(57)【要約】【課題】従来に比べてより一層薄型化できる圧電体素子の製造方法及び圧電体素子を提供する。【解決手段】アルチック基板１の上にチタンよりなる密着層３ａと、白金よりなる第１の電極膜３と、ＰＺＴよりなる圧電体膜４と、白金よりなる第２の電極膜６をスパッタ法により順番に形成する。ここで、圧電体膜４の成膜を基板温度５４０℃程度として酸素ガスとアルゴンガスが１：９の比率の混合ガスを導入しながら行う。これにより、雰囲気中の酸素が基板１の表面に拡散して基板１の表面に剥離しやすい改質層５が形成される。その後、第２の電極膜６に支持体８を接着してその支持体８を基板１から引き剥がすと、改質層５と基板１との境界部分が剥離して、薄い圧電体素子１０のみを支持体８に転写できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に導電体よりなる第１の電極膜を形成する工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記基板を加熱して前記基板に改質層を形成し、前記第１の電極膜の上に圧電体材料を堆積させて圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に導電体よりなる第２の電極膜を形成する工程と、
前記第２の電極膜の上に支持体を接着する工程と、
前記支持体を、前記第１の電極膜、圧電体膜及び第２の電極膜とともに前記基板から引き剥がす工程と、
を有することを特徴とする圧電体素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板は少なくとも表面がアルチックにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１の電極膜の形成に先立って、前記基板の上面にチタンよりなる密着膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項４】
更に、前記密着膜の形成に先立って、
前記基板の上面に凹部を形成する工程と、
前記凹部を含む前記基板の上面全面に導体膜を堆積させる工程と、
前記導体膜を研磨して前記凹部内にのみ前記導体膜を残し、プラグ電極とする工程とを有し、
前記密着膜は前記プラグ電極及び前記基板の上に形成することを特徴とする請求項３に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項５】
前記圧電体膜は、前記基板を５００℃〜６００℃に加熱しながら形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電体素子の製造方法。
【請求項６】
一方の面が支持体の上面に接着された第２の電極膜と、
前記第２の電極膜の他方の面上に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜の上に形成された第１の電極膜と、
前記第１の電極膜の上方に形成され、酸素とアルチックとの反応により形成された改質層と、
を有することを特徴とする圧電体素子。
【請求項７】
弾力性を有する板状のロードビームと、前記ロードビームの先端部に接合され、スライダーを支持する板状のフレキシャーと、前記フレキシャー上に配置された圧電体素子とを備えるヘッドジンバルアセンブリの製造方法であって、
基板の上方に導電体よりなる第１の電極膜を形成する工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記基板を加熱して前記基板に改質層を形成し、前記第１の電極膜の上に圧電体を堆積させて圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜上に導電体よりなる第２の電極膜を形成する工程と、
前記第２の電極膜上に前記フレキシャーを接着する工程と、
前記フレキシャーを、前記第１の電極膜、圧電体膜及び第２の電極膜とともに前記基板から引き剥がす工程と、
前記フレキシャーに前記スライダーを取り付ける工程と、
前記フレキシャーを前記ロードビームに接合する工程と、
を有することを特徴とするヘッドジンバルアセンブリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変形量に応じた電圧を出力するセンサ及び電圧の印加により駆動されるアクチュエータ等に好適な圧電体素子の製造方法及び圧電体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の加速度センサ、圧力センサ及びアクチュエータ等として圧電体素子が広く用いられつつある。この圧電体素子は、一般的に圧電体膜を電極膜で挟んだ構造を有しており、圧電体膜を伸縮させる方向又は曲げる方向の応力が作用すると電極膜間に電圧が発生する。また、圧電体膜を挟む電極膜間に電圧を印加すると、圧電体膜はその膜面に平行な方向及び垂直な方向に伸縮する。
【０００３】
このため、圧電体素子を圧力や加速度によって変形する支持体の上に取り付けることで、圧力や加速度を検出すセンサを構成することができる。また、カンチレバー等に取り付けることでアクチュエータ等としても用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６８２７０号公報
【特許文献２】特開２００８−１９６９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧電体素子を圧力センサ又は加速度センサとして使用する場合、感度を高くするためには圧電体素子の厚さを薄くし、小さな応力で大きく変形するようにすることが必要になる。また、磁気ディスク装置の磁気ヘッドの浮上量の制御に圧電体素子を使用する場合、実装可能なスペースが限られているので、素子の厚さが厚くなると実装できなくなってしまう。
【０００６】
そこで、従来に比べてより一層薄型化できる圧電体素子の製造方法及び圧電体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一観点によれば、基板の上方に導電体よりなる第１の電極膜を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で前記基板を加熱して前記基板に改質層を形成し、前記第１の電極膜の上に圧電体材料を堆積させて圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜上に導電体よりなる第２の電極膜を形成する工程と、前記第２の電極膜の上に支持体を接着する工程と、前記支持体を、前記第１の電極膜、圧電体膜及び第２の電極膜とともに前記基板から引き剥がす工程とを有する圧電体素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上記観点の圧電体素子の製造方法によれば、圧電体膜の形成工程において、基板を加熱しながら酸素を含む雰囲気中で圧電体材料を堆積させる。この工程において、雰囲気中の酸素が基板表面に拡散し、基板の表面付近の部分が酸素と反応することで基板から剥離しやすい改質層が形成される。その後、圧電体膜の上に第２の電極膜を形成した後、第２の電極膜に支持体を接着剤で接着し、その支持体を基板から引き剥がす。このとき、基板と改質層との密着強度は、第２の電極膜と支持体との密着強度よりも小さいため、基板と改質層との界面部分が剥離して改質層より上に形成された圧電体素子（第１の電極膜、圧電体膜及び第２の電極膜の積層体）が支持体側に転写される。
【０００９】
このように、圧電体素子を基板から分離するので、従来の圧電体素子よりも薄くすることができる。また、基板によって圧電体素子及び支持体の変形が妨げられることがないので、センサとして用いた場合には感度をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ヘッドジンバルアセンブリの構造を示す平面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリに用いる圧電体素子の製造方法を工程順に示す断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリに用いる圧電体素子の製造方法を工程順に示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリに用いる圧電体素子の製造方法を工程順に示す断面図（その３）である。
【図５】図５は、フレキシャーの表面に圧電体素子を取り付けた構造を示す平面図である。
【図６】図６は、図５に示すフレキシャーをロードビームに取り付けた構造を示す平面図である。
【図７】図７は、圧電体膜の厚さに対する基板及び改質層の界面の密着強度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態は、圧電体素子を磁気ディスク装置の磁気ヘッドの浮上量の変化を検出する加速度センサとして使用するものであり、圧電体素子はヘッドジンバルアセンブリに組み込まれる。図１は、ヘッドジンバルアセンブリの構造を示す平面図である。
