JP2003188431A - Piezo-electric device, ink jet head and method for manufacturing them and ink jet recording device - Google Patents
Piezo-electric device, ink jet head and method for manufacturing them and ink jet recording deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は電気機械変換機能を
呈する圧電素子、その圧電素子を用いたインクジエツト
ヘツド及びそれらの製造方法、並びにインクジエツトヘ
ツドを印字手段として備えたインクジエツト式記録装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element having an electromechanical conversion function, an ink jet head using the piezoelectric element, a method of manufacturing the same, and an ink jet recording apparatus having the ink jet head as a printing means.
【0002】[0002]
【従来の技術】圧電材料は、機械的エネルギーを電気的
エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械
的エネルギーに変換する材料である。圧電材料の代表的
なものとしては、ペロブスカイト型の結晶構造のチタン
酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)(以下、
『PZT』と記す)がある。PZTにおいて、正方晶系
PZTの場合には<001>方向(c軸方向)に最も大
きな圧電変位が得られ、菱面体晶系PZTの場合には<
111>方向に最も大きな圧電変位が得られる。しか
し、多くの圧電材料は、結晶粒子の集合体からなる多結
晶体であり、各結晶粒子の結晶軸はでたらめな方向を向
いている。従って、自発分極Psもでたらめに配列して
いる。2. Description of the Related Art Piezoelectric materials are materials that convert mechanical energy into electrical energy or convert electrical energy into mechanical energy. As a typical piezoelectric material, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) having a perovskite crystal structure (hereinafter, referred to as
"PZT"). In PZT, the largest piezoelectric displacement is obtained in the <001> direction (c-axis direction) in the case of tetragonal PZT, and <in the case of rhombohedral PZT.
The largest piezoelectric displacement is obtained in the 111> direction. However, many piezoelectric materials are polycrystalline bodies composed of aggregates of crystal grains, and the crystal axes of the respective crystal grains are oriented in random directions. Therefore, the spontaneous polarization Ps is also randomly arranged.
【0003】ところで、近年の電子機器の小型化に伴な
って、圧電素子に対しても小型化が強く要求されるよう
になってきた。そして、その要求を満たすために、圧電
素子は従来から多く使用されてきた焼結体に比べて著し
く体積の小さい薄膜の形態で使用されるようになりつつ
あり、圧電素子に対する薄膜化の研究開発が盛んになっ
てきた。例えば、正方晶系PZTの場合、自発分極Ps
はc軸方向を向いているので、薄膜化しても高い圧電特
性を実現するためには、PZT薄膜を構成する結晶のc
軸を基板表面に対して垂直方向に揃える必要がある。そ
して、これを実現するために、従来においては、結晶方
位(100)面が表面に出るように切り出したNaCl
型結晶構造の酸化マグネシウム(MgO)からなる単結
晶の基板を用い、下部電極として(100)に配向した
Pt電極薄膜を形成し、その表面に対して垂直方向にc
軸配向したPZT薄膜を600〜700℃の温度で形成
していた(例えば、J. Appl. Phys. vol.65, No.4 (15
Feb. 1989) pp.1666-1670、特開平10−209517
号公報)。この時、PZT膜の下地層としてZrの存在
しないPbTiO3や(P,La)TiO3からなる膜厚
0.1μmの圧電体層を(100)Pt電極上に形成
し、その上に膜厚2.5μmのPZT膜を形成すること
により、PZT膜形成の初期にZr酸化物からなる結晶
性の低い層が形成されにくくなり、より高い結晶性のP
ZT膜が得られている。By the way, with the recent miniaturization of electronic devices, there has been a strong demand for miniaturization of piezoelectric elements. In order to meet the demand, piezoelectric elements are being used in the form of thin films that have a significantly smaller volume than the sintered bodies that have been widely used in the past. Is becoming popular. For example, in the case of tetragonal PZT, spontaneous polarization Ps
Since it is oriented in the c-axis direction, in order to achieve high piezoelectric characteristics even if the film is thinned, the c of the crystal that constitutes the PZT thin film should be used.
