JP3903474B2 - Actuator, ink jet recording head, and method of manufacturing piezoelectric thin film element - Google Patents
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は圧電体薄膜素子、これを用いたアクチュエータ、並びにこの圧電体薄膜素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
このアクチュエータは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換し、またはその逆を行うものであって、圧力センサ、温度センサ、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる。このインクジェット式記録ヘッドでは、圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振動子として用いている。
【0003】
この圧電体薄膜素子は、一般的に、多結晶体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極及び下部電極と、を備えた構造を有している。
【0004】
この圧電体薄膜の組成は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という)を主成分とする二成分系、または、この二成分系のPZTに第三成分を加えた三成分系とされている。これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、スパッタ法、ゾルゲル法、MODプロセス(Metalo organic decomposition process)、レーザアブレーション法及びCVD法等により形成することができる。
【0005】
これらの例として、二成分系PZTを用いた強誘電体が、"Applied PhysicsLetters, 1991, Vol.58, No.11, pages 1161-1163"に記載されている。また、特開平6−40035号公報や、"Journal of The American Ceramic Society, 1973, Vol.56, No.2, pages 91-96"には、二成分系PZTを用いた圧電体が開示されている。
前記圧電体薄膜素子を、例えばインクジェット式記録ヘッドに適用する場合、0.4μm〜20μm程度の膜厚を備えた圧電体薄膜(PZT膜)が望まれる。この圧電体薄膜には高い圧電ひずみ定数が要求されるので、通常、700℃以上の温度で熱処理を行い、この圧電体薄膜の結晶粒を成長させることが必要であるとされている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、0.5μm以上の膜厚を備えた圧電体薄膜(PZT膜)を形成する場合、高い圧電ひずみ定数を得るために熱処理を行うと、膜内にクラックが発生するという問題がある。
【0007】
また、ゾルまたはゲル組成物を塗布して高温で焼成して圧電体薄膜を結晶化させ、これを繰り返すことで、圧電体薄膜の膜厚を厚くする方法が、"Philips J. Res.47 (1993') pages 263-285" に開示されている。
【0008】
しかしながら、この方法によって得られた圧電体薄膜は、層状の積層界面を有し、良好な圧電特性を得ることができないとともに、加工性が悪いという問題がある。また、何度も熱処理を行うと、結晶が無配向になる等の圧電特性の劣化にもつながる。
【0009】
ここで、前記圧電体薄膜は、通常、基板上に形成された下部電極上に形成されるが、この圧電体薄膜を形成する際に行われる熱処理により、基板に反りやひずみが生じるという問題がある。また、下部電極と圧電体薄膜との間に、良好な密着性が得られることも必要である。
【0010】
本発明者が圧電体薄膜の圧電歪定数を高めるために種々検討したところ、特願平8−245353号において提案するように、圧電体薄膜の結晶が100面に配向した柱状構造を持ち、かつ粒径が0.1μm乃至0.5μmの結晶構造を持つことが有効であることを見い出した。
【0011】
特にゾルゲル法又はMODプロセスによる圧電体薄膜の結晶化は下部電極側から起こるため、下部電極とPZTの界面が重要となる。さらに、圧電体薄膜が面方位(100)の配向を持つことが有効であるが、下部電極は強く(111)に配向しているために、圧電体薄膜を形成する時の配向性に配慮しなければならない。
【0012】
本発明はこのような結晶配向及び結晶粒径を確実に達成することができる圧電体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この圧電体素子を備えたアクチュエータ、特に、インクジェット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
【0013】
さらに、本発明は既述の問題点を解決することを課題とするものであり、製造中膜内にクラックの発生がなく、高い圧電ひずみ定数を有するとともに、下部電極との密着性が良好である圧電体薄膜素子を提供することも目的とする。さらに本発明の他の目的は、圧電体薄膜の結晶が(100)の配向を持つ圧電体素子を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、多結晶体からなる圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極と下部電極と、を備えた圧電体薄膜素子であって、前記下部電極の圧電体側表面にこの圧電体の結晶の核となる結晶源が島状に形成されてなることを特徴とする。
【0015】
前記結晶源は下部電極の構成元素、好ましくはチタンから構成されてなり、かつ前記下部電極を構成するプラチナ等の結晶粒の上や結晶粒同士の粒界上に形成される。結晶源を島状にするために、構成元素からなる薄層(40乃至60オングストローム)を下部電極上に形成する。
【0016】
前記圧電体薄膜は面方位(100)の結晶配向を持つ、柱状の粒径0.1μm乃至0.5μmの結晶構造を備える。好適には、下部電極の上に形成された結晶源を核として成長した圧電体薄膜の結晶が下部電極の複数の結晶粒に跨って形成される。こうすることにより、圧電体薄膜と下部電極との間の密着性が向上される。
【0017】
本発明の圧電体薄膜素子は、前記下部電極の粒径を前記圧電体が圧電特性を発揮する上で好ましい粒径に設定し、前記圧電体の結晶の粒径が前記結晶源を核として成長することにより、前記下部電極の粒径にほぼ等しい値かそれ以上になることを特徴とする。
【0018】
本発明のアクチュエータは、前記圧電体薄膜素子を機械的エネルギ源として用いる。さらに、本発明の圧電体薄膜の製造方法は、多結晶体からなる圧電体薄膜を挟んで上部電極と下部電極とを配置する工程を備え、前記下部電極の圧電体側にこの圧電体の結晶の核となる結晶源を島状に形成する工程を備えることを特徴とするものである。
【0019】
さらに、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、既述の圧電体薄膜素子を振動子として備えたことを特徴とする。一つの実施形態では、このインクジェット式記録ヘッドは、インク室が形成された基板と、当該インク室の一方を封止すると共に、表面にたわみ振動モードの圧電体薄膜素子が固定された振動板と、前記インク室の他方の面を封止すると共に、インク吐出用のノズル口が形成されたノズル板と、を備えてなり、前記圧電体薄膜素子が既述の圧電体薄膜素子からなることを特徴とする。
【0020】
本発明に係わる圧電体薄膜によれば、下部電極を構成するプラチナ結晶粒間の上や結晶粒の上に島状の結晶種(結晶源)を形成することにより、この種結晶を核にして成長した圧電体薄膜が面方位100に配向した柱状の結晶構造を持つようにすることができる。
【0021】
さらに、前記下部電極の結晶を前記圧電体が圧電特性を発揮する上で好ましい粒径に設定し、前記圧電体の結晶が前記結晶源を核として成長することにより、前記圧電体の結晶粒径を下部電極の粒径にほぼ等しい値以上にすることができる。すなわち、圧電体薄膜の結晶が、複数の下部電極を跨った構造を持つことができるために、下部電極の粒径を越える粒径を持つことが可能となる。
【0022】
また、下部電極結晶の配向性に影響を受け難い粒界に結晶源を形成することにより、圧電体薄膜の結晶がこの結晶源を核として成長し、もって圧電体薄膜結晶の配向性を目的のものにすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、圧電体薄膜としてPZT膜を形成した場合について説明する。
【0024】
(実施の形態1)
図1は本発明に係わる圧電体素子の構成を示す模式図である。図1に示すように、この圧電体薄膜素子は、シリコン基板11と、シリコン基板11上に形成されたシリコン酸化膜12と、シリコン酸化膜12上形成されたチタン酸化膜13と、チタン酸化膜13上に形成された下部電極14と、下部電極14上に形成されたPZT膜15と、PZT膜15上に形成された上部電極16を、備えて構成されている。
