JP3837901B2 - Piezoelectric thin film element, ink jet recording head using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜素子を構成する圧電体膜の構造に係わる。具体的には、転移層同士の間隔が、少なくとも下部電極側よりも上部電極側の方が狭くなるように、膜厚方向の対して不等間隔に形成された転移層を備える圧電体膜の構造に係わる。特に、インクジェット式記録ヘッドのインク吐出の駆動源に好適な圧電体薄の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、インクジェット式記録ヘッドは、インク吐出の駆動源として機能する圧電体薄膜素子を備えている。この圧電体薄膜素子は電界を印加することで体積変化を生じたり、圧力を加えることで電圧変化を生じたりする電気機械変換作用を生じるものである。ペロブスカイト(perovskite)結晶構造を有するセラミックスはこの作用を顕著に示すものが多いため、圧電体膜の材料に用いられている。この圧電体薄膜素子は、圧電体膜と、この圧電体膜を挟む上部電極及び下部電極を備えている。
【0003】
ところで、近年のインクジェット式記録ヘッドには高精細度印字がますます求められるようになったため、加圧室の容積がより小さくなってきている。小さな容積の加圧室で適量のインクを吐出するためには、圧電体薄膜素子に、より大きな圧力を生じさせる必要がある。この圧力は個々の結晶構造における微少なひずみの集積として現れるため、圧電体膜の厚みを大きくすればするほど、より大きな圧力が得られると考えられる。また、圧電体膜の厚みを大きくすることにより、層内に強い電場が生じることによる圧電特性の低下を防止することができる。このため、様々な成膜法により、圧電体膜の厚みを厚くする試みが検討されている。
【0004】
一般的に用いられている圧電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という場合がある。)を主成分とする二成分系、又は、この二成分系にPZTの第三成分を加えた三成分系の組成を有する。この圧電体膜の成膜法として、ゾル・ゲル法が知られている。
【0005】
このゾル・ゲル法は、PZT系圧電体膜の金属成分の水酸化物の水和錯体(ゾル)を脱水処理してゲルとし、このゲルを加熱焼成して無機酸化物(圧電体膜)を調整する方法である。この方法によれば、PZT系圧電体膜の前駆体を所定の厚みとなるまで数回の塗工/乾燥/脱脂を繰り返すことにより成膜できるため、組成制御に優れており、圧電体膜の厚みの調整に好適である。また、フォトエッチング工程を用いたパターニングも可能であり、インクジェット式記録ヘッドへの応用も実用化されている。
【0006】
ゾル・ゲル法で0.5μm乃至1μm程度の厚みを有するPZT膜を成膜する場合、PZT膜のゾルをスピンコートし、乾燥/脱脂を行う工程を数工程(例えば、4工程)行い、その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)熱処理(プレアニール)し、さらにゾルをスピンコートして、乾燥/脱脂を行う工程を数工程(例えば、4工程)行い、その後、RTA熱処理(ファイナルアニール)する工程を経て得ることができる。
【0007】
このように、従来では、ゾルの塗布量は圧電体膜の膜厚と塗布回数との関係で定められ、それぞれの塗布量はほぼ均等であった。このため、塗布回数に応じて塗布量を適宜変更するという配慮はなされていなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者は、上述したゾル・ゲル法で圧電体膜を成膜する場合、ある程度の厚膜化を試みると、脱脂工程やRTA工程で結晶粒を成長させる際に、圧電体膜内部に残留応力が作用し、膜表面にクラックが発生する場合があることを見出した。この現象は、圧電体膜の脱脂工程やRTA工程でアモルファス状態であった分子構造が緻密な結晶構造となるときに、熱応力が複雑に作用し合うためであると考えられる。このため、ある程度以上の厚い膜厚を備える圧電体膜を成膜することはできず、インクジェット式記録ヘッドの高精細化に技術的な制約が生じていた。
【0009】
そこで、本発明は、圧電体膜に生じる応力を緩和して厚みを厚くしてもクラック等の応力破壊を生じることのない圧電体膜を提供することにより、圧電体膜の厚膜化を可能にし、大きな体積変化を生ずる圧電体薄膜素子及びこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェット式記録ヘッドを提供することを第1の課題とする。
【0010】
また、これらの圧電体薄膜素子とインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することを第2の課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の課題は、上部電極及び下部電極の間に圧電性材料で形成された圧電体膜を挟んで構成される圧電体薄膜素子において、前記圧電体膜は、膜厚方向にn(nは2以上の自然数)個の転移層を備え、前記転移層同士の間隔が、少なくとも前記下部電極側よりも前記上部電極側の方が狭いことを特徴とする、圧電体薄膜素子によって解決される。
【0012】
ここでいう転移層とは、圧電体膜を構成する結晶構造が一部乱れ、原子が部分的に欠損した状態(本明細書において、格子欠陥という場合がある)をいう。圧電体膜の成膜時における応力はその表面(上部電極側)において強く作用するため、上記の構成により、圧電体膜はその表面近傍において転移層を多く含むので、圧電体膜の成膜時における応力を有効に緩和することができる。従って、圧電体膜の厚膜化が可能である。
【0013】
この場合、n個の転移層を、下部電極側に近い方の転移層から順番に、第1の転移層、第2の転移層、…第nの転移層とし、下部電極と第1の転移層の間の距離をd1、第1の転移層と第2の転移層の間の距離をd2、…第n−1の転移層と第nの転移層の間の距離をdnとすると、d1>d2>…>dnの関係式を満たすように転移層を形成することが望ましい。但し、この関係式を厳密に満たさないものであっても、下部電極側から上部電極側にかけて転移層同士の間隔が次第に狭くなっていれば本発明の課題を解決することができる。
【0014】
また、転移層の数が多すぎると、圧電体膜の圧電特性が低下するおそれがあるため、転移層の数nは圧電体膜の厚みと関係で定められる。例えば、厚み2.0μmの圧電体膜に対して2乃至6の範囲とすることが望ましい。
【0015】
この転位層における転位密度は1013乃至1014/cm2の範囲に形成することが望ましい。転位密度が1014/cm2以上であると、圧電体膜の構造的強度が低下し、転位密度が1013/cm2以下であると、圧電体膜内に生じる応力を緩和することができないからである。
【0016】
また、転位層の厚みは、圧電体膜の厚み方向に5nm乃至15nmの厚さ、特に、10nmに形成することが望ましい。厚みが5nm以下であると圧電体膜内に生じる応力を緩和することができず、厚みが15nm以上であると圧電体膜の構造的強度が低下するからである。
【0017】
本発明に係わる圧電体薄膜素子は、入力される印字データに応じて選択的にインク滴を記録用紙上に飛翔・固着させることで可視画像を得るインクジェットプリンタに用いるインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。本発明の第1の課題は、本発明に係わる圧電体薄膜素子を、インクを充填するための加圧室の少なくとも一方の面を形成する振動板に配置して構成された加圧室基板を備えたインクジェット式記録ヘッドによって実現することができる。
【0018】
本発明の第2の課題は、本発明に係わる圧電体薄膜素子の製造方法を提供することにある。この課題は、下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程と、前記圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、を備える圧電体薄膜素子の製造方法において、前記圧電体膜形成工程は、圧電体膜前駆体を形成するためのゾルを1回以上塗布してなる第1の膜を熱処理した後、前記第1の膜上に前記ゾルを1回以上塗布してなる第2の膜を熱処理することで、前記第1及び第2の膜の界面近傍における、前記第2の膜中に転移層を形成する工程をm(mは2以上の自然数)回繰り返し、圧電体膜の膜厚方向に形成されるm個の転移層を、前記転移層同士の間隔が、少なくとも前記下部電極側よりも前記上部電極側の方が狭くなるように形成したことを特徴とする、圧電体薄膜素子の製造方法によって解決される。
【0019】
この場合、第2の膜の厚みを第1の膜の厚みより小さくすることで、本発明の課題を解決することができる。第1及び第2の膜の厚みは、塗布されるゾルの量を一定にして、塗布する回数で調整することができる。また、塗布する回数を一定にして、塗布されるゾルの濃度で調整することもできる。
【0020】
また、m個の転移層を、下部電極側に近い方の転移層から順番に、第1の転移層、第2の転移層、…、第mの転移層とし、下部電極と第1の転移層の間の距離をd1、第1の転移層と第2の転移層の間の距離をd2、…、第m−1の転移層と第mの転移層の間の距離をdmとすると、d1>d2>…>dmの関係を満たすように転移層を形成することが好ましい。