The axis must be aligned perpendicular to the substrate surface. In order to realize this, conventionally, NaCl cut out so that the crystal orientation (100) plane appears on the surface.
Using a single-crystal substrate made of magnesium oxide (MgO) having a type crystal structure, a (100) -oriented Pt electrode thin film is formed as a lower electrode, and c is formed in a direction perpendicular to the surface.
An axially oriented PZT thin film was formed at a temperature of 600 to 700 ° C. (for example, J. Appl. Phys. Vol.65, No. 4 (15
Feb. 1989) pp.1666-1670, JP-A-10-209517.
Issue). At this time, as a base layer of the PZT film, a piezoelectric layer having a film thickness of 0.1 μm and made of PbTiO 3 or (P, La) TiO 3 without Zr is formed on the (100) Pt electrode, and the film thickness is formed thereon. By forming the PZT film of 2.5 μm, it becomes difficult to form a layer having low crystallinity made of Zr oxide at the initial stage of formation of the PZT film, and P having a higher crystallinity is formed.
A ZT film is obtained.
【0004】しかしながら上記方法では、下地基板にM
gO単結晶を用いるため、圧電素子が高価になってしま
い、それを用いるインクジェットヘッドが高価になって
しまうといった問題があった。また、基板材料もMgO
単結晶の一種類に制限されてしまう欠点もあった。However, in the above method, M is used as the base substrate.
Since the gO single crystal is used, there is a problem that the piezoelectric element becomes expensive and the inkjet head using the piezoelectric element becomes expensive. Also, the substrate material is MgO
There was also a drawback that it was limited to one type of single crystal.
【0005】上記課題を解決する方法として、高価なM
gO単結晶基板の替わりに安価なガラス基板やSi基板
を用い、その上にプラズマCVD法を用いて(100)
優先配向したNaCl型結晶構造のMgO薄膜、NiO
薄膜またはCoO薄膜を配向制御層として形成し、その
上に(001)優先配向したPZT膜をスパッタ法で形
成することが提案されている(特許公報:第28343
55号)。As a method for solving the above problems, expensive M
An inexpensive glass substrate or Si substrate is used instead of the gO single crystal substrate, and a plasma CVD method is used on it (100)
MgO thin film of NaCl type crystal structure with preferential orientation, NiO
It has been proposed that a thin film or a CoO thin film be formed as an orientation control layer, and a (001) preferentially oriented PZT film be formed thereon by a sputtering method (Patent Publication: 28343).
55).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た圧電素子は、工業的に量産すると圧電特性のバラツ
キ、耐電圧、信頼性、歩留まりに課題があった。なぜな
ら、上述した圧電素子は、(001)優先配向したPZ
T膜を安価なガラスやSi基板上に形成するために、
(100)MgO薄膜、NiO薄膜およびCoO薄膜を
配向制御層として用いている。これらの配向制御層はプ
ラズマCVD法により製造される。この方法を用いる
と、基板の種類に無関係にNaCl型結晶構造の(10
0)配向膜が得られるが、いずれの薄膜も多結晶体であ
る(たとえば、Jpn.J.Appl.Phys.32(1993)L1448)。す
なわち、前記薄膜表面には結晶粒界が存在するため、単
結晶MgO基板上に形成する場合と比較して、PZT膜
形成初期に結晶が乱れやすく、さらに、PZT膜形成初
期にZr酸化物からなる結晶性の低い層も形成されやす
くなる。この問題は、NaCl型結晶構造の(100)
配向膜上に、(100)配向Pt電極膜を介してPZT
膜を形成する場合でも、(100)配向Pt電極膜が多
結晶構造となるため、同様に生じる。その結果、PZT
圧電膜の(001)配向性や結晶性にバラツキが生じや
すく、圧電特性のバラツキ、耐電圧、信頼性に課題が生
じていた。さらに、上述したMgO膜などNaCl型結
晶構造の酸化物薄膜は、ガラス基板やSi基板などとの
密着性に問題があるため、製造時に膜剥離が生じること
があり、圧電素子の歩留まりを低下させる原因となって
いた。However, when the above-mentioned piezoelectric element is industrially mass-produced, there are problems in variations in piezoelectric characteristics, withstand voltage, reliability, and yield. This is because the piezoelectric element described above is a PZ with (001) preferential orientation.
