CN100339218C - 压电膜元件及其制造方法和液体吐出头 - Google Patents
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Abstract
提供一种压电膜元件及其制造方法和液体吐出头。在作为例如液体吐出头的振动板的基体(11)上，形成由阳极氧化等形成的多孔硅等的多孔层(12)，在其上外延生长单晶薄膜(13)。在单晶薄膜(13)上层叠下电极(14)、压电膜(15)、上电极(16)，通过加热处理使压电膜(15)单晶化或成为高取向的多晶体，通过夹有多孔层(12)，可以缓和由基体(11)和压电膜(15)之间的热膨胀差造成的应力。
Description
技术领域
本发明涉及在喷墨打印机等液体吐出记录装置的液体吐出头、麦克风、扬声器等的发声体、各种振动子和谐振子、以及各种传感器等的驱动部等中适用的压电膜元件及其制造方法和液体吐出头。
背景技术
迄今为止，采用了具有压电性的介电体薄膜(压电膜)的压电膜元件，作为把电能转换成机械能的能量变换元件，在传感器和致动器中被广泛利用，尤其是作为最近被关注的应用例，是在喷墨打印机等上搭载的液体吐出头的压电致动器。
该液体吐出头的压电致动器的压电膜元件，一般包括压电膜、和夹着该压电膜配置的上电极、下电极而构成。作为压电膜的组成，已知有以钛酸锆酸铅(PZT)为主要成分的二成分系、或在该二成分系中添加了第三成分的三成分系，而作为压电膜的制造方法，采用溅射法、溶胶凝胶法、CVD法等。
在日本专利申请特开平08-078748号中公开了以这样的PZT作为主要成分的压电膜和喷墨式记录头。
图5展示了特开平08-078748号公报中公开的一般的压电膜元件的膜结构，该压电膜元件具有：作为基体的硅基板101、硅热氧化膜102、下电极103、压电膜104、上电极105，且在上、下电极103、105和压电膜104之间分别设置了密接层103a、105a。
近年来的喷墨式打印机实现了接近照片的画质，但要求画质更加提高、印刷速度提高的消费者的要求更加强烈，液体吐出头记录装置的压电致动器要求更大的位移量，同时要求低耗电化和小型化。因此，需要开发具有更高压电特性的压电膜。为了在压电膜中得到良好的压电常数，通常需要在500～700℃以上进行热处理，但在现有的压电膜元件中，具有图5所示的硅基板、压电膜、下电极、上电极等的热膨胀系数不同的物质的层叠结构，由于上述加热工序因热膨胀差而产生应力，由此引起了压电膜的压电性的降低和裂纹的产生等。作为基体，如果采用具有与压电膜同等的热膨胀系数的材料，可以减小加到压电膜上的应力，但还存在对可使用的基板材料、制作工艺有很多限制之类的问题。而且，虽然使基体的厚度成为与压电膜大致相同或比其更薄也可以减小应力，但由于是几微米到几十微米的厚度，处理起来极其困难，迄今是不可能也是不现实的。
作为缓和应力的提案，在特开平10-095111号中提出了下电极是两层以上的金属膜，使第一层的金属膜粒子比第二层的金属膜粒子小的结构。利用该结构，由于下电极产生与基板的翘曲相反方向的翘曲，可以减小加在压电膜上的应力。
但是，在特开平10-095111号中公开的膜结构中，作为致动器使用至少压电膜时，下电极的厚度必须与压电膜相等或比压电膜更薄，通常为≤0.5μm。与此相对，基板的厚度通常为≥400μm，可以认为用下电极降低基板的热畸变的影响的效果不大。
发明内容
