JP4142726B2 - Film-forming method, piezoelectric film, and piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマを用いる気相成長法により成膜する成膜方法、及び該成膜方法を用いて成膜された圧電膜、該圧電膜を用いた圧電素子、並びに該圧電素子を備えた液体吐出装置に関するものである。 The present invention includes a film forming method for forming a film by a vapor phase growth method using plasma, a piezoelectric film formed using the film forming method, a piezoelectric element using the piezoelectric film, and the piezoelectric element. The present invention relates to a liquid ejection device.
電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系等のペロブスカイト型酸化物が知られている。 A piezoelectric element having a piezoelectric film having a piezoelectric property that expands and contracts as the electric field application intensity increases and decreases, and an electrode that applies an electric field to the piezoelectric film is used as an actuator mounted on an ink jet recording head. Yes. As a piezoelectric material, a perovskite oxide such as lead zirconate titanate (PZT) is known.
圧電膜は、スパッタリング法等の気相成長法により成膜することができる。PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、高温成膜するとPb抜けが起こりやすくなる。そのため、Pb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が良好に成長し、かつPb抜けが起こりにくい成膜条件を求める必要がある。 The piezoelectric film can be formed by a vapor phase growth method such as a sputtering method. In a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, Pb detachment tends to occur when the film is formed at a high temperature. For this reason, in a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide, it is necessary to obtain film forming conditions in which a perovskite crystal with a small pyrochlore phase grows well and Pb detachment does not easily occur.
例えば、非特許文献1では、成膜温度以外の条件を固定し、成膜温度を振ることで、圧電膜の好適な成膜条件が求められている。非特許文献1に記載の図3には、PbTiO3膜では、概ね成膜温度500℃以下でパイロクロア相構造となり、概ね成膜温度550〜700℃でペロブスカイト結晶が成長し、概ね成膜温度700℃以上で非晶質構造となることが示されている。
For example, in Non-Patent
特許文献1では、PZT膜において、成膜圧力と膜中のPb量との関係、及び成膜温度と膜中のPb量との関係が求められている(特許文献1の図1及び図2を参照)。特許文献1では、成膜圧力は1〜100mTorrが好ましく、成膜温度は600〜700℃が好ましいことが記載されている(特許文献1の請求項2,5を参照)。
非特許文献1及び特許文献1に記載されているように、従来、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、成膜温度550〜700℃の条件が好ましいとされている。しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、420〜480℃程度でもパイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が成長し、良好な圧電特性を示す圧電膜が得られることが分かった。より低温で成膜できることはPb抜けを抑制することができ、好ましい。
As described in
Pbの含有/非含有に関係なく、成膜温度が高くなると、基板と圧電膜との熱膨張係数差に起因して、成膜中又は成膜後の降温過程等において圧電膜に応力がかかり、膜にクラック等が発生する恐れがあるので、より低温で成膜できることは好ましい。より低温で成膜できれば、ガラス基板などの比較的耐熱性が低い基板を用いることができるなど、基板選択の幅も広がり、好ましい。 Regardless of whether Pb is contained or not, when the film forming temperature is increased, stress is applied to the piezoelectric film during or after film formation due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the piezoelectric film. It is preferable that the film can be formed at a lower temperature because cracks or the like may occur in the film. If the film can be formed at a lower temperature, a substrate having a relatively low heat resistance such as a glass substrate can be used.
圧電膜の成膜においては、温度と圧力以外にも何らかのファクターが効いており、膜特性に対して影響を与えるファクターが好適な範囲内にあるときに、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が成長すると考えられる。 In the formation of piezoelectric films, factors other than temperature and pressure are effective, and perovskite crystals with little pyrochlore phase are expected to grow when factors that affect film properties are within the preferred range. It is done.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法において、膜特性に対して影響を与える成膜条件のファクターを明らかにし、これによって、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な膜を安定的に成膜することが可能な成膜方法を提供することを目的とするものである。
本発明は特に、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能な圧電膜の成膜方法、及び該成膜方法により成膜された圧電膜を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the vapor phase growth method using plasma such as sputtering, the factors of the film formation conditions that affect the film characteristics are clarified, and thereby the sputtering method and the like are clarified. It is an object of the present invention to provide a film forming method capable of stably forming a high-quality film by a vapor phase growth method using plasma.
In particular, an object of the present invention is to provide a method for forming a piezoelectric film capable of stably growing a perovskite crystal having a small pyrochlore phase, and a piezoelectric film formed by the film forming method. is there.
本発明は特に、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜方法において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能な圧電膜の成膜方法、及び該成膜方法により成膜された圧電膜を提供することを目的とするものである。 In particular, the present invention can stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and stably suppress Pb loss in a method for forming a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT. It is an object of the present invention to provide a method for forming a piezoelectric film that can be used, and a piezoelectric film formed by the film forming method.
本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討を行い、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法においては、成膜される膜の特性が、成膜温度Ts(℃)と、プラズマ中のプラズマ電位Vs(V)との2つのファクターに大きく依存し、これらファクターを好適化することにより、良質な膜を成膜できることを見出し、本発明を完成した。 The present inventor has intensively studied to solve the above problems, and in the vapor phase growth method using plasma such as sputtering, the characteristics of the film to be formed are the film formation temperature Ts (° C.) and the plasma in the plasma. The present invention was completed by finding that a high-quality film can be formed by greatly depending on two factors of the plasma potential Vs (V) and optimizing these factors.
本発明の成膜方法は、プラズマを用いる気相成長法により膜を成膜する成膜方法において、成膜温度Ts(℃)と、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)と、成膜される前記膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定することを特徴とするものである。 The film formation method of the present invention is a film formation method in which a film is formed by a vapor phase growth method using plasma. A film formation temperature Ts (° C.), a plasma potential Vs (V) in plasma during film formation, The film forming conditions are determined based on the relationship with the characteristics of the film to be formed.
本明細書において、「成膜温度Ts(℃)」は、成膜を行う基板の中心温度を意味するものとする。
本明細書において、「プラズマ電位Vs」は、ラングミュアプローブを用い、シングルプローブ法により測定するものとする。
プラズマ電位Vs(V)はそのまま電子温度(eV)に変換することができる。電子温度1eV=11600K(Kは絶対温度)に相当する。
In this specification, “film formation temperature Ts (° C.)” means the center temperature of the substrate on which film formation is performed.
In this specification, the “plasma potential Vs” is measured by a single probe method using a Langmuir probe.
The plasma potential Vs (V) can be converted directly into the electron temperature (eV). This corresponds to an electron temperature of 1 eV = 11600 K (K is an absolute temperature).
本発明の成膜方法を適用可能な膜としては、1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)が挙げられる。 Examples of the film to which the film forming method of the present invention can be applied include a piezoelectric film (which may contain unavoidable impurities) made of one or more perovskite oxides.
