JP2008218620A - Piezoelectric thin film element, method for manufacturing piezoelectric thin film element, ink jet head, and ink jet recording apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体薄膜の圧電性能を向上し、電圧に対する圧電定数の依存性に優れた結晶構造とし、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子の提供、そしてその製造方法の提供、更に圧電体薄膜素子の圧電性能を十分に発揮し、耐電圧性能や駆動信頼性に優れたインクジェットヘッドの提供、およびこのインクジェットを搭載した高画質なインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電体薄膜素子において、圧電体薄膜の結晶粒50と、この結晶粒の間に形成された結晶粒界51を含み、この結晶粒界51と結晶粒50の結晶配向を同一に構成する。
【選択図】図5The present invention provides a piezoelectric thin film element that improves the piezoelectric performance of a piezoelectric thin film, has a crystal structure with excellent dependency of a piezoelectric constant on voltage, provides a high-performance and highly reliable piezoelectric thin film element, and provides a method for manufacturing the piezoelectric thin film element. An object of the present invention is to provide an ink jet head that sufficiently exhibits the piezoelectric performance of the thin film element and has excellent withstand voltage performance and driving reliability, and to provide a high-quality ink jet recording apparatus equipped with the ink jet.
A piezoelectric thin film element includes a crystal grain 50 of a piezoelectric thin film and a crystal grain boundary 51 formed between the crystal grains. The crystal grain boundary 51 and the crystal grain 50 have the same crystal orientation. Constitute.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子、圧電体薄膜素子の製造方法、インクジェットヘッド、およびインクジェット式記録装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric thin film element exhibiting an electromechanical conversion function, a method for manufacturing a piezoelectric thin film element, an ink jet head, and an ink jet recording apparatus.
一般に、圧電体薄膜素子は、圧電体をその厚み方向に2つの電極で挟んでなる積層体を備えている。ここで、圧電体の材料は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する材料である。圧電体材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)(以降、PZTと呼称する)や、このPZTにマグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブなどを添加したものなどがある。 In general, a piezoelectric thin film element includes a laminated body in which a piezoelectric body is sandwiched between two electrodes in the thickness direction. Here, the piezoelectric material is a material that converts mechanical energy into electrical energy, or converts electrical energy into mechanical energy. Typical examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) (hereinafter referred to as PZT) which is an oxide having a perovskite crystal structure, and magnesium, manganese, and PZT. , Nickel, niobium and the like.
特に、ペロブスカイト型結晶構造の正方晶系PZTの場合には<001>軸方向(C軸方向)に、菱面体晶系PZTの場合には<111>軸方向に、大きな圧電変位が得られる。しかし、多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体であり、各結晶軸はあらゆる方向を向いている。このため、自発分極Psもあらゆる方向に配列しているが、圧電性を利用する圧電体薄膜素子の場合には、それらのベクトルの総和が、電界と平行方向になるように作られている。そして、この圧電体薄膜素子の1つの形態である圧電アクチュエータ(上記積層体に振動板を設ける)においては、両電極間に電圧を印加すると、その電圧の大きさに比例した機械的変位を有効に得ることができる。 In particular, a large piezoelectric displacement is obtained in the <001> axis direction (C-axis direction) in the case of tetragonal PZT having a perovskite crystal structure and in the <111> axis direction in the case of rhombohedral PZT. However, many piezoelectric materials are polycrystalline bodies composed of aggregates of crystal grains, and each crystal axis is oriented in every direction. For this reason, the spontaneous polarization Ps is also arranged in all directions, but in the case of a piezoelectric thin film element using piezoelectricity, the sum of those vectors is made to be parallel to the electric field. And, in a piezoelectric actuator which is one form of this piezoelectric thin film element (a diaphragm is provided on the laminate), when a voltage is applied between both electrodes, mechanical displacement proportional to the magnitude of the voltage is effective. Can get to.
圧電体薄膜素子に利用される圧電体薄膜はスパッタ法等の物理的気相成長法(PVD)や化学的気相成長法(CVD)、ゾルゲル法等のスピンコート法等で形成され、従来の焼結体と比較して、圧電体薄膜の膜厚を精度良く、ばらつきが少なく形成できる。またフォトリソグラフィーやドライエッチング等による微細加工が適用できるため、素子の小型化、高密度化に有利である。また最近水熱合成法と呼ばれ、種結晶をアルカリ加熱水中で成長させる技術も提案されている。 A piezoelectric thin film used for a piezoelectric thin film element is formed by a physical vapor deposition method (PVD) such as a sputtering method, a chemical vapor deposition method (CVD), or a spin coating method such as a sol-gel method. Compared to the sintered body, the film thickness of the piezoelectric thin film can be formed with high accuracy and less variation. In addition, microfabrication by photolithography, dry etching, or the like can be applied, which is advantageous for downsizing and high density of elements. Recently, a technique called a hydrothermal synthesis method has been proposed in which seed crystals are grown in alkali-heated water.
この圧電体薄膜素子の圧電体薄膜は一般的に多結晶体からなり、その結晶構造は圧電体薄膜を成す複数の結晶粒と、この結晶粒間に存在する結晶粒界から構成され、これらを改良して圧電体特性を高めるための種々の試みが提案されている。特に圧電体薄膜の耐電圧特性の優劣の程度を決めるものとして、結晶粒内の例えば酸素欠損等の欠陥による影響と結晶粒径や結晶粒界の状態による影響が考えられており、例えば(特許文献1)、(特許文献2)、(特許文献3)等に、いくつかの知見と改良案が開示されている。
The piezoelectric thin film of this piezoelectric thin film element is generally composed of a polycrystalline body, and its crystal structure is composed of a plurality of crystal grains forming the piezoelectric thin film and crystal grain boundaries existing between the crystal grains. Various attempts have been proposed to improve and enhance the piezoelectric properties. In particular, to determine the degree of superiority or inferiority of the withstand voltage characteristic of the piezoelectric thin film, the influence of defects such as oxygen vacancies in the crystal grains and the influence of the crystal grain size and the state of the crystal grain boundaries are considered, for example (patent Document 1),
また圧電性能の向上についても種々の検討が行われ、その1つとして、例えば(非特許文献1)等には、MgO等の単結晶基板上にPt電極、PZT薄膜をエピタキシャル成長により形成し、単結晶のPZT薄膜を形成する事が提案されている。 Various studies have also been made on improving the piezoelectric performance. For example, in (Non-patent Document 1), a Pt electrode and a PZT thin film are formed on a single crystal substrate such as MgO by epitaxial growth. It has been proposed to form crystalline PZT thin films.
エピタキシャル成長により形成されたPZT薄膜は結晶粒界がないため、圧電体薄膜に電界を印加して分極させても、初めから分極軸方向が揃っているため、非常に良好な分極の履歴が得られ、これにより高い圧電特性とともに印加した電圧履歴に対しても高い追従性と再現特性を示す。 Since the PZT thin film formed by epitaxial growth has no crystal grain boundaries, even if an electric field is applied to the piezoelectric thin film for polarization, the polarization axis direction is aligned from the beginning, so a very good polarization history is obtained. As a result, high followability and reproducibility are exhibited with respect to applied voltage history as well as high piezoelectric characteristics.
これに対して多結晶体で構成される圧電体薄膜では、構成される圧電体のドメイン(結晶粒)は電圧印加時に分極方向を電界方向に合わせるように移動する。例えば(特許文献4)には、その時に結晶粒と結晶粒の間に形成される結晶粒界が圧電体薄膜の残留歪や歪特性(変位特性)および耐電圧特性に対して大きな影響を与えることが開示されている。 On the other hand, in a piezoelectric thin film composed of a polycrystalline material, the domain (crystal grains) of the composed piezoelectric material moves so that the polarization direction matches the electric field direction when a voltage is applied. For example, in (Patent Document 4), a crystal grain boundary formed between crystal grains at that time greatly affects the residual strain, strain characteristics (displacement characteristics), and withstand voltage characteristics of the piezoelectric thin film. It is disclosed.
更に(特許文献4)には、結晶粒界に異物が少ないか、ほとんどない場合は、圧電体薄膜のドメインの移動が少なく、ドメイン移動により結晶粒界の空隙発生を抑制することが示されている。しかしながら結晶粒界における配向は結晶粒と不連続であり、XRD解析による結果でも、(110)等の本来目的としていないピークも観察されている。さらにPbO等の圧電特性を有さない、組成の化合物の析出が結晶粒界に存在する事が記載されている。
上述したように、圧電体薄膜の電圧歪特性(変位特性)は圧電体薄膜が多結晶体の場合、単結晶薄膜と比較して電圧の印加履歴に対してのリニアリティーが劣るという課題がある。電界強度が低い領域では印加電圧に対しての変位量が小さく、高電界の領域では相対的に変位量が大きくなる。圧電定数d31は変位量に対して比例関係にあるので、印加電圧に対して圧電定数が一定でないという問題がある。 As described above, the voltage distortion characteristic (displacement characteristic) of the piezoelectric thin film has a problem that the linearity with respect to the voltage application history is inferior to the single crystal thin film when the piezoelectric thin film is a polycrystal. The displacement amount with respect to the applied voltage is small in the region where the electric field strength is low, and the displacement amount is relatively large in the region where the electric field is high. Since the piezoelectric constant d31 is proportional to the amount of displacement, there is a problem that the piezoelectric constant is not constant with respect to the applied voltage.
