JP3682567B2 - Thin film device manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜デバイス及びその製造方法に関し、特に、インク滴を吐出する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、この振動板の表面の圧電体層を形成して、圧電体層の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドに適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドには、圧力発生室を機械的に変形させてインクを加圧する圧電振動型と、圧力発生室の中に発熱素子を設け、発熱素子の熱で発生した気泡の圧力によりインクを加圧するバブルジェット型との2種類のものが存在する。そして圧電振動型の記録ヘッドは、さらに軸方向に変位する圧電振動子を使用した第1の記録ヘッドと、たわみ変位する圧電振動子を使用した第2の記録ヘッドとの2種類に分類される。第1の記録ヘッドは、高速駆動が可能でかつ高い密度での記録が可能である反面、圧電振動子の加工に切削作業が伴ったり、また圧電振動子を圧力発生室に固定する際に3次元的組立作業を必要として、製造の工程数が多くなるという問題がある。
【0003】
これに対して、第2の記録ヘッドは、シリコン単結晶基板を基材に使用して、圧力発生室やリザーバ等の流路を異方性エッチングにより形成し、また圧電振動子を圧電材料のスパッタリング等の膜形成技術で形成する手法により、弾性膜を極めて薄く、また圧力発生室や圧電振動子を高い精度で形成できるため、圧力発生室の開口面積を可及的に小さくして記録密度の向上を図ることが可能となる。
【0004】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平5−286131号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って薄膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料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て各圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成したものが提案させている。
【0005】
これによれば圧電振動子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付けることができるばかりでなく、圧電振動子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したリソグラフィ法では、通常、圧電体層及び上電極層をイオンミリングなどのドライエッチングによりパターニングするが、この際、圧電体層がダメージを受けて圧電特性が低下するという問題がある。これは、エッチングの際に、上電極層に電荷が溜まって上下電極間で電位差が生じるためと推察される。また、これを防止するために、エッチングの際にイオンガンと被エッチング基板との間にニュートライザを設置してイオンガンからのイオンを電子で中和しながらエッチングする方法があるが、この場合にも、上下電極間には電圧差が生じることになり、圧電体層の圧電特性の低下を完全に防止することはできない。
【0007】
このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、圧電体層を用いる薄膜デバイスにおいて共通して生じる。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の圧電特性の低下を防止した薄膜デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の態様は、基板の一方面に下電極層、圧電体層及び上電極層を順次積層してなる多層膜構造を有する薄膜デバイスの製造方法において、前記下電極層を形成する工程と、この下電極層上に当該下電極層の少なくとも一部が露出する露出部を有するように前記圧電体層を形成する工程と、この圧電体層上に少なくとも前記露出部を介して前記下電極層と接続される前記上電極層を形成する工程と、を備え、前記圧電体層及び前記上電極層をドライエッチングによりパターニングする際に少なくとも前記上電極層を接地することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法にある。
【0010】
かかる態様では、下電極層と上電極層とが露出部で接続され、両者間の電位差が無い状態でパターニングできる。
【0011】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記接地用パターンは、前記基板の端部まで前記下電極層上に延設された前記圧電体層及び前記上電極層からなることを特徴とする薄膜デバイスにある。
【0012】
かかる第2の態様では、基板の端部まで延設された上電極層が、接地された状態でパターニングできる。
【0013】
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記接地用パターンの痕跡は、前記基板の端部まで前記下電極層上に延設された前記圧電体層からなることを特徴とする薄膜デバイスにある。
【0014】
かかる第3の態様では、基板の端部まで延設された圧電体層上の上電極層を接地した状態で圧電体層をパターニングした後、不要な上電極層のみを除去することにより、圧電特性を低下させることなくパターニングできる。
【0015】
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記基板は、インクジェット記録ヘッドの流路形成基板であり、当該基板は他方面にノズル開口に連通すると共に複数の隔壁で区画された圧力発生室の列を備え、前記一方面に形成された前記多層膜構造は、前記圧力発生室の一部を構成する振動板上の前記圧力発生室に対向する領域に形成された圧電体能動部を構成することを特徴とする薄膜デバイスにある。
【0016】
かかる第4の態様では、圧電体層の圧電特性の低下させることなく圧電体能動部をパターニングすることができる。
【0017】
本発明の第5の態様は、第4の態様において、前記接地用パターンの痕跡は、前記各圧力発生室に対向する領域に設けられた前記圧電体能動部同士を相互に連結する前記圧電体層からなる連結部を含むことを特徴とする薄膜デバイスにある。
【0018】
