JP6175956B2 - ELECTRO-MECHANICAL CONVERSION ELEMENT, DROPLET DISCHARGE HEAD HAVING ELECTRO-MACHINE CONVERSION ELEMENT, AND DROPLET DISCHARGE DEVICE HAVING DROPLET DISCHARGE HEAD - Google Patents

ELECTRO-MECHANICAL CONVERSION ELEMENT, DROPLET DISCHARGE HEAD HAVING ELECTRO-MACHINE CONVERSION ELEMENT, AND DROPLET DISCHARGE DEVICE HAVING DROPLET DISCHARGE HEAD Download PDF

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Description

本発明は、インクジェット方式の画像形成装置等に備えられインク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動源等として用いられる電気−機械変換素子、かかる電気−機械変換素子を配置した液滴吐出ヘッド、かかる液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関する。   The present invention relates to an electro-mechanical conversion element used as a drive source of a liquid droplet ejection head for ejecting a liquid droplet of ink or the like provided in an ink jet image forming apparatus, and a liquid droplet in which such electro-mechanical conversion element is arranged. The present invention relates to an ejection head and a droplet ejection apparatus provided with such a droplet ejection head.

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用されるインクジェット記録装置(液滴吐出装置)に備えられ、インク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの構成例としては図1に示すようなものがある。
すなわち、図1の構成では、インク滴を吐出するノズル102と、このノズルが連通する加圧室101(インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される。)と、加圧室内のインクを加圧する圧電素子などの電気−機械変換素子109(或いはヒータなどの電気−熱変換素子)、及びインク流路の壁面を形成する振動板[下地(105)]と、これに対向する電極からなるエネルギー発生手段とを備え、このエネルギー発生手段で発生したエネルギーで圧力室101内のインクを加圧することによってノズル102からインク滴を吐出させる。なお、図1では下部電極(106)と上部電極(108)に電圧を印加して電気−機械変換膜107を振動させて前記エネルギーを発生させる。図1中、符号103はノズル板、104は圧力室基板(Si基板)、を示す。
A configuration example of a liquid droplet ejection head that is provided in an ink jet recording apparatus (liquid droplet ejection apparatus) used as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, etc. There is something as shown in 1.
That is, in the configuration of FIG. 1, a nozzle 102 that ejects ink droplets and a pressure chamber 101 (this is also referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, a liquid chamber, and the like) that communicate with the nozzle. ), An electro-mechanical conversion element 109 such as a piezoelectric element that pressurizes ink in the pressurizing chamber (or an electro-thermal conversion element such as a heater), and a diaphragm that forms the wall surface of the ink flow path [base (105)] And an energy generating means composed of an electrode opposed to the ink, and an ink droplet is ejected from the nozzle 102 by pressurizing the ink in the pressure chamber 101 with the energy generated by the energy generating means. In FIG. 1, a voltage is applied to the lower electrode (106) and the upper electrode (108) to vibrate the electromechanical conversion film 107 to generate the energy. In FIG. 1, reference numeral 103 denotes a nozzle plate, and 104 denotes a pressure chamber substrate (Si substrate).

液滴吐出ヘッドには、電気−機械変換素子(略称、「圧電素子」)の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な電気−機械変換膜(圧電材料層:略称、「圧電膜」)を形成し、この圧電膜をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて各圧力室に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。このような圧電アクチュエータでは、圧電膜の自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致するときに、電界印加強度の増減に伴う伸縮が効果的に起こり、大きな圧電定数が得られるため、圧電膜の自発分極軸と電界印加方向とは完全に一致することが最も好ましい。また、インク吐出量のばらつき等を抑制するには、圧電膜の圧電性能の面内ばらつきが小さいことが好ましい。これらの点を考慮すれば、結晶配向性に優れた圧電膜が好ましい。   The droplet discharge head uses a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that expands and contracts in the axial direction of an electro-mechanical conversion element (abbreviated as “piezoelectric element”) and a flexural vibration mode piezoelectric actuator. Two types have been put into practical use. As an actuator using a flexural vibration mode actuator, for example, a uniform electro-mechanical conversion film (piezoelectric material layer: abbreviated as “piezoelectric film”) is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique. A known piezoelectric element is formed by cutting this piezoelectric film into a shape corresponding to a pressure chamber by lithography and forming each piezoelectric chamber independently. In such a piezoelectric actuator, when the vector component of the spontaneous polarization axis of the piezoelectric film coincides with the electric field application direction, the expansion and contraction accompanying the increase and decrease of the electric field application intensity occurs effectively, and a large piezoelectric constant is obtained. Most preferably, the spontaneous polarization axis of the film and the electric field application direction completely coincide. Further, in order to suppress variations in the ink discharge amount, it is preferable that the in-plane variation in the piezoelectric performance of the piezoelectric film is small. Considering these points, a piezoelectric film having excellent crystal orientation is preferable.

結晶配向性に関する技術として、例えば、特許文献1には、表面にTiが島状に析出したTi含有貴金属電極上に圧電膜を形成することで、結晶配向性に優れた圧電膜が成膜できると記載されている。また、特許文献2には、基板としてMgO基板を用いることで、結晶配向性に優れた圧電膜を成膜できると記載されている。また、特許文献3には、アモルファス強誘電体膜を成膜し、その後、急速加熱法によって該膜を結晶化させる強誘電体膜の製造方法が記載されている。或いは、特許文献4には、結晶配向性を有する圧電膜を成膜する工程で、正方晶系、斜方晶系、及び菱面体晶系のうちいずれかの結晶構造を有するペロブスカイト型複合酸化物(不可避不純物を含んでいてもよい)からなり、(100)面、(001)面、及び(111)面のうちいずれかの面に優先配向し、配向度を95%以上とする圧電膜の製造方法が記載されている。   As a technique related to crystal orientation, for example, in Patent Document 1, a piezoelectric film having excellent crystal orientation can be formed by forming a piezoelectric film on a Ti-containing noble metal electrode having Ti deposited in an island shape on the surface. It is described. Patent Document 2 describes that a piezoelectric film having excellent crystal orientation can be formed by using an MgO substrate as a substrate. Patent Document 3 describes a method of manufacturing a ferroelectric film in which an amorphous ferroelectric film is formed and then the film is crystallized by a rapid heating method. Alternatively, Patent Document 4 discloses a perovskite-type composite oxide having a crystal structure of any one of a tetragonal system, an orthorhombic system, and a rhombohedral system in the step of forming a piezoelectric film having crystal orientation. (Which may contain unavoidable impurities) and is preferentially oriented to any one of the (100) plane, (001) plane, and (111) plane, and the degree of orientation is 95% or more. A manufacturing method is described.

特許文献1〜特許文献4では、白金(Pt)電極上に、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)を圧電膜または強誘電体膜として形成する形態をとり、Ptと基板(SiO)との密着性の改善のためにチタン(Ti)を用いたり、Pbなどの拡散バリア層としてTiNなどを用いている。このため、複雑な電極構造になる上、Tiの酸化や、TiのPt中への拡散と、それに伴うPZTの結晶性の低下が起こり、圧電特性などの電気特性が悪化する問題がある。Pt電極上にPZTを形成するとこのような問題があるため、強誘電体メモリなどの分野では、Pt電極に代わるものとして、RuOxやIrOなどの導電性酸化物の電極材料が研究されている。
中でもルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:略称、「SRO」)は、PZTと同じペロブスカイト型結晶構造を有しているので、界面での接合性に優れ、PZTのエピタキシャル成長を実現し易く、Pbの拡散バリア層としての特性にも優れている。
In Patent Documents 1 to 4, PZT (lead zirconate titanate) is formed as a piezoelectric film or a ferroelectric film on a platinum (Pt) electrode, and the adhesion between Pt and the substrate (SiO 2 ). Titanium (Ti) is used for improving the property, and TiN or the like is used as a diffusion barrier layer of Pb or the like. For this reason, in addition to a complicated electrode structure, there is a problem that oxidation of Ti, diffusion of Ti into Pt, and accompanying crystallinity deterioration of PZT occur, and electrical characteristics such as piezoelectric characteristics deteriorate. Since there is such a problem when PZT is formed on a Pt electrode, conductive oxide electrode materials such as RuOx and IrO 2 have been studied as an alternative to the Pt electrode in fields such as ferroelectric memory. .
Among them, strontium ruthenate (SrRuO 3 : abbreviation, “SRO”) has the same perovskite crystal structure as PZT, and therefore has excellent bonding properties at the interface, facilitates the epitaxial growth of PZT, and is a Pb diffusion barrier. Excellent properties as a layer.

ペロブスカイト構造を有するルテニウム酸ストロンチウム(SRO)を用いる技術としては、特許文献5〜7などが提案されている。
例えば、特許文献5には、ペロブスカイト構造を有する(111)配向のルテニウム酸ストロンチウム(SRO)を備えた下部電極であって、2層のSRO間にイリジウムまたは白金の層を挟み込んだ構造を有する下部電極と、下部電極上に形成された、(111)配向のPZTからなる圧電体層と、圧電体層上に形成された上部電極とを備えた、圧電アクチュエータが記載されている。
また、特許文献6には、上部、下部電極の少なくとも一方でSROを備え、誘電膜を挟んで構成されたキャパシタを有する半導体装置が記載されている。
また、特許文献7には、Si(100)基板上にSROを主成分とするエピタキシャル膜(100)を作製し、その表面粗さ(平均粗さ)を10nm以下とする構造体が記載されている。
また、特許文献8では、下部電極[貴金属膜及び貴金属酸化物膜の中から選択された導電膜と、前記誘電体膜と前記導電膜との間に設けられたSRO膜からなるペロブスカイト型金属酸化物膜(厚さは5nm以下)と、前記導電膜と前記金属酸化物膜との間に設けられたTi膜からなる金属膜とを備える]と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた誘電体膜とを具備するキャパシタが記載されている。
また、特許文献9では、Ptに代わる下部電極(第1の電極)の構成材料として、例えばRuOx やIrO 等の導電性酸化物、特に、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)等のペロブスカイト構造を有する金属酸化物を用いた電子デバイスが記載されている。
また、特許文献10では、Si基板上に形成された、振動板と、バッファ層((100) 配向又は(110) 配向のSRO からなる)と、下部電極[ペロブスカイト構造を有する(100)配向のルテニウム酸ストロンチウムを備える]と、(100)配向のPZTからなる圧電体層と、上部電極とを具備する圧電アクチュエータが記載されている。
また、特許文献11では、下部電極(白金と酸化チタンとの化合物からなる結晶体)の下部に酸化チタン膜を設けた圧電体薄膜素子が記載されている。
特許文献12〜16では、PZTからなる圧電膜の特に正方晶の(100)、(001)面に関して、ドメインや(100)、(001)面からなる双晶面について記載がある。例えば、特許文献13については正方晶のa-ドメインとc-ドメインの体積割合について最適な比率があることが記載されている。
特許文献17では、(111)配向を有するPt族の元素製の電極14と、電極14上に形成された電極15と、電極15上に形成され、(111)を優先配向とするPZTからなる電気−機械変換膜16と、膜16上に形成された個別電極17と、電極17上に形成された金属の個別電極18とを有し、電極15、17はルテニウム酸ストロンチウムからなり、電極15は、ペロブスカイト構造を有する(111)配向を有し、表面粗さが4nm以上15nm以下であり、厚さが40nm以上150nm以下である電気−機械変換素子が記載されている。
Patent Documents 5 to 7 have been proposed as techniques using strontium ruthenate (SRO) having a perovskite structure.
For example, Patent Document 5 discloses a lower electrode including a (111) -oriented strontium ruthenate (SRO) having a perovskite structure and having a structure in which an iridium or platinum layer is sandwiched between two SRO layers. A piezoelectric actuator is described that includes an electrode, a piezoelectric layer made of PZT with (111) orientation formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer.
Patent Document 6 describes a semiconductor device having a capacitor that includes an SRO and sandwiches a dielectric film between at least one of an upper electrode and a lower electrode.
Patent Document 7 describes a structure in which an epitaxial film (100) mainly composed of SRO is formed on a Si (100) substrate and the surface roughness (average roughness) is 10 nm or less. Yes.
Further, in Patent Document 8, a perovskite-type metal oxide comprising a lower electrode [a conductive film selected from a noble metal film and a noble metal oxide film, and an SRO film provided between the dielectric film and the conductive film. A material film (having a thickness of 5 nm or less) and a metal film made of a Ti film provided between the conductive film and the metal oxide film], an upper electrode, the lower electrode, and the upper electrode And a dielectric film provided between the capacitor and the capacitor.
In Patent Document 9, as a constituent material of the lower electrode (first electrode) instead of Pt, for example, a conductive oxide such as RuOx or IrO 2 , particularly a perovskite structure such as strontium ruthenate (SrRuO 3 ) is used. Electronic devices using metal oxides are described.
Further, in Patent Document 10, a diaphragm formed on a Si substrate, a buffer layer (consisting of (100) -oriented or (110) -oriented SRO), and a lower electrode ((100) -oriented having a perovskite structure). A piezoelectric actuator comprising a strontium ruthenate, a piezoelectric layer made of (100) oriented PZT, and an upper electrode is described.
Patent Document 11 describes a piezoelectric thin film element in which a titanium oxide film is provided below a lower electrode (a crystal body made of a compound of platinum and titanium oxide).
In Patent Documents 12 to 16, there is a description of domains and twin planes composed of (100) and (001) planes, particularly with respect to (100) and (001) planes of a tetragonal crystal of PZT. For example, Patent Document 13 describes that there is an optimal ratio of the volume ratio of tetragonal a-domain and c-domain.
In Patent Document 17, an electrode 14 made of a Pt group element having (111) orientation, an electrode 15 formed on the electrode 14, and PZT formed on the electrode 15 and having (111) as a preferred orientation. It has an electromechanical conversion film 16, an individual electrode 17 formed on the film 16, and a metal individual electrode 18 formed on the electrode 17. The electrodes 15 and 17 are made of strontium ruthenate, and the electrode 15 Describes an electromechanical conversion element having a (111) orientation having a perovskite structure, a surface roughness of 4 nm to 15 nm, and a thickness of 40 nm to 150 nm.

