KR20050004100A

KR20050004100A - 압전체층의 형성 방법 및 그것에 사용하는 가열 장치, 및압전체층 및 압전 소자

Info

Publication number: KR20050004100A
Application number: KR1020040051475A
Authority: KR
Inventors: 요코우치도시아키; 수미고지
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: CN100433396C; KR100642890B1; CN1577911A; JP2005026517A; US20050109456A1; JP3965579B2; US7137179B2

Abstract

강유전체 전구체막을 확실하게 탈지할 수 있어서 양호한 결정성을 얻을 수 있는 압전체층의 형성 방법 및 그것에 사용되는 가열 장치, 및 양호한 결정성을 갖는 압전체층 및 압전 소자를 제공한다.

기판(203)의 하부 전극(60) 상에 강유전체 전구체막(72)을 적어도 한층 형성하고 강유전체 전구체막(72)을 건조시키는 건조 공정과, 기판(203)을 일정 온도로 가열된 핫 플레이트(202)에 대향하는 영역에 도입하고 근접 핀(203)에 의하여 지지한 상태로 강유전체 전구체막(72)을 탈지하는 탈지 공정과, 탈지한 강유전체 전구체막(72)을 다시 소성하여 강유전체막(71)으로 하는 소성 공정과, 강유전체 전구체막(72)의 건조 공정, 공정 및 소성 공정을 소정 회수 반복함으로써 압전체층(70)을 형성하고, 탈지 공정시에 핫 플레이트(202)와 기판(110)과의 간극을 조절하는 동시에 기판(203)의 핫 플레이트(202)와는 반대측의 공간의 온도를 냉각하고, 강유전체 전구체막(72)의 가열 온도를 조정하는 공정을 갖는다.

Description

압전체층의 형성 방법 및 그것에 사용하는 가열 장치, 및 압전체층 및 압전 소자 {METHOD OF FORMING PIEZOELECTRIC LAYER, HEATING APPARATUS USED IN THE SAME, PIEZOELECTRIC LAYER, AND PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은, 강유전체막으로 이루어지며 압전 소자를 구성하는 압전체층의 형성 방법, 압전체층 및 압전 소자에 관한 것이며, 또한 압전체층으로 되는 강유전체 전구체막을 탈지할 때에 사용되는 가열 장치에 관한 것이다.

강유전체막으로 형성되는 압전체층을 갖는 압전 소자는, 자발 분극(自發分極), 고유전율, 전기 광학 효과, 압전 효과, 초전 효과 등을 갖고 있기 때문에, 광범위한 디바이스, 예를 들면, 잉크젯식 기록 헤드 등에 응용되고 있다. 이와 같은 압전 소자를 구성하는 강유전체막(압전체층)은, 예를 들면, 솔겔(sol gel)법에 의하여 형성된다. 즉, 소정의 기판상에, 예를 들면, 유기 금속 화합물의 솔을 도포함으로써 강유전체 전구체막을 형성하고, 이 강유전체 전구체막을 소정 온도로 가열하여 건조·탈지한 후, 다시 고온에서 소성함으로써 결정화시켜 강유전체막을 얻고 있다.

여기서, 강유전체 전구체막을 탈지할 때, 강유전체 전구체막을 소정 온도로 가열할 필요가 있으나, 그 때에 사용되는 가열 장치로서는, 예를 들면, 핫 플레이트에 대향하는 위치에 상하 방향 이동 가능하게 설치된 근접 핀에 의하여 기판을 지지하고, 이 근접 핀을 하강시켜서 기판과 핫 플레이트와의 간극을 조정하는 것으로 기판의 가열 온도를 조정하는 것이 있다(예를 들면, 특개평 6-181173호 공보 참조).

그렇지만, 이와 같은 가열 장치를 사용하여 강유전체 전구체막의 탈지를 행하면, 강유전체 전구체막을 충분히 탈지할 수 없는 경우가 있다. 즉, 가열 장치는, 안전 등을 위해, 예를 들면 하우징 등의 내부에 배치되기 때문에, 핫 플레이트를 가열하면 이 하우징의 내부 전체의 온도가 상승하고 만다. 이 때문에, 강유전체 전구체막의 표면에 피막이 형성되어서, 강유전체 전구체막 전체를 충분히 탈지할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.