本発明の成膜方法を下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)に適用する場合、下記式(1)及び(2)を充足する範囲で、または、下記式(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することが好ましい。
一般式ABO3・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
20≦Vs(V)≦50・・・・・・(2)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
Vs(V)≦40・・・・・・(4)
When the film forming method of the present invention is applied to a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P), the following formula ( It is preferable to determine the film forming conditions within a range satisfying 1) and (2) or within a range satisfying the following formulas (3) and (4).
Formula ABO 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and lanthanide element At least one element selected from the group consisting of:
O: oxygen atom,
The ratio of the total number of moles of the A-site element and the total number of moles of the B-site element to the number of moles of oxygen atoms is typically 1: 3, but deviates from 1: 3 within a range where a perovskite structure can be obtained. Also good. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
20 ≦ Vs (V) ≦ 50 (2),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
Vs (V) ≤ 40 (4)
本発明の圧電膜は、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)において、
プラズマを用いる気相成長法により成膜されたものであり、
下記式(1)及び(2)を充足する、又は(3)及び(4)を充足する成膜条件で成膜されたものであることを特徴とするものである。
一般式ABO3・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
20≦Vs(V)≦50・・・・・・(2)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
Vs(V)≦40・・・・・・(4)
The piezoelectric film of the present invention is a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P).
It is formed by vapor phase growth using plasma,
The film is formed under the film forming conditions satisfying the following formulas (1) and (2) or satisfying (3) and (4).
Formula ABO 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and lanthanide element At least one element selected from the group consisting of:
O: oxygen atom,
The ratio of the total number of moles of the A-site element and the total number of moles of the B-site element to the number of moles of oxygen atoms is typically 1: 3, but deviates from 1: 3 within a range where a perovskite structure can be obtained. Also good. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
20 ≦ Vs (V) ≦ 50 (2),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
Vs (V) ≤ 40 (4)
本発明によれば、式(P)中のAサイト元素のモル数をaとしたとき、1.0≦a、好ましくは1.0≦a≦1.3であるPb抜けのない圧電膜を提供することができる。ここで、式(P)中のAサイト元素のモル数とは、一般式ABO 3 において酸素原子のモル数を3とした時のAサイト元素原子のモル数を意味する。 According to the present invention, when the number of moles of the A-site element in the formula (P) is a, a piezoelectric film having no Pb loss, where 1.0 ≦ a, preferably 1.0 ≦ a ≦ 1.3. Can be provided. Here, the number of moles of the A site element in the formula (P) means the number of moles of the A site element when the number of moles of oxygen atoms is 3 in the general formula ABO 3 .
本発明の圧電素子は、上記の本発明の圧電膜と、該圧電膜に電界を印加する電極とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の液体吐出装置は、
上記の本発明の圧電素子と、
液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材とを備えたことを特徴とするものである。
A piezoelectric element according to the present invention includes the above-described piezoelectric film according to the present invention and an electrode for applying an electric field to the piezoelectric film.
The liquid ejection device of the present invention is
The above-described piezoelectric element of the present invention;
A liquid storage chamber in which liquid is stored, and a liquid storage and discharge member having a liquid discharge port through which the liquid is discharged from the liquid storage chamber are provided.
本発明は、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法において、膜特性に対して影響を与える成膜条件のファクターが、成膜温度Ts(℃)、及び、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)であることを明らかにしたものである。 In the present invention, in the vapor phase growth method using plasma such as sputtering, the factors of the film formation conditions that affect the film characteristics are the film formation temperature Ts (° C.) and the plasma in the plasma during the film formation. It is clarified that the potential is Vs (V).
本発明の成膜方法によれば、膜特性に対して影響を与える上記2つのファクターと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定する構成としているので、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な膜を安定的に成膜することができる。 According to the film forming method of the present invention, the film forming conditions are determined based on the relationship between the above two factors affecting the film characteristics and the characteristics of the film to be formed. A high-quality film can be stably formed by a vapor phase growth method using plasma.
本発明の成膜方法は、圧電膜の成膜等に好ましく適用することができる。本発明によれば、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能となる。本発明によれば、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能となる。 The film forming method of the present invention can be preferably applied to film formation of a piezoelectric film. According to the present invention, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase in the formation of a piezoelectric film made of a perovskite oxide. According to the present invention, in the formation of a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and to stably suppress Pb loss. Is possible.
「成膜方法」
本発明の成膜方法は、プラズマを用いる気相成長法により膜を成膜する成膜方法において、成膜温度Ts(℃)と、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)と、成膜される前記膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定することを特徴とするものである。
"Film formation method"
The film formation method of the present invention is a film formation method in which a film is formed by a vapor phase growth method using plasma. A film formation temperature Ts (° C.), a plasma potential Vs (V) in plasma during film formation, The film forming conditions are determined based on the relationship with the characteristics of the film to be formed.
本発明の成膜方法を適用可能な気相成長法としては、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、及びプラズマCVD法等が挙げられる。本発明の成膜方法において、前記関係が求められる前記膜の特性としては、膜の結晶構造及び/又は膜組成が挙げられる。 Examples of the vapor deposition method to which the film forming method of the present invention can be applied include a sputtering method, an ion beam sputtering method, an ion plating method, and a plasma CVD method. In the film forming method of the present invention, the characteristics of the film for which the relationship is required include the crystal structure and / or film composition of the film.
図1に基づいて、スパッタリング装置を例として、プラズマを用いる成膜装置の構成例について説明する。図1(a)はRFスパッタリング装置の概略断面図であり、図1(b)は成膜中の様子を模式的に示す図である。 Based on FIG. 1, a configuration example of a film forming apparatus using plasma will be described by taking a sputtering apparatus as an example. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an RF sputtering apparatus, and FIG. 1B is a diagram schematically showing a state during film formation.
RFスパッタリング装置1は、内部に、基板Bが装着されると共に、装着された基板Bを所定温度に加熱することが可能なヒータ11と、プラズマを発生させるプラズマ電極(カソード電極)12とが備えられた真空容器10から概略構成されている。ヒータ11とプラズマ電極12とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極12上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットTが装着されるようになっている。プラズマ電極12は高周波電源13に接続されている。
The
真空容器10には、真空容器10内に成膜に必要なガスGを導入するガス導入管14と、真空容器10内のガスの排気Vを行うガス排出管15とが取り付けられている。ガスGとしては、Ar、又はAr/O2混合ガス等が使用される。図1(b)に模式的に示すように、プラズマ電極12の放電により真空容器10内に導入されたガスGがプラズマ化され、Arイオン等のプラスイオンIpが生成する。生成したプラスイオンIpはターゲットTをスパッタする。プラスイオンIpにスパッタされたターゲットTの構成元素Tpは、ターゲットから放出され中性あるいはイオン化された状態で基板Bに蒸着される。図中、符号Pがプラズマ空間を示している。
A
プラズマ空間Pの電位はプラズマ電位Vs(V)となる。通常、基板Bは絶縁体であり、かつ、電気的にアースから絶縁されている。したがって、基板Bはフローティング状態にあり、その電位はフローティング電位Vf(V)となる。ターゲットTと基板Bとの間にあるターゲットの構成元素Tpは、プラズマ空間Pの電位と基板Bの電位との電位差Vs−Vfの加速電圧分の運動エネルギーを持って、成膜中の基板Bに衝突すると考えられる。従って、プラズマ電位Vsの変化に伴って、基板Bに衝突するターゲットTの構成元素Tpの運動エネルギーも変化する。 The potential of the plasma space P becomes the plasma potential Vs (V). Usually, the substrate B is an insulator and is electrically insulated from the ground. Therefore, the substrate B is in a floating state, and the potential thereof is the floating potential Vf (V). The constituent element Tp of the target between the target T and the substrate B has a kinetic energy corresponding to the acceleration voltage of the potential difference Vs−Vf between the potential of the plasma space P and the potential of the substrate B. It is thought that it will collide with. Therefore, as the plasma potential Vs changes, the kinetic energy of the constituent element Tp of the target T that collides with the substrate B also changes.