かかる第5の態様では、連結部上の上電極層を介して、各圧電体能動部を接地した状態でパターニングし、各圧電体能動部を接続する上電極層を除去することにより、圧電特性を低下させることなくパターニングできる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0030】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す組立斜視図であり、図2(a)及び(b)は、その1つの圧力発生室の長手方向及びそれに交差する方向におけるそれぞれの断面構造を示す図である。
【0031】
図示するように、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る。流路形成基板10としては、通常、150〜300μm程度の厚さのものが用いられ、望ましくは180〜280μm程度、より望ましくは220μm程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【0032】
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0.1〜2μmの弾性膜50が形成されている。
【0033】
一方、流路形成基板10の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11により区画された圧力発生室12の列13が2列と、2列の圧力発生室12の三方を囲むように略コ字状に配置されたリザーバ14と、各圧力発生室12とリザーバ14とを一定の流体抵抗で連通するインク供給口15がそれぞれ形成されている。なお、リザーバ14の略中央部には、外部から当該リザーバ14にインクを供給するためのインク導入孔16が形成されている。
【0034】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をKOH等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて(110)面に垂直な第1の(111)面と、この第1の(111)面と約70度の角度をなし且つ上記(110)と約35度の角度をなす第2の(111)面とが出現し、(110)面のエッチングレートと比較して(111)面のエッチングレートが約1/180であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第1の(111)面と斜めの二つの第2の(111)面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室12を高密度に配列することができる。
【0035】
本実施形態では、各圧力発生室12の長辺を第1の(111)面で、短辺を第2の(111)面で形成している。この圧力発生室12は、流路形成基板10をほぼ貫通して弾性膜50に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜50は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室12の一端に連通する各インク供給口15は、圧力発生室12より浅く形成されている。すなわち、インク供給口15は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング(ハーフエッチング)することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【0036】
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給口15とは反対側で連通するノズル開口17が穿設されたノズルプレート18が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート18は、厚さが例えば、0.1〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート18は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
【0037】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室12の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口17の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合、ノズル開口17は数十μmの径で精度よく形成する必要がある。
【0038】
一方、流路形成基板10の開口面とは反対側の弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.5μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1μmの圧電体膜70と、厚さが例えば、約0.1μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電振動子(圧電素子)を構成している。このように、弾性膜50の各圧力発生室12に対向する領域には、各圧力発生室12毎に独立して圧電振動子が設けられている。本実施形態では、下電極膜60を圧電振動子の共通電極とし、上電極膜80を圧電振動子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12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。本実施形態では、詳細を後述するように、圧力発生室12毎に圧電体膜70及び上電極膜80を形成している。
【0039】
そして、このような流路形成基板10及びノズルプレート18は、これらを保持する凹部を有する固定部材20に固定される。
【0040】
ここで、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板10上に、圧電体膜70等を形成するプロセスを図3及び図4を参照しながら説明する。
【0041】
図3(a)に示すように、まず、流路形成基板10となるシリコン単結晶基板のウェハを約1100℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜50を形成する。
【0042】
次に、図3(b)に示すように、スパッタリングで下電極膜60を形成する。下電極膜60の材料としては、Pt等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜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70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、殊に、圧電体膜70としてPZTを用いた場合には、PbO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Ptが好適である。
