JP2012054560A - Method of manufacturing piezoelectric element, method of manufacturing ink jet recording head, and method of manufacturing ink jet printer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電材料および圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric material and a piezoelectric element.
インクジェットプリンタのヘッド等に用いられる圧電素子は、圧電材料からなる圧電体
層を有する。この圧電材料としては、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)などが代表的で
ある(例えば特開2001−223404号公報参照)。しかしながら、PZTなどは鉛
(Pb)を含むため、環境上、非常に問題となる。
A piezoelectric element used for an ink jet printer head or the like has a piezoelectric layer made of a piezoelectric material. A typical example of this piezoelectric material is Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) (see, for example, JP-A-2001-223404). However, since PZT and the like contain lead (Pb), there is a very environmental problem.
本発明の目的は、環境に優しく、圧電特性に優れた新規な圧電材料、および、該圧電材
料からなる圧電体層を有する圧電素子を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a novel piezoelectric material that is environmentally friendly and excellent in piezoelectric characteristics, and a piezoelectric element having a piezoelectric layer made of the piezoelectric material.
本発明に係る圧電材料は、
下記一般式(1)で表される。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
The piezoelectric material according to the present invention is
It is represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
但し、0<x<1である。 However, 0 <x <1.
この圧電材料は、環境上問題となる鉛(Pb)を含まないため、極めて有用である。さ
らに、この圧電材料は、鉛フリーでありながら、良好な圧電特性、例えば充分な格子のひ
ずみ量を得ることができる。
This piezoelectric material is extremely useful because it does not contain lead (Pb) which causes environmental problems. Furthermore, this piezoelectric material can obtain a good piezoelectric characteristic, for example, a sufficient lattice strain amount, while being lead-free.
本発明に係る圧電材料において、
0<x≦0.50であることができる。
In the piezoelectric material according to the present invention,
0 <x ≦ 0.50 may be satisfied.
本発明に係る圧電材料において、
擬立方晶の表示で(100)に配向していることができる。
In the piezoelectric material according to the present invention,
It can be oriented to (100) in a pseudo cubic display.
なお、本発明において、例えば、「(100)に配向」とは、(100)にすべての結
晶が配向している場合と、(100)にほとんどの結晶(例えば90%以上)が配向して
おり、(100)に配向していない残りの結晶が(110)等に配向している場合と、を
含む。即ち、「(100)に配向」とは、「(100)に優先配向」ということもできる
。このことは、本発明において、例えば、「(110)に配向」という場合も同様である
。
In the present invention, for example, “oriented to (100)” means that all crystals are oriented to (100) and that most crystals (eg, 90% or more) are oriented to (100). And the case where the remaining crystals not oriented to (100) are oriented to (110) or the like. That is, “orientation at (100)” can also be referred to as “priority orientation at (100)”. This is the same in the present invention when, for example, “oriented to (110)”.
本発明に係る圧電材料において、
擬立方晶の表示で(110)に配向していることができる。
In the piezoelectric material according to the present invention,
It can be oriented to (110) in a pseudo cubic display.
本発明に係る圧電材料において、
分極方向は、擬立方晶の表示で[111]方向であることができる。
In the piezoelectric material according to the present invention,
The polarization direction can be the [111] direction in pseudocubic representation.
なお、本発明において、「分極方向は、擬立方晶の表示で[111]方向である」とは
、分極方向が、擬立方晶の表示で、[111]方向に完全に一致している場合と、分極方
向が、擬立方晶の表示で、[111]方向から僅かにずれてはいるが、ほぼ[111]方
向になっている場合と、を含む。分極方向が、擬立方晶の表示で、ほぼ[111]方向に
なっている場合とは、例えば、分極方向が、擬立方晶の表示で、<111>方向と、<1
00>方向との間にあり、分極方向と、<111>方向との成す角が、例えば10°以下
である場合などである。
In the present invention, “the polarization direction is the [111] direction in the pseudo-cubic crystal display” means that the polarization direction is completely in the [111] direction in the pseudo-cubic crystal display. And the case in which the polarization direction is slightly deviated from the [111] direction in the pseudo-cubic crystal display but is substantially in the [111] direction. The case where the polarization direction is substantially [111] direction in the pseudo cubic crystal display, for example, the polarization direction is the pseudo cubic crystal display in the <111> direction and <1.
