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JP2006069151A - 圧電膜型アクチュエータの製造方法及び液体噴射ヘッド - Google Patents

圧電膜型アクチュエータの製造方法及び液体噴射ヘッド Download PDF

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剛士 岡部
Nobuhiko Sato
信彦 佐藤
Makoto Kurotobi
誠 黒飛
Kenichi Takeda
憲一 武田
Toshihiro Ifuku
俊博 伊福
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Abstract

【課題】 振動板の厚み制御性がよく、ＳＯＩウェーハを用いず、また熱工程に影響されない、圧電膜型アクチュエータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 圧力発生手段と振動板構造体を中間転写体上に形成する工程と、中間転写体上の圧力発生手段及び振動板構造体と第２の基板を接合する工程と、中間転写体を圧力発生手段と振動板構造体から剥離する工程によって製造する。また、中間転写体はシリコン基板とする。また、中間転写体はシリコン基板であり、且つ、多孔質層を有するものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は，圧電膜型アクチュエータの製造方法及びその圧電膜型アクチュエータを用いた液体噴射ヘッドに関するものである。
従来の液体噴射ヘッドとしては、以下のものが挙げられる。
（１）特開２００２−１３４８０６号公報（特許文献１）
同公報のものは、以下の工程により振動板と圧電膜をキャビティ部に形成する。即ち、圧電膜を中間転写体上に形成→圧電膜と振動板構造体を接合→中間転写体を剥離し、圧電体を振動板構造体へ転写する。
（２）特開２００２−２３４１５６号公報（特許文献２）
同公報のものは、振動板が単結晶ないし多結晶で、且つ、酸化物層でサンドイッチされており、圧電膜は単一配向結晶ないし単結晶である圧電素子構造体である。
液体噴射ヘッドとしては、ＳＯＩ基板の表面に順にＳｉＯ２，ＹＳＺ，Ｐｔ，ＰＺＴ膜を形成する。このＰＺＴ膜が圧電膜として機能する。その後、基板Ｓｉの一部をエッチングで除去し、圧力室を形成する。その後、圧力室の一部をなすＳｉ中間基板とオリフィスプレートを接合することで、液体噴射ヘッドを得る。
（３）特許第２９７６４７９号公報（特許文献３）
同公報のものは、ノズルが形成されたノズル基板と、ノズルに連通するキャビティとキャビティに対応する薄膜部が形成されたシリコン基板と、薄膜部上に接着工程を経ずに一体的に形成した圧力発生手段とを備えている。
（４）特開平１０−２８６９５３号公報（特許文献４）
同公報のものは、ＭｇＯ基板上に電極、鉛系誘電体層、電極、振動板を形成する。振動板の上に圧力室を形成する樹脂かガラスを形成した後、ＭｇＯ基板の一部ないし全部を除去する。圧力室はパターニング等で形成する。
特開２００２−１３４８０６号公報 特開２００２−２３４１５６号公報 特許第２９７６４７９号公報 特開平１０−２８６９５３号公報
課題１：特許文献１のものでは、圧電膜を振動板構造体に転写後に、圧電膜に対する電気経路等の配線工程を行う必要が発生する。これに伴い、配線工程の形成時にインクキャビティの崩壊を防ぐ等の制約が発生するため、微細化及び熱工程等のフレキシビリティに対応する事が困難となる。
課題２：特許文献２のものでは、以下の２点の課題がある。
（１）ＳＯＩウエハを用いること
ＳＯＩウエハは通常のシリコンウエハより価格が高い、即ち、製造コストが高い。
（２）埋め込み酸化シリコンとの選択エッチングでＳｉウエハをエッチングして圧力室を形成すること
埋め込み酸化シリコンとの選択エッチ性を確保しようとして、アルカリエッチングを用いると、圧力室の開口部寸法Ｌ２は、振動板部の寸法Ｌ１より大きくなってしまうので、圧力室を高密度の配置する上で課題となる。
課題３：特許文献３のものでは、振動板の厚み制御性の課題がある。即ち、インクジェットプリンタの解像度、階調を高めるため、吐出する液滴の量が微量化している。これに伴い、印刷紙面上の単位面積当たりのインクドット数も増加し、これに対応し、印字スピードを維持するため、振動板の応答性を高めるため、例えば、振動板を薄くすることが求められる。しかるに、シリコンの不純物濃度差による選択エッチでは選択比が低いため、振動板たるシリコンを薄膜化すると、膜厚制御性に課題を生じることがある。