【0021】
この場合、mの値は、厚み2.0μmの圧電体膜に対して2乃至6の範囲とすることが好ましく、転位層における転位密度は1013乃至1014/cm2の範囲とすることが好ましい。また、転位層は、圧電体膜の厚み方向に5nm乃至15nmの厚さに形成することが好ましい。
【0022】
本発明の第2の課題は、本発明に係わる圧電体薄膜素子を、インクを充填するための加圧室の少なくとも一方の面を形成する振動板に配置して構成された加圧室基板を備えるインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、基板に振動板を形成する工程と、前記基板に加圧室を形成する工程と、本発明に係わる圧電体薄膜素子の製造方法と、を備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法によって実現される。
【0023】
【発明の実施の形態】
<実施の形態1>
本発明の実施の形態1を、図1乃至図3を参照して説明する。本実施の形態は、下部電極側から上部電極側にかけて転移層同士の間隔が次第に狭くなるように、膜厚方向に対して不等間隔に形成することで圧電体膜の膜厚化を可能にする圧電体薄膜素子に係わるものである。
【0024】
ここで、図1は本実施の形態に係わる圧電体薄膜素子の説明図、図2は図1に示す圧電体薄膜素子を基板上に形成する際の製造工程断面図、図3は図2(B)に示す製造工程をより詳細に示した製造工程断面図である。
【0025】
(圧電体薄膜素子の構造)
図1に示すように、圧電体薄膜素子は、上部電極50と下部電極30に挟まれる圧電体膜40から構成される。製造工程の詳細については後述するが、圧電体膜40は、圧電体膜前駆体を4層重ねてプレアニール処理した圧電体層40Aと、3層重ねてプレアニール処理した圧電体層40Bと、2層重ねてプレアニール処理した圧電体層40Cと、1層でプレアニール処理した圧電体層40Dと、から構成される。
【0026】
このように、圧電体膜前駆体をプレアニール処理することで、それぞれの膜界面、例えば、圧電体層40Aと圧電体層40Bの界面に転移層40bを形成することができる。即ち、圧電体層40Aの圧電体膜前駆体をプレアニール処理することで圧電体膜前駆体の表面近傍の格子列は乱れた状態で焼結し、結晶化する。このため、その上に形成された圧電体層40Bの圧電体膜前駆体をプレアニールすることで、乱れた格子列の影響を受けた状態で焼結し、結晶化する。従って、圧電体層40Aと圧電体層40Bの界面近傍における圧電体層40Bには、ペロブスカイト結晶の格子が一部欠損した転移層(第1の転移層)40bが形成される。圧電体層40C、圧電体層40Dについても同様に第2の転移層40c、第3の転移層40dが形成される。この転移層は、圧電体膜40の成膜時における内部応力を緩和することができる。
【0027】
通常、圧電体膜40の成膜時に生じるクラックは膜表面(上部電極側)から膜内部に向けて生じるため、膜表面に生じる内部応力が一番強いと考えられる。本発明者はこの点に着目し、下部電極側から上部電極側にかけて転移層同士の間隔が次第に狭くなるように、膜厚方向に対して不等間隔に形成した。
【0028】
即ち、下部電極の上面から第1の転移層40bまでの距離をd1、第1の転移層40bから第2の転移層40cまでの距離をd2、第2の転移層40cから第3の転移層40dまでの距離をd3、とすると、
d1>d2>d3…(1)
の関係になる。但し、転移層の数は3つに限られず、任意の数、例えば、n(n=2,3,4…)層形成してもよい。また、転移層の数を増やしすぎると、圧電体膜の圧電特性が低下するおそれがあるので、転移層の数は圧電体膜の厚みとの関係で定まる。例えば、3.0μmの厚さの圧電体膜では転移層の数を4とすることが望ましい。この場合、d1は0.6μm乃至1.4μmの範囲とし、d2は0.4μm乃至1.2μmの範囲とし、d3は0.2μm乃至1.0μmの範囲とし、d4は0.01μm乃至0.8μmの範囲とすることが好ましい。
【0029】
また、(1)式の条件を厳密に満たさないものであっても、転移層同士の間隔を膜表面において狭くなるように形成したものであればよい。例えば、転移層が4つある場合、
d1=d2>d3>d4 …(2)
の関係や、
d1>d2=d3>d4 …(3)
の関係であってもよい。転移層同士の間隔や、その数は、圧電体膜の成膜法、圧電体膜の厚み、その他の諸条件に応じて適宜設計変更することができる。
【0030】
(圧電体薄膜素子の製造工程)
次に、図2及び図3を参照して、この圧電体膜を用いた圧電体薄膜素子を基板上に形成する際の製造方法について説明する。
【0031】
酸化膜及び下部電極形成工程(図2(A))
所定の厚さ(例えば、220μm)のシリコン単結晶基板10上に熱酸化法により所望の膜厚(例えば、1.0μm)の二酸化珪素から成る酸化膜20を形成する。この工程では、酸素或いは水蒸気を含む酸化性雰囲気中で高温処理する。この酸化膜20は振動板として機能するものであるが、二酸化珪素膜に限らず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよく、さらに、振動板自体をなくして後述する下部電極に振動板の役割を兼ねてもよい。また、酸化膜20の形成は、熱酸化法に限らず、CVD法でもよい。
【0032】
この酸化膜20の表面上にスパッタ成膜法等の薄膜形成法により下部電極30となる白金層(例えば、500nmの膜厚)を形成する。この場合、図示しないが、下部電極30と酸化膜20の間に、チタン層(例えば、20nmの膜厚)、酸化チタン層(例えば、20nmの膜厚)、チタン層(例えば、5nmの膜厚)を順次形成し、下部電極30の上にチタン層(例えば、5nmの膜厚)を形成してもよい。このように、下部電極30を多層構造とすることで、下部電極30と酸化膜20の密着力を向上させることができる。
【0033】
圧電体膜形成工程(図2(B))
下部電極30上に圧電体膜40を成膜する。本実施の形態では、ゾル・ゲル法で圧電体膜40を成膜する。この圧電体膜40は、圧電特性を有する圧電性セラミックスであれば、その組成は任意のものを適用することができる。例えば、PZT系圧電性材料の他、ニオブ酸や酸化ニッケル、酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が適用できる。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等を適用することができる。
【0034】
本実施の形態では、チタン酸鉛とジルコン酸鉛のモル混合比が44%:56%となるようなPZT系圧電体膜の前駆体をゾル・ゲル法にて、最終的な膜厚が1.0μmとなるまで所望の回数(例えば、10回)の塗工/乾燥/脱脂を繰り返して成膜する。圧電体膜前駆体は、
PbXTiYZrZO3(Y+Z=1)
で表される組成式中のX、Yを、
1.00≦X≦1.20且つ0.4≦Y≦0.6
の範囲内で選択すれば、実用に耐えうる圧電特性を得ることができる。圧電体膜40を所望の厚みとするため、圧電体膜40を形成するためのゾルを所望の回数(例えば、10回)に分けてスピンコートし、乾燥/脱脂工程を行う。具体的には、図3に示すように成膜する。
【0035】
圧電体層(第1層)形成工程(図3(A))
下部電極30上に圧電体膜40を成膜するためのゾルを1500rpmで30秒間スピンコーティングし、膜厚0.1μmとし、180℃10分で乾燥した後、400℃30分で脱脂して圧電体膜前駆体401を形成する。更に、同様の工程を3回繰り返して圧電体膜前駆体402、403、404を形成する。
【0036】
この場合、後述するRTA(Rapid Thermal Annealing)によるプレアニール時において圧電体膜前駆体中の鉛が蒸発して低誘電性となる結果、圧電特性が低下するのを防止するために、圧電体膜前駆体404の鉛含有量を圧電体膜前駆体401乃至403の鉛含有量より多くしてもよい。例えば、圧電体膜前駆体401乃至403の鉛含有量を1とし、圧電体膜前駆体404の鉛含有量を1.15とする。但し、圧電体膜前駆体404を形成するゾルにおけるPbの含有量は圧電体膜前駆体401乃至403を形成するゾルのPbの含有量と同じにしてもよい。この場合は、圧電体膜前駆体404に生じる低誘電性層(他の圧電体膜前駆体と比較してOとTiの組成が多く、Zr、Pbの組成が少ない層)により、圧電体膜内部に生じる応力を緩和することができる。
【0037】
次いで、圧電体膜前駆体401乃至404に、RTAを用いて酸素雰囲気中で550℃で5分間、続けて675℃1分間の連続熱処理(プレアニール)を行い、
圧電体層40Aを形成する。このプレアニールにより、圧電体層40Aの表面近傍の格子配列は乱れた状態で焼結し、結晶化する。
【0038】
圧電体層(第2層)形成工程(図3(B))
圧電体膜前駆体401乃至404を形成した工程と同様の工程により、圧電体層40A上に圧電体膜前駆体405、406及び407を形成し、RTAを用いて酸素雰囲気中で600℃で5分間、続けて850℃で1分間の連続熱処理(プレアニール)を行い、圧電体層40Bを形成する。この場合、圧電体膜前駆体405乃至407のそれぞれの厚みを圧電体膜前駆体401乃至404のそれぞれの厚みと同じにすることで、圧電体層40Bの厚みを圧電体層40Aの厚みよりも少なくすることができる。このように、塗布されるゾルの量を一定にする場合は、スピンコートの回数で圧電体層の膜厚を調整することができるが、スピンコートの回数を一定にして、塗布されるゾルの濃度を適宜調整することで圧電体層の膜厚を変えることもできる。
