DE60316857T2

DE60316857T2 - Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Bauelements und eines Flüssigkeitsstrahlkopfes

Info

Publication number: DE60316857T2
Application number: DE2003616857
Authority: DE
Inventors: Masami Suwa-shi Murai; Li Suwa-shi Xin-Shan
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: DE60316857D1; EP1329964B1; US20050078153A1; JP4530615B2; EP1763093A1; CN1438117A; US20030227518A1; EP1329964A3; US7328490B2; EP1329964A2; EP1763093B1; JP2004104066A; DE60327379D1; US6883901B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes mit einer elektromechanischen Umwandlungsfunktionalität und/oder einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf, der dieses piezoelektrische Element besitzt. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein piezoelektrisches Element, das hervorragende piezoelektrische Eigenschaften besitzt, wenn es in einem Flüssigkeits-Ausstoßkopf genutzt wird, sie betrifft einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf mit dieser Eigenschaft sowie ein Verfahren zum Herstellen des Genannten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe sowie andere Flüssigkeits-Ausstoßköpfe nutzen piezoelektrische Elemente als Antriebsquellen zum Ausstoßen von Tintentropfen und anderen Flüssigkeitstropfen. Derartige piezoelektrische Elemente umfassen üblicherweise piezoelektrische Dünnfilme und obere und untere Elektroden, die auf beiden Seiten des Dünnfilms angeordnet sind.
Piezoelektrische Elemente mit verbesserten Eigenschaften wurden durch Konstruieren einer Dünnfilm-Kristallstruktur, die Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) umfasst, und Ausbilden eines Ti-Kerns auf der unteren Elektrode entwickelt. So wird beispielsweise ein PZT-Dünnfilm, der eine rhombohedrische Kristallstruktur und einen speziellen Grad der Ausrichtung besitzt, in der japanischen Patentveröffentlichung Nummer H10-81016 offenbart. Darüber hinaus wird ein piezoelektrisches Element, in dem ein Ti-Kern auf einer unteren Ir-Elektrode ausgebildet ist, in der japanischen Patentveröffentlichung Nummer H8-335676 und der europäischen Patentveröffentlichung Nummer EP 1 137 078 A2 offenbart.
Bei herkömmlichen Schritten zum Herstellen von piezoelektrischen Elementen treten je doch Probleme dahingehend auf, dass es schwierig ist, den gewünschten Grad der Ausrichtung der Kristallebenen in einem piezoelektrischen Dünnfilm auf stabile Weise zu erhalten. Mit derartigen piezoelektrischen Elementen ist es schwierig, hohe piezoelektrische Eigenschaften auf stabile Weise zu erhalten, dies liegt darin begründet, dass der Grad der Ausrichtung der Kristallebene instabil ist. Dies ist ein Faktor, der es schwierig macht, bei einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf oder -drucker eine adäquate Druckleistung zu erzielen.
Währenddessen wurde das Ausbilden eines PZT-Dünnfilms auf einem Platinfilm mithilfe eines Sol-Gel-Verfahrens in sechs gesonderten Zyklen in der japanischen Patentveröffentlichung Nummer H6-5948 als ein Verfahren zum Herstellen von Speicherzellen, Kondensatoren und anderen ferroelektrischen Dünnfilmelementen offenbart. Im Besonderen ist die Wärmebehandlungstemperatur in den ersten zwei Schritten höher eingestellt als in den anderen vier Schritten, und die Wärmebehandlungszeit in den letzten zwei Schritten wurde höher eingestellt als in den anderen vier Schritten.
Selbst dieses Verfahren ergibt jedoch keine Ausrichtung, die für piezoelektrische Elemente geeignet wäre.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Zuverlässigkeit nicht ausreicht, da sich in Filmen aus herkömmlichen piezoelektrischen Substanzen und unteren Elektroden eine erhebliche Spannung innerhalb des Films ausbildet.
Darüber hinaus wird bei den herkömmlichen Schritten zum Herstellen piezoelektrischer Elemente der Aufnahme des Ti-Kerns durch den piezoelektrischen Dünnfilm keine Berücksichtigung geschenkt. Aus diesem Grund tritt ein Problem auf, wobei Bereiche, die einen hohen Ti-Gehalt und eine unregelmäßige Zusammensetzung besitzen, auf der Zwischenschicht zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm (piezoelectric thin film – PZT) und der unteren Elektrode (bottom electrode – BE) verbleiben, wie in den 8A und 9A dargestellt. Folglich ist es gelegentlich schwierig, adäquate piezoelektrische Eigenschaften oder eine Zuverlässigkeit sicherzustellen, dies ist ein Ergebnis der Tatsache, dass das Zr/Ti-Verhältnis eines piezoelektrischen Dünnfilms in der Filmdickenrichtung nicht gleichmäßig ist und dass in dem piezoelektrischen Dünnfilm Spannungen in nerhalb des Films verbleiben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, einen piezoelektrischen Dünnfilm zu ergeben, dessen Zusammensetzung in der Filmdickenrichtung gleichmäßig ist, und die Spannungen innerhalb des Films zu verringern; ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, das mit guten piezoelektrischen Eigenschaften und Zuverlässigkeit ausgestattet ist; und einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf bereitzustellen, in dem dieses Element genutzt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Element mit durchgängig hohen piezoelektrischen Eigenschaften und ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeits-Ausstoßkopfes bereitzustellen, in dem dieses Element genutzt wird, indem ein Grad der Ausrichtung stabilisiert und mit guter Reproduzierbarkeit erhalten wird, der für einen piezoelektrischen Dünnfilm geeignet ist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein in hohem Maße zuverlässiges piezoelektrisches Element, in dem die Spannungen innerhalb des Films zwischen dem Film aus piezoelektrischer Substanz und der unteren Elektrode verringert werden, sowie einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf bereitzustellen, in dem dieses Element genutzt wird.
Ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zieht das Ausbilden eines Ti-Films auf der unteren Elektrode nach sich, anschließend das Ausbilden von Schichten aus piezoelektrischem Material, die aus PZT bestehen, in einer Vielzahl von Zyklen von Schichtbildung mit dem Sol-Gel-Verfahren, um einen piezoelektrischen Dünnfilm zu erzeugen, und anschließend das Ausbilden einer oberen Elektrode auf dem piezoelektrischen Dünnfilm. Das Zr/Ti-Verhältnis des während des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung aufgetragenen Sols zum Ausbilden der ersten Schicht ist höher eingestellt als das Zr/Ti-Verhältnis des Sols zum Ausbilden der anderen Schichten, wenn die Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet werden.
Gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes in Über einstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Ti-Film auf einer geschichteten unteren Elektrode ausgebildet, Schichten aus piezoelektrischem Material werden anschließend in einer Vielzahl von Zyklen von Schichtbildung ausgebildet, um einen piezoelektrischen Dünnfilm (piezoelectric thin film – PZT) zu erzeugen, der vorwiegend in der 100-Ebene orientiert ist, und eine obere Elektrode wird auf dem piezoelektrischen Dünnfilm ausgebildet. Wenn die Schichten aus piezoelektrischem Material in einer Vielzahl von Zyklen ausgebildet werden, wird die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung höher eingestellt als die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen der Schichtbildung. Die elektromechanische Umwandlungsfunktionalität des piezoelektrischen Elementes ist hervorragend in dem Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm vorwiegend in der 100-Ebene orientiert ist. Die während des anfänglichen Zyklus gebildete Schicht aus piezoelektrischem Material beeinflusst die anschließend daraufgeschichteten Schichten aus piezoelektrischem Material erheblich.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren ist es vorzuziehen, dass die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung höher eingestellt wird als die Temperatur, bei der die geschichtete untere Elektrode Interdiffusion durchläuft. Es ist darüber hinaus vorzuziehen, dass die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen der Schichtbildung geringer als die Temperatur eingestellt ist, bei der die geschichtete untere Elektrode Interdiffusion durchläuft. Ein vorwiegend in der 100-Ebene orientierter piezoelektrischer Dünnfilm kann durch Erhöhen der Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus erhalten werden. Darüber hinaus durchläuft die geschichtete untere Elektrode Interdiffusion und wird während der Wärmebehandlung des anfänglichen Zyklus gleichmäßig. Ein übermäßiges Fördern der Interdiffusion in der unteren Elektrode ist jedoch wegen unzureichender Haftfähigkeit und anderer Probleme nicht wünschenswert.
Das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann dieselben Effekte wie oben genannt bewirken, indem die Wärmebehandlungszeit während des anfänglichen Zyklus von Schichtbildung länger ausgedehnt wird als die Wärmebehandlungszeit während der anderen Zyklen von Schichtbildung, wenn Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet werden.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren ist es vorzuziehen, dass die Wärmebehandlung zum Ausbilden jeder Schicht aus piezoelektrischem Material ausgeführt wird, indem Erhitzen von der Seite der unteren Elektrode her durchgeführt wird. Es ist darüber hinaus vorzuziehen, dass der piezoelektrische Dünnfilm mit dem Sol-Gel-Verfahren oder dem MOD-Verfahren ausgebildet wird.
Bei den oben beschriebenen Herstellungsverfahren ist es vorzuziehen, dass der Ti-Film in einer Dicke von nicht weniger als 3 nm und nicht mehr als 7 nm ausgebildet wird und dass die untere Elektrode wenigstens Ir enthält.
Darüber hinaus besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeits-Ausstoßkopfes, der ein piezoelektrisches Element umfasst, das durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wurde. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt zum Ausbilden einer Membran an einer Seite eines Substrats, einen Schritt zum Ausbilden des piezoelektrischen Elementes auf der Membran sowie einen Schritt zum Ätzen des Substrats, um Druckkammern auszubilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Druckmechanismus darstellt, der erhalten wurde, indem ein piezoelektrisches Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt wurde;
2 ist eine perspektivische Schnittdarstellung, die eine Teilstruktur eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes als einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A ist eine vergrößerte Draufsicht des piezoelektrischen Element-Teils des vorgenannten Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes,
3B ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie i-i von 3A, und 3C ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie ii-ii von 3A;
4 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß einem ersten Beispiel darstellt;
5 ist eine schematische Schnittdarstellung, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß dem ersten Beispiel darstellt;
6 ist ein Graph, der die 100 Grad der Ausrichtung in jeder der Schichten eines piezoelektrischen Dünnfilms darstellt, der mit dem Herstellungsverfahren eines zweiten Beispiels hergestellt wurde;
7 ist eine Schnittdarstellung, die den Zustand säuliger Kristalle in einem piezoelektrischen Dünnfilm schematisch darstellt, der mit dem Herstellungsverfahren des zweiten Beispiels hergestellt wurde;
8A ist eine TEM-Fotografie eines piezoelektrischen Elementes, das durch ein herkömmliches Herstellungsverfahren erhalten wurde, und 8B ist eine schematische Zeichnung davon; und
9A ist eine vergrößerte Fotografie von 8A, und 9B ist eine schematische Zeichnung davon.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<1. Allgemeine Struktur eines Tintenstrahl-Druckers>
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Struktur eines Druckers als eine Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung darstellt, in der die piezoelektrischen Elemente einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Der Drucker umfasst einen Hauptkörper 2, eine Ablage 3, eine Ausgabe 4 und eine Betriebstaste 9. Darüber hinaus enthält der Hauptkörper 2 einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 als einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf sowie einen Papierzuführungsmechanismus 6 und eine Steuerschaltung 8.
Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 umfasst eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die auf einem Substrat ausgebildet sind, und er ist so konfiguriert, dass in Übereinstimmung mit Ausstoßsignalen, die von der Steuerschaltung 8 bereitgestellt werden, flüssige Tinte aus Düsen ausgestoßen werden kann.
In dem Hauptkörper 2, der das Druckergehäuse ist, ist der Papierzuführungsmechanismus 6 in einer Position angeordnet, in der Papier 5 von der Ablage 3 zugeführt werden kann, und der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 ist so angeordnet, dass Papier 5 bedruckt werden kann. Die Ablage 3 ist so konfiguriert, dass unbedrucktes Papier 5 dem Papierzuführungsmechanismus 6 zugeführt werden kann, und die Ausgabe 4 ist ein Auslass zum Ausgeben von Papier 5, nachdem der Druckvorgang abgeschlossen wurde.