課題４：特許文献４のものでは、ＭｇＯを基板として選んだ際には、単結晶シリコンを活性層とする駆動回路等の周辺回路を形成することは難しい。これにより、インクジェットヘッドにおいては、微細化に対して課題が生じる。インクジェットヘッドの微細化は高集積化と相まって実施するが、その場合には、より高速な駆動回路が必要であり、移動度の高い単結晶シリコン上に形成することが望ましい。
また、Ｓｉを基板と選んだ際には、振動板をＳｉにする事ができないため、高品質な単結晶の感度のよい振動板を得る事が難しい。
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたもので、その目的は、振動板の厚み制御性がよく、ＳＯＩウエハを用いず、また熱工程に影響されない、圧電膜型アクチュエータ及びその製造方法を提供することにある。
本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方法は、上記目的を達成するため、圧力発生手段と振動板構造体とが形成された圧電膜型アクチュエータの製造方法において、前記圧力発生手段と前記振動板構造体を中間転写体上に形成する工程と、前記中間転写体上の圧力発生手段及び前記振動板構造体と第２の基板を接合する工程と、前記中間転写体を前記圧力発生手段と振動板構造体から剥離する工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、シリコンでないノズル構造体と、シリコン基板上に形成した振動板構造体及び圧力発生手段をはり合わせることを特徴とする。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、ノズル構造体と、少なくとも一部がシリコンで構成される振動板構造体を持ち、ノズルに対応する圧力発生手段は圧力室側に備えた構造を有することを特徴とする。
本発明によれば、中間転写体上に振動板構造体を積層により形成するため、振動板構造体の厚さ制御が容易であり、均一性の向上も期待できる。これにより圧力発生手段の性能により、任意に調整した膜を得ることができる利点がある。また通常の半導体設備を利用する事が可能である。
また、圧力発生手段及び振動板構造体とキャビティ及びノズル構造体を作製する工程を分離することより、アクチュエータとしての振動板構造体の材料を幅広く選択でき、またノズル構造体の材質を任意に選択できるという利点がある。
更に、ノズル基板と接合する際には、駆動回路等の配線工程はすでに完了しているため、配線工程時の取り扱い及び熱工程の制約を受けない。
また、中間転写体を、多孔質層を介して機械的にあるいはレーザ光の照射により、振動体構造体を損傷させることなく容易に剥離することができ、中間転写体を再利用することが可能となる。
このように本発明は、低駆動電圧で大変位が得られ、応答速度が速く、発生力の大きい、大面積化・高集積化が可能な圧電膜型アクチュエータを得ることができる。更に、低駆動電圧で大変位が得られ、高速応答が可能で安定した信頼性の高い長尺で高密度の液体噴射ヘッドを作製することができる。
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方法における主要工程を示す工程図である。本発明の圧電膜型アクチュエータ（以下、単にアクチュエータともいう）の製造方法の主要工程は、図１に示すように中間転写体であるシリコン基板上に多孔質シリコン層を形成する工程と、振動板構造体を中間転写体上に形成する工程と、中間転写体上の振動板構造体上に圧電膜を形成する工程と、中間転写体を振動体構造板及び圧電膜から剥離する工程とを含んでいる。以下、本発明による各工程を具体的に説明する。
１．振動板・圧電体・電極の形成
（１）多孔質シリコン層形成（図１（ａ））
図１（ａ）に示すように、両面研磨した厚さ６２５μｍのＳｉ単結晶基板１０の一方の主面に多孔質層１１を形成する。振動板構造体と圧電膜をキャビティに接合した後に中間転写体を剥離する際に容易に剥離できるように形成するものである。多孔質シリコン層１１は、例えば、陽極化成法により形成する。陽極化成法は、ＨＦを含む水溶液中で、Ｓｉ単結晶基板の主面を陰極として、電流を印加することで形成する。
多孔質シリコン層の膜厚は陽極化成の時間を制御する等して規定する。多孔質層は、表面側に多孔度の低い第１層、その下層に第１層より多孔度の高い第２層を含む構造とすると、第１層と第２層の界面近傍の第２層に応力が集中し、当該部分で選択的に分離させることができるので、より好ましい。