これに対して単結晶薄膜の場合は電圧に対して変位量がほぼ1次の相関を示し、圧電定数は印加電圧に対して一定である。多結晶体の場合は圧電体薄膜の組成や、製造条件等により結晶粒の成長や結晶粒界の構成が変わるため、圧電特性も電圧に対して種々のパターンの依存性を示す。圧電定数d31の電圧に対する依存性が大きいと、例えば圧電体薄膜素子をインクジェットヘッドのアクチュエータとして用いた場合、変位量によって吐出させるインク滴の量をコントロールする場合に、正確な制御ができなくなる等の問題が生じる。 On the other hand, in the case of a single crystal thin film, the amount of displacement has a first-order correlation with voltage, and the piezoelectric constant is constant with respect to the applied voltage. In the case of a polycrystal, the growth of crystal grains and the structure of crystal grain boundaries vary depending on the composition of the piezoelectric thin film, the manufacturing conditions, etc., so that the piezoelectric characteristics also have various pattern dependencies on the voltage. If the piezoelectric constant d31 is highly dependent on the voltage, for example, when a piezoelectric thin film element is used as an actuator of an inkjet head, accurate control cannot be performed when the amount of ink droplets to be ejected is controlled by the amount of displacement. Problems arise.
また多結晶体の他の課題として、電圧印加によって起るドメイン移動により、結晶粒界にクラックが生じたり、結晶粒界に析出した過剰なPb等が電流のリークパスとなるなど、信頼性についても課題を抱えている。 In addition, as another problem of the polycrystalline body, there is a problem in that the domain movement caused by voltage application causes cracks in the crystal grain boundaries, and excessive Pb or the like precipitated in the crystal grain boundaries becomes a current leakage path. I have a problem.
これらの課題を解決するためには、圧電体薄膜を単結晶化する事が考えられるが、例えば単結晶基板であるMgO基板の大型化が困難で、大量生産においては大きな制約となり、採用は実質的に困難である。 In order to solve these problems, it is conceivable to single-crystal the piezoelectric thin film. For example, it is difficult to increase the size of the MgO substrate, which is a single-crystal substrate. Is difficult.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、圧電体薄膜の圧電性能を向上し、電圧に対する圧電定数の依存性に優れた結晶構造とし、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子の提供、そしてその製造方法を提供することを目的とする。更に本発明は、圧電体薄膜素子の圧電性能を十分に発揮し、耐電圧性能や駆動信頼性に優れたインクジェットヘッド、およびこのインクジェットを搭載した高画質なインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has improved the piezoelectric performance of a piezoelectric thin film, has a crystal structure excellent in dependency of piezoelectric constant on voltage, and has a high performance and high reliability. And to provide a method for producing the same. It is another object of the present invention to provide an ink jet head that sufficiently exhibits the piezoelectric performance of the piezoelectric thin film element and has excellent withstand voltage performance and driving reliability, and a high-quality ink jet recording apparatus equipped with the ink jet. And
上記目的を達成するために、本発明の圧電体薄膜素子は、電極間に圧電体薄膜を設けた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、結晶粒と、この結晶粒の間に形成された結晶粒界を含み、この結晶粒界と結晶粒の結晶配向を同一に構成したものである。 In order to achieve the above object, the piezoelectric thin film element of the present invention is a piezoelectric thin film element in which a piezoelectric thin film is provided between electrodes, and the piezoelectric thin film is formed between crystal grains and the crystal grains. The crystal grain boundary and the crystal orientation of the crystal grain are configured to be the same.
本発明による圧電体薄膜素子の構成によれば、圧電性能が向上するとともに、電圧に対する圧電定数の依存性が小さく、更に耐電圧性能に優れた圧電体薄膜素子を提供することが可能となる。 According to the configuration of the piezoelectric thin film element according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric thin film element with improved piezoelectric performance, small dependency of the piezoelectric constant on the voltage, and excellent in withstand voltage performance.
本発明の圧電体薄膜素子は、電極間に圧電体薄膜を設けた圧電体薄膜素子であって、圧電体薄膜は、結晶粒と、この結晶粒の間に形成された結晶粒界を含み、この結晶粒界と結晶粒の結晶配向を同一に構成したものである。 The piezoelectric thin film element of the present invention is a piezoelectric thin film element in which a piezoelectric thin film is provided between electrodes, and the piezoelectric thin film includes crystal grains and a crystal grain boundary formed between the crystal grains, The crystal grain boundaries and crystal orientations of the crystal grains are configured to be the same.
これによって電圧印加時のドメインの移動がスムーズに行え、良好な圧電特性を得ることができる。 As a result, the domain can be moved smoothly when a voltage is applied, and good piezoelectric characteristics can be obtained.
また本発明は、圧電体薄膜を、結晶粒の結晶配向が(001)単一配向の多結晶体で構成したものである。 In the present invention, the piezoelectric thin film is composed of a polycrystal having a (001) single orientation of crystal grains.
これによって、電圧印加時のドメイン移動量が少なくてすみ、他のピークも存在しないため、良好な圧電特性を得ることができる。 As a result, the amount of domain movement at the time of voltage application is small, and no other peak is present, so that excellent piezoelectric characteristics can be obtained.
また本発明は、結晶粒を、電極の一方の一端から略垂直方向に成長する柱状結晶としたものである。 In the present invention, the crystal grains are columnar crystals that grow in a substantially vertical direction from one end of the electrode.
これによって、圧電特性を発揮するのに良好な結晶構造とすることができる。 As a result, it is possible to obtain a crystal structure that is favorable for exhibiting piezoelectric characteristics.
また本発明は、結晶粒の粒径を0.02〜0.5μmとし、更に結晶粒界の幅を1〜5nmとしたものである。 In the present invention, the crystal grain size is 0.02 to 0.5 μm, and the crystal grain boundary width is 1 to 5 nm.
これによって、結晶粒の配置が緻密であり、結晶粒界の幅が狭い範囲で制御されることにより、圧電性に優れた結晶構造を得ることができる。 As a result, the crystal structure with excellent piezoelectricity can be obtained by controlling the crystal grain arrangement so that the crystal grain arrangement is fine and the width of the crystal grain boundary is narrow.
また本発明は、圧電体薄膜の結晶配向ピーク強度を、圧電体薄膜と同一の膜厚を有する(001)単一配向を有する単結晶薄膜の結晶配向ピーク強度と比較して、強度比で0.15以上としたものである。 The present invention also provides a crystal orientation peak intensity of the piezoelectric thin film that is 0 in terms of intensity ratio compared to the crystal orientation peak intensity of the (001) single crystal thin film having the same film thickness as the piezoelectric thin film. .15 or more.
これによって、多結晶体である圧電体薄膜が、配向性に優れた結晶構造となり、単結晶圧電体薄膜に近い特性を得ることができる。 Thus, the piezoelectric thin film which is a polycrystalline body has a crystal structure with excellent orientation, and characteristics close to those of a single crystal piezoelectric thin film can be obtained.
また本発明は、圧電体薄膜を構成する結晶粒の間に形成される結晶粒界を、少なくとも結晶粒の構成元素を含み、かつ圧電性を有する組成比としたものである。 In the present invention, the crystal grain boundary formed between the crystal grains constituting the piezoelectric thin film includes at least a constituent element of the crystal grains and has a piezoelectric composition ratio.
これによって、結晶粒界に圧電性を阻害する異物の存在がなく、良好な圧電特性の発現と、耐電圧特性に優れた結晶構造とすることができる。 As a result, there is no foreign substance inhibiting the piezoelectricity at the crystal grain boundary, and a crystal structure with excellent piezoelectric characteristics and excellent withstand voltage characteristics can be obtained.
また本発明は、圧電体薄膜をPb、Zr、Tiを含むペロブスカイト構造の酸化物で構成したものである。 In the present invention, the piezoelectric thin film is composed of an oxide having a perovskite structure containing Pb, Zr, and Ti.
これによって、優れた圧電特性を発揮する組成と結晶構造とすることができる。 As a result, a composition and crystal structure exhibiting excellent piezoelectric characteristics can be obtained.
また本発明は、Zrの組成比を0.3<Zr/(Zr+Ti)<0.7としたものである。 In the present invention, the composition ratio of Zr is 0.3 <Zr / (Zr + Ti) <0.7.
これによって、圧電性が高い組成とすることができる。 Thereby, it can be set as a composition with high piezoelectricity.
また本発明は、Pbの組成比を1<Pb/(Zr+Ti)<1.4としたものである。 In the present invention, the composition ratio of Pb is 1 <Pb / (Zr + Ti) <1.4.
これによって成膜時のPb抜けによる結晶構造の劣化を防止でき、高い圧電特性を発揮することができる。 As a result, it is possible to prevent deterioration of the crystal structure due to Pb loss during film formation and to exhibit high piezoelectric characteristics.
また本発明は、圧電体薄膜をスパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、MBE法、MOCVD法、プラズマCVD法等の気相成長法で形成したものである。 In the present invention, the piezoelectric thin film is formed by vapor phase growth methods such as sputtering, vacuum deposition, laser ablation, ion plating, MBE, MOCVD, and plasma CVD.
係る工法を採用することで、圧電体薄膜の結晶成長や膜厚を精度よく制御でき、圧電特性と耐電圧特性の優れた圧電体薄膜を形成することができる。 By adopting such a construction method, the crystal growth and film thickness of the piezoelectric thin film can be controlled with high accuracy, and a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics and withstand voltage characteristics can be formed.