In order to form a T film on inexpensive glass or Si substrate,
A (100) MgO thin film, a NiO thin film and a CoO thin film are used as the orientation control layer. These orientation control layers are manufactured by the plasma CVD method. Using this method, the (10
0) An oriented film can be obtained, and all the thin films are polycrystalline (for example, Jpn.J.Appl.Phys.32 (1993) L1448). That is, since the grain boundaries exist on the surface of the thin film, the crystals are more likely to be disturbed in the initial stage of forming the PZT film than in the case of forming on the single-crystal MgO substrate. It becomes easy to form a layer having low crystallinity. This problem is due to the (100) of the NaCl type crystal structure.
PZT on the alignment film via a (100) -oriented Pt electrode film
Even when a film is formed, the (100) -oriented Pt electrode film has a polycrystalline structure, and therefore occurs similarly. As a result, PZT
Variations in the (001) orientation and crystallinity of the piezoelectric film tend to occur, causing problems in the variation of piezoelectric characteristics, withstand voltage, and reliability. Furthermore, since the oxide thin film having the NaCl type crystal structure such as the MgO film described above has a problem in adhesion to a glass substrate, a Si substrate, or the like, film peeling may occur during manufacturing, which reduces the yield of piezoelectric elements. It was the cause.
【0007】また上記圧電素子を用いたインクジェット
ヘッドとインクジェット式記録装置は、圧電特性のバラ
ツキや信頼性の問題から、インクの吐出能力のバラツキ
や耐久性に課題があった。Further, the ink jet head and the ink jet type recording apparatus using the above-mentioned piezoelectric element have a problem in variation in ink ejection capability and durability due to variation in piezoelectric characteristics and reliability.
【0008】本発明は、このような従来の課題を解決す
るもので、圧電特性のバラツキ、耐電圧、信頼性、歩留
まりを向上した圧電素子、インクジェットヘッド及びそ
れらの製造方法、並びにインクジエツトヘツド式記録装
置の提供を目的とする。The present invention is intended to solve such a conventional problem and is to provide a piezoelectric element having improved piezoelectric characteristics, withstand voltage, reliability and yield, an ink jet head, a method for manufacturing the same, and an ink jet head type ink jet head. The purpose is to provide a recording device.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】以下、本発明の理解に供
するため、実施形態を踏まえ、具体的に説明するが、以
下の内容は、特許請求の範囲を意図的に限定する趣旨の
ものではない。In order to provide an understanding of the present invention, a detailed description will be given below based on the embodiments, but the following contents are not intended to intentionally limit the scope of the claims. Absent.
【0010】上記の目的を達成するために本発明の請求
項1の圧電素子は、基板上に密着層を設け、その密着層
上に(100)配向NaCl型酸化物薄膜の第1の配向
制御層を設け、その第1の配向制御層上に第1の電極層
を設け、その第1の電極層上に(001)または(10
0)配向ペロブスカイト型酸化物薄膜の第2の配向制御
層を設け、その第2の配向制御層上に(001)または
(100)配向ペロブスカイト型酸化物薄膜の圧電体層
を設け、その圧電体層上に第2の電極層を設けた構成と
する。In order to achieve the above object, the piezoelectric element according to claim 1 of the present invention is provided with an adhesion layer on a substrate, and the first orientation control of a (100) oriented NaCl type oxide thin film is provided on the adhesion layer. A layer is provided, a first electrode layer is provided on the first orientation control layer, and (001) or (10) is provided on the first electrode layer.
0) A second orientation control layer of an oriented perovskite oxide thin film is provided, and a piezoelectric layer of a (001) or (100) oriented perovskite oxide thin film is provided on the second orientation control layer. A second electrode layer is provided on the layer.