特許文献1〜特許文献4では、白金(Pt)電極上に、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)を形成するために電極構造が複雑となることに加えて、チタン(Ti)の酸化やTiのPt中への拡散に伴いPZTの結晶性が低下して圧電特性などが悪化する問題がある。
特許文献5では、SROの(111)配向について、配向度合い等の具体的かつ詳細な記載がない。そのため、(111)配向が、(110)配向や(100)配向または(001)配向に比べて優先配向していても、その度合いによっては、圧電アクチュエータとして連続動作したときに不具合が発生する。本発明者らの検討によれば、(111)配向のSROを備えた下部電極とPZTからなる圧電体層を設けた電気−機械変換素子を駆動させた後に、初期変位に比べてどのくらい劣化するかを調べたしたところ、以下で定義する(111)配向度によって劣化の様子が変わってくることが確認された。
特許文献6では、SROの成膜について室温成膜後にRTA処理を行っているが、SRO上にPZTを作製した場合、(111)配向したものが得られにくい。さらに、SRO膜厚が10−20nmであると、この範囲では圧電アクチュエータとして使用した場合に、初期変位が十分得られず、さらに連続動作したときに不具合が発生する。
特許文献7では、SROを主成分とするエピタキシャル膜(100)上に作製した強誘電体膜は、(100)配向を有している。圧電アクチュエータとして連続動作したときの変位特性劣化を抑えるには、圧電体膜の配向性としては(111)が好ましく、(100)配向したものでは十分劣化抑制できない。
特許文献8では、SROに含まれるRuの一部をTiに置換することでSROの安定性を向上させているが、特許文献8に記載されているようなRuO等を多く含んだ結晶性の低いSRO膜にはなっておらず、良好なSRO(111)配向度は得られない。
特許文献9では、下部電極下にチタン膜あるいは酸化チタン膜が設けられていないことから振動板と下部電極の密着性に課題がある。
特許文献10では、特許文献5と同様の問題がある。
特許文献11では、白金と酸化チタンとの化合物からなる結晶体を下部電極とし、その下部に酸化チタン膜を備えており、結晶体の粒界が圧電体膜の膜面に対して垂直方向に存在している。この場合、白金だけでは、圧電アクチュエータとして連続動作したときの変位特性劣化を抑えるのが難しい。
特許文献12〜16では、圧電膜の初期の変位量については記載があるが、連続動作したときの変位特性劣化については記載がない。また、PZT膜の膜厚方向の状態(例えば、双晶面)については記載がない。
すなわち、下部電極上に、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)を圧電膜(電気−機械変換膜)として形成した電気−機械変換素子において、電気−機械変換膜の変位量がインク吐出特性を良好に保持できるだけ十分確保されると共に、連続吐出しても変位量の劣化が十分抑制された電気−機械変換素子の開発が要望されている。
なお、特許文献12〜16に対して、本発明者らは後述するように、PZT膜全体を(100)面が優先配向しなくても、効率的に変位量を稼ぐために上部電極側の一部に(100)面等の双晶構造を有することで、連続駆動耐久時の変位量低下が抑えられると考えている。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、電気−機械変換膜の変位量がインク吐出特性を良好に保持できるだけ十分確保されると共に、連続吐出しても変位量の劣化が十分抑制され、安定したインク吐出特性を得ることができる電気−機械変換素子を提供することを目的とする。
In Patent Documents 1 to 4, in addition to the complicated electrode structure for forming PZT (lead zirconate titanate) on a platinum (Pt) electrode, oxidation of titanium (Ti) and Ti There is a problem that the crystallinity of PZT is lowered with the diffusion into Pt and the piezoelectric characteristics are deteriorated.
In Patent Document 5, there is no specific and detailed description of the degree of orientation or the like for the (111) orientation of SRO. For this reason, even if the (111) orientation is preferentially compared with the (110) orientation, the (100) orientation, or the (001) orientation, a problem occurs when the piezoelectric actuator is continuously operated depending on the degree. According to the study by the present inventors, after driving an electro-mechanical conversion element provided with a lower electrode having a (111) -oriented SRO and a piezoelectric layer made of PZT, how much deterioration occurs compared to the initial displacement. As a result of the investigation, it was confirmed that the state of deterioration changes depending on the (111) orientation degree defined below.
In Patent Document 6, RTA treatment is performed after room temperature film formation for SRO film formation. However, when PZT is formed on SRO, it is difficult to obtain a (111) -oriented film. Furthermore, when the SRO film thickness is 10-20 nm, when used as a piezoelectric actuator in this range, sufficient initial displacement cannot be obtained, and further problems occur when continuously operated.
In Patent Document 7, a ferroelectric film manufactured on an epitaxial film (100) containing SRO as a main component has a (100) orientation. In order to suppress the deterioration of the displacement characteristics when continuously operating as a piezoelectric actuator, (111) is preferable as the orientation of the piezoelectric film, and the (100) oriented material cannot sufficiently suppress the deterioration.
In Patent Document 8, the stability of SRO is improved by substituting part of Ru contained in SRO with Ti. However, as described in Patent Document 8, the crystallinity containing a large amount of RuO 2 and the like. Therefore, the SRO film having a low SRO (111) orientation cannot be obtained.
In Patent Document 9, since the titanium film or the titanium oxide film is not provided under the lower electrode, there is a problem in the adhesion between the diaphragm and the lower electrode.
Patent Document 10 has the same problem as Patent Document 5.
In Patent Document 11, a crystal body made of a compound of platinum and titanium oxide is used as a lower electrode, and a titanium oxide film is provided below the lower electrode. The grain boundary of the crystal body is perpendicular to the film surface of the piezoelectric film. Existing. In this case, with platinum alone, it is difficult to suppress the deterioration of the displacement characteristics when the piezoelectric actuator is continuously operated.
In Patent Documents 12 to 16, there is a description of the initial displacement amount of the piezoelectric film, but there is no description of displacement characteristic deterioration when continuously operating. Moreover, there is no description about the state (for example, twin plane) in the film thickness direction of the PZT film.
That is, in an electro-mechanical conversion element in which PZT (lead zirconate titanate) is formed as a piezoelectric film (electro-mechanical conversion film) on the lower electrode, the amount of displacement of the electro-mechanical conversion film improves the ink ejection characteristics. There is a demand for the development of an electro-mechanical conversion element that is sufficiently secured as long as it can be held, and that the deterioration of the displacement amount is sufficiently suppressed even after continuous ejection.
In addition, with respect to Patent Documents 12 to 16, as will be described later, in order to efficiently obtain the amount of displacement, the present inventors can increase the amount of displacement even if the (100) plane is not preferentially oriented in the entire PZT film. It is considered that a part of the twin structure such as the (100) plane can suppress a decrease in displacement during continuous driving durability.
The present invention has been made in view of the above-described prior art, and the amount of displacement of the electromechanical conversion film is sufficiently ensured to maintain good ink ejection characteristics, and the amount of displacement is sufficiently deteriorated even after continuous ejection. An object of the present invention is to provide an electro-mechanical conversion element that is suppressed and can obtain stable ink ejection characteristics.

前述の特許文献4(特開2007−258389号公報)の場合、例えば(111)面が優先配向し、その配向度が95%以上だとした場合、配向度が極端に高くなると電界強度に対する変位量が途中で飽和して高い電界強度下において十分な変位量が得られない(図2参照)、といった不具合が発生する。図3に示すように、圧電膜(電気−機械変換膜)全体の変位は、電圧印加により、(1)圧電歪が大きくなること、及び(2)ドメイン回転によって歪が大きくなること、によって得られる。
すなわち、電気−機械変換膜としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を用いた場合に、例えば、PZTの面方位がPZT(111)に完全に配向してしまうと、電気−機械変換膜の変位に寄与する項としては、(1)圧電歪が大きくなることによる効果のみになってしまい、(2)ドメイン回転によって歪が大きくなる効果はほとんどなくなる。このため、変位量が途中で飽和してしまい、全体の変位量が小さくなるといった不具合が発生する。
電気−機械変換膜全体の変位量の飽和による不具合を解消するため、PZT(111)面が優先配向する場合であっても、ドメイン回転に基づく変位量の増加を獲得するために、ある程度PZT(111)面以外の配向を持っておく必要があると考えられる。
本発明者らは鋭意検討した結果、電気−機械変換素子の電気−機械変換膜を構成する結晶構造が、優先となる面方位を含む2つ以上の面方位を持ち、一方の電極(上部電極)側の一部に双晶構造を有することで、連続駆動時の変位量低下が抑制され、耐久性を維持しつつ効率的に変位量を改善できることを見出し本発明に至った。
すなわち、上記課題は、基板または下地膜上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有する電気−機械変換素子であって、
前記電気−機械変換膜をX線回折法(XRD)によりθ-2θで測定したときの結晶構造の優先となる面方位を(l m n)面[l、m、nは0または1]で表したとき、前記電気−機械変換膜を構成する結晶構造が、優先面となる面方位となる(111)面及び該(111)面以外の非優先面となる面方位を持ち、
前記電気−機械変換膜において、前記下部電極層側に存在する前記優先面及び前記非優先面が占める占有割合をそれぞれR (優先面)、R (非優先面)とし、前記上部電極層側に存在する前記優先面及び前記非優先面が占める占有割合をそれぞれR (優先面)、R (非優先面)としたときに、R (優先面)>R (優先面)、かつ、R (非優先面)>R (非優先面)を満たし、
前記電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけてヒステリシスループを測定したときの、最初の0kV/cm時の分極をPind(μC/cm )とし、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPr(μC/cm )としたときに、Pr−Pindで算出される分極率が10μC/cm 以下であることを特徴とする電気−機械変換素子により解決される。
In the case of the above-mentioned Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-258389), for example, when the (111) plane is preferentially oriented and the degree of orientation is 95% or more, if the degree of orientation becomes extremely high, the displacement with respect to the electric field strength There is a problem that the amount is saturated in the middle and a sufficient amount of displacement cannot be obtained under a high electric field strength (see FIG. 2). As shown in FIG. 3, the displacement of the entire piezoelectric film (electro-mechanical conversion film) is obtained by (1) increasing the piezoelectric strain due to voltage application and (2) increasing the strain due to domain rotation. It is done.
That is, when lead zirconate titanate (PZT) is used as the electro-mechanical conversion film, for example, if the plane orientation of PZT is completely oriented to PZT (111), the displacement of the electro-mechanical conversion film is caused. The contributing terms are only (1) the effect of increasing the piezoelectric strain, and (2) the effect of increasing the strain by domain rotation is almost eliminated. For this reason, the displacement amount is saturated in the middle, and a problem that the entire displacement amount becomes small occurs.
In order to eliminate the problem due to the saturation of the displacement amount of the entire electro-mechanical conversion film, even if the PZT (111) plane is preferentially oriented, in order to obtain an increase in the displacement amount based on the domain rotation, PZT ( It is considered necessary to have an orientation other than the (111) plane.
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the crystal structure constituting the electro-mechanical conversion film of the electro-mechanical conversion element has two or more plane orientations including a preferential plane orientation, and one electrode (upper electrode) It has been found that having a twin structure on a part of the) side suppresses a decrease in displacement during continuous driving, and can efficiently improve the displacement while maintaining durability.
That is, the above-described problem includes a lower electrode formed on a substrate or a base film, an electro-mechanical conversion film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the electro-mechanical conversion film. An electro-mechanical transducer element
When the electro-mechanical conversion film is measured by X-ray diffraction (XRD) at θ-2θ, the plane orientation preferential to the crystal structure is (l m n) plane [l, m, n is 0 or 1]. When expressed, the crystal structure constituting the electro-mechanical conversion film has a (111) plane that is a plane orientation to be a priority plane and a plane orientation that is a non-priority plane other than the (111) plane,
In the electro-mechanical conversion film, the occupation ratios occupied by the priority surface and the non-priority surface existing on the lower electrode layer side are R lower (priority surface) and R lower (non-priority surface), respectively, and the upper electrode layer the priority face and the non-priority face occupies occupancy respectively on R present on the side (priority face), when the on R (non-priority face), R under (priority plane)> on R (priority face) And R top (non-priority surface)> R bottom (non-priority surface)
When the hysteresis loop is measured by applying an electric field strength of ± 150 kV / cm to the electro-mechanical transducer, the initial polarization at 0 kV / cm is Pin (μC / cm 2 ), and a voltage of +150 kV / cm is applied. When the polarization at 0 kV / cm when returned to 0 kV / cm is Pr (μC / cm 2 ), the polarizability calculated by Pr-Pind is 10 μC / cm 2 or less. -Solved by mechanical transducer elements.

本発明は、電気−機械変換膜の変位量がインク吐出特性を良好に保持できるだけ十分確保されると共に、連続吐出しても変位量の劣化が十分抑制され、安定したインク吐出特性を得ることができる電気−機械変換素子を提供することができる。   According to the present invention, the displacement amount of the electro-mechanical conversion film is sufficiently ensured to maintain the ink ejection characteristics satisfactorily, and the deterioration of the displacement amount is sufficiently suppressed even when continuously ejected, thereby obtaining stable ink ejection characteristics. An electro-mechanical conversion element that can be provided can be provided.

電気−機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the droplet discharge head provided with the electromechanical conversion element. PZTを用いたときの電気−機械変換素子の変位量と電界強度との関係を面方位(111)の配向率をパラメータとして示した図である。It is the figure which showed the relationship between the displacement amount of an electromechanical conversion element when using PZT, and the orientation rate of a surface orientation (111) as a parameter. 電気−機械変換膜全体の変位が圧電歪とドメイン回転による歪によって得られることを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically that the displacement of the whole electromechanical conversion film is obtained by the distortion by a piezoelectric distortion and domain rotation. ドメイン回転の寄与がない下部電極側の面方位(111)とドメイン回転の寄与のある上部電極側の双晶構造により変位量が向上することを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically that a displacement amount improves with the surface orientation (111) by the side of the lower electrode which does not contribute to domain rotation, and the twin structure of the upper electrode side which contributes to domain rotation. 本発明に係る電気−機械変換素子の構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the electromechanical conversion element which concerns on this invention. 本発明に係る電気−機械変換素子の別の構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another structural example of the electromechanical conversion element which concerns on this invention. θ-2θ測定で2θ=32°に固定し、あおり角(χ)を振ったときのピーク強度に対するSRO成膜温度(300℃、600℃)の依存性を示す。The dependence of the SRO film forming temperature (300 ° C., 600 ° C.) on the peak intensity when 2θ = 32 ° is fixed in the θ-2θ measurement and the tilt angle (χ) is shaken is shown. 300℃及び600℃で成膜したSRO上に作製した電気−機械変換膜(PZT)の結晶配向についてX線回折法(XRD)により調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the crystal orientation of the electromechanical conversion film (PZT) produced on SRO formed into a film at 300 degreeC and 600 degreeC by the X ray diffraction method (XRD). 第1の電極(Pt)の面方位(111)で入射角(ω)のみを振って得られる最大ピーク値におけるωの半値幅(FWHM)を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the half value width (FWHM) of (omega) in the maximum peak value obtained by shaking only an incident angle ((omega)) by the surface orientation (111) of a 1st electrode (Pt). 成膜後のPZTをXRDにより測定したときの構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a structure when PZT after film-forming is measured by XRD. 成膜条件を制御して作製したPZTをXRDにより測定したときのピーク強度とあおり角(χ)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak intensity | strength and tilt angle ((chi)) when PZT produced by controlling film-forming conditions is measured by XRD. 成膜条件を制御せず従来法で作製したPZTをXRDにより測定したときのピーク強度とあおり角(χ)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the peak intensity | strength and tilt angle ((chi)) when measuring PZT produced by the conventional method without controlling film-forming conditions by XRD. 成膜条件を制御して作製したPZTの下部電極側と上部電極側との間における結晶構造の占有状態をEBSD法によりマッピングした図である。It is the figure which mapped the occupation state of the crystal structure between the lower electrode side of PZT produced by controlling film-forming conditions and the upper electrode side by the EBSD method. 成膜条件を制御せず従来法で作製したPZTの下部電極側と上部電極側との間における結晶構造の占有状態をEBSD法によりマッピングした図である。It is the figure which mapped the occupation state of the crystal structure by the EBSD method between the lower electrode side and the upper electrode side of PZT produced by the conventional method without controlling film-forming conditions. 下部電極側と上部電極側との間におけるPZTの結晶構造が図13及び図14である場合のそれぞれの電界強度と変位量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between each electric field strength and displacement amount in case the crystal structure of PZT between the lower electrode side and the upper electrode side is FIG.13 and FIG.14. 図13に示した下部電極側と上部電極側との間におけるPZTの結晶構造の占有状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the occupation state of the crystal structure of PZT between the lower electrode side and upper electrode side shown in FIG. PZTをXRDにより測定したときの面方位(110)面の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of a surface orientation (110) surface when PZT is measured by XRD. 本発明に係る電気−機械変換素子の構成(絶縁保護膜及び引き出し配線を含む)を示す側面図及び平面図である。It is the side view and top view which show the structure (an insulation protective film and an extraction wiring are included) of the electromechanical conversion element which concerns on this invention. 本発明に係る電気−機械変換素子に電荷注入して分極処理するために用いられる分極処理装置の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the polarization processing apparatus used in order to inject an electric charge into the electromechanical conversion element which concerns on this invention, and to perform a polarization process. 本発明に係る電気−機械変換素子の分極処理前(a)、分極処理後(b)の状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state before the polarization process of the electromechanical conversion element which concerns on this invention (a), and after the polarization process (b). 図19のコロナ電極(コロナワイヤー)の放電により発生した陽イオンが圧電素子に流れ込むことで電荷が蓄積されて分極処理されることを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows that the electric charge is accumulate | stored when the cation generated by the discharge of the corona electrode (corona wire) of FIG. 19 flows into a piezoelectric element, and is polarized. 実施例で作製した電気-機械変換素子の特性の評価を行った場合の代表的なP−Eヒステリシス曲線を示す図である。It is a figure which shows the typical PE hysteresis curve at the time of evaluating the characteristic of the electromechanical conversion element produced in the Example. 図1に示した電気−機械変換素子を複数個配置して構成した液滴吐出ヘッドの構成例を示す別の概略断面図である。FIG. 5 is another schematic cross-sectional view showing a configuration example of a droplet discharge head configured by arranging a plurality of electro-mechanical conversion elements shown in FIG. 1. 本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置(インクジェット記録装置)の一例を示す斜視説明図である。It is a perspective explanatory view showing an example of a droplet discharge device (inkjet recording device) provided with a droplet discharge head according to the present invention. 図24に示す液滴吐出装置(インクジェット記録装置)の機構部の側面説明図である。It is side surface explanatory drawing of the mechanism part of the droplet discharge apparatus (inkjet recording device) shown in FIG.