또, 이와 같은 가열 장치를 사용하여 탈지를 행하면, 강유전체 전구체막의 온도가 급격하게 상승하기 때문인지, 강유전체 전구체막 중에 결정핵이 형성되기 어렵고, 강유전체 전구체막을 소성해도 양호하게 결정화되지 않는다고 하는 문제도 있다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여, 강유전체 전구체막을 확실하게 탈지할 수 있어서 양호한 결정성을 얻을 수 있는 압전체층의 형성 방법 및 그것에 사용되는 가열 장치, 및 양호한 결정성을 갖는 압전체층 및 압전 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.

도 1은 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 분해 사시도.

도 2는 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 평면도 및 단면도.

도 3은 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.

도 4는 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.

도 5는 일 실시 형태에 관련된 가열 장치의 개략도.

도 6은 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 개략도.

도 7은 탈지시의 실리콘 웨이퍼의 온도 상승을 나타내는 그래프.

도 8은 일 실시 형태에 관련된 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 유로 형성 기판 12 : 압력 발생실

20 : 노즐 플레이트 21 : 노즐 개구

30 : 봉지 기판 40 : 컴플라이언스 기판

60 : 하부 전극막 70 : 압전체층

71 : 강유전체막 72 : 강유전체 전구체막

80 : 상부 전극막 203 : 실리콘 웨이퍼

200 : 가열 장치 202 : 핫 플레이트

203 : 근접 핀 204 : 하우징

205 : 팬

상기 과제를 해결하는 본 발명의 제1의 양태는, 기판의 한쪽면측에 설치된 하부 전극과, 이 하부 전극상에 설치된 복수층의 강유전체막으로 이루어지는 압전체층과, 이 압전체층 상에 설치된 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성함에 있어서, 상기 기판의 상기 하부 전극상에 강유전체 전구체막을 적어도 한층 형성하고 이 강유전체 전구체막을 건조시키는 건조 공정과, 상기 기판을 일정 온도로 가열된 핫 플레이트에 대향하는 영역에 도입하여 근접 핀에 의하여 지지한 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 탈지 공정과, 탈지한 강유전체 전구체막을 다시 소성하여 상기 강유전체막으로 하는 소성 공정과, 상기 강유전체 전구체막의 상기 건조 공정, 탈지 공정 및 소성 공정을 소정 회수 반복함으로써 상기 압전체층을 형성하고, 또한 상기 탈지 공정시에, 상기 핫 플레이트와 상기 기판과의 간극을 조절하는 동시에 상기 기판의 상기 핫 플레이트와는 반대측의 공간의 온도를 냉각하고, 상기 강유전체 전구체막의 가열 온도를 조정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법에 있다.

이러한 제1의 양태에서는, 강유전체 전구체막을 최적의 가열 온도로 가열할 수 있고, 또 공간을 냉각하는 것으로 강유전체 전구체막의 표면에 피막이 형성되는 일이 없기 때문에, 강유전체 전구체막 전체가 양호하게 탈지된다.

본 발명의 제2의 양태는, 제1의 양태에 있어서, 첫 회의 탈지 공정이, 상기 기판과 상기 핫 플레이트와의 사이에 소정 간격을 유지한 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 제1의 공정과, 상기 기판을 상기 핫 플레이트에 접촉시킨 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 제2의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는압전체층의 형성 방법에 있다.

이러한 제2의 양태에서는, 탈지시에 최적의 승온률(昇溫率)로 강유전체 전구체막이 가열되기 때문에, 강유전체 전구체막 전체가 양호하게 탈지되는 동시에, 다수의 결정핵이 양호하게 형성된다.

본 발명의 제3의 양태는, 제1 또는 제2의 양태에 있어서, 상기 기판의 표면 부근에 기류를 발생시킴으로써 상기 공간의 온도를 냉각하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법에 있다.

이러한 제3의 양태에서는, 상기 공간의 온도를 비교적 용이하게 또한 충분히 냉각할 수 있다.

본 발명의 제4의 양태는, 제1∼3의 어느 한 양태에 있어서, 상기 공간의 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법에 있다.

이러한 제4의 양태에서는, 강유전체 전구체막의 표면에 피막이 형성되는 것을 확실하게 방지할 수 있고, 강유전체 전구체막이 양호하게 탈지된다.

본 발명의 제5의 양태는, 제4의 양태에 있어서, 상기 핫 플레이트를 300℃∼500℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법에 있다.

이러한 제5의 양태에서는, 강유전체 전구체막을 양호하게 탈지할 수 있다.

본 발명의 제6의 양태는, 제1∼5의 어느 한 양태의 형성 방법에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전체층에 있다.

이러한 제6의 양태에서는, 압전체층의 결정성이 향상된다.

본 발명의 제7의 양태는, 제6의 양태의 압전체층을 구비하는 것을 특징으로하는 압전 소자에 있다.