For example, the angle between the polarization direction and the <111> direction is 10 ° or less.
本発明に係る第1の圧電素子は、
基体と、
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記圧電体層は、下記一般式(1)で表される圧電材料からなる。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
The first piezoelectric element according to the present invention is:
A substrate;
A lower electrode formed above the substrate;
A piezoelectric layer formed above the lower electrode;
An upper electrode formed above the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is made of a piezoelectric material represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
但し、0<x<1である。 However, 0 <x <1.
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「
A」という)の「上方」に形成された他の特定のもの(以下「B」という)」などと用い
ている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bが形成されている
ような場合と、A上に他のものを介してBが形成されているような場合とが含まれるもの
として、「上方」という文言を用いている。
In the description of the present invention, the word “upper” is, for example, “specific (hereinafter“
Other specific things (hereinafter referred to as “B”) formed in “above” of “A”). In the description of the present invention, in the case of this example, there are a case where B is directly formed on A and a case where B is formed on A via another. The word “above” is used as included.
本発明に係る圧電素子において、
前記基体の上方であって、前記下部電極の下方に形成された弾性層を有することができ
る。
In the piezoelectric element according to the present invention,
An elastic layer may be formed above the base and below the lower electrode.
なお、本発明に係る記載では、「下方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「
A」という)の「下方」に形成された他の特定のもの(以下「B」という)」などと用い
ている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Aの下に直接Bが形成されてい
るような場合と、Aの下に他のものを介してBが形成されているような場合とが含まれる
ものとして、「下方」という文言を用いている。
In the description according to the present invention, the word “downward” is, for example, “specific (hereinafter“
Other specific things (hereinafter referred to as “B”) formed in “below” of “A”). In the description according to the present invention, in the case of this example, the case where B is formed directly under A and the case where B is formed under other via A The word “downward” is used as an expression including “.”.
本発明に係る第2の圧電素子は、
基体と、
前記基体の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第1電極と、
前記圧電体層の上方に形成され、前記第1電極と離間している第2電極と、を含み、
前記圧電体層は、下記一般式(1)で表される圧電材料からなる。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
The second piezoelectric element according to the present invention is
A substrate;
A piezoelectric layer formed above the substrate;
A first electrode formed above the piezoelectric layer;
A second electrode formed above the piezoelectric layer and spaced apart from the first electrode,
The piezoelectric layer is made of a piezoelectric material represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
但し、0<x<1である。 However, 0 <x <1.
本発明に係る圧電素子において、
0<x≦0.50であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
0 <x ≦ 0.50 may be satisfied.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電材料は、擬立方晶の表示で(100)に配向していることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric material may be oriented to (100) in a pseudo cubic display.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電材料は、擬立方晶の表示で(110)に配向していることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric material may be oriented to (110) in a pseudo cubic display.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電材料の分極方向は、擬立方晶の表示で[111]方向であることができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The polarization direction of the piezoelectric material may be a [111] direction in a pseudo cubic display.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電材料は、ロンボヘドラル構造を有することができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric material may have a rhombohedral structure.
本発明に係る圧電素子において、
前記圧電材料は、モノクリニック構造を有することができる。
In the piezoelectric element according to the present invention,
The piezoelectric material may have a monoclinic structure.
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1.1. まず、本実施形態に係る圧電材料について説明する。本実施形態に係る圧電
材料は、下記一般式(1)で表される。
(Bi,Ba)(Fe,Ti)O3 ・・・(1)
1.1. First, the piezoelectric material according to this embodiment will be described. The piezoelectric material according to the present embodiment is represented by the following general formula (1).