【0025】
前記下部電極14は、プラチナから形成されている。図中には表示していないがPZT膜15の密着性を向上させるために、シリコン酸化膜12とチタン酸化膜13の間にチタン膜(Ti/TiO2/Ti等)を形成することが好ましい。
【0026】
PZT膜15は多結晶体からなり、この結晶体の粒界が、図2,図3に示すように、上下部電極14及び16の平面に対して略垂直方向に存在している。すなわち、PZTの結晶粒が後述のように柱状構造を成している。この結晶体は、結晶粒の膜厚方向の幅が、当該結晶粒の粒径方向の幅より長く、結晶粒の膜厚方向の幅と、当該結晶粒の粒径方向の幅との関係が、粒径方向の幅/膜厚方向の幅=1/3乃至1/10の範囲内で構成されている。
【0027】
さらに、このPZT膜15の結晶構造は、面方位(100)の結晶面に強く配向して、圧電体薄膜の膜厚方向に延びる柱状結晶を示す。さらに、好適には、圧電体薄膜の一つの柱状結晶は、0.1乃至0.3μmの幅に形成されている。
【0028】
ここで、「配向度」とは、例えば、広角XRD法にてPZT膜の面方位(XYZ)面の反射強度をI(XYZ)で表した時に、
I(XYZ)/{I(100)+I(110)+I(111)}
と表わされるものであると定義する。本発明では、圧電体薄膜の面方位(100)が、0.15以上であることにより圧電体薄膜がその膜厚方向に伸びるほぼ柱状構造となる。
【0029】
圧電ひずみ定数は、比誘電率と電圧出力係数の積に比例する。この比誘電率は、電界印加方向の結晶粒の大きさが大きいほど大きく、圧電出力係数は、圧電体薄膜の結晶粒が幅方向(図1の向かって上下方向)に大きく、結晶粒界の幅が狭いほど大きい、という理由から、本発明では既述のような柱状構造を備えることにより、PZT膜15の圧電ひずみ定数を向上することができる。
【0030】
このPZT膜15は、二成分系を主成分とするもの、この二成分系に第三成分を加えた三成分系を主成分とするものが好適に用いられる。二成分系PZTの好ましい具体例としては、
Pb(ZrxTi1-x)O3+YPbO
(ここで、0.40≦X≦0.6, 0≦Y≦0.3)
の化学式で表わされる組成を有するものが挙げられる。
【0031】
また、三成分系PZTの好ましい具体例としては、前記二成分系のPZTに、例えば、第三成分を添加した以下に示す化学式で表わされる組成を有するものが挙げられる。
【0032】
PbTiaZrb(AgBh)cO3+ePbO+(fMgO)n
(ここで、Aは、Mg,Co,Zn,Cd,Mn及びNiからなる群から選択される2価の金属またはSb,Y,Fe,Sc,Yb,Lu,In及びCrからなる群から選択される3価の金属を表す。また、Bは、Nb,Ta及びSbからなる群から選択される5価の金属、またはW及びTeからなる群から選択される6価の金属を表す。また、a+b+c=1, 0.35≦a≦0.55, 0.25≦b≦0.55, 0.1≦c≦0.4, 0≦e≦0.3, 0≦f≦0.15c, g=f=1/2, n=0であるが、但し、Aが3価の金属であり、かつBが6価の金属でなく、また、Aが2価の金属であり、かつBが5価の金属である場合、gは1/3であり、hは2/3であり、また、AはMg、BがNbの場合に限り、nは1を表す。)
三成分系のより好ましい具体例としては、マグネシウムニオブ酸鉛、すなわちAがMgであり、BがNbであり、gが1/3、hが2/3であるものが挙げられる。
【0033】
さらに、これら二成分系PZT及び三成分系PZTのいずれであっても、その圧電特性を改善するために、微量のBa,Sr,La,Nd,Nb,Ta,Sb,Bi,W,Mo及びCa等が添加されてもよい。とりわけ、三成分系では、0.10モル%以下のSr,Baの添加が圧電特性の改善に一層好ましい。また、三成分系では、0.10モル%以下のMn,Niの添加が、その焼結性を改善するので好ましい。
【0034】
次に、この構造を備えた圧電体薄膜素子の製造方法について図面を参照して説明する。図4(a)ないし図4(c)は、前述した圧電体薄膜素子の製造工程を示す断面図である。図4(a)に示す工程では、シリコン基板11に熱酸化を行い、シリコン基板11上に、膜厚が0.3〜1.2μm程度のシリコン酸化膜12を形成する。次に、スパッタ法により、シリコン酸化膜12上に、膜厚が0.01μm乃至0.04μm程度のチタン酸化膜13を形成する。次いで、スパッタ法により、チタン酸化膜13上に、プラチナからなる下部電極14を、結晶粒径が0.01乃至0.3μmで、0.2〜0.8μm程度の膜厚で形成する。
【0035】
次に、図4(b)に示す工程では、図4(a)に示す工程で形成した下部電極14上に、チタンをスパッタ法により島状に形成する。このチタンを、例えば、40乃至60オングストロームの膜厚にすることにより島状チタンが形成可能である。
【0036】
このチタンを結晶源として成長した圧電体薄膜の結晶構造は、100面への配向を有し、かつ、結晶粒が0.1μm乃至0.5μmになる。このことの詳細を後ほど説明する。
【0037】
このPZT膜15をゾルゲル法によって製造した場合について説明する。ここでは、ゾルゲル法を用いてPZTを多層コートによって製造することとする。このゾルゲル法は次のとおりである。
【0038】
この製造方法は、PZT膜15を形成可能な金属成分の水酸化物の水和錯体、すなわち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を調整する方法である。この製造方法は次の各工程からなる。
【0039】
a.ゾル組成物の成膜工程
本実施の形態において、PZT膜を構成する金属成分のゾルは、PZT膜を形成可能な金属のアルコキシドまたはアセテートを、例えば酸で加水分解して調整することができる。本発明においては、ゾル中の金属の組成を調製することで、前述したPZT膜の組成を得ることができる。すなわち、チタン、ジルコニウム、鉛、さらには他の金属成分それぞれのアルコキシドまたはアセテートを出発原料とする。
【0040】
ここでは、最終的にPZT膜(圧電体薄膜)とされるまでに、PZT膜を構成する金属成分の組成がほぼ維持されるという利点がある。すなわち、焼成およびアニール処理中に金属成分、とりわけ鉛成分の蒸発等による変動が極めて少なく、したがって、これらの出発原料における金属成分の組成は、最終的に得られるPZT膜中の金属組成と一致することになる。つまり、ゾルの組成は生成しようとする圧電体薄膜(本実施の形態ではPZT膜)に応じて決定される。
【0041】
また、本実施の形態では、前述した鉛成分の蒸発により鉛成分の不足のないPZT膜を得るため、ゾルにおいて鉛成分を化学量論から要求される量よりも20モル%まで好ましくは15モル%まで過剰にすることが好ましい。
【0042】
本実施の形態では、このゾルは有機高分子化合物と混合された組成物として用いられるのが好ましい。この有機高分子化合物は、乾燥及び焼成時に薄膜の残留応力を吸収して、この薄膜にクラックが生じることを有効に防止する。具体的には、この有機高分子を含むゲルを用いると、後述するゲル化された薄膜に細孔が生じる。この細孔が、さらに後述するプレアニール及びアニール工程において薄膜の残留応力を吸収するものと考えられる。
【0043】
ここで、好ましく用いられる有機高分子化合物としては、ポリ酢酸ビニル、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアミド、ポリアミック酸、アセチルセルロース及びその誘導体、ならびにそれらの共重合体が挙げられる。
【0044】
なお、本実施の形態では、ポリ酢酸ビニルを添加することで、0.05μm程度の細孔を多数有する多孔質ゲル薄膜を、ヒドロキシプロプロピセルロースを添加することで、1μm以下の大きさでかつ広い分布を持った多孔質ゲル薄膜を形成することができる。
【0045】
本実施の形態では、ポリエチレングリコールとして、平均分子量285〜420程度のものが好適に用いられる。また、ポリプロピレングリコールとしては、平均分子量300〜800程度のものが好適に用いられる。
【0046】
本実施の形態に係る製造方法では、先ず、このゾル組成物を、PZT膜15を形成しようとする下部電極14(図4(b)参照)上に塗布する。この時の塗布方法は特に限定されず、通常行われている方法、例えば、スピンコート、ディップコート、ロールコート、バーコート等によって行うことができる。また、フレキソ印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷等によって塗布することもできる。
【0047】
また、前記塗布により形成される一層あたりの膜の厚さは、それ以降の工程を考慮すると、後述するゲル化工程において形成される多孔質ゲル薄膜の厚さが0.1乃至0.3μmとなるように制御することが望ましく、より好ましくは、0.15μm程度とすることがよい。
【0048】
次に、塗布されたゾル組成物を自然乾燥、または200℃以下の温度で加熱する。ここで、この乾燥(加熱)された膜上に、前記ゾル組成物をさらに塗布して膜厚を厚くすることもできる。この場合は、下地となる膜は、80℃以上の温度で乾燥されることが望ましい。
【0049】