また本発明は、圧電体薄膜の圧電定数d31が印加電圧の履歴に対する変動範囲として、0≦100×{(d31(最大値)−d31(最小値))/(d31(最大値)+d31(最小値))}<10となるように圧電定数d31の範囲を設定したものである。 Further, according to the present invention, the piezoelectric constant d31 of the piezoelectric thin film has a variation range with respect to the applied voltage history, 0 ≦ 100 × {(d31 (maximum value) −d31 (minimum value)) / (d31 (maximum value) + d31 (minimum). Value))} The range of the piezoelectric constant d31 is set to be <10.
これによって、圧電特性の電圧に対する依存性が少なく、変位量の制御性がよく、再現性の高い圧電体薄膜素子を得ることができる。 As a result, a piezoelectric thin film element with little dependency on the voltage of piezoelectric characteristics, good controllability of displacement, and high reproducibility can be obtained.
本発明のインクジェットヘッドは、上述の圧電体薄膜素子のいずれかの電極側の面に設けられた振動板膜と、この振動板膜の圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、圧電体薄膜素子の圧電効果により振動板膜を膜厚方向に変位させて圧力室のインクを吐出させるように構成したものである。 The ink jet head of the present invention is bonded to a diaphragm film provided on one of the above-described piezoelectric thin film elements on the electrode side surface, and a surface of the diaphragm film opposite to the piezoelectric thin film element. And a pressure chamber member having a pressure chamber for accommodating the pressure chamber, and the diaphragm film is displaced in the film thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element so that ink in the pressure chamber is ejected.
これによって、制御性に優れた高い吐出性能を有するインクジェットヘッドを提供することができる。 As a result, it is possible to provide an ink jet head having high controllability and high ejection performance.
また本発明は、電極のいずれかに積層されてなる振動板を備え、振動板の内部応力を圧縮応力としたものである。 The present invention also includes a diaphragm laminated on one of the electrodes, and the internal stress of the diaphragm is a compressive stress.
これによって、圧電体薄膜素子の特性を十分に発揮し、信頼性の高いインクジェットヘッドを得ることができる。 As a result, the characteristics of the piezoelectric thin film element can be sufficiently exhibited, and a highly reliable ink jet head can be obtained.
また本発明は、振動板の内部応力と、積層された圧電体薄膜素子の内部応力との総和が圧縮応力となるように、振動板の内部応力を設定したものである。 In the present invention, the internal stress of the diaphragm is set so that the sum of the internal stress of the diaphragm and the internal stress of the laminated piezoelectric thin film element is a compressive stress.
これによって、耐電圧特性に優れ、長期の駆動信頼性に優れたインクジェットヘッドを提供することができる。 As a result, it is possible to provide an ink jet head having excellent withstand voltage characteristics and excellent long-term driving reliability.
本発明のインクジェット式記録装置は、上述のインクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、この相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から、圧力室に収容されたインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成したものである。 An ink jet recording apparatus of the present invention includes a relative moving unit that relatively moves the above-described ink jet head and a recording medium, and the ink jet head is moved relative to the recording medium by the relative moving unit. Recording is performed by ejecting the ink contained in the pressure chamber to a recording medium from a nozzle hole provided in the head so as to communicate with the pressure chamber.
これによって、高性能で高い信頼性を有するインクジェット式記録装置を提供することができる。 Accordingly, an ink jet recording apparatus having high performance and high reliability can be provided.
本発明の圧電体薄膜素子の製造方法は、基板上に第1の電極層を形成する工程と、第1の電極層の上にスパッタ法を用いて圧電体薄膜層を形成する工程と、圧電体薄膜層の上に第2の電極層を形成する工程とを有し、圧電体薄膜層を形成する工程において、基板の温度を所定の結晶配向が得られるよう加熱しながら成膜を行うようにしたものである。 The method for manufacturing a piezoelectric thin film element of the present invention includes a step of forming a first electrode layer on a substrate, a step of forming a piezoelectric thin film layer on the first electrode layer using a sputtering method, and a piezoelectric Forming a second electrode layer on the body thin film layer, and forming the piezoelectric thin film layer while heating the substrate so that a predetermined crystal orientation is obtained. It is a thing.
これによって成膜と同時に所定の結晶配向を有する圧電体薄膜が得られ、結晶粒と結晶粒界の組成を同一にすることが可能となる。 As a result, a piezoelectric thin film having a predetermined crystal orientation can be obtained simultaneously with film formation, and the composition of crystal grains and crystal grain boundaries can be made the same.
また本発明は、圧電体薄膜層をPb,Zr,Tiで構成されるスパッタリングターゲットを用いて成膜し、このスパッタリングターゲットを、目標とする圧電体薄膜素子の組成と同一か、あるいはZr,Tiの比率は同じで、かつPbの過剰量が0〜0.4モルの範囲としたものである。 In the present invention, the piezoelectric thin film layer is formed using a sputtering target composed of Pb, Zr, and Ti, and the sputtering target is the same as the composition of the target piezoelectric thin film element or Zr, Ti. The ratio is the same, and the excess amount of Pb is in the range of 0 to 0.4 mol.
これによって成膜と同時に所定の結晶配向を有する圧電体薄膜が得られ、高い圧電特性を発揮することが可能となる。 As a result, a piezoelectric thin film having a predetermined crystal orientation can be obtained simultaneously with film formation, and high piezoelectric characteristics can be exhibited.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1を図面に基づいて詳細に説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter,
図1は、本発明の実施の形態1に係る圧電体薄膜素子を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a piezoelectric thin film element according to
図1において11は厚みが0.3mmのφ4インチシリコン(Si)ウエハからなる基板であり、この基板11上には、厚みを例えば0.02μmとしたチタン(Ti)からなる密着層12が形成されている。尚、基板11は、Siに限るものではなく、ガラス基板や、金属基板、セラミックス基板等であってもよい。
In FIG. 1,
密着層12上には、厚みを例えば0.22μmとした白金(Pt)からなる第1の電極層13が形成されている。
A
第1の電極層13上には、厚みを例えば3.5μmとする菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するPZTからなる圧電体薄膜層14が形成されている。この圧電体薄膜層14は(001)面に優先配向している。圧電体薄膜層14の組成は、正方晶と菱面体晶との境界(モルフォトロピック相境界)付近の組成(Zr/Ti=53/47)である。尚、圧電体薄膜層14におけるZr/Ti組成は、Zr/Ti=53/47に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であればよい。また、圧電体薄膜層14の構成材料は、PZTにLa、Sr、Nb、Al等の添加物を含有したもの等のように、PZTを主成分とする圧電材料であればよく、PMNやPZNであってもよい。
A piezoelectric
また(111)面への優先配向であっても単一配向が得られれば良い。他の配向であっても圧電性が発現でき、配向が単一配向であれば同様の効果が得られる。また実施の形態1において、圧電体薄膜層14は圧電性を発現しないPbO等のPb化合物やTiO、ZrO2等の構成元素からなる他の化合物のピークについては存在しない。
Moreover, even if it is a preferential orientation to (111) plane, it is sufficient if a single orientation is obtained. Piezoelectricity can be expressed even in other orientations, and the same effect can be obtained if the orientation is a single orientation. In the first embodiment, the piezoelectric
さらに、圧電体薄膜層14の膜厚は、0.5〜10.0μmの範囲であればよい。好ましくは1.0〜5.0μmがよく、この範囲とすることで圧電アクチュエータとして十分な変位量が得られる。
Furthermore, the film thickness of the piezoelectric
さて、圧電体薄膜の形成方法にはスパッタ法やレーザーアブレーション法、CVD法などの真空中で膜を用いて形成する方法と、ゾルゲル法や水熱合成法、エアロゾルデポジション法等の真空を用いない方法が知られている。いずれの方法でも外部から圧電性を発現しない化合物等の異物の混入がなく、PZT膜からなる圧電体薄膜層14を構成する結晶粒50(図4参照)が均一で緻密に配列し、結晶粒50と結晶粒界51(図4参照)の結晶配向が同一の単一配向ができる成膜条件や成膜環境が実現可能であればよい。
The piezoelectric thin film can be formed by using a film in a vacuum such as sputtering, laser ablation, and CVD, and by using a vacuum such as sol-gel, hydrothermal synthesis, and aerosol deposition. There is no known way. In any method, foreign matter such as a compound that does not express piezoelectricity from the outside is not mixed, and crystal grains 50 (see FIG. 4) constituting the piezoelectric
実施の形態1においてはスパッタ法を用いて成膜を行っているが、スパッタ法を用いることで、より好適に上述の「圧電性を発現しない化合物等の生成を排除」することが可能となる。このとき、作成したい圧電薄膜と同一組成、もしくはZrとTiの比率は同じでPbの過剰量が0〜0.4モルの範囲のPZT組成ターゲットを用いて成膜を行うことが特に有効である。 In the first embodiment, the film formation is performed using the sputtering method. However, by using the sputtering method, it is possible to more preferably “exclude the generation of a compound that does not exhibit piezoelectricity” as described above. . At this time, it is particularly effective to form a film using a PZT composition target having the same composition as that of the piezoelectric thin film to be prepared, or the ratio of Zr and Ti being the same and the Pb excess being in the range of 0 to 0.4 mol. .