プラズマ電位Vsは、ラングミュアプローブを用いて測定することができる。プラズマP中にラングミュアプローブの先端を挿入し、プローブに印加する電圧を変化させると、例えば図2に示すような電流電圧特性が得られる(小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」p.90、日刊工業新聞社発行)。この図では電流が0となるプローブ電位がフローティング電位Vfである。この状態は、プローブ表面へのイオン電流と電子電流の流入量が等しくなる点である。絶縁状態にある金属の表面や基板表面はこの電位になっている。プローブ電圧をフローティング電位Vfより高くしていくと、イオン電流は次第に減少し、プローブに到達するのは電子電流だけとなる。この境界の電圧がプラズマ電位Vsである。
Vsは、基板とターゲットとの間にアースを設置するなどして、変えることができる(後記実施例1及び2を参照)。
The plasma potential Vs can be measured using a Langmuir probe. When the tip of a Langmuir probe is inserted into the plasma P and the voltage applied to the probe is changed, for example, current-voltage characteristics as shown in FIG. 2 can be obtained (Mitsuharu Onuma, “Plasma and Film Formation Fundamentals” p. 90, published by Nikkan Kogyo Shimbun). In this figure, the probe potential at which the current becomes 0 is the floating potential Vf. This state is that the ion current and the electron current flow into the probe surface become equal. The surface of the metal in the insulating state and the surface of the substrate are at this potential. As the probe voltage is made higher than the floating potential Vf, the ionic current gradually decreases, and only the electron current reaches the probe. The voltage at this boundary is the plasma potential Vs.
Vs can be changed by installing a ground between the substrate and the target (see Examples 1 and 2 described later).
プラズマを用いる気相成長法において、成膜される膜の特性を左右するファクターとしては、成膜温度、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、基板の表面エネルギー、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電極、基板/ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度及び電子密度、プラズマ中の活性種密度及び活性種の寿命等が考えられる。 In the vapor phase growth method using plasma, the factors that influence the characteristics of the film to be formed include the film forming temperature, the type of the substrate, the composition of the substrate if there is a film previously formed on the substrate, and the surface of the substrate. The energy, the deposition pressure, the amount of oxygen in the atmospheric gas, the input electrode, the distance between the substrate and the target, the electron temperature and electron density in the plasma, the active species density in the plasma and the lifetime of the active species can be considered.
本発明者は多々ある成膜ファクターの中で、成膜される膜の特性は、成膜温度TsとVsとの2つのファクターに大きく依存することを見出し、これらファクターを好適化することにより、良質な膜を成膜できることを見出した。すなわち、成膜温度Tsを横軸にし、Vsを縦軸にして、膜の特性をプロットすると、ある範囲内において良質な膜を成膜できることを見出した(図12を参照)。 The present inventor has found that, among many film formation factors, the characteristics of the film to be formed largely depend on two factors of the film formation temperature Ts and Vs, and by optimizing these factors, It has been found that a good quality film can be formed. That is, when the film forming temperature Ts is plotted on the horizontal axis and Vs is plotted on the vertical axis, and the film characteristics are plotted, it has been found that a good film can be formed within a certain range (see FIG. 12).
Vsの変化に伴って、基板Bに衝突するターゲットTの構成元素Tpの運動エネルギーが変化することを述べた。下記式に示すように、一般に運動エネルギーEは温度Tの関数で表されるので、基板Bに対して、Vsは温度と同様の効果を持つと考えられる。
E=1/2mv2=3/2kT
(式中、mは質量、vは速度、kは定数、Tは絶対温度である。)
Vsには、温度と同様の効果以外にも、表面マイグレーションの促進効果、弱結合部分のエッチング効果などの効果を持つと考えられる。
It has been described that the kinetic energy of the constituent element Tp of the target T colliding with the substrate B changes as Vs changes. As shown in the following equation, kinetic energy E is generally expressed as a function of temperature T, so Vs is considered to have the same effect as temperature on substrate B.
E = 1 / 2mv 2 = 3 / 2kT
(Where m is mass, v is velocity, k is a constant, and T is absolute temperature.)
Vs is considered to have effects such as the effect of promoting surface migration and the effect of etching weakly bonded portions in addition to the same effect as temperature.
特開2004-119703号公報には、スパッタリング法により圧電膜を成膜する際に、圧電膜にかかる引張応力を緩和するために、基板にバイアスを印加することが提案されている。基板にバイアスを印加することは、基板に突入するターゲットの構成元素のエネルギー量を変えていることになる。しかしながら、特開2004-119703号公報には、プラズマ電位Vsについては記載がない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-119703 proposes that a bias is applied to the substrate in order to relieve the tensile stress applied to the piezoelectric film when the piezoelectric film is formed by sputtering. Applying a bias to the substrate changes the energy amount of the constituent element of the target that enters the substrate. However, JP 2004-119703 A does not describe the plasma potential Vs.
通常、ある成膜装置のVs及びVfは装置の構造によってそれぞれ一つの値にほぼ決まり、大きく変えることができないので、従来はVsを変えるという発想自体がほとんどなかった。唯一、特開平10-60653号公報に、アモルファスシリコン膜等を高周波プラズマCVD法により成膜する成膜方法において、Vs−Vfを特定の範囲内に制御することを特徴とする成膜方法が開示されている。この発明では、Vs−Vfが基板面上で不均一になることを解消するために、Vs−Vfを特定の範囲内に制御するようにしたものである。しかしながら、特開平10-60653号公報には、成膜温度TsとVsと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定することについては記載がない。 Normally, Vs and Vf of a film forming apparatus are almost determined to be one value depending on the structure of the apparatus and cannot be changed greatly. Therefore, conventionally, there has been almost no idea of changing Vs. The only film forming method for forming an amorphous silicon film or the like by a high-frequency plasma CVD method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-60653, wherein Vs−Vf is controlled within a specific range. Has been. In the present invention, Vs−Vf is controlled within a specific range in order to eliminate the nonuniformity of Vs−Vf on the substrate surface. However, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-60653 does not describe that the film formation conditions are determined based on the relationship between the film formation temperatures Ts and Vs and the characteristics of the film to be formed.