(Bi, Ba) (Fe, Ti) O 3 (1)
本実施形態に係る圧電材料は、ペロブスカイト型構造を有する。該圧電材料は、擬立方
晶の表示で(100)または(110)に配向していることが望ましい。該圧電材料の分
極方向は、擬立方晶の表示で[111]方向であることが望ましい。擬立方晶の表示で(
100)または(110)に配向しており、分極方向が擬立方晶の表示で[111]方向
にある圧電材料は、良好な圧電特性を有することができる。本実施形態に係る圧電材料は
、ロンボヘドラル構造またはモノクリニック構造を有することが望ましい。また、該圧電
材料における各元素の価数は、Biは+3価、Baは+2価、Feは+3価、Tiは+4
価、Oは−2価であることが望ましい。これにより、該圧電材料は、電荷中性であること
ができる。
The piezoelectric material according to this embodiment has a perovskite structure. The piezoelectric material is preferably oriented in (100) or (110) in pseudocubic display. The polarization direction of the piezoelectric material is desirably a [111] direction in pseudo cubic display. In pseudo cubic display (
A piezoelectric material that is oriented in (100) or (110) and has a polarization direction in the [111] direction in a pseudo cubic crystal display can have good piezoelectric characteristics. The piezoelectric material according to this embodiment desirably has a rhombohedral structure or a monoclinic structure. The valence of each element in the piezoelectric material is as follows: Bi is +3 valence, Ba is +2 valence, Fe is +3 valence, Ti is +4
The valence and O are preferably -2 values. Thereby, the piezoelectric material can be charge neutral.
また、前記一般式(1)は、下記一般式(1’)または(1”)で表されることもでき
る。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1’)
(1−x)BiFeO3−xBaTiO3 ・・・(1”)
The general formula (1) can also be represented by the following general formula (1 ′) or (1 ″).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(1-x) BiFeO 3 —xBaTiO 3 (1 ″)
但し、0<x<1であり、好ましくは、0<x≦0.50である。xは、ペロブスカイ
ト型構造のAサイトにおけるBa組成であって、BサイトにおけるTi組成である。
However, 0 <x <1 and preferably 0 <x ≦ 0.50. x is the Ba composition at the A site of the perovskite structure, and the Ti composition at the B site.
1.2. 本実施形態に係る圧電材料は、環境上問題となる鉛(Pb)を含まないため
、極めて有用である。さらに、本実施形態に係る圧電材料は、鉛フリーでありながら、良
好な圧電特性、例えば充分な格子のひずみ量を得ることができる。このことは、後述する
実験例において確認されている。
1.2. The piezoelectric material according to the present embodiment is extremely useful because it does not contain lead (Pb) that causes environmental problems. Furthermore, the piezoelectric material according to the present embodiment can obtain good piezoelectric characteristics, for example, a sufficient lattice strain amount, while being lead-free. This has been confirmed in experimental examples described later.
2.1. 次に、本実施形態に係る第1の圧電素子100について説明する。図1は、
本実施形態に係る圧電材料からなる圧電体層6を有する第1の圧電素子100の一例を模
式的に示す断面図である。
2.1. Next, the first
It is sectional drawing which shows typically an example of the 1st
圧電素子100は、基体2と、基体2の上方に形成された下部電極4と、下部電極4上
に形成され、上述した圧電材料からなる圧電体層6と、圧電体層6上に形成された上部電
極7と、を含む。圧電素子100は、さらに、基体2の上であって下部電極4の下に形成
された弾性層3を有することができる。下部電極4は、弾性層3上に形成されていること
ができる。なお、圧電素子100は、弾性層3を有しないこともできる。
The
基体2としては、例えば、(110)配向の単結晶シリコン基板などを用いることがで
き、特に限定されない。基体2は、基板単体あるいは基板上に他の層が積層された積層体
であってもよい。弾性層3は、例えば、インクジェット式記録ヘッドにおける弾性板とし
て適用されることができる。弾性層3としては、例えば、酸化シリコン、酸化ジルコニウ
ムをこの順に積層した膜などを用いることができ、特に限定されない。弾性層3の膜厚は
、例えば1μm程度である。基体2は、例えば、弾性層3の下であって、基体2に開口さ
れたキャビティ20を有することができる。
As the
下部電極4は、圧電体層6に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極4の膜
厚は、例えば100nm〜300nmである。下部電極4としては、特に限定されないが
、例えば、白金(Pt)等の金属膜の上にペロブスカイト型構造の導電性酸化物(例えば
LaNiO3、SrRuO3など)を積層した膜などを用いることができる。例えば、この
導電性酸化物からなる膜は、上述した圧電材料からなる圧電体層6と同様に、擬立方晶の
表示で(100)または(110)に配向していることが望ましい。これにより、該導電
性酸化物膜の結晶構造および配向を引き継いで、下部電極4の上に、ペロブスカイト型構
造を有し、擬立方晶の表示で(100)または(110)に配向している圧電材料からな
る圧電体層6を容易に得ることができる。
The
圧電体層6は、上述した本実施形態に係る圧電材料からなる。圧電体層6の膜厚は特に
限定されないが、例えば200nm〜1.5μmである。
The
上部電極7は、圧電体層6に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極7とし
ては、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrOx)、ペロ
ブスカイト型構造の導電性酸化物(例えばLaNiO3、SrRuO3等)などの単層、あ
るいは、これらの積層体を用いることができ、特に限定されない。上部電極7の膜厚は、
例えば100nm〜200nmである。
The
For example, it is 100 nm to 200 nm.