これは、スパッタ法においては成膜時に基板11が高温になっているため、Pbの蒸気圧が低いことからPbの再蒸発がおこり、Pbが膜から抜けやすいためである。スパッタ圧や基板11温度等の成膜条件の差によってもPbの再蒸発量は変化するが、作成するPZT膜のPb量が理論値より少なくなると、配向性の劣化や圧電特性の低下を招くため、あらかじめ過剰なPbをターゲットに添加しておく必要がある。
This is because in the sputtering method, since the
さらに実施の形態1においてはスパッタリングを行う時に基板11の温度を所定の結晶配向(例えば(001)配向)が得られる温度で加熱しながら成膜を行い、成膜と同時に所定の結晶配向が得られる方法としている。
Further, in the first embodiment, the film is formed while heating the
すなわち、実施の形態1のスパッタ法では、上述した組成の焼結体ターゲット(PZT組成ターゲット)を用いて、プラズマ中のイオンをターゲットにぶつけることにより、ターゲットから出てきたPZTの粒子(Pb,Ti,Zr,Oのイオンや原子など)を飛び出させ、所定の温度に加熱した基板11上で反応させて、結晶性のPZT膜を成長させている。
That is, in the sputtering method of the first embodiment, by using the sintered body target (PZT composition target) having the above-described composition, the ions in the plasma are struck against the target, so that the PZT particles (Pb, Ti, Zr, O ions and atoms) are ejected and reacted on the
これは水熱合成法やゾルゲル法で一般的に行われる、最初に前駆体等の結晶性の違う膜を形成し、その後仮焼成や本焼成を繰り返すような方法とは異なる。またあらかじめ種結晶により核を形成する方法ではなく、実施の形態1においては加熱された基板11上にスパッタリングされた粒子が飛来し、基板11の表面で凝集し核となり、核が成長して結晶粒となる。さらに結晶粒が成長して配向した膜となっている。飛来する粒子はPZTを構成する原子やイオンにあたるため、すべて反応してPZT結晶となり、結晶粒50の中に取り込まれる。このため、結晶粒界51に異物や、結晶粒50とは異なる配向の結晶は存在しない。このようなプロセスによって、結晶粒界51の結晶配向と結晶粒50の結晶配向が同一になる。
This is different from a method that is generally performed by a hydrothermal synthesis method or a sol-gel method, in which a film having a different crystallinity such as a precursor is first formed, and then preliminary firing and main firing are repeated. In the first embodiment, the sputtered particles fly on the
一般的にPVDやCVDといった気相成長法においてはメカニズム的に類似性が高く、成膜条件の設定によって、同一の特性を持った膜を形成するのに適している。これに対してゾルゲル法や水熱合成法といった成膜法では真空中で成膜するのと異なり、プロセス中の外部からの異物の混入を防ぐ必要があり、出発原料の純度管理も課題となる。また結晶化を段階的に行うため、一部が完全に結晶化されなかったり、結晶粒界51にPbO等の圧電性を阻害する組成が析出する場合がある。これらは成膜環境の管理や成膜条件によって制御する事は困難で、成膜の再現性の問題もあり、気相成長法を用いることがより好適である。
In general, vapor phase growth methods such as PVD and CVD have high mechanical similarity and are suitable for forming a film having the same characteristics by setting film forming conditions. On the other hand, film formation methods such as the sol-gel method and hydrothermal synthesis method, unlike film formation in vacuum, require the prevention of foreign contamination from the outside during the process, and management of the purity of the starting material is also an issue. . In addition, since crystallization is performed in stages, a part of the crystal may not be completely crystallized, or a composition that inhibits piezoelectricity such as PbO may be deposited on the
圧電体薄膜層14の上には、厚みを例えば0.2μmとするPtで構成される第2の電極層16が形成されている。尚、第2の電極層16を構成する材料はPtに限らず、導電性材料であればよく、膜厚は0.1〜0.5μmの範囲であればよい。
On the piezoelectric
圧電体薄膜素子15は第1の電極層13と第2の電極層16に挟まれた圧電体薄膜層14からなり、両電極に電圧を印加して圧電歪み特性である変位特性を得ることができる。
The piezoelectric
なお、この圧電体薄膜素子15の成膜法は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、MBE法、MOCVD法、プラズマCVD法等の気相成長法が好ましいが、ゾルゲル法、最近着目されている水熱合成法などであってもよい。
The film forming method of the piezoelectric
密着層12は、基板11と第1の電極層13との密着性を高めるためのものであって、Tiに限らず、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しくはクロム又はそれらの化合物で構成してもよい。また、密着層12の膜厚は0.005〜1.0μmの範囲であればよい。この密着層12は、基板11と第1の電極層13との密着性を確保できるのであれば、必ずしも必要なものではない。
The
(実施例1)
以下、本発明の実施例1について図1を用いて更に詳細に説明する。
(Example 1)
Hereinafter, Example 1 of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
実施例1では、Siで構成された基板11上に、密着層12、第1の電極層13、圧電体薄膜層14、および第2の電極層16をスパッタ法により順次成膜する例について詳細に説明する。
Example 1 details an example in which an
密着層12は、Tiターゲットを用いて、基板11を400℃に加熱しながら100Wの高周波電力を印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成することにより得られる。
The
第1の電極層13は、Ptターゲットを用い、基板11を600℃に加熱しながら1Paのアルゴンガス中において200Wの高周波電力で7分間形成することにより得られる。このような条件において、第1の電極層13の膜厚は0.1μmとなり、第1の電極層13を構成するPtは(111)面に配向する。この第1の電極層13は、Pt、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも1種の貴金属又はそれらの化合物であればよく、膜厚は0.05〜2.0μmの範囲であればよい。
The
圧電体薄膜層14は、多元スパッタ装置を用いて作製した。
The piezoelectric
ターゲットには、化学量論組成よりPb量の多いPZT(Zr/Ti=53/47、Pbが20モル%過剰)の焼結体ターゲットを用いた。まず初めに基板11をヒーター加熱により基板温度600℃にした後、アルゴンと酸素との混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19.5:0.5)において、真空度0.3Pa、高周波電力250Wの成膜条件で170分間の成膜時間で膜を堆積する。
As the target, a sintered body target of PZT (Zr / Ti = 53/47, Pb excess by 20 mol%) having a Pb amount larger than the stoichiometric composition was used. First, the
さらに第2の電極層16は、Ptターゲットを用いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で14分間形成することにより得られる。
Further, the
図2は、本発明の実施例1に係る圧電体薄膜のSEM断面写真を示す図である。 FIG. 2 is a view showing an SEM cross-sectional photograph of the piezoelectric thin film according to Example 1 of the present invention.
図2は、実施例1によって得られた、第2の電極層16を形成する前の第1の電極層13であるPt上に形成した圧電体薄膜のSEM断面を観察したものである。
FIG. 2 shows an SEM cross section of the piezoelectric thin film formed on Pt, which is the
図3は、本発明の実施例1に係る圧電体薄膜のSEM表面写真を示す図である。 FIG. 3 is a view showing an SEM surface photograph of the piezoelectric thin film according to Example 1 of the present invention.
これらの図面によって、圧電体薄膜層14を構成するPZTは多結晶体からなり、第1の電極層13から膜厚方向に柱状に成長した柱状結晶が略垂直方向に連続的に形成されていることが分かる。
According to these drawings, PZT constituting the piezoelectric
次に、実施例1で作成した圧電体薄膜層14を詳細に観察するため、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察を行った。
Next, in order to observe the piezoelectric
図4は、本発明の実施例1係る圧電体薄膜を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察を行ったTEM観察像を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a TEM observation image obtained by observing the piezoelectric thin film according to Example 1 of the present invention with a transmission electron microscope (TEM).
図4によれば結晶粒径が0.02μm〜0.5μmの結晶粒50が互いに隣接して形成され、それぞれの結晶粒50の間には結晶粒界51が形成されている。結晶粒50は緻密に配置され、2つの結晶粒50の間に存在する結晶粒界51の幅はほぼ均一である。この結晶粒界51の幅は1nm〜5nmの範囲であり、空隙等は観察されない。
According to FIG. 4,
図5乃至図7に、結晶粒50と結晶粒界51の組成を分析した結果を示す。
5 to 7 show the results of analyzing the composition of the
図5は、本発明の実施例1に係る圧電体薄膜の結晶粒50と結晶粒界51の組成分析を行った測定ポイントを示すTEM観察像を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a TEM observation image showing measurement points at which the composition analysis of the
実施例1ではポイント1〜3の3ヶ所の組成分析を行った。 In Example 1, composition analysis was performed at three points, points 1 to 3.
ポイント1は結晶粒界51から50nm離れたポイント、ポイント2は約2nmの結晶粒界51において、これと接する結晶粒50からほぼ等距離にある結晶粒界51内のポイント、ポイント3は結晶粒界51から約5nm離れた結晶粒50内のポイントである。元素分析を行う測定ビーム径は約0.5nmであり、結晶粒界51の組成についても十分な分解能があり、組成比の分析が可能である。
図6は、本発明の実施例1に係る圧電体薄膜の元素分析の結果を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the results of elemental analysis of the piezoelectric thin film according to Example 1 of the present invention.
図6に示すように、上述の各ポイントともほぼ同じピークプロファイルを示し、異物である他の元素のプロファイルは観察されなかった。 As shown in FIG. 6, each of the above points showed almost the same peak profile, and the profiles of other elements as foreign matters were not observed.
(表1)はPZTの組成であるPb、Zr、Tiのそれぞれの原子百分率をポイント毎に算出した結果である。 (Table 1) shows the results of calculating the atomic percentages of Pb, Zr, and Ti, which are PZT compositions, for each point.