【0043】
次に、図3(c)に示すように、圧電体膜70を成膜する。この圧電体膜70の成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実施形態では、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、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体膜70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜70の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。
【0044】
次に、図3(d)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、Al、Au、Ni、Pt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、Ptをスパッタリングにより成膜している。
【0045】
次に、図3(e)に示すように、各圧力発生室12それぞれに対して圧電振動子を配設するように、上電極膜80及び圧電体膜70のパターニングを行う。図3(e)では圧電体膜70を上電極膜80と同一のパターンでパターニングを行った場合を示しているが、上述したように、圧電体膜70は必ずしもパターニングを行う必要はない。これは、上電極膜80のパターンを個別電極として電圧を印加した場合、電界はそれぞれの上電極膜80と、共通電極である下電極膜60との間にかかるのみで、その他の部位には何ら影響を与えないためである。しかしながら、この場合には、同一の排除体積を得るためには大きな電圧印加が必要となるため、圧電体膜70もパターニングするのが好ましい。また、この後、下電極膜60をパターニングして不要な部分を除去する。
【0046】
ここで、パターニングには、レジストパターンを形成した後、エッチング等を行うことにより実施する。
【0047】
レジストパターンは、例えば、ネガレジストをスピンコートなどにより塗布し、所定形状のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより形成する。なお、勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。
【0048】
また、エッチングは、ドライエッチング装置、例えば、イオンミリング装置を用いて二酸化シリコン膜が露出するまで行う。なお、エッチング後には、レジストパターンをアッシング装置等を用いて除去する。
【0049】
また、ドライエッチング法としては、イオンミリング法以外に、反応性エッチング法等を用いてもよい。また、ドライエッチングの代わりにウェットエッチングを用いることも可能であるが、ドライエッチング法と比較してパターニング精度が多少劣り、上電極膜80の材料も制限されるので、ドライエッチングを用いるのが好ましい。
【0050】
本実施形態では、上述したように圧電体膜70及び上電極膜80をパターニングして圧電体能動部320を形成する際に、上電極膜80及び下電極膜60を接地させるようにしている。すなわち、図4に示すように、各圧力発生室12に対向する圧電体膜70及び上電極膜80を含む圧電体能動部320の一端部から延設される接地用延設部331及びこれらを連結し、流路形成基板10の端部まで延設されている接地連結用パターン332を設け、これを後述するようにウェハの端部に設けた接地部まで接続して接地するようにしたものである。
【0051】
図5は、このように接地した状態で圧電体能動部320をパターニングする際のウェハ全体を模式的に示したものであり、各流路形成基板10の上述した接地連結用パターン332を連結し、ウェハ1の端部に設けた接地部330まで延設された接地連結用パターン340が設けられている。
【0052】
ここで、接地部330は、下電極膜60と上電極膜80とを短絡させて接地したものである。例えば、図6に模式的に示すように、ウェハ1に形成された弾性膜50上に下電極膜60を形成し(図6(a)及び(b))、この上に圧電体層60を、例えば、ゾル−ゲル法で形成する際に、ウェハ1の外縁部のみをリンスすることにより、外縁部の下電極膜60を露出する(図6(c))。そして、この上に上電極膜80を形成することにより、下電極膜60と上電極膜80との短絡部335が形成される。従って、この短絡部335を介して接地を行うことにより、下電極膜60及び上電極膜80の両者が接地される。
【0053】
このように圧電体能動部320をパターニングする際に、各圧電体能動部320の上電極膜80及び下電極膜60を、接地用パターンを介して接地部330で接地するようにすると、上電極膜80に電荷がたまることなくパターニングされる。したがって、上下電極間で電位差を生じることが無く、パターニングの際に圧電体膜70が受けるダメージを低減することができる。
【0054】
その後、接地用パターンとして流路形成基板10内に設けた接地用延設部331及び接地連結用パターン332の少なくとも上電極膜80を除去して各圧電体能動部320の接続を絶つ。なお、この場合、圧電体能動部320より幅狭に形成した接地用延設部331の上電極膜80は除去しなくてもよい。また、接地用延設部331及び接地連結用パターン332は、圧電体膜70まで除去してもよい。何れにしても、各圧電体能動部320の少なくとも圧電体膜70、または圧電体層70が圧電体能動部320のパターニングとは別に除去された痕跡が流路形成基板10の端部まで延設されることになる。なお、各流路形成基板10の外部のウェハ1上に形成された接地連結用パターン340は、各流路形成基板10への切断の際に除去されるので、特に除去する必要はない。
【0055】
なお、上述した例では、下電極膜60と上電極膜80とを短絡させた接地部330を設けて両者を接地するようにしたが、ウェハ1内に薄膜形成の際に必ずしも接地部を設ける必要はなく、薄膜形成後に接地部を設けるようにしてもよい。また、下電極膜60は必ずしも接地する必要はなく、上電極膜80のみを接地するようにしてもよい。
【0056】
次に、このように形成された圧電体能動部320へのリード電極の接続等の手順を説明する。
【0057】
まず、図7(a)に示すように、上電極膜80の周縁部及び圧電体膜70の側面を覆うように絶縁体層90を形成する。この絶縁体層90の好適な材料は上述した通りであるが、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【0058】