Der Papierzuführungsmechanismus 6 umfasst einen Motor 600, Rollen 601 und 602 sowie andere mechanische Strukturen (nicht dargestellt). Der Motor 600 kann sich in Übereinstimmung mit von der Steuerschaltung 8 bereitgestellten Antriebssignalen drehen. Die mechanischen Strukturen sind so konfiguriert, dass sie eine Übertragung der Drehkräfte des Motors 600 auf die Rollen 601 und 602 ermöglichen. Die Rollen 601 und 602 sind dafür eingerichtet, sich zu drehen, wenn die Drehkräfte des Motors 600 übertragen werden, und sie sind dafür eingerichtet, das Papier 5 aus der Ablage 3 durch Drehen einzuziehen und es zu ermöglichen, dass Drucken von dem Kopf 1 durchgeführt werden kann.
Die Steuerschaltung 8 umfasst CPU, ROM, RAM, Schnittstellen-Schaltkreis und dergleichen (nicht dargestellt) und ist dafür eingerichtet, in Übereinstimmung mit Druckinformationen, die von dem Computer über einen Verbinder (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, den Papierzuführungsmechanismus 6 mit einem Treibersignal oder den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 mit einem Ausstoßsignal zu versorgen. Darüber hinaus ist die Steuerschaltung 8 dafür eingerichtet, dass von einem Bedienfeld 9 Betriebsarten eingestellt und Zurücksetzen und andere Aktionen in Übereinstimmung mit den Betriebssignalen durchgeführt werden können.
Der Drucker umfasst den im Folgenden beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der durchgängig hohe piezoelektrische Eigenschaften und eine gute Druckleistung be sitzt und daher ein Hochleistungsdrucker ist.
<2. Struktur eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes>
2 ist eine perspektivische Schnittdarstellung, die eine Teilstruktur des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes darstellt.
Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf umfasst eine Düsenplatte 10, ein Druckkammer-Substrat 20 sowie eine Membran 30, wie in 2 dargestellt.
Das Druckkammer-Substrat 20 umfasst Druckkammern (Hohlräume) 21, Seitenwände 22, einen Vorratsbehälter 23 sowie Versorgungsöffnungen 24. Die Druckkammern 21 sind als Speicherräume für das Ausstoßen der Tinte oder dergleichen durch das Ätzen von Silizium oder einem anderen Substrat ausgebildet. Die Seitenwände 22 sind ausgebildet, um die Druckkammern 21 zu unterteilen. Der Vorratsbehälter 23 dient als eine gemeinsame Leitung, um die Tinte über die Versorgungsöffnungen 24 zu den Druckkammern 21 zu transportieren.
Die Düsenplatte 10 ist auf einer Seite des Druckkammer-Substrates 20 so ausgebildet, dass die Düsen 11 davon in Positionen angeordnet sind, die den in dem Druckkammer-Substrat 20 ausgebildeten Druckkammern 21 entsprechen.
Die Membran 30 ist ein Element, das durch Schichten eines Oxidfilms 31 und eines ZrO₂-Films 32 auf der anderen Seite des Druckkammer-Substrates 20 ausgebildet wird, wie nachstehend beschrieben. Die Membran 30 wird mit einem Tintentank-Verbindungsanschluss (nicht dargestellt) bereitgestellt, um es der in dem Tintentank (nicht dargestellt) gespeicherten Tinte zu ermöglichen, dem Vorratsbehälter 23 des Druckkammer-Substrates 20 zugeführt zu werden.
Die Kopfeinheit, die die Düsenplatte 10, die Membran 30 sowie das Druckkammer-Substrat 20 umfasst, ist in einem Gehäuse 25 angeordnet, womit der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 vollständig ist.
<3. Struktur eines piezoelektrischen Elements>
3A ist eine vergrößerte Draufsicht des piezoelektrischen Element-Teils des vorgenannten Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes, 3B ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie i-i von 3A, und 3C ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie ii-ii von 3A.
Jedes piezoelektrische Element 40 wird durch das aufeinander folgende Schichten eines ZrO₂-Films 32, einer unteren Elektrode 42, eines piezoelektrischen Dünnfilms 43 sowie einer oberen Elektrode 44 auf einem Oxidfilm 31 erhalten, wie in 3B dargestellt.
Der Oxidfilm 31 wird als ein isolierender Film auf dem Druckkammer-Substrat 20 ausgebildet, dieses besteht beispielsweise aus einem Stück eines Silizium-Einkristalls mit einer Dicke von 220 μm. Bei einer bevorzugten Praxis kann ein Film, der aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht, mit einer Dicke von 1,0 μm ausgebildet werden.
Der ZrO₂-Film 32 ist eine Schicht, die Elastizität verleiht, er wird mit dem Oxidfilm 31 integriert, um die Membran 30 auszubilden. Der ZrO₂-Film 32 wird vorzugsweise mit einer Dicke von nicht weniger als 200 nm und nicht mehr als 800 nm ausgebildet, um die Elastizität verleihende Funktionalität sicherzustellen.
Eine Haftschicht (nicht dargestellt), die aus einem Metall (vorzugsweise Titan oder Chrom) besteht und in der Lage ist, die zwei Schichten zu verbinden, wird vorzugsweise zwischen dem ZrO₂-Film 32 und der unteren Elektrode 42 positioniert. Die Haftschicht kann aus einer Legierung aus Titan und Chrom bestehen. Die Haftschicht, die ausgebildet wurde, um die Adhäsion an der Befestigungsoberfläche des piezoelektrischen Elements zu verbessern, besitzt eine Dicke von etwa 10 nm.
Die untere Elektrode 42 besitzt eine geschichtete Struktur, die wenigstens eine Ir enthaltende Schicht umfasst; beispielsweise eine geschichtete Struktur mit der folgenden Abfolge von Schichten, von unten nach oben: Ir enthaltende Schicht/Pt enthaltende Schicht/Ir enthaltende Schicht. Die Gesamtdicke der unteren Elektrode 42 kann bei spielsweise 200 nm betragen.
Die Schicht-Struktur der unteren Elektrode 42 ist nicht auf die oben genannte Möglichkeit begrenzt und kann eine Zwei-Schicht-Struktur sein wie beispielsweise Ir enthaltende Schicht/Pt enthaltende Schicht oder Pt enthaltende Schicht/Ir enthaltende Schicht.
Der piezoelektrische Dünnfilm 43 ist ein ferroelektischer Film, der eine Vielzahl von Schichten umfasst, die aus einem piezoelektrischen Keramikkristall, vorzugsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder einer anderen ferroelektrischen piezoelektrischen Substanz oder einer Substanz besteht, die durch Addieren von Niobiumoxid, Nickeloxid, Magnesiumoxid oder einem anderen Metalloxid dazu erhalten wird.