下部電極4、圧電体層6、および上部電極7は、例えば図1に示すようにパターニング
されて、柱状の堆積体(柱状部)50を構成することができる。
The
2.2. 次に、本実施形態に係る第1の圧電素子100の製造方法について図1を参
照しながら説明する。
2.2. Next, a method for manufacturing the first
(A)まず、基体2上に弾性層3を形成する。弾性層3は、例えば、熱酸化法、化学気
相成長(CVD)法、スパッタ法、蒸着法などにより形成されることができる。
(A) First, the elastic layer 3 is formed on the
(B)次に、弾性層3上に下部電極4を形成する。下部電極4は、例えば、スパッタ法
、スピンコート法、CVD法、レーザアブレーション法などにより形成されることができ
る。
(B) Next, the
(C)次に、下部電極4上に、本実施形態に係る圧電材料からなる圧電体層6を形成す
る。圧電体層6は、例えば、ゾルゲル法、MOD(Metal Organic Decomposition)法な
どを用いて形成されることができる。ゾルゲル法やMOD法を用いる場合の圧電体層6の
形成方法は、具体的には以下の通りである。
(C) Next, a
まず、例えば、スピンコート法などを用いて、圧電体層6を形成するための前駆体溶液
を下部電極4上に塗布する(前駆体溶液塗布工程)。前駆体溶液については、例えば、圧
電体層6となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含む有機金属化合物を、各構成金属が所望
のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または
分散させることにより作製できる。圧電材料の構成金属を含む有機金属化合物としては、
例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。圧電
材料の構成金属(Bi、Ba、Fe、Ti)を含む有機金属化合物としては、例えば、以
下のものが挙げられる。
First, a precursor solution for forming the
For example, metal alkoxides, organic acid salts, β-diketone complexes, and the like can be used. Examples of the organometallic compound containing the constituent metals (Bi, Ba, Fe, Ti) of the piezoelectric material include the following.
ビスマス(Bi)を含む有機金属化合物としては、例えばビスマスイソプロポキシドな
どが挙げられる。バリウム(Ba)を含む有機金属化合物としては、例えばバリウムエト
キシドなどが挙げられる。鉄(Fe)を含む有機金属化合物としては、例えば酢酸鉄など
が挙げられる。チタン(Ti)を含む有機金属化合物としては、例えばチタンイソプロポ
キシドなどが挙げられる。なお、圧電材料の構成金属を含む有機金属化合物としては、こ
れらに限定されるわけではない。
Examples of the organometallic compound containing bismuth (Bi) include bismuth isopropoxide. Examples of the organometallic compound containing barium (Ba) include barium ethoxide. Examples of the organometallic compound containing iron (Fe) include iron acetate. Examples of the organometallic compound containing titanium (Ti) include titanium isopropoxide. The organometallic compound containing the constituent metal of the piezoelectric material is not limited to these.
前駆体溶液には、必要に応じて安定化剤等の各種添加剤を添加することができる。前駆
体溶液に加水分解・重縮合を起こさせる場合には、前駆体溶液に適当な量の水とともに、
触媒として酸または塩基を添加することができる。前駆体溶液への添加剤としては、例え
ば、ジエタノールアミン、酢酸などを挙げることができる。
Various additives such as a stabilizer can be added to the precursor solution as necessary. When hydrolysis and polycondensation are caused in the precursor solution, together with an appropriate amount of water in the precursor solution,
An acid or base can be added as a catalyst. Examples of the additive to the precursor solution include diethanolamine and acetic acid.
