(57)【要約】      （修正有）【課題】製造工程の初期に形成されて後工程に大きな影響を及ぼす基板の変形を、圧電素子の形成工程での影響を最小限に抑制する状態に制御するアクチュエータ装置の製造方法を提供する。【解決手段】弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、ジルコニウム層を熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成し、その後、ジルコニウム層を熱酸化する際の最高温度以下の温度で、絶縁体膜５５をアニール処理する。アニール処理における温度及び時間等の条件を変化させることにより、初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、圧電素子を形成する工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）する。また、初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、インク流路のエッチング工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方面に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程を有し、前記圧電素子の形成の状況に基づいて前記圧電素子を形成する前段のアニール処理の状況を設定するアニール処理設定工程を備え、前記アニール処理設定工程の設定に基づいて前記アニール処理を制御することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータ装置の製造方法において、
前記圧電素子の形成の状況は、前記圧電体層の前駆体形成の状況であることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載のアクチュエータ装置の製造方法において、
前記アニール処理設定工程では、前記アニール処理の条件を決定し、決定された条件に基づいて前記アニール処理を実行することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のアクチュエータ装置の製造方法において、
前記アニール処理の条件は、前記アニール処理の実行の有無を含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の変位により振動部材を変形させるアクチュエータ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を印加することにより変位する圧電素子を備えたアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの液体吐出手段として用いられる。液体噴射装置としては、例えば、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置が知られている。
【０００３】
インクジェット式記録ヘッドとして、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けることによって各圧力発生室に独立して圧電素子を形成したたわみ振動モードのアクチュエータ装置を搭載したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
アクチュエータ装置は、流路形成基板の表面に、弾性膜が形成されると共に、上下電極に挟まれた強誘電体膜を圧電素子として形成される。強誘電体膜は、例えば、有機金属ゾルが塗布・焼結される等して形成され、強誘電体膜が圧電素子として形成された後、流路形成基板の他面に圧力室がエッチングにより形成される。
【０００５】
一般に知られているアクチュエータ装置では、強誘電体膜を生成する場合の有機金属ゾルは、フラットな基板に塗布することが強誘電体膜の基板面内分布向上のために重要である。また、流路形成基板の他面に異方性エッチング等で圧力室をエッチングする工程においては、圧力室パターン形成のために基板の平坦性が重要である。
【０００６】
基板上に弾性膜や強誘電体膜を積層形成する過程では、各生成膜の内部応力により基板に多少なりとも変形（反り）が生じることは避けられないのが現状である。このため、初期段階で基板に形成された反りは、強誘電体膜の形成工程や圧力室のエッチング工程で大きな影響を及ぼすものであるが、アクチュエータ装置を製造する際に、初期段階における基板の反りは特別に考慮されていないのが実情であった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３２９２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程の初期に形成されて後工程に大きな影響を及ぼす基板の変形を、圧電素子の形成工程での影響を最小限に抑制する状態に制御することができるアクチュエータ装置の製造方法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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明のアクチュエータ装置の製造方法は、基板の一方面に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程を有し、前記圧電素子の形成の状況に基づいて前記圧電素子を形成する前段のアニール処理の状況を設定するアニール処理設定工程を備え、前記アニール処理設定工程の設定に基づいて前記アニール処理を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、アニール処理設定工程の設定に基づいてアニール処理を制御することで、圧電素子を形成する工程での基板の変形を所望の範囲に抑制できる状態に初期工程での基板の変形を調整することができる。
【００１１】
そして、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記圧電素子の形成の状況は、前記圧電体層の前駆体形成の状況であることを特徴とする。これにより、圧電体層の生成膜の内部応力による基板の変形を所望の範囲に抑制することができる。
【００１２】
また、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記アニール処理設定工程では、前記アニール処理の条件を決定し、決定された条件に基づいて前記アニール処理を実行することを特徴とする。また、上記アクチュエータ装置の製造方法において、前記アニール処理の条件は、前記アニール処理の実行の有無を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１には本発明の一実施形態例に係る製造方法により製造されたアクチュエータ装置を備えたインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視、図２には図１の平面視、図３には図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視、図４〜図６には本発明の一実施形態例に係る製造方法の工程説明を示してある。
【００１４】
図１〜図３に基づいてインクジェット式記録ヘッドを説明する。
図に示すように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、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、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。尚、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００１５】
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とは反対側の端部近傍に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。尚、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼等から形成される。
【００１６】
流路形成基板１０の開口面とは反対側には、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５０が形成され、弾性膜５０の上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５が形成されている。絶縁体膜５５上には下電極膜６０と、圧電体層７０と、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。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。
【００１７】
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を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、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が圧電体能動部となっている。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子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、圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
【００１８】
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されている。各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、リード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加される。
【００１９】
流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合されている。圧電素子３００は圧電素子保持部３１の内部に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。更に、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。リザーバ部３２は、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に沿って設けられ、流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００２０】
保護基板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、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出され、これら下電極膜６０及びリード電極９０には、図示しないが、駆動ＩＣから延設される接続配線の一端が接続される。
【００２１】
尚、保護基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料のシリコン単結晶基板を用いて形成されている。保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等で形成することも可能である。
【００２２】
保護基板３０上には封止膜４１及び固定板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。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。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の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００２３】