【0011】このように、基板上に、密着層を介して第
1の配向制御層である(100)配向NaCl型または
スピネル型酸化物薄膜を形成することにより、基板と第
1の配向制御層である(100)配向NaCl型酸化物
薄膜との密着性を向上させることができ、製造時での膜
剥離をなくすことができる。また、第一の電極と圧電体
層との間に、Zrを含まない(001)または(10
0)配向ペロブスカイト型のチタン酸鉛を主成分とし、
かつ化学量論組成より鉛を過剰に含む酸化物薄膜を第2
の配向制御層を設けたことにより、圧電体層であるペロ
ブスカイト型結晶構造の酸化物薄膜の結晶性や(00
1)または(100)配向性を向上させることが可能と
なる。特にチタン酸鉛を主成分とした第2の配向制御層
が、鉛を過剰に含むことにより、第1の電極層である
(100)に配向したPtなどの多結晶膜の上にでも、容
易に結晶性が良好で(001)または(100)配向膜
が得られる。その結果、圧電特性のバラツキ、耐電圧、
信頼性を向上させることができる。圧電素子はPZT膜
表面に対して垂直方向に電界を印加して用いられるた
め、特に正方晶系ペロブスカイト型PZT膜において
は、(001)配向により、電界方向と<001>分極
軸方向が平行になり、大きな圧電特性が得られる。さら
に、電界印加に対して分極軸が平行であることにより電
界印加よる分極の回転は起きないため、圧電特性のバラ
ツキや信頼性も向上する。また菱面体晶系ペロブスカイ
ト型PZT膜においては、分極軸が<111>であるた
め、(100)配向PZT膜では、電界方向と分極軸方
向には約54°の角度が生じるものの(例えば、Appl.P
hys.Lett.76(2000)1617)、結晶性と(100)配向性
の向上させることにより、電圧印加に対して分極は常に
約54°の一定の角度を保つ事ができるため、この場合
も電界印加よる分極の回転は起きないため、圧電特性の
バラツキや信頼性は向上する(例えば、無配向のPZT
膜の場合は分極はいろいろな方向を向いているため、電
界を印加すると、電界と平行方向に分極軸を向けようと
するため、圧電特性が電圧依存性を有するためバラツキ
が大きくなったり、経時変化が生じたりして、信頼性に
問題が生じる)。また、正方晶系、菱面体晶系のいずれ
の場合にも、PZT膜形成初期にZr酸化物からなる結
晶性の低い層が形成されない構成であるため、耐電圧も
向上する。As described above, by forming the (100) oriented NaCl-type or spinel-type oxide thin film which is the first orientation control layer on the substrate through the adhesion layer, the substrate and the first orientation control layer are formed. It is possible to improve the adhesion to the (100) oriented NaCl-type oxide thin film, and to eliminate the peeling of the film during manufacturing. Further, Zr is not contained between the first electrode and the piezoelectric layer (001) or (10
0) Oriented perovskite type lead titanate as a main component,
Second, oxide thin film containing lead in excess of stoichiometric composition
By providing the orientation control layer of (0), the crystallinity of the oxide thin film of the perovskite type crystal structure which is the piezoelectric layer and (00
It is possible to improve the 1) or (100) orientation. In particular, since the second orientation control layer containing lead titanate as a main component contains an excessive amount of lead, it can be easily formed on the (100) oriented polycrystalline film such as Pt which is the first electrode layer. The crystallinity is excellent and a (001) or (100) oriented film can be obtained. As a result, variations in piezoelectric characteristics, withstand voltage,
The reliability can be improved. Since the piezoelectric element is used by applying an electric field in the direction perpendicular to the surface of the PZT film, particularly in the tetragonal perovskite type PZT film, the electric field direction and the <001> polarization axis direction are parallel to each other due to the (001) orientation. Therefore, large piezoelectric characteristics can be obtained. Further, since the polarization axis is parallel to the applied electric field, the rotation of polarization due to the applied electric field does not occur, so that variations in piezoelectric characteristics and reliability are also improved. In the rhombohedral perovskite PZT film, the polarization axis is <111>. Therefore, in the (100) oriented PZT film, an angle of about 54 ° is generated between the electric field direction and the polarization axis direction (for example, Appl .P
hys.Lett.76 (2000) 1617), by improving the crystallinity and (100) orientation, the polarization can always maintain a constant angle of about 54 ° with respect to voltage application. Since the rotation of polarization due to the application of an electric field does not occur, variations in piezoelectric characteristics and reliability are improved (for example, non-oriented PZT).