이러한 제7의 양태에서는, 압전체층의 결정성이 향상되고, 변위 특성 등, 압전 소자의 각종 특성이 향상된다.

본 발명의 제8의 양태는, 일정 온도로 가열된 핫 플레이트와, 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되고 상기 핫 플레이트에 대향하는 영역에 소정의 기판을 지지하는 근접 핀을 구비하는 동시에, 상기 기판의 적어도 상기 핫 플레이트와는 반대측의 공간의 온도를 해당 기판의 상기 핫 플레이트 측의 온도보다도 낮은 소정 온도 이하로 냉각하는 냉각 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 장치에 있다.

이러한 제8의 양태에서는, 강유전체 전구체막을 최적의 가열 온도로 가열할 수 있고, 또 공간을 냉각하는 것으로 강유전체 전구체막의 표면에 피막이 형성되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 강유전체 전구체막이 양호하게 탈지된다.

본 발명의 제9의 양태는, 제8의 양태에 있어서, 상기 냉각 수단이, 상기 기판의 적어도 상기 핫 플레이트와는 반대측의 표면 부근에 기류를 발생시키는 기류 발생 수단인 것 특징으로 하는 가열 장치에 있다.

이러한 제9의 양태에서는, 상기 공간의 온도를 비교적 용이하게 또한 충분히 냉각할 수 있기 때문에, 기판 표면 전체의 온도를 일정 이하로 유지하는 것이 용이하다.

본 발명의 제10의 양태는, 제8 또는 제9의 양태에 있어서, 상기 냉각 수단은 상기 공간의 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 가열 장치에 있다.

이러한 제10의 양태에서는, 강유전체 전구체막의 표면에 피막이 형성되는 것을 확실하게 방지할 수 있고, 강유전체 전구체막이 양호하게 탈지된다.

본 발명의 제11의 양태는, 제10의 양태에 있어서, 상기 핫 플레이트의 가열 온도가 300℃∼500℃인 것을 특징으로 하는 가열 장치에 있다.

이러한 제11의 양태에서는, 강유전체 전구체막을 양호하게 탈지할 수 있다.

<발명의 실시 형태>

이하에 본 발명을 실시 형태에 근거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 압전 소자를 구비하는 잉크젯식 기록 헤드의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도 및 단면도이다. 도시하는 바와 같이, 유로 형성 기판(10)은, 본 실시 형태에서는 면방위(面方位)(110)의 실리콘 단결정 기판으로 이루어지며, 그 한쪽면측에는 이방성(異方性) 에칭에 의하여 형성되어 격벽(11)으로 구획된 복수의 압력 발생실(12)이 그 폭방향으로 병설되어 있다. 또, 압력 발생실(12)의 길이 방향 외측에는, 후술하는 봉지(封止) 기판의 리저버(reservoir)부와 연통하여 리저버의 일부를 구성하는 연통부(13)가 형성되며, 각 압력 발생실(12)의 길이 방향 일단부와 각각 잉크 공급로(14)를 통하여 연통되어 있다. 또, 유로 형성 기판(10)의 한쪽의 면은 개구면으로 되며, 다른 쪽의 면에는 미리 열산화에 의하여 형성한 이산화 실리콘으로 이루어지는 두께 1∼2㎛의 탄성막(50)이 형성되어 있다.

또, 유로 형성 기판(10)의 개구면측에는, 각 압력 발생실(12)의 잉크 공급로(14)와는 반대측에서 연통되는 노즐 개구(21)가 천공 설치된 노즐 플레이트(20)가 접착제나 열용착 필름 등을 통해서 고착되어 있다.