前述のように本発明の電気−機械変換素子は、基板または下地膜上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、該電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有し、該電気−機械変換膜を構成する結晶構造が、優先となる面方位を含む2つ以上の面方位を持ち、該優先となる面方位の占有割合が下部電極側と上部電極側との間で膜厚方向に沿って異なることを特徴とするものである。   As described above, the electro-mechanical conversion element of the present invention includes the lower electrode formed on the substrate or the base film, the electro-mechanical conversion film formed on the lower electrode, and the electro-mechanical conversion film. And the crystal structure constituting the electro-mechanical conversion film has two or more plane orientations including a preferred plane orientation, and the occupation ratio of the preferred plane orientation is lower. It differs along the film thickness direction between the electrode side and the upper electrode side.

ここで、前記優先となる(l m n)面が、(111)面であることが好ましい。また、前記電気−機械変換膜が、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなることが好ましい。
例えば、図1に示すような液滴吐出ヘッドの構成の場合に、電気−機械変換膜が歪みを持つことで下地(膜)が変形したとき、図4に示すように基板拘束のある下部電極側には(111)面のようなドメイン回転の寄与がないもので構成されていても、基板拘束がなく自由に変形することができる上部電極側には(100)、(001)面や(101)、(011)面のように双晶構造を有することで、ドメイン回転の寄与による変位量向上が見込まれる。つまり、電気−機械変換膜(例えば、PZT膜)全体を(111)面が優先配向しなくても、上部電極側の一部に(100)面等の双晶構造を有することで、効率的に変位量が向上し、連続駆動耐久時の変位量低下が抑制される。
Here, the preferential (l m n) plane is preferably a (111) plane. The electro-mechanical conversion film is preferably made of lead zirconate titanate (PZT).
For example, in the case of the configuration of the droplet discharge head as shown in FIG. 1, when the base (film) is deformed due to the distortion of the electromechanical conversion film, the lower electrode with the substrate restraint as shown in FIG. Even if it is made of a material that does not contribute to domain rotation like the (111) surface on the side, the (100), (001) surface and (( 101), having a twin structure like the (011) plane is expected to improve the displacement due to the contribution of domain rotation. In other words, even if the (111) plane is not preferentially oriented in the entire electro-mechanical conversion film (for example, PZT film), a part of the upper electrode side has a twin structure such as the (100) plane. In addition, the displacement amount is improved, and a decrease in displacement amount during continuous driving durability is suppressed.

以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明の電気−機械変換素子の構成例を図5の概略断面図に示す。
図5の構成では、基板101、振動板102、下部電極103、電気−機械変換膜104、上部電極105を備えている。ここで、下部電極、上部電極に関しては、電気的にも十分な比抵抗値が得られる導電層を備えることが好ましい。このような導電層としては、例えば、図6の別の概略断面図に記載するような第1の電極203、第4の電極207がそれに相当する。図6の構成では、基板201、振動板202、第1の電極203、第2の電極204、電機−機械変換膜205、第3の電極206、第4の電極207を備えている。
さらに電気−機械変換素子をアクチュエータとして動作させた際の連続駆動時に変位等の低下を抑制するには、図5に記載の電気−機械変換膜105と接する側の下部電極及び上部電極は導電性を有する酸化物電極層とすることが好ましい。このような酸化物電極層としては、例えば、図6記載の第2の電極204、第3の電極206がそれに相当する。各構成層について以下詳しく説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
A structural example of the electromechanical conversion element of the present invention is shown in a schematic cross-sectional view of FIG.
5 includes a substrate 101, a diaphragm 102, a lower electrode 103, an electromechanical conversion film 104, and an upper electrode 105. Here, with respect to the lower electrode and the upper electrode, it is preferable to provide a conductive layer capable of obtaining a sufficient specific resistance value electrically. As such a conductive layer, for example, the first electrode 203 and the fourth electrode 207 described in another schematic cross-sectional view of FIG. 6 correspond thereto. 6 includes a substrate 201, a diaphragm 202, a first electrode 203, a second electrode 204, an electromechanical conversion film 205, a third electrode 206, and a fourth electrode 207.
Further, in order to suppress a decrease in displacement or the like during continuous driving when the electromechanical conversion element is operated as an actuator, the lower electrode and the upper electrode on the side in contact with the electromechanical conversion film 105 shown in FIG. It is preferable that the oxide electrode layer have As such an oxide electrode layer, for example, the second electrode 204 and the third electrode 206 illustrated in FIG. 6 correspond thereto. Each constituent layer will be described in detail below.

〔基板〕
基板としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100μm〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、例えば、(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような圧力室を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっており本構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。
〔substrate〕
As the substrate, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 μm to 600 μm. There are three types of plane orientations, (100), (110), and (111), but (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. In this configuration, for example, ( A single crystal substrate having a plane orientation of 100) was mainly used. In addition, when a pressure chamber as shown in FIG. 1 is manufactured, a silicon single crystal substrate is processed using etching. In this case, anisotropic etching is generally used as an etching method. Is.
Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be removed in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. In this configuration, it is possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so this area is also used with attention.

〔振動版〕
図1に示すように下地が振動板の役割を担い、電気−機械変換膜によって発生した力を受けて下地が変形変位して圧力室のインク滴を吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO、SiをCVD法により作製したものが挙げられる。さらに、図1に示すような下部電極、電気−機械変換膜等、素子構成材料の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜としては、一般的に材料としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が使用されることから、線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等であり、これらをスパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては0.1〜10μmが好ましく、0.5〜3μmがさらに好ましい。膜厚が0.5μmより薄いと図1に示すような圧力室の加工が難しくなり、10μmより厚いと下地が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
[Vibration version]
As shown in FIG. 1, the base plays the role of a diaphragm, receives the force generated by the electromechanical conversion film, and the base is deformed and displaced to discharge ink droplets in the pressure chamber. Therefore, it is preferable that the base has a predetermined strength. Examples of the material include Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 produced by the CVD method. Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the element constituent material, such as a lower electrode and an electromechanical conversion film as shown in FIG. In particular, as an electro-mechanical conversion film, since lead zirconate titanate (PZT) is generally used as a material, as a linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K), A material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 (1 / K) is preferable, and a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 (1 / K) is further preferable. The material it has is more preferred.
Specific examples of the material include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. It can be produced by a spin coater using a Sol-gel method. The film thickness is preferably from 0.1 to 10 μm, more preferably from 0.5 to 3 μm. If the film thickness is thinner than 0.5 μm, it is difficult to process the pressure chamber as shown in FIG. 1, and if it is thicker than 10 μm, the substrate is difficult to deform and displace, and ink droplet ejection becomes unstable.

〔第1の電極及び第4の電極〕
図6に示す第1の電極及び4の電極はいずれも金属から構成されることが好ましく、これらの金属材料としては従来から知られている高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができるが、鉛に対して十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、必要に応じてイリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜を用いることもできる。
また、白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に積層することが好ましい。作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmがさらに好ましい。またこのとき、電気−機械変換膜としてPZTを選択したときにその結晶性として(111)配向を有していることが好ましい。そのために第1電極材料としては、(111)配向性が高いPtを選択することが好ましい。
[First electrode and fourth electrode]
Both the first electrode and the electrode 4 shown in FIG. 6 are preferably made of metal, and as these metal materials, conventionally known platinum having high heat resistance and low reactivity is used. However, it may not be said that it has a sufficient barrier property against lead, and a platinum group element such as iridium or platinum-rhodium or an alloy film thereof may be used as necessary.
Further, when platinum is used, it is preferable that Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5, etc. are laminated first because of poor adhesion to the base (particularly SiO 2 ). As a manufacturing method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. As a film thickness, 0.05-1 micrometer is preferable and 0.1-0.5 micrometer is further more preferable. At this time, when PZT is selected as the electro-mechanical conversion film, the crystallinity thereof preferably has (111) orientation. Therefore, it is preferable to select Pt having a high (111) orientation as the first electrode material.

〔第2の電極及び第3の電極〕
第2の電極及び第3の電極としては、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:SRO)を構成材料として用いるのが好ましいが、左記以外にも、Sr(1−x)Ru(1−y)[式中、A=Ba、Ca、B=Co、Ni、x、y=0〜0.5]で記述されるような材料についても挙げられる。
第2の電極及び第3の電極の成膜方法としては、例えば、スパッタ法等が用いられる。この場合、スパッタ条件によってSrRuO(SRO)薄膜の膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、第1の電極のPt(111)にならって、SRO膜についても(111)配向させるためには、成膜温度については300℃以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
例えば、特許第3249496号公報に記載のSRO成膜条件においては、室温で成膜後、結晶化温度650℃のRTA処理にて熱酸加している。しかし、この場合に形成されるSRO膜としては、十分結晶化されて電極としての比抵抗としても十分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向しやすくなるという問題がある。
[Second electrode and third electrode]
As the second electrode and the third electrode, it is preferable to use strontium ruthenate (SrRuO 3 : SRO) as a constituent material, but other than the left, Sr x A (1-x) Ru y B (1- y) Also mentioned are materials as described in the formula: A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5.
As a method for forming the second electrode and the third electrode, for example, a sputtering method or the like is used. In this case, although the film quality of the SrRuO 3 (SRO) thin film varies depending on the sputtering conditions, in particular, the crystal orientation is emphasized, and the SRO film is also (111) oriented following the Pt (111) of the first electrode. The film is preferably formed by heating the substrate at a temperature of 300 ° C. or higher.
For example, under the SRO film formation conditions described in Japanese Patent No. 3249696, thermal oxidation is performed by RTA treatment at a crystallization temperature of 650 ° C. after film formation at room temperature. However, although the SRO film formed in this case is sufficiently crystallized to obtain a sufficient value as the specific resistance as an electrode, (110) tends to be preferentially oriented as the crystal orientation of the film. There is also a problem that the PZT film formed thereon is easily (110) oriented.

例えば、特許第3249496号公報記載のSRO成膜条件については、室温で成膜後、RTA処理(Rapid Thermal Annealing処理)にて結晶化温度(650℃)で熱酸化するのが好ましい。この場合、SRO膜としては、十分結晶化され、電極としても十分な比抵抗値が得られるが、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向に優先配向してしまう。
図2に、面方位(111)のPZTを用いた場合にPZT配向率をパラメータとして電気−機械変換素子の変位量と電界強度との関係を示す。図2に示すようにPZTの配向度を完全に(111)に揃えようとした場合には、高い電界強度下で十分な変位量が得られないといった不具合が発生するため、下地となるSRO膜の配向度を完全な(111)ではなく、(111)以外の成分も含めた配向度で調整する必要がある。
例えば、第2の電極がペロブスカイト構造を有し、優先となる面方位が(111)面であり、非優先となる面方位が(110)面もしくは(100)面であるものが好ましい。
For example, with respect to the SRO film formation conditions described in Japanese Patent No. 3249696, it is preferable to perform thermal oxidation at a crystallization temperature (650 ° C.) by RTA treatment (Rapid Thermal Annealing treatment) after film formation at room temperature. In this case, the SRO film is sufficiently crystallized and a sufficient specific resistance value can be obtained as an electrode. However, as the crystal orientation of the film, (110) is likely to be preferentially oriented, and a film is formed thereon. PZT is also preferentially oriented to the (110) orientation.
FIG. 2 shows the relationship between the amount of displacement of the electromechanical conversion element and the electric field strength, using the PZT orientation rate as a parameter when PZT having a plane orientation (111) is used. As shown in FIG. 2, when the degree of orientation of PZT is attempted to be completely aligned to (111), there is a problem that a sufficient amount of displacement cannot be obtained under high electric field strength. It is necessary to adjust the degree of orientation of the film not with perfect (111) but with the degree of orientation including components other than (111).
For example, it is preferable that the second electrode has a perovskite structure, the preferred plane orientation is the (111) plane, and the non-preferred plane orientation is the (110) plane or the (100) plane.

Pt(111)上に作製したSROの結晶性については、PtとSROで格子定数が近いため、通常のθ-2θ測定では、SRO(111)とPt(111)の2θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ptについては消滅則の関係から、試料面に対してあおり角(χ)として35°傾けて、2θが約32°付近の位置で回折強度を取ろうとすると、回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Psi方向を約35°傾けて、2θが約32°付近のピーク強度で判断することでSROが(111)に優先配向しているかを確認することができる。   Regarding the crystallinity of SRO produced on Pt (111), since the lattice constants of Pt and SRO are close to each other, in the normal θ-2θ measurement, the 2θ positions of SRO (111) and Pt (111) are overlapped. Is difficult. For Pt, if the tilt angle is 35 ° with respect to the sample surface and an attempt is made to obtain the diffraction intensity at a position where 2θ is about 32 °, the diffraction lines cancel each other and the diffraction intensity is reduced. can not see. Therefore, it is possible to confirm whether the SRO is preferentially oriented to (111) by inclining the Psi direction by about 35 ° and judging from the peak intensity where 2θ is about 32 °.

例えば、θ-2θ測定で2θ=32°に固定し、あおり角(χ)を振ったときのピーク強度とSROの成膜温度の依存性の関係を図7に示す。
SROの成膜温度として、600℃に設定したものについては、χ=0°、45°ではほとんど回折強度が見られず、χ=35°付近において、回折強度が見られる。
このことから本成膜条件にて作製したものについては、SROが(111)配向していることが確認できる。一方、SROの成膜温度として、300℃に設定したものについては、χ=0°では回折強度を少し確認することができる。このため、300℃で成膜したものについては、SRO(111)が優先配向になっているが、600℃成膜に比べて、SRO(111)とSRO(110)からなっているため、χ=0°付近でのピーク強度をSRO(110)_Intとして、χ=35°付近のピーク強度をSRO(111)_Intとして、χ=45°付近のピーク強度をSRO(100)_Intとして、SRO(111)_Int/(SRO(100)_Int+SRO(110)_Int+SRO(111)_Int)が小さいことが分かる。
For example, FIG. 7 shows the relationship between the peak intensity and the SRO film forming temperature dependence when the tilt angle (χ) is swung with θ 2θ fixed at 2θ = 32 °.
When the SRO film forming temperature is set to 600 ° C., almost no diffraction intensity is seen at χ = 0 ° and 45 °, and the diffraction intensity is seen around χ = 35 °.
From this, it can be confirmed that the SRO is (111) oriented in the film produced under this film forming condition. On the other hand, when the SRO film forming temperature is set to 300 ° C., the diffraction intensity can be slightly confirmed at χ = 0 °. For this reason, SRO (111) is preferentially oriented for the film formed at 300 ° C., but it is composed of SRO (111) and SRO (110) as compared with 600 ° C. film formation. The peak intensity in the vicinity of = 0 ° is SRO (110) _Int, the peak intensity in the vicinity of χ = 35 ° is SRO (111) _Int, the peak intensity in the vicinity of χ = 45 ° is SRO (100) _Int, and SRO ( 111) _Int / (SRO (100) _Int + SRO (110) _Int + SRO (111) _Int) is small.