Der Grad der Ausrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms 43 in der 100-Ebene ist vorzugsweise 70 % oder größer und insbesondere 80 % oder größer, wie durch das Röntgendiffraktions-Weitwinkelverfahren gemessen wurde. Auf diese Weise lassen sich hervorragende piezoelektrische Eigenschaften erhalten. Der Grad der Ausrichtung in der 110-Ebene beträgt 10 % oder weniger, und der Rest ist der Grad der Ausrichtung in der 111-Ebene. Die Summe des Grades der Ausrichtung in der 100-Ebene, des Grades der Ausrichtung in der 110-Ebene und des Grades der Ausrichtung in der 111-Ebene beträgt 100 %.
Wie hierin genutzt, bezieht sich die Benennung „Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene" auf das Verhältnis von I(100) zu der Summe von I(100), I(110) und I(111), wobei I(XYZ) die Beugungsintensitäten der Peaks (28) ist, die den XYZ-Ebenen entsprechen, wenn der CuKα-Strahl in dem Röntgendiffraktions-Weitwinkelverfahren genutzt wird.
Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 43, die so gesteuert werden sollte, dass sie einen Grad erreicht, bei dem Brechen beziehungsweise Rissbildung während der Herstellungsschritte verhindert wird, und die gleichzeitig ausreichend groß sein muss, um adäquate Fördermengeneigenschaften zu erzielen, kann beispielsweise auf nicht weniger als 1000 nm und nicht mehr als 1500 nm eingestellt werden.
Die obere Elektrode 44 ist eine Elektrode, die zusammen mit der unteren Elektrode 42 ein Paar bildet, sie ist vorzugsweise aus Pt oder Ir zusammengesetzt. Die Dicke der oberen Elektrode 44 beträgt vorzugsweise etwa 50 nm.
Die untere Elektrode 42 dient als gemeinsame Elektrode für die piezoelektrischen Elemente. Im Gegensatz dazu befindet sich eine untere Verkabelungselektrode 42A in einer Schicht mit derselben Höhe wie die untere Elektrode 42, sie ist jedoch von der unteren Elektrode 42 und anderen unteren Verkabelungselektroden 42A getrennt und stellt einen Leitungspfad zu der oberen Elektrode 44 über eine Bandelektrode 45 bereit.
<4. Betrieb eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes>
Im Folgenden befindet sich eine Beschreibung des Druckbetriebes, der von einem derart konfigurierten Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 durchgeführt wird. Wenn von der Steuerschaltung 8 ein Antriebssignal ausgegeben wird, wird der Papierzuführungsmechanismus 6 betätigt und Papier 5 wird zu der Position transportiert, an der Drucken durch den Kopf 1 durchgeführt werden kann. In dem piezoelektrischen Film 43 wird keine Verformung induziert, wenn kein Ausstoßsignal von der Steuerschaltung 8 bereitgestellt wird und wenn keine Antriebsspannung zwischen der unteren Elektrode 42 und der oberen Elektrode 44 eines piezoelektrischen Elementes angelegt wird. In dem Hohlraum 21, dessen piezoelektrisches Element kein Ausstoßsignal empfängt, treten keine Druckschwankungen auf und es werden von der entsprechenden Düse 11 keine Tintentropfen ausgestoßen.
Dagegen wird jedoch in dem piezoelektrischen Film 43 eine Verformung induziert, wenn ein Ausstoßsignal von der Steuerschaltung 8 bereitgestellt wird und wenn eine Antriebsspannung zwischen der unteren Elektrode 42 und der oberen Elektrode 44 eines piezoelektrischen Elementes angelegt wird. Die Membran 30, die an den Hohlraum 21 angrenzt, der einem piezoelektrischen Element entspricht, das das Ausstoßsignal empfängt, wird stark verformt. Aus diesem Grund steigt der Druck im Inneren des Hohlraums 21 vorübergehend an und ein Tintentropfen wird aus der Düse 11 ausgestoßen. Beliebige Zeichen oder Figuren können durch die individuelle Versorgung der piezoelektrischen Elemente in dem Kopf mit Ausstoßsignalen in Übereinstimmung mit visuellen Daten gedruckt werden.
<5. Herstellungsverfahren gemäß einem ersten Beispiel nicht gemäß der Erfindung, jedoch nützlich für ihr Verständnis>
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes beschrieben. Die 4 und 5 sind schematische Querschnittdarstellungen, die das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes und eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes beschreiben.
Schritt des Ausbilden eines Oxidfilms (S1)
Dies ist ein Schritt, in dem ein Siliziumsubstrat, das ein Druckkammer-Substrat 20 bildet, in einer oxidierenden Atmosphäre, die Sauerstoff oder Wasserdampf enthält, wärmebehandelt wird, um einen Oxidfilm 31 auszubilden, der aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht. In diesem Schritt kann auch anstelle der üblicherweise genutzten thermischen Oxidation CVD genutzt werden.
Schritt des Ausbildens eines ZrO₂-Films (S2)
Dies ist ein Schritt, in dem ein ZrO₂-Film 32 auf dem Oxidfilm 31 ausgebildet wird, der seinerseits auf einer Seite des Druckkammer-Substrates 20 ausgebildet ist. Der ZrO₂-Film 32 wird durch einen Prozess erhalten, der eine Zr-Schicht durch Zerstäuben (Sputtering) oder Vakuumbedampfen und eine Wärmebehandlung der Zr-Schicht in einer Sauerstoff-Atmosphäre ausbildet.
Schritt des Ausbildens der unteren Elektrode (S3)
Auf dem ZrO₂-Film 32 wird eine Ir enthaltende untere Elektrode 42 ausgebildet. So wird beispielsweise zuerst eine Ir enthaltende Schicht ausgebildet, anschließend wird eine Pt enthaltende Schicht ausgebildet und zuletzt wird eine Ir enthaltende Schicht ausgebildet.
Die Schichten, die die untere Elektrode 42 bilden, werden durch individuelles Beschichten des ZrO₂-Films 32 mit Ir oder Pt durch Zerstäuben oder dergleichen ausgebildet. Eine Haftschicht (nicht dargestellt), die aus Titan oder Chrom zusammengesetzt ist, wird vorzugsweise durch Zerstäuben oder Vakuumbedampfen ausgebildet, ehe die untere Elektrode 42 ausgebildet wird.