한편, 이와 같은 유로 형성 기판(10)의 개구면과는 반대측에는, 상술한 것처럼, 두께가 예를 들면 약 1.0㎛의 탄성막(50)이 형성되고, 이 탄성막(50) 상에는, 두께가 예를 들면, 약 0.4㎛의 절연체막(55)이 형성되어 있다. 또한, 이 절연체막(55) 상에는, 두께가 예를 들면 약 0.2㎛의 하부 전극막(60)과, 두께가 예를 들면 약 1.0㎛의 압전체층(70)과, 두께가 예를 들면, 약 0.05㎛의 상부 전극막(80)이, 후술하는 프로세스로 적층 형성되어서, 압전 소자(300)를 구성하고 있다. 여기서, 압전 소자(300)는, 하부 전극막(60), 압전체층(70), 및 상부 전극막(80)을 포함하는 부분을 말한다. 일반적으로는, 압전 소자(300)의 어느 한쪽의 전극을 공통 전극으로 하고, 다른 쪽의 전극 및 압전체층(70)을 각 압력 발생실(12)마다 패터닝(patterning)하여 구성한다. 그리고, 여기서는 패터닝된 어느 한쪽의 전극 및 압전체층(70)으로부터 구성되며, 양 전극에의 전압의 인가에 의하여 압전 왜곡이 생기는 부분을 압전체 능동부(能動部)라고 한다. 본 실시 형태에서는, 하부 전극막(60)은 압전 소자(300)의 공통 전극으로 하고, 상부 전극막(80)을 압전 소자(300)의 개별 전극으로 하고 있으나, 구동 회로나 배선의 형편에 따라 이것을 반대로 해도 지장은 없다. 어느 경우에 있어서도, 각 압력 발생실마다 압전체 능동부가 형성되어 있는 것이 된다. 또, 여기서는, 압전 소자(300)와 해당 압전 소자(300)의 구동에 의하여 변위가 생기는 진동판을 합쳐서 압전 액추에이터라 칭한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 탄성막(50), 절연체막(55) 및 하부 전극막(60)이 진동판으로서 작용한다.

여기서, 압전 소자(300)의 개별 전극인 각 상부 전극막(80)에는, 예를 들면,금(Au) 등으로 이루어지며, 잉크 공급로(14)측의 단부 부근으로부터 압력 발생실(12)의 외측까지 뻗도록 설치되는 리드 전극(90)이 접속되어 있다. 그리고, 이 리드 전극(90)의 선단부 부근에는, 도시하지 않지만 압전 소자(300)를 구동하기 위한 구동 회로에 연결되는 외부 배선이 접속된다.

또, 이와 같은 압전 소자(300)가 형성된 유로 형성 기판(10) 상에는, 압전 소자(300)에 대향하는 영역에 압전 소자(300)의 운동을 저해하지 않을 정도의 공간을 확보한 상태로, 그 공간을 밀봉 가능한 압전 소자 유지부(31)를 갖는 봉지 기판(30)이 접합되어 있다. 이 봉지 기판(30)에 사용되는 재료는, 유로 형성 기판(10)의 선팽창 계수와 거의 동일한 재료, 예를 들면 실리콘 단결정 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 봉지 기판(30)에는, 각 압력 발생실(12)의 공통의 잉크실로 되는 리저버(100)의 적어도 일부를 구성하는 리저버부(32)가 설치되어 있다. 또, 봉지 기판(30)의 압전 소자 유지부(31)와 리저버부(32) 사이의 영역에는, 봉지 기판(30)을 두께 방향으로 관통하는 관통공(33)이 설치되어 있다. 그리고, 각 압전 소자(300)로부터 인출된 리드 전극(90)은, 그 단부 부근이 관통공(33) 내에서 노출되어 있다. 또한, 봉지 기판(30) 상에는, 강성이 낮고 가요성을 갖는 재료로 형성된 봉지막(41)과 금속 등의 경질의 재료로 형성되는 고정판(42)으로 이루어지는 컴플라이언스 기판(40)이 접합되어 있다. 또한, 고정판(42)의 리저버(100)에 대향하는 영역은, 두께 방향으로 완전히 제거된 개구부(43)로 되어 있고, 리저버(100)의 한쪽면은 봉지막(41)만으로 봉지되어 있다.

이와 같은 본 실시 형태의 잉크젯식 기록 헤드는, 도시하지 않는 외부 잉크공급 수단으로부터 잉크를 받아들이고, 리저버(100)로부터 노즐 개구(21)에 이르기까지 내부를 잉크로 채운 후, 도시하지 않는 구동 회로로부터의 기록 신호에 따라, 외부 배선을 통해서 압력 발생실(12)에 대응하는 각각의 하부 전극막(60)과 상부 전극막(80)의 사이에 전압을 인가하여, 탄성막(50), 절연체막(55), 하부 전극막(60) 및 압전체층(70)을 휨 변형시킴으로써, 각 압력 발생실(12) 내의 압력이 높아져서 노즐 개구(21)로부터 잉크 방울이 토출된다.

