクチュエータ２０を高周波駆動させた。いずれも、シリコン薄肉層１２での発生応力は８００ＭＰａ程度であったが、４０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚで１０日間駆動させても、シリコン薄肉層１２は破壊することはなかった。また、インクを注入した場合では、安定的にインクを圧力室１１から吐出させることができた。

なお、各図面で示した構成を適宜組み合わせて圧電デバイスを構成してもよい。例えば図４で示した保護膜２２を設ける構成を、図５および図７の圧電デバイス３１（インクジェットヘッド）に適用して、封止ケース２１を省略する構成としてもよい。また、保護膜２２を設ける構成と、封止ケース２１を設ける構成とを両方採用して圧電デバイスを構成してもよい。

本発明の製造方法は、例えば熱センサ、ＲＦ−ＭＥＭＳ、インクジェットヘッドに適用される圧電デバイスの製造に利用可能である。

３ 下部電極
４ 圧電体層
５ 上部電極
１１ 圧力室
１２ シリコン薄肉層
２０ 圧電アクチュエータ
３０ 圧電デバイス
３１ 圧電デバイス

Claims (11)

1. 圧力室を覆うシリコン薄肉層の振動板上に、前記圧力室を覆う下部電極と、前記圧力室の一部を覆う圧電体層および上部電極とをこの順で形成して圧電アクチュエータを作製する工程を有する圧電デバイスの製造方法であって、
   前記圧力室が形成されて前記シリコン薄肉層の振動板の前記圧力室側の面が露出した前記圧電アクチュエータをアニールする工程と、
   アニール後に、前記圧電アクチュエータを外部環境から封止する工程とを有していることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 前記圧電アクチュエータをアニールする工程の前に前記圧電体層を分極処理する工程を有し、
   前記圧電アクチュエータをアニールするときの温度は、１００℃以上で、かつ、前記圧電体層のキュリー温度以下であ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。
3. 前記シリコン薄肉層の振動板の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
4. 前記シリコン薄肉層の振動板において、前記圧電アクチュエータの駆動時に発生する最大応力が８００ＭＰａ以下であ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。
5. 前記圧電体層は、鉛系ペロブスカイト酸化物で構成され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。
6. 不活性ガスまたは乾燥空気からなる雰囲気中で、前記圧電アクチュエータを封止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。
7. 前記圧電アクチュエータを封止する際に、封止環境内に吸湿剤を設置す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。
8. 前記圧電アクチュエータを外部環境から封止する工程の後に前記圧電体層を分極処理する工程を有す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。
9. 前記シリコン薄肉層の振動板の表面に亀裂が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
10. 前記圧電アクチュエータをアニールするときの温度は、２３０℃以上であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
11. 前記圧電体層を覆うように、前記上部電極の表面から前記下部電極の表面にわたって保護膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。

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