【0039】
また、上述したように、圧電体膜前駆体407の鉛含有量を適宜調製してもよい。圧電体層40Aの表面近傍の格子配列は乱れた状態で焼結し、結晶化しているため、本工程により、圧電体層40Bの格子配列は圧電体層40Aの表面近傍の格子配列の影響を受け、格子欠陥が生じた状態で焼結し、結晶化する。このため、図1に示すように、圧電体層40Bには、圧電体層40Aと圧電体層40Bの界面近傍に格子欠陥である転位層40bが形成される。
【0040】
尚、本工程で形成される転移層の転位密度を測定したところ、1013乃至1014/cm2の範囲であり、転移層の厚みは、約10nmであることが確認された。転位層の無い圧電体膜の転位密度は1011乃至1012/cm2であるから、転位層内における格子欠陥は約100倍多いことになる。このため、転移層は圧電体膜内部に生じる応力を緩和することができるものと考えられる。
【0041】
圧電体層(第3層)形成工程(図3(C))
前述の圧電体層(第2層)形成工程と同様の工程により、圧電体層40B上に圧電体膜前駆体408及び409を形成し、RTAを用いて酸素雰囲気中で600℃で5分間、続けて850℃で1分間の連続熱処理(プレアニール)を行い、圧電体膜40Cを形成する。この場合、圧電体膜40Cの膜厚は圧電体膜40Bの膜厚よりも小さい。また、上述したように、圧電体膜前駆体409の鉛含有量を適宜調製してもよい。この工程により、図1に示すように、圧電体層40C内に転移層40cが形成される。
【0042】
圧電体層(第4層)形成工程(図3(D))
前述の圧電体層(第3層)形成工程と同様の工程により、圧電体層40C上に圧電体膜前駆体410を形成し、RTAを用いて酸素雰囲気中で600℃で5分間、続けて850℃で1分間の連続熱処理(ファイナルアニール)を行い、圧電体膜40Dを形成する。この場合、圧電体膜40Dの膜厚は圧電体膜40Cの膜厚よりも小さい。また、上述したように、圧電体膜前駆体410の鉛含有量を適宜調製してもよい。この工程により、図1に示すように、圧電体層40D内に転移層40dが形成される。
【0043】
このようにして下部電極30上に圧電体膜40を形成することができる。以下、図2に戻って次工程を説明する。
【0044】
上部電極形成工程(図2(C))
圧電体膜40を成膜後、圧電体膜40上に上部電極50を形成する。この工程は、厚さ0.1μmの白金を直流スパッタ法、電子ビーム蒸着法等で成膜する。その後、パターニング等の所望の工程を行い、圧電体薄膜素子を得る。
【0045】
尚、上述の説明では、圧電体膜40を形成するために、圧電体膜前駆体(ゾル)を10回に分けて塗布/乾燥/脱脂し、4層、3層、2層及び1層毎に重ねてプレアニール処理をしたが、成膜時における応力に耐え得る範囲ならば、10回に限られず、圧電体膜前駆体の塗布回数を適宜変更して成膜することができる。
【0046】
(実施例)
上述の製造方法で得られた本実施の形態に係わる圧電体薄膜素子の圧電定数d31は140pC/N、電圧出力係数g31が11mV・m/N、誘電率eが1500であった。これに対し、従来の製法による圧電体膜では、膜厚0.9μm以上の圧電体膜を形成しようとすると成膜時にクラックが発生し、圧電特性を示さない。尚、添字の31は膜厚方向の値であることを示す。
【0047】
このように、本実施の形態に係わる圧電体薄膜素子によれば、圧電体膜の膜厚方向に転移層を不等間隔に、かつ、圧電体膜の表面において転移層同士の間隔が狭くなるように形成した構成であるため、圧電特性を低下させないで、圧電体膜の信頼性を向上させることができる。また、圧電体膜の厚膜化が可能になる。
【0048】
尚、本発明に係わる圧電体薄膜素子は、後述するインクジェット式記録ヘッドの加圧源の他、不揮発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学式記憶装置、空間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等の強誘電体素子に応用することができる。
【0049】
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2について、図4乃至図6を参照して説明する。本実施の形態は、実施の形態1で得られる圧電体薄膜素子をインクジェット式記録ヘッドの加圧源とするものである。
【0050】
ここで、図4はインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図、図5及び図6はインクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程断面図である。尚、図1乃至図3と同一符号については同一部であり、その詳細な説明を省略する。
【0051】
以下、図4を参照してインクジェット式記録ヘッドの構成を説明した後、図5及び図6を参照してインクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程を説明する。
【0052】
(インクジェット式記録ヘッドの構成)
図4に示すインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成されるタイプを示す。同図に示すように、インクジェット式記録ヘッドは主に加圧室基板1、ノズルユニット2及び基体4から構成される。
【0053】
加圧室基板1はシリコン単結晶基板上に形成された後、各々に分離される。加圧室基板1は複数の短冊状の加圧室11が設けられ、全ての加圧室11にインクを供給するための共通流路13を備える。加圧室11の間は側壁12により隔てられている。加圧室基板1の基体4側には振動板膜及び圧電体薄膜素子が形成されている。また、各圧電体薄膜素子からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板3に収束され、基体4の外部回路(図示せず)と接続される。外部回路にはプリンタ(図示せず)に内臓されるコンピュータから印字データが供給され、インクジェット式記録ヘッドは所定のタイミングでインクを吐出する。
【0054】
ノズルプレート2は加圧室基板1に接合される。ノズルプレート2における加圧室11に対応する位置にはインク滴を摘出するためのノズル21が形成されている。
【0055】
基体4はプラスチック、金属等の鋼体であり、加圧室基板1の取付台となる。
【0056】
(インクジェット式記録ヘッドの動作原理)
次に、図6(F)を参照して、このインクジェット式記録ヘッドの動作原理を説明する。同図は、インクジェット式記録ヘッドの主要部の断面図である。
【0057】
インクを吐出させたいときには上部電極50及び下部電極30間に電圧が印加される。この電圧は圧電体膜40の分極方向と同じ方向である。これにより圧電体膜40は厚み方向に膨張するとともに、幅方向に収縮する。この収縮で圧電体膜40と酸化膜20(振動板膜として機能する)の界面に圧縮応力が働き、酸化膜20は加圧室11側に反る。この反りにより加圧室11の容積が変化し、ノズル21からインク滴が吐出する。これにより印字が可能となる。
【0058】
(インクジェット式記録ヘッドの主要部における製造工程)
次に、本実施の形態に係わるインクジェット式記録ヘッドの製造工程について図5、図6を参照して説明する。
【0059】
尚、図5及び図6は、図4の加圧室基板1のa−a矢視断面図に相当する。
【0060】
圧電体薄膜素子形成工程(図5(A))
所定の大きさと厚さ(例えば、直径102mm、厚さ220μm)のシリコン単結晶基板10に対してその全面に熱酸化法等により二酸化珪素からなるエッチング保護層(熱酸化膜)20を形成する。
【0061】
次いで、この基板10の能動素子側の面(圧電体薄膜素子が形成される側)に、下部電極30、圧電体膜40及び上部電極50からなる圧電体薄膜素子を形成する。圧電体薄膜素子の形成法については上述した実施の形態1と同様であるため、その説明を省略する。この圧電体膜40は、圧電体膜40の膜厚方向に転移層を不等間隔に、かつ、圧電体膜40の表面において転移層同士の間隔が狭くなるように形成した構成を有している。
【0062】
圧電体薄膜素子分離工程(図5(B))
上部電極50及び圧電体膜40に対して、加圧室11が形成されるべき位置に合わせて適当なレジスト(図示せず)を施し、このレジストをマスクとしてイオンミリング等を用いて所定の分離形状に形成する。このレジストの形成は、スピンナー法、スプレー法等の公知の手法を用いればよい。さらに、下部電極に対しても同様に適当なレジスト(図示せず)を施し、イオンミリング等を用いて所定の形状に形成する。
【0063】
また、基板10の能動素子側に、後工程で侵される種々の薬品に対する保護膜(図示せず)を施し、基板10の加圧室側の面の少なくとも加圧室或いは側壁を含む面領域の熱酸化膜20を弗化水素によりエッチングし、エッチング用の窓14を形成する。
【0064】
加圧室形成用凹部形成工程(図5(C))
湿式異方性エッチング液、例えば、80℃に保温された濃度10%の水酸化カリウム水溶液を用いて窓14のシリコン単結晶基板10を所定の深さまでエッチングし、凹部15を形成する。
【0065】
尚、この工程は、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた乾式異方性エッチングで行ってもよい。
【0066】
加圧室形成工程(図6(D))