300℃及び600℃で成膜したSRO上に作製した電気−機械変換膜(PZT)の結晶配向についてX線回折法(XRD)により調べた結果を図8に示す。この結果より、SRO膜の成膜温度として、300℃に設定したものについては、600℃に設定したものに比べて、PZT(111)以外のピーク強度が発生しているのが分かる。
図8に示すように、PZT(111)をある範囲で制御するためには、SRO(111)_Intを0.5以上0.99以下にすることが好ましく、0.7以上0.85以下であることがさらに好ましい。この範囲以上になると、十分な初期変位量が得られないといった不具合が発生し、この範囲以下になると、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られない。
すなわち、本発明では、前記第2の電極がペロブスカイト構造を有し結晶構造の優先となる面方位が(111)面であり、該(111)面以外の非優先である面方位が(110)面、(100)面であって、X線回折法(XRD)によるθ-2θ測定で試料面に対してあおり角(χ)を振ったときの、2θ=32°の位置でのそれぞれのピーク強度を下記;
χ=0°近傍でのピーク強度:SRO(110)Int、
χ=35°近傍でのピーク強度:SRO(111)Int、
χ=45°近傍でのピーク強度:SRO(100)Int、
としたときに、
SRO(111)Int/[SRO(100)Int+SRO(110)Int+SRO(111)Int]が0.5以上0.99以下であることが好ましい。
FIG. 8 shows the results of examining the crystal orientation of the electro-mechanical conversion film (PZT) formed on the SRO formed at 300 ° C. and 600 ° C. by X-ray diffraction (XRD). From this result, it can be seen that the peak intensity other than PZT (111) is generated in the case where the film formation temperature of the SRO film is set to 300 ° C., compared to the film temperature set to 600 ° C.
As shown in FIG. 8, in order to control PZT (111) in a certain range, it is preferable to set SRO (111) _Int to 0.5 or more and 0.99 or less, and 0.7 to 0.85 or less. More preferably it is. If it exceeds this range, a problem such that a sufficient initial displacement cannot be obtained occurs, and if it is less than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for displacement degradation after continuous driving.
That is, in the present invention, the second electrode has a perovskite structure, and the plane orientation in which the crystal structure is preferential is the (111) plane, and the non-preferred plane orientation other than the (111) plane is (110). Peak at the position of 2θ = 32 ° when the tilt angle (χ) is swung with respect to the sample surface in the θ-2θ measurement by the X-ray diffraction method (XRD). Strength below
Peak intensity near χ = 0 °: SRO (110) Int,
Peak intensity near χ = 35 °: SRO (111) Int,
Peak intensity near χ = 45 °: SRO (100) Int,
And when
SRO (111) Int / [SRO (100) Int + SRO (110) Int + SRO (111) Int] is preferably 0.5 or more and 0.99 or less.

また、SRO膜の成膜温度以外に、第1電極となるPtの結晶の質によってもPZTの配向度を調整することができる。具体的には、X線回折法(XRD)で測定したときに前記第1の電極の面方位(111)が得られる2θ(=39.7°近傍)を固定し、入射角(ω)のみを振って得られる回折ピークの最大ピーク値におけるωの半値幅(FWHM)が2.5°以上7.0°以下とすることで、同様の効果が得られる。つまり、Pt(111)をωスキャンしたときのロッキングカーブのFWHM(半値幅)において、2.5°以上7°以下、さらに好ましくは3.0°以上4.5°以下にすることで、成膜温度で説明したのと同様の効果が得られる。FWHMが7°よりも大きくなると、十分な初期変位量が得られないといった不具合が発生し、FWHMが2.5°よりも小さくなると、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られない。
図9は、第1の電極(Pt)の面方位(111)で入射角(ω)のみを振って得られる最大ピーク値におけるωの半値幅(FWHM)を説明するための説明図である。図9に示すように、Pt(111)のFWHMについては、Pt(111)面が得られる2θ=39.7°近傍において、2θを固定した状態で、ωのみを振ったときに得られる回折ピークの最大ピーク位置から半分の値となるところの幅を意味している。
In addition to the film formation temperature of the SRO film, the degree of orientation of PZT can be adjusted by the quality of the Pt crystal serving as the first electrode. Specifically, 2θ (near 39.7 °) that can obtain the surface orientation (111) of the first electrode when measured by X-ray diffraction (XRD) is fixed, and only the incident angle (ω) is obtained. The same effect can be obtained by setting the FWHM (FWHM) of ω at the maximum peak value of the diffraction peak obtained by shaking to 2.5 ° to 7.0 °. That is, the FWHM (half width) of the rocking curve when Pt (111) is scanned by ω is set to 2.5 ° to 7 °, more preferably 3.0 ° to 4.5 °. The same effect as described for the film temperature can be obtained. When FWHM is larger than 7 °, there is a problem that a sufficient initial displacement amount cannot be obtained. When FWHM is smaller than 2.5 °, sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the full width at half maximum (FWHM) of ω at the maximum peak value obtained by swinging only the incident angle (ω) in the plane orientation (111) of the first electrode (Pt). As shown in FIG. 9, with respect to the FWHM of Pt (111), the diffraction obtained when only ω is shaken with 2θ fixed in the vicinity of 2θ = 39.7 ° where the Pt (111) plane is obtained. It means the width of a half value from the maximum peak position.

成膜後のSROのSrとRuの組成比については、Sr/Ruが0.82以上1.22以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなる。
さらに、第2電極としてのSROの膜厚としては、20nm〜150nmが好ましく、30nm〜50nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。この膜厚範囲よりも厚いと、その後SRO上に成膜されるPZTの絶縁耐圧が非常に悪くなってリークを起こしやすくなる。
Regarding the composition ratio of Sr and Ru of SRO after film formation, Sr / Ru is preferably 0.82 or more and 1.22 or less. If it is out of this range, the specific resistance increases, and sufficient conductivity as an electrode cannot be obtained.
Furthermore, the film thickness of SRO as the second electrode is preferably 20 nm to 150 nm, and more preferably 30 nm to 50 nm. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained with respect to initial displacement and displacement deterioration after continuous driving. If it is thicker than this film thickness range, the withstand voltage of PZT subsequently formed on the SRO becomes very poor and leaks are likely to occur.

さらに、前述の成膜時の温度や膜厚、第1電極となるPt(111)の結晶の質に加えて、スパッタ成膜時のチャンバー環境を制御することによって、成膜後のPZTはX線回折法(XRD)で測定したときに図10の模式図で示すような構造になっている。そして、図11に示すようにPZT(001)もしくはPZT(100)が最も強いピーク強度が得られる2θ位置(約21.8°近傍)で、試料面に対してあおり角(χ)を±25°の範囲で傾けてみると、傾き0°に比べて±15°付近に強いピーク強度が得られるのが確認される。
一方、従来の製法であれば、図12に示すように試料面に対して、あおり角(χ)を振っても、あおり角(χ)±25°の範囲では傾き0°にのみ最も強いピーク強度が得られている。
Furthermore, in addition to the temperature and film thickness at the time of film formation and the quality of the Pt (111) crystal serving as the first electrode, by controlling the chamber environment at the time of sputter film formation, PZT after film formation becomes X The structure shown in the schematic diagram of FIG. 10 when measured by the line diffraction method (XRD). Then, as shown in FIG. 11, the tilt angle (χ) is ± 25 with respect to the sample surface at the 2θ position (around 21.8 °) where PZT (001) or PZT (100) gives the strongest peak intensity. When tilted in the range of °, it is confirmed that a strong peak intensity is obtained in the vicinity of ± 15 ° compared to the tilt of 0 °.
On the other hand, in the case of the conventional manufacturing method, as shown in FIG. 12, even when the tilt angle (χ) is swung with respect to the sample surface, the strongest peak only at the tilt of 0 ° in the range of the tilt angle (χ) ± 25 °. Strength is obtained.

さらに膜厚方向に対する結晶構造については、TEM分析等でも確認することができるが、簡易的に面方向のマッピング取得が可能なEBSD(Electron BackScatter Diffraction Pattern)法を用いて各結晶面を解析することもできる。
図13に、成膜条件を制御して作製したPZTの下部電極側と上部電極側との間における結晶構造の占有状態をEBSD法によりマッピングした図を示す。
図13に示すように、SROの成膜時の温度や膜厚、第1電極となるPt(111)の結晶の質に加えて、SROのスパッタ成膜時のチャンバー環境を制御することによって、下部電極側と上部電極側との間で、電気−機械変換膜であるPZTの膜厚方向に沿って優先となる面方位の占有割合が異なる。すなわち、下部電極側では下地のシード効果を受けてPZT(111)が成長しているが、途中から上部電極側にかけてはPZT(001)もしくはPZT(100)が基板面に対して15°傾いたものが成長したものが得られる。
一方、図14に、成膜条件を制御せず従来法で作製したPZTの下部電極側と上部電極側との間における結晶構造の占有状態をEBSD法によりマッピングした図を示す。
図14に示すように、従来のSROの成膜法では、下部電極側と上部電極側との間で、PZTの膜厚方向に沿ってPZT(111)面しか存在していない。
Furthermore, the crystal structure in the film thickness direction can be confirmed by TEM analysis, etc., but each crystal plane should be analyzed using the EBSD (Electron BackScatter Diffraction Pattern) method, which can easily obtain the mapping in the plane direction. You can also.
FIG. 13 shows a diagram in which the occupied state of the crystal structure between the lower electrode side and the upper electrode side of PZT manufactured by controlling the film forming conditions is mapped by the EBSD method.
As shown in FIG. 13, in addition to the temperature and film thickness during the SRO film formation and the quality of the Pt (111) crystal serving as the first electrode, by controlling the chamber environment during the SRO sputter film formation, The occupation ratio of the plane orientation preferentially along the film thickness direction of PZT which is the electro-mechanical conversion film is different between the lower electrode side and the upper electrode side. That is, PZT (111) grows due to the seed effect of the base on the lower electrode side, but PZT (001) or PZT (100) is inclined by 15 ° with respect to the substrate surface from the middle to the upper electrode side. Things that have grown up are obtained.
On the other hand, FIG. 14 shows a diagram in which the occupied state of the crystal structure between the lower electrode side and the upper electrode side of PZT produced by a conventional method without controlling the film forming conditions is mapped by the EBSD method.
As shown in FIG. 14, in the conventional SRO film forming method, there is only a PZT (111) plane along the thickness direction of PZT between the lower electrode side and the upper electrode side.

図15に、下部電極側と上部電極側との間におけるPZTの結晶構造が図13及び図14である場合のそれぞれの電界強度と変位量の関係を示す。
図15に示すように、PZTの結晶構造占有状態が図13のようにPZTの膜厚方向に沿って優先となる面方位の占有割合が異なる方が変位量は大きくなっている。
この理由については、上部電極側では基板拘束が少ないことから結晶は自由に変形することができ、これによって上部電極側には結晶構造(PZT)の面方位(100)もしくは(001)が、基板面に対して15°傾いた面から得られる双晶構造を有することができ、ドメイン回転の寄与を効率的に受けることができるために変位量が向上するものと考えられる。
FIG. 15 shows the relationship between the electric field strength and the amount of displacement when the crystal structure of PZT between the lower electrode side and the upper electrode side is that shown in FIGS.
As shown in FIG. 15, the amount of displacement is larger when the crystal structure occupation state of PZT is different in the occupation ratio of the plane orientation preferential along the film thickness direction of PZT as shown in FIG.
For this reason, since the substrate restraint is small on the upper electrode side, the crystal can be freely deformed, whereby the crystal structure (PZT) plane orientation (100) or (001) is changed to the substrate on the upper electrode side. It can be considered that the amount of displacement is improved because it can have a twin structure obtained from a plane inclined by 15 ° with respect to the plane and can efficiently receive the contribution of domain rotation.

図16に、図13に示した下部電極側と上部電極側との間におけるPZTの結晶構造の占有状態を模式的に示す。
図16において、前記電気−機械変換膜をX線回折法(XRD)によりθ-2θで測定したときの結晶構造の優先となる面方位を(l m n)面[l、m、nは0または1]で表し、前記下部電極側に存在する(l m n)面が占める占有割合をR(lmn)とし、前記上部電極側に存在する(l
m n)面が占める占有割合をR(lmn)としたときに、R(lmn)>R(lmn)を満たすことが好ましい。
また、図16において、前記電気−機械変換膜の結晶構造をX線回折法(XRD)によりθ-2θで測定した際の該結晶構造の優先となる面方位を(lmn)面[l、m、nは0または1]、優先面以外に存在する非優先である面方位を(l)面[l、m、nは0または1]としたときに、シード層等によって、下部電極側に存在する該電気−機械変換膜はそれによって制御された優先配向(lmn)面が多く存在し、上部電極側に存在する該電気−機械変換膜の(lmn)面以外のドメイン回転の寄与を効率的に向上することができるような(l)が占める割合が高くなっていることが好ましい。
すなわち、前記下部電極層側に存在する結晶構造の(lmn)面、及び(l)面が占める占有割合をそれぞれR(lmn)、R(l)とし、前記上部電極層側に存在する結晶構造の(lmn)面、及び(l)面が占める占有割合をそれぞれR(lmn)、R(l)としたときに、R(lmn)>R(lmn)、かつ、R(l)>R(l)を満たすことが好ましい。
FIG. 16 schematically shows the occupied state of the crystal structure of PZT between the lower electrode side and the upper electrode side shown in FIG.
In FIG. 16, when the electro-mechanical conversion film is measured at θ-2θ by X-ray diffraction (XRD), the plane orientation preferential to the crystal structure is (l m n) plane [l, m, n is 0 Or 1], the occupying ratio of the (l m n) plane existing on the lower electrode side is R lower (lmn), and is present on the upper electrode side (l
The occupancy rate of m n) plane is occupied when the on R (lmn), it is preferable to satisfy the under R (lmn)> on R (lmn).
In FIG. 16, when the crystal structure of the electro-mechanical conversion film is measured at θ-2θ by X-ray diffraction (XRD), the plane orientation preferential to the crystal structure is the (lmn) plane [l, m , N is 0 or 1], and the non-preferred plane orientation other than the priority plane is the (l 2 m 2 n 2 ) plane [l 2 , m 2 , n 2 is 0 or 1], the seed The electro-mechanical conversion film existing on the lower electrode side has a number of preferentially oriented (lmn) planes controlled by the layers, and the (lmn) plane of the electro-mechanical conversion film existing on the upper electrode side. It is preferable that the ratio occupied by (l 2 m 2 n 2 ) that can efficiently improve the contribution of domain rotation other than is high.
That is, the occupation ratios of the (lmn) plane and the (l 2 m 2 n 2 ) plane of the crystal structure existing on the lower electrode layer side are respectively R lower (lmn) and R lower (l 2 m 2 n 2 ). and then, the (lmn) plane of the crystal structure present in the upper electrode layer side, and (l 2 m 2 n 2) face occupies occupancy respectively on R (lmn), on R (l 2 m 2 n 2 ) It is preferable that R below (lmn)> R above (lmn) and R above (l 2 m 2 n 2 )> R below (l 2 m 2 n 2 ) are satisfied.