이하, 이와 같은 본 실시 형태에 관련된 잉크젯식 기록 헤드의 제조 방법에 대하여 도 3∼도 6을 참조하여 설명한다. 먼저, 도 3의 (a)에 나타낸 것처럼, 유로 형성 기판(10)으로 되는 실리콘 웨이퍼(110)를 약 1100℃의 확산로에서 열산화(熱酸化)하여 탄성막(50) 및 마스크막(51)으로 되는 이산화 실리콘막(52)을 전체면에 형성한다. 이어서, 도 3의 (b)에 나타낸 것처럼, 탄성막(50)(이산화 실리콘막(52)) 상에, 지르코늄(Zr)층을 형성한 후, 예를 들면, 500∼1200℃의 확산로에서 열산화하여 산화 지르코늄(ZrO₂)으로 이루어지는 절연체막(55)을 형성한다. 이어서, 도 3의 (c)에 나타낸 것처럼, 예를 들면, 백금과 이리듐으로 이루어지는 하부 전극막(60)을 절연체막(55) 상에 형성하고 소정 형상으로 패터닝한다. 이 하부 전극막(60)의 재료로서는, 백금, 이리듐 등이 매우 적합하지만, 이것은 스패터링법이나 솔겔법으로 성막하는 후술하는 압전체층(70)은, 성막 후에 대기 분위기 하에서 또는 산소 분위기 하에서 600∼1000℃ 정도의 온도로 소성하여 결정화시킬 필요가 있기 때문이다. 즉, 하부 전극막(60)의 재료는, 이와 같은 고온, 산화 분위기 하에서 도전성을 유지할 수 있지 않으면 안되고, 본 실시 형태와 같이, 압전체층(70)으로서 티탄산 지르콘 산연(PZT)을 사용하는 경우에는, 산화연의 확산에 의한 도전성의 변화가 적은 것이 바람직하며, 이러한 이유로부터 백금, 이리듐 등이 매우 적합하다.

다음에, 도 3의 (d)에 나타낸 것처럼, 하부 전극막(60) 상에 압전체층(70)을 형성한다. 압전체층(70)은, 상술한 것처럼 복수층의 강유전체막(71)을 적층함으로써 형성되며, 본 실시 형태에서는 이들 강유전체막(71)을 이른바 솔겔법을 이용하여 형성하고 있다. 즉, 금속 유기물을 촉매에 용해·분산시키며 솔을 도포 건조하고 겔화하여 강유전체 전구체막을 형성하고, 또한 이 강유전체 전구체막을 탈지하여 유기 성분을 이탈시킨 후, 소성하여 결정화시키는 것으로 강유전체막(71)을 형성하고 있다.

구체적으로는, 먼저 도 4의 (a)에 나타낸 것처럼, 하부 전극막(60) 상을 포함하는 실리콘 웨이퍼(110)의 전체면에, 티탄 또는 산화 티탄으로 이루어지는 결정종(結晶種)(층)(65)을 스패터법으로 형성한다. 이어서, 도 4의 (b)에 나타낸 것처럼, 예를 들면, 스핀 코트법 등의 도포법에 의하여 미결정의 강유전체 전구체막(72)을 소정의 두께, 본 실시 형태에서는 0.2㎛ 정도의 두께로 형성한다(성막 공정). 또한, 한번의 도포에 의하여 형성되는 강유전체 전구체막(72)의 두께는 약 0.1㎛ 정도이기 때문에, 본 실시 형태에서는 2회의 도포에 의하여 약 0.2㎛ 정도의 두께의 강유전체 전구체막(72)을 형성하고 있다.

이어서, 이 강유전체 전구체막(72)을 소정 온도로 소정 시간 건조시킨다(건조 공정). 강유전체 전구체막(72)을 건조시키는 온도는, 예를 들면 150℃ 이상 200℃ 이하인 것이 바람직하고, 매우 적합하게는 180℃ 정도이다. 또, 건조시키는 시간은, 예를 들면 5분 이상 15분 이하인 것이 바람직하고, 매우 적합하게는 10분 정도이다.

다음에, 후술하는 가열 장치에 의하여 실리콘 웨이퍼(203)를 가열하는 것으로 강유전체 전구체막(72)을 소정 시간, 예를 들면 10∼15분 정도 탈지한다(탈지 공정). 또한, 여기서 말하는 탈지란, 강유전체 전구체막의 유기 성분, 예를 들면 NO₂, CO₂, H₂O 등을 이탈시키는 것이다. 이와 같은 탈지 공정에서의 실리콘 웨이퍼(110)의 가열 온도는, 300℃ 이상 500℃ 이하의 범위가 바람직하다. 온도가 너무 높으면 강유전체 전구체막(72)의 결정화가 시작되고 말며, 온도가 너무 낮으면 충분한 탈지를 행할 수 없기 때문이다.