凹部15が形成されている基板10に対してCVD法等の化学的気相成長法により二酸化珪素膜20をエッチング保護層として1μm形成した後、加圧室を形成するべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、弗化水素によりエッチングする。
【0067】
尚、この二酸化珪素膜20の他の成膜法として、ゾル・ゲル法を用いてもよいが、能動素子側の面には既に圧電体薄膜素子が形成されているため、1000℃以上の高温加熱が必要とされるゾル・ゲル法は、圧電体膜の結晶性を阻害するので好ましくない。
【0068】
加圧室形成工程(図6(E))
湿式異方性エッチング液、例えば、80℃に保温された濃度10%の水酸化カリウム水溶液を用いて基板10を加圧室側から能動素子側に向けて異方性エッチングし、加圧室11及び側壁12を形成する。
【0069】
ノズルプレート接合工程(図6(F))
以上の工程で形成された加圧室基板1に、接着剤を用いて別体のノズルユニット2を接合する。この接着剤としては、エポキシ系、ウレタン系、シリコーン系等の何れでもよい。このノズルユニット2には、各加圧室11に対応してノズル21が形成されている。
【0070】
尚、加圧室基板1とノズルユニット2はシリコン単結晶基板をエッチングすることで一体成形されたものであってもよい。この場合、本工程は不要である。
【0071】
以上、説明したように、本実施の形態に係わるインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電体膜の構造上、圧電体膜の膜厚方向に転移層を不等間隔に、かつ、圧電体膜の表面において転移層同士の間隔が狭くなるように形成した構成であるため、インクジェット式記録ヘッドの製造工程における圧電体膜に生じるクラックの発生を防止することができ、歩留りの向上を図ることができる。従って、コストの低下を図ることができる。
【0072】
また、圧電体薄膜素子の信頼性の向上とともに、圧電体膜の圧電特性の向上を図ることができるため、インクの吐出量が増加し、鮮明な印字を行うことができる。
【0073】
また、従来と比較して圧電体膜の厚膜化が可能であるため、より大きな体積変化を生じさせることができ、加圧室の容積の縮小化に対応して、高精細な印字が可能になる。
【0074】
【発明の効果】
本発明に係わる圧電体薄膜素子によれば、圧電体膜が、転移層同士の間隔が、少なくとも下部電極側よりも上部電極側の方が狭くなるように、膜厚方向の対して不等間隔に形成された転移層を備える構造であるため、圧電体薄膜素子の製造工程における応力を緩和し、クラックの発生等を防止することができる。この構成により、圧電体膜を厚膜化することができるとともに、圧電特性の向上を図ることができる。
【0075】
また、本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電体膜の圧電特性の向上により、インクの吐出量が増加し、鮮明な印字を行うことができる。
【0076】
また、製造過程におけるクラックの発生を抑えることができるため、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係わる圧電体薄膜素子の説明図である。
【図2】図1に示す圧電体薄膜素子の製造工程断面図である。
【図3】図2(B)に示す製造工程をより詳細に示した製造工程断面図である。
【図4】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図5】インクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程断面図である。
【図6】インクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程断面図である。
【符号の説明】
1…加圧室基板
2…ノズルユニット
3…配線基板
4…基体
10…基板
11…加圧室
12…側壁
13…共通流路
20…酸化膜
21…ノズル
30…下部電極
40…圧電体膜
40A…圧電体層
40B…圧電体層
40C…圧電体層
40D…圧電体層
40b…転移層、
40c…転移層
40d…転移層
50…上部電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the structure of a piezoelectric film constituting a piezoelectric thin film element. Specifically, the piezoelectric film including the transition layers formed at unequal intervals in the film thickness direction so that the distance between the transition layers is narrower at least on the upper electrode side than on the lower electrode side. Related to the structure. In particular, the present invention relates to a piezoelectric thin structure suitable for an ink discharge drive source of an ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
Conventional ink jet recording heads include a piezoelectric thin film element that functions as a drive source for ink ejection. The piezoelectric thin film element has an electromechanical conversion effect that causes a volume change by applying an electric field or a voltage change by applying pressure. Since many ceramics having a perovskite crystal structure exhibit this effect remarkably, they are used as materials for piezoelectric films. The piezoelectric thin film element includes a piezoelectric film, and an upper electrode and a lower electrode that sandwich the piezoelectric film.
[0003]
By the way, since high-definition printing has been increasingly required for recent ink jet recording heads, the volume of the pressurizing chamber is becoming smaller. In order to eject an appropriate amount of ink in a pressurizing chamber having a small volume, it is necessary to generate a larger pressure on the piezoelectric thin film element. Since this pressure appears as an accumulation of minute strains in individual crystal structures, it is considered that a larger pressure can be obtained as the thickness of the piezoelectric film is increased. In addition, by increasing the thickness of the piezoelectric film, it is possible to prevent a decrease in piezoelectric characteristics due to the generation of a strong electric field in the layer. For this reason, attempts have been made to increase the thickness of the piezoelectric film by various film forming methods.
[0004]
The piezoelectric film generally used is a two-component system mainly composed of lead zirconate titanate (hereinafter sometimes referred to as “PZT”), or a third component of PZT in this two-component system. The composition has a three-component system to which is added. As a method for forming this piezoelectric film, a sol-gel method is known.