また、(100)、(001)面に対応するあおり角(χ)としては、χ=±5〜25°の範囲の中で、あおり角のピーク強度が出ていることが好ましい。図17にPZTをXRDにより測定したときの面方位(110)面の構造を模式的に示す。図17に(110)[もしくは(101)]の配向面を示すが、この面は(001)もしくは(100)が45°あおり角が傾いたものと等しい。
このため、面方位(001)もしくは(100)が傾いていた場合、22.5°を超えた傾きが見られた場合、その場合は主面としては(110)もしくは(101)が傾いたものと考えられ得る。一般的にドメイン歪みだけ(ドメイン回転は考慮せず)を考慮した場合、(001)面が最も歪み量が大きいと考えられるため、できるだけ主面としては(001)もしくは(100)になっており、それが傾いた方が歪みやすく、変位量が大きくなると考えている。
例えば、X線回折法(XRD)によりθ-2θで測定したときの結晶構造の優先となる面方位(l m n)[l、m、nは0または1]が(111)面であり、優先面以外に存在する非優先となる面方位(l)面[l、m、nは0または1]が(101)もしくは(011)面であってもよい。
Further, as the tilt angle (χ) corresponding to the (100) and (001) planes, it is preferable that the tilt angle has a peak intensity in the range of χ = ± 5 to 25 °. FIG. 17 schematically shows the structure of the plane orientation (110) plane when PZT is measured by XRD. FIG. 17 shows an orientation plane of (110) [or (101)]. This plane is equivalent to (001) or (100) inclined by 45 ° and inclined.
For this reason, when the plane orientation (001) or (100) is inclined, if an inclination exceeding 22.5 ° is observed, in this case, the main surface is inclined (110) or (101) Can be considered. In general, when considering only domain distortion (not considering domain rotation), the (001) plane is considered to have the largest amount of distortion, so the main plane is (001) or (100) as much as possible. , I think that it is easier to distort when it is tilted, and the amount of displacement increases.
For example, the plane orientation (l m n) [l, m, n is 0 or 1] which is the priority of the crystal structure when measured at θ-2θ by X-ray diffraction (XRD) is the (111) plane, The non-preferred plane orientation (l 2 m 2 n 2 ) plane [l 2 , m 2 , n 2 is 0 or 1] other than the priority plane may be the (101) or (011) plane.

〔第3の電極〕
第3の電極としてSROを用いた場合の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、30nm〜50nmがさらに好ましい。20nmよりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。80nmを超えると、PZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
[Third electrode]
The film thickness when SRO is used as the third electrode is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 30 nm to 50 nm. If the thickness is less than 20 nm, sufficient characteristics cannot be obtained for the initial displacement and displacement deterioration characteristics. If it exceeds 80 nm, the dielectric strength voltage of PZT is very poor and leaks easily.

〔電気−機械変換膜〕
電気−機械変換膜としては、複合酸化物から構成される材料が挙げられるがジルコン酸チタン酸鉛(PZT)を主に使用した。PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸(PbTiO)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合の場合であり、化学式ではPb(Zr0.53,Ti0.47)Oと表され、一般にPZT(53/47)と示される。
PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
このような複合酸化物は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr;B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述例として、例えば、(Pb1−x, Ba)(Zr1−y,Ti)O、(Pb1−x, Sr)(Zr1−y,Ti)Oなどが挙げられる。これらは、一般式ABOにおけるAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
[Electro-mechanical conversion membrane]
Examples of the electro-mechanical conversion film include materials composed of complex oxides, but lead zirconate titanate (PZT) was mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, a composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics is obtained when the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and is expressed as Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 in the chemical formula. It is indicated as PZT (53/47).
Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there.
Such a composite oxide is described by the general formula ABO 3 and corresponds to a composite oxide mainly composed of A = Pb, Ba, Sr; B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, Nb. As a concrete description, for example, (Pb 1-x, Ba x) (Zr 1-y, Ti y) O 3, (Pb 1-x, Sr x) (Zr 1-y, Ti y) O 3 etc. are mentioned. These are cases where Pb at the A site in the general formula ABO 3 is partially substituted with Ba or Sr. Such substitution is possible with a divalent element, and the effect thereof has an effect of reducing characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.

電気−機械変換膜の作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。   As a method for producing the electro-mechanical conversion film, it can be produced by a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。   When PZT is produced by the Sol-gel method, PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. . Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.

基板または下地膜上全面にPZT膜を形成する場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで電気−機械変換膜が得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。   When a PZT film is formed on the entire surface of a substrate or a base film, an electro-mechanical conversion film is formed by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. can get. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film.

また、インクジェット工法によりPZT膜を作製していく場合については、第2の電極と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることができる。表面改質材については、下地(第1の電極)の材料によっても異なるが、酸化物を下地とする場合は主にシラン化合物、金属を下地とする場合は主にアルカンチオールを選定する。   In the case where the PZT film is manufactured by the ink jet method, a patterned film can be obtained by the same manufacturing flow as that of the second electrode. As for the surface modifying material, although it varies depending on the material of the base (first electrode), the silane compound is mainly selected when the oxide is the base, and the alkanethiol is mainly selected when the metal is the base.

電気−機械変換膜の膜厚としては0.5μm〜5μmが好ましく、さらに好ましくは1μm〜2μmとなる。0.5μmより薄いと十分な変位を発生することができなくなり、5μmより厚いと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなり好ましくない。   The film thickness of the electro-mechanical conversion film is preferably 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 μm to 2 μm. If the thickness is less than 0.5 μm, a sufficient displacement cannot be generated, and if it is thicker than 5 μm, many layers are stacked, which is not preferable because the number of steps increases and the process time becomes long.

第2の電極上にPZTをSol−gel法により作製した溶液を用いてスピンコートにより1μm成膜した後にXRDで結晶配向を調べた結果は図7に示すようである。前述のようにSROの配向状態によって、得られるPZT(111)の配向状態も変わることを示唆している。   FIG. 7 shows the result of examining the crystal orientation by XRD after forming a film of 1 μm by spin coating using a solution in which PZT is produced by the Sol-gel method on the second electrode. As described above, it is suggested that the orientation state of the obtained PZT (111) also changes depending on the orientation state of the SRO.

PZT(111)配向度としては、以下の式(1)を用いたときに、(111)配向度が0.5以上0.99以下であることが好ましく、さらには0.8以上0.9以下であることがさらに好ましい。配向度が0.99を超えると、十分な初期変位量が得られないといった不具合が発生し、0.5よりも小さくなると、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られない。
ρ=I(l m n)/ΣI(l m n)・・・(1)
〔式(1)中、ρは平均配向度、l、m、nは0または1を示し、分母は各ピーク強度の総和、分子は任意の配向のピーク強度を表す。〕
つまり、式(1)は、XRDで得られた各配向のピークの総和を1とした時のそれぞれの配向の比率、すなわち平均配向度(ρ)を算出する計算式である。
As the PZT (111) orientation degree, when the following formula (1) is used, the (111) orientation degree is preferably 0.5 or more and 0.99 or less, and more preferably 0.8 or more and 0.9. More preferably, it is as follows. When the degree of orientation exceeds 0.99, there is a problem that a sufficient initial displacement amount cannot be obtained. When the degree of orientation is less than 0.5, sufficient characteristics cannot be obtained with respect to displacement deterioration after continuous driving.
ρ = I (l m n) / ΣI (l m n) (1)
[In the formula (1), ρ represents the average degree of orientation, l, m, and n represent 0 or 1, the denominator represents the sum of the peak intensities, and the numerator represents the peak intensity of an arbitrary orientation. ]
That is, the formula (1) is a calculation formula for calculating the ratio of the respective orientations, that is, the average orientation degree (ρ) when the sum of the peaks of the respective orientations obtained by XRD is 1.

さらに図11に示すように、前記電気−機械変換膜(PZT)の非優先である(100)面もしくは(001)面に対応する2θが最大ピークとなる位置でSROの結晶構造をX線回折法(XRD)により測定したときの、あおり角(χ=0°)近傍でのピーク強度をInt(χ=0°)とし、あおり角(χ=±5〜20°)近傍でのピーク強度をInt(χ=±5〜20°)としたときに、Int(χ=±5〜20°)/Int(χ=0°)が0.5以上5.0以下となることが好ましく、さらに好ましくは1.0以上2.5以下である。
Int(χ=±5〜20°)/Int(χ=0°)が2.5よりも大きくなると、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られないといった不具合が発生し、1.0よりも小さくなると十分な初期変位量が得られないといった不具合が発生する。
Further, as shown in FIG. 11, the crystal structure of SRO is X-ray diffracted at a position where 2θ corresponding to the non-priority (100) plane or (001) plane of the electro-mechanical conversion film (PZT) is the maximum peak. The peak intensity near the tilt angle (χ = 0 °) when measured by the method (XRD) is Int (χ = 0 °), and the peak intensity near the tilt angle (χ = ± 5 to 20 °) is When Int (χ = ± 5 to 20 °), Int (χ = ± 5 to 20 °) / Int (χ = 0 °) is preferably 0.5 or more and 5.0 or less, and more preferably Is 1.0 or more and 2.5 or less.
When Int (χ = ± 5 to 20 °) / Int (χ = 0 °) is larger than 2.5, there is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained with respect to displacement deterioration after continuous driving. If it becomes smaller than this, there arises a problem that a sufficient initial displacement cannot be obtained.

図18に、本発明に係る電気−機械変換素子の構成(絶縁保護膜及び引き出し配線を含む)を示す。図18では、第1の絶縁保護膜184はコンタクトホール189を有しており、第1及び第2の電極181(a)、(b)と第5の電極185(a)が導通し、第3及び第4の電極182(a)、(b)と第6の電極185(b)とが導通した構成となっている。このとき、第5の電極185(a)を共通電極、第6の電極185(b)を個別電極として、共通電極、個別電極を保護する第2の絶縁保護膜186が形成され、一部開口されて電極PADとして構成されている。共通電極用に作製されたものを共通電極用PAD188、個別電極用に作製されたものを個別電極用PAD187としている。図18中、符号183は電気−機械変換膜を示す。   FIG. 18 shows a configuration (including an insulating protective film and a lead-out wiring) of the electro-mechanical conversion element according to the present invention. In FIG. 18, the first insulating protective film 184 has a contact hole 189, the first and second electrodes 181 (a), (b) and the fifth electrode 185 (a) conduct, The third and fourth electrodes 182 (a) and 182 (b) are electrically connected to the sixth electrode 185 (b). At this time, the second electrode 185 (a) is used as a common electrode and the sixth electrode 185 (b) is used as an individual electrode to form a second insulating protective film 186 that protects the common electrode and the individual electrode. And configured as an electrode PAD. The electrode prepared for the common electrode is referred to as a common electrode PAD 188, and the electrode manufactured for the individual electrode is referred to as an individual electrode PAD 187. In FIG. 18, reference numeral 183 denotes an electro-mechanical conversion film.

前述のような構成で作製された電気−機械変換素子(以下、「圧電素子」と呼称することがある。)はコロナ放電により発生した電荷の注入により分極処理することが好ましい。分極処理は、例えば、図19に示すような分極処理装置を用いて行うことができる。
図19に示すように、分極処理装置には、コロナ電極191とグリッド電極192が具備されており、サンプルをセットするサンプルステージ195には、図示しない加熱手段による温度調節機能(温調機能)が備えられており、最大350℃くらいまで温度をかけながら分極処理を行うことができるようになっている。なお、温調機能が備えられたサンプルステージにはアース196が設置されており、これが付加していない場合には分極処理ができない。
グリッド電極192にはメッシュ加工が施されており、コロナ電極191に高い電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等を効率よく下のサンプルステージに降り注ぐように工夫されている。コロナ電源193及びグリッド電源194によりコロナ電極やグリッド電極に印加される電圧や、サンプルと各電極間の距離を調整することによりコロナ放電の強弱をつけることは可能である。
The electro-mechanical conversion element (hereinafter sometimes referred to as “piezoelectric element”) manufactured in the above-described configuration is preferably subjected to polarization treatment by injection of electric charges generated by corona discharge. The polarization process can be performed using, for example, a polarization processing apparatus as shown in FIG.
As shown in FIG. 19, the polarization processing apparatus is provided with a corona electrode 191 and a grid electrode 192, and the sample stage 195 for setting the sample has a temperature adjustment function (temperature adjustment function) by a heating means (not shown). It is provided, and polarization treatment can be performed while applying a temperature up to about 350 ° C. Note that a ground 196 is installed on the sample stage provided with the temperature control function, and if this is not added, the polarization process cannot be performed.
The grid electrode 192 is meshed so that when a high voltage is applied to the corona electrode 191, ions, charges, and the like generated by corona discharge are efficiently poured onto the lower sample stage. By adjusting the voltage applied to the corona electrode and the grid electrode by the corona power source 193 and the grid power source 194 and the distance between the sample and each electrode, it is possible to increase or decrease the corona discharge.

ここで、分極処理の状態については、P−Eヒステリシスループから判断することができる。
分極処理された電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけたときのP−Eヒステリシスにおいて、最大分極Pm値が35μC/cm以上55μC/cm以下であることが好ましい。
また、図20に示すように±150kV/cmの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の0kV/cm時の分極をPind、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPrとしたときに、Pr−Pindの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断している。
ここで分極率Pr−Pindが、10μC/cm以下であることが好ましく、さらに5μC/cm以下であることがさらに好ましい。分極率Pr−Pindが10μC/cmを超えると、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。
Here, the state of polarization processing can be determined from the PE hysteresis loop.
In the PE hysteresis when an electric field strength of ± 150 kV / cm is applied to the polarized electro-mechanical transducer, the maximum polarization Pm value is preferably 35 μC / cm 2 or more and 55 μC / cm 2 or less.
Further, as shown in FIG. 20, the hysteresis loop is measured by applying an electric field strength of ± 150 kV / cm, and the polarization at the time of initial 0 kV / cm is Pind, 0 kV when returning to 0 kV / cm after applying +150 kV / cm voltage. When the polarization at / cm is Pr, the value of Pr-Pind is defined as the polarizability, and the quality of the polarization state is judged from this polarizability.
Here polarizability Pr-Pind is preferably at 10 [mu] C / cm 2 or less, and more preferably still 5 [mu] C / cm 2 or less. When the polarizability Pr-Pind exceeds 10 μC / cm 2 , sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving as a piezoelectric actuator of PZT.

前述のように、電気−機械変換素子は図19に示すような分極処理装置を用いて、コロナ放電により発生した電荷の注入により分極処理することが好ましい。例えば、図21の説明図に示すように、コロナワイヤーを用いてコロナ放電させるときには、大気中の分子をイオン化させることで陽イオンを発生し、圧電素子のPAD部を介して陽イオンが流れ込むことで電荷を圧電素子に蓄積することができる。つまり、上部電極と下部電極の電荷差によって内部電位差が生じて分極処理が行われていると考えている。
ここで、分極処理に必要な電荷量Qを考えると1×10−8C以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、4×10−8C以上の電荷量が蓄積されることがさらに好ましい。電荷量Qが1×10−8C未満であると分極処理が十分できず、PZTの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。
好ましい分極率Pr−Pindを得るためには、図19に示すようなコロナ、グリッド電極電圧やサンプルステージとコロナ、グリッド電極間距離等を調整することにより、達成が可能である。ところが、所望な分極率を得ようとした場合には、電気−機械変換膜に対して高い電界を発生させる必要がある。
As described above, it is preferable that the electromechanical conversion element is polarized by injection of electric charges generated by corona discharge using a polarization processing apparatus as shown in FIG. For example, as shown in the explanatory diagram of FIG. 21, when corona discharge is performed using a corona wire, positive ions are generated by ionizing molecules in the atmosphere, and the positive ions flow through the PAD portion of the piezoelectric element. Thus, electric charges can be accumulated in the piezoelectric element. In other words, it is considered that the internal potential difference is caused by the charge difference between the upper electrode and the lower electrode and the polarization process is performed.
Here, considering the charge amount Q necessary for the polarization treatment, it is preferable that a charge amount of 1 × 10 −8 C or more is accumulated, and it is further preferable that a charge amount of 4 × 10 −8 C or more is accumulated. . If the charge amount Q is less than 1 × 10 −8 C, the polarization treatment cannot be performed sufficiently, and sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving as a PZT piezoelectric actuator.
In order to obtain a preferable polarizability Pr-Pind, it can be achieved by adjusting the corona, grid electrode voltage, sample stage and corona, distance between grid electrodes, and the like as shown in FIG. However, in order to obtain a desired polarizability, it is necessary to generate a high electric field with respect to the electromechanical conversion film.