本発明の成膜方法は、プラズマを用いる気相成長法により成膜することが可能なものであれば、いかなる膜にも適用することができる。本発明の成膜方法を適用可能な膜としては、1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜が挙げられる。圧電膜は、不可避不純物を含んでいてもよい。 The film forming method of the present invention can be applied to any film as long as it can be formed by a vapor phase growth method using plasma. Examples of the film to which the film forming method of the present invention can be applied include a piezoelectric film made of one or more kinds of perovskite oxides. The piezoelectric film may contain inevitable impurities.
本発明者は、本発明の成膜方法を下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜に適用する場合、下記式(1)及び(2)を充足する範囲、又は下記式(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することが好ましいことを見出している(図12を参照)。
一般式ABO3・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
20≦Vs(V)≦50・・・・・・(2)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
Vs(V)≦40・・・・・・(4)
When applying the film forming method of the present invention to a piezoelectric film composed of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P), the following formulas (1) and (2) It has been found that it is preferable to determine the film-forming conditions within a range that satisfies the following equation (3) and (4) (see FIG. 12).
Formula ABO 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and lanthanide element At least one element selected from the group consisting of:
O: oxygen atom,
The ratio of the total number of moles of the A-site element and the total number of moles of the B-site element to the number of moles of oxygen atoms is typically 1: 3, but deviates from 1: 3 within a range where a perovskite structure can be obtained. Also good. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
20 ≦ Vs (V) ≦ 50 (2),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
Vs (V) ≤ 40 (4)
上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及び、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。圧電膜は、これら上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。 Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, zirconium magnesium niobate Lead-containing compounds such as lead titanate, lead nickel niobate and zirconium titanate, and non-lead-containing compounds such as barium titanate, sodium bismuth titanate, potassium bismuth titanate, sodium niobate, potassium niobate, lithium niobate Is mentioned. The piezoelectric film may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P).
本発明は、下記一般式(P−1)で表されるPZT又はそのBサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Pba(ZrbTicXd)O3・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b>0、c>0、d≧0。a=1.0であり、かつb+c+d=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The present invention is preferably applicable to PZT represented by the following general formula (P-1) or a B site substitution system thereof, and mixed crystal systems thereof.
Pb a (Zr b Ti c X d ) O 3 (P-1)
(In Formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of Group V and Group VI. A> 0, b> 0, c> 0, d ≧ 0, a = 1.0 and b + c + d = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)
上記一般式(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、d=0のときチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であり、d>0のとき、PZTのBサイトの一部をV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素であるXで置換した酸化物である。
Xは、VA族、VB族、VIA族、及びVIB族のいずれの金属元素でもよく、V,Nb,Ta,Cr,Mo,及びWからなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。
The perovskite oxide represented by the general formula (P-1) is lead zirconate titanate (PZT) when d = 0, and when d> 0, part of the B site of PZT is group V. And an oxide substituted with X which is at least one metal element selected from the group of elements of group VI.
X may be any metal element of Group VA, Group VB, Group VIA, and Group VIB, and is preferably at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W. .
本発明者は、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、Ts(℃)<400の成膜条件では、成膜温度が低すぎてペロブスカイト結晶が良好に成長せず、パイロクロア相がメインの膜が成膜されることを見出している(図12を参照)。 When forming a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the above general formula (P), the present inventor found that the film formation temperature was too low under the film formation condition of Ts (° C.) <400, and the perovskite crystal It has been found that the film does not grow well and a film with a pyrochlore phase as the main film is formed (see FIG. 12).
本発明者はさらに、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、上記式(1)を充足する400≦Ts(℃)≦475の条件では、成膜温度TsとVsが上記式(2)を充足する範囲で、また上記式(3)を充足する475≦Ts(℃)≦600の条件では、成膜温度TsとVsが上記式(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することができることを見いだしている。 Further, when the present inventors form a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the general formula (P), the condition of 400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 satisfying the above formula (1) is satisfied. In the range where the film formation temperatures Ts and Vs satisfy the above formula (2) and under the condition of 475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 that satisfies the above formula (3), the film formation temperatures Ts and Vs are expressed by the above formula (4). It is found that the perovskite crystal having a small pyrochlore phase can be stably grown and the Pb loss can be stably suppressed by determining the film forming conditions within a range satisfying (1).
また本発明者は、より良好な結晶構造及び膜組成を有する圧電膜を安定的に成膜するには、下記式(5)及び(6)を充足する範囲で成膜条件を決定することが好ましく、下記式(7)及び(8)、又は(9)及び(10)を充足する範囲で成膜条件を決定することが特に好ましいことを見いだしている(図12を参照)。
420≦Ts(℃)≦575・・・(5)、
−0.2Ts+114≦Vs(V)≦−0.15Ts+111 ・・・(6)、
420≦Ts(℃)≦460・・・(7)、
30≦Vs(V)≦48・・・・・・(8)、
475≦Ts(℃)≦575・・・(9)、
10≦Vs(V)≦38・・・・・・(10)
In addition, in order to stably form a piezoelectric film having a better crystal structure and film composition, the present inventor can determine film forming conditions within a range satisfying the following formulas (5) and (6). It has been found that it is particularly preferable to determine the film forming conditions within a range satisfying the following formulas (7) and (8) or (9) and (10) (see FIG. 12).
420 ≦ Ts (° C.) ≦ 575 (5),
−0.2Ts + 114 ≦ Vs (V) ≦ −0.15Ts + 111 (6)
420 ≦ Ts (° C.) ≦ 460 (7),
30 ≦ Vs (V) ≦ 48 (8),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 575 (9),
10 ≦ Vs (V) ≦ 38 (10)
PZTのスパッタ成膜において、高温成膜するとPb抜けが起こりやすくなることが知られている(「背景技術」に挙げた特許文献1の図2等を参照)。本発明者は、Pb抜けが、成膜温度以外にVsにも依存することを見出している。PZTの構成元素であるPb,Zr,及びTiの中で、Pbが最もスパッタ率が大きく、スパッタされやすい。例えば、「真空ハンドブック」((株)アルバック編、オーム社発行)の表8.1.7には、Arイオン300evの条件におけるスパッタ率は、Pb=0.75、Zr=0.48,Ti=0.65であることが記載されている。スパッタされやすいということは、スパッタされた原子が基板面に付着した後に、再スパッタされやすいということである。プラズマ電位Vsが大きい程再スパッタの率が高くなり、Pb抜けが生じやすくなると考えられる。このことは、PZT以外のPb含有ペロブスカイト型酸化物でも、同様である。また、スパッタリング法以外のプラズマを用いる気相成長法でも同様である。
In sputter deposition of PZT, it is known that Pb loss tends to occur when the film is formed at a high temperature (see FIG. 2 of
図12からわかるように、成膜温度TsとVsがいずれも過小の条件では、ペロブスカイト結晶を良好に成長させることができない傾向にある。また、成膜温度TsとVsのうち少なくとも一方が過大の条件では、Pb抜けが生じやすくなる傾向にある。
また、本実施形態において、基板/ターゲット間距離は特に制限なく、30〜80mmの範囲であることが好ましい。基板/ターゲット間距離は、近い方が成膜速度が速いので、効率の点で好ましいが、近すぎるとプラズマの放電が不安定となり、良質な成膜を行うことが難しい。
As can be seen from FIG. 12, the perovskite crystals tend not to grow well under conditions where the film formation temperatures Ts and Vs are both too low. Further, when at least one of the film formation temperatures Ts and Vs is excessive, Pb loss tends to occur easily.