b.ゾル組成物からなる膜のゲル化工程
次に、前述したゾル組成物の成膜工程で得た膜を焼成し、残留有機物を実質的に含まない非晶質の金属酸化物からなる多孔質ゲル薄膜を形成する。
【0050】
焼成は、ゾル組成物の膜をゲル化し、かつ膜中から有機物を除去するのに十分な温度で、十分な時間加熱することによって行う。本実施の形態では、焼成温度を300〜500℃にすることが好ましく、350〜400℃にすることがさらに好ましい。焼成時間は、温度及び使用する炉の形式によって変化するが、例えば、脱脂炉を用いた場合には、10〜120分程度が好ましく、15〜60分程度とすることがより好ましい。また、ホットプレートを用いた場合には、1〜60分程度が好ましく、5〜30分程度とすることがさらに好ましい。以上の工程によって、下部電極14上に多孔質ゲル薄膜が形成された。
【0051】
c.プレアニール工程
次に、前述した工程bで得た多孔質ゲル薄膜を加熱焼成し、この膜を結晶質の金属酸化膜からなる膜に変換する。焼成は、多孔質ゲル薄膜を結晶質の金属酸化物からなる膜に変換するために必要な温度で行うが、結晶中にペロブスカイト型結晶が大部分を占めるまで行う必要はなく、ゲル薄膜が均一に結晶化した時点で終了させればよい。
【0052】
本実施の形態では、焼成温度として500〜800℃の範囲が好ましく、550〜750℃の範囲で焼成することが、より好ましい。焼成時間は、焼成温度及び使用する炉の形式によって変化するが、例えばアニール炉を使用する場合は、0.1〜5時間程度が好ましく、0.5〜2時間程度がより好ましい。また、RTA(Rapid Thermal Annealing)炉を用いた場合、0.1〜10分程度が好ましく、1〜5分程度がより好ましい。
【0053】
また、本実施の形態では、このプレアニール工程を二段階に分けて実施することができる。具体的には、先ず、第一段階として、500〜600℃の範囲の温度でアニールを行い、次に、第二段階として、600〜800℃の範囲の温度でアニールを行うことができる。また、さらに好ましくは、第一段階として、500〜550℃の範囲の温度でアニールを行い、次に、第二段階として、600〜750℃の範囲の温度でアニールを行うことができる。この工程によって、多孔質ゲル薄膜を結晶質の金属酸化膜からなる膜に変換させた。
【0054】
d.繰り返し工程
次に、以後、前述した工程a、bをさらに3回繰り返し、多結晶ゲル薄膜を4層積層した後、工程Cのプレアニール工程により金属酸化膜からなる膜に変換する。
【0055】
次いで、島状のチタンをPZT上に既述の方法によって島状に形成し、既述の工程a、b及びcをさらに4回繰り返す。
【0056】
この繰り返し工程の結果得られる積層膜の積層数は、最終的なPZT膜15の膜厚を考慮して適宜決定すればよい。ここでは、一層当たり0.15μmであることが良い。なお、後述する次工程(工程e)においてクラック等が発生しない膜厚であることが好ましいことは言うまでもない。
【0057】
この繰り返し工程では、先に形成した膜上に新たに多孔質ゲル薄膜を形成し、その後のプレアニールの結果、新たに形成された多孔質ゲル薄膜は、先に形成された膜と実質的に一体化された膜となる。
【0058】
ここで、実質的に一体化された膜とは、積層された層間に不連続層がない場合のみならず、本実施の形態に係る最終的に得られるPZT膜15の場合と異なり、積層された層間に不連続層があってもよい。そして、さらに工程a、bを繰り返す場合には、さらに新たな多孔質ゲル薄膜が形成され、その後のプレアニールの結果、この新たな多孔質ゲル薄膜は、前記で得た結晶質の積層膜と実質的に一体化された膜となる。
【0059】
e.ペロブスカイト型結晶成長工程
次に、前記工程dで得た膜に、焼成温度600〜1200℃、さらに好ましくは800〜1000℃の範囲でアニールを行う。焼成時間は、焼成温度や、使用する炉の形式によって変化するが、例えば、アニール炉を用いた場合、0.1〜5時間程度が好ましく、0.5〜2時間程度がより好ましい。また、RTA炉を用いた場合には、0.1〜10分程度が好ましく、0.5〜3分程度がより好ましい。
【0060】
また、本実施の形態では、このペロブスカイト型結晶成長工程、すなわち、アニールを二段階に分けて実施するのができる。具体的には、第一段階では、600〜800℃程度の温度でアニールを行い、第二段階では、800〜1000℃の温度でアニールを行う。また、さらに好ましくは、第一段階では、600〜750℃程度の温度でアニールを行い、第二段階では、800〜950℃の温度でアニールを行うことができる。
【0061】
以上の操作によって、下部電極14上に、チタンを核として成長した柱状の多結晶体からなる、粒径が0.1μm乃至0.5μmで膜厚が1.2μmのPZTが形成される。ここで、チタンがPZTの結晶化について与える効果について説明する。この効果は、本発明者によって電子顕微鏡を用いて確認されている。
【0062】
図1において、下部電極14の粒界上には、島状のチタンがスパッタ法によって形成されている。下部電極の結晶粒径は0.01乃至0.3μmである。下部電極をこのような結晶粒径を持った柱状結晶にすることはプラチナがFCC構造であるため、柱状結晶になりやすく、結晶粒径はスパッタ時の成膜速度により制御できるという理由から可能である。
【0063】
下部電極の表面に島状のチタン結晶を形成しようとすると、プラチナの表面エネルギーの低いプラチナ結晶間の粒界にチタンの島状結晶が形成される傾向となる。このとき、チタンを核として成長するPZT結晶粒は、複数のチタン結晶に跨って及んで形成される。
【0064】
図6は、電子顕微鏡によって確認されたPZT結晶の形成過程を示す模式図であり、(1)はPZT結晶の高さ方向に沿った図であり、(2)はPZT結晶の径(幅)方向に沿った図である。図7は実際の電子顕微鏡写真であり、Pt電極の上に柱状のPZTの結晶が形成されている。図6のチタン結晶15は、下部電極結晶14の粒界14Aに形成されている。
【0065】
チタン結晶を核としてPZTを成長させると、PZTは隣接する下部電極の複数の白金結晶に跨るようにその結晶粒が成長する。通常、Ptは111の配向が安定で生産も容易であるが、白金の配向の影響をより受け難い結晶粒界にチタンの種結晶を形成すると、PZTの結晶を白金の結晶面方位の影響を受けない100方向の柱状結晶に形成されやすくなる。さらに、PZTの結晶粒は複数の下部電極の結晶粒に跨って形成されているので、下部電極との密着性がより向上することが期待される。
【0066】
図8は島状チタンを形成した下部電極上に圧電体薄膜PZTを成膜した場合のX線回折解析(XRD)のチャート図であり、図9は島状チタンを形成しない場合のチャート図である。図8と図9とを互いに比較すると、島状チタンを形成しない時には、PZT膜の配向は(111)配向のみとなり、圧電体定数も90pC/Nと低い。一方、島状チタンを形成した場合は、PZTの(100)配向が出現し、その割合も(111)配向に対して多くなることにより、圧電定数も133pC/Nと高くなる。
【0067】
さらに、チタンが島状に形成されたPZTの上に他のPZT層を3層順次形成し、さらにチタンを島状に形成し、さらにPZTを4層順次形成したものを結晶化させると、チタンを核にしてPZTが既述のように結晶化し、他のPZTも隣接するPZTの結晶粒径や結晶構造に合わせて結晶化する。PZT層とPZT層の層との間の島状チタンもチタン上のPZTの結晶化を既述のように制御する。島状のチタンがない場合は、PZTの結晶はプラチナの影響を受けて111面に配向するために、既述のような100面への配向性を持った柱状構造とならずに優れた圧電特性を示さない。
【0068】
図10は、下部電極の結晶粒上にチタンからなる結晶源が形成された場合の説明図である。下部電極の結晶粒14の上には、島状のチタンがスパッタ法によって形成される。下部電極の結晶粒径は0.1乃至0.3μmである。
【0069】
下部電極上に既述のゾルゲル法によって形成されたPZTはこのチタンを核にして結晶化する。図5(2)の符号14Bは結晶化しているPZTとチタンとの合金である。それぞれのチタンを核にして成長している各PZTの結晶は、下部電極の粒界14Cで成長が止まった後、圧電体薄膜の膜厚方向に結晶がさらに成長するために、面方位100に強度をより持った柱状結晶がPZTの膜厚方向に成長する。このときPZTの各結晶の粒径は下層の下部電極の粒径によって制御されるために、下電極の粒径を調整することにより、(3)に示すように、PZTの層は柱状(PZTの厚さ方向へ向かった柱状)の結晶であり、かつ結晶粒径が0.1乃至0.5μmの結晶となる。
【0070】
図11は、島状チタンと圧電ひずみ定数との関係を示した特性図である。チタンの膜厚が40乃至60オングストロームの範囲で高い圧電ひずみ定数が得られ、かつこの時の100面の配向度が高いことが確認された。本発明の111面に対する100面の配向度は20乃至30であり、好ましくは、20以上であることにより、既述の柱状結晶構造を得ることができる。
【0071】