スピンコートにおけるスピンの回転数は、例えば、初期では500rpm程度とし、続
いて塗布ムラが起こらないように回転数を2000rpm程度に上げることができる。
For example, the spin rotation speed in spin coating is initially set to about 500 rpm, and then the rotation speed can be increased to about 2000 rpm so that coating unevenness does not occur.
次に、大気雰囲気下でホットプレート等を用い、前駆体溶液に用いた溶媒の沸点よりも
例えば10℃程度高い温度で熱処理を行う(乾燥熱処理工程)。
Next, heat treatment is performed at a temperature, for example, about 10 ° C. higher than the boiling point of the solvent used in the precursor solution using a hot plate or the like in an air atmosphere (dry heat treatment step).
次に、前駆体溶液に用いた有機金属化合物の配位子を分解、除去すべく、大気雰囲気下
でホットプレート等を用い、例えば300℃〜400℃程度で熱処理を行う(脱脂熱処理
工程)。
Next, in order to decompose and remove the ligand of the organometallic compound used in the precursor solution, heat treatment is performed, for example, at about 300 ° C. to 400 ° C. using a hot plate or the like in the atmosphere (degreasing heat treatment step).
なお、上述した前駆体溶液塗布工程、乾燥熱処理工程、脱脂熱処理工程の一連の工程を
所望の膜厚に応じて適宜回数繰り返すことができる。
In addition, a series of processes of the precursor solution coating process, the drying heat treatment process, and the degreasing heat treatment process described above can be repeated as appropriate according to the desired film thickness.
次に、結晶化アニール、即ち結晶化のための焼成工程を行うことで圧電体層6を得る。
結晶化アニールは、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)等により、酸素雰囲気
中にて、550℃〜650℃程度で行われることができる。
Next, the
The crystallization annealing can be performed at about 550 ° C. to 650 ° C. in an oxygen atmosphere by, for example, RTA (Rapid Thermal Annealing).
なお、圧電体層6は、ゾルゲル法やMOD法の液相法のみならず、例えば、レーザアブ
レーション法やスパッタ法等の気相法などを用いて形成されることもできる。
The
(D)次に、圧電体層6上に上部電極7を形成する。上部電極7は、例えば、スパッタ
法、スピンコート法、化学気相成長(CVD)法、レーザアブレーション法などにより形
成されることができる。
(D) Next, the
(E)次に、必要に応じて、ポストアニールを行うことができる。これにより、圧電体
層6と上下電極との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層6の結晶性を改善
することができる。ポストアニールは、例えば、RTA等により、酸素雰囲気中にて行わ
れることができる。
(E) Next, post-annealing can be performed as necessary. Thereby, a good interface between the
(F)次に、必要に応じて、各部材をエッチングによりパターニングして、例えば、柱
状部50やキャビティ20などを形成することができる。
(F) Next, if necessary, each member can be patterned by etching to form, for example, the
以上の工程によって、本実施形態に係る第1の圧電素子100を製造することができる
。
Through the above steps, the first
2.3. 本実施形態に係る第1の圧電素子100では、圧電体層6は、上述した圧電
材料からなる。この圧電材料は、上述したように、鉛フリーでありながら、良好な圧電特
性を有することができる。従って、本実施形態によれば、環境に優しく、圧電特性に優れ
た圧電素子を提供することができる。
2.3. In the first
2.4. 次に、実験例について説明する。 2.4. Next, experimental examples will be described.
以下の方法によって、本実施形態に係る第1の圧電素子100の実験サンプルを得た。
An experimental sample of the first
まず、(110)配向のシリコン基板(基体2)上に、SiO2膜を500nm、Zr
O2膜を500nmの膜厚で積層して弾性層3を得た。SiO2膜を熱酸化法によって形成
し、ZrO2膜をスパッタ法によって形成した。次に、スパッタ法によって、ZrO2膜上
に、下部電極4として、Pt膜を200nm、LaNiO3膜を100nmの膜厚で順に
積層した。Pt膜およびLaNiO3膜のスパッタリングの電力は、200Wとした。得
られたLaNiO3膜の配向は、擬立方晶の表示で(100)に配向していることが確認
された。
First, an SiO 2 film having a thickness of 500 nm, Zr on a (110) oriented silicon substrate (base 2).