Auf das Ausbilden der unteren Elektrode folgender Strukturierungsschritt (S4)
Zum Abtrennen der derart ausgebildeten unteren Elektrode von der unteren Verkabelungselektrode 42a erfolgt das Strukturieren, indem zunächst die untere Elektrode 42 in der gewünschten Konfiguration maskiert wird und anschließend die angrenzenden Bereiche geätzt werden. Insbesondere wird ein Lackmaterial mit einer gleichmäßigen Dicke durch Rotationsaufbringen, Aufsprühen oder dergleichen (nicht dargestellt) aufgebracht; es wird eine Maske in der Form piezoelektrischer Elemente ausgebildet; anschließend werden Belichten und Entwickeln durchgeführt, um ein Lackmuster auf der unteren Elektrode auszubilden (nicht dargestellt). Die untere Elektrode wird durch Ionenätzen, Trockenätzen oder ein anderes üblicherweise eingesetztes Verfahren weggeätzt, und der ZrO₂-Film 32 wird belichtet.
Anschließend wird ein Reinigungsvorgang (nicht dargestellt) durch Veraschen oder dergleichen durchgeführt, um Verunreinigungsstoffe, oxidierte Bereiche und andere während des Ätzschrittes auf der Oberfläche der unteren Elektrode abgelagerte Stoffe zu entfernen. Schritt des Ausbildens eines Ti-Kerns (Schicht) Dies ist ein Schritt, in dem ein Ti-Kern (Schicht) (nicht dargestellt) durch Zerstäuben (Sputtering) oder dergleichen auf der unteren Elektrode 42 ausgebildet wird. Der Grund für das Ausbilden eines Ti-Kerns (Schicht) besteht darin, dass das Ausbilden von PZT unter Verwendung eines Ti-Kristalls als Kern bewirkt, dass das Kristallwachstum von derjenigen Seite ausgeht, die der unteren Elektrode zugewandt ist, dies ergibt dichte säulige Kristalle.
Darüber hinaus beträgt die durchschnittliche Dicke des Ti-Kerns (Schicht) 3 bis 7 nm und vorzugsweise 4 bis 6 nm.
Schritt des Ausbildens eines piezoelektrischen Vorläufer-Films (S5)
Dies ist ein Schritt, in dem ein piezoelektrischer Vorläufer-Film 43' mit dem Sol-Gel-Verfahren ausgebildet wird.
Zuerst wird auf die Ti-Kern-Schicht mittels Rotationsbeschichten oder eines anderen Aufbringungsverfahrens ein Sol aufgebracht, das eine organische Metall-Alkoxidlösung umfasst. Anschließend wird das Produkt bei einer gegebenen Temperatur für eine gegebene Zeit getrocknet und das Lösungsmittel wird verdampft. Nachdem das Produkt getrocknet ist, wird das Produkt bei einer spezifischen Temperatur für eine gegebene Zeit in atmosphärischer Umgebung entfettet, damit die organischen koordinativ an das Metall angelagerten Liganden pyrolysiert werden und ein Metalloxid bilden. Die Schritte des Aufbringens, Trocknens und Entfettens werden wiederholt (beispielsweise zwei Mal) und somit ist ein piezoelektrischer Vorläufer-Film geschichtet, der zwei Schichten umfasst. Die Metall-Alkoxide und Acetate in der Lösung werden über diese Trocknungs- und Entfettungsbehandlungen durch Ligandenpyrolyse zu einem Metall-/Sauerstoff-/Metall-Netzwerk.
Dieser Schritt ist nicht auf das Sol-Gel-Verfahren begrenzt und kann darüber hinaus auch durch MOD (Metal Organic Deposition – Metallorganisches Beschichten) durchgeführt werden.
Wärmebehandlungs-Schritt (S6)
Dies ist ein Schritt, in dem der piezoelektrische Vorläufer-Film 43' nach dem Ausbilden einer Wärmebehandlung unterzogen und anschließend kristallisiert wird, um eine Schicht aus piezoelektrischer Substanz auszubilden. Als ein Ergebnis dieser Wärmebehandlung nimmt der piezoelektrische Vorläufer-Film 43' ausgehend von einem amorphen Zustand eine rhombohedrische Kristallstruktur an, konvertiert zu einer dünnen Schicht, die einen elektromechanischen Umwandlungsvorgang zeigt, und wird zu einer Schicht aus piezoelektrischer Substanz, deren Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene 75 % oder größer ist, wie durch das Röntgendiffraktions-Weitwinkelverfahren gemessen wurde. Bei dem Wärmebehandlungs-Schritt wird die Wärmebehandlung vorzugsweise von der Seite der unteren Elektrode her durchgeführt. Die Ausrichtung kann auf zuverlässigere Art und Weise gesteuert werden, da bewirkt wird, dass die Kristalle von der Seite der unteren Elektrode her wachsen, indem die Wärmebehandlung von der Seite der unteren Elektrode her durchgeführt wird.
Der piezoelektrische Dünnfilm 43 kann in der gewünschten Dicke erzeugt werden, indem die Schritte des Ausbildens (S5) und der Wärmebehandlung (S6) eines derartigen Vorläufer-Films eine Vielzahl von Malen wiederholt werden. So kann beispielsweise die Dicke des Vorläufer-Films, der pro Wärmebehandlungszyklus aufgebracht wird, auf 200 nm eingestellt und die Operation sechs Mal wiederholt werden. Das Kristallwachstum in den durch den zweiten und folgende Wärmebehandlungszyklen ausgebildeten Schichten wird durch die sequentiell darunter liegenden Schichten aus piezoelektrischem Material beeinflusst, und der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene erreicht über den gesamten piezoelektrischen Dünnfilm 43 hinweg 75 % oder mehr.
Im Besonderen wird die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus aus sechs Wärmebehandlungszyklen höher eingestellt als die Wärmebehandlungstemperatur der andere Zyklen in der vorliegenden Ausführungsform. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur erhöht wird, steigt damit auch der Anteil des PbTiO₃, das in der ersten Stufe der Wärmebehandlung kristallisiert, und es wird angenommen, dass dies bewirkt, dass das PZT auf einem Kern wächst. PbTiO₃ ist ein kubischer Kristall, bei dem die Ausrichtung in der 100-Ebene bei einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes auftritt. Diesem Fakt wird das Erhalten von PZT mit einem hohen Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene zugeschrieben.