In the case of a film, polarization is oriented in various directions.When an electric field is applied, the polarization axis tends to be oriented in the direction parallel to the electric field. There are problems with reliability due to changes). Further, in any of the tetragonal system and the rhombohedral system, since the low crystallinity layer of Zr oxide is not formed in the initial stage of forming the PZT film, the withstand voltage is also improved.
【0012】また、請求項2の圧電素子の製造方法は、
上記構成の圧電素子において、密着層、第1の電極層、
第2の配向制御層、圧電体層、第2の電極層をスパッタ
法で形成し、第1の配向制御層をプラズマCVD法によ
り形成することを特徴とする。The method of manufacturing a piezoelectric element according to claim 2 is
In the piezoelectric element having the above structure, the adhesion layer, the first electrode layer,
The second alignment control layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are formed by a sputtering method, and the first alignment control layer is formed by a plasma CVD method.
【0013】このように、第1の配向制御層である(1
00)配向NaCl型酸化物薄膜の形成にプラズマCV
D法を用いることにより、下地基板および密着層の種類
にかかわらず(100)配向NaCl型酸化物薄膜が得
られるため、高価なMgO単結晶基板を用いる必要がな
く、安価なガラス基板やSi基板を用いることができ
る。また、チタン酸鉛を主成分とした第2の配向制御層
やチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電体層をスパ
ッタ法で形成することにより、低温で、クラックなどの
入らない結晶性の良好なペロブスカイト型結晶構造の上
記酸化物薄膜が得られる。Thus, the first orientation control layer (1
00) Plasma CV for forming oriented NaCl-type oxide thin film
By using the D method, a (100) -oriented NaCl-type oxide thin film can be obtained regardless of the types of the base substrate and the adhesion layer, so that it is not necessary to use an expensive MgO single crystal substrate, and an inexpensive glass substrate or Si substrate. Can be used. In addition, by forming the second orientation control layer containing lead titanate as a main component and the piezoelectric layer containing lead zirconate titanate as a main component by a sputtering method, it is possible to obtain a crystallinity free from cracks at low temperature. The above oxide thin film having a good perovskite type crystal structure can be obtained.
【0014】また、本発明の圧電素子および圧電素子の
製造方法において、密着層には、チタン、タンタル、
鉄、コバルト、ニッケル、クロムの群から選ばれた1種
以上であることが望ましい。Further, in the piezoelectric element and the method for manufacturing the piezoelectric element of the present invention, the adhesion layer is made of titanium, tantalum,
It is desirable to be at least one selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel and chromium.
【0015】また、本発明の圧電素子および圧電素子の
製造方法において、第1の配向制御層には、NaCl型結晶
構造の(100)に優先配向した酸化マグネシウム、酸
化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化チタンの群か
ら選ばれた1種以上であることが望ましい。Further, in the piezoelectric element and the method for manufacturing the piezoelectric element of the present invention, the first orientation control layer comprises magnesium oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide preferentially oriented to (100) having a NaCl type crystal structure. It is desirable that at least one selected from the group consisting of titanium oxides.