[0005]
In this sol-gel method, a hydroxide hydrate complex (sol) of a metal component of a PZT piezoelectric film is dehydrated to form a gel, and the gel is heated and fired to form an inorganic oxide (piezoelectric film). It is a method to adjust. According to this method, since the precursor of the PZT-based piezoelectric film can be formed by repeating coating / drying / degreasing several times until a predetermined thickness is obtained, the composition control is excellent. Suitable for adjusting the thickness. Patterning using a photoetching process is also possible, and application to an ink jet recording head has been put into practical use.
[0006]
When a PZT film having a thickness of about 0.5 μm to 1 μm is formed by the sol-gel method, several steps (for example, four steps) of spin coating the sol of the PZT film and drying / degreasing are performed. , RTA (Rapid Thermal Annealing) heat treatment (pre-annealing), spin coating with sol, drying / degreasing step (for example, 4 steps), followed by RTA heat treatment (final annealing) step Obtainable.
[0007]
Thus, conventionally, the amount of sol applied is determined by the relationship between the film thickness of the piezoelectric film and the number of times of application, and the amount of each applied is almost equal. For this reason, no consideration has been given to appropriately changing the coating amount in accordance with the number of coatings.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventor, when forming a piezoelectric film by the sol-gel method described above, attempts to increase the film thickness to some extent, and when growing crystal grains in the degreasing process or the RTA process, It was found that residual stress acts on the film surface and cracks may occur on the film surface. This phenomenon is considered to be because thermal stress acts in a complex manner when the molecular structure that was in an amorphous state in the piezoelectric film degreasing process or RTA process becomes a dense crystal structure. For this reason, it is impossible to form a piezoelectric film having a thickness greater than a certain level, and technical restrictions have been imposed on the high definition of the ink jet recording head.
[0009]
Therefore, the present invention can increase the thickness of the piezoelectric film by providing a piezoelectric film that does not cause stress breakdown such as cracks even if the thickness generated by relaxing the stress generated in the piezoelectric film is increased. The first problem is to provide a piezoelectric thin film element that causes a large volume change and an ink jet recording head using the piezoelectric thin film element.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing these piezoelectric thin film elements and an ink jet recording head.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A first subject of the present invention is a piezoelectric thin film element configured by sandwiching a piezoelectric film formed of a piezoelectric material between an upper electrode and a lower electrode, wherein the piezoelectric film is n in the film thickness direction. Solved by a piezoelectric thin film element comprising n transition layers (n is a natural number of 2 or more), and the distance between the transition layers being at least smaller on the upper electrode side than on the lower electrode side Is done.
[0012]
Here, the transition layer refers to a state in which the crystal structure constituting the piezoelectric film is partly disordered and atoms are partially lost (in this specification, sometimes referred to as a lattice defect). Since stress during film formation of the piezoelectric film acts strongly on the surface (upper electrode side), the piezoelectric film includes many transition layers in the vicinity of the surface by the above configuration. The stress in can be effectively relieved. Accordingly, it is possible to increase the thickness of the piezoelectric film.