多結晶体の圧電体薄膜素子15では結晶粒50が圧電性能を発現し、その組成も圧電特性を最大限に発揮するように作成される。一方、結晶粒界51は従来では構成元素以外の組成や特定の元素が多く存在していたため、圧電体薄膜素子15全体としての圧電特性を阻害する要因となっていた。
In the polycrystalline piezoelectric
例えばPZTにおいては、融点の低いPbの化合物であるPbOが析出する事が報告されており、これにより結晶粒界51の結晶性が不連続で残留歪の増大や信頼性に影響を及ぼす事がわかっている。
For example, in PZT, it has been reported that PbO, which is a Pb compound having a low melting point, precipitates, and this causes discontinuity in the crystallinity of the
今回作成した圧電体薄膜素子15では、圧電体薄膜層14における結晶粒界51の組成は、圧電特性に関係する元素について結晶粒50の組成とほぼ同じであり、測定の誤差を勘案しても圧電性を有する組成比を有しており、圧電体薄膜素子15全体の圧電特性を阻害しない。
In the piezoelectric
更に、実施例1で得られたPZTからなる圧電体薄膜層14の組成比を詳細に分析した結果を(表2)に示す。
Furthermore, the result of having analyzed in detail the composition ratio of the piezoelectric
(表2)によれば、実施例1の圧電体薄膜にはPbが過剰に含まれていることが分かる。これに(表1)および図6に示した結果を総合すると、圧電体薄膜層14を構成する結晶粒50および結晶粒界51には、いずれもPbが過剰に含まれていると判断できる。
According to Table 2, it can be seen that the piezoelectric thin film of Example 1 contains excessive Pb. When the results shown in Table 1 and FIG. 6 are combined, it can be determined that both the
このPbの過剰量はZrやTiの含まれるBサイトのモル比と比較して、1.0<Pb(Zr+Ti)<1.4の範囲の値が好ましい。 The excess amount of Pb is preferably in the range of 1.0 <Pb (Zr + Ti) <1.4, as compared with the molar ratio of the B site containing Zr or Ti.
Pbが1.0より小さくなり、Pbが欠乏状態となると、結晶性が劣化する。またPbの過剰量が1.4を超える場合、結晶粒界51にPbO等の形で析出し、電圧印加時に電流リークのパスとして働き、耐電圧特性が著しく劣化する。
When Pb becomes smaller than 1.0 and Pb becomes deficient, the crystallinity deteriorates. Further, when the excess amount of Pb exceeds 1.4, it precipitates in the form of PbO or the like in the
またZrとTiの比は、0.3<Zr/(Zr+Ti)<0.7の範囲で圧電性が良好である。 The ratio of Zr to Ti is good in piezoelectricity within the range of 0.3 <Zr / (Zr + Ti) <0.7.
実施例1による圧電体薄膜は結晶粒界51の組成が結晶粒50とほぼ同じであり、組成分析でも各測定ポイントでばらつきのない均一な組成分布となっている。
In the piezoelectric thin film according to Example 1, the composition of the
また実施例1で得られた圧電体薄膜の配向を測定するため、XRD分析を行った。XRD分析はリガク社製RINT−UltimaIIIによりθ−2θ法で行った。 In order to measure the orientation of the piezoelectric thin film obtained in Example 1, XRD analysis was performed. XRD analysis was performed by the R2-UltimaIII manufactured by Rigaku Corporation using the θ-2θ method.
図7は、本発明の実施例1に係る圧電体薄膜のXRD分析結果を示すグラフである。 FIG. 7 is a graph showing an XRD analysis result of the piezoelectric thin film according to Example 1 of the present invention.
図7に示すように、圧電体薄膜であるPZTの配向面に関しては(001)ピーク以外、たとえば(111)や(101)等の他のピークは観察されず、またPZT(001)ピーク強度比で有意性のある他の微小ピークについても観察されていない。 As shown in FIG. 7, other than the (001) peak, other peaks such as (111) and (101) are not observed on the orientation plane of PZT, which is a piezoelectric thin film, and the PZT (001) peak intensity ratio is not observed. Other minor peaks that are significant are also not observed.
観察した圧電体薄膜の領域の一部にパイロクロア相や構成元素の他の配向ピークもなく、結晶粒50、結晶粒界51ともに結晶配向が同一の(001)単一配向である多結晶体圧電体薄膜となっている。また今回作成した圧電体薄膜の配向性を評価するのに、XRD分析でのピーク強度を調べるために、5ヶ所のポイントで測定を行った。比較のため、MgO基板上にエピタキシャル成長で形成したPt、PZT薄膜を形成した単結晶薄膜とのピーク強度を測定した。エピタキシャルPZTの膜厚は多結晶体薄膜と同じであり、配向も(001)単一配向で、他のピークは観察されなかった。
There is no pyrochlore phase or other orientation peak of the constituent elements in a part of the observed piezoelectric thin film region, and the
(表3)にXRD解析の測定条件を揃えて、エピタキシャル成長させた圧電体薄膜と、実施例1の圧電体薄膜の(001)配向のピーク強度を測定した結果を示す。 Table 3 shows the result of measuring the peak intensity of the (001) orientation of the epitaxially grown piezoelectric thin film and the piezoelectric thin film of Example 1 under the same XRD analysis measurement conditions.
エピタキシャル成長させた圧電体薄膜は単結晶薄膜であり、配向性は格段に優れ、非常に高いピーク強度を示す。 The epitaxially grown piezoelectric thin film is a single crystal thin film, and its orientation is remarkably excellent and exhibits a very high peak intensity.
これまで、エピタキシャル成長で作成した薄膜(単結晶膜)に対して、従来の多結晶薄膜では少なくとも2桁程度のピーク強度比の差があったが、(表3)に示すように、実施例1で作成した圧電体薄膜(多結晶)では結晶配向性が非常に良好で、強度比で単結晶膜の0.15以上が得られている。これにより、圧電特性や電気的な特性についても単結晶に近い特性が得られることが考えられる。具体的には、印加電圧に対するドメインの追従性が優れ、印加電圧に対する圧電特性の履歴のリニアリティーが向上する。 So far, the conventional polycrystalline thin film has a difference in peak intensity ratio of at least about two digits compared to the thin film (single crystal film) formed by epitaxial growth, but as shown in Table 3, Example 1 The piezoelectric thin film (polycrystal) prepared in (1) has very good crystal orientation, and a strength ratio of 0.15 or more of a single crystal film is obtained. Thereby, it is conceivable that characteristics close to a single crystal can be obtained in terms of piezoelectric characteristics and electrical characteristics. Specifically, the domain followability with respect to the applied voltage is excellent, and the linearity of the history of piezoelectric characteristics with respect to the applied voltage is improved.
次に、実施例1で作成した圧電体薄膜の圧電特性を評価するために、第2の電極層16を形成する前の状態のものを用いて、ダイシングにより15mm×2mmに切り出したカンチレバーを10個作製し、その後0.2μm厚の第2の電極層16をスパッタ法により形成して、圧電定数d31の測定を行った(圧電定数d31の測定方法については、例えば特開2001−021052号公報に記載されている)。
Next, in order to evaluate the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film prepared in Example 1, a cantilever cut out to 15 mm × 2 mm by dicing using 10% of the state before forming the
従来の多結晶体では結晶粒界51の配向や異物がドメインの移動を阻害していたため、低電圧での圧電定数は低く、高電圧での圧電定数は大きくなっていた。圧電体薄膜の材料組成や作成条件にもよるが、電圧に対して30%程度の圧電定数d31の変動を持つ物もあり、電圧依存性が大きい圧電体薄膜ではさらに繰り返し電圧履歴を加えたときの再現性も乏しかった。実施例1の電圧に対する圧電定数の電圧依存性を比較するために、(数1)の値を算出した。
In the conventional polycrystal, since the orientation of the
100×{(d31(最大値)−d31(最小値))/(d31(最大値)+d31(最小値))} ・・・(数1)
(表4)に、実施例1で製作した圧電体薄膜の電圧に対する圧電定数d31の測定値と、電圧依存性の算出結果を示す。
100 × {(d31 (maximum value) −d31 (minimum value)) / (d31 (maximum value) + d31 (minimum value))} (Equation 1)
Table 4 shows the measured value of the piezoelectric constant d31 with respect to the voltage of the piezoelectric thin film manufactured in Example 1, and the calculation result of the voltage dependence.
実施例1により作成した圧電体薄膜は電圧に対する圧電定数d31の依存性が小さく、また電圧履歴による再現性にも優れていた。 The piezoelectric thin film prepared according to Example 1 has a small dependency of the piezoelectric constant d31 on the voltage, and is excellent in reproducibility by the voltage history.
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの全体構成を示す構成図である。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a configuration diagram showing the overall configuration of the inkjet head according to
図9は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの要部の構成を示す要部構成図である。 FIG. 9 is a main part configuration diagram showing the main part configuration of the ink jet head according to the second embodiment of the present invention.