In the present embodiment, the substrate / target distance is not particularly limited and is preferably in the range of 30 to 80 mm. A closer substrate / target distance is preferable in terms of efficiency because the film formation rate is faster, but if it is too close, plasma discharge becomes unstable and it is difficult to form a good film.
本発明者は、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、下記式(1)及び(11)、又は(3)及び(12)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、圧電定数の高い圧電膜が得られることを見出している。
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
35≦Vs(V)≦45・・・・・・(11)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
10≦Vs(V)≦35・・・・・・(12)
The present inventor satisfies the following formulas (1) and (11) or (3) and (12) when forming a piezoelectric film made of the perovskite oxide represented by the general formula (P). It has been found that a piezoelectric film having a high piezoelectric constant can be obtained by determining the film forming conditions within a range.
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
35 ≦ Vs (V) ≦ 45 (11),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
10 ≦ Vs (V) ≦ 35 (12)
本発明者は、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、成膜温度Ts(℃)=約420の条件では、Vs(V)=約48とすることで、Pb抜けのないペロブスカイト結晶を成長させることができるが、得られる膜の圧電定数d31は100pm/V程度と低いことを見出している。この条件では、Vs、すなわち基板に衝突するターゲットTの構成元素Tpのエネルギーが高すぎるために、膜に欠陥が生じやすく、圧電定数が低下すると考えられる。本発明者は、上記式(1)及び(5)、又は(3)及び(6)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、圧電定数d31≧130pm/Vの圧電膜を成膜できることを見出している。 When forming a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the general formula (P), the present inventor has Vs (V) = about 48 under the condition of film formation temperature Ts (° C.) = About 420. By doing so, it is possible to grow a perovskite crystal without Pb loss, but it has been found that the piezoelectric constant d 31 of the obtained film is as low as about 100 pm / V. Under this condition, Vs, that is, the energy of the constituent element Tp of the target T that collides with the substrate is too high, so that defects are likely to occur in the film, and the piezoelectric constant is considered to decrease. The inventor determines a film forming condition within a range satisfying the above formulas (1) and (5) or (3) and (6), thereby forming a piezoelectric film having a piezoelectric constant d 31 ≧ 130 pm / V. It has been found that a film can be formed.
本発明は、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法において、膜特性に対して影響を与えるファクターが、成膜温度Ts(℃)、及び、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)であることを明らかにしたものである。 In the present invention, in the vapor phase growth method using plasma such as sputtering, the factors affecting the film characteristics are the film formation temperature Ts (° C.) and the plasma potential Vs (V in the plasma during film formation). ).
本発明の成膜方法によれば、膜特性に対して影響を与える上記2つのファクターと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定する構成としているので、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な膜を安定的に成膜することができる。
本発明の成膜方法を採用することで、装置条件が変わっても良質な膜を成膜できる条件を容易に見出すことができ、良質な膜を安定的に成膜することができる。
According to the film forming method of the present invention, the film forming conditions are determined based on the relationship between the above two factors affecting the film characteristics and the characteristics of the film to be formed. A high-quality film can be stably formed by a vapor phase growth method using plasma.
By employing the film forming method of the present invention, it is possible to easily find a condition for forming a high-quality film even if the apparatus conditions are changed, and it is possible to stably form a high-quality film.
本発明の成膜方法は、圧電膜の成膜等に好ましく適用することができる。本発明によれば、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能となる。本発明によれば、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能となる。 The film forming method of the present invention can be preferably applied to film formation of a piezoelectric film. According to the present invention, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase in the formation of a piezoelectric film made of a perovskite oxide. According to the present invention, in the formation of a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and to stably suppress Pb loss. Is possible.
「圧電膜」
上記の本発明の成膜方法を適用することで、以下の本発明の圧電膜を提供することができる。
すなわち、本発明の圧電膜は、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜において、
プラズマを用いる気相成長法により成膜されたものであり、
下記式(1)及び(2)、又は(3)及び(4)を充足する成膜条件で成膜されたものであることを特徴とするものである。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
20≦Vs(V)≦50・・・・・・(2)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
Vs(V)≦40・・・・・・(4)
"Piezoelectric film"
By applying the film forming method of the present invention, the following piezoelectric film of the present invention can be provided.
That is, the piezoelectric film of the present invention is a piezoelectric film composed of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P):
It is formed by vapor phase growth using plasma,
The film is formed under film forming conditions satisfying the following formulas (1) and (2) or (3) and (4).
General formula ABO 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and lanthanide element At least one element selected from the group consisting of:
O: oxygen atom,
The ratio of the total number of moles of the A-site element and the total number of moles of the B-site element to the number of moles of oxygen atoms is 1: 3, respectively. Also good. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
20 ≦ Vs (V) ≦ 50 (2),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
Vs (V) ≤ 40 (4)
本発明の圧電膜は、下記式(5)及び(6)を充足する成膜条件で成膜されたものであることが好ましく、下記式(7)及び(8)、又は(9)及び(10)を充足する成膜条件で成膜されたものであることが特に好ましい(図12を参照)。
420≦Ts(℃)≦575・・・(5)、
−0.2Ts+114≦Vs(V)≦−0.15Ts+111 ・・・(6)、
420≦Ts(℃)≦460・・・(7)、
30≦Vs(V)≦48・・・・・・(8)、
475≦Ts(℃)≦575・・・(9)、
10≦Vs(V)≦38・・・・・・(10)
The piezoelectric film of the present invention is preferably formed under the film formation conditions satisfying the following formulas (5) and (6), and the following formulas (7) and (8) or (9) and (9) It is particularly preferable that the film is formed under the film forming conditions satisfying 10) (see FIG. 12).