또, 이와 같은 온도까지 실리콘 웨이퍼(110)를 가열하는 경우라도, 강유전체 전구체막(72)측의 공간의 온도는 200℃ 이하로 억제되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 강유전체 전구체막(72)의 표면에 카본(carbon)이 잔류한 피막이 형성되는 일이 없고, 탈지 공정에 의하여 유기 성분이 강유전체 전구체막(72)으로부터 확실히 이탈된다.

이와 같은 온도 제어를 실현하기 위해, 본 발명에서는,이하에 설명하는 가열 장치를 사용하고 있다. 본 발명에 관련된 가열 장치(200)는, 도 5에 나타낸 것처럼, 내부에 히터(201)를 갖는 핫 플레이트(202)와, 핫 플레이트(202)에 대향하는영역에 실리콘 웨이퍼(110)를 지지하는 복수의 근접 핀(203)을 가지며, 이들이 하우징(204) 내에 배치되어 있다. 또, 하우징(204)에는 실리콘 웨이퍼(110)의 핫 플레이트(202)와는 반대측의 공간의 온도를 냉각하는 냉각 수단, 본 실시 형태에서는, 하우징(204) 내에 외기를 유입시키는 팬(205)이 설치되어 있다. 그리고, 탈지 공정에 있어서, 핫 플레이트(202)와 실리콘 웨이퍼(110)의 간격을 조절하는 동시에 실리콘 웨이퍼(110)의 핫 플레이트(202)와는 반대측의 공간의 온도를 냉각하고, 강유전체 전구체막(72)의 가열 온도를 조정하도록 하였다.

또, 본 실시 형태에서는, 이와 같은 가열 장치(200)를 사용한 탈지 공정에 있어서, 동시에 강유전체 전구체막(72)에 결정핵을 성장시키고 있다. 이 때문에, 탈지 공정은 실리콘 웨이퍼(110)를 핫 플레이트(202)와의 사이에 소정 간격을 유지한 상태에서 가열하고 강유전체 전구체막(72)을 탈지하는 제1의 탈지 공정과, 실리콘 웨이퍼(110)를 핫 플레이트(202)에 접촉시킨 상태에서 가열하고 강유전체 전구체막(72)을 탈지하는 제2의 탈지 공정을 갖는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 먼저 도 6의 (a)에 나타낸 것처럼, 핫 플레이트(202)를 소정의 온도, 본 실시 형태에서는 400℃로 가열한 상태에서, 예를 들면, 로봇 암 등으로 실리콘 웨이퍼(110)를 핫 플레이트(202)에 대향하는 영역에 도입하고, 근접 핀(203)에 의하여 실리콘 웨이퍼(110)를 지지한다. 그리고, 도 6의 (b)에 나타낸 것처럼, 근접 핀(203)을 하강시켜서, 핫 플레이트(202)와 실리콘 웨이퍼(110)와의 간극이 소정 간격 d로 되는 위치에서 정지시킨다. 이 상태에서 실리콘 웨이퍼(110)를 핫 플레이트(202)의 폭사열(輻射熱)에 의하여 가열하고, 강유전체 전구체막(72)을 일정 시간, 예를 들면 5분 정도 탈지한다(제1의 탈지 공정). 이것에 의해, 실리콘 웨이퍼(110) 상의 강유전체 전구체막(72)은, 소정의 승온률로 380℃ 정도까지 가열되고, 강유전체 전구체막(72)으로부터 유기 성분이 이탈되는 동시에 결정핵이 다수 형성된다.

여기서, 제1의 탈지 공정에 있어서 강유전체 전구체막(72)에 결정핵이 양호하게 형성되기 위해서는, 강유전체 전구체막(72)의 온도를 비교적 느린 승온률로 상승시키는 것이 바람직하고, 예를 들면, 250℃로부터 300℃로 상승할 때의 승온률은 1.5∼2℃/초 정도인 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 실시 형태의 강유전체 전구체의 경우, 도 7에 나타낸 것처럼, 실리콘 웨이퍼(110)는 핫 플레이트(202)와의 사이에 소정 간격 d를 2mm 정도로 하는 것으로 원하는 승온률을 얻을 수 있다. 또한, 간격 d를 1mm 정도로 하면 강유전체 전구체막(72)의 온도의 승온률이 너무 높아지고, 간격 d를 5mm 정도로 하면 역으로 승온률이 너무 낮아지므로, 어차피 결정핵이 형성되기 어려워지고 만다. 이와 같은 이유로부터, 실리콘 웨이퍼(110)와 핫 플레이트(202)의 간극 d를 2mm으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 제1의 탈지 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼(110)와 핫 플레이트(202)와의 간극 d는, 강유전체 전구체막(72)의 성분 등에 따라, 원하는 승온률로 되도록 적절히 결정되면 된다.