このチタンの膜厚の範囲内で、PZTの結晶粒径も好適な範囲になっていることが確認された。チタンの膜厚はスパッタパワーを一定にしスパッタ時間を比例配分して設定した。100面配向度は、広角X線解析における100面と111面の強度比で、111面の強度を100として算出した。ここで、スパッタによる膜厚を40乃至60オングストロームにすることにより、チタンが連続した膜ではなく島状になる。スパッタによる膜厚がこの範囲にある場合、膜が連続膜とならずに島状になることは、例えば、(株)エヌ・ティー・エス 薄膜作成応用ハンドブック 第25頁乃至27頁により周知である。
【0072】
チタンの厚みが20オングストローム以下では、下電極の結晶質の白金を種としてPZTの結晶が成長しているために111面配向度が高くなる。また、80オングストローム以上ではチタンの膜が連続膜となりかつ膜厚が小さいためにPZTが非晶質となりPZTの結晶サイズが大きくなったと考えられる。
【0073】
図12は下電極上のチタンの厚みと圧電ひずみ定数との関係を示す特性図であり、チタンが20乃至80オングストロームの膜厚の時に好適な圧電特性を得ることができる。圧電特性は、チタンの厚みが50オングストローム付近で最大値を持つ。一方、既述のように100面配向度はチタンの膜厚が40乃至60オングストロームであることにより、チタンの膜厚は20乃至80オングストロームであり、好ましくは40乃至60オングストロームである。また、チタンが50オングストローム付近でのPZTの結晶は100面の配向が強い。
【0074】
なお、圧電ひずみ定数の測定は、2mmφのPZTドットパターンのインピーダンスアナライザを用いた誘電率測定と、片持ち梁の自由端に加重をかけた時に、ドットパターンに発生する電圧より求めた電圧出力係数との積により求めた。
【0075】
以上により図4(b)の工程を終了し、次に図4(c)に示す工程に移行する。この工程では図4(b)に示す工程で得たPZT膜15上に、スパッタ法によって、膜厚が、0.05〜0.2μm程度のプラチナからなる上部電極16を形成する。
【0076】
このようにして、図1に示すような圧電体薄膜素子を得た。なお、得られたPZT膜15には、クラックの発生がなく、また断面には前述した積層による層状の不連続面も存在していないことが確認された。
【0077】
図5は、本発明に係る圧電体薄膜素子を振動子として使用したインクジェット式記録ヘッドの一つのインク溜め部分を示す断面図である。
【0078】
実施の形態3に係るインクジェット式記録ヘッドは、図5に示すように、インク溜め27が形成されたシリコン基板21と、シリコン基板21上に形成された振動板22と、振動板22上の所望位置に形成された下部電極23と、下部電極23上であって、インク溜め27に対応した位置に形成された圧電体薄膜24と、圧電体薄膜24上に形成された上部電極25と、シリコン基板21の下面に接合された第2の基板26と、を備えて構成されている。下部電極23は、既述の実施の形態で説明した下部電極と同様の構成を有している。また、圧電体薄膜24は、実施の形態1で説明したPZT膜と同様の構成を有している。
【0079】
このインクジェット式記録ヘッドは、図示しないインク流路を介してインク溜め27にインクが供給される。ここで、下部電極23と上部電極25とを介して、圧電体薄膜24に電圧を印加すると、圧電体薄膜24が変形してインク溜め27内加圧してインクに圧力を加える。この圧力によって、インクが図示しないノズルから吐出され、インクジェット記録を行う。
【0080】
ここで、このインクジェット式記録ヘッドは、既述の圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を振動子として用いているため、大きな圧力でインクを吐出させることができる。
【0081】
なお、結晶源としてチタンについて説明したが、これに限らず圧電体薄膜の構成元素であってかつ種結晶となり、圧電体薄膜と合金化できるものであれば、使用できる。また、下部電極を白金としたが、同じFCC構造を持つイリジウムでも、同様な効果が得られるものである。
【0082】
また、ゾルゲル法に代えて、MODプロセスを利用することも可能である。このプロセスは、ゾルの作成手段がゾルゲル法と異なるだけで、工程とその条件はゾルゲル法と同じである。MODプロセルに於けるゾルの調合は、調合後のゾル液中で分散ゾルが加水分解、脱水重縮合をした後ゲルネットワークを形成する以上のゾル−ゲル反応をさせないことを目的、特徴とする。
【0083】
具体的には、ゾル液の出発原料の一つにアルカノールアミンの一つ、モノエタノールアミンを金属アルコキシドや金属酢酸塩の加水分解抑止剤として選択する。モノエタノールアミンの働きによって、金属アルコキシドや金属酢酸塩は、ゾル液中で均一な分散状態を保つ。従って、ゾルゲル法に見られるゲルネットワークを形成しないから、ゾルゲル法に比べ更に均質な結晶を得ることができる。ゾルの塗布工程から結晶を得るための焼結工程までの一切は、ゾル−ゲル法と同じである。前述のモノエタノールアミンの他に、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、アセチルアセトン、酢酸等をゾルの加水分解抑止剤として利用できる。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る圧電体薄膜素子は、多結晶体からなる圧電体薄膜と、該圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極と下部電極と、を備え、下部電極面に圧電体の結晶の核となる結晶源が島状に形成されてなるので、圧電体の結晶を100面に配向させた柱状にすることができて圧電特性を向上することができる。
【0085】
さらに、本発明に係わる圧電体薄膜素子は、前記下部電極の結晶を前記圧電体が圧電特性を発揮する上で好ましい粒径に設定し、前記圧電体の結晶の粒径が前記結晶源を核として成長することにより、下部電極の粒径により圧電体薄膜の粒径が変動するということを防ぎ、圧電体薄膜の結晶粒径を圧電体特性が発揮される上で好適な値にすることが可能となる。
【0086】
前記結晶源を所定膜厚のチタンから構成することにより、圧電体特性をより好適な値にすることが可能となる。
【0087】
前記圧電体薄膜が前記結晶源を核にして成長した結晶からなり、この結晶は面方位(100)の結晶配向を持ち、柱状の粒径0.1μm乃至0.5μmの結晶構造を持つようにすることにより、圧電体特性をさらに好適な値にすることが可能となる。
【0088】
本発明のアクチュエータ、特にインクジェット式記録ヘッドは、このような圧電体薄膜素子を圧力発生源としているために、機械的変形量が大きくインク吐出圧を大きくすることが可能となる。
【0089】
さらに本発明の圧電体薄膜素子の製造方法によれば、圧電特性に優れた圧電体薄膜を製造することが可能となる。
【0090】
また、本発明に係わる圧電体薄膜素子によれば、製造中膜内にクラックの発生がなく、高い圧電ひずみ定数を有するとともに、下部電極との密着性が良好となる。
【0091】
さらにまた、圧電体薄膜の結晶が、下部電極の結晶粒間の結晶源を核として成長するために、圧電体薄膜素子の結晶構造を好適な面方位に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る圧電体薄膜素子の断面図である。
【図2】実施の形態1に係る圧電体薄膜素子を構成するPZT膜の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図3】図2に示すPZT膜の平面を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図4】 (a)ないし(c)は、前述した圧電体薄膜素子の製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明に係る圧電体薄膜素子を振動子として使用したインクジェット式記録ヘッドの一つのインク溜め部分を示す断面図である。
【図6】下部電極結晶の粒界にチタンの島状結晶を形成して圧電体薄膜結晶を成長させたことを示す模式図である。
【図7】走査型電子顕微鏡によって撮られた圧電体薄膜素子の組織図写真であって、図6(1)に対応する組織像を示すものである。
【図8】島状チタンを形成した下部電極上に圧電体薄膜PZTを成膜した場合のX線回折解析(XRD)のチャート図である。
【図9】島状チタンを形成しない場合のチャート図である。
【図10】圧電体がチタンの種結晶を核として結晶成長している第2の例を示す概念図である。
【図11】チタンの膜厚と圧電特性との関係を示す表図。
【図12】これの特性グラフ。
【符号の説明】
11、21 シリコン基板
12 シリコン酸化膜
13 チタン酸化膜
14、23 下部電極
14A チタン種結晶
15 PZT膜
16、25 上部電極
22 振動板
24 圧電体薄膜
26 基板
27 インク溜り[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a piezoelectric thin film element, an actuator using the piezoelectric thin film element, and the piezoelectric thin film element.