[0013]
In this case, the n transition layers are formed as a first transition layer, a second transition layer,..., An nth transition layer in order from the transition layer closer to the lower electrode side. D is the distance between layers 1 , The distance between the first transition layer and the second transition layer is d 2 , ..., the distance between the (n-1) th transition layer and the nth transition layer is d n Then d 1 > D 2 >...> d n It is desirable to form the transition layer so as to satisfy the relational expression. However, even if this relational expression is not strictly satisfied, the problem of the present invention can be solved if the distance between the transition layers is gradually narrowed from the lower electrode side to the upper electrode side.
[0014]
Further, if the number of transition layers is too large, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film may be deteriorated. Therefore, the number n of the transition layers is determined in relation to the thickness of the piezoelectric film. For example, it is desirable that the thickness is in the range of 2 to 6 for a piezoelectric film having a thickness of 2.0 μm.
[0015]
The dislocation density in this dislocation layer is 10 13 Thru 10 14 / Cm 2 It is desirable to form in the range. Dislocation density is 10 14 / Cm 2 If it is above, the structural strength of the piezoelectric film is lowered and the dislocation density is 10 13 / Cm 2 This is because the stress generated in the piezoelectric film cannot be relieved if it is below.
[0016]
The dislocation layer is preferably formed to a thickness of 5 nm to 15 nm, particularly 10 nm, in the thickness direction of the piezoelectric film. This is because if the thickness is 5 nm or less, the stress generated in the piezoelectric film cannot be relaxed, and if the thickness is 15 nm or more, the structural strength of the piezoelectric film is lowered.
[0017]
The piezoelectric thin film element according to the present invention is applied to an ink jet recording head used in an ink jet printer that obtains a visible image by selectively flying and fixing ink droplets on a recording paper according to input print data. Can do. A first object of the present invention is to provide a pressurization chamber substrate in which the piezoelectric thin film element according to the present invention is disposed on a vibration plate that forms at least one surface of a pressurization chamber for filling ink. This can be realized by the ink jet recording head provided.
[0018]
A second object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention. The object is to provide a piezoelectric thin film element comprising: a step of forming a lower electrode; a step of forming a piezoelectric film on the lower electrode; and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film. In the manufacturing method, the piezoelectric film forming step includes heat-treating a first film formed by applying a sol for forming a piezoelectric film precursor at least once and then heat-treating the sol on the first film. M is a step of forming a transition layer in the second film in the vicinity of the interface between the first and second films by heat-treating the second film formed by coating at least once. The above natural number) times are repeated, and m transition layers formed in the film thickness direction of the piezoelectric film are arranged such that the distance between the transition layers is at least smaller on the upper electrode side than on the lower electrode side. Solved by a method of manufacturing a piezoelectric thin film element, characterized in that That.
[0019]
In this case, the problem of the present invention can be solved by making the thickness of the second film smaller than the thickness of the first film. The thicknesses of the first and second films can be adjusted by the number of times of application with the amount of sol applied being constant. Further, the number of times of application can be made constant and the concentration of the applied sol can be adjusted.
[0020]
Further, the m transition layers are formed as a first transition layer, a second transition layer,..., An mth transition layer in order from the transition layer closer to the lower electrode side, and the lower electrode and the first transition layer are formed. D is the distance between layers 1 , The distance between the first transition layer and the second transition layer is d 2 ..., the distance between the m-1st transition layer and the mth transition layer is d m Then d 1 > D 2 >...> d m It is preferable to form the transition layer so as to satisfy this relationship.
[0021]
In this case, the value of m is preferably in the range of 2 to 6 for a piezoelectric film having a thickness of 2.0 μm, and the dislocation density in the dislocation layer is 10 13 Thru 10 14 / Cm 2 It is preferable to set it as the range. The dislocation layer is preferably formed to a thickness of 5 nm to 15 nm in the thickness direction of the piezoelectric film.
[0022]
A second subject of the present invention is a pressure chamber substrate configured by arranging the piezoelectric thin film element according to the present invention on a vibration plate that forms at least one surface of a pressure chamber for filling ink. An ink jet recording head comprising: a step of forming a diaphragm on a substrate; a step of forming a pressure chamber on the substrate; and a method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention. This is realized by the manufacturing method of the recording head.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Embodiment 1>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the thickness of the piezoelectric film can be increased by forming it at unequal intervals in the film thickness direction so that the distance between the transition layers gradually decreases from the lower electrode side to the upper electrode side. The present invention relates to a piezoelectric thin film element.
[0024]
Here, FIG. 1 is an explanatory view of the piezoelectric thin film element according to the present embodiment, FIG. 2 is a sectional view of a manufacturing process when the piezoelectric thin film element shown in FIG. 1 is formed on a substrate, and FIG. It is manufacturing process sectional drawing which showed the manufacturing process shown to B) in detail.
[0025]
(Structure of piezoelectric thin film element)
As shown in FIG. 1, the piezoelectric thin film element includes a
[0026]
In this way, by performing the pre-annealing treatment on the piezoelectric film precursor, the
[0027]
Usually, cracks generated during the formation of the
[0028]
That is, the distance from the upper surface of the lower electrode to the
d 1 > D 2 > D 3 ... (1)
It becomes a relationship. However, the number of transition layers is not limited to three, and an arbitrary number, for example, n (n = 2, 3, 4,...) Layers may be formed. Further, if the number of transition layers is increased too much, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film may be deteriorated, so the number of transition layers is determined by the relationship with the thickness of the piezoelectric film. For example, it is desirable that the number of transition layers is 4 in a piezoelectric film having a thickness of 3.0 μm. In this case, d 1 Is in the range of 0.6 μm to 1.4 μm, and d 2 Is in the range of 0.4 μm to 1.2 μm, and d 3 Is in the range of 0.2 μm to 1.0 μm, and d 4 Is preferably in the range of 0.01 μm to 0.8 μm.
[0029]
Moreover, even if it does not satisfy | fill the conditions of Formula (1) exactly | strictly, it should just be formed so that the space | interval of transition layers may become narrow on the film | membrane surface. For example, if there are four transition layers,
d 1 = D 2 > D 3 > D 4 ... (2)
Relationship
d 1 > D 2 = D 3 > D 4 ... (3)
The relationship may be The distance between the transition layers and the number thereof can be appropriately changed in accordance with the method of forming the piezoelectric film, the thickness of the piezoelectric film, and other conditions.
[0030]
(Manufacturing process of piezoelectric thin film element)
Next, a manufacturing method for forming a piezoelectric thin film element using this piezoelectric film on a substrate will be described with reference to FIGS.
[0031]
Oxide film and lower electrode formation process (FIG. 2A)
An oxide film 20 made of silicon dioxide having a desired thickness (for example, 1.0 μm) is formed on a silicon single crystal substrate 10 having a predetermined thickness (for example, 220 μm) by thermal oxidation. In this step, high temperature treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen or water vapor. The oxide film 20 functions as a vibration plate, but is not limited to a silicon dioxide film, and may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film. The lower electrode may also serve as a diaphragm. The formation of the oxide film 20 is not limited to the thermal oxidation method, and may be a CVD method.