上述したインクジェット式記録ヘッドでは、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ＩＣからの記録信号に従い、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する。電圧を印加することにより弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０がたわみ変形し、各圧力発生室１２内の圧力が高められてノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００２４】
上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法を図４〜図６に基づいて説明する。図４〜図６は圧力発生室１２の長手方向の断面状況である。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、シリコンウエハである流路形成基板用ウエハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する（工程Ａ）。
【００２６】
図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０上に、例えば、ＤＣスパッタ法により所定厚さのジルコニウム層を形成する（工程Ｂ）。そして、ジルコニウム層が形成された流路形成基板用ウエハ１１０を、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法を用いて熱酸化させ、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する（工程Ｃ）。
【００２７】
絶縁体膜５５を形成した後、上述したジルコニウム層を熱酸化する際の最高温度以下の温度で、絶縁体膜５５をアニール処理する（工程Ｄ）。アニール処理における温度及び時間等の条件を変化させることにより、工程Ａから工程Ｃまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、後述する圧電素子を形成する工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）する。また、初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、後述するインク流路のエッチング工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）する。
【００２８】
工程Ａから工程Ｃまでの初期工程の後に実施されるアニール処理の温度及び時間等の条件は、後述する圧電素子を形成する工程でのエッチング条件やインク流路のエッチング工程でのエッチング条件に応じて、流路形成基板用ウエハ１１０の変形が所望の範囲に誘導（抑制）されるように設定される（アニール処理設定工程）。工程Ａから工程Ｃまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形の状況や、後述する圧電素子を形成する工程でのエッチング条件やインク流路のエッチング工程でのエッチング条件によっては、アニール処理を行わない場合もある。即ち、アニール処理設定工程の設定に基づいてアニール処理が制御されるようになっている。
【００２９】
絶縁体膜５５を形成した後（絶縁体膜５５をアニール処理した後）、図４（ｃ）に示すように、下電極膜６０を形成する。例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上にスパッタリングにより積層し（工程Ｅ）、所定形状にパターニングすることで下電極膜６０を形成する（工程Ｆ）。
【００３０】
次に、図５（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を流路形成基板用ウエハ１１０に形成する。即ち、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し（工程Ｇ）、高温で焼成等することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る。つまり、ゾル−ゲル法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成している。更に、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０をスパッタリングにより積層する（工程Ｈ）。これにより、圧電体層７０と上電極膜８０とが流路形成基板用ウエハ１１０の全面に形成される。
【００３１】
図５（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する（工程Ｉ）。そして、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウエハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層９１を形成する。その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層９１を圧電素子３００毎にパターニングすることでリード電極９０が形成される。
これにより、流路形成基板用ウエハ１１０の全面に圧電素子３００が形成される。
【００３２】
そして、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウエハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウエハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウエハ１３０を接合する。図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウエハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、弗化硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウエハ１１０を所定の厚みにする。
【００３３】
次いで、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウエハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウエハ１１０を異方性エッチングすることにより、図６（ｄ）に示すように、流路形成基板用ウエハ１１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００３４】
その後は、流路形成基板用ウエハ１１０及び保護基板用ウエハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウエハ１１０の保護基板用ウエハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウエハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウエハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等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】
前述した工程Ｄにおけるアニール処理の条件が、例えば、３種類設定されている。条件１は温度８５０℃で時間が１時間であり、条件２は温度７００℃で時間が１時間であり、条件３はアニール処理を実施しない条件である。尚、アニール処理の条件は、例えば、処理時間の長短、処理雰囲気（酸化、不活性雰囲気）により適宜設定することができ、種々の条件を設定することで、反り量（膜内応力）を可変に制御することができる。また、製品の特性に応じて最適な条件を選定することができる。
【００３６】
条件を適宜設定することにより、工程Ａから工程Ｃまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を形成する工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）している。また、工程Ａから工程Ｃまでの初期工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を調整し、流路形成基板用ウエハ１１０を異方性エッチングし、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する工程での流路形成基板用ウエハ１１０の変形を所望の範囲に誘導（抑制）している。
【００３７】
条件１から条件３におけるアニール処理を実施した場合の各工程（工程Ａから工程Ｉ）の流路形成基板用ウエハ１１０の反り量を図７に示してある。
【００３８】
図に示すように、条件１から条件３のそれぞれで、反り量が０μｍに近似する工程が異なり、例えば、条件２でアニール処理を設定した場合、圧電素子を形成する工程における流路形成基板用ウエハ１１０の平坦度が確保される。また、条件３でアニール処理を設定（アニール処理を実施しない）した場合、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する工程の前の段階（流路形成基板用ウエハ１１０の全面に圧電素子が形成された段階）における流路形成基板用ウエハ１１０の平坦度が確保される。
【００３９】
尚、条件１から条件３による結果は、圧電素子を始めとする膜の厚さやスパッタリングの条件等により変わるものであり、図示の状況に特定されるものではない。
【００４０】
従って、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を形成する工程での流路形成基板用ウエハ１１０の反り量を０μｍに近似するようにアニール処理の条件を設定することにより、有機金属ゾルを塗布する工程において塗布乾燥時の反りによる膜厚むらや乾燥むらを抑制することができ、強誘電体膜の面内特性分布の均一性を高くすることができる。また、流路形成基板用ウエハ１１０の全面に圧電素子が形成された段階における流路形成基板用ウエハ１１０の平坦度が確保されるようにアニール処理の条件を設定することにより、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する異方性エッチングでパターン精度を確保することができる。
【００４１】
上述した製造方法を用いることにより、製造工程の初期に形成されて後工程に大きな影響を及ぼす基板の変形を、圧電素子の形成工程での影響を最小限に抑制する状態に制御することができる。
【００４２】
尚、本発明の製造方法は、基板上に複合膜を積層、加工、形成する、例えば、ＭＥＭＳ、電子デバイスの製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態例の記録ヘッドを示す分解斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。
【図４】実施形態例の製造方法の工程説明図である。
【図５】実施形態例の製造方法の工程説明図である。
【図６】実施形態例の製造方法の工程説明図である。
【図７】工程毎の基板の反り量を表すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
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  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  リザーバ部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、１００  リザーバ、  １１０  流路形成基板用ウェハ、  ３００  圧電素子
【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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