[0002]
[Prior art]
This actuator converts electrical energy into mechanical energy or vice versa, and is used in pressure sensors, temperature sensors, ink jet recording heads, and the like. In this ink jet recording head, a piezoelectric thin film element is used as a vibrator serving as an ink discharge drive source.
[0003]
The piezoelectric thin film element generally has a structure including a piezoelectric thin film made of a polycrystalline body, and an upper electrode and a lower electrode arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween.
[0004]
The composition of this piezoelectric thin film is generally a two-component system mainly composed of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”), or a three-component system in which a third component is added to this two-component system PZT. Ingredient system. Piezoelectric thin films having these compositions can be formed, for example, by sputtering, sol-gel, MOD process (Metalo organic decomposition process), laser ablation, CVD, or the like.
[0005]
As these examples, a ferroelectric using a binary PZT is described in "Applied Physics Letters, 1991, Vol. 58, No. 11, pages 1161-1163". Japanese Laid-Open Patent Publication No. 6-40035 and “Journal of The American Ceramic Society, 1973, Vol. 56, No. 2, pages 91-96” disclose a piezoelectric body using a two-component PZT. Yes.
When the piezoelectric thin film element is applied to, for example, an ink jet recording head, a piezoelectric thin film (PZT film) having a film thickness of about 0.4 μm to 20 μm is desired. Since this piezoelectric thin film is required to have a high piezoelectric strain constant, it is usually necessary to perform heat treatment at a temperature of 700 ° C. or higher to grow crystal grains of this piezoelectric thin film.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a piezoelectric thin film (PZT film) having a film thickness of 0.5 μm or more is formed, there is a problem that cracks occur in the film when heat treatment is performed to obtain a high piezoelectric strain constant.
[0007]
In addition, a method of increasing the film thickness of the piezoelectric thin film by applying a sol or gel composition and firing it at a high temperature to crystallize the piezoelectric thin film and repeating this is described in "Philips J. Res. 47 ( 1993 ') pages 263-285 ".
[0008]
However, the piezoelectric thin film obtained by this method has a problem that it has a layered laminated interface and cannot obtain good piezoelectric characteristics and has poor workability. Moreover, if heat treatment is performed many times, it leads to deterioration of piezoelectric characteristics such as non-orientation of crystals.
[0009]
Here, the piezoelectric thin film is usually formed on the lower electrode formed on the substrate, but there is a problem that the substrate is warped or distorted by the heat treatment performed when the piezoelectric thin film is formed. is there. It is also necessary to obtain good adhesion between the lower electrode and the piezoelectric thin film.
[0010]
As a result of various studies conducted by the present inventor to increase the piezoelectric strain constant of the piezoelectric thin film, as proposed in Japanese Patent Application No. 8-245353, the piezoelectric thin film has a columnar structure oriented in the 100 plane, and It has been found that it is effective to have a crystal structure with a particle size of 0.1 μm to 0.5 μm.
[0011]
In particular, since the crystallization of the piezoelectric thin film by the sol-gel method or the MOD process occurs from the lower electrode side, the interface between the lower electrode and PZT is important. Furthermore, it is effective that the piezoelectric thin film has an orientation of (100), but the lower electrode is strongly (111) oriented, so the orientation when forming the piezoelectric thin film is taken into consideration. There must be.
[0012]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric element capable of reliably achieving such crystal orientation and crystal grain size and a method for manufacturing the same. Furthermore, an object of the present invention is to provide an actuator, particularly an ink jet recording head, provided with this piezoelectric element.
[0013]
Furthermore, the present invention aims to solve the above-mentioned problems, and there is no generation of cracks in the film during production, it has a high piezoelectric strain constant, and good adhesion to the lower electrode. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element. Still another object of the present invention is to provide a piezoelectric element in which the crystal of the piezoelectric thin film has a (100) orientation.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention provides a piezoelectric thin film element comprising a piezoelectric thin film made of a polycrystal, and an upper electrode and a lower electrode arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween, A crystal source serving as a nucleus of the crystal of the piezoelectric body is formed in an island shape on the surface of the lower electrode on the piezoelectric body side.
[0015]
The crystal source is composed of a constituent element of the lower electrode, preferably titanium, and is formed on a crystal grain such as platinum or a grain boundary between crystal grains constituting the lower electrode. In order to make the crystal source into an island shape, a thin layer (40 to 60 angstroms) made of constituent elements is formed on the lower electrode.
[0016]
The piezoelectric thin film has a crystal structure with a columnar grain size of 0.1 μm to 0.5 μm having a crystal orientation of a plane orientation (100). Preferably, a piezoelectric thin film crystal grown using a crystal source formed on the lower electrode as a nucleus is formed across a plurality of crystal grains of the lower electrode. By doing so, the adhesion between the piezoelectric thin film and the lower electrode is improved.
[0017]
In the piezoelectric thin film element of the present invention, the particle size of the lower electrode is set to a preferable particle size for the piezoelectric material to exhibit piezoelectric characteristics, and the crystal particle size of the piezoelectric material grows using the crystal source as a nucleus. By doing so, the particle size of the lower electrode is approximately equal to or larger than that.
[0018]
The actuator of the present invention uses the piezoelectric thin film element as a mechanical energy source. Furthermore, the method for manufacturing a piezoelectric thin film according to the present invention includes a step of arranging an upper electrode and a lower electrode with a polycrystalline thin film interposed therebetween, and the piezoelectric crystal is formed on the piezoelectric body side of the lower electrode. The method includes a step of forming a crystal source serving as a nucleus into an island shape.
[0019]
Furthermore, an ink jet recording head according to the present invention is characterized in that the piezoelectric thin film element described above is provided as a vibrator. In one embodiment, the ink jet recording head includes a substrate on which an ink chamber is formed, a diaphragm that seals one of the ink chambers, and a piezoelectric thin film element in a flexural vibration mode is fixed to the surface. A nozzle plate for sealing the other surface of the ink chamber and having a nozzle port for discharging ink, wherein the piezoelectric thin film element is composed of the piezoelectric thin film element described above. Features.
[0020]
According to the piezoelectric thin film according to the present invention, an island-like crystal seed (crystal source) is formed between platinum crystal grains constituting the lower electrode or on the crystal grains, and this seed crystal is used as a nucleus. The grown piezoelectric thin film can have a columnar crystal structure oriented in the
[0021]
Furthermore, by setting the crystal of the lower electrode to a grain size preferable for the piezoelectric body to exhibit piezoelectric characteristics, and the crystal of the piezoelectric body grows with the crystal source as a nucleus, the crystal grain size of the piezoelectric body Can be greater than or equal to a value approximately equal to the particle size of the lower electrode. That is, since the crystal of the piezoelectric thin film can have a structure straddling a plurality of lower electrodes, it is possible to have a particle size exceeding the particle size of the lower electrode.
[0022]
In addition, by forming a crystal source at a grain boundary that is not easily affected by the orientation of the lower electrode crystal, the crystal of the piezoelectric thin film grows with this crystal source as a nucleus, and thus the orientation of the piezoelectric thin film crystal is targeted. Can be a thing.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where a PZT film is formed as a piezoelectric thin film will be described.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a piezoelectric element according to the present invention. As shown in FIG. 1, this piezoelectric thin film element includes a silicon substrate 11, a
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
Further, the crystal structure of the
[0028]
Here, the “degree of orientation” is, for example, when the reflection intensity of the plane orientation (XYZ) plane of the PZT film is expressed by I (XYZ) by the wide angle XRD method.
I (XYZ) / {I (100) + I (110) + I (111)}
It is defined that In the present invention, when the plane orientation (100) of the piezoelectric thin film is 0.15 or more, the piezoelectric thin film has a substantially columnar structure extending in the film thickness direction.