An elastic layer 3 was obtained by laminating O 2 films with a thickness of 500 nm. A SiO 2 film was formed by a thermal oxidation method, and a ZrO 2 film was formed by a sputtering method. Next, as a
次に、LaNiO3膜上に、上述した圧電材料からなる圧電体層6を形成した。本実験
例では、圧電材料として、上述した一般式(1’):
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1’)
におけるxを、0.05から、0.05ずつ、0.60まで変化させたものを用いた。
Next, a
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
In this example, x was changed from 0.05 to 0.05 in increments of 0.05.
圧電体層6は、具体的には、以下のようにして得た。
Specifically, the
まず、圧電材料の構成金属を含む有機金属化合物(ビスマスイソプロポキシド、バリウ
ムエトキシド、酢酸鉄、チタンイソプロポキシド)の試薬をそれぞれ用意した。次に、所
望の圧電材料の組成に対応したモル比となるようにこれらを混合するとともに、これらを
ブチルセロソルブに溶解(分散)させた。さらに、この溶液の安定化剤としてジエタノー
ルアミンを添加した。このようにして上述した圧電材料の前駆体溶液を調整した。
First, reagents for organometallic compounds (bismuth isopropoxide, barium ethoxide, iron acetate, titanium isopropoxide) containing the constituent metals of the piezoelectric material were prepared. Next, they were mixed so as to have a molar ratio corresponding to the composition of the desired piezoelectric material, and dissolved (dispersed) in butyl cellosolve. Furthermore, diethanolamine was added as a stabilizer for this solution. Thus, the precursor solution of the piezoelectric material described above was prepared.
次に、この前駆体溶液をスピンコート法によって下部電極4上に塗布した(前駆体溶液
塗布工程)。次に、溶媒の沸点(ブチルセロソルブの場合、170℃程度)より約10℃
高い温度で熱処理(乾燥)して溶媒を除去しゲル化させた(乾燥熱処理工程)。次に、さ
らに400℃程度に加熱することで膜中に残存している溶媒以外の有機成分を分解/除去
し(脱脂熱処理工程)、膜厚100nmのアモルファス膜を形成した。以上の工程を5回
繰り返して行った。次に、RTAにより酸素雰囲気中にて、600℃で1分間加熱し、結
晶化を行うことで、膜厚500nmの圧電体層6を形成した。
Next, this precursor solution was applied onto the
Heat treatment (drying) was performed at a high temperature to remove the solvent and cause gelation (dry heat treatment step). Next, by heating to about 400 ° C., organic components other than the solvent remaining in the film were decomposed / removed (degreasing heat treatment step) to form an amorphous film having a thickness of 100 nm. The above process was repeated 5 times. Next, the
得られた圧電体層6を構成する圧電材料の結晶構造は、ペロブスカイト型構造であって
、ロンボヘドラル構造またはモノクリニック構造であることが確認された。従って、該圧
電材料の分極方向は、擬立方晶の表示で[111]方向であることが推測される。該圧電
材料は、擬立方晶の表示で(100)に配向していることが確認された。該圧電材料の結
晶構造、分極方向、および配向の同定には、X線θ−2θ測定およびラマン散乱を用いた
。
It was confirmed that the crystal structure of the piezoelectric material constituting the obtained
次に、スパッタ法によって、圧電体層6上に、上部電極7として、膜厚200nmのP
t膜を形成した。
Next, a 200 nm-thick P film is formed on the
A t film was formed.
以上のようにして圧電素子100の各実験サンプルを得た。これらの実験サンプルの圧
電体層6に対して、上下電極から100kV/cmの電界を印加したときの圧電材料の格
子のひずみ量を表1に示す。格子のひずみ量は、電界X線によるθ−2θ測定から求めた
。
Each experimental sample of the
表1に示すように、Ba組成(Ti組成)xが0.05〜0.50の実験サンプルでは
、格子のひずみ量は、0.15%以上であり、良好な圧電特性が確認された。なお、参考
例として、xが0(ゼロ)の場合の実験サンプルも作製したが、この場合の格子のひずみ
量は、表1に示すように、0.07%であった。
As shown in Table 1, in the experimental sample having a Ba composition (Ti composition) x of 0.05 to 0.50, the strain amount of the lattice was 0.15% or more, and good piezoelectric characteristics were confirmed. As a reference example, an experimental sample in which x is 0 (zero) was also produced. In this case, the lattice strain was 0.07%, as shown in Table 1.
