(57)【要約】【課題】強誘電体前駆体膜を確実に脱脂できて良好な結晶性を得ることができる加熱装置を提供する。【解決手段】一定温度に加熱されたホットプレート２０２と、上下方向に移動可能に設けられてホットプレート２０２に対向する領域に所定の基板を支持するプロキシミティピン２０３と、を具備する加熱装置であって、基板の少なくともホットプレート２０２とは反対側の空間の温度を基板のホットプレート２０２側の温度よりも低い所定温度以下に冷却する冷却手段２０５を具備するようにする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定温度に加熱されたホットプレートと、上下方向に移動可能に設けられて前記ホットプレートに対向する領域に所定の基板を支持するプロキシミティピンと、を具備する加熱装置であって、
前記基板の少なくとも前記ホットプレートとは反対側の空間の温度を当該基板の前記ホットプレート側の温度よりも低い所定温度以下に冷却する冷却手段を具備することを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
前記冷却手段が、前記基板の少なくとも前記ホットプレートとは反対側の表面近傍に気流を発生させる気流発生手段であること特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
前記冷却手段は、前記空間の温度を２００℃以下に冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
【請求項４】
前記ホットプレートの加熱温度が、３００℃〜５００℃であることを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を構成する圧電体層となる強誘電体前駆体膜を脱脂する際に用いられる加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体膜で形成される圧電体層を有する圧電素子は、自発分極、高誘電率、電気光学効果、圧電効果、焦電効果等を有しているため、広範なデバイス、例えば、インクジェット式記録ヘッド等に応用されている。このような圧電素子を構成する強誘電体膜（圧電体層）は、例えば、ゾル−ゲル法によって形成される。すなわち、所定の基板上に、例えば、有機金属化合物のゾルを塗布することによって強誘電体前駆体膜を形成し、さらにこの強誘電体前駆体膜を所定温度に加熱して乾燥・脱脂した後、さらに高温で焼成することにより結晶化させて強誘電体膜を得ている。
【０００３】
ここで、強誘電体前駆体膜を脱脂する際、強誘電体前駆体膜を所定温度に加熱する必要があるが、その際に用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートに対向する位置に上下方向移動可能に設けられたプロキシミティピンによって基板を支持し、このプロキシミティピンを下降させて基板とホットプレートとの間隔を調整することで基板の加熱温度を調整するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１８１１７３号公報（特許請求の範囲、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような加熱装置を用いて強誘電体前駆体膜の脱脂を行うと、強誘電体前駆体膜を十分に脱脂することができない場合がある。すなわち、加熱装置は、安全等のために、例えば、ハウジング等の内部に配置されるため、ホットプレートを加熱するとこのハウジングの内部全体の温度が上昇してしまう。このため、強誘電体前駆体膜の表面に被膜が形成されて、強誘電体前駆体膜全体を十分に脱脂することができないという問題が発生する。
【０００６】
また、このような加熱装置を用いて脱脂を行うと、強誘電体前駆体膜の温度が急激に上昇するためか、強誘電体前駆体膜中に結晶核が形成されにくく、強誘電体前駆体膜を焼成しても良好に結晶化されないという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、強誘電体前駆体膜を確実に脱脂できて良好な結晶性を得ることができる加熱装置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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、一定温度に加熱されたホットプレートと、上下方向に移動可能に設けられて前記ホットプレートに対向する領域に所定の基板を支持するプロキシミティピンと、を具備する加熱装置であって、前記基板の少なくとも前記ホットプレートとは反対側の空間の温度を当該基板の前記ホットプレート側の温度よりも低い所定温度以下に冷却する冷却手段を具備することを特徴とする加熱装置にある。
かかる本発明では、強誘電体前駆体膜を最適な加熱温度で加熱でき、また空間を冷却することで強誘電体前駆体膜の表面に被膜が形成されるのを防止できるため、強誘電体前駆体膜が良好に脱脂される。
【０００９】
ここで、前記冷却手段が、前記基板の少なくとも前記ホットプレートとは反対側の表面近傍に気流を発生させる気流発生手段であることが好ましい。これにより、上記空間の温度を比較的容易且つ十分に冷却することができるので、基板表面全体の温度を一定以下に保つことが容易である。