以降、図8、図9を用いて実施の形態2に係るインクジェットヘッドの構成について説明する。
Hereinafter, the configuration of the inkjet head according to
図8及び図9において、Aは圧力室部材であって、この圧力室部材Aには、その厚み方向(上下方向)に貫通する圧力室開口部101が形成されている。Bは圧力室開口部101の上端開口を覆うように配置されたアクチュエータ部であり、Cは圧力室開口部101の下端開口を覆うように配置されたインク流路部材である。圧力室部材Aの圧力室開口部101は、その上下にそれぞれ位置するアクチュエータ部B及びインク流路部材Cにより閉塞されることで圧力室102を構成している。
8 and 9, A is a pressure chamber member, and a pressure chamber opening 101 penetrating in the thickness direction (vertical direction) is formed in the pressure chamber member A. B is an actuator portion arranged to cover the upper end opening of the pressure chamber opening 101, and C is an ink flow path member arranged to cover the lower end opening of the
アクチュエータ部Bは、各圧力室102の略真上に位置する第1の電極層103(個別電極)を有し、これら圧力室102及び第1の電極層103は、図8に示すように千鳥状に多数配列されている。
The actuator section B has a first electrode layer 103 (individual electrode) positioned almost directly above each
インク流路部材Cは、インク供給方向に並ぶ圧力室102間で共用する共通液室105と、この共通液室105のインクを圧力室102に供給するための供給口106と、圧力室102内のインクを吐出させるためのインク流路107とを有している。
The ink flow path member C includes a
Dはノズル板であって、このノズル板Dには、インク流路107に連通するノズル孔108が形成されている。また、EはICチップであって、このICチップから各個別電極103に対してボンディングワイヤBWを介して電圧をそれぞれ供給するようになっている。
D is a nozzle plate, and a
図10は、本発明の実施の形態2におけるアクチュエータ部Bの構成を示す構成図である。 FIG. 10 is a configuration diagram showing the configuration of the actuator part B in the second embodiment of the present invention.
図10は、図8に示したインク供給方向とは直交する方向の断面を示している。 FIG. 10 shows a cross section in a direction orthogonal to the ink supply direction shown in FIG.
以降、アクチュエータ部Bの構成を図10に基づいて説明する。 Hereinafter, the configuration of the actuator part B will be described with reference to FIG.
図10には、上記直交方向に並ぶ4個の圧力室102を持つ圧力室部材Aが模式的に描かれている。
FIG. 10 schematically illustrates the pressure chamber member A having the four
このアクチュエータ部Bは、上記の如く各圧力室102の略真上にそれぞれ位置する第1の電極層103と、この各第1の電極層103上(図10では下側)に設けられた配向制御層104と、この配向制御層104上(同下側)に設けられた圧電体薄膜層110と、この圧電体薄膜層110上(同下側)に設けられ、全圧電体薄膜層110に共通となる第2の電極層112(共通電極)と、この第2の電極層112上(同下側)に設けられ、圧電体薄膜層110の圧電効果により層厚方向に変位し振動する振動板111と、この振動板111上(同下側)に設けられ、各圧力室102の相互を区画する区画壁102aの上方に位置する中間層113(縦壁)とを有しており、第1の電極層103、圧電体薄膜層110及び第2の電極層112は、これらが順に積層されてなる圧電体薄膜素子を構成することになる。
As described above, the actuator portion B includes the
また、振動板111は、この圧電体薄膜素子の第2の電極層112側の面に設けられ、内部応力が圧縮応力になるように形成されている。振動板111の圧縮応力は他の構成材料、特に圧電体薄膜層110にクラック等の影響を及ぼさないように所定の値に設定される。
The
また、振動板111の圧縮応力は、好ましくは振動板111の上に形成される圧電体薄膜層110で構成される圧電体薄膜素子の内部応力と振動板111の内部応力の総和が圧縮応力となるように設定される。圧電体薄膜素子の内部応力が引っ張り応力の場合は、振動板111の圧縮応力を強くして、2つ層の応力の総和が圧縮になるようにする。また圧電体薄膜素子の内部応力が圧縮応力の場合は、振動板111の内部応力は0もしくは弱い圧縮応力にする事が好ましい。
The compressive stress of the
振動板111の内部応力を圧縮応力とすることで、電圧印加時の機械的な収縮による、引き剥がしの力に対して強くなり、剥離やクラック等を防ぐことが可能である。 By making the internal stress of the vibration plate 111 a compressive stress, it becomes strong against a peeling force due to mechanical contraction when a voltage is applied, and it is possible to prevent peeling and cracking.
また圧電体薄膜素子と振動板111の内部応力の総和が圧縮応力となることで、各層の密着性が向上するなど、さらに信頼性の向上に対する効果が期待できる。
Further, since the sum of the internal stresses of the piezoelectric thin film element and the
尚、図10中、114は圧力室部材Aとアクチュエータ部Bとを接着する接着剤であり、各中間層113は、この接着剤114を用いた接着時に、その一部の接着剤114が区画壁102aの外方にはみ出した場合でも、この接着剤114が振動板111に付着しないで振動板111が所期通りの変位及び振動を起こすように、圧力室102の上面と振動板111の下面との距離を拡げる役割を有している。このようにアクチュエータ部Bの振動板111における第2の電極層112とは反対側面に中間層113を介して圧力室部材Aを接合するのが好ましいが、振動板111における第2の電極層112とは反対側面に直接圧力室部材Aを接合するようにしてもよい。
In FIG. 10,
第1の電極層103、圧電体薄膜層110及び第2の電極層112の各構成材料は、実施の形態1で説明した第1の電極層13、圧電体薄膜層14及び第2の電極層16(いずれも図1参照)とそれぞれ同様である(構成元素の含有量が異なるものもある)。また振動板111はCuやCr、Tiの金属薄膜や酸化ジルコニウム等の酸化物セラミックなどで構成されている。
The constituent materials of the
以降、図8のICチップEを除くインクジェットヘッド、つまり図9に示す圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dよりなるインクジェットヘッドの製造方法を図11乃至図15に基づいて説明する。 Hereinafter, an ink jet head excluding the IC chip E of FIG. 8, that is, a method of manufacturing an ink jet head including the pressure chamber member A, the actuator portion B, the ink flow path member C and the nozzle plate D shown in FIG. This will be explained based on.
図11は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの製造方法において、積層工程、圧力室用開口部101の形成工程及び接着剤114の付着工程を示す説明図である。 FIG. 11 is an explanatory diagram showing a laminating process, a pressure chamber opening 101 forming process, and an adhesive 114 applying process in the inkjet head manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
図11(a)に示すように、基板120上に、順次、密着層121、第1の電極層103、圧電体薄膜層110、第2の電極層112、振動板111、中間層113をスパッタ法により成膜して、積層する。尚、密着層121は、実施の形態1で説明した密着層12(図1参照)と同等のものであって、基板120と第1の電極層103との密着性を高めるために基板120と第1の電極層103との間に形成する(両者の密着性が十分に確保できる場合、必ずしも密着層121を形成する必要はない)。この密着層121は、後述の如く、ヘッド構成上不要な部分は、基板120と同様に除去される。また、振動板111の材料にはCrを、中間層113にはTiをそれぞれ使用する。
As shown in FIG. 11A, an
基板120には、18mm角に切断したSi基板を用いる。この基板120は、Siに限るものではなく、ガラス基板や金属基板、セラミックス基板であってもよい。また、基板サイズも18mm角に限るものではなく、Si基板であれば、φ2〜10インチのウエハであってもよい。
As the
密着層121から順次形成される圧電体素子は実施の形態1で示した工程と同様に形成される。
Piezoelectric elements sequentially formed from the
振動板111は、Crターゲットを用いて、室温において0.3Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で150分間形成することにより得られる。この振動板111の膜厚は3μmとなる。振動板111の内部応力はスパッタの成膜条件によって調整される。内部応力が圧縮かどうかは成膜時にダミー基板としてSi基板を一緒に成膜し、成膜後に取り出してから基板の反り量を測定することで確認できる。成膜前にダミーのSi基板の反り量をあらかじめ測定しておき、成膜後に膜の形成面を上にして、凸の反り量が圧縮側の応力となるので、測定前の反り量を差し引いて、凸側の反り量が得られれば圧縮応力となる。
The
内部応力は反り量から算出可能なので、成膜条件により内部応力を調整する。一般的にスパッタ法ではArの打ち込みエネルギーが大きいほど圧縮応力が得られやすいので、ガス圧や投入パワーのパラメータを調整して圧縮応力を調整する。圧電体素子と振動板111との内部応力の総和は同様の方法により算出する。
Since the internal stress can be calculated from the amount of warpage, the internal stress is adjusted according to the film forming conditions. Generally, in the sputtering method, the greater the Ar implantation energy, the easier it is to obtain a compressive stress. Therefore, the compressive stress is adjusted by adjusting the parameters of gas pressure and input power. The total sum of internal stresses between the piezoelectric element and the
最初の基板120の反り量と振動板111までを積層して形成した後の反り量からトータルの内部応力を見積もることが可能である。一般的に圧電体薄膜の内部応力は高温プロセスを経るため、調整が困難で、振動板111の応力により内部応力を圧縮応力とする。この振動板111の材料は、Crに限らず、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン又はこれらの酸化物若しくは窒化物(例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン)等であってもよい。また、振動板111の膜厚は0.5〜10μmであればよい。
It is possible to estimate the total internal stress from the warpage amount after the initial warpage amount of the
中間層113は、Tiターゲットを用いて、室温において1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で5時間形成することにより得られる。実施の形態2においては、この中間層113の膜厚は5μmとした。この中間層113の材料は、Tiに限らず、Cr等の導電性金属であればよい。また、中間層113の膜厚は3〜10μmであればよい。
The
図16は、本発明の実施の形態2において、インクジェットヘッドの製造に使用されるシリコン基板130を示す平面図である。
FIG. 16 is a plan view showing a
以降、図11(b)に図16を併用して説明を続ける。 Hereinafter, the description will be continued with FIG.