【００１３】
図１に示すように、ヘッドジンバルアセンブリ２０は、スライダー２３及び一対の圧電体素子１０を備えたフレキシャー２１と、フレキシャー２１を支持するロードビーム２５とを有している。ロードビーム２５及びフレキシャー２１は、例えば厚さが２０μｍ程度のステンレス板などで形成されている。スライダー２３は、フレキシャー２１に設けられたジンバル部２２（“Ｃ”字状の切り欠きで囲まれた部分）に配置されている。スライダー２３には、磁気ディスクに対しデータの記録又は再生を行う磁気ヘッド（図示せず）が設けられている。
【００１４】
一対の圧電体素子１０は、トラック幅方向（矢印Ｂで示す方向）に所定の間隔を置いてフレキシャー２１の上に配置されている。フレキシャー２１に設ける圧電体素子１０の数は２つに限定されるものではなく、１つまたは３つ以上配置してもよい。圧電体素子１０の構造については後に製造工程とともに詳述する。
【００１５】
ロードビーム２５及びフレキシャー２１の上には、圧電体素子１０及びスライダー２３に形成された磁気ヘッド（図示せず）と外部の回路とを電気的に接続する複数の配線を有するフレキシブル配線板２４が配置されている。フレキシブル配線板２４の配線のうちの一部は圧電体素子１０の上部から突出したプラグ電極に接続され、他の一部はジンバル部２２付近まで延び、ボンディングワイヤ等を介して磁気ヘッドと電気的に接続されている。プラグ電極については後述する。
【００１６】
以下、図２〜図６を参照しつつヘッドジンバルアセンブリ２０の製造方法について、圧電体素子１０の製造方法とともに説明する。
【００１７】
図２〜図４は、第１実施形態に係るヘッドジンバルアセンブリに用いる圧電体素子の製造方法を工程順に示す断面図である。図５はフレキシャーの表面に圧電体素子を取り付けた構造を示す平面図であり、図６は図５に示すフレキシャーをロードビームに取り付けた構造を示す平面図である。なお、図２〜図４では、基板上に４つの圧電体素子を同時に作製する例を示しているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、さらに多数の圧電体素子を同時に作製してもよい。
【００１８】
まず、図２（ａ）に示すように、厚さが２ｍｍ程度のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）と窒化チタン（ＴｉＣ）との焼結体よりなる基板（以下、アルチック基板と呼ぶ）１を用意する。そして、このアルチック基板１の表面に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチングにより直径１００μｍ、深さ５００ｎｍの凹部１ａを形成する。なお、凹部１ａは直径が１００μｍ程度と大きいため、メタルマスクを用いたサンドブラスト加工で形成してもよい。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように、アルチック基板１の表面上に、例えばスパッタ法で凹部１ａを埋めるように白金（Ｐｔ）を堆積させて、導体膜２を形成する。
【００２０】
次に、図２（ｃ）に示すように、アルチック基板１の上面が露出するまで導体膜２を研磨して、凹部１ａ内にのみ導体膜２を残す。凹部１ａ内に残った導体膜２がプラグ電極２ａとなる。
【００２１】
次に、図２（ｄ）に示すように、プラグ電極２ａ及びアルチック基板１の上面全面に、例えばスパッタ法によりチタン（Ｔｉ）を１０ｎｍ程度堆積させて密着膜３ａを形成する。続いて、密着膜３ａの上に、例えばスパッタ法により白金（Ｐｔ）を１５０ｎｍ程度の厚さに堆積させて、第１の電極膜３を形成する。密着膜３ａは、第１の電極膜３とアルチック基板１の表面との密着性を高めるとともに、次に形成する圧電体膜４（例えばＰＺＴ膜）の結晶性を高めるという作用がある。
【００２２】
第１の電極膜３は、白金以外に、イリジウム（Ｉｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属、酸化イリジウム（ＩｒＯ）及び酸化ルテニウム（ＲｕＯ）等の貴金属酸化物、並びにＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ）等の導電性酸化物を用いて形成してもよい。この点は上述のプラグ電極２ａ及び後述する第２の電極膜６の材料についても同様である。上述の密着膜３ａ及び第１の電極膜３のスパッタ法による成膜は、例えば基板温度を５４０℃程度とし、アルゴンガス等を導入しながら行う。