【００１０】
また、前記冷却手段は、前記空間の温度を２００℃以下に冷却することが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜の表面に被膜が形成されるのを確実に防止でき、強誘電体前駆体膜が良好に脱脂される。
【００１１】
さらに、空間の温度を２００℃以下に冷却する場合、前記ホットプレートの加熱温度が、３００℃〜５００℃であることが好ましい。これにより、強誘電体前駆体膜を良好に脱脂できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には、異方性エッチングにより形成された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する封止基板のリザーバ部と連通してリザーバの一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。また、この流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００１３】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００１４】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。
【００１５】
ここで、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなり、インク供給路１４側の端部近傍から圧力発生室１２の外側まで延設されるリード電極９０が接続されている。そして、このリード電極９０の先端部近傍には、図示しないが、圧電素子３００を駆動するための駆動回路に繋がる外部配線が接続される。
【００１６】
また、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合されている。この封止基板３０に用いられる材料は、流路形成基板１０の線膨張係数とほぼ同一の材料、例えばシリコン単結晶基板を用いることが好ましい。また、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。また、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、その端部近傍が貫通孔３３内で露出されている。さらに、封止基板３０上には、剛性が低く可撓性を有する材料で形成される封止膜４１と金属等の硬質の材料で形成される固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。なお、固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は封止膜４１のみで封止されている。
【００１７】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００１８】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図３〜図６を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコンウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５１となる二酸化シリコン膜５２を全面に形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５上に形成して所定形状にパターニングする。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適であるが、これはスパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、本実施形態のように、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウム等が好適である。
【００１９】
次に、図３（ｄ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成する。圧電体層７０は、上述したように複数層の強誘電体膜７１を積層することによって形成され、本実施形態では、これらの強誘電体膜７１をいわゆるゾル−ゲル法を用いて形成している。すなわち、金属有機物を触媒に溶解・分散しゾルを塗布乾燥しゲル化して強誘電体前駆体膜を形成し、さらにこの強誘電体前駆体膜を脱脂して有機成分を離脱させた後、焼成して結晶化させることで強誘電体膜７１を形成している。
【００２０】
具体的には、まず、図４（ａ）に示すように、下電極膜６０上を含むシリコンウェハ１１０の全面に、チタン又は酸化チタンからなる結晶種（層）６５をスパッタ法で形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、例えば、スピンコート法等の塗布法によって未結晶の強誘電体前駆体膜７２を所定の厚さ、本実施形態では、０．２μｍ程度の厚さで形成する（成膜工程）。なお、一度の塗布によって形成される強誘電体前駆体膜７２の厚さは約０．１μｍ程度であるため、本実施形態では、２度の塗布により約０．２μｍ程度の厚さの強誘電体前駆体膜７２を形成している。
【００２１】