Darüber hinaus kann derselbe Effekt auch erzeugt werden, wenn die Wärmebehandlungszeit des anfänglichen Zyklus länger eingestellt wird als die Wärmebehandlungszeit der anderen Zyklen. Es ist darüber hinaus möglich, das Erhöhen der Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus über die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen mit dem Verlängern der Wärmebehandlungszeit des anfänglichen Zyklus über die Wärmebehandlungszeit der anderen Zyklen hinaus zu kombinieren.
Bei dem vorliegenden Beispiel kann daher in dem anfänglichen Wärmebehandlungs-Schritt ein piezoelektrischer Dünnfilm mit einem hohen Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene erhalten werden. Die piezoelektrischen Eigenschaften des gesamten piezoelekt rischen Dünnfilms 43 können verbessert werden, da die Kristallisation während der Wärmebehandlungs-Schritte der anderen Zyklen durch die Kristallausrichtung der Schicht aus piezoelektrischer Substanz beeinflusst wird, die in dem anfänglichen Zyklus ausgebildet wird. Eine weitere Eigenschaft des vorliegenden Beispiels besteht darin, dass die Interdiffusion oder Oxidation der unteren Elektrode 42 ebenso wie die Pb-Diffusion in den Wärmebehandlungs-Schritten von Zyklen ungleich dem anfänglichen Zyklus minimiert werden kann. Ein gleichmäßiger, in hohem Maße zuverlässiger piezoelektrischer Dünnfilm 43 kann somit erhalten werden.
Schritt des Ausbilden der oberen Elektrode (S7)
Die obere Elektrode 44 wird durch Elektronenstrahlbedampfen oder Zerstäuben auf dem piezoelektrischen Dünnfilm 43 ausgebildet.
Schritt des Entfernens bei dem piezoelektrischen Dünnfilm und der oberen Elektrode (S8)
Dies ist ein Schritt, in dem der piezoelektrische Dünnfilm 43 und die obere Elektrode 44 in der speziellen Form piezoelektrischer Elemente strukturiert werden. Insbesondere wird ein Fotolack durch Rotationsbeschichten auf die obere Elektrode 44 aufgebracht, es wird eine Übereinstimmung mit den Positionen erzielt, in denen Druckkammern ausgebildet werden sollen, anschließend werden das Belichten und Entwickeln durchgeführt, somit ist das Strukturieren durchgeführt. Die obere Elektrode 44 und der piezoelektrische Dünnfilm 43 werden durch Ionenätzen oder dergleichen geätzt, der verbleibende Fotolack wird als Maske genutzt. In den oben genannten Schritten werden piezoelektrische Elemente 40 ausgebildet.
Schritt des Ausbilden der Bandelektrode (S9)
Anschließend wird eine Bandelektrode 45 zum Bereitstellen eines elektrisch leitenden Verbindungspfades zu der oberen Elektrode 44 und zu der unteren Verkabelungselektrode 42A ausgebildet. Die Substanz der Bandelektrode 45 ist vorzugsweise ein Metall mit geringer Steifigkeit und geringem elektrischem Widerstand. Es können Aluminium, Kupfer oder dergleichen genutzt werden. Die Bandelektrode 45 wird mit einer Dicke von etwa 0,2 μm ausgebildet, anschließend wird Strukturieren durchgeführt, um Teile zu hinterlassen, die elektrisch leitfähige Pfade zu der oberen Elektrode und der unteren Elektrode bereitstellen, die für Verbindungszwecke genutzt werden.
Schritt des Ausbildens der Druckkammer (S10)
Die Seite des Druckkammer-Substrates 20, die gegenüber derjenigen liegt, auf der die piezoelektrischen Elemente 40 ausgebildet wurden, wird anschließend anisotropem Ätzen, Parallelplatten-Reaktiv-Ionenätzen oder einer anderen Art des anisotropen Ätzens, das mit einem Schutzgas arbeitet, unterworfen und es werden Druckkammern 21 ausgebildet. Die verbleibenden nicht geätzten Teile dienen als Seitenwände 22.
Schritt des Laminierens der Düsenplatte (S11)
Schließlich wird eine Düsenplatte 10 mit einem Klebemittel auf das geätzte Druckkammer-Substrat 20 auflaminiert. Die zu laminierenden Teile werden so ausgerichtet, dass die Düsen 11 in den Räumen der Druckkammern 21 angeordnet sind. Das Druckkammer-Substrat 20 mit der laminierten Düsenplatte 10 wird in einem Gehäuse (nicht dargestellt) befestigt, wodurch der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1 vollständig ist.
<6. Herstellungsverfahren gemäß einem zweiten Beispiel nicht gemäß der Erfindung, jedoch nützlich für ihr Verständnis>
Das Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Beispiel unterscheidet sich von dem ersten Beispiel im Hinblick auf die Bedingungen der Wärmebehandlung, die in dem Schritt (S6) für die Wärmebehandlung des Vorläufer-Films eingerichtet werden, wobei die anderen Elemente dieselben sind wie in dem Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Beispiel.
Obwohl in dem ersten Beispiel die Wärmebehandlungstemperatur des ersten Zyklus höher eingestellt war als die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen, wurde gelernt, dass ein in hohem Maße zuverlässiger piezoelektrischer Dünnfilm ebenfalls er halten werden konnte, wenn die Wärmebehandlungstemperatur für jede Schicht die gleiche war. Im Besonderen ist in einem piezoelektrischen Dünnfilm der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene auf einem Teil, der an die obere Elektrode angrenzt, höher als der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene auf einem Teil, der an die untere Elektrode angrenzt. Dieser wurde erhalten, indem die Kombination des Schrittes des Ausbildens eines piezoelektrischen Vorläufer-Films und der Schritt des Erhitzens von der Seite der unteren Elektrode her eine Vielzahl von Malen durchgeführt wurde, nachdem der Ti-Kern (Schicht) auf der unteren Elektrode ausgebildet wurde.
6 ist ein Graph, der die 100 Grad der Ausrichtung in jeder der Schichten eines piezoelektrischen Dünnfilms darstellt, der mit dem Herstellungsverfahren des zweiten Beispiels hergestellt wird. Wie aus der Figur ersichtlich ist, beträgt der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene etwa 65 % in der Schicht, die an die untere Elektrode angrenzt, und der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene steigt kontinuierlich mit den Schichten und erreicht einen Wert von etwa 80 % in der sechsten Schicht sowie einen Wert von etwa 92 % in der zehnten Schicht.