【００２３】
次に、図３（ａ）に示すように、第１の電極膜３の上に、スパッタ法によりＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を例えば５μｍの厚さに堆積させて、圧電体膜４を形成する。このとき、基板温度は５４０℃とし、チャンバ内にはアルゴンガスと酸素ガスとを９：１の割合で混合したガスを導入する。基板温度の好ましい範囲は５００℃〜６００℃程度であり、アルゴンガスと酸素ガスとの好ましい比率は９．５：０．５から８：２程度である。また、後述するように圧電体膜４の厚さは５μｍ以上とすると基板１から圧電体素子１０を剥離することが容易となり好適である。
【００２４】
この圧電体膜４の形成工程では、基板温度が高温であるとともに雰囲気中及び圧電体ターゲット内に酸素が含まれているため、酸素が第１の電極膜３内を拡散してアルチック基板１の表面に到達し、アルチックと酸素とが反応して改質層５が形成される。この改質層５はアルチック基板１に含有される炭化チタン（ＴｉＣ）と酸素との反応により形成されると考えられ、応力が加えられるとアルチック基板１から容易に剥離するという性質を有する。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すように、圧電体膜４の上に例えば白金（Ｐｔ）を厚さ１５０ｎｍ程度堆積させて第２の電極膜６を形成する。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法により第２の電極膜６の所定の領域の上に、例えば約０．５ｍｍ×１．０ｍｍの矩形状のマスク（図示せず）を形成する。続いて、ドライエッチング法によりマスクに覆われていない部分の第２の電極膜６、圧電体膜４、第１の電極膜３及び密着膜３ａを除去する。このエッチング工程で相互に分離された密着層３ａ、第１の電極膜３、圧電体膜４及び第２の電極膜６の積層体が、それぞれ圧電体素子１０となる。なお、第２の電極膜６、第１の電極膜３及び密着膜３ａのドライエッチングには例えば塩素を含むエッチングガスを使用し、圧電体膜４のドライエッチングには例えばフッ素を含むエッチングガスを使用する。
【００２７】
次に、図４（ａ）に示すように、第２の電極膜６の上に、例えば銀粉末を含む未硬化状態のエポキシ樹脂よりなる導電性接着剤層７を形成する。図４（ａ）では、密着層３ａ、第１の電極膜３、圧電体膜４及び第２の電極膜６よりなる圧電体素子１０のうちの２つのみの上に接着剤層７を形成した例を示している。その後、接着剤層７の上に例えば厚さが２０μｍ程度のステンレス板からなるフレキシャー２１（支持体）を付着させる。そして、アルチック基板１をフレキシャー２１とともに例えば１５０℃の温度で１時間程度熱処理して接着剤層７を硬化させる。
【００２８】
次に、図４（ｂ）に示すように、フレキシャー２１をアルチック基板１から引き剥がす。このとき、改質層５とアルチック基板１との界面の密着強度が接着剤層７と第２の電極膜６及びフレキシャー２１との密着強度よりも小さいため、改質層５の部分で基板１から剥離し、圧電体素子１０がフレキシャー２１側に転写される。ここでは、２つの圧電体素子１０の上に接着剤層７を形成することにより、２つの圧電体素子１０がフレキシャー２１側に転写される。このようにして、フレキシャー２１上に基板１と分離した薄い圧電体素子１０を形成することができる。また、第１の電極膜３の下方に形成されたプラグ電極２ａは、改質層５から突出するように露出するので配線材を接続する際の端子として利用できる。以上の工程により、図５に示すフレキシャー２１が完成する。
【００２９】
次に、図６に示すように、スポット溶接等によりフレキシャー２１をロードビーム２５に接合する。その後、ジンバル部２２にスライダー２３を接着剤で取り付ける。さらに、フレキシブル配線板２４をフレキシャー２１及びロードビーム２５の表面に取り付け、圧電体素子１０のプラグ電極２ａとフレキシブル配線板２４の一部の配線（図示せず）とを導電性接着材等で電気的に接続する。また、フレキシブル配線板２４の他の配線と磁気ヘッドの間をワイヤボンディング法等により電気的に接続する。以上の工程により、図１に示すヘッドジンバルアセンブリ２０が完成する。