前記図18に示す絶縁保護膜及び引き出し配線を含めた電気−機械変換素子の構成の詳細について以下に説明する。
〔第1の絶縁保護膜〕
第1の絶縁保護膜は、成膜・エッチングの工程において電気−機械変換素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるために緻密な無機材料とする必要がある。有機材料を用いる場合には十分な保護性能を確保するために膜厚を厚くする必要があることから第1の絶縁保護膜として適さない。第1の絶縁保護膜を厚くした場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうため、液滴吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまうことが要因である。
Details of the configuration of the electromechanical conversion element including the insulating protective film and the lead wiring shown in FIG. 18 will be described below.
[First insulating protective film]
The first insulating protective film is made of a dense inorganic material because it is necessary to select a material that prevents moisture in the atmosphere from passing through while preventing damage to the electromechanical conversion element in the film forming / etching process. There is a need. In the case of using an organic material, it is not suitable as the first insulating protective film because it is necessary to increase the film thickness in order to ensure sufficient protective performance. When the first insulating protective film is thickened, the vibration displacement of the diaphragm is remarkably hindered, resulting in a droplet discharge head having a low droplet discharge performance.

第1の絶縁保護膜として薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物、窒化物、炭化物等の膜を用いるのが好ましいが、絶縁保護膜の下地となる、電極材料、電気−機械変換膜を形成する圧電体材料、振動板材料等と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、成膜法も圧電素子を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD(Atomic Layer Deposition)法などが例示できるが、使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。   In order to obtain a high protection performance with a thin film as the first insulating protective film, it is preferable to use a film of oxide, nitride, carbide, etc., but the electrode material, electro-mechanical conversion film, which is the base of the insulating protective film It is necessary to select a material having high adhesion to the piezoelectric material, diaphragm material, and the like that form the film. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the piezoelectric element. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing a plasma to collide with a target material and flying away is not preferable. Examples of preferable film forming methods include vapor deposition methods and ALD (Atomic Layer Deposition) methods, but ALD methods with wide choices of usable materials are preferable.

第1の絶縁保護膜の好ましい材料としては、Al、ZrO、Y、Ta、TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特にALD法を用いてることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制しようとしている。 As a preferable material for the first insulating protective film, an oxide film used for a ceramic material such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 3 , and TiO 2 can be given as an example. In particular, the ALD method is used to produce a thin film with a very high film density and to suppress damage during the process.

絶縁保護膜の膜厚は、電気−機械変換素子の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板の変位を阻害しないように可能な限り薄くする必要がある。前述の好ましい第1の絶縁保護膜の膜厚は20nm〜100nmの範囲である。100nmより厚い場合は、振動板の変位が低下するため、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなる。一方、20nmより薄い場合は圧電素子の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子の性能が前述の通り低下してしまう。   The thickness of the insulating protective film needs to be thin enough to ensure the protection performance of the electromechanical conversion element, and at the same time, it needs to be as thin as possible so as not to disturb the displacement of the diaphragm. The film thickness of the preferable first insulating protective film is in the range of 20 nm to 100 nm. If it is thicker than 100 nm, the displacement of the diaphragm is reduced, so that a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained. On the other hand, when the thickness is less than 20 nm, the function of the piezoelectric element as a protective layer is insufficient, so that the performance of the piezoelectric element is deteriorated as described above.

また第1の絶縁保護膜を2層にする構成も考えられる。この場合は、2層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第2の電極付近において2層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。
このとき2層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物またはこれらの複合化合物を用いることができるが、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることができる。
2層目の絶縁保護膜の成膜は任意の手法を用いることができ、CVD法,スパッタリング法が例示でき、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。2層目の絶縁保護膜の膜厚は下部電極と個別電極配線に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち、絶縁保護膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、2層目の絶縁保護膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると膜厚は200nm以上必要であり、さらに好ましくは500nm以上である。
A configuration in which the first insulating protective film has two layers is also conceivable. In this case, in order to increase the thickness of the second insulating protective film, a configuration in which the second insulating protective film is opened in the vicinity of the second electrode so as not to significantly impede the vibration displacement of the diaphragm can be cited.
At this time, as the second insulating protective film, any oxide, nitride, carbide, or a composite compound thereof can be used, but SiO 2 generally used in semiconductor devices can be used.
Arbitrary methods can be used to form the second insulating protective film, and examples include CVD and sputtering, and isotropic deposition can be performed considering the step coverage of the pattern forming part such as the electrode forming part. It is preferable to use a CVD method. The thickness of the second insulating protective film needs to be a thickness that does not cause dielectric breakdown by the voltage applied to the lower electrode and the individual electrode wiring. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the insulating protective film within a range not causing dielectric breakdown. Further, considering the surface property of the base of the second insulating protective film, pinholes, etc., the film thickness is required to be 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more.

〔第5の電極、第6の電極〕
第5の電極及び第6の電極は、それぞれAg合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかからなる金属電極材料であることが好ましい。第5の電極及び第6の電極の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法等を用いて金属膜を作製し、その後フォトリソエッチング等により所望の電極パターンを得る。
各電極の膜厚としては、0.1〜20μmが好ましく、0.2〜10μmがさらに好ましい。膜厚が0.1μmより薄いと、抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなって液滴吐出ヘッドの吐出が不安定になり、膜厚が20μmより厚いと、プロセス時間が長くなるという問題がある。
また、共通電極、個別電極としてコンタクトホール部(10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極としては10Ω以下、個別電極としては1Ω以下が好ましく、さらに好ましくは、共通電極としては5Ω以下、個別電極としては0.5Ω以下である。接触抵抗が共通電極として10Ωを超え、個別電極としては1Ωを超えると十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出ヘッドからのインク吐出時に不具合が発生する。
[Fifth electrode, sixth electrode]
The fifth electrode and the sixth electrode are each preferably a metal electrode material made of any one of an Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, and Ir. As a method for manufacturing the fifth electrode and the sixth electrode, a metal film is manufactured using a sputtering method, a spin coating method, or the like, and then a desired electrode pattern is obtained by photolithography etching or the like.
As a film thickness of each electrode, 0.1-20 micrometers is preferable and 0.2-10 micrometers is more preferable. If the film thickness is less than 0.1 μm, the resistance increases and it becomes impossible to pass a sufficient current through the electrode, and the discharge of the droplet discharge head becomes unstable. If the film thickness is more than 20 μm, the process time is long. There is a problem of becoming.
Further, the contact resistance at the contact hole portion (10 μm × 10 μm) as the common electrode and the individual electrode is preferably 10Ω or less as the common electrode, 1Ω or less as the individual electrode, and more preferably 5Ω or less as the common electrode. The electrode is 0.5Ω or less. If the contact resistance exceeds 10Ω as a common electrode and exceeds 1Ω as an individual electrode, a sufficient current cannot be supplied, and a problem occurs when ink is ejected from the droplet ejection head.

〔第2の絶縁保護膜〕
第2の絶縁保護膜としての機能は個別電極配線や共通電極配線の保護層の機能を有するパシベーション層である。図18に示す通り、第2の絶縁保護膜は、個別電極引き出し部と図示しないが共通電極引き出し部を除き、個別電極と共通電極上を被覆する。これにより電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高いインクジェットヘッドとすることができる。
第2の絶縁保護膜の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、後述のパターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。
[Second insulating protective film]
The function as the second insulating protective film is a passivation layer having the function of a protective layer for individual electrode wiring and common electrode wiring. As shown in FIG. 18, the second insulating protective film covers the individual electrode and the common electrode except for the individual electrode lead portion and the common electrode lead portion (not shown). This makes it possible to use inexpensive Al or an alloy material mainly composed of Al as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable ink jet head can be obtained.
As the material of the second insulating protective film, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, in the case of an organic material, it is necessary to form a thick film, which is not suitable for patterning described later. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a proven technology for semiconductor devices.

また、第2の絶縁保護膜の膜厚は200nm以上とすることがこのましくさらに好ましくは500nm以上である。膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できないため、配線材料の腐食による断線が発生して液滴吐出ヘッドからの安定したインク吐出ができなくなりインクジェットの信頼性を低下させてしまう。   The thickness of the second insulating protective film is preferably 200 nm or more, more preferably 500 nm or more. When the film thickness is small, a sufficient passivation function cannot be exhibited, so that disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and stable ink discharge from the droplet discharge head cannot be performed, and the reliability of the ink jet is lowered.

また、電気−機械変換素子上とその周囲の振動板上に開口部を持つ構造が好ましい。これは、前述の第1の絶縁保護膜の個別液室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッドとすることが可能になる。   Further, a structure having openings on the electromechanical conversion element and the surrounding diaphragm is preferable. This is the same reason that the individual liquid chamber region of the first insulating protective film is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

第1の絶縁保護膜及び第2の絶縁保護膜で電気−機械変換素子が保護されているため、開口部分の形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが可能である。また、PAD部の面積については、50×50μm以上になっていることが好ましく、さらに100×300μm以上になっていることが好ましい。この値に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなり、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する。 Since the electromechanical conversion element is protected by the first insulating protective film and the second insulating protective film, photolithography and dry etching can be used to form the opening. In addition, the area of the PAD part is preferably 50 × 50 μm 2 or more, and more preferably 100 × 300 μm 2 or more. If the value is less than this value, sufficient polarization processing cannot be performed, and there arises a problem that sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving.

本発明の液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備え、該吐出駆動手段として前記加圧室の壁の一部を振動板で構成し、該振動板上に前記本発明の電気−機械変換素子を配置したことを特徴とするものである。
本発明の電気−機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッドを構成すれば、セラミック焼結体と同等の駆動力によりインク滴吐出特性を保持でき、連続吐出しても安定したインク滴吐出特性を維持することができる。
The droplet discharge head of the present invention includes a nozzle that discharges a droplet, a pressurization chamber that communicates with the nozzle, and a discharge drive unit that pressurizes the liquid in the pressurization chamber. A part of the wall of the pressure chamber is constituted by a diaphragm, and the electro-mechanical conversion element of the present invention is arranged on the diaphragm.
If the droplet discharge head is configured using the electromechanical conversion element of the present invention, the ink droplet discharge characteristics can be maintained with the same driving force as that of the ceramic sintered body, and stable ink droplet discharge characteristics can be obtained even when continuously discharged. Can be maintained.

また、本発明の液滴吐出ヘッドを備えることにより、液滴吐出装置を構成することができる。
図23に、図1に記載した液滴吐出ヘッド構成を複数個配置したものを示す。
本発明によれば、バルクセラミックスと同等の性能を持つ電気−機械変換素子が形成でき、その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液滴吐出ヘッドができる。図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。図23において、符号901は圧力室、902はノズル、903はノズル板、904は圧力室基板(Si基板)、905は振動板、906は密着層、907は電気−機械変換素子を示す。
本発明の液滴吐出ヘッドを用いれば、吐出安定性、耐久性、および画像品質が良好であるため、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等の液滴吐出装置に応用できる。
In addition, by providing the droplet discharge head of the present invention, a droplet discharge device can be configured.
FIG. 23 shows a configuration in which a plurality of droplet discharge head configurations shown in FIG. 1 are arranged.
According to the present invention, an electro-mechanical conversion element having performance equivalent to that of bulk ceramics can be formed, and then etching is removed from the back surface for forming a pressure chamber, and a droplet is obtained by joining a nozzle plate having nozzle holes. A discharge head is formed. In the figure, descriptions of liquid supply means, flow paths, and fluid resistance are omitted. 23, reference numeral 901 is a pressure chamber, 902 is a nozzle, 903 is a nozzle plate, 904 is a pressure chamber substrate (Si substrate), 905 is a vibration plate, 906 is an adhesion layer, and 907 is an electro-mechanical conversion element.
If the droplet discharge head of the present invention is used, the discharge stability, durability, and image quality are good, so that the droplet discharge head can be applied to printers, MFPs and other droplet discharge devices used in offices and personal computers.

本発明の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例について図24及び図25を参照して説明する。なお、図24は同記録装置の斜視説明、図25は同記録装置の機構部の側面説明図である。   An example of a droplet discharge apparatus equipped with the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 24 is a perspective view of the recording apparatus, and FIG. 25 is a side view of the mechanism of the recording apparatus.

図24及び図25に示す液滴吐出装置(「インクジェット記録装置」と呼称することがある。)は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ93、キャリッジ93に搭載した本発明を実施した液滴吐出ヘッド94、この液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納し、記録装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。   The droplet discharge device shown in FIGS. 24 and 25 (sometimes referred to as an “inkjet recording device”) includes a carriage 93 that can move in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, and a book mounted on the carriage 93. A droplet discharge head 94 embodying the invention, a printing mechanism portion 82 including an ink cartridge 95 for supplying ink to the droplet discharge head, and the like are housed. A paper feed cassette (or a paper feed tray) 84 on which sheets of paper 83 can be stacked can be removably mounted, and a manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 is opened. The paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and a required image is recorded by the printing mechanism unit 82 and then mounted on the rear side. To discharge the discharge tray 86.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明の液滴吐出ヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ93には液滴吐出ヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。   The printing mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The droplet discharge head 94 of the present invention that discharges ink droplets of each color (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) crosses a plurality of ink discharge ports (nozzles) with the main scanning direction. The ink droplets are mounted with the ink droplet discharge direction facing downward. In addition, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the droplet discharge head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.

インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド94にへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド94へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の液滴吐出ヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個の液滴吐出ヘッドでもよい。   The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the droplet discharge head 94 below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the droplet discharge head 94 is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the body. Further, although the droplet discharge heads 94 for the respective colors are used here as the recording heads, a single droplet discharge head having nozzles for discharging the ink droplets of the respective colors may be used.

ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. The carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83を液滴吐出ヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the droplet discharge head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84, and the paper 83 A guide member 103 that guides the sheet 83, a conveyance roller 104 that conveys the fed sheet 83 in a reversed manner, a conveyance roller 105 that is pressed against the circumferential surface of the conveyance roller 104, and a feed angle of the sheet 83 from the conveyance roller 104. A leading end roller 106 is provided. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を液滴吐出ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a sheet guide member for guiding the sheet 83 fed from the conveying roller 104 below the droplet discharge head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. . A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   During recording, the droplet discharge head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped paper 83 to record one line, and transporting the paper 83 by a predetermined amount. After that, the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. While waiting for printing, the carriage 93 is moved to the recovery device 117 side and the droplet discharge head 94 is capped by the capping unit, and the discharge port portion is kept in a wet state to prevent discharge failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When ejection failure occurs, the capping means seals the ejection port (nozzle) of the droplet ejection head 94, sucks out bubbles and the like from the ejection port with the suction means through the tube, and adheres to the ejection port surface. The dust and the like are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、本発明の液滴吐出装置においては、本発明の電気−機械変換素子を用いて作製した液滴吐出ヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
以下、本発明の実施例を説明する。
Thus, in the droplet discharge device of the present invention, since the droplet discharge head manufactured using the electro-mechanical conversion element of the present invention is mounted, there is no ink droplet discharge failure due to vibration plate drive failure, Stable ink droplet ejection characteristics can be obtained, and image quality can be improved.
Examples of the present invention will be described below.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.