次に、図7(b)に示すように、絶縁体層90をパターニングすることにより、各連通部14に対向する部分にコンタクトホール90aを形成する。このコンタクトホール90aは、一端が接続端子部に延びるリード電極100と上電極膜80との接続をするためのものである。
【0059】
次に、例えば、Cr−Auなどの導電体を全面に成膜した後、パターニングすることにより、リード電極100を形成する。
【0060】
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7(c)に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、圧力発生室12等を形成する。なお、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、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。
【0061】
このように構成したインクジェットヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口16からインクを取り込み、リザーバ14からノズル開口17に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リード電極100を介して下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50と圧電体膜70とをたわみ変形させることにより、圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口17からインク滴が吐出する。
【0062】
(実施形態2)
図8は、実施形態2にかかる圧電体能動部のパターンを示す図である。
【0063】
本実施形態は、図8に示すように、流路形成基板10上に圧電体能動部320をパターニングする際、幅方向に隣接する圧電体能動部320の長手方向略中央部に、相互に連結する接地用連結部333を設け、流路形成基板10の端部まで接地連結用パターン334を設けた以外は、基本的には実施形態1と同様である。したがって、上述したように、接地連結用パターン334を介して少なくとも上電極膜80を接地しながら、圧電体能動部320のパターニングを行うことができ、圧電体膜70の圧電特性の低下を防止することができる。
【0064】
また、各接地用連結部333は、パターニング後、少なくとも上電極膜80を除去するようにすればよい点も上述した実施形態と同様である。したがって、各圧電体能動部320間の接地用連結部333の上電極膜80のみ、又は上電極膜80及び圧電体膜70を除去した接地用パターンの痕跡が残ることになる。
【0065】
このような構成により、実施形態1と同様に、圧電体能動部をパターニングする際の圧電体膜のダメージを低減することができるという効果を奏する。
【0066】
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【0067】
例えば、上述したように各圧電体能動部320を連結するためのパターンを流路形成基板10内に設ける必要はなく、各圧電体能動部320のからの上電極膜80をそれぞれ流路形成基板10の端部まで延設するようにしてもよい。この一例を図9に示す。この実施形態は、圧電体能動部320の圧電体膜70及び上電極膜80を圧力発生室12に対向する領域外まで延設し、コンタクトホール及びリード電極を設けない例であるが、各圧電体能動部320毎に、流路形成基板10の端部まで延設された接地用延設部335が設けられている。
【0068】
したがって、上述したように、接地用延設部335を介して少なくとも上電極膜80を接地しながら、圧電体能動部320のパターニングを行うことができ、圧電体膜70の圧電特性の低下を防止することができる。なお、この場合、各圧電体能動部320の上電極膜80は、互いに独立されているので、連結用パターンを除去する必要がないという利点がある。従って、この場合には、接地用パターンがそのまま残留することになる。勿論、接地用延設部335の上電極膜80のみ、又は上電極膜80及び圧電体膜70を除去してもよく、この場合には、接地用パターンの痕跡が残留する。
【0069】
また、例えば、図10(a)に示すように、各圧電体能動部320毎に接地する場合には、圧電体能動部320と同幅のパターンを流路形成基板10の端部まで延設した接地用延設部336を設けてもよい。この接地用延設部336は、そのまま残すこともできるが、図10(b)に示すように、上電極膜80のみを除去して圧電体膜70を残し、その上に、リード電極100を設けるようにしてもよい(図10(c))。
【0070】
また、例えば、図11(a)に示すように、圧電体能動部320の延長部から幅方向にずれた位置に接地用延設部337を設けてもよい。この接地用延設部337は、そのまま残すこともできるが、図11(b)に示すように、上電極膜80のみを除去して圧電体膜70を残し、圧電体能動部320の延長部にはリード電極100を設けるようにしてもよい。
【0071】
何れにしても、このような構成により、実施形態1と同様に、圧電体能動部をパターニングする際の圧電体膜のダメージを低減することができるという効果を奏する。
【0072】
また、上述した実施形態では、流路形成基板10に圧力発生室12と共にリザーバ14を形成しているが、共通インク室を形成する部材を流路形成基板に重ねて設けてもよい。
【0073】
さらに、上述した実施形態では、上電極膜とリード電極との接続部は、何れの場所に設けてもよく、圧力発生室の何れの端部でも又は中央部であってもよい。
【0074】
また、圧電振動子とリード電極との間に絶縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続したり、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング技術を用いて接続したりする構成としてもよい。
【0075】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドの他、他の薄膜デバイスにも応用することができる。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、薄膜デバイスをパターニングの際、上電極膜を接地するための接地用パターンを設け、また、上電極膜と下電極膜とを接続するようにしたので、上下電極間に電位差が生じることが無く、圧電体層の圧電特性の低下を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図2】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図3】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す図である。