420 ≦ Ts (° C.) ≦ 575 (5),
−0.2Ts + 114 ≦ Vs (V) ≦ −0.15Ts + 111 (6)
420 ≦ Ts (° C.) ≦ 460 (7),
30 ≦ Vs (V) ≦ 48 (8),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 575 (9),
10 ≦ Vs (V) ≦ 38 (10)
本発明によれば、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶構造を有し、しかもPb抜けが抑制され、結晶構造及び膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に提供することができる。 According to the present invention, it is possible to stably provide a high-quality piezoelectric film having a perovskite crystal structure with a small pyrochlore phase, suppressing Pb loss, and having a good crystal structure and film composition.
本発明によれば、式(P)中のAサイト元素のモル数をaとしたとき、1.0≦aであるPb抜けのない組成の圧電膜を提供することができ、1.0<aであるPbリッチな組成の圧電膜を提供することもできる。aの上限は特に制限なく、本発明者は、1.0≦a≦1.3であれば、圧電性能が良好な圧電膜が得られることを見出している。 According to the present invention, when the number of moles of the A-site element in the formula (P) is a, it is possible to provide a piezoelectric film having a composition with 1.0 ≦ a and no Pb loss, and 1.0 < It is also possible to provide a piezoelectric film having a Pb-rich composition which is a. The upper limit of a is not particularly limited, and the present inventor has found that a piezoelectric film having good piezoelectric performance can be obtained when 1.0 ≦ a ≦ 1.3.
本発明の圧電膜は、下記式(1)及び(11)、又は(3)及び(12)を充足する成膜条件で成膜されたものであることが好ましい。かかる構成とすることで、圧電定数の高い圧電膜を提供することができる。
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
35≦Vs(V)≦45・・・・・・(11)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
10≦Vs(V)≦35・・・・・・(12)
The piezoelectric film of the present invention is preferably formed under film forming conditions that satisfy the following formulas (1) and (11) or (3) and (12). With such a configuration, a piezoelectric film having a high piezoelectric constant can be provided.
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
35 ≦ Vs (V) ≦ 45 (11),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
10 ≦ Vs (V) ≦ 35 (12)
「圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド」
図3を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子及びこれを備えた液体吐出装置の構造について説明する。図3はインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
"Piezoelectric element and inkjet recording head"
With reference to FIG. 3, the structure of the piezoelectric element of embodiment which concerns on this invention, and a liquid discharge apparatus provided with the same is demonstrated. FIG. 3 is a sectional view (a sectional view in the thickness direction of the piezoelectric element) of the main part of the ink jet recording head (liquid ejecting apparatus). In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.
本実施形態の圧電素子2は、基板20上に、下部電極30と圧電膜40と上部電極50とが順次積層された素子であり、圧電膜40に対して、下部電極30と上部電極50とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。
The
下部電極30は基板20の略全面に形成されており、この上に図示手前側から奥側に延びるライン状の凸部41がストライプ状に配列したパターンの圧電膜40が形成され、各凸部41の上に上部電極50が形成されている。
The
圧電膜40のパターンは図示するものに限定されず、適宜設計される。また、圧電膜40は連続膜でも構わない。但し、圧電膜40は、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部41からなるパターンで形成することで、個々の凸部41の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。
The pattern of the
基板20としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス(SUS)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板20としては、シリコン基板の表面にSiO2酸化膜が形成されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。
The
下部電極30の主成分としては特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO2,RuO2,LaNiO3,及びSrRuO3等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
上部電極50の主成分としては特に制限なく、下部電極30で例示した材料、Al,Ta,Cr,及びCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。
The main component of the
The main component of the
圧電膜40は、上記の本発明の成膜方法により成膜された膜である。圧電膜40は、好ましくは、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜である。
The
下部電極30と上部電極50の厚みは特に制限なく、例えば200nm程度である。圧電膜40の膜厚は特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば1〜5μmである。
The thickness of the
インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)3は、概略、上記構成の圧電素子2の基板20の下面に、振動板60を介して、インク(液体)が貯留されるインク室(液体貯留室)71及びインク室71から外部に液体が吐出されるインク吐出口(液体吐出口)72を有するインクノズル(液体貯留吐出部材)70が取り付けられたものである。液体貯留室71は、圧電膜40の凸部41の数及びパターンに対応して、複数設けられている。
The ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) 3 generally includes an ink chamber (liquid storing chamber) 71 in which ink (liquid) is stored via a
インクジェット式記録ヘッド3では、圧電素子2の凸部41に印加する電界強度を凸部41ごとに増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室71からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
In the ink
本実施形態の圧電素子2及びインクジェット式記録ヘッド3は、以上のように構成されている。
The
「インクジェット式記録装置」
図4及び図5を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図4は装置全体図であり、図5は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink
図示するインクジェット式記録装置100は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)3K,3C,3M,3Yを有する印字部102と、各ヘッド3K,3C,3M,3Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部114と、記録紙116を供給する給紙部118と、記録紙116のカールを除去するデカール処理部120と、印字部102のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙116の平面性を保持しながら記録紙116を搬送する吸着ベルト搬送部122と、印字部102による印字結果を読み取る印字検出部124と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部126とから概略構成されている。
The illustrated ink
印字部102をなすヘッド3K,3C,3M,3Yが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3である。
Each of the
デカール処理部120では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム130により記録紙116に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
In the
ロール紙を使用する装置では、図4のように、デカール処理部120の後段に裁断用のカッター128が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター128は、記録紙116の搬送路幅以上の長さを有する固定刃128Aと、該固定刃128Aに沿って移動する丸刃128Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃128Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃128Bが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター128は不要である。
In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 4, a
デカール処理され、カットされた記録紙116は、吸着ベルト搬送部122へと送られる。吸着ベルト搬送部122は、ローラ131、132間に無端状のベルト133が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する部分が水平面(フラット面)となるよう構成されている。
The decurled and cut
ベルト133は、記録紙116の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(図示略)が形成されている。ローラ131、132間に掛け渡されたベルト133の内側において印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ134が設けられており、この吸着チャンバ134をファン135で吸引して負圧にすることによってベルト133上の記録紙116が吸着保持される。
The
ベルト133が巻かれているローラ131、132の少なくとも一方にモータ(図示略)の動力が伝達されることにより、ベルト133は図4上の時計回り方向に駆動され、ベルト133上に保持された記録紙116は図4の左から右へと搬送される。
When the power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the
縁無しプリント等を印字するとベルト133上にもインクが付着するので、ベルト133の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部136が設けられている。
Since ink adheres to the
吸着ベルト搬送部122により形成される用紙搬送路上において印字部102の上流側に、加熱ファン140が設けられている。加熱ファン140は、印字前の記録紙116に加熱空気を吹き付け、記録紙116を加熱する。印字直前に記録紙116を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。
A
印字部102は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図5を参照)。各印字ヘッド3K,3C,3M,3Yは、インクジェット式記録装置100が対象とする最大サイズの記録紙116の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
The
記録紙116の送り方向に沿って上流側から、黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応したヘッド3K,3C,3M,3Yが配置されている。記録紙116を搬送しつつ各ヘッド3K,3C,3M,3Yからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙116上にカラー画像が記録される。
印字検出部124は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
The
印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
A
後乾燥部142の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部144が設けられている。加熱・加圧部144では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ145で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
A heating /
こうして得られたプリント物は、排紙部126から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置100では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部126A、126Bへと送るために排紙経路を切り替える選別手段(図示略)が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
The printed matter obtained in this manner is outputted from the
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the
The ink
(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
(実施例1)
図1に示したスパッタリング装置を用い、真空度0.5Pa、Ar/O2混合雰囲気(O2体積分率2.5%)の条件下で、Pb1.3Zr0.52Ti0.48O3又はPb1.3Zr0.43Ti0.44Nb0.13O3のターゲットを用いて、PZT又はNbドープPZTからなる圧電膜の成膜を行った。以降、NbドープPZTは「Nb−PZT膜」と略記する。
Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
(Example 1)
Pb 1.3 Zr 0.52 Ti 0.48 under the conditions of a vacuum of 0.5 Pa and an Ar / O 2 mixed atmosphere (O 2 volume fraction 2.5%) using the sputtering apparatus shown in FIG. A piezoelectric film made of PZT or Nb-doped PZT was formed by using a target of O 3 or Pb 1.3 Zr 0.43 Ti 0.44 Nb 0.13 O 3 . Hereinafter, Nb-doped PZT is abbreviated as “Nb-PZT film”.