上述のように各層を成膜した後、図11(b)に示すように、圧力室部材Aを形成する。この圧力室部材Aは、Siで構成された基板120よりも大きいサイズ、例えば4インチウエハのシリコン基板130(図16参照)を使用して形成される。
After each layer is formed as described above, a pressure chamber member A is formed as shown in FIG. The pressure chamber member A is formed using a silicon substrate 130 (see FIG. 16) having a size larger than the
具体的には、先ず、シリコン基板130(圧力室部材用)に対して複数の圧力室用開口部101をパターンニングする。このパターンニングは、図11(b)から判るように、4つの圧力室用開口部101を1組として、各組を区画する区画壁102bは、各組内の圧力室用開口部101を区画する区画壁102aの幅の2倍(厚幅)に設定される。その後、上記パターンニングされたシリコン基板130をケミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して、各組で4個の圧力室用開口部101を形成し、圧力室部材Aを得る。
Specifically, first, a plurality of
その後、上述したSi成膜後の基板120(成膜用)と圧力室部材Aとを樹脂からなる接着剤114を用いて接着する。この接着剤114の形成は電着による。 Thereafter, the substrate 120 (for film formation) after the above-described Si film formation and the pressure chamber member A are bonded using an adhesive 114 made of resin. The formation of the adhesive 114 is by electrodeposition.
すなわち、先ず、図11(c)に示すように、圧力室部材A側の接着面として、圧力室の区画壁102a、102bの上面に接着剤114を電着により付着させる。具体的には、図示しないが、区画壁102a、102bの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのNi薄膜をスパッタ法により形成し、その後、このNi薄膜上に、パターニングされた接着剤114を形成する。この際、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に0〜50重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液を使用する。Ni薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設定するのは、シリコン基板130(圧力室部材用)に接着剤(接着樹脂)114が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。
That is, first, as shown in FIG. 11C, the adhesive 114 is attached by electrodeposition to the upper surfaces of the
電着条件は、実験によると、液温約25℃、直流電圧30V、通電時間60秒が好適であり、この条件下で約3〜10μmのアクリル樹脂を、シリコン基板130(圧力室部材用)のNi薄膜上に電着樹脂形成する。 According to experiments, the electrodeposition conditions are preferably a liquid temperature of about 25 ° C., a DC voltage of 30 V, and an energization time of 60 seconds. Under these conditions, an acrylic resin of about 3 to 10 μm is applied to the silicon substrate 130 (for pressure chamber members). An electrodeposition resin is formed on the Ni thin film.
図12は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの製造方法において、成膜後の基板120と圧力室部材Aとの接着工程、及び縦壁の形成工程を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a bonding process between the
次に、図12(a)に示すように、Siが成膜された基板120(成膜用)と圧力室部材Aとを、電着された接着剤114を用いて接着する。この接着は、基板120(成膜用)に成膜された中間層113を基板側接着面として行う。また、Siが成膜された基板120(成膜用)は18mmのサイズであり、圧力室部材Aを形成するシリコン基板130は4インチサイズと大きいため、図12(a)、図12(b)に示すように、複数(例えば図16に示すシリコン基板では14個)の基板120(成膜用)を1個の圧力室部材A(シリコン基板130)に貼り付ける。この貼り付けは、図12(b)に示すように、各基板120(成膜用)の中心が圧力室部材Aの厚幅の区画壁102bの中心に位置するように位置付けられた状態で行われる。
Next, as shown in FIG. 12A, the substrate 120 (for film formation) on which Si is formed and the pressure chamber member A are bonded using an
この貼り付け後、圧力室部材Aを基板120(成膜用)側に押圧、密着させて、両者の接着圧を高くする。さらに、接着した基板120(成膜用)及び圧力室部材Aを加熱炉において徐々に昇温して、接着剤114を完全に硬化させる。続いて、プラズマ処理を行って、接着剤114のうち、はみ出した断片を除去する。 After this bonding, the pressure chamber member A is pressed and brought into close contact with the substrate 120 (for film formation) side to increase the adhesive pressure between them. Further, the bonded substrate 120 (for film formation) and the pressure chamber member A are gradually heated in a heating furnace to completely cure the adhesive 114. Subsequently, plasma treatment is performed to remove the protruding pieces of the adhesive 114.
尚、図12(a)では、成膜後の基板120(成膜用)と圧力室部材Aとを接着したが、圧力室用開口部101を形成しない段階のシリコン基板130(圧力室部材用)をSi成膜後の基板120(成膜用)と接着してもよい。
In FIG. 12A, the
その後は、図12(b)に示すように、圧力室部材Aの各区画壁102a、102bをマスクとして中間層113をエッチングして所定形状に仕上げる(上記各区画壁102a、102bに連続する形状(縦壁)とする)。
Thereafter, as shown in FIG. 12 (b), the
図13は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの製造方法において、基板120(成膜用)及び密着層121の除去工程、及び第1の電極層103の個別化工程を示す説明図である。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a step of removing the substrate 120 (for film formation) and the
次いで、図13(a)に示すように、基板120(成膜用)及び密着層121をエッチングにより除去する。
Next, as shown in FIG. 13A, the substrate 120 (for film formation) and the
続いて、図13(b)に示すように、圧力室部材A上に位置する第1の電極層103について、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、圧力室102毎に個別化する。
Subsequently, as shown in FIG. 13B, the
図14は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの製造方法において、圧電体薄膜層110の個別化工程、及びシリコン基板130(圧力室部材用)の切断工程を示す説明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing an individualizing process of the piezoelectric
次いで、図14(a)に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、圧電体薄膜層110をエッチングして、第1の電極層103と同様の形状に個別化する。これらエッチング後の第1の電極層103、圧電体薄膜層110は、圧力室102の各々の上方に位置し、かつ第1の電極層103及び圧電体薄膜層110の幅方向の中心が、対応する圧力室102の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。このように第1の電極層103及び圧電体薄膜層110を圧力室102毎に個別化した後、図14(b)に示すように、シリコン基板130(圧力室部材用)を各厚幅の区画壁102bの部分で切断して、4つの圧力室102を持つ圧力室部材Aとその上面に固着されたアクチュエータ部Bとが4組完成する。
Next, as illustrated in FIG. 14A, the piezoelectric
図15は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの製造方法において、インク流路部材C、及びノズル板Dの生成工程、インク流路部材Cとノズル板Dとの接着工程、圧力室部材Aとインク流路部材Cとの接着工程、及び完成したインクジェットヘッドを示す説明図である。 FIG. 15 shows a production process of the ink flow path member C and the nozzle plate D, a bonding process between the ink flow path member C and the nozzle plate D, a pressure chamber in the method of manufacturing an ink jet head according to the second embodiment of the present invention. It is explanatory drawing which shows the adhesion process of the member A and the ink flow path member C, and the completed inkjet head.
続いて、図15(a)に示すように、インク流路部材Cに共通液室105、供給口106及びインク流路107を形成するとともに、ノズル板Dにノズル孔108を形成する。次いで、図15(b)に示すように、インク流路部材Cとノズル板Dとを接着剤109を用いて接着する。
Subsequently, as shown in FIG. 15A, the
その後、図15(c)に示すように、圧力室部材Aの下端面又はインク流路部材Cの上端面に接着剤(図示せず)を転写し、圧力室部材Aとインク流路部材Cとのアライメント調整を行って、この両者を接着剤(図示せず)により接着する。 Thereafter, as shown in FIG. 15C, an adhesive (not shown) is transferred to the lower end surface of the pressure chamber member A or the upper end surface of the ink channel member C, and the pressure chamber member A and the ink channel member C are transferred. The two are bonded with an adhesive (not shown).
以上により、図15(d)に示すように、圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材C及びノズル板Dを持つインクジェットヘッドが完成する。 As a result, an ink jet head having a pressure chamber member A, an actuator portion B, an ink flow path member C, and a nozzle plate D is completed as shown in FIG.
(実施の形態3)
図17は、本発明の実施の形態3に係るインクジェット式記録装置27の構成を示す構成図である。
(Embodiment 3)
FIG. 17 is a configuration diagram showing the configuration of the ink
このインクジェット式記録装置27は、実施の形態2で詳細に説明したものと同様のインクジェットヘッド28を備えている。このインクジェットヘッド28において圧力室(実施の形態2で説明した圧力室102)に連通するように設けたノズル孔(実施の形態2で説明したノズル孔108)から圧力室内102のインクを記録媒体29(記録紙等)に吐出させて記録を行うように構成されている。
The ink
インクジェットヘッド28は、図17に示す主走査方向Xに延びるキャリッジ軸30に設けられたキャリッジ31に搭載されていて、このキャリッジ31がキャリッジ軸30に沿って往復動するのに応じて主走査方向Xに往復動するように構成されている。このことで、キャリッジ31は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを主走査方向Xに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。
The
また、このインクジェット式記録装置27は、記録媒体29をインクジェットヘッド28の主走査方向X(幅方向)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数のローラ32を備えている。このことで、複数のローラ32は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを副走査方向Yに相対移動させる相対移動手段を構成することになる。尚、図10中、Zは上下方向(主走査方向X、副走査方向Yのいずれとも直交する方向)である。
In addition, the ink
そして、インクジェットヘッド28がキャリッジ31により主走査方向Xに移動しているときに、インクジェットヘッド28のノズル孔からインクを記録媒体29に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、ローラ32により記録媒体29を所定量移動させて次の一走査の記録を行う。
When the
以上説明したように、本発明の圧電体薄膜素子は、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置に最適である。 As described above, the piezoelectric thin film element of the present invention is most suitable for an ink jet head and an ink jet recording apparatus.