Eine Untersuchung der Kristallstruktur des piezoelektrischen Dünnfilms ergab das Vorhandensein durchgehender säuliger Kristalle, die sich von der unteren Elektrode zu der oberen Elektrode erstrecken. 7 ist eine Schnittdarstellung, die den Zustand der säuligen Kristalle in dem piezoelektrischen Dünnfilm schematisch darstellt, der mit dem Herstellungsverfahren des zweiten Beispiels hergestellt wurde. Wie aus der Figur ersichtlich ist, besitzt die erste Schicht des piezoelektrischen Dünnfilms, der sich unmittelbar über der unteren Elektrode ausgebildet hat, einen hohen Anteil der Ausrichtung in der 111-Ebene. Eine PZT-Schicht, die in der 111-Ebene ausgerichtet ist, neigt dazu, sich auf der PZT-Schicht auszubilden, die in der 111-Ebene ausgerichtet ist, der Anteil der Ausrichtung in der 100-Ebene steigt jedoch stufenweise in Richtung zu der oberen Elektrode hin an. Eine PZT-Schicht, die in der 100-Ebene ausgerichtet ist, bildet sich auf der PZT-Schicht, die in der 100-Ebene ausgerichtet ist. Als ein Ergebnis werden säulige PZT-Kristalle, die in der 111-Ebene ausgerichtet sind, und säulige PZT-Kristalle, die in der 100-Ebene ausgerichtet sind, ausgebildet, wie in der Figur dargestellt. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass die Kristallwachstumsgeschwindigkeit eines PZT-Films, der in der 100-Ebene ausgerichtet ist, höher ist als die Wachstumsgeschwindigkeit eines PZT-Films, der in der 111-Ebene ausgerichtet ist.
Es muss bemerkt werden, dass die Neutrallinie der Vibrationen sich von dem Zentrum des piezoelektrischen Dünnfilms weg und zu der unteren Elektrode hin verschiebt, da ein piezoelektrisches Element, das den piezoelektrischen Dünnfilm 43 enthält, auf eine Membran geschichtet ist, die den Oxidfilm 31 und den ZrO₂-Film 32 auf die in 7 dargestellte Weise enthält. Folglich kann die innere Spannung, die in dem piezoelektrischen Dünnfilm und der unteren Elektrode erzeugt wird, verringert werden, indem die piezoelektrischen Eigenschaften auf der Seite der unteren Elektrode, die an die Neutrallinie angrenzen, verringert und die piezoelektrischen Eigenschaften auf der Seite der oberen Elektrode, die sich weiter von der Neutrallinie entfernt befinden, verstärkt werden. Da der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene auf der Seite der oberen Elektrode höher gemacht wird als auf der Seite der unteren Elektrode, ist es möglich, das Entstehen von inneren Spannungen zu behindern und einen in hohem Maße zuverlässigen piezoelektrischen Dünnfilm zu erzeugen, wenn der piezoelektrische Dünnfilm des zweiten Beispiels als ein auf eine Membran geschichtetes Betätigungsglied genutzt wird.
<7. Beispiele>

Ein Schritt, in dem eine Wärmebehandlung auf jeweils zwei Anwendungen eines PZT-Vorläufer-Films zum Ausbilden einer PZT-Schicht durchgeführt wurde, wurde sechs Mal wiederholt, daraus resultierte ein PZT-Dünnfilm, dessen Gesamtdicke 1,3 μm betrug. Tabelle 1 zeigt die Grade der Ausrichtung in der 100-Ebene von PZT, die erhalten wurden, als die Wärmebehandlungs-Bedingungen der letzten fünf Zyklen der insgesamt sechs Zyklen auf 700 °C und 30 Minuten eingestellt wurden und wobei die Wärmebehandlungs-Bedingungen des anfänglichen Zyklus variiert wurden. Die Temperatur, bei der Interdiffusion in der geschichteten unteren Elektrode auftrat, betrug 700 °C. Tabelle 1

	Wärmebehandlungs-Bedingungen des anfänglichen Zyklus	Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene
Beispiel B1	700 °C, 30 Minuten	72 %
Beispiel A1	700 °C, 60 Minuten	83 %
Beispiel A2	750 °C, 30 Minuten	75 %
Beispiel A3	800 °C, 30 Minuten	86 %

Ein bevorzugter Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene wurde erhalten, indem die Wärmebehandlungszeit des anfänglichen Zyklus größer eingestellt wurde als die Wärmebehandlungszeit der anderen Zyklen in Übereinstimmung mit dem ersten Beispiel, wie in Beispiel A1. Darüber hinaus wurde ein bevorzugter Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene erhalten, indem die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus über die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen erhöht wurde, wie in den Beispielen A2 und A3. Im Besonderen wurde ein bevorzugter Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene erhalten, wenn die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus auf 800 °C eingestellt wurde.
Der Grad der Ausrichtung in der 100-Ebene in Beispiel B1 ist der durchschnittliche Wert für den gesamten piezoelektrischen Dünnfilm und die Einzelheiten von Beispiel B1 sind die gleichen wie oben in Bezug auf das Herstellungsverfahren des zweiten Beispiels beschrieben.
<8. Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform>
Das Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform ist gleich dem Herstellungsverfahren des ersten Beispiels mit der Ausnahme, dass ein Sol-Gel-Verfahren in dem Schritt (S5) zum Ausbilden des piezoelektrischen Vorläufer-Films genutzt wird, in dem das genutzte Sol eine andere Zusammensetzung besitzt als in dem ersten Beispiel.
In dem Schritt, in dem eine Schicht aus piezoelektrischer Substanz, die aus PZT besteht, eine Vielzahl von Malen ausgebildet wird, um einen piezoelektrischen Dünnfilm in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform zu erzeugen, wird das Zr/Ti-Verhältnis des Sols in der ersten Schicht des aus zwei Schichten bestehenden piezoelektrischen Vorläufer-Films, der in dem ersten Filmausbildungszyklus aufgebracht wur de, höher eingestellt als das Zr/Ti-Verhältnis des Sols in der zweiten Schicht oder des Sols in dem piezoelektrischen Vorläufer, der in den anderen Filmausbildungszyklen aufgebracht wurde. So wird beispielsweise das Zr/Ti-Verhältnis des Sols in der ersten Schicht auf 58/42 eingestellt, und das Zr/Ti-Verhältnis des Sols in den verbleibenden Schichten wird auf 55/45 eingestellt, wenn das Sol in der ersten Schicht mit einer Dicke von 100 nm aufgebracht wird. Das Zr/Ti-Verhältnis sollte in Abhängigkeit von der Dicke der auf der unteren Elektrode ausgebildeten Ti-Schicht oder der Dicke des Sols in der ersten aufgebrachten Schicht auf einen geeigneten Wert geändert werden.