本发明正是鉴于上述现有技术具有的未解决的问题而提出的，其目的在于通过在压电膜元件的基体和压电膜之间夹着多孔层，提供可以减小因与基体的热膨胀差等产生的压力，抑制制造工序中的压电膜的性能劣化和剥落、裂纹等的发生，对液体吐出头等的高性能且高密度化、低价格化等有贡献的压电膜元件及其制造方法和液体吐出头。
为了实现上述目的，本发明提供一种压电膜元件，其特征在于包括：基体；在该基体上形成的多孔层；在该多孔层上形成的单晶或单一取向性的薄膜；以及在该薄膜上形成的压电膜。
优选地，上述基体包含硅，上述多孔层包含多孔硅。
优选地，在上述压电膜和上述薄膜之间还夹有氧化膜层。
本发明还提供一种压电膜元件的制造方法，其特征在于包括：在基体上形成多孔层的多孔形成工序；在上述多孔层上外延生长单晶或单一取向性的薄膜的工序；以及在上述薄膜上形成压电膜的工序。
优选地，上述多孔形成工序是通过基体表面的阳极氧化形成多孔层的工序。
优选地，在上述压电膜和上述薄膜之间设有导电层。
本发明还提供一种液体吐出头，用压电驱动力对压力产生室内的液体加压，从吐出口吐出液体，其特征在于包括：设置有上述压力产生室的流路基板；在该流路基板上与上述压力产生室对应地设置的振动板，在该振动板上形成的多孔层；在该多孔层上形成的单晶或单一取向性的薄膜；在该薄膜上形成的压电膜；以及向该压电膜供给电力的电极。
用来使压电膜单晶化或成为高取向的多晶体的单晶薄膜，是隔着基体上的多孔层通过外延生长层叠的膜，可以使单晶薄膜的厚度为与压电膜同等的厚度。而且，由于多孔层用作应力缓和层，来自基体的约束变弱，大幅度减小了因热膨胀系数差在压电膜上产生的应力，可获得高品质的压电膜。
如果单晶薄膜是硅，多孔层是多孔硅，基体是硅，通过使用作为半导体材料、MEMS的材料广泛研究的已利用的硅，可以促进低成本化。而且，对加工方法也已进行广泛的研究，可以选择各种各样的加工法。
在压电膜和单晶薄膜之间设置的氧化膜层，用作对压电膜热处理时的相互扩散的防止层。尤其是在作为压电材料使用包含铅等的易扩散的元素的压电材料时是合适的。
另外，在作为氧化膜层采用取向性高的膜或单晶氧化膜，且作为压电膜采用单晶的场合中是合适的。在该氧化膜层上用导电性氧化膜作电极的方式也是优选的。只要压电膜是包含铅、钛、锆中的任一种或全部的压电膜，就能得到具有优良压电性能的压电膜。
这样，通过在多孔层上外延生长单晶薄膜，在单晶薄膜上配设压电膜，就可以降低加到压电膜上的应力，形成低应力高性能的压电膜。
如果形成多孔层的方法是阳极氧化，就可以形成所期望的密度的多孔状态。
通过使用这样以低应力稳定制造的高品质的压电膜，可以对液体吐出头等的高精细化和低成本化等作出贡献。
附图说明
图1是展示根据实施方式1的压电膜元件的膜结构的图。
图2是展示根据实施方式2的压电膜元件的膜结构的图。
图3A、3B、3C是说明图1的压电膜元件的制造工序的图；
图4A、4B是展示液体吐出头的主要部分的图，图4A是其示意部分剖面图，图4B是展示压力产生室等的配置图的平面图。
图5是展示根据一现有例的压电膜元件的膜结构的图。
具体实施方式
图1展示了根据实施方式1的压电膜元件的膜结构，在单晶基体11上形成多孔层12，在多孔层12上形成单晶或单一取向性的薄膜(以下称“单晶薄膜”)13，在其上依次层叠下电极14、压电膜15、上电极16。
图2展示了根据实施方式2的压电膜元件的膜结构，在单晶薄膜13和下电极14之间设置了用来防止扩散的氧化膜层23。基体11、多孔层12、单晶薄膜13、压电膜15和作为电极单元的上下电极16、14与实施方式1相同，用同一附图标记表示，说明省略。