<実施例1>
6インチシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、この上に、チタン膜(膜厚30nm)を成膜温度350℃でスパッタ装置にて成膜した後に、RTA法により750℃にて熱酸化して密着膜を形成した。引き続き密着膜上に、下部電極として、金属からなる第1の電極と、酸化物からなる第2の電極とを順次形成した。すなわち、白金膜を成膜温度550℃でスパッタ装置にて成膜して金属膜からなる第1の電極を膜厚100nmで形成した。この第1の電極上に、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:略称、「SRO」)膜をスパッタ装置にて成膜して酸化物膜からなる第2の電極を膜厚50nmで形成した。SROのスパッタ成膜時の基板加熱温度を450℃とし、成膜後のポストアニール処理(550℃)をRTA(Rapid Thermai Annealing)処理法(急速熱処理)を用いて実施した。スパッタ装置としては、1チャンバーに対して複数のターゲットが備え付けられたものを用いて成膜を実施した。
次に、電気−機械変換膜(ジルコン酸チタン酸鉛:PZT)用の前駆体塗布液として、Pb:Zr:Ti=115:53:47に調整された溶液を準備した。
具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/lにした。
合成したPZT前駆体溶液を用いて、スピンコートにより成膜し、合計24層の成膜工程により約2μmのPZT膜厚を得た。すなわち、1層〜2層の成膜後、120℃乾燥〜500℃に昇温し熱分解を行い、3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度750℃)をRTA(急速熱処理)にて行う工程(膜厚は240nm)を計8回(24層)実施し、約2μmのPZT膜厚とした。
<Example 1>
A thermal oxide film (film thickness: 1 micron) is formed on a 6-inch silicon wafer, and a titanium film (film thickness: 30 nm) is formed thereon by a sputtering apparatus at a film formation temperature of 350 ° C., and then 750 ° C. by an RTA method. Was thermally oxidized to form an adhesion film. Subsequently, a first electrode made of metal and a second electrode made of oxide were sequentially formed on the adhesion film as lower electrodes. That is, a platinum film was formed with a sputtering apparatus at a film formation temperature of 550 ° C. to form a first electrode made of a metal film with a film thickness of 100 nm. A strontium ruthenate (SrRuO 3 : abbreviated as “SRO”) film was formed on the first electrode by a sputtering apparatus to form a second electrode made of an oxide film with a thickness of 50 nm. The substrate heating temperature during the SRO sputter deposition was 450 ° C., and post-annealing (550 ° C.) after the deposition was performed using an RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment method (rapid heat treatment). As the sputtering apparatus, film formation was carried out using an apparatus provided with a plurality of targets for one chamber.
Next, a solution adjusted to Pb: Zr: Ti = 115: 53: 47 was prepared as a precursor coating solution for an electro-mechanical conversion film (lead zirconate titanate: PZT).
For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment. Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.5 mol / l.
Using the synthesized PZT precursor solution, a film was formed by spin coating, and a PZT film thickness of about 2 μm was obtained by a total of 24 film forming steps. That is, after film formation of one or two layers, the temperature is raised to 120 ° C. to 500 ° C. and pyrolyzed, and after the third layer pyrolysis treatment, crystallization heat treatment (temperature 750 ° C.) is RTA (rapid heat treatment). The process performed in step (film thickness is 240 nm) was performed a total of 8 times (24 layers) to obtain a PZT film thickness of about 2 μm.

次に、上部電極として、酸化物からなる第3の電極と、金属からなる第4の電極とを順次形成した。前記PZT膜上に、ルテニウム酸ストロンチウム(SRO)膜(膜厚40nm)をスパッタ装置にて成膜して酸化物膜からなる第3の電極を形成した。成膜温度は550℃とした。次いで、第3の電極上に白金膜(膜厚125nm)を成膜温度550℃でスパッタ装置にて成膜して金属膜からなる第4の電極を形成した。
その後、第4の電極面に東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて所定の電極パターンを作製した。
次に、第1の絶縁保護膜として、ALD(Atomic Layer Deposition)工法を用いてAl膜を50nm成膜した。原材料のAlについてはTMA(シグマアルドリッチ社)を用い、酸素(O)についてはオゾンジェネレーターによって発生させたOを用い、交互に積層させることで成膜を進めた。その後、エッチングによりコンタクトホール部を形成した。その後、第5、第6の電極としてAlをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。また、第2の絶縁膜としてSiをプラズマCVDにより500nm成膜し、電気−機械変換素子を作製した。
Next, as the upper electrode, a third electrode made of an oxide and a fourth electrode made of a metal were sequentially formed. On the PZT film, a strontium ruthenate (SRO) film (film thickness: 40 nm) was formed by a sputtering apparatus to form a third electrode made of an oxide film. The film forming temperature was 550 ° C. Next, a platinum film (film thickness: 125 nm) was formed on the third electrode by a sputtering apparatus at a film formation temperature of 550 ° C. to form a fourth electrode made of a metal film.
Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. is formed on the fourth electrode surface by spin coating, a resist pattern is formed by ordinary photolithography, and then a predetermined pattern is formed using an ICP etching apparatus (manufactured by Samco). An electrode pattern was prepared.
Next, as the first insulating protective film, an Al 2 O 3 film was formed to a thickness of 50 nm using an ALD (Atomic Layer Deposition) method. TMA (Sigma Aldrich) was used for the raw material Al, and O 3 generated by an ozone generator was used for oxygen (O). Thereafter, contact hole portions were formed by etching. Thereafter, Al was sputtered as the fifth and sixth electrodes and patterned by etching. Further, Si 3 N 4 was deposited to a thickness of 500 nm by plasma CVD as the second insulating film, and an electro-mechanical conversion element was produced.

作製した電気−機械変換素子を、分極処理装置を用いてコロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ50μmのタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度80℃、コロナ電圧9kV、グリッド電圧2.5kV、処理時間30s、コロナ電極−グリッド電極間距離4mm、グリッド電極−ステージ間距離4mmにて行った。また、第5、第6の電極に接続するための共通電極、個別電極PADを形成したが、個別電極間PADの距離は80μmとした。   The produced electro-mechanical conversion element was subjected to polarization treatment by corona charging treatment using a polarization treatment apparatus. For the corona charging treatment, a tungsten wire of φ50 μm is used. The polarization treatment conditions were a treatment temperature of 80 ° C., a corona voltage of 9 kV, a grid voltage of 2.5 kV, a treatment time of 30 s, a corona electrode-grid electrode distance of 4 mm, and a grid electrode-stage distance of 4 mm. Further, the common electrode and the individual electrode PAD for connecting to the fifth and sixth electrodes were formed, and the distance between the individual electrodes PAD was set to 80 μm.

<実施例2>
密着膜として、チタン膜を成膜温度400℃でスパッタ装置にて膜厚20nmで成膜し、第1の電極として、白金膜を成膜温度200℃でスパッタ装置にて成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜して膜厚20nmとした以外は、実施例1と同様にして電気−機械変換素子を作製した。
<Example 2>
As the adhesion film, a titanium film is formed at a film formation temperature of 400 ° C. by a sputtering apparatus with a film thickness of 20 nm, and as the first electrode, a platinum film is formed at a film formation temperature of 200 ° C. by a sputtering apparatus, and a second film is formed. An electro-mechanical transducer was prepared in the same manner as in Example 1 except that an SRO film was formed by a sputtering apparatus to a film thickness of 20 nm.

<実施例3>
密着膜として、チタン膜を成膜温度250℃でスパッタ装置にて成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜し、スパッタ成膜時の基板加熱温度を550℃としポストアニール処理を省略して膜厚150nmとした以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Example 3>
As the adhesion film, a titanium film is formed by a sputtering apparatus at a film formation temperature of 250 ° C., and as the second electrode, an SRO film is formed by a sputtering apparatus, and the substrate heating temperature during the sputtering film formation is 550 ° C. An electromechanical conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the post-annealing treatment was omitted and the film thickness was 150 nm.

<実施例4>
密着膜として、チタン膜を成膜温度300℃でスパッタ装置にて膜厚50nmで成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜し、スパッタ成膜時の基板加熱温度を300℃としポストアニール処理を550℃で行って膜厚60nmとした以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Example 4>
As the adhesion film, a titanium film is formed at a film formation temperature of 300 ° C. by a sputtering apparatus with a film thickness of 50 nm, and as the second electrode, an SRO film is formed by a sputtering apparatus, and the substrate heating temperature during the sputtering film formation Was made at 300 ° C., and post-annealing was performed at 550 ° C. to obtain a film thickness of 60 nm.

<実施例5>
第1の電極として、白金膜を成膜温度300℃でスパッタ装置にて成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜して膜厚60nmとした以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Example 5>
Example 1 except that a platinum film was formed as a first electrode by a sputtering apparatus at a film formation temperature of 300 ° C., and an SRO film was formed as a second electrode by a sputtering apparatus to a film thickness of 60 nm. As in Example 1, an electromechanical conversion element was produced.

<比較例1>
密着膜として、チタン膜を成膜温度200℃でスパッタ装置にて膜厚50nmで成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜し、スパッタ成膜時の基板加熱温度を600℃としポストアニール処理を省略して膜厚180nmとした以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative Example 1>
As the adhesion film, a titanium film is formed at a film formation temperature of 200 ° C. with a sputtering apparatus with a film thickness of 50 nm, and as the second electrode, an SRO film is formed with a sputtering apparatus, and the substrate heating temperature during the sputtering film formation Was made at 600 ° C. and the post-annealing treatment was omitted to obtain a film thickness of 180 nm.

<比較例2>
密着膜として、チタン膜を成膜温度450℃でスパッタ装置にて膜厚15nmで成膜し、第1の電極として、白金膜を成膜温度150℃で成膜し、第2の電極として、SRO膜をスパッタ装置にて成膜し、スパッタ成膜時の基板加熱温度を室温としポストアニール処理を550℃で行って膜厚10nmとした以外は、実施例1と同様に電気−機械変換素子を作製した。
<Comparative example 2>
As the adhesion film, a titanium film is formed at a film formation temperature of 450 ° C. by a sputtering apparatus with a film thickness of 15 nm, and as the first electrode, a platinum film is formed at a film formation temperature of 150 ° C., and as the second electrode, Electro-mechanical conversion element as in Example 1 except that the SRO film is formed by a sputtering apparatus, the substrate heating temperature during sputtering film formation is room temperature, and the post-annealing process is performed at 550 ° C. to a film thickness of 10 nm. Was made.

実施例1〜5及び比較例1〜2で作製した電気−機械変換素子について、プロセス過程において、成膜した直後もしくはRTA処理した直後に、X線回折法(XRD)により結晶性の評価を行った。
また、今回実施例1〜5及び比較例1〜2で作製した素子について、EBSD分析(下部電極側と上部電極側との間における結晶構造の占有状態をEBSD法により評価)を実施した。
実施例1〜5に関しては、図13に示すように、第2の電極膜側においては(111)面が見られ、第3の電極膜側においては(100)面、(001)面、もしくは(101)面、(011)面、もしくは(100)面、(001)面が15°傾いた面が方位として得られていることを確認した。
一方、比較例1〜2に関しては、図14に示すように、下部電極側で面内にランダムにPZT(111)面やPZT(001)もしくは(100)面が存在しており、PZT膜厚方向に対しては、各々の単一面しかないような結晶構造となっている。
The electromechanical transducers produced in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 2 were evaluated for crystallinity by X-ray diffraction (XRD) immediately after film formation or RTA treatment in the process. It was.
In addition, EBSD analysis (evaluation of the occupation state of the crystal structure between the lower electrode side and the upper electrode side was evaluated by the EBSD method) was performed on the devices manufactured in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 this time.
Regarding Examples 1 to 5, as shown in FIG. 13, the (111) plane is seen on the second electrode film side, and the (100) plane, (001) plane, or on the third electrode film side. It was confirmed that the (101) plane, the (011) plane, the (100) plane, and the (001) plane tilted by 15 ° were obtained as orientations.
On the other hand, regarding Comparative Examples 1 and 2, as shown in FIG. 14, the PZT (111) plane, the PZT (001) plane, or the (100) plane randomly exist in the plane on the lower electrode side. The crystal structure has only a single plane for each direction.

実施例1〜5及び比較例1〜2の電気−機械変換素子について、第1の電極(Pt)のFWHM、第2の電極(SOR)の膜厚、第2の電極(SOR)の(配向度)、電気−機械変換膜(PZT)全体としての優先となる面方位の配向度)、Int(χ=±5〜20°)/Int(χ=0°)、最大分極Pm値、分極率(Pr−Pind)を評価した結果を下記表1にまとめて示す。
上記FWHMは、第1の電極をX線回折法(XRD)により測定したときに面方位(111)とされる2θ(=39.7°近傍)を固定し、入射角(ω)のみを振って得られる最大ピーク値におけるωの半値幅を示す。
上記Int(χ=±5〜20°)/Int(χ=0°)は、電気−機械変換膜の面方位(100)もしくは(001)に対応する2θが最大ピークとなる位置でX線回折法(XRD)により測定したときの、あおり角(χ=0°)近傍でのピーク強度をInt(χ=0°)とし、あおり角(χ=±5〜20°)近傍でのピーク強度をInt(χ=±5〜20°)として求めたものである。
上記最大分極Pm値は、分極処理された電気−機械変換素子のP−Eヒステリシス測定(電界強度:±150kV/cm)における最大分極の値である。
上記分極率(Pr−Pind)は、分極処理された電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけてヒステリシスループを測定したときの、最初の0kV/cm時の分極をPind(μC/cm)とし、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPr(μC/cm)として求めたものである。
実施例1〜5及び比較例1〜2で作製した電気−機械変換素子を用いて電気特性、電気−機械変換能(圧電定数:d31)の評価を行った。
代表的なP−Eヒステリシス曲線を図22に示す。電気−機械変換能は電界印加(150kV/cm)による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性を評価した後に、耐久性(1010回繰り返し印可電圧を加えた直後の特性)評価を実施した。これらの詳細結果について表1にまとめた。
About the electromechanical conversion element of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2, the FWHM of the first electrode (Pt), the film thickness of the second electrode (SOR), and the (orientation) of the second electrode (SOR) Degree), orientation degree of the preferred plane orientation as the whole electro-mechanical conversion film (PZT)), Int (χ = ± 5 to 20 °) / Int (χ = 0 °), maximum polarization Pm value, polarizability The results of evaluating (Pr-Pind) are summarized in Table 1 below.
The FWHM fixes 2θ (near 39.7 °), which is the plane orientation (111) when the first electrode is measured by X-ray diffraction (XRD), and swings only the incident angle (ω). The full width at half maximum of ω at the maximum peak value obtained by
The above Int (χ = ± 5 to 20 °) / Int (χ = 0 °) is an X-ray diffraction at a position where 2θ corresponding to the plane orientation (100) or (001) of the electromechanical conversion film is the maximum peak. The peak intensity near the tilt angle (χ = 0 °) when measured by the method (XRD) is Int (χ = 0 °), and the peak intensity near the tilt angle (χ = ± 5 to 20 °) is It is determined as Int (χ = ± 5 to 20 °).
The maximum polarization Pm value is the value of maximum polarization in the PE hysteresis measurement (electric field strength: ± 150 kV / cm) of the electromechanical conversion element subjected to the polarization treatment.
The polarizability (Pr-Pind) is the initial polarization at 0 kV / cm when a hysteresis loop is measured by applying an electric field strength of ± 150 kV / cm to a polarized electro-mechanical transducer. / cm 2 ), and the polarization at 0 kV / cm when the voltage is returned to 0 kV / cm after applying a voltage of +150 kV / cm is obtained as Pr (μC / cm 2 ).
Electrical characteristics and electro-mechanical conversion ability (piezoelectric constant: d31) were evaluated using the electromechanical conversion elements prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
A typical PE hysteresis curve is shown in FIG. The electromechanical conversion ability was calculated from the amount of deformation caused by electric field application (150 kV / cm) measured with a laser Doppler vibrometer and adjusted by simulation. After evaluating the initial characteristics, durability (characteristics immediately after applying the applied voltage 10 to 10 times) was evaluated. These detailed results are summarized in Table 1.

実施例1〜5については初期特性、耐久性試験後の結果についても一般的なセラミック焼結体と同等の特性を有していた(圧電定数は−130〜−160pm/V程度)。
一方、比較例1については、若干初期特性としては一般的なセラミックス焼結体に比べて特性が劣る。さらに1010回後(1010回繰り返し印加電圧を加えた直後)の特性では実施例1〜5に比べて、比較例2は圧電定数において大きく劣化しているのが確認された。
About Examples 1-5, it had the characteristic equivalent to a general ceramic sintered compact also about the initial characteristic and the result after a durability test (piezoelectric constant is about -130 to -160 pm / V).
On the other hand, Comparative Example 1 is slightly inferior to the general ceramic sintered body in terms of initial characteristics. In yet characteristic after 10 10 times (immediately after the addition of 10 10 times repeatedly applied voltage) as compared with Examples 1-5, Comparative Example 2's has deteriorated significantly in the piezoelectric constant has been confirmed.