【0016】また、本発明の圧電素子および圧電素子の
製造方法において、第2の配向制御層が、ペロブスカイ
ト型結晶構造の(001)または(100)に優先配向
したチタン酸鉛に、マグネシウム、カルシウム、ストロ
ンチウム、バリウム、ランタン、ニオブ、マンガン、亜
鉛、アルミニウムの群から選ばれた1種以上を、0を超
え25モル%以下添加したものであり、かつ化学量論組
成と比較して鉛量が5を超え30モル%以下過剰である
ことが望ましい。Further, in the piezoelectric element and the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention, the second orientation control layer comprises lead titanate preferentially oriented to (001) or (100) having a perovskite type crystal structure, and magnesium or calcium. , Strontium, barium, lanthanum, niobium, manganese, zinc, and aluminum are added in an amount of more than 0 and 25 mol% or less, and the lead content is higher than that of the stoichiometric composition. An excess of more than 5 and 30 mol% or less is desirable.
【0017】また、本発明の圧電素子および圧電素子の
製造方法において、圧電体層は、(001)または(1
00)に優先配向したペロブスカイト型結晶構造のチタ
ン酸ジルコン酸鉛であることが望ましい。Further, in the piezoelectric element and the method for manufacturing the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric layer is (001) or (1
It is preferable to use lead zirconate titanate having a perovskite crystal structure preferentially oriented to (00).
【0018】また、請求項3のインクジェットヘッド
は、基板上に密着層を設け、その密着層上に第1の配向
制御層を設け、その第1の配向制御層上に第1の電極層
を設け、その第1の電極層上に第2の配向制御層を設
け、その第2の配向制御層上に圧電体層を設け、その圧
電体層上に第2の電極層を設けて圧電素子を形成し、そ
の圧電素子の第2の電極層上に振動層を設け、その振動
層とインクを吐出するための圧力室とを接合し、前記基
板、密着層及び第1の配向制御層を除去してなることを
特徴とする。According to a third aspect of the present invention, there is provided an ink jet head in which an adhesion layer is provided on a substrate, a first orientation control layer is provided on the adhesion layer, and a first electrode layer is provided on the first orientation control layer. A piezoelectric element, in which a second orientation control layer is provided on the first electrode layer, a piezoelectric layer is provided on the second orientation control layer, and a second electrode layer is provided on the piezoelectric layer. And a vibrating layer is provided on the second electrode layer of the piezoelectric element, and the vibrating layer and the pressure chamber for ejecting ink are joined to form the substrate, the adhesion layer and the first orientation control layer. It is characterized by being removed.
【0019】これによって、インクの吐出能力のバラツ
キが少なく耐久性に優れたインクジェットヘッドが実現
できる。As a result, it is possible to realize an ink jet head having less variation in ink ejection capacity and excellent durability.
【0020】また、請求項4のインクジェットヘッドの
製造方法は、基板上に、密着層、第1の配向制御層、第
1の電極層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2
の電極層を形成する工程と、前記第2の電極層上に振動
層を形成する工程と、前記振動層上にインクを吐出する
ための圧力室を接合する工程と、前記基板、密着層、お
よび第1の配向制御層を除去する工程を備えたインクジ
ェットヘッドの製造方法であって、前記密着層、第1の
電極層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2の電
極層をスパッタ法で形成し、前記第1の配向制御層をプ
ラズマCVD法により形成することを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an ink jet head manufacturing method, wherein an adhesion layer, a first orientation control layer, and
The first electrode layer, the second orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second
Forming an electrode layer, forming a vibrating layer on the second electrode layer, joining a pressure chamber for ejecting ink onto the vibrating layer, the substrate, the adhesion layer, And a method for manufacturing an inkjet head, which comprises a step of removing the first orientation control layer, the adhesion layer, the first electrode layer, the second orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer. Is formed by a sputtering method, and the first orientation control layer is formed by a plasma CVD method.
【0021】これによって、インクの吐出能力のバラツ
キが少なく耐久性に優れたインクジェットヘッドが製造
できる。As a result, it is possible to manufacture an ink jet head having less variation in ink ejection capacity and excellent durability.