그리고, 강유전체 전구체막(72)에 결정핵이 형성된 단계에서, 도 6의 (c)에 나타낸 것처럼, 근접 핀(203)을 더욱 하강시켜서, 실리콘 웨이퍼(110)를 핫 플레이트(202)에 접촉시킨 상태로 400℃까지 가열하고, 강유전체 전구체막(72)을 수십 초정도 탈지한다(제2의 탈지 공정). 또, 본 실시 형태에서는, 탈지 공정에 있어서는, 가열 장치(200)의 팬(205)을 항상 작동시켜, 실리콘 웨이퍼(110)의 표면 부근의 공간에 기류를 발생시켜서 냉각하고 있기 때문에, 실리콘 웨이퍼(110)와 핫 플레이트(202)와의 간극에 관계없이, 강유전체 전구체막(72)의 표면의 온도는 항상 200℃ 이하로 억제되고 있다.

이와 같이 강유전체 전구체막(72)의 탈지를 행함으로써, 제1의 탈지 공정에 있어서, 강유전체 전구체막(72)을 탈지하면서 결정핵을 양호하게 형성할 수 있고, 또한 제2의 탈지 공정에 있어서 탈지 속도가 앞당겨지기 때문에, 강유전체 전구체막(72)의 탈지 시간을 단축할 수 있고 작업 효율이 향상된다. 또, 탈지 공정시에는, 실리콘 웨이퍼(110)의 표면 부근의 공간의 온도는 항상 200℃ 이하로 억제되어 있기 때문에, 핫 플레이트(202)에 의한 강유전체 전구체막(72)의 가열 온도를 비교적 높게 하여도, 강유전체 전구체막(72)을 양호하게 탈지할 수 있다.

또한, 이와 같은 탈지 공정 종료 후에는, 실리콘 웨이퍼(110)를 확산로 등에서 약 700℃로 가열함으로써, 강유전체 전구체막(72)을 소성하여 결정화시켜서 제1층째의 강유전체막(71)을 형성한다(소성 공정). 그리고, 이와 같은 성막 공정, 건조 공정, 탈지 공정 및 소성 공정을 복수 회, 본 실시 형태에서는, 5회 반복하여 복수층의 강유전체막(71)을 형성함으로써 전체로서 약 1㎛ 두께의 압전체층(70)으로 된다(도4의 (c) ).

또, 상술한 탈지 공정, 즉 제1층째의 강유전체막(71)을 형성할 때의 탈지 공정은, 제1의 탈지 공정과 제2의 탈지 공정을 갖는 것이 바람직하지만, 제2층째 이후의 강유전체막(71)을 형성할 때의 탈지 공정은, 처음부터 실리콘 웨이퍼를 핫 플레이트에 접촉시킨 상태에서 가열하고 강유전체 전구체막을 탈지하면 된다. 제2층째 이후의 강유전체막(71)은, 제1층째의 강유전체막(71)의 결정을 핵으로서 결정 성장하기 때문에, 별도 결정핵을 형성할 필요는 없기 때문이다.

또, 그 후는, 도 8의 (a)에 나타낸 것처럼, 상부 전극막(80)을 성막한다. 상부 전극막(80)은, 도전성이 높은 재료이면 되며, 이리듐, 알루미늄, 금, 니켈, 백금 등의 대부분의 금속이나, 도전성 산화물 등을 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 백금을 스패터링에 의하여 성막하고 있다. 다음에, 도 8의 (b)에 나타낸 것처럼, 압전체층(70) 및 상부 전극막(80)만을 에칭하여 압전 소자(300)의 패터닝을 행한다. 이어서, 도 8의 (c)에 나타낸 것처럼 리드 전극(90)을 형성한다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 금 등으로 이루어지는 금속막(90A)을 실리콘 웨이퍼(110)의 전체면에 걸쳐 형성하고, 그 후, 이 금속막(90A)을 압전 소자(300)마다 패터닝함으로써 각 리드 전극(90)을 형성하였다.