下面，基于图3A、3B、3C说明图1的压电膜元件的制造工序。首先，如图3A所示，在基体11上形成多孔层12。作为多孔层12的形成方法，可以用阳极氧化和溶胶凝胶法等。作为多孔层12的材料，可以用多孔硅、多孔镓砷、多孔氧化铝、多孔氧化钛等。而且，也可以由含有碳或未烧结性的陶瓷的材料构成。作为多孔层12的厚度，几微米～几十微米就足够了。
然后，如图3B所示，在多孔层12上通过外延生长形成单晶薄膜13。考虑压电膜15的材料和膜厚来决定单晶薄膜13的膜厚，单晶薄膜13的膜厚是与压电膜15的膜大致相同或比其更薄，优选为≤2μm。作为此时的外延生长法可以用CVD法和PVD法等。另外，把在另一基板上通过外延生长层叠的单晶与多孔层12接合作为单晶薄膜13也可以。
另外，如图2所示，如果在单晶薄膜13上形成氧化膜层23，在采用易扩散的元素时可以防止扩散。另外，作为压电膜15采用取向性高的膜和单晶膜时是合适的。作为氧化膜层23的材料可以采用SiO2、YSE、MgO、Al2O3、LaAlO3、Ir2O3、SRO、STO等。
形成单晶薄膜13后，如图3C所示，依次形成下电极14、压电膜15、上电极16。作为下电极14可以采用例如Ti膜和铂膜等的密接层和金属层的组合、或Ir2O3等的导电性氧化物晶体等，但应考虑压电膜15的材料、制作方法等选择优选的材料。
形成下电极14后，形成压电膜15。作为压电膜15，可以是例如钛酸锆酸铅(PZT)、钛酸钡、钛酸锆酸钡、或在它们中添加了Mn、Nb、La、Ge等的元素的材料。另外，是单晶，是多晶都可以。作为压电膜15的形成方法，可以用溅射法、溶胶凝胶法、水热合成法、激光烧融法、气体淀积法等。压电膜15形成后，形成上电极16。作为上电极16的材料可以用与下电极14相同的材料。
图4A和4B展示了搭载了图1的压电膜元件的液体吐出头的结构。如图4所示，由作为流路基板的Si基板构成的本体部1具有作为吐出口2、压力产生室3、共用液室4等的沟槽，以堵塞本体部1的上部开口的方式接合压电膜元件的基体11，压电膜15和上电极16按图4B所示的压力产生室3的形状构图。通过向压电膜元件的下电极14、上电极16供给驱动电力，在压电膜15上产生变形畸曲，通过作为振动板的基体11对压力产生室3内的液体加压，从吐出口2吐出。
(实施例1)
本实施例是在图1的膜结构的压电膜元件中，在硅基体上形成多孔硅，外延生长单晶硅后形成多晶PZT。首先，如图3A所示，作为基体11采用厚625μm的5英寸p型(100)单晶硅基板，在49％HF溶液中进行阳极氧化，形成作为多孔层12的多孔硅层。在电流密度为100mA/cm2时多孔化速度为8.4μm/min，进行约2.5分钟的阳极氧化得到了20μm厚的多孔层。然后，如图3B所示，在多孔层12上用CVD法外延生长2μm厚的单晶硅，作为硅的单晶薄膜13。外延生长的条件如下：
使用气体：SiH4/H2气体流量：0.62/140(l/min)
温度：750℃
压力：10640Pa
生长速度：0.12μm/min
然后，为了防止扩散，在水蒸汽气氛中进行1100℃的热处理，在作为外延生长层的单晶薄膜13上形成0.1μm厚的图中未示出的热氧化膜。
接着，如图3C所示，依次形成了下电极14、压电膜15、上电极16。首先，作为下电极14，用溅射法依次层叠了4nm的Ti、150nm的Pt。溅射条件如下：
RF频率：13.56MHz
RF功率：300W
溅射压力：0.67Pa
Ar流量：30sccm
在该条件下，Ti的形成速度约为4.8nm/min，Pt的形成速度约为14nm/min。然后用溅射法形成约3μm的PZT。PZT的溅射条件如下：