In dem somit erhaltenen piezoelektrischen Dünnfilm 43 ist die Zusammensetzung des Bereiches, der an die Zwischenschicht mit der unteren Elektrode 42 angrenzt, sowie das Zr/Ti-Verhältnis im Besonderen gleichmäßig in der Filmdickenrichtung. Die 8A und 9A sind TEM-Fotografien, die aufgenommen wurden, wobei das Zr/Ti-Verhältnis des Sols in allen Schichten auf 55/45 eingestellt war. Es sind Unregelmäßigkeiten von etwa 5 nm auf der unteren Elektrode vorhanden. Diese setzen sich aus einer piezoelektrischen Substanz zusammen, die einen hohen Gehalt an Ti besitzt. In einem Film aus piezoelektrischem Material gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Schichten aus piezoelektrischem Material mit einem hohen Ti-Gehalt vorhanden.
<9. Andere Anwendungsbeispiele>
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt und kann auf eine Vielzahl von Arten modifiziert und angewendet werden. So kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, nicht nur auf die Herstellung piezoelektrischer Elemente für den oben beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf angewendet werden, sondern darüber hinaus auch auf die Herstellung von ferroelektrischen Vorrichtungen, dielektrischen Vorrichtungen, pyroelektrischen Vorrichtungen, piezoelektrischen Vorrichtungen und elektrooptischen Vorrichtungen wie beispielsweise nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtungen, Dünnfilm-Kondensatoren, pyroelektrische Detektoren, Sensoren, oberflächenwellenoptische Wellenleiter, optische Speichervorrichtungen, räumliche Lichtmodulatoren und Frequenzdoppler für Diodenlaser.
Darüber hinaus kann der Flüssigkeits-Ausstoßkopf der vorliegenden Erfindung über die in Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtungen genutzten Tinten-Ausstoßköpfe hinaus auf folgende Vorrichtungen angewendet werden: Köpfe zum Ausstoßen von Flüssigkeiten, die Farbstoffe enthalten, die bei der Herstellung von Farbfiltern für Flüssigkristallanzeigevorrichtungen und dergleichen genutzt werden; Köpfe zum Ausstoßen von Flüssigkeiten, die Elektrodenmaterialien enthalten, die bei der Ausbildung organischer EL-Anzeigevorrichtungen, FEDs (field emission displays – Feldemissionsanzeigevorrichtungen) und dergleichen genutzt werden; Köpfe zum Ausstoßen von Flüssigkeiten, die bioorganische Materialien enthalten, die bei der Herstellung von Biochips genutzt werden; sowie Köpfe zum Versprühen verschiedener anderer Flüssigkeiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können ein piezoelektrisches Element mit durchgängig hohen piezoelektrischen Eigenschaften sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeits-Ausstoßkopfes, in dem dieses Element genutzt wird, bereitgestellt werden, indem ein Grad der Ausrichtung stabilisiert und mit guter Reproduzierbarkeit erhalten wird, der für einen piezoelektrischen Dünnfilm geeignet ist. Es ist ebenfalls möglich, ein in hohem Maße zuverlässiges piezoelektrisches Element bereitzustellen, in dem die Spannungen innerhalb des Films zwischen dem Film aus piezoelektrischer Substanz und der unteren Elektrode verringert werden, und einen Flüssigkeits-Ausstoßkopf bereitzustellen, in dem dieses Element genutzt wird.
Es ist weiterhin möglich, ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, einen piezoelektrischen Dünnfilm zu ergeben, dessen Zusammensetzung in der Filmdickenrichtung gleichmäßig ist, und die Spannungen innerhalb des Films zu verringern; ein piezoelektrisches Element bereitzustellen, das mit guten piezoelektrischen Eigenschaften und Zuverlässigkeit ausgestattet ist; und einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bereitzustellen, in dem dieses Element genutzt wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes durch sequenzielles Ausbilden eines Ti-Films auf einer unteren Elektrode (42), von Schichten aus piezoelektrischem Material, die aus PZT bestehen, in einer Vielzahl von Zyklen von Schichtbildung mit dem Sol-Gel-Verfahren, um einen piezoelektrischen Dünnfilm (43) zu erzeugen, und einer oberen Elektrode (44) auf dem piezoelektrischen Dünnfilm (43), dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet werden, das Zr/Ti-Verhältnis des während des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung aufgetragenen Sols zum Ausbilden der ersten Schicht höher eingestellt wird als das Zr/Ti-Verhaltnis des Sols zum Ausbilden der anderen Schichten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schichten aus piezoelektrischem Material so ausgebildet werden, dass sie vorwiegend in der 100-Ebene orientiert sind, und wobei, wenn die Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet werden, die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung höher eingestellt ist als die Wärmebehandlungstemperatur der anderen Zyklen der Schichtbildung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wärmebehandlungstemperatur des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung höher eingestellt ist als die Temperatur, bei der die geschichtete untere Elektrode (42) Interdiffusion durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schichten aus piezoelektrischem Material so ausgebildet werden, dass sie vorwiegend in der 100-Ebene orientiert sind, und wobei, wenn die Schichten aus piezoelektrischem Material ausgebildet werden, die Wärmebehandlungszeit des anfänglichen Zyklus der Schichtbildung länger eingestellt ist als die Wärmebehandlungszeit der anderen Zyklen der Schichtbildung.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmebehandlung zum Ausbilden jeder Schicht aus piezoelektrischem Material ausgeführt wird, indem Erhitzen von der Seite der unteren Elektrode (42) her durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schichten aus piezoelektrischem Material mit dem Sol-Gel-Verfahren oder MOD-Verfahren ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Ti-Film in einer Dicke von nicht weniger als 3 nm und nicht mehr als 7 nm ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die untere Elektrode (42) wenigstens Ir enthält.
Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeits-Ausstoßkopfes, der ein piezoelektrisches Element umfasst, das mit dem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird, wobei es die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer Membran (30) an einer Seite eines Substrats (20); Ausbilden des piezoelektrischen Elementes auf der Membran; und Ätzen des Substrats (20) und Ausbilden von Druckkammern (21).