【図4】本発明の実施形態1に係る圧電体能動部のパターンを示す図である。
【図5】圧電体能動部をパターニングするウェハを模式的に示した図である。
【図6】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す図である。
【図7】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す図である。
【図8】本発明の実施形態1に係る圧電体能動部のパターンを示す図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係る圧電体能動部のパターンを示す図である。
【図10】本発明の他の実施形態に係る接地用延設部を示す図である。
【図11】本発明の他の実施形態に係る接地用延設部を示す図である。
【符号の説明】
1 ウェハ
10 流路形成基板
12 圧力発生室
14 リザーバ
15 インク供給口
16 インク導入口
17 ノズル開口
18 ノズルプレート
20 固定部材
50 弾性膜
60 下電極膜
70 圧電体膜
80 上電極膜
90 絶縁体層
90a コンタクトホール
100 リード電極
320 圧電体能動部
330 接地部
331,335,336 接地用延設部
332,334,340 接地連結用パターン
333 接地用連結部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film device and a manufacturing method thereof, and in particular, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a diaphragm, and a piezoelectric layer on the surface of the diaphragm is formed. The present invention is suitable for application to an ink jet recording head that ejects ink droplets by displacement of a piezoelectric layer.
[0002]
[Prior art]
The ink jet recording head has a piezoelectric vibration type that pressurizes ink by mechanically deforming a pressure generation chamber, and a heating element provided in the pressure generation chamber, and ink is applied by pressure of bubbles generated by heat of the heating element. There are two types, a bubble jet type that pressurizes. Piezoelectric vibration type recording heads are further classified into two types: a first recording head using a piezoelectric vibrator that is displaced in the axial direction and a second recording head using a piezoelectric vibrator that is flexibly displaced. . The first recording head can be driven at a high speed and can be recorded at a high density. On the other hand, the processing of the piezoelectric vibrator is accompanied by a cutting operation, or is fixed when the piezoelectric vibrator is fixed to the pressure generating chamber. There is a problem that the number of manufacturing steps increases because of the need for a dimensional assembly work.
[0003]
On the other hand, the second recording head uses a silicon single crystal substrate as a base material, and forms flow paths such as a pressure generation chamber and a reservoir by anisotropic etching, and a piezoelectric vibrator is made of a piezoelectric material. By using a film formation technique such as sputtering, the elastic film can be made extremely thin, and the pressure generation chamber and piezoelectric vibrator can be formed with high accuracy. Can be improved.
[0004]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by thin film technology over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. It has been proposed to divide the layer into shapes corresponding to the pressure generation chambers by lithography and form piezoelectric vibrators so that each pressure generation chamber is independent.