次いで、この強誘電体前駆体膜７２を所定温度で所定時間乾燥させる（乾燥工程）。強誘電体前駆体膜７２を乾燥させる温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下であることが好ましく、好適には１８０℃程度である。また、乾燥させる時間は、例えば、５分以上１５分以下であることが好ましく、好適には１０分程度である。
【００２２】
次に、後述する加熱装置によってシリコンウェハ１１０を加熱することで強誘電体前駆体膜７２を所定時間、たとえば１０〜１５分程度脱脂する（脱脂工程）。なお、ここで言う脱脂とは、強誘電体前駆体膜の有機成分、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等を離脱させることである。このような脱脂工程でのシリコンウェハ１１０の加熱温度は、３００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。温度が高すぎると強誘電体前駆体膜７２の結晶化が始まってしまい、温度が低すぎると十分な脱脂が行えないためである。
【００２３】
また、このような温度までシリコンウェハ１１０を加熱する場合であっても、強誘電体前駆体膜７２側の空間の温度は２００℃以下に抑えられていることが望ましい。これにより、強誘電体前駆体膜７２の表面にカーボンが残留した被膜が形成されることがなく、脱脂工程によって有機成分が強誘電体前駆体膜７２から確実に離脱する。
【００２４】
このような温度制御を実現するために、本発明では、以下に説明する加熱装置を用いている。本発明に係る加熱装置２００は、図５に示すように、内部にヒータ２０１を有するホットプレート２０２と、ホットプレート２０２に対向する領域にシリコンウェハ１１０を支持する複数のプロキシミティピン２０３とを有し、これらがハウジング２０４内に配置されている。また、ハウジング２０４には、シリコンウェハ１１０のホットプレート２０２とは反対側の空間の温度を冷却する冷却手段、本実施形態では、ハウジング２０４内に外気を流入させるファン２０５が設けられている。そして、脱脂工程において、ホットプレート２０２とシリコンウェハ１１０の間隔を調節すると共にシリコンウェハ１１０のホットプレート２０２とは反対側の空間の温度を冷却して、強誘電体前駆体膜７２の加熱温度を調整するようにした。
【００２５】
また、本実施形態では、このような加熱装置２００を用いた脱脂工程において、同時に強誘電体前駆体膜７２に結晶核を成長させている。このため、脱脂工程は、シリコンウェハ１１０をホットプレート２０２との間に所定間隔を維持した状態で加熱して強誘電体前駆体膜７２を脱脂する第１の脱脂工程と、シリコンウェハ１１０をホットプレート２０２に接触させた状態で加熱して強誘電体前駆体膜７２を脱脂する第２の脱脂工程とを有することが好ましい。
【００２６】
具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、ホットプレート２０２を所定の温度、本実施形態では４００℃に加熱した状態で、例えば、ロボットアーム等でシリコンウェハ１１０をホットプレート２０２に対向する領域に導入し、プロキシミティピン２０３によってシリコンウェハ１１０を支持する。そして、図６（ｂ）に示すように、プロキシミティピン２０３を下降させて、ホットプレート２０２とシリコンウェハ１１０との間隔が所定間隔ｄとなる位置で停止させる。この状態でシリコンウェハ１１０をホットプレート２０２の輻射熱によって加熱して、強誘電体前駆体膜７２を一定時間、例えば、５分程度脱脂する（第１の脱脂工程）。これにより、シリコンウェハ１１０上の強誘電体前駆体膜７２は、所定の昇温レートで３８０℃程度まで加熱され、強誘電体前駆体膜７２から有機成分が離脱されると共に結晶核が多数形成される。
【００２７】
ここで、第１の脱脂工程において強誘電体前駆体膜７２に結晶核が良好に形成されるためには、強誘電体前駆体膜７２の温度を比較的ゆっくりした昇温レートで上昇させることが好ましく、例えば、２５０℃から３００℃に上昇する際の昇温レートが、１．５〜２℃／秒程度であることが望ましい。例えば、本実施形態の強誘電体前駆体の場合、図７に示すように、シリコンウェハ１１０はホットプレート２０２との間に所定間隔ｄを２ｍｍ程度とすることで所望の昇温レートが得られた。なお、間隔ｄを１ｍｍ程度とすると強誘電体前駆体膜７２の温度の昇温レートが高くなり過ぎ、間隔ｄを５ｍｍ程度とすると逆に昇温レートが低くなり過ぎ、何れにしても結晶核が形成されにくくなってしまう。このような理由に基づきシリコンウェハ１１０とホットプレート２０２との間隔ｄを２ｍｍとすることが好ましい。
【００２８】
なお、第１の脱脂工程におけるシリコンウェハ１１０とホットプレート２０２との間隔ｄは、強誘電体前駆体膜７２の成分等に応じて、所望の昇温レートとなるように適宜決定されればよい。
【００２９】
そして、強誘電体前駆体膜７２に結晶核が形成された段階で、図６（ｃ）に示すように、プロキシミティピン２０３をさらに下降させ、シリコンウェハ１１０をホットプレート２０２に接触させた状態で４００℃まで加熱し、強誘電体前駆体膜７２を数十秒程度脱脂する（第２の脱脂工程）。また、本実施形態では、脱脂工程においては、加熱装置２００のファン２０５を常に作動させ、シリコンウェハ１１０の表面近傍の空間に気流を発生させて冷却しているため、シリコンウェハ１１０とホットプレート２０２との間隔にかかわらず、強誘電体前駆体膜７２の表面の温度は、常に２００℃以下に抑えられている。