【0022】また、請求項5のインクジェットヘッド
は、一方の面にインクを吐出するための圧力室が形成さ
れた圧力室基板の他方の面上に、振動層を設け、その振
動層上に密着層を設け、その密着層上に第1の配向制御
層を設け、その第1の配向制御層上に第1の電極層を設
け、その第1の電極層上に第2の配向制御層を設け、そ
の第2の配向制御層上に圧電体層を設け、その圧電体層
上に第2の電極層を設けた構成からなることを特徴とす
る。Further, in the ink jet head according to the present invention, a vibrating layer is provided on the other surface of the pressure chamber substrate having a pressure chamber for ejecting ink on one surface, and the vibrating layer is adhered to the vibrating layer. A layer, a first orientation control layer is provided on the adhesion layer, a first electrode layer is provided on the first orientation control layer, and a second orientation control layer is provided on the first electrode layer. It is characterized in that a piezoelectric layer is provided on the second orientation control layer, and a second electrode layer is provided on the piezoelectric layer.
【0023】これによって、インクの吐出能力のバラツ
キが少なく耐久性に優れたインクジェットヘッドが実現
できる。As a result, it is possible to realize an ink jet head having excellent durability and less variation in ink ejection capacity.
【0024】また、請求項6のインクジェットヘッドの
製造方法は、基板の一面に振動層を形成する工程と、前
記振動層上に密着層、第1の配向制御層、第1の電極
層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2の電極層
を形成する工程と、前記基板をエッチングして圧力室を
形成する工程と、を備えたインクジェットヘッドの製造
方法であって、前記密着層、第1の電極層、第2の配向
制御層、圧電体層、および第2の電極層をスパッタ法で
形成し、前記第1の配向制御層をプラズマCVD法によ
り形成することを特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an ink jet head, wherein a step of forming a vibrating layer on one surface of the substrate, an adhesion layer, a first orientation control layer, a first electrode layer, A method for manufacturing an ink jet head, comprising: a step of forming an alignment control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer, and a step of etching the substrate to form a pressure chamber. A layer, a first electrode layer, a second orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are formed by a sputtering method, and the first orientation control layer is formed by a plasma CVD method. To do.
【0025】これによって、インクの吐出能力のバラツ
キが少なく耐久性に優れたインクジェットヘッドが製造
できる。As a result, it is possible to manufacture an ink jet head which has little variation in ink ejection capacity and is excellent in durability.
【0026】また、請求項7のインクジェット式記録装
置は、請求項3または請求項5のインクジェットヘッド
と、そのインクジェットヘッドを幅方向に移動させる移
動手段と、前記幅方向に対して略垂直方向に記録媒体を
移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。An ink jet recording apparatus according to a seventh aspect of the invention is an ink jet head according to the third or fifth aspect, a moving means for moving the ink jet head in the width direction, and a direction substantially perpendicular to the width direction. And a moving means for moving the recording medium.
【0027】[0027]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0028】(実施の形態1)図1は本実施の形態にお
ける圧電素子の断面図であり、同図において11は厚みが
0.3mmのφ4インチシリコン(Si)ウエハからなる基板
であり、その上にはチタン(Ti)からなる厚みが0.02μm
の密着層12が形成されている。さらに密着層12上にはNa
Cl型結晶構造の厚みが0.4μmの(100)面を優先配向さ
せたNaCl型結晶構造の酸化マグネシウム(MgO)からなる
第1の配向制御層13が形成されている。第1の配向制御
層13上には厚みが0.2μmの(100)面を優先配向させた
白金(Pt)からなる第1の電極層14が形成されている。
さらに第1の電極層14上には厚みが0.02μmのランタン
(La)を10mol%添加し、かつ鉛を化学量論組成から2
0mol%過剰に含むチタン酸鉛からなる第2の配向制御
層15が形成されている。この配向制御層15は(001)面
を優先配向させたペロブスカイト構造である。第2の配
向制御層15上には厚みが3μmのチタン酸ジルコン酸鉛か
らなる圧電体層16が形成されている。この圧電体層16は
(001)面を優先配向させたペロブスカイト構造からな
り、その組成は、正方晶と菱面体晶の境界(モルフォト
ロピック相境界)付近の組成(Zr/Ti=52/48)である。
その圧電体層上には、厚みが0.2μmのPtからなる第2
の電極層が形成されている。(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view of a piezoelectric element according to the present embodiment. In FIG.