実施例1〜5で作製した電気−機械変換素子を用いて図23に示す液滴吐出ヘッドを作製し、インクの吐出評価を行った。すなわち、粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔からも吐出できていることを確認した。   A droplet discharge head shown in FIG. 23 was manufactured using the electro-mechanical conversion element manufactured in Examples 1 to 5, and ink discharge was evaluated. That is, when the applied state of -10 to -30V was applied with a simple Push waveform using ink whose viscosity was adjusted to 5 cp, it was confirmed that all of the nozzle holes could be discharged. did.

すなわち、本発明の電気−機械変換素子は電気−機械変換膜の変位量がインク吐出特性を良好に保持できるだけ十分確保されると共に、連続吐出しても変位量の劣化が十分抑制され、安定したインク吐出特性を得ることができ、セラミック焼結体と同等の特性(圧電定数)を保持している。
このような電気−機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッドを構成すれば吐出安定性と耐久性に優れているため、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等の液滴吐出装置に応用できるほか、三次元造型技術などへの応用も可能である。
In other words, the electro-mechanical conversion element of the present invention has a sufficient amount of displacement of the electro-mechanical conversion film as long as it can maintain the ink ejection characteristics satisfactorily. Ink discharge characteristics can be obtained, and characteristics (piezoelectric constant) equivalent to those of the ceramic sintered body are maintained.
If a droplet discharge head is configured using such an electro-mechanical conversion element, it has excellent discharge stability and durability, so it can be applied to printers used in offices, personal printers, MFPs, and other droplet discharge devices. Application to three-dimensional molding technology is also possible.

(図1)
101 圧力室
102 ノズル
103 ノズル板
104 圧力室基板(Si基板)
105 下地
106 下部電極
107 電気−機械変換膜
108 上部電極
109 電気−機械変換素子
(図5)
101 基板
102 振動版
103 下部電極
104 電機−機械変換膜
105 上部電極
(図6)
201 基板
202 振動版
203 第1の電極
204 第2の電極
205 電機−機械変換膜
206 第3の電極
207 第4の電極
(図18)
181(a)、(b) 第1の電極、第2の電極
182(a)、(b) 第3の電極、第4の電極
183 電気−機械変換膜
184 第1の絶縁保護膜
185(a)、(b) 第5の電極、第6の電極
186 第2の絶縁保護膜
187 個別電極PAD
188 共通電極PAD
189 コンタクトホール
183 電気−機械変換膜
184 第1の絶縁保護膜
(図19)
191 コロナ電極
192 グリッド電極
193 コロナ電源
194 グリッド電源
195 サンプルステージ
196 アース
(図23)
901 圧力室
902 ノズル
903 ノズル板
904 圧力室基板(Si基板)
905 振動板
906 密着層
907 電気−機械変換素子
(図24、図25)
81 記録装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 トレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112 拍車
113 排紙ローラ
114 拍車
115 ガイド部材
116 ガイド部材
117 回復装置
(Figure 1)
101 Pressure chamber 102 Nozzle 103 Nozzle plate 104 Pressure chamber substrate (Si substrate)
105 Base 106 Lower electrode 107 Electro-mechanical conversion film 108 Upper electrode 109 Electro-mechanical conversion element (FIG. 5)
101 Substrate 102 Vibrating plate 103 Lower electrode 104 Electric-mechanical conversion film 105 Upper electrode (FIG. 6)
201 Substrate 202 Vibrating plate 203 1st electrode 204 2nd electrode 205 Electromechanical-mechanical conversion film 206 3rd electrode 207 4th electrode (FIG. 18)
181 (a), (b) First electrode, second electrode 182 (a), (b) Third electrode, fourth electrode 183 Electro-mechanical conversion film 184 First insulating protective film 185 (a ), (B) 5th electrode, 6th electrode 186 2nd insulation protective film 187 Individual electrode PAD
188 Common electrode PAD
189 Contact hole 183 Electro-mechanical conversion film 184 First insulating protective film (FIG. 19)
191 Corona electrode 192 Grid electrode 193 Corona power supply 194 Grid power supply 195 Sample stage 196 Ground (FIG. 23)
901 Pressure chamber 902 Nozzle 903 Nozzle plate 904 Pressure chamber substrate (Si substrate)
905 Vibration plate 906 Adhesion layer 907 Electro-mechanical conversion element (FIGS. 24 and 25)
81 Recording Device Body 82 Printing Mechanism Unit 83 Paper 84 Paper Feed Cassette 85 Tray 86 Paper Discharge Tray 91 Main Guide Rod 92 Subordinate Guide Rod 93 Carriage 94 Head 95 Ink Cartridge 97 Main Scanning Motor 98 Drive Pulley 99 Driven Pulley 100 Timing Belt 101 Feed Paper roller 102 Friction pad 103 Guide member 104 Transport roller 105 Transport roller 106 Front roller 107 Sub-scanning motor 109 Printing receiving member 111 Transport roller 112 Spur 113 Discharge roller 114 Spur 115 Guide member 116 Guide member 117 Recovery device

特開2004−186646号公報JP 2004-186646 A 特開2004−262253号公報JP 2004-262253 A 特開2003−218325号公報JP 2003-218325 A 特開2007−258389号公報JP 2007-258389 A 特許第4099818号公報Japanese Patent No. 4099818 特許第3249496号公報Japanese Patent No. 3249696 特許第3472087号公報Japanese Patent No. 3472877 特許第3782401号公報Japanese Patent No. 3784401 特開2003−282987号公報JP 2003-282987 A 特許第3817729号公報Japanese Patent No. 3817729 特許第4572346号公報Japanese Patent No. 4572346 特開2008−24532号公報JP 2008-24532 A 特開2007−96248号公報JP 2007-96248 A 特許第4717344号公報Japanese Patent No. 4717344 特許第5127268号公報Japanese Patent No. 5127268 特許第5041765号公報Japanese Patent No. 5041765 特開2013−065697号公報JP 2013-065697 A

Claims (16)

基板または下地膜上に形成された下部電極と、
該下部電極上に形成された電気−機械変換膜と、
該電気−機械変換膜上に形成された上部電極とを有する電気−機械変換素子であって、
前記電気−機械変換膜をX線回折法(XRD)によりθ-2θで測定したときの結晶構造の優先となる面方位を(l m n)面[l、m、nは0または1]で表したとき、前記電気−機械変換膜を構成する結晶構造が、優先面となる面方位となる(111)面及び該(111)面以外の非優先面となる面方位を持ち、
前記電気−機械変換膜において、前記下部電極層側に存在する前記優先面及び前記非優先面が占める占有割合をそれぞれR (優先面)、R (非優先面)とし、前記上部電極層側に存在する前記優先面及び前記非優先面が占める占有割合をそれぞれR (優先面)、R (非優先面)としたときに、R (優先面)>R (優先面)、かつ、R (非優先面)>R (非優先面)を満たし、
前記電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけてヒステリシスループを測定したときの、最初の0kV/cm時の分極をPind(μC/cm )とし、+150kV/cmの電圧印加後0kV/cmまで戻したときの0kV/cm時の分極をPr(μC/cm )としたときに、Pr−Pindで算出される分極率が10μC/cm 以下であることを特徴とする電気−機械変換素子。
A lower electrode formed on a substrate or a base film;
An electro-mechanical conversion film formed on the lower electrode;
Electrical - electrical to have a upper electrode formed on the transducer layer - a transducer,
When the electro-mechanical conversion film is measured by X-ray diffraction (XRD) at θ-2θ, the plane orientation preferential to the crystal structure is (l m n) plane [l, m, n is 0 or 1]. When expressed, the crystal structure constituting the electro-mechanical conversion film has a (111) plane that is a plane orientation to be a priority plane and a plane orientation that is a non-priority plane other than the (111) plane,
In the electro-mechanical conversion film, the occupation ratios occupied by the priority surface and the non-priority surface existing on the lower electrode layer side are R lower (priority surface) and R lower (non-priority surface), respectively, and the upper electrode layer the priority face and the non-priority face occupies occupancy respectively on R present on the side (priority face), when the on R (non-priority face), R under (priority plane)> on R (priority face) And R top (non-priority surface)> R bottom (non-priority surface)
When the hysteresis loop is measured by applying an electric field strength of ± 150 kV / cm to the electro-mechanical transducer, the initial polarization at 0 kV / cm is Pin (μC / cm 2 ), and a voltage of +150 kV / cm is applied. When the polarization at 0 kV / cm when returned to 0 kV / cm is Pr (μC / cm 2 ), the polarizability calculated by Pr-Pind is 10 μC / cm 2 or less. A mechanical transducer.
前記非優先面が(100)面もしくは(001)面であることを特徴とする請求項1に記載の電気−機械変換素子。 2. The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the non-priority plane is a (100) plane or a (001) plane. 前記(100)面もしくは(001)面が、前記基板面に対して±5°〜25°の範囲で傾いたことを特徴とする請求項に記載の電気−機械変換素子。 3. The electromechanical transducer according to claim 2 , wherein the (100) plane or the (001) plane is inclined within a range of ± 5 ° to 25 ° with respect to the substrate surface. 前記(111)面の下記式(1)により算出される平均配向度が0.50以上0.99以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
ρ=I(l m n)/ΣI(l m n)・・・(1)
〔式(1)中、ρは平均配向度、l、m、nは0または1を示し、分母は各ピーク強度の総和、分子は任意の配向のピーク強度を表す。〕
The (111) plane of electricity according to any one of claims 1 to 3 mean degree of orientation is calculated by the following equation (1) is characterized in that 0.50 to 0.99 - transducer .
ρ = I (l m n) / ΣI (l m n) (1)
[In the formula (1), ρ represents the average degree of orientation, l, m, and n represent 0 or 1, the denominator represents the sum of the peak intensities, and the numerator represents the peak intensity of an arbitrary orientation. ]
前記電気−機械変換膜の面方位(100)もしくは(001)に対応する2θが最大ピークとなる位置でX線回折法(XRD)により測定したときの、あおり角(χ=0°)近傍でのピーク強度をInt(χ=0°)とし、あおり角(χ=±5〜20°)近傍でのピーク強度をInt(χ=±5〜20°)としたときに、
Int(χ=±5〜20°)/Int(χ=0°)が0.5以上5.0以下であることを特徴とする請求項またはに記載の電気−機械変換素子。
Near the tilt angle (χ = 0 °) when measured by X-ray diffraction (XRD) at the position where 2θ corresponding to the plane orientation (100) or (001) of the electro-mechanical conversion film is the maximum peak. When the peak intensity of Int (χ = 0 °) and the peak intensity in the vicinity of the tilt angle (χ = ± 5 to 20 °) is Int (χ = ± 5 to 20 °),
Int (χ = ± 5~20 °) / Int electrical of claim 2 or 3 (χ = 0 °) is characterized in that 0.5 to 5.0 - mechanical conversion element.
前記電気−機械変換膜が、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)からなることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の電気−機械変換素子。 The electro-mechanical conversion element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the electro-mechanical conversion film is made of lead zirconate titanate (PZT). 前記下部電極が、金属からなる第1の電極と、該第1の電極上に設けられた酸化物からなる第2の電極とから形成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の電気−機械変換素子。 The said lower electrode is formed from the 1st electrode consisting of a metal, and the 2nd electrode consisting of the oxide provided on this 1st electrode, The any one of Claim 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. An electro-mechanical conversion element according to claim 1. 前記上部電極が、酸化物からなる第3の電極と、該第3の電極上に設けられた金属からなる第4の電極とから形成されていることを特徴とする請求項7に記載の電気−機械変換素子。 8. The electricity according to claim 7, wherein the upper electrode is formed of a third electrode made of an oxide and a fourth electrode made of a metal provided on the third electrode. A mechanical transducer. 前記第1の電極が面方位(111)を有する白金(Pt)族の元素からなり、前記第2の電極と第3の電極がルテニウム酸ストロンチウム(SRO)からなることを特徴とする請求項に記載の電気−機械変換素子。 Claim 8, wherein the first electrode is made of platinum (Pt) group element having a plane orientation (111), said second electrode and the third electrode is characterized by comprising a strontium ruthenate (SRO) The electromechanical conversion element described in 1. 前記第2の電極がペロブスカイト構造を有し、優先となる面方位が(111)面であり、非優先となる面方位が(110)面もしくは(100)面であって、
該第2の電極をX線回折法(XRD)によりθ-2θで測定し、試料面に対するあおり角(χ)をパラメータとしたときの2θ=32°の位置での各ピーク強度を、下記;
χ=0°近傍でのピーク強度:SRO(110)Int、
χ=35°近傍でのピーク強度:SRO(111)Int、
χ=45°近傍でのピーク強度:SRO(100)Int、
のように表したときに、
SRO(111)Int/[SRO(100)Int+SRO(110)Int+SRO(111)Int]が0.5以上0.99以下であることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
The second electrode has a perovskite structure, the preferential plane orientation is the (111) plane, and the non-preferred plane orientation is the (110) plane or the (100) plane,
The second electrode is measured by X-ray diffractometry (XRD) at θ-2θ, and each peak intensity at a position of 2θ = 32 ° when the tilt angle (χ) with respect to the sample surface is used as a parameter is as follows:
Peak intensity near χ = 0 °: SRO (110) Int,
Peak intensity near χ = 35 °: SRO (111) Int,
Peak intensity near χ = 45 °: SRO (100) Int,
When expressed as
SRO (111) Int / [SRO (100) Int + SRO (110) Int + SRO (111) Int] is according to any one of claims 7 to 9, characterized in that 0.5 to 0.99 electro - Mechanical conversion element.
前記第2の電極の膜厚が20nm以上150nm以下であることを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の電気−機械変換素子。 Electrical according to any one of claims 7 to 10, wherein the thickness of the second electrode is 20nm or more 150nm or less - mechanical conversion element. 前記第1の電極をX線回折法(XRD)により測定したときに面方位(111)とされる2θ(=39.7°近傍)を固定し、入射角(ω)のみを振って得られる最大ピーク値におけるωの半値幅(FWHM)が2.5°以上7.0°以下であることを特徴とする請求項乃至11のいずれかに記載の電気−機械変換素子。 When the first electrode is measured by X-ray diffraction (XRD), 2θ (near 39.7 °) which is the plane orientation (111) is fixed and only the incident angle (ω) is shaken. The electromechanical conversion element according to any one of claims 7 to 11 , wherein a half width (FWHM) of ω at the maximum peak value is 2.5 ° or more and 7.0 ° or less. 前記電気−機械変換素子が、コロナ放電により発生した電荷の注入により分極処理されたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の電気−機械変換素子。 The electro - mechanical conversion element, an electric according to any one of claims 1 to 12, characterized in that is polarized by the injection of electric charges generated by corona discharge - mechanical conversion element. 前記分極処理された電気−機械変換素子に±150kV/cmの電界強度をかけたときのP−Eヒステリシスにおいて、最大分極Pm値が35μC/cm以上55μC/cm以下であることを特徴とする請求項13に記載の電気−機械変換素子。 The maximum polarization Pm value is 35 μC / cm 2 or more and 55 μC / cm 2 or less in PE hysteresis when an electric field strength of ± 150 kV / cm is applied to the polarized electro-mechanical transducer. The electromechanical conversion element according to claim 13 . 液滴を吐出するノズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備え、該吐出駆動手段として前記加圧室の壁の一部を振動板で構成し、該振動板上に請求項1乃至14のいずれかに記載の電気−機械変換素子を配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A nozzle for discharging droplets, a pressurizing chamber that communicates with the nozzle, and a discharge driving unit that pressurizes the liquid in the pressurizing chamber, and vibrates a part of the wall of the pressurizing chamber as the discharge driving unit. and a plate, an electric according to any one of claims 1 to 14 in the diaphragm on - droplet discharge head is characterized in that a mechanical conversion element. 請求項15に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。 A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 15 .
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