多孔質層の膜厚は特に限定されないが、膜厚を厚くするとウエハの反りが増大し、プロセスの支障となる場合があるので、０．０１〜２００μｍ以下、より好ましくは０．５〜１０μｍ以下である。第１層と第２層の２層構造とする場合には、第１層が概ね２０μｍ以下、より好ましくは、１０μｍ以下、第２層は概ね１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。第１層の多孔度が高いとエピ層の品質（結晶欠陥密度、表面ラフネス）を劣化せしめるので、概ね６０％以下、より好ましくは３０％以下である。
なお、多孔質の密度は、陽極化成前後のウエハ重量変化、及び、多孔質層の膜厚から判定することができる。
（２）振動板の形成（図１（ｂ））
陽極化成を形成した後、多孔質層上に振動板１２となる膜を形成する。振動板１２の材料としては、シリコンが特に好適に用いられるがこれに限定されない。振動板１２の形成方法は、熱ＣＶＤ，プラズマＣＶＤ，ＭＢＥ、液相エピタキシー等の方法が好適に用いられる。
振動板１２としては、ヤング率が５０ＧＰａ以上の材料で、例えば、ＳＵＳ、Ｔｉ、ジルコニア、Ｓｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ２、ガラス、Ｃｒ等が挙げられる。振動板１２は一層構成であっても複数の層構成であっても良い。複数の層構成の場合でも全体でヤング率が５０ＧＰａ以上であることが必要である。振動板１２の膜厚は、０．５μｍ〜２０μｍで、好ましくは１μｍ〜１０μｍである。また、振動板１２は、Ｙ，Ｂ等の微量金属でドーピングされたものを用いることもできる。
振動板にＳｉを用いた際には、駆動回路等を通常のＳｉプロセスで形成することが可能であるため、特に好適に用いられる。
（３）圧力発生手段の形成（図１（ｃ））
多孔質シリコン上に形成された非多孔質単結晶膜上に、ＰＺＴよりなる圧電体層とこれに付帯する電極層を例えば以下のようにして形成する。
Ｓｉ単結晶膜１２上にＰｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等よりなる厚さ１μｍの共通電極層２１、厚さ１０μｍのＰＺＴよりなる圧電体層２０、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等よりなる個別電極層２２をスパッタリングあるいはイオンプレーティングによって形成する。そして、個別電極層２２上にレジスト膜によるパターンを形成し、これをマスクとしたイオンエッチングあるいは反応性イオンエッチングにより、共通電極層２１、個別電極層２２、圧電体層２０をエッチングし、共通電極２１′、個別電極２２′、及び圧電体２０′を形成する。また同時に、振動体部、配線部が形成される。
２．ノズルの形成及びインクジェットヘッドの形成
（４）ノズル基板の形成（図２）
次に、図２を用いてノズル基板Ａ２の製造プロセス及び構造を説明する。ノズル基板Ａ２の材料は特に限定されない。具体的には、ノズルが形成できればよく、ガラス、樹脂、単結晶Ｓｉ基板等が挙げられる。より好ましくは熱膨張係数が圧電体基板と同じで、経時変化の少ない単結晶Ｓｉ基板が好適である。ノズルの作製方法は例えば以下のような方法による。
図２において、６０は両面研磨した厚さ１００μｍのＳｉ単結晶基板であり、熱酸化により両面に０．１μｍのＳｉＯ２膜６１を形成する。更にレジスト層６３を、一方の面には［１１０］の方向に辺を持つように圧電体基板Ａ１のキャビティ部の開口と同寸法の領域６４を除いて、また、もう一方の面には全面に形成する（図２（ａ））。
エッチングにより正方形部分６４のＳｉＯ２膜６１を除去し、しかる後、レジスト層６３も除去する。続いて、ピロカテコール、エチレンジアミンと水の混合液を用いてＳｉ単結晶基板６０を異方性エッチングする（図２（ｂ））。この後、ＳｉＯ２膜も除去する。このようにして出口７１がキャビティ側開口よりも小さいノズル７０が形成される（図２（ｃ））。
ノズル基板は、二つの異なる物質あるいは同種の物質を、はり合わせることにより形成することも可能で、この場合はキャビティ部とノズル部に分けて形成することが可能となる。この場合の材料としては、ガラス、樹脂、単結晶Ｓｉ基板等が挙げられるが、より好ましくは熱膨張係数が圧電体基板と同じで、経時変化の少ないものが好ましい。
（５）圧電体基板Ａ１とノズル基板の接合（図３（ａ））
以上のようにして作った圧電体基板Ａ１とノズル基板Ａ２を圧電体層２０及びノズル出口７１が外側を向くように接触させて接合させる。基板の接合に関しては、陽極接合、活性金属法による接合、接着剤による接合、共有結合を用いた接合等を用いることができる。