また、これ以外にも、薄膜コンデンサー、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。 In addition, thin film capacitors, non-volatile memory element charge storage capacitors, various actuators, infrared sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, angular velocity sansei, acceleration sensors, flow sensors, shock sensors, piezoelectric transformers, piezoelectric ignitions The present invention can also be applied to elements, piezoelectric speakers, piezoelectric microphones, piezoelectric filters, piezoelectric pickups, tuning fork oscillators, delay lines, and the like.
特に、ディスク装置(コンピュータの記憶装置等として用いられるもの)における回転駆動されるディスクに対して情報の記録又は再生を行うヘッドが基板上に設けられたヘッド支持機構において、基板上に設けた圧電体薄膜素子によって、基板を変形させてヘッドを変位させるディスク装置用圧電体薄膜アクチュエータ(例えば特開2001−332041号公報参照)に好適に用いることができる。 In particular, in a head support mechanism in which a head for recording or reproducing information with respect to a disk that is rotationally driven in a disk device (used as a storage device of a computer) is provided on a substrate, a piezoelectric provided on the substrate. The thin film element can be suitably used for a piezoelectric thin film actuator for a disk device (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-332041) that deforms the substrate and displaces the head.
11 基板
12 密着層
13 第1の電極層
14 圧電体薄膜層
15 圧電体薄膜素子
16 第2の電極層
27 インクジェット式記録装置
28 インクジェットヘッド
29 記録媒体
30 キャリッジ軸
31 キャリッジ(相対移動手段)
32 ローラ
101 圧力室開口部
102 圧力室
102a 区画壁
102b 区画壁
103 第1の電極層(個別電極)
104 配向制御層
105 共通液室
106 供給口
107 インク流路
108 ノズル孔
109 接着剤
110 圧電体薄膜層
111 振動板
112 第2の電極層(共通電極)
113 中間層(縦壁)
114 接着剤
120 基板
121 密着層
130 シリコン基板
A 圧力室部材
B アクチュエータ部
C インク流路部材
D ノズル板
E ICチップ
DESCRIPTION OF
32
104
113 Middle layer (vertical wall)
114 Adhesive 120
Claims (17)
前記圧電体薄膜は、
結晶粒と、
この結晶粒の間に形成された結晶粒界を含み、
この結晶粒界と前記結晶粒の結晶配向を同一に構成した圧電体薄膜素子。 A piezoelectric thin film element in which a piezoelectric thin film is provided between electrodes,
The piezoelectric thin film is
Crystal grains,
Including the grain boundaries formed between the grains,
A piezoelectric thin film element in which the crystal grain boundaries and the crystal grains have the same crystal orientation.
前記圧電体薄膜を、前記結晶粒の結晶配向が(001)単一配向の多結晶体で構成した圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 1,
A piezoelectric thin film element in which the piezoelectric thin film is formed of a polycrystal having a crystal orientation of the crystal grains of (001).
前記結晶粒を、前記電極の一方の一端から略垂直方向に成長する柱状結晶とした圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 1,
A piezoelectric thin film element in which the crystal grains are columnar crystals grown in a substantially vertical direction from one end of the electrode.
前記結晶粒の粒径を0.02〜0.5μmとし、
前記結晶粒界の幅を1〜5nmとした圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 1,
The crystal grain size is 0.02 to 0.5 μm,
A piezoelectric thin film element having a crystal grain boundary width of 1 to 5 nm.
前記圧電体薄膜の結晶配向ピーク強度を、前記圧電体薄膜と同一の膜厚を有する(001)単一配向を有する単結晶薄膜の結晶配向ピーク強度と比較して、強度比で0.15以上とした圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 1,
The crystal orientation peak intensity of the piezoelectric thin film is 0.15 or more in terms of intensity ratio, compared with the crystal orientation peak intensity of the single crystal thin film having the same thickness as the (001) single crystal thin film. Piezoelectric thin film element.
前記圧電体薄膜を構成する結晶粒の間に形成される結晶粒界を、
少なくとも前記結晶粒の構成元素を含み、かつ圧電性を有する組成比とした圧電体薄膜素子。 A piezoelectric thin film element in which a piezoelectric thin film is provided between electrodes,
A crystal grain boundary formed between crystal grains constituting the piezoelectric thin film,
A piezoelectric thin film element including at least a constituent element of the crystal grains and having a composition ratio having piezoelectricity.
前記圧電体薄膜をPb、Zr、Tiを含むペロブスカイト構造の酸化物で構成した圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 6,
A piezoelectric thin film element in which the piezoelectric thin film is made of an oxide having a perovskite structure containing Pb, Zr, and Ti.
Zrの組成比を0.3<Zr/(Zr+Ti)<0.7とした圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 7,
A piezoelectric thin film element in which the composition ratio of Zr is 0.3 <Zr / (Zr + Ti) <0.7.
Pbの組成比を1<Pb/(Zr+Ti)<1.4とした圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 7,
A piezoelectric thin film element in which the composition ratio of Pb is 1 <Pb / (Zr + Ti) <1.4.
前記圧電体薄膜をスパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、MBE法、MOCVD法、プラズマCVD法等の気相成長法で形成した圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to claim 1 or 6,
A piezoelectric thin film element formed by vapor phase epitaxy such as sputtering, vacuum deposition, laser ablation, ion plating, MBE, MOCVD, plasma CVD or the like.
圧電体薄膜素子を構成する圧電体薄膜の圧電定数d31が、印加電圧の履歴に対する変動範囲として、
0≦100×{(d31(最大値)−d31(最小値))/(d31(最大値)+d31(最小値))}<10
となるように圧電定数d31の範囲を設定した圧電体薄膜素子。 The piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 10,
The piezoelectric constant d31 of the piezoelectric thin film constituting the piezoelectric thin film element is a variation range with respect to the history of applied voltage.
0 ≦ 100 × {(d31 (maximum value) −d31 (minimum value)) / (d31 (maximum value) + d31 (minimum value))} <10
A piezoelectric thin film element in which the range of the piezoelectric constant d31 is set so that
この圧電体薄膜素子のいずれかの前記電極側の面に設けられた振動板膜と、
この振動板膜の圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、
前記圧電体薄膜素子の圧電効果により前記振動板膜を膜厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるように構成したインクジェットヘッド The piezoelectric thin film element according to any one of claims 1 to 11,
A diaphragm film provided on the surface of any one of the piezoelectric thin film elements;
A pressure chamber member having a pressure chamber which is bonded to a surface of the diaphragm film opposite to the piezoelectric thin film element and accommodates ink;
An inkjet head configured to discharge the ink in the pressure chamber by displacing the diaphragm film in the film thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element
前記電極のいずれかに積層されてなる振動板を備え、前記振動板の内部応力を圧縮応力としたインクジェットヘッド。 The inkjet head according to claim 12, wherein
An ink jet head comprising a diaphragm laminated on one of the electrodes, wherein the internal stress of the diaphragm is a compressive stress.
前記振動板の内部応力と、積層された前記圧電体薄膜素子の内部応力との総和が圧縮応力となるように、前記振動板の内部応力を設定したインクジェットヘッド。 The inkjet head according to claim 12, wherein
An ink jet head in which the internal stress of the diaphragm is set such that the sum of the internal stress of the diaphragm and the internal stress of the laminated piezoelectric thin film element is a compressive stress.
このインクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、
この相対移動手段により前記インクジェットヘッドが前記記録媒体に対して相対移動しているときに、
前記インクジェットヘッドにおいて前記圧力室に連通するように設けたノズル孔から、前記圧力室に収容されたインクを前記記録媒体に吐出させて記録を行うように構成したインクジェット式記録装置。 An inkjet head according to any one of claims 11 to 14,
A relative movement means for relatively moving the inkjet head and the recording medium,
When the inkjet head is moved relative to the recording medium by the relative movement means,
An ink jet recording apparatus configured to perform recording by discharging ink contained in the pressure chamber to the recording medium from a nozzle hole provided to communicate with the pressure chamber in the ink jet head.
第1の電極層の上にスパッタ法を用いて圧電体薄膜層を形成する工程と、
圧電体薄膜層の上に第2の電極層を形成する工程と、
を有し、
前記圧電体薄膜層を形成する工程において、前記基板の温度を所定の結晶配向が得られるよう加熱しながら成膜を行う圧電体薄膜素子の製造方法。 Forming a first electrode layer on a substrate;
Forming a piezoelectric thin film layer on the first electrode layer by sputtering;
Forming a second electrode layer on the piezoelectric thin film layer;
Have
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element, wherein in the step of forming the piezoelectric thin film layer, film formation is performed while heating the substrate so as to obtain a predetermined crystal orientation.
前記圧電体薄膜層をPb,Zr,Tiで構成されるスパッタリングターゲットを用いて成膜し、
このスパッタリングターゲットを、目標とする圧電体薄膜素子の組成と同一か、あるいはZr,Tiの比率は同じで、かつPbの過剰量が0〜0.4モルの範囲とした圧電体薄膜素子の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to claim 16,
The piezoelectric thin film layer is formed using a sputtering target composed of Pb, Zr, Ti,
Production of a piezoelectric thin film element in which this sputtering target has the same composition as the target piezoelectric thin film element, or the ratio of Zr and Ti is the same, and the excess amount of Pb is in the range of 0 to 0.4 mol. Method.
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