[0005]
This eliminates the need to affix the piezoelectric vibrator to the diaphragm, so that not only can the piezoelectric vibrator be created by a precise and simple technique called lithography, but also the thickness of the piezoelectric vibrator can be reduced. There is an advantage that it can be made thin and can be driven at high speed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described lithography method, the piezoelectric layer and the upper electrode layer are usually patterned by dry etching such as ion milling, but at this time, there is a problem that the piezoelectric layer is damaged and the piezoelectric characteristics are deteriorated. This is presumably because electric charges are accumulated in the upper electrode layer during etching and a potential difference is generated between the upper and lower electrodes. In order to prevent this, there is a method of etching while neutralizing the ions from the ion gun with electrons by installing a neutralizer between the ion gun and the substrate to be etched during etching. A voltage difference is generated between the upper and lower electrodes, and the deterioration of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer cannot be completely prevented.
[0007]
Such a problem occurs not only in an ink jet recording head but also in a thin film device using a piezoelectric layer.
[0008]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a thin film device and a method for manufacturing the same, in which deterioration of piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer is prevented.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to an aspect of the present invention for solving the above-described problem, in the method of manufacturing a thin film device having a multilayer structure in which a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer are sequentially laminated on one surface of a substrate, the lower electrode layer is Forming the piezoelectric layer so that at least a part of the lower electrode layer is exposed on the lower electrode layer, and at least the exposed portion on the piezoelectric layer. Forming the upper electrode layer connected to the lower electrode layer, and grounding at least the upper electrode layer when patterning the piezoelectric layer and the upper electrode layer by dry etching And a method for manufacturing a thin film device.
[0010]
In such an embodiment, the lower electrode layer and the upper electrode layer are connected at the exposed portion, and patterning can be performed in a state where there is no potential difference between them.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the grounding pattern includes the piezoelectric layer and the upper electrode layer extending on the lower electrode layer up to an end of the substrate. The thin film device is characterized.
[0012]
In the second aspect, the upper electrode layer extending to the end of the substrate can be patterned while being grounded.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the trace of the grounding pattern is formed of the piezoelectric layer extending on the lower electrode layer up to an end of the substrate. It is in the thin film device.
[0014]
In the third aspect, the piezoelectric layer is patterned in a state where the upper electrode layer on the piezoelectric layer extending to the end of the substrate is grounded, and then only the unnecessary upper electrode layer is removed, whereby the piezoelectric layer is removed. Patterning can be performed without degrading the characteristics.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the substrate is a flow path forming substrate of an ink jet recording head, and the substrate communicates with a nozzle opening on the other surface and has a plurality of partition walls. The multilayer structure formed on the one surface is formed in a region facing the pressure generation chamber on a vibration plate constituting a part of the pressure generation chamber. Further, the present invention resides in a thin film device comprising a piezoelectric active part.
[0016]
In the fourth aspect, the piezoelectric active portion can be patterned without deteriorating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the trace of the grounding pattern is the piezoelectric body that interconnects the piezoelectric active portions provided in regions facing the pressure generation chambers. The thin film device includes a connecting portion including layers.
[0018]
In the fifth aspect, patterning is performed in a state where the respective piezoelectric active portions are grounded via the upper electrode layer on the coupling portion, and the upper electrode layer connecting the respective piezoelectric active portions is removed, thereby obtaining the piezoelectric characteristics. Patterning can be performed without lowering.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an assembled perspective view showing an ink jet recording head according to
[0031]
As shown in the drawing, the flow
[0032]
One surface of the flow
[0033]
On the other hand, two
[0034]
Here, in the anisotropic etching, when the silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded and the first (111) ) Surface and an angle of about 70 degrees and the above (110) and a second (111) surface of about 35 degrees appear, and the (111) surface compared to the etching rate of the (110) surface. The etching rate is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The
[0035]
In the present embodiment, the long side of each
[0036]
Further, a
[0037]
Here, the size of the
[0038]
On the other hand, on the
[0039]
And such a flow-path formation board |
[0040]
Here, a process of forming the
[0041]
As shown in FIG. 3A, first, an
[0042]
Next, as shown in FIG. 3B, the
[0043]
Next, as shown in FIG. 3C, a
[0044]
Next, as shown in FIG. 3D, an
[0045]
Next, as shown in FIG. 3E, the
[0046]
Here, patterning is performed by forming a resist pattern and then performing etching or the like.
[0047]
The resist pattern is formed, for example, by applying a negative resist by spin coating or the like and performing exposure, development, and baking using a mask having a predetermined shape. Of course, a positive resist may be used instead of the negative resist.