この際、駆動回路等はすでに形成されているので、接着剤は耐熱性の低いものであっても好適に用いる事が可能である。
（６）振動板及び圧電素子と中間転写体の分離（図３（ｂ））
振動板及び圧電膜を中間転写体から剥離する工程は、図３（ｂ）に示すように圧電膜２０と振動板構造体１２を接合して構成するアクチュエータから中間転写体（Ｓｉ単結晶基板）１０を切り離す工程である。中間転写体１０を剥離する手法としては、中間転写体１０と振動板構造体１２の間に多孔質層１１を設けてこの多孔質層１１を機械的に破壊して中間転写体２を剥離する手法と、ウォータージェット法により破壊して中間転写体１０を剥離する手法と、レーザ光を照射し急速加熱により中間転写体１０を剥離する手法等がある。なお、レーザ光を照射し剥離する手法では、多孔質層１１がなくても良い。
また、本願出願人は、流体を利用して貼り合わせ基板等の複合部材を分離する方法を特許第２８７７８００号公報において開示している。
（７）多孔質層の除去（図３（ｃ））
多孔質層形成時に既に多孔質層が露出している場合には、同露出工程は特に必要ない。露出していない場合には、ラッピング、グラインディング等の研削、研磨、エッチング等の手法によって多孔質シリコン層を露出させる。
引き続いて、例えば、フッ化水素酸を含む溶液を用いて、多孔質シリコン11をエッチングする。エッチング液はフッ化水素酸を含む液が好適に用いられる。特に事前に多孔質層に酸化処理を施した場合に好適である。しかし、エッチング液はこれに限定されず、多孔質層の孔壁に形成された酸化物がないか、予め除去すれば、アルカリ水溶液等でもよい。
（８）貫通電極の形成（図３（ｄ））
多孔質除去後に、圧力発生手段はノズル基板中にあるため必要に応じて上部より電気的経路を確保する。この際、振動板は０．２μｍ程度の薄膜である場合には貫通電極を容易に使用することが可能である。
貫通電極１３の形成方法は特に限定されないが、Ｎｉ，Ｓｎ，Ｗ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属を使用する事ができる。
次に、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
図３乃至図５は本発明の圧電膜型アクチュエータを用いた液体噴射ヘッドの製造方法の具体的な実施例における各工程を示す概略図である。
（１）多孔質シリコンの形成
中間転写体表面に多孔質層を形成する工程においては、中間転写体として、板厚６２５μｍのＳｉ結晶基板を用いた。多孔質Ｓｉ層は、ＨＦ水溶液（ＨＦ濃度＝４９ｗｔ％）とエタノールを体積比２：１で混合した混合液中で、電流密度８ｍＡ／ｃｍ２、処理時間５〜１１ｍｉｎの条件で第１層（表面側）を生成し、次いで、電流密度２３〜３３ｍＡ／ｃｍ２、処理時間８０ｓｅｃ〜２ｍｉｎの条件で第２層（内部側）を生成した。この時、第１の多孔度は約２０％で、第２の多孔度は５０％、厚さはそれぞれ６μｍ、３μｍ程度である。
（２）振動板の形成
多孔質Ｓｉ層上にＣＶＤ法を用いて振動板となる単結晶Ｓｉ層を成長させた。成長の初期段階で非多孔質層の原料物質の供給を２０ｎｍ／ｍｉｎ以下の微少量として、低速度で非多孔質膜を成長させることにより、多孔質Ｓｉ層の表面の孔を封止した後、成長速度１μｍ／ｍｉｎで１０μｍの単結晶Ｓｉを形成した。
（３）圧力発生手段の形成
図４は圧力発生手段を形成した後の圧電体基板Ａ１の状態図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｍ−ｍ′線における断面図である。Ｓｉ膜１１上にＰｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等よりなる厚さ１μｍの共通電極層２１、厚さ１０μｍのＰＺＴよりなる圧電体層２０、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等よりなる個別電極層２２をスパッタリング或いはイオンプレーティングによって形成した。そして、個別電極層２２上にレジスト膜２３を形成した。レジスト膜２３（振動体形成部２６）のサイズは４２５μｍ×８００μｍであり、図中矢印Ｘ−Ｘ′、Ｙ−Ｙ′の方向に辺を持つように形成した。
図５は次の工程における圧電体基板Ａ１の状態図であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のｍ−ｍ′における断面図である。図４の状態において、レジスト膜２３のパターンを用いてイオンエッチングあるいは反応性イオンエッチングを行い、共通電極層２１、個別電極層２２、圧電体層２０をエッチングし、共通電極２１′、個別電極２２′、及び、圧電体２０′を形成した。