【００３０】
このように強誘電体前駆体膜７２の脱脂を行うことにより、第１の脱脂工程において、強誘電体前駆体膜７２を脱脂しつつ結晶核を良好に形成でき、さらに第２の脱脂工程において脱脂速度が早められるため、強誘電体前駆体膜７２の脱脂時間を短縮でき作業効率が向上する。また、脱脂工程時には、シリコンウェハ１１０の表面近傍の空間の温度は常に２００℃以下に抑えられているため、ホットプレート２０２による強誘電体前駆体膜７２の加熱温度を比較的高くしても、強誘電体前駆体膜７２を良好に脱脂することができる。
【００３１】
なお、このような脱脂工程終了後は、シリコンウェハ１１０を拡散炉等で約７００℃に加熱することにより、強誘電体前駆体膜７２を焼成して結晶化させて第一層目の強誘電体膜７１を形成する（焼成工程）。そして、このような成膜工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回、本実施形態では、５回繰り返して複数層の強誘電体膜７１を形成することにより全体として約１μｍの厚さの圧電体層７０となる（図４（ｃ））。
【００３２】
また、上述した脱脂工程、すなわち第一層目の強誘電体膜７１を形成する際の脱脂工程は、第１の脱脂工程と第２の脱脂工程とを有することが好ましいが、第二層目以降の強誘電体膜７１を形成する際の脱脂工程は、初めからシリコンウェハをホットプレートに接触させた状態で加熱して強誘電体前駆体膜を脱脂すればよい。第二層目以降の強誘電体膜７１は、第一層目の強誘電体膜７１の結晶を核として結晶成長し、別途、結晶核を形成する必要はないからである。
【００３３】
また、その後は、図８（ａ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、イリジウム、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。次に、図８（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。次いで、図８（ｃ）に示すように、リード電極９０を形成する。例えば、本実施形態では、金（Ａｕ）等からなる金属膜９０Ａをシリコンウェハ１１０の全面に亘って形成し、その後、この金属膜９０Ａを圧電素子３００毎にパターニングすることによって各リード電極９０を形成した。
【００３４】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図８（ｄ）に示すように、シリコンウェハ１１０に封止基板３０を接合し、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介してシリコンウェハ１１０をエッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する。なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のシリコンウェハ１１０上に多数のチップを同時に形成する。そして上記プロセス終了後、上述したノズルプレート２０及びコンプライアンス基板４０を接着して一体化し、その後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割することによってインクジェット式記録ヘッドとする。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、加熱装置に冷却手段としてファンを設けるようにしたが、冷却手段はシリコンウェハの表面近傍の空間の温度を所定温度に冷却できるものであればよい。また、上述した実施形態では、インクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本発明の圧電体層の形成方法は、他のデバイスに用いられる圧電体層の形成にも適用することができる。勿論、加熱装置もあらゆるデバイスの圧電体層を形成する際に採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図４】記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】一実施形態に係る加熱装置の概略図。
【図６】記録ヘッドの製造工程を示す概略図。
【図７】脱脂時のシリコンウェハの温度上昇を示すグラフ。
【図８】記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  封止基板、  ４０  コンプライアンス基板、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ７１  強誘電体膜、  ７２  強誘電体前駆体膜、  ８０  上電極膜、  １１０  シリコンウェハ、  ２００  加熱装置、  ２０２  ホットプレート、  ２０３  プロキシミティピン、  ２０４  ハウジング、  ２０５  ファン
【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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【図８】
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