[0048]
Etching is performed until the silicon dioxide film is exposed using a dry etching apparatus such as an ion milling apparatus. Note that after the etching, the resist pattern is removed by using an ashing device or the like.
[0049]
In addition to the ion milling method, a reactive etching method or the like may be used as the dry etching method. It is also possible to use wet etching instead of dry etching, but it is preferable to use dry etching because the patterning accuracy is somewhat inferior compared to the dry etching method and the material of the
[0050]
In the present embodiment, as described above, when the piezoelectric
[0051]
FIG. 5 schematically shows the entire wafer when patterning the piezoelectric
[0052]
Here, the grounding
[0053]
When patterning the piezoelectric
[0054]
Thereafter, at least the
[0055]
In the above-described example, the
[0056]
Next, a procedure for connecting the lead electrode to the piezoelectric
[0057]
First, as shown in FIG. 7A, the
[0058]
Next, as shown in FIG. 7B, by patterning the
[0059]
Next, for example, a
[0060]
The above is the film forming process. After film formation in this way, as shown in FIG. 7C, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the alkali solution described above to form the
[0061]
The ink jet head configured in this manner takes in ink from an
[0062]
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a diagram illustrating a pattern of the piezoelectric active portion according to the second embodiment.
[0063]
In this embodiment, as shown in FIG. 8, when patterning the piezoelectric
[0064]
Further, each
[0065]
With this configuration, as in the first embodiment, there is an effect that damage to the piezoelectric film when patterning the piezoelectric active part can be reduced.
[0066]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0067]
For example, as described above, it is not necessary to provide a pattern for connecting the respective piezoelectric
[0068]
Therefore, as described above, it is possible to pattern the piezoelectric
[0069]
Further, for example, as shown in FIG. 10A, when each piezoelectric
[0070]
In addition, for example, as shown in FIG. 11A, a grounding extension 337 may be provided at a position shifted in the width direction from the extension of the piezoelectric
[0071]
In any case, with such a configuration, as in the first embodiment, it is possible to reduce the damage to the piezoelectric film when patterning the piezoelectric active portion.
[0072]
In the above-described embodiment, the
[0073]
Further, in the above-described embodiment, the connection portion between the upper electrode film and the lead electrode may be provided at any location, and may be any end portion or the central portion of the pressure generating chamber.
[0074]
Further, the example in which the insulator layer is provided between the piezoelectric vibrator and the lead electrode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, without providing the insulator layer, an anisotropic conductive film is provided on each upper electrode. It is good also as a structure which heat-welds and connects this anisotropic conductive film with a lead electrode, and connects using various bonding techniques, such as wire bonding.
[0075]
As described above, the present invention can be applied to other thin film devices in addition to ink jet recording heads having various structures as long as the gist thereof is not contradicted.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, when patterning a thin film device, a grounding pattern for grounding the upper electrode film is provided, and the upper electrode film and the lower electrode film are connected. There is no potential difference between the electrodes, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer can be prevented from being lowered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the ink jet recording head according to
FIG. 3 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a pattern of a piezoelectric active part according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a wafer for patterning a piezoelectric active portion.
FIG. 6 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a pattern of a piezoelectric active part according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a pattern of a piezoelectric active part according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a view showing a grounding extension according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a grounding extension according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記下電極層を形成する工程と、
この下電極層上に当該下電極層の少なくとも一部が露出する露出部を有するように前記圧電体層を形成する工程と、
この圧電体層上に少なくとも前記露出部を介して前記下電極層と接続される前記上電極層を形成する工程と、を備え、
前記圧電体層及び前記上電極層をドライエッチングによりパターニングする際に少なくとも前記上電極層を接地することを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。In a method for manufacturing a thin film device having a multilayer film structure in which a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer are sequentially laminated on one surface of a substrate,
Forming the lower electrode layer;
Forming the piezoelectric layer on the lower electrode layer so as to have an exposed portion where at least a part of the lower electrode layer is exposed;
Forming the upper electrode layer connected to the lower electrode layer via at least the exposed portion on the piezoelectric layer, and
A method of manufacturing a thin film device, wherein at least the upper electrode layer is grounded when the piezoelectric layer and the upper electrode layer are patterned by dry etching.
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