[0029]
The piezoelectric strain constant is proportional to the product of the relative permittivity and the voltage output coefficient. The relative dielectric constant increases as the size of the crystal grain in the direction of electric field application increases, and the piezoelectric output coefficient increases in the width direction (vertical direction in FIG. 1) of the piezoelectric thin film. For the reason that the narrower the width, the larger the piezoelectric strain constant of the
[0030]
As the
Pb (ZrxTi1-x) OThree+ YPbO
(Where 0.40 ≦ X ≦ 0.6, 0 ≦ Y ≦ 0.3)
Those having a composition represented by the chemical formula:
[0031]
Further, preferred specific examples of the ternary PZT include those having a composition represented by the following chemical formula in which, for example, a third component is added to the two-component PZT.
[0032]
PbTiaZrb(AgBhcOThree+ EPbO + (fMgO)n
(Here, A is selected from a divalent metal selected from the group consisting of Mg, Co, Zn, Cd, Mn and Ni or a group consisting of Sb, Y, Fe, Sc, Yb, Lu, In and Cr. B represents a pentavalent metal selected from the group consisting of Nb, Ta and Sb, or a hexavalent metal selected from the group consisting of W and Te. A + b + c = 1, 0.35 ≦ a ≦ 0.55, 0.25 ≦ b ≦ 0.55, 0.1 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ e ≦ 0.3, 0 ≦ f ≦ 0.15c , G = f = 1/2, n = 0, provided that A is a trivalent metal, B is not a hexavalent metal, A is a divalent metal, and B Is a pentavalent metal, g is 1/3, h is 2/3, and A represents Mg only when A is Mg and B is Nb.
More preferable specific examples of the ternary system include lead magnesium niobate, that is, A is Mg, B is Nb, g is 1/3, and h is 2/3.
[0033]
Further, in any of these two-component PZT and three-component PZT, in order to improve the piezoelectric characteristics, a small amount of Ba, Sr, La, Nd, Nb, Ta, Sb, Bi, W, Mo and Ca etc. may be added. In particular, in a ternary system, addition of 0.10 mol% or less of Sr, Ba is more preferable for improving piezoelectric characteristics. Further, in the case of a ternary system, addition of 0.10 mol% or less of Mn and Ni is preferable because the sinterability is improved.
[0034]
Next, a method for manufacturing a piezoelectric thin film element having this structure will be described with reference to the drawings. 4 (a) to 4 (c) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the piezoelectric thin film element described above. In the step shown in FIG. 4A, thermal oxidation is performed on the silicon substrate 11 to form a
[0035]
Next, in the step shown in FIG. 4B, titanium is formed in an island shape by sputtering on the
[0036]
The crystal structure of the piezoelectric thin film grown using titanium as a crystal source has an orientation to 100 planes, and the crystal grains are 0.1 μm to 0.5 μm. Details of this will be described later.
[0037]
A case where the
[0038]
This manufacturing method is a method in which a hydrated complex of a metal component hydroxide capable of forming the
[0039]
a. Film formation process of sol composition
In the present embodiment, the metal component sol constituting the PZT film can be prepared by hydrolyzing a metal alkoxide or acetate capable of forming the PZT film with an acid, for example. In the present invention, the composition of the PZT film described above can be obtained by preparing the composition of the metal in the sol. That is, titanium, zirconium, lead, and alkoxides or acetates of other metal components are used as starting materials.
[0040]
Here, there is an advantage that the composition of the metal component constituting the PZT film is substantially maintained until the PZT film (piezoelectric thin film) is finally formed. That is, there is very little variation due to evaporation of the metal component, particularly the lead component, during firing and annealing treatment, and therefore the composition of the metal component in these starting materials matches the metal composition in the finally obtained PZT film. It will be. That is, the composition of the sol is determined according to the piezoelectric thin film to be generated (PZT film in the present embodiment).
[0041]
Further, in the present embodiment, in order to obtain a PZT film free of the lead component by evaporation of the lead component described above, the lead component in the sol is preferably up to 15 mol% from the amount required from the stoichiometry. It is preferable to make it excessive to%.
[0042]
In the present embodiment, this sol is preferably used as a composition mixed with an organic polymer compound. This organic polymer compound absorbs the residual stress of the thin film during drying and baking, and effectively prevents the thin film from cracking. Specifically, when a gel containing this organic polymer is used, pores are generated in the gelled thin film described later. These pores are considered to absorb the residual stress of the thin film in the pre-annealing and annealing processes described later.
[0043]
Here, as the organic polymer compound preferably used, polyvinyl acetate, hydroxypropyl cellulose, polyethylene glycol, polyethylene glycol monomethyl ether, polypropylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyamide, polyamic acid, acetyl cellulose and derivatives thereof, As well as their copolymers.
[0044]
In the present embodiment, by adding polyvinyl acetate, a porous gel thin film having a large number of pores of about 0.05 μm is added to hydroxypropicellulose, and the size is 1 μm or less. A porous gel thin film having a wide distribution can be formed.
[0045]
In this embodiment, polyethylene glycol having an average molecular weight of about 285 to 420 is preferably used. Further, as the polypropylene glycol, those having an average molecular weight of about 300 to 800 are preferably used.
[0046]
In the manufacturing method according to the present embodiment, first, this sol composition is applied onto the lower electrode 14 (see FIG. 4B) on which the
[0047]
In addition, the thickness of the film formed by the above-described coating is 0.1 to 0.3 μm in thickness of the porous gel thin film formed in the gelation step described later in consideration of the subsequent steps. It is desirable to control so as to be, more preferably about 0.15 μm.
[0048]
Next, the applied sol composition is naturally dried or heated at a temperature of 200 ° C. or lower. Here, the sol composition may be further applied on the dried (heated) film to increase the film thickness. In this case, the underlying film is desirably dried at a temperature of 80 ° C. or higher.
[0049]
b. Gelation process of film made of sol composition
Next, the film obtained in the above-described sol composition film forming step is baked to form a porous gel thin film made of an amorphous metal oxide substantially free of residual organic matter.
[0050]
Firing is performed by heating the sol composition film at a temperature sufficient to gel the sol composition film and remove organic substances from the film for a sufficient time. In the present embodiment, the firing temperature is preferably 300 to 500 ° C, and more preferably 350 to 400 ° C. The firing time varies depending on the temperature and the type of furnace used. For example, when a degreasing furnace is used, it is preferably about 10 to 120 minutes, more preferably about 15 to 60 minutes. When a hot plate is used, it is preferably about 1 to 60 minutes, and more preferably about 5 to 30 minutes. Through the above steps, a porous gel thin film was formed on the
[0051]
c. Pre-annealing process
Next, the porous gel thin film obtained in step b described above is heated and fired, and this film is converted into a film made of a crystalline metal oxide film. Firing is performed at a temperature necessary to convert the porous gel thin film into a film made of a crystalline metal oxide, but it is not necessary to perform perovskite crystals in the crystal, and the gel thin film is uniform. It may be terminated when it is crystallized.
[0052]
In the present embodiment, the firing temperature is preferably in the range of 500 to 800 ° C, and more preferably in the range of 550 to 750 ° C. The firing time varies depending on the firing temperature and the type of furnace used. For example, when an annealing furnace is used, it is preferably about 0.1 to 5 hours, more preferably about 0.5 to 2 hours. When an RTA (Rapid Thermal Annealing) furnace is used, it is preferably about 0.1 to 10 minutes, more preferably about 1 to 5 minutes.
[0053]
In the present embodiment, this pre-annealing step can be performed in two stages. Specifically, first, annealing can be performed at a temperature in the range of 500 to 600 ° C. as the first stage, and then annealing can be performed at a temperature in the range of 600 to 800 ° C. as the second stage. More preferably, annealing can be performed at a temperature in the range of 500 to 550 ° C. as the first stage, and then annealing can be performed at a temperature in the range of 600 to 750 ° C. as the second stage. By this step, the porous gel thin film was converted into a film made of a crystalline metal oxide film.
[0054]
d. Repeat process
Next, the above-described steps a and b are further repeated three times to laminate four layers of polycrystalline gel thin films, and then converted into a film made of a metal oxide film by the pre-annealing step of step C.
[0055]
Next, island-shaped titanium is formed in an island shape on the PZT by the above-described method, and the above-described steps a, b, and c are further repeated four times.