以上の実験結果から、本実施形態に係る圧電材料が良好な圧電特性を有することが確認
された。
From the above experimental results, it was confirmed that the piezoelectric material according to the present embodiment has good piezoelectric characteristics.
3.1. 次に、本実施形態に係る第2の圧電素子200について説明する。図2は、
本実施形態に係る圧電材料からなる圧電体層6を有する第2の圧電素子200の一例を模
式的に示す断面図である。なお、上述した第1の圧電素子100と同一の部材については
、同一の符合を付し、その詳細な説明を省略する。
3.1. Next, the second
It is sectional drawing which shows typically an example of the 2nd
圧電素子200は、基体2と、基体2の上方に形成され、上述した圧電材料からなる圧
電体層6と、圧電体層6上に形成された第1電極40と、圧電体層6上に形成された第2
電極70と、を含む。圧電素子200は、基体2上に形成されたバッファ層30を有する
ことができる。圧電体層6は、このバッファ層30上に形成されていることができる。
The
An
バッファ層30は、圧電体層6の結晶配向性を制御する機能を有することができる。な
お、例えば基体2にこの機能がある場合などに、バッファ層30を設けないこともできる
。バッファ層30は、例えば、ペロブスカイト型構造を有し、擬立方晶の表示で(100
)または(110)に配向している酸化物からなることが望ましい。これにより、バッフ
ァ層30の結晶構造および配向を引き継いで、バッファ層30の上に、ペロブスカイト型
構造を有し、擬立方晶の表示で(100)または(110)に配向している圧電材料から
なる圧電体層6を容易に得ることができる。バッファ層30を構成する酸化物としては、
例えば、LaNiO3、SrRuO3などを挙げることができる。
The
) Or (110). As a result, the crystal structure and orientation of the
Examples thereof include LaNiO 3 and SrRuO 3 .
第1電極40および第2電極70は、圧電体層6に電圧を印加するための電極である。
第1電極40および第2電極70としては、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)
、酸化イリジウム(IrOx)、ペロブスカイト型構造の導電性酸化物(例えばLaNi
O3、SrRuO3等)などの単層、あるいは、これらの積層体を用いることができ、特に
限定されない。第1電極40および第2電極70の膜厚は、例えば100nm〜200n
mである。
The
Examples of the
, Iridium oxide (IrOx), conductive oxide having a perovskite structure (for example, LaNi
A single layer such as O 3 , SrRuO 3 , or the like, or a laminate thereof can be used, and is not particularly limited. The film thicknesses of the
m.
3.2. 次に、本実施形態に係る第2の圧電素子200の製造方法について図2を参
照しながら説明する。
3.2. Next, a method for manufacturing the second
(A)まず、基体2上にバッファ層30を形成する。バッファ層30は、例えば、スパ
ッタ法、スピンコート法、CVD法、レーザアブレーション法などにより形成されること
ができる。
(A) First, the
(B)次に、バッファ層30上に圧電体層6を形成する。本工程は、上述した第1の圧
電素子100の一製造工程と同様であるので、詳細な説明を省略する。
(B) Next, the
(C)次に、圧電体層6上に、第1電極40および第2電極70を形成する。第1電極
40および第2電極70は、例えば、スパッタ法、スピンコート法、CVD法、レーザア
ブレーション法などにより形成されることができる。第1電極40および第2電極70は
、公知の方法によりパターニングされることができる。
(C) Next, the
(D)次に、必要に応じて、ポストアニールを行うことができる。本工程は、上述した
第1の圧電素子100の一製造工程と同様であるので、詳細な説明を省略する。
(D) Next, post-annealing can be performed as necessary. Since this process is the same as the one manufacturing process of the first
以上の工程によって、本実施形態に係る第2の圧電素子200を製造することができる
。
Through the above steps, the second
3.3. 本実施形態に係る第2の圧電素子200は、第1の圧電素子100と同様に
、環境に優しく、優れた圧電特性を有することができる。
3.3. Like the first
4. 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項
および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解
できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
4). Although the embodiments of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art will readily understand that many modifications are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.