成膜基板として、Siウエハ上に30μm厚のTi密着層と150nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。基板/ターゲット間距離は60mmとした。基板を浮遊状態にして、ターゲットと基板との間ではない基板から離れたところにアースを配した。アースの位置により装置のプラズマ状態は変化し、従ってプラズマ電位Vsも変化する。 As a film formation substrate, a substrate with an electrode was prepared in which a 30 μm thick Ti adhesion layer and a 150 nm thick Ir lower electrode were sequentially laminated on a Si wafer. The distance between the substrate and the target was 60 mm. The substrate was placed in a floating state, and a ground was arranged at a position away from the substrate, not between the target and the substrate. The plasma state of the apparatus changes depending on the position of the ground, and thus the plasma potential Vs also changes.
成膜温度Ts=525℃において、アースの位置を変化させてVs(V)=約10〜50の範囲内でプラズマ電位Vsを調整し、成膜を行った。プラズマ電位Vs=23ではNb−PZT膜を成膜し、それ以外のプラズマ電位ではPZT膜を成膜した。得られた膜のX線回折(XRD)測定を実施した。その結果、Ts=525℃の条件では、プラズマ電位Vs(V)=10〜38の範囲内において、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が得られた。得られた主な膜のXRDパターンを図6〜図9に示す。 At the film formation temperature Ts = 525 ° C., the position of the earth was changed to adjust the plasma potential Vs within the range of Vs (V) = about 10-50, and film formation was performed. An Nb-PZT film was formed at plasma potential Vs = 23, and a PZT film was formed at other plasma potentials. X-ray diffraction (XRD) measurement of the obtained film was performed. As a result, a perovskite crystal having crystal orientation was obtained in the range of plasma potential Vs (V) = 10 to 38 under the condition of Ts = 525 ° C. The XRD patterns of the main films obtained are shown in FIGS.
プラズマ電位Vs=10では、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が得られるが、同一条件で調製しても、配向性が乱れ、かつパイロクロア相が見られるものもあったため、「▲」と判定した。なお、図6では配向性が乱れ、パイロクロア相があるサンプルのXRDを示した。 At plasma potential Vs = 10, a perovskite crystal having crystal orientation can be obtained. However, even if it was prepared under the same conditions, the orientation was disturbed and a pyrochlore phase was observed. FIG. 6 shows the XRD of a sample with disordered orientation and a pyrochlore phase.
プラズマ電位Vs(V)=38から配向性が乱れ始めたので、プラズマ電位Vs(V)=38を「▲」と判定し(図8)、パイロクロア相がメインとなっているVs(V)=50は「×」と判定した(図9)。プラズマ電位Vs(V)=23において、良好な結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が安定的に得られたので、「●」と判定した(図7)。なお、ピーク強度は膜厚に依存して変化するので、それぞれ膜厚の異なるサンプルを使用した図7〜図9においては様々な値を示している。しかしながら、配向性を示すピーク位置や相対的な強度比については膜厚に依存しないため、結晶性の評価には問題はない。図7においては極めて良好な配向性を有していることから、電極のピークが相対的に小さくなり、ほとんど観察することができない。 Since the orientation began to be disturbed from the plasma potential Vs (V) = 38, the plasma potential Vs (V) = 38 was determined as “▲” (FIG. 8), and Vs (V) = mainly the pyrochlore phase. 50 was determined to be “x” (FIG. 9). Since a perovskite crystal having good crystal orientation was stably obtained at a plasma potential Vs (V) = 23, it was determined as “●” (FIG. 7). Since the peak intensity varies depending on the film thickness, various values are shown in FIGS. 7 to 9 using samples having different film thicknesses. However, since the peak position indicating orientation and the relative intensity ratio do not depend on the film thickness, there is no problem in the evaluation of crystallinity. In FIG. 7, since it has a very good orientation, the peak of the electrode becomes relatively small and can hardly be observed.
(実施例2)
次に、プラズマ電位Vs(V)=約23とし、このプラズマ条件下で、450〜600℃の範囲内で成膜温度Tsを変化させて成膜を行い、実施例1と同様に評価を行った。成膜温度Ts=525℃ではNb−PZT膜を成膜し、それ以外の成膜温度TsではPZT膜を成膜した。得られた膜のX線回折(XRD)測定を実施した。得られた主な膜のXRDパターンを図10に示す。
(Example 2)
Next, the plasma potential Vs (V) = about 23, and under this plasma condition, the film formation temperature Ts was changed within the range of 450 to 600 ° C., and the evaluation was performed in the same manner as in Example 1. It was. An Nb-PZT film was formed at a film formation temperature Ts = 525 ° C., and a PZT film was formed at other film formation temperatures Ts. X-ray diffraction (XRD) measurement of the obtained film was performed. The XRD pattern of the main film obtained is shown in FIG.
図10に示すように、Vs(V)=約23の条件では、成膜温度Ts=475〜575℃の範囲内において、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が得られた。成膜温度Ts=475℃は、同一条件で調製した他のサンプルではパイロクロア相が見られたため、「▲」と判定した。成膜温度Ts=575℃から配向性が崩れ始めたので、成膜温度Ts=575℃を「▲」と判定した。 As shown in FIG. 10, under the condition of Vs (V) = about 23, a perovskite crystal having crystal orientation was obtained within a film forming temperature Ts = 475-575 ° C. The film forming temperature Ts = 475 ° C. was judged as “▲” because pyrochlore phase was observed in other samples prepared under the same conditions. Since the orientation started to break from the film formation temperature Ts = 575 ° C., the film formation temperature Ts = 575 ° C. was determined as “「 ”.