이상이 막 형성 프로세스이다. 이와 같이 하여 막 형성을 행한 후, 도 8의 (d)에 나타낸 것처럼, 실리콘 웨이퍼(110)에 봉지 기판(30)을 접합하여, 소정 형상으로 패터닝 한 마스크막(51)을 통해서 실리콘 웨이퍼(110)를 에칭함으로써 압력 발생실(12) 등을 형성한다. 또한, 실제로는, 상술한 일련의 막 형성 및 이방성 에칭에 의하여 1장의 실리콘 웨이퍼(110) 위에 다수의 칩을 동시에 형성한다. 그리고 상기 프로세스 종료후, 상술한 노즐 플레이트(20) 및 컴플라이언스 기판(40)을 접착하여 일체화하며, 그 후, 도 1에 나타낸 것과 같은 １개의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10)마다 분할함으로써 잉크젯식 기록 헤드로 한다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태를 설명했지만, 본 발명의 구성은 상술한 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상술한 실시 형태에서는, 가열 장치에 냉각 수단으로서 팬을 설치하도록 하였으나, 냉각 수단은 실리콘 웨이퍼의 표면 부근의 공간의 온도를 소정 온도로 냉각할 수 있는 것이면 된다. 또, 상술한 실시 형태에서는, 잉크젯식 기록 헤드를 일례로서 설명했지만, 본 발명의 압전체층의 형성 방법은, 다른 디바이스에 사용되는 압전체층의 형성에도 적용할 수 있다. 물론, 가열 장치도 모든 디바이스의 압전체층을 형성할 때에 채용할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 압전체층을 갖는 압전 소자가 탑재된 장치의 일례로서, 잉크젯식 기록 헤드를 예시하였으나, 물론 본 발명은, 잉크젯식 기록 헤드 이외의, 예를 들면 액정 디스플레이 등의 컬러 필터의 제조에 사용되는 색재 분사 헤드, 유기 EL 디스플레이, FED(면 발광 디스플레이) 등의 전극 형성에 사용되는 전극재 분사 헤드, 바이오 칩 제조에 사용되는 생체 유기물 분사 헤드 등의 각종 액체 분사 헤드에 탑재되는 압전 소자에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 액체 분사 헤드에 탑재되는 압전 소자뿐만 아니라, 다른 모든 장치에 탑재되는 압전 소자에도 적용할 수 있음은 말할 것도 없다. 경사

Claims

기판의 한쪽면측에 설치된 하부 전극과, 이 하부 전극상에 설치된 복수층의 강유전체막으로 이루어지는 압전체층과, 이 압전체층 상에 설치된 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성함에 있어서,

상기 기판의 상기 하부 전극상에 강유전체 전구체막(前驅體膜)을 적어도 한층 형성하고 이 강유전체 전구체막을 건조시키는 건조 공정과, 상기 기판을, 일정 온도로 가열된 핫 플레이트에 대향하는 영역에 도입하여 근접 핀(proximate pin)에 의하여 지지한 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 탈지 공정과, 탈지한 강유전체 전구체막을 다시 소성하여 상기 강유전체막으로 하는 소성 공정과, 상기 강유전체 전구체막의 건조 공정, 탈지 공정 및 소성 공정을 소정 회수 반복함으로써 상기 압전체층을 형성하고, 또한 상기 탈지 공정시에, 상기 핫 플레이트와 상기 기판과의 간극을 조절하는 동시에 상기 기판의 상기 핫 플레이트와는 반대측의 공간의 온도를 냉각하고, 상기 강유전체 전구체막의 가열 온도를 조정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법.
제1항에 있어서,

첫 회의 탈지 공정이, 상기 기판과 상기 핫 플레이트와의 사이에 소정 간격을 유지한 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 제1의 공정과, 상기 기판을 상기 핫 플레이트에 접촉시킨 상태로 상기 강유전체 전구체막을 탈지하는 제2의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 기판의 표면 부근에 기류를 발생시킴으로써 상기 공간의 온도를 냉각하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 공간의 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 압전체층의 형성 방법.
제4항에 있어서,

상기 핫 플레이트를 300℃∼500℃로 가열하는 것을 특징으로 한 압전체층의 형성 방법.
제1항의 형성 방법에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전체층.
제6항의 압전체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
일정 온도로 가열된 핫 플레이트와, 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되어서 상기 핫 플레이트에 대향하는 영역에 소정의 기판을 지지하는 근접 핀을 구비함과 동시에, 상기 기판의 적어도 상기 핫 플레이트와는 반대측 공간의 온도를 해당 기판의 상기 핫 플레이트측의 온도보다 낮은 소정 온도 이하로 냉각하는 냉각 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제8항에 있어서,

상기 냉각 수단이, 상기 기판의 적어도 상기 핫 플레이트와는 반대측의 표면 부근에 기류를 발생시키는 기류 발생 수단인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제8항에 있어서,

상기 냉각 수단은 상기 공간의 온도를 200℃ 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
제10항에 있어서,

상기 핫 플레이트의 가열 온도가 300℃∼500℃인 것을 특징으로 하는 가열 장치.