RF频率：13.56MHz
RF功率：200W
溅射压力：3Pa
Ar流量：50sccm
在该条件下PZT的形成速度约为5.5nm/min，用溅射法形成膜后，在氧气氛中进行5小时的700℃的热处理，形成压电膜15。用X射线衍射法评价了该具有压电性的PZT膜，确认了是高取向的多晶体。最后，用溅射法依次层叠4nm的Ti、150nm的Pt，作为上电极16。溅射条件与下电极14相同。
(实施例2)
本实施例是在图2所示的膜结构的压电膜元件中，在硅基体上形成多孔硅，外延生长单晶硅后形成单晶的PZT。图2中的基体11是625μm厚的5英寸p型(100)硅，多孔层12是多孔硅，单晶薄膜13是外延生长的单晶硅，下电极14是导电性氧化物单晶，压电膜15是单晶PZT，在其上形成上电极16。
与实施例1同样地，在HF溶液中阳极氧化p型硅的基体11，形成由多孔硅构成的多孔层12。多孔硅层的厚度和阳极氧化的条件与实施例1相同。然后，与实施例1同样地形成由厚2μm的外延生长单晶(100)硅膜构成的单晶薄膜13。然后，作为氧化膜层23，在800℃下溅射形成(100)YSE，以40℃以上的冷却速度冷却，形成0.3μm的单晶YSE。
然后，作为下电极14用溅射法形成0.5μm的(111)Pt，在其上在600℃下的依次形成(111)PT、(111)PZT，成为3.5μm厚的压电膜15。另外，此时，在由(100)YSE构成的氧化膜层23和由外延生长单晶(100)硅膜构成的单晶薄膜13的界面上形成0.02μm的SiO2。用X射线衍射法研究了压电膜15的结晶性，确认是(111)取向为99％以上的单晶PZT。最后，作为上电极16，用溅射法层叠了4nm的Ti和150nm的Pt。
在上述实施例1和实施例2中，通过夹着在基体上形成的多孔层，减小了因与基体的热膨胀系数不同等导致的在压电膜中产生的应力，有效地避免了制造工序中的压电膜的剥落和裂纹的发生等，可以以高密度稳定地制造具有优良压电特性的压电膜元件。通过把这样的压电膜元件作为压电致动器来搭载，可以对液体吐出头的高性能化、高精细化、低价格化做出贡献。
Claims (7)
1.一种压电膜元件，其特征在于包括：基体；在该基体上形成的多孔层；在该多孔层上形成的单晶或单一取向性的薄膜；以及在该薄膜上形成的压电膜。
2.根据权利要求1所述的压电膜元件，其特征在于：上述基体包含硅，上述多孔层包含多孔硅。
3.根据权利要求1所述的压电膜元件，其特征在于：在上述压电膜和上述薄膜之间还夹有氧化膜层。
4.一种压电膜元件的制造方法，其特征在于包括：
在基体上形成多孔层的多孔形成工序；
在上述多孔层上外延生长单晶或单一取向性的薄膜的工序；以及
在上述薄膜上形成压电膜的工序。
5.根据权利要求4所述的压电膜元件的制造方法，其特征在于：上述多孔形成工序是通过基体表面的阳极氧化形成多孔层的工序。
6.根据权利要求4所述的压电膜元件的制造方法，其特征在于：在上述压电膜和上述薄膜之间设有导电层。
7.一种液体吐出头，用压电驱动力对压力产生室内的液体加压，从吐出口吐出液体，其特征在于包括：设置有上述压力产生室的流路基板；在该流路基板上与上述压力产生室对应地设置的振动板，在该振动板上形成的多孔层；在该多孔层上形成的单晶或单一取向性的薄膜；在该薄膜上形成的压电膜；以及向该压电膜供给电力的电极。
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