得られた各圧電膜について、XRFによる組成分析を実施した。結果を図11に示す。図11中の「Pb/Bサイト元素」は、Pbのモル量とBサイト元素の合計モル量(Zr+Ti、又はZr+Ti+Nb)との比を示している。 The obtained piezoelectric film was subjected to composition analysis by XRF. The results are shown in FIG. “Pb / B site element” in FIG. 11 indicates the ratio between the molar amount of Pb and the total molar amount of the B site element (Zr + Ti or Zr + Ti + Nb).
図11に示すように、Vs(V)=約23の条件では、成膜温度Ts=350〜550℃の範囲において、1.0≦Pb/Bサイト元素≦1.3のPb抜けのないPZT膜又はNb−PZT膜を成膜することができた。ただし、成膜温度Tsが400℃未満では成膜温度不足のためペロブスカイト結晶が成長しなかった。また、成膜温度Tsが600℃超では、Pb抜けのためペロブスカイト結晶が成長しなかった。 As shown in FIG. 11, under the condition of Vs (V) = about 23, PZT with 1.0 ≦ Pb / B site element ≦ 1.3 with no Pb loss in the film forming temperature Ts = 350 to 550 ° C. A film or an Nb-PZT film could be formed. However, when the film formation temperature Ts was less than 400 ° C., the perovskite crystal did not grow because the film formation temperature was insufficient. Further, when the film formation temperature Ts exceeded 600 ° C., the perovskite crystal did not grow due to Pb loss.
例えば、Vs(V)=約23、成膜温度Ts=525℃の条件で成膜したNb−PZT膜の組成は、Pb1.12Zr0.43Ti0.44Nb0.13O3であった。 For example, the composition of the Nb-PZT film formed under the conditions of Vs (V) = about 23 and film forming temperature Ts = 525 ° C. is Pb 1.12 Zr 0.43 Ti 0.44 Nb 0.13 O 3 . there were.
上記Pb1.12Zr0.43Ti0.44Nb0.13O3のサンプルについて、圧電膜上にPt上部電極をスパッタリング法にて100nm厚で形成し、圧電膜の圧電定数d31を片持ち梁法により測定した。圧電定数d31は250pm/Vと高く、良好であった。 For the Pb 1.12 Zr 0.43 Ti 0.44 Nb 0.13 O 3 sample, a Pt upper electrode was formed on the piezoelectric film with a thickness of 100 nm by sputtering, and the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric film was separated. Measured by the cantilever method. The piezoelectric constant d 31 was as high as 250 pm / V, which was good.
(実施例1及び2の結果のまとめ)
図12に、実施例1及び2のすべてのサンプル及び、その他の任意の成膜温度Ts及びVsにて成膜したサンプルについて、成膜温度Tsを横軸にし、Vsを縦軸にして、XRD測定結果をプロットした。図12には、ペロブスカイト成長が可能な範囲を直線で囲んで示してある。
(Summary of results of Examples 1 and 2)
FIG. 12 shows that all samples of Examples 1 and 2 and samples formed at other arbitrary film formation temperatures Ts and Vs have the film formation temperature Ts as the horizontal axis and Vs as the vertical axis. The measurement results were plotted. In FIG. 12, the range in which perovskite growth is possible is surrounded by a straight line.
図12には、PZT膜又はNb−PZT膜においては、下記式(1)及び(2)、又は(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することができ、結晶構造及び膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に成膜できることが示されている。
400≦Ts(℃)≦475・・・(1)、
20≦Vs(V)≦50・・・・・・(2)、
475≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
Vs(V)≦35・・・・・・(4)
In FIG. 12, in the PZT film or the Nb-PZT film, by determining the film formation conditions within the range satisfying the following formulas (1) and (2) or (3) and (4), the pyrochlore phase It has been shown that a small number of perovskite crystals can be stably grown, Pb loss can be stably suppressed, and a high-quality piezoelectric film having a good crystal structure and film composition can be stably formed. .
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 475 (1),
20 ≦ Vs (V) ≦ 50 (2),
475 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
Vs (V) ≤ 35 (4)
本発明の成膜方法は、プラズマを用いる気相成長法により膜を成膜する場合に適用することができ、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ(FRAM)、及び圧力センサ等に用いられる圧電膜等の成膜に適用することができる。 The film forming method of the present invention can be applied when a film is formed by a vapor phase growth method using plasma, and is used in an ink jet recording head, a ferroelectric memory (FRAM), a pressure sensor, and the like. It can be applied to film formation such as a film.
1 RFスパッタリング装置(成膜装置)
2 圧電素子
3、3K,3C,3M,3Y インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
20 基板
30、50 電極
40 圧電膜
70 インクノズル(液体貯留吐出部材)
71 インク室(液体貯留室)
72 インク吐出口(液体吐出口)
100 インクジェット式記録装置
1 RF sputtering equipment (film deposition equipment)
2
20
71 Ink chamber (liquid storage chamber)
72 Ink ejection port (liquid ejection port)
100 Inkjet recording device
Claims (2)
前記基板と前記ターゲットとの離間距離が60mmであり、
真空度0.5Pa、O2体積分率2.5%のAr/O2混合雰囲気下にて、前記基板の電位を浮遊電位とし、
下記式(5)及び(6)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とする成膜方法。
一般式ABO3・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)、
420≦Ts(℃)≦575・・・・(5)、
−0.2Ts+114≦Vs(V)≦−0.15Ts+111 ・・・(6)
(式中、Ts(℃)は成膜温度、Vs(V)はプラズマ電位である。) A target having a composition corresponding to the composition of a film to be deposited and a substrate are arranged to face each other, and constituent elements of the target are released by a sputtering method, and one or more types represented by the following general formula (P) are formed on the substrate. In a film forming method for forming a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of a plurality of perovskite oxides,
The distance between the substrate and the target is 60 mm,
In an Ar / O 2 mixed atmosphere with a vacuum degree of 0.5 Pa and an O 2 volume fraction of 2.5%, the potential of the substrate is set to a floating potential,
A film forming method for determining film forming conditions within a range satisfying the following formulas (5) and (6).
Formula ABO 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, and lanthanide element At least one element selected from the group consisting of:
O: oxygen atom,
The ratio of the total number of moles of the A-site element and the total number of moles of the B-site element to the number of moles of oxygen atoms is 1: 3, respectively. Also good. ),
420 ≦ Ts (° C.) ≦ 575 (5),
−0.2Ts + 114 ≦ Vs (V) ≦ −0.15Ts + 111 (6)
(In the formula, Ts (° C.) is a film forming temperature, and Vs (V) is a plasma potential.)
Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a=1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。) The piezoelectric film is made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P-1) (may contain unavoidable impurities). The film forming method.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)
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