（４）ノズル基板の形成
図２に示すように、６０は両面研磨した厚さ１００μｍのＳｉ単結晶基板であり、熱酸化により両面に０．１μｍのＳｉＯ２膜６１を形成した。更にレジスト層６３を、一方の面には［１１０］の方向に辺を持つように圧電体基板Ａ１のキャビティ部の開口と同寸法の領域６４を除いて、また、もう一方の面には全面に形成した（図２（ａ））。次いで、エッチングにより正方形部分６４のＳｉＯ２膜６１を除去し、しかる後、レジスト層６３も除去した。続いて、ピロカテコール、エチレンジアミンと水の混合液を用いてＳｉ単結晶基板６０を異方性エッチングした（図２（ｂ））。この後、ＳｉＯ２膜も除去した。このようにして出口７１がキャビティ側開口よりも小さいノズル７０を形成した（図２（ｃ））。
（５）接合
次の中間転写体上の圧力発生手段及び振動板構造体とノズル基板を接合する工程において、圧電体基板Ａ１とノズル基板Ａ２を圧電体層２０及びノズル出口７１が外側を向くように接触させ、４００℃に保ちながら、圧電体基板Ａ１をマイナス電位にノズル基板Ａ２をプラス電位にし、両者間に１０００Ｖの電圧を印加して、陽極接合をした。
（６）分離
ウォータージェット法で１５×１０４ｋＰａの圧力でウォータージェットを多孔質層に噴射して、多孔質層中で剥離した。これにより、中間転写体を容易に剥離することができた。
（７）電極の形成
エッチング後の振動板構造体上に開口部をＳｉＯ２でマスクを施した後に、ウエハ表面から１０μｍまでドライエッチングを行った。この時、開口部は圧力発生手段直上に１０μｍ角とした。その後、この孔にＣｕメッキを充填し、続いて、平坦部のＣｕを機械的研磨にて除去した後にＳｉＯ２膜を除去することにより電極を形成した。
以上のように作製した液体噴射ヘッドにおいては、２０Ｖの駆動電圧、１５ｋＨｚの周波数で、液体を１１ｍ／ｓの速度で安定して吐出させることができた。
本発明に係る圧電膜型アクチュエータの製造方法の主要な工程を説明する図である。 本発明に係るノズル基板の製造工程を説明する図である。 本発明に係る圧電体基板とノズル基板を用いて圧電膜型アクチュエータを作製する工程を説明する図である。 本発明の実施例における圧力発生手段を形成した後の圧電体基板Ａ１を示す図である。 図４の次の工程における圧電体基板Ａ１を示す図である。
符号の説明
１０ Ｓｉ単結晶基板
１１ 多孔質層
１２ 振動板
２０（２０′） 圧電体層
２１（２１′） 共通電極層
２２（２２′） 個別電極層
２３ レジスト膜
６０ Ｓｉ単結晶基板
６１ ＳｉＯ２膜
６３ レジスト層
７０ ノズル
７１ 出口
Ａ１ 圧電体基板
Ａ２ ノズル基板

Claims (8)

  1. 圧力発生手段と振動板構造体とが形成された圧電膜型アクチュエータの製造方法において、前記圧力発生手段と前記振動板構造体を中間転写体上に形成する工程と、前記中間転写体上の圧力発生手段及び前記振動板構造体と第２の基板を接合する工程と、前記中間転写体を前記圧力発生手段と振動板構造体から剥離する工程とを含むことを特徴とする圧電膜型アクチュエータの製造方法。
  2. 前記中間転写体は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。
  3. 前記中間転写体は、シリコン基板であり、且つ、多孔質層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。
  4. 前記多孔質層は少なくともシリコンを含む材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。
  5. シリコンでないノズル構造体と、シリコン基板上に形成した振動板構造体及び圧力発生手段をはり合わせることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  6. 前記振動板構造体と中間転写体との間に多孔質層を形成することを特徴とする請求項５に記載の液体噴射ヘッド。
  7. ノズル構造体と、少なくとも一部がシリコンで構成される振動板構造体を持ち、ノズルに対応する圧力発生手段は圧力室側に備えた構造を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
  8. 前記圧力発生手段を作動させるための電気経路及び電極に、前記振動板構造体を貫通する構造を有することを特徴とする請求項７に記載の液体噴射ヘッド。
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