[0056]
The number of laminated films obtained as a result of this repeating process may be appropriately determined in consideration of the final film thickness of the
[0057]
In this repeating process, a new porous gel thin film is formed on the previously formed film, and as a result of the subsequent pre-annealing, the newly formed porous gel thin film is substantially integrated with the previously formed film. It becomes the film made into.
[0058]
Here, the substantially integrated film is not only the case where there is no discontinuous layer between the laminated layers, but is different from the case of the finally obtained
[0059]
e. Perovskite crystal growth process
Next, the film obtained in the step d is annealed at a firing temperature of 600 to 1200 ° C., more preferably 800 to 1000 ° C. The firing time varies depending on the firing temperature and the type of furnace used. For example, when an annealing furnace is used, about 0.1 to 5 hours is preferable, and about 0.5 to 2 hours is more preferable. Moreover, when using an RTA furnace, about 0.1 to 10 minutes are preferable and about 0.5 to 3 minutes are more preferable.
[0060]
In this embodiment, the perovskite crystal growth process, that is, annealing can be performed in two stages. Specifically, annealing is performed at a temperature of about 600 to 800 ° C. in the first stage, and annealing is performed at a temperature of 800 to 1000 ° C. in the second stage. More preferably, annealing can be performed at a temperature of about 600 to 750 ° C. in the first stage, and annealing can be performed at a temperature of 800 to 950 ° C. in the second stage.
[0061]
By the above operation, PZT having a grain size of 0.1 μm to 0.5 μm and a film thickness of 1.2 μm is formed on the
[0062]
In FIG. 1, island-like titanium is formed on the grain boundaries of the
[0063]
When an island-shaped titanium crystal is formed on the surface of the lower electrode, titanium island-shaped crystals tend to be formed at grain boundaries between platinum crystals having a low platinum surface energy. At this time, the PZT crystal grains grown using titanium as a nucleus are formed across a plurality of titanium crystals.
[0064]
FIG. 6 is a schematic diagram showing the formation process of a PZT crystal confirmed by an electron microscope, (1) is a diagram along the height direction of the PZT crystal, and (2) is the diameter (width) of the PZT crystal. It is a figure along a direction. FIG. 7 is an actual electron micrograph, in which columnar PZT crystals are formed on a Pt electrode. The
[0065]
When PZT is grown using titanium crystals as nuclei, the crystal grains of PZT grow across a plurality of platinum crystals of adjacent lower electrodes. Usually, Pt has a stable 111 orientation and is easy to produce, but when a titanium seed crystal is formed at a grain boundary that is less affected by the orientation of platinum, the PZT crystal is affected by the crystal plane orientation of platinum. It is easy to form a columnar crystal in 100 directions that is not received. Furthermore, since the PZT crystal grains are formed across the crystal grains of the plurality of lower electrodes, it is expected that the adhesion with the lower electrodes is further improved.
[0066]
FIG. 8 is a chart of X-ray diffraction analysis (XRD) when a piezoelectric thin film PZT is formed on a lower electrode on which island-shaped titanium is formed, and FIG. 9 is a chart when no island-shaped titanium is formed. is there. Comparing FIG. 8 and FIG. 9 with each other, when island-like titanium is not formed, the orientation of the PZT film is only the (111) orientation, and the piezoelectric constant is as low as 90 pC / N. On the other hand, when island-like titanium is formed, the (100) orientation of PZT appears, and the ratio increases with respect to the (111) orientation, so that the piezoelectric constant increases to 133 pC / N.
[0067]
Furthermore, when another PZT layer is sequentially formed on PZT in which titanium is formed in an island shape, further titanium is formed in an island shape, and further, four layers of PZT are sequentially formed, and then crystallized. PZT is crystallized as described above with nuclei as the nucleus, and other PZTs are also crystallized in accordance with the crystal grain size and crystal structure of the adjacent PZT. The island titanium between the PZT layer and the PZT layer also controls the crystallization of PZT on the titanium as described above. When there is no island-like titanium, the PZT crystal is oriented in the 111 plane under the influence of platinum, so that it does not have the columnar structure with the orientation in the 100 plane as described above, and is excellent in piezoelectricity. Does not show properties.
[0068]
FIG. 10 is an explanatory diagram when a crystal source made of titanium is formed on the crystal grains of the lower electrode. On the
[0069]
PZT formed on the lower electrode by the above-described sol-gel method is crystallized using this titanium as a nucleus. Reference numeral 14B in FIG. 5B is an alloy of crystallized PZT and titanium. Each PZT crystal grown with each titanium as a nucleus stops growing at the grain boundary 14C of the lower electrode, and further grows in the film thickness direction of the piezoelectric thin film. Columnar crystals with higher strength grow in the thickness direction of PZT. At this time, since the grain size of each crystal of PZT is controlled by the grain size of the lower electrode of the lower layer, by adjusting the grain size of the lower electrode, as shown in (3), the PZT layer is columnar (PZT Columnar crystal heading in the thickness direction) and having a crystal grain size of 0.1 to 0.5 μm.
[0070]
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between island-like titanium and the piezoelectric strain constant. It was confirmed that a high piezoelectric strain constant was obtained when the film thickness of titanium was in the range of 40 to 60 angstroms, and the degree of orientation on the 100 plane at this time was high. The degree of orientation of the 100 plane relative to the 111 plane of the present invention is 20 to 30, and preferably 20 or more, whereby the columnar crystal structure described above can be obtained.
[0071]
Within the range of the titanium film thickness, it was confirmed that the crystal grain size of PZT was also in a suitable range. The film thickness of titanium was set by keeping the sputtering power constant and proportionally distributing the sputtering time. The degree of orientation on the 100 plane is the intensity ratio between the 100 plane and the 111 plane in the wide-angle X-ray analysis, and the intensity on the 111 plane is calculated as 100. Here, when the film thickness by sputtering is set to 40 to 60 angstroms, titanium is formed into an island shape instead of a continuous film. When the film thickness by sputtering is in this range, it is well known from, for example, pages 25 to 27 of the NTS thin film production application handbook, that the film does not become a continuous film but becomes an island shape. .
[0072]
When the thickness of titanium is 20 angstroms or less, the PZT crystal grows by using the crystalline platinum of the lower electrode as a seed, so that the degree of 111-plane orientation becomes high. At 80 angstroms or more, the titanium film is a continuous film and the film thickness is small, so that PZT is amorphous and the crystal size of PZT is increased.
[0073]
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of titanium on the lower electrode and the piezoelectric strain constant, and suitable piezoelectric characteristics can be obtained when the titanium has a thickness of 20 to 80 angstroms. The piezoelectric characteristic has a maximum value when the thickness of titanium is around 50 angstroms. On the other hand, as described above, the degree of orientation in 100 plane is that the film thickness of titanium is 40 to 60 angstroms, and the film thickness of titanium is 20 to 80 angstroms, and preferably 40 to 60 angstroms. In addition, the PZT crystal in the vicinity of 50 Å of titanium has a strong orientation of 100 planes.
[0074]
The piezoelectric strain constant is measured using a 2 mmφ PZT dot pattern impedance analyzer, and the voltage output coefficient obtained from the voltage generated in the dot pattern when the free end of the cantilever is weighted. It was calculated by the product of
[0075]
Thus, the process of FIG. 4B is completed, and then the process proceeds to the process shown in FIG. In this step, the
[0076]
In this way, a piezoelectric thin film element as shown in FIG. 1 was obtained. In addition, it was confirmed that the obtained
[0077]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing one ink reservoir of an ink jet recording head using the piezoelectric thin film element according to the present invention as a vibrator.
[0078]
As shown in FIG. 5, the ink jet recording head according to the third embodiment includes a
[0079]
In the ink jet recording head, ink is supplied to the
[0080]
Here, since the ink jet recording head uses the piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics described above as a vibrator, ink can be ejected with a large pressure.
[0081]
In addition, although titanium was demonstrated as a crystal source, it is not restricted to this, If it is a constituent element of a piezoelectric thin film and becomes a seed crystal and can be alloyed with a piezoelectric thin film, it can be used. Moreover, although the lower electrode is platinum, iridium having the same FCC structure can obtain the same effect.