[0032]
A platinum layer (for example, a film thickness of 500 nm) to be the
[0033]
Piezoelectric film forming process (FIG. 2B)
A
[0034]
In the present embodiment, a PZT-based piezoelectric film precursor in which the molar mixing ratio of lead titanate and lead zirconate is 44%: 56% is obtained by a sol-gel method, and the final film thickness is 1 The film is formed by repeating coating / drying / degreasing a desired number of times (for example, 10 times) until it becomes 0.0 μm. The piezoelectric film precursor is
Pb X Ti Y Zr Z O 3 (Y + Z = 1)
X and Y in the composition formula represented by
1.00 ≦ X ≦ 1.20 and 0.4 ≦ Y ≦ 0.6
If it is selected within the range, piezoelectric characteristics that can withstand practical use can be obtained. In order to make the
[0035]
Piezoelectric layer (first layer) formation step (FIG. 3A)
A sol for forming the
[0036]
In this case, in order to prevent the piezoelectric characteristics from deteriorating as a result of lead in the piezoelectric film precursor evaporating and becoming low dielectric during pre-annealing by RTA (Rapid Thermal Annealing) to be described later, The lead content of the
[0037]
Next, the
A
[0038]
Piezoelectric layer (second layer) formation step (FIG. 3B)
The
[0039]
Further, as described above, the lead content of the
[0040]
When the dislocation density of the transition layer formed in this step was measured, 10 13 Thru 10 14 / Cm 2 It was confirmed that the thickness of the transition layer was about 10 nm. The dislocation density of the piezoelectric film having no dislocation layer is 10 11 Thru 10 12 / Cm 2 Therefore, there are about 100 times more lattice defects in the dislocation layer. For this reason, it is considered that the transition layer can relieve stress generated in the piezoelectric film.
[0041]
Piezoelectric layer (third layer) formation step (FIG. 3C)
The
[0042]
Piezoelectric layer (fourth layer) formation step (FIG. 3D)
A
[0043]
In this way, the
[0044]
Upper electrode formation process (FIG. 2C)
After forming the
[0045]
In the above description, in order to form the
[0046]
(Example)
Piezoelectric constant d of the piezoelectric thin film element according to the present embodiment obtained by the manufacturing method described above. 31 Is 140 pC / N, voltage output coefficient g 31 Was 11 mV · m / N, and the dielectric constant e was 1500. On the other hand, in the piezoelectric film produced by the conventional manufacturing method, if a piezoelectric film having a film thickness of 0.9 μm or more is formed, a crack occurs during the film formation, and the piezoelectric characteristic is not exhibited. The subscript 31 indicates a value in the film thickness direction.
[0047]
As described above, according to the piezoelectric thin film element according to the present embodiment, the transition layers are arranged at unequal intervals in the film thickness direction of the piezoelectric film, and the distance between the transition layers is reduced on the surface of the piezoelectric film. Since the structure is formed as described above, the reliability of the piezoelectric film can be improved without deteriorating the piezoelectric characteristics. In addition, the piezoelectric film can be made thicker.
[0048]
The piezoelectric thin film element according to the present invention includes a non-volatile semiconductor memory device, a thin film capacitor, a pyroelectric detector, a sensor, a surface acoustic wave optical waveguide, an optical device, as well as a pressure source for an ink jet recording head described later. The present invention can be applied to ferroelectric elements such as a type storage device, a spatial light modulator, and a frequency doubler for a diode laser.
[0049]
<Embodiment 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the piezoelectric thin film element obtained in Embodiment 1 is used as a pressure source for an ink jet recording head.
[0050]
Here, FIG. 4 is an exploded perspective view of the ink jet recording head, and FIGS. 5 and 6 are sectional views of manufacturing steps of the main part of the ink jet recording head. The same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted.
[0051]
Hereinafter, the structure of the ink jet recording head will be described with reference to FIG. 4, and the manufacturing process of the main part of the ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
[0052]
(Configuration of inkjet recording head)
The exploded perspective view of the ink jet recording head shown in FIG. 4 shows a type in which the ink supply flow path is formed in the pressurizing chamber substrate. As shown in the figure, the ink jet recording head mainly includes a pressurizing chamber substrate 1, a nozzle unit 2, and a base 4.
[0053]
The pressurizing chamber substrate 1 is formed on a silicon single crystal substrate and then separated into each. The pressurizing chamber substrate 1 is provided with a plurality of strip-shaped pressurizing chambers 11 and includes a common channel 13 for supplying ink to all the pressurizing chambers 11. The pressurizing chambers 11 are separated by side walls 12. A diaphragm film and a piezoelectric thin film element are formed on the substrate 4 side of the pressurizing chamber substrate 1. Further, the wiring from each piezoelectric thin film element is converged on the wiring board 3 which is a flexible cable and connected to an external circuit (not shown) of the base 4. Print data is supplied to the external circuit from a computer built in a printer (not shown), and the ink jet recording head ejects ink at a predetermined timing.
[0054]
The nozzle plate 2 is bonded to the pressurizing chamber substrate 1. A nozzle 21 for extracting ink droplets is formed at a position corresponding to the pressurizing chamber 11 in the nozzle plate 2.
[0055]
The base 4 is a steel body such as plastic or metal and serves as a mounting base for the pressurizing chamber substrate 1.
[0056]
(Operation principle of ink jet recording head)
Next, the operation principle of the ink jet recording head will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head.
[0057]
When it is desired to eject ink, a voltage is applied between the
[0058]
(Manufacturing process in main part of ink jet recording head)
Next, the manufacturing process of the ink jet recording head according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
[0059]
5 and 6 correspond to cross-sectional views taken along the line aa of the pressurizing chamber substrate 1 of FIG.
[0060]
Piezoelectric thin film element forming step (FIG. 5A)
An etching protective layer (thermal oxide film) 20 made of silicon dioxide is formed on the entire surface of a silicon single crystal substrate 10 having a predetermined size and thickness (for example, a diameter of 102 mm and a thickness of 220 μm) by a thermal oxidation method or the like.
[0061]
Next, a piezoelectric thin film element including the
[0062]
Piezoelectric thin film element separation step (FIG. 5B)
An appropriate resist (not shown) is applied to the
[0063]
Further, a protective film (not shown) against various chemicals eroded in a later process is applied to the active element side of the substrate 10, and at least a pressurizing chamber or a side surface region including a side wall of the surface of the substrate 10 on the pressurizing chamber side. The thermal oxide film 20 is etched with hydrogen fluoride to form an
[0064]
Pressurization chamber forming recess forming step (FIG. 5C)
The silicon single crystal substrate 10 of the
[0065]
This process may be performed by dry anisotropic etching using an active gas such as parallel plate type reactive ion etching.
[0066]
Pressurization chamber forming process (FIG. 6D)
After the silicon dioxide film 20 is formed as an etching protective layer by 1 μm on the substrate 10 on which the recess 15 is formed by a chemical vapor deposition method such as a CVD method, an etching mask is formed in accordance with the position where the pressure chamber is to be formed. And etching with hydrogen fluoride.