【００３０】
ヘッドジンバルアセンブリ２０は、磁気ディスク装置（図示せず）において図１の紙面に示す面が磁気ディスク（図示せず）と対向するよう配置される。またヘッドジンバルアセンブリ２０の基端側（図１において左端側）は磁気ディスク装置のボイスコイルモータ（図示せず）に接続され、このボイスコイルモータによって駆動される。磁気ディスクはスライダー２３に対して、図１の矢印Ａに示す方向に相対的に移動する。
【００３１】
圧電体素子１０は、フレキシャー２１とともに変形することで、フレキシャー２１の変形量に応じた電圧を出力する。これらの一対の圧電体素子１０の出力からフレキシャー２１のロール方向（矢印Ａに平行な軸回り方向）の変形及び浮上高さ方向（図１において紙面に垂直な方向）の変形を検出することができる。ここで、本実施形態の圧電体素子１０は基板１から分離されて薄く（例えば数μｍ程度）形成されているので、フレキシャー２１の曲げ剛性に対する影響が少ないため、フレキシャー２１の変形を妨げることがない。そのため、スライダー２３の浮上量の検出をより高い精度で行うことができる。
【００３２】
また、本実施形態の圧電体素子１０は、厚さが薄いので、厚さ方向の実装スペースが小さいフレキシャー２１上であっても搭載することができる。
【００３３】
以下は、圧電体膜の厚さを変化させてアルチック基板と改質層との密着強度を調べた結果について説明する。
【００３４】
まず、図２〜図４に示す方法によりアルチック基板１上に圧電体素子１０を作製した。圧電体膜（ＰＺＴ膜）４を形成するときの基板温度は５４０℃程度とし、チャンバ内に供給するアルゴンガス及び酸素ガスの比率は９：１とした。
【００３５】
次に、上記の条件で作製された圧電体素子１０についてＴＥＭ（Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡）でその断面の観察を行った。その結果、密着膜３ａの下に厚さ１００〜２００ｎｍ程度の改質層５が形成されていることが確認できた。この改質層５は、アルチック基板１に含まれる炭化チタン（ＴｉＣ）が、雰囲気中に含まれる酸素と反応して生成されたものと考えられる。
【００３６】
次に、上述の成膜条件の下でＰＺＴ膜（圧電体膜４）の厚さを約２μｍ〜約７μｍとした試料を作製し、各試料毎に改質層５とアルチック基板１との界面の密着強度を調べた。その結果を図７に示す。この図７から、ＰＺＴ膜の厚さが増加するほど改質層５とアルチック基板１との界面の密着強度が低下することが分かる。
【００３７】
また、ＰＺＴ膜の厚さを２μｍとした場合には、圧電体素子１０をアルチック基板１から剥離することは困難であり、強い力で引き剥がすと接着剤層７の部分で剥離が生じた。一方、ＰＺＴ膜の厚さを５μｍとした場合には、改質層５の部分でアルチック基板１から確実に剥離させることができた。したがって、ＰＺＴ膜の厚さは５μｍ以上とすることが好ましいことが判明した。
【００３８】
（その他の実施形態）
第１実施形態では、圧電体素子１０をヘッドジンバルアセンブリ２０に搭載する例について説明したが、圧電体素子１０を搭載する部材はヘッドジンバルアセンブリに限定されるものではない。例えば、フレキシャー２１に代えて、圧電体素子１０を金属箔や樹脂フィルム等の支持体の上に転写することで、薄型の圧電体センサを得ることができる。例えば、支持体を板ばね状に形成して加速度に応じた変形を示すように加工すれば、圧電体素子１０を加速度センサとして用いることができる。
【００３９】
また、圧電体素子１０は、センサ以外にもアクチュエータとして用いることができる。例えば、図１に示すような圧電体素子１０をヘッドジンバルアセンブリ２０に取り付けられた磁気ヘッドの浮上量制御を行うためのアクチュエータとして用いることもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１…アルチック基板、１ａ…凹部、２…導体膜、２ａ…プラグ電極、３ａ…密着膜、３…第１の電極膜、４…圧電体膜、５…改質層、６…第２の電極膜、７…接着剤層、１０…圧電体素子、２０…ヘッドジンバルアセンブリ、２１…フレキシャー（支持体）、２２…ジンバル部、２３…スライダー、２４…フレキシブル配線板、２５…ロードビーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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