[0082]
Further, a MOD process can be used instead of the sol-gel method. This process is the same as the sol-gel method, except that the sol preparation means is different from that of the sol-gel method. The preparation of the sol in the MOD process is characterized in that the dispersion sol does not undergo a sol-gel reaction beyond the formation of a gel network after hydrolysis and dehydration polycondensation in the prepared sol liquid.
[0083]
Specifically, one of the alkanolamines and monoethanolamine is selected as one of the starting materials for the sol solution as a hydrolysis inhibitor for metal alkoxides and metal acetates. By the action of monoethanolamine, the metal alkoxide and metal acetate maintain a uniform dispersion state in the sol solution. Therefore, since a gel network found in the sol-gel method is not formed, a more uniform crystal can be obtained as compared with the sol-gel method. Everything from the sol coating process to the sintering process for obtaining crystals is the same as the sol-gel method. In addition to the aforementioned monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, acetylacetone, acetic acid, and the like can be used as a sol hydrolysis inhibitor.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, the piezoelectric thin film element according to the present invention includes a piezoelectric thin film made of a polycrystalline body, and an upper electrode and a lower electrode that are arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween, and is provided on the lower electrode surface. Since the crystal source serving as the nucleus of the crystal of the piezoelectric body is formed in an island shape, the crystal of the piezoelectric body can be formed into a columnar shape oriented in the 100 plane, and the piezoelectric characteristics can be improved.
[0085]
Furthermore, in the piezoelectric thin film element according to the present invention, the crystal of the lower electrode is set to a preferable grain size for the piezoelectric body to exhibit piezoelectric characteristics, and the crystal grain size of the piezoelectric body is the nucleus of the crystal source. As a result, it is possible to prevent the grain size of the piezoelectric thin film from fluctuating due to the grain size of the lower electrode, and to set the crystal grain size of the piezoelectric thin film to a value that is suitable for exhibiting piezoelectric characteristics. It becomes possible.
[0086]
By configuring the crystal source from titanium having a predetermined film thickness, the piezoelectric characteristics can be made to be more suitable values.
[0087]
The piezoelectric thin film is made of a crystal grown with the crystal source as a nucleus, and this crystal has a crystal orientation with a plane orientation (100) and a crystal structure with a columnar grain size of 0.1 μm to 0.5 μm. By doing so, it becomes possible to make the piezoelectric characteristics more suitable values.
[0088]
Since the actuator of the present invention, particularly the ink jet recording head, uses such a piezoelectric thin film element as a pressure generation source, the amount of mechanical deformation is large and the ink discharge pressure can be increased.
[0089]
Furthermore, according to the method for manufacturing a piezoelectric thin film element of the present invention, a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics can be manufactured.
[0090]
Further, according to the piezoelectric thin film element of the present invention, cracks are not generated in the film during production, and the piezoelectric thin film element has a high piezoelectric strain constant and good adhesion to the lower electrode.
[0091]
Furthermore, since the crystal of the piezoelectric thin film grows using the crystal source between the crystal grains of the lower electrode as a nucleus, the crystal structure of the piezoelectric thin film element can be set to a suitable plane orientation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a piezoelectric thin film element according to a first embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of a PZT film constituting the piezoelectric thin film element according to
3 is a scanning electron micrograph showing the plane of the PZT film shown in FIG. 2. FIG.
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views showing manufacturing processes of the piezoelectric thin film element described above. FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing one ink reservoir portion of an ink jet recording head using the piezoelectric thin film element according to the present invention as a vibrator.
FIG. 6 is a schematic view showing that a piezoelectric thin film crystal is grown by forming an island crystal of titanium at a grain boundary of a lower electrode crystal.
FIG. 7 is a structure diagram photograph of a piezoelectric thin film element taken by a scanning electron microscope, and shows a structure image corresponding to FIG. 6 (1).
FIG. 8 is a chart of X-ray diffraction analysis (XRD) when a piezoelectric thin film PZT is formed on a lower electrode on which island-shaped titanium is formed.
FIG. 9 is a chart in the case where island-like titanium is not formed.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a second example in which a piezoelectric body is grown with a titanium seed crystal as a nucleus.
FIG. 11 is a table showing the relationship between the film thickness of titanium and the piezoelectric characteristics.
FIG. 12 is a characteristic graph of this.
[Explanation of symbols]
11, 21 Silicon substrate
12 Silicon oxide film
13 Titanium oxide film
14, 23 Lower electrode
14A Titanium seed crystal
15 PZT film
16, 25 Upper electrode
22 Diaphragm
24 Piezoelectric thin film
26 substrates
27 Ink reservoir
Claims (17)
前記圧電体薄膜素子は、多結晶体からなる圧電体薄膜と、当該圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極と下部電極と、を備え、前記下部電極の圧電体側にこの圧電体の結晶の核となる結晶源が島状に形成されてなり、
前記圧電体薄膜の結晶粒が柱状構造をなしており、結晶粒の膜厚方向の幅が、当該結晶粒の粒径方向の幅より長く、結晶粒の膜厚方向の幅と、当該結晶粒の粒径方向の幅との関係が、粒径方向の幅/膜厚方向の幅=1/3乃至1/10の範囲内で構成されている、アクチュエータ。 An actuator that mechanically uses a piezoelectric thin film element as an energy source,
The piezoelectric thin-film element comprises a piezoelectric thin film made of a polycrystalline substance, and the upper and lower electrodes that sandwich the piezoelectric thin film, comprising a crystal of the piezoelectric the piezoelectric body side of the lower electrode The core crystal source is formed in an island shape ,
The crystal grains of the piezoelectric thin film have a columnar structure, and the width of the crystal grains in the film thickness direction is longer than the width of the crystal grains in the grain size direction. The relationship between the width in the grain size direction and the width in the grain size direction / width in the film thickness direction is 1/3 to 1/10.
前記下部電極の圧電体側にこの圧電体の結晶の核となる結晶源を島状に形成する工程と、
前記結晶源を核として、結晶粒が柱状構造をなし、かつ結晶粒の膜厚方向の幅が、当該結晶粒の粒径方向の幅より長く、結晶粒の膜厚方向の幅と、当該結晶粒の粒径方向の幅との関係が、粒径方向の幅/膜厚方向の幅=1/3乃至1/10の範囲内である圧電体薄膜を形成する工程と、を備える圧電体薄膜素子の製造方法。A method of manufacturing a piezoelectric thin film element comprising a step of arranging an upper electrode and a lower electrode across a piezoelectric thin film made of a polycrystalline body,
Forming a crystal source serving as a nucleus of the crystal of the piezoelectric body in an island shape on the piezoelectric body side of the lower electrode ;
With the crystal source as a nucleus, the crystal grains have a columnar structure, and the width in the film thickness direction of the crystal grains is longer than the width in the grain size direction of the crystal grains, and the width in the film thickness direction of the crystal grains and the crystal Forming a piezoelectric thin film having a relationship between the width in the particle size direction of the grains and the width in the particle size direction / the width in the film thickness direction = 1/3 to 1/10. Device manufacturing method.
前記圧電体薄膜素子は、多結晶体からなる圧電体薄膜と、当該圧電体薄膜を挟んで配置される上部電極と下部電極と、を備え、前記下部電極の圧電体側にこの圧電体の結晶の核となる結晶源が島状に形成されてなり、
前記圧電体薄膜の結晶粒が柱状構造をなしており、結晶粒の膜厚方向の幅が、当該結晶粒の粒径方向の幅より長く、結晶粒の膜厚方向の幅と、当該結晶粒の粒径方向の幅との関係が、粒径方向の幅/膜厚方向の幅=1/3乃至1/10の範囲内で構成されている、インクジェット式記録ヘッド。A substrate on which an ink chamber is formed, one of the ink chambers is sealed, a vibration plate having a piezoelectric vibration element in a flexural vibration mode fixed to the surface, and the other surface of the ink chamber is sealed An ink jet recording head comprising a nozzle plate having an ink ejection nozzle opening formed thereon,
The piezoelectric thin film element includes a piezoelectric thin film made of a polycrystalline body, and an upper electrode and a lower electrode arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween, and the piezoelectric crystal is disposed on the piezoelectric body side of the lower electrode. The core crystal source is formed in an island shape,
The crystal grains of the piezoelectric thin film have a columnar structure, and the width of the crystal grains in the film thickness direction is longer than the width of the crystal grains in the grain size direction. An ink jet recording head in which the relationship between the width in the particle size direction and the width in the particle size direction / the width in the film thickness direction is 1/3 to 1/10 .
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