[0067]
A sol-gel method may be used as another method for forming the silicon dioxide film 20, but since a piezoelectric thin film element has already been formed on the surface on the active element side, a high temperature of 1000 ° C. or higher. The sol-gel method that requires heating is not preferable because it inhibits the crystallinity of the piezoelectric film.
[0068]
Pressurization chamber forming process (FIG. 6E)
The substrate 10 is anisotropically etched from the pressure chamber side toward the active element side using a wet anisotropic etching solution, for example, a 10% concentration potassium hydroxide aqueous solution kept at 80 ° C. And sidewalls 12 are formed.
[0069]
Nozzle plate joining process (Fig. 6 (F))
A separate nozzle unit 2 is joined to the pressurizing chamber substrate 1 formed by the above steps using an adhesive. The adhesive may be any of epoxy, urethane, silicone, and the like. In the nozzle unit 2, nozzles 21 are formed corresponding to the pressure chambers 11.
[0070]
The pressurizing chamber substrate 1 and the nozzle unit 2 may be integrally formed by etching a silicon single crystal substrate. In this case, this step is unnecessary.
[0071]
As described above, according to the ink jet recording head according to the present embodiment, due to the structure of the piezoelectric film, the transition layers are arranged at unequal intervals in the film thickness direction of the piezoelectric film, and the piezoelectric film Since the surface is formed so that the distance between the transition layers becomes narrow on the surface, it is possible to prevent the occurrence of cracks in the piezoelectric film in the manufacturing process of the ink jet recording head, and to improve the yield. . Therefore, cost can be reduced.
[0072]
Further, since the piezoelectric thin film element can be improved in reliability and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film can be improved, the amount of ink discharged is increased, and clear printing can be performed.
[0073]
In addition, since the piezoelectric film can be made thicker than before, a larger volume change can be generated, and high-definition printing is possible in response to a reduction in the volume of the pressurizing chamber. become.
[0074]
【The invention's effect】
According to the piezoelectric thin film element according to the present invention, the piezoelectric films have unequal intervals with respect to the film thickness direction so that the distance between the transition layers is at least smaller on the upper electrode side than on the lower electrode side. Therefore, it is possible to relieve stress in the manufacturing process of the piezoelectric thin film element and to prevent generation of cracks. With this configuration, the piezoelectric film can be thickened and the piezoelectric characteristics can be improved.
[0075]
Further, according to the ink jet recording head of the present invention, the ink discharge amount is increased due to the improvement of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film, and clear printing can be performed.
[0076]
Moreover, since the generation of cracks in the manufacturing process can be suppressed, the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a piezoelectric thin film element according to an embodiment.
2 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the piezoelectric thin film element shown in FIG. 1. FIG.
3 is a manufacturing process sectional view showing the manufacturing process shown in FIG. 2 (B) in more detail; FIG.
FIG. 4 is an exploded perspective view of an ink jet recording head.
FIG. 5 is a manufacturing process cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head.
FIG. 6 is a manufacturing process cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head.
[Explanation of symbols]
1 ... Pressure chamber substrate
2 ... Nozzle unit
3. Wiring board
4 ... Base
10 ... Board
11 ... Pressurizing chamber
12 ... Sidewall
13 ... Common flow path
20 ... Oxide film
21 ... Nozzle
30 ... Lower electrode
40. Piezoelectric film
40A ... piezoelectric layer
40B ... piezoelectric layer
40C ... piezoelectric layer
40D ... piezoelectric layer
40b ... transition layer,
40c ... transition layer
40d ... transition layer
50 ... Upper electrode
Claims (12)
前記圧電体膜は、膜厚方向にn(nは2以上の自然数)個の転移層を備え、前記転移層同士の間隔が、少なくとも前記下部電極側よりも前記上部電極側の方が狭いことを特徴とする、圧電体薄膜素子。In a piezoelectric thin film element configured by sandwiching a piezoelectric film formed of a piezoelectric material between an upper electrode and a lower electrode,
The piezoelectric film includes n (n is a natural number of 2 or more) transition layers in the film thickness direction, and the distance between the transition layers is at least smaller on the upper electrode side than on the lower electrode side. A piezoelectric thin film element characterized by the above.
d1>d2>…>dn
の関係を満たす、請求項1に記載の圧電体薄膜素子。The n transition layers are formed as a first transition layer, a second transition layer,..., An nth transition layer in order from the transition layer closer to the lower electrode side, and the lower electrode and the first transition layer are formed. The distance between the layers is d 1 , the distance between the first transition layer and the second transition layer is d 2 ,..., And the distance between the n−1th transition layer and the nth transition layer is dn. Then,
d 1 > d 2 >...> d n
The piezoelectric thin film element according to claim 1, satisfying the relationship:
前記圧電体膜形成工程は、圧電体膜前駆体を形成するためのゾルを1回以上塗布してなる第1の膜を熱処理した後、前記第1の膜上に前記ゾルを1回以上塗布してなる第2の膜を熱処理することで、前記第1及び第2の膜の界面近傍における、前記第2の膜中に転移層を形成する工程をm(mは2以上の自然数)回繰り返し、圧電体膜の膜厚方向に形成されるm個の転移層を、前記転移層同士の間隔が、少なくとも前記下部電極側よりも前記上部電極側の方が狭くなるように形成したことを特徴とする、圧電体薄膜素子の製造方法。In a method of manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising: a step of forming a lower electrode; a step of forming a piezoelectric film on the lower electrode; and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film. ,
In the piezoelectric film forming step, a first film formed by applying a sol for forming a piezoelectric film precursor at least once is heat-treated, and then the sol is applied on the first film at least once. The step of forming a transition layer in the second film in the vicinity of the interface between the first and second films by heat-treating the second film is m times (m is a natural number of 2 or more) times. Repetitively, m transition layers formed in the film thickness direction of the piezoelectric film were formed so that the distance between the transition layers was at least narrower on the upper electrode side than on the lower electrode side. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element, which is characterized.
d1>d2>…>dm
の関係を満たす、請求項7に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。The m transition layers are formed as a first transition layer, a second transition layer,..., An mth transition layer in order from the transition layer closer to the lower electrode side, and the lower electrode and the first transition layer are formed. d 1 the distance between the layers, d 2 the distance between the first transition layer and the second transition layer, ..., the distance between the transition layer of the (m-1) of the transition layer and the m d m Then,
d 1 > d 2 >...> d m
The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to claim 7, wherein the relationship is satisfied.
基板に振動板を形成する工程と、前記基板に加圧室を形成する工程と、請求項7乃至請求項11のうち何れか1項に記載の圧電体薄膜素子の製造方法と、を備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法。The pressurization comprised by arrange | positioning the piezoelectric thin film element of any one of Claims 1 thru | or 6 in the diaphragm which forms at least one surface of the pressurization chamber for filling with ink. In a manufacturing method of an ink jet recording head provided with a chamber substrate,
A method of forming a diaphragm on a substrate, a step of forming a pressure chamber on the substrate, and a method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to any one of claims 7 to 11. A method of manufacturing an ink jet recording head.
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