例えば、上述した本発明の実施形態に係る圧電素子は、例えば、インクジェットプリン
タ等に用いられるインクジェット式記録ヘッド、アクチュエータ、ジャイロセンサ、FB
AR(film bulk acoustic resonator)型やSMR(so lid mounted resonator)型等の
BAW(bulk acoustic wave)フィルタ、SAW(surface acoustic wave)フィルタ、
超音波モータなどに適用されることができる。本発明の実施形態に係る圧電素子は、圧電
特性に優れており、各種の用途に好適に適用できる。
For example, the above-described piezoelectric element according to the embodiment of the present invention includes, for example, an ink jet recording head, an actuator, a gyro sensor, and an FB used in an ink jet printer.
BAW (bulk acoustic wave) filter such as AR (film bulk acoustic resonator) type and SMR (so lid mounted resonator) type, SAW (surface acoustic wave) filter,
It can be applied to an ultrasonic motor or the like. The piezoelectric element according to the embodiment of the present invention has excellent piezoelectric characteristics and can be suitably applied to various applications.
2 基体、3 弾性層、4 下部電極、6 圧電体層、7 上部電極、20 キャビテ
ィ、30 バッファ層、40 第1電極、50 柱状部、70 第2電極、100 第1
の圧電素子,200 第2の圧電素子。
2 Base, 3 Elastic layer, 4 Lower electrode, 6 Piezoelectric layer, 7 Upper electrode, 20 Cavity, 30 Buffer layer, 40 1st electrode, 50 Columnar part, 70 2nd electrode, 100 1st
200, the second piezoelectric element.
Claims (11)
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
但し、0<x<1である。 A piezoelectric material represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
However, 0 <x <1.
0<x≦0.50である、圧電材料。 In claim 1,
Piezoelectric material where 0 <x ≦ 0.50.
擬立方晶の表示で(100)に配向している、圧電材料。 In claim 1 or 2,
Piezoelectric material that is oriented to (100) in pseudo cubic form.
擬立方晶の表示で(110)に配向している、圧電材料。 In claim 1 or 2,
Piezoelectric material oriented in (110) on a pseudocubic display.
前記基体の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記圧電体層は、下記一般式(1)で表される圧電材料からなる、圧電素子。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
但し、0<x<1である。 A substrate;
A lower electrode formed above the substrate;
A piezoelectric layer formed above the lower electrode;
An upper electrode formed above the piezoelectric layer,
The piezoelectric layer is a piezoelectric element made of a piezoelectric material represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
However, 0 <x <1.
前記基体の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第1電極と、
前記圧電体層の上方に形成され、前記第1電極と離間している第2電極と、を含み、
前記圧電体層は、下記一般式(1)で表される圧電材料からなる、圧電素子。
(Bi1-xBax)(Fe1-xTix)O3 ・・・(1)
但し、0<x<1である。 A substrate;
A piezoelectric layer formed above the substrate;
A first electrode formed above the piezoelectric layer;
A second electrode formed above the piezoelectric layer and spaced apart from the first electrode,
The piezoelectric layer is a piezoelectric element made of a piezoelectric material represented by the following general formula (1).
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1)
However, 0 <x <1.
0<x≦0.50である、圧電素子。 In claim 5 or 6,
Piezoelectric element where 0 <x ≦ 0.50.
前記圧電材料は、擬立方晶の表示で(100)に配向している、圧電素子。 In any of claims 5 to 7,
The piezoelectric material is a piezoelectric element having a pseudo cubic crystal orientation (100).
前記圧電材料は、擬立方晶の表示で(110)に配向している、圧電素子。 In any of claims 5 to 7,
The piezoelectric material is a piezoelectric element oriented in a (110) pseudo-cubic crystal display.
前記圧電材料は、ロンボヘドラル構造を有する、圧電素子。 In any one of Claims 5 thru | or 9,
The piezoelectric material has a rhombohedral structure.
前記圧電材料は、モノクリニック構造を有する、圧電素子。 In any one of Claims 5 thru | or 9,
The piezoelectric material has a monoclinic structure.
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