It is a substrate made of 0.3 mm φ4 inch silicon (Si) wafer, and a thickness of 0.02 μm made of titanium (Ti) on it.
Adhesion layer 12 is formed. In addition, Na on the adhesion layer 12
A first orientation control layer 13 made of magnesium oxide (MgO) having a NaCl type crystal structure in which a (100) plane having a Cl type crystal structure thickness of 0.4 μm is preferentially oriented is formed. A first electrode layer 14 made of platinum (Pt) having a thickness of 0.2 μm and having a (100) plane preferentially oriented is formed on the first orientation control layer 13.
Furthermore, 10 mol% of lanthanum (La) having a thickness of 0.02 μm was added on the first electrode layer 14, and lead was added from the stoichiometric composition to 2%.
A second orientation control layer 15 made of lead titanate containing an excess of 0 mol% is formed. The orientation control layer 15 has a perovskite structure in which the (001) plane is preferentially oriented. A piezoelectric layer 16 made of lead zirconate titanate having a thickness of 3 μm is formed on the second orientation control layer 15. This piezoelectric layer 16 has a perovskite structure in which the (001) plane is preferentially oriented, and its composition is a composition (Zr / Ti = 52/48) near the boundary between the tetragonal crystal and the rhombohedral crystal (morphotropic phase boundary). Is.
A second Pt layer with a thickness of 0.2 μm is formed on the piezoelectric layer.
Electrode layers are formed.
【0029】ここで、密着層12は基板11と下地層13との
密着性を向上させるために用いている。密着層はTiに限
らず、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、クロムまた
はそれらの化合物でも良い。また膜厚は、0.005〜1μm
の範囲であればよい。The adhesion layer 12 is used to improve the adhesion between the substrate 11 and the base layer 13. The adhesion layer is not limited to Ti and may be tantalum, iron, cobalt, nickel, chromium or a compound thereof. The film thickness is 0.005 to 1 μm
It should be in the range of.
【0030】また、第1の配向制御層13は、第1の電極
層であるPtを(100)に配向させるために用いてお
り、酸化マグネシウムに限らず、(100)配向性を示
すNaCl型酸化物である、酸化ニッケル、酸化コバル
ト、酸化鉄、酸化チタンまたはそれらの化合物でも良
い。また膜厚は、0.05〜0.5μmの範囲であればよい。
なぜなら、膜厚が0.05μm以下の場合には、十分な結晶
性と(100)配向性が得られないためである。また2
μm以上だと表面凹凸が大きくなり、第1の電極層の形
成に悪影響を及ぼすためである。The first orientation control layer 13 is used for orienting Pt, which is the first electrode layer, to (100), and is not limited to magnesium oxide, but is a NaCl type that exhibits (100) orientation. The oxide may be nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, titanium oxide or a compound thereof. The film thickness may be in the range of 0.05 to 0.5 μm.
This is because when the film thickness is 0.05 μm or less, sufficient crystallinity and (100) orientation cannot be obtained. Again 2
This is because if the thickness is more than μm, the surface irregularities become large and the formation of the first electrode layer is adversely affected.
【0031】また、第1の配向制御層における(10
0)配向率α1は、90%以上あればよい。ここでα1
は、α1=I(100)/ΣI(hkl)で定義してい
る。Further, in the first orientation control layer, (10
0) The orientation rate α1 may be 90% or more. Where α1
Is defined by α1 = I (100) / ΣI (hkl).
【0032】ΣI(hkl)はX線回折法において、Cu
-Kα線を用いたときの2θが10〜70°でのNaCl
酸化物薄膜の全回折強度の総和で、具体的には(11
1)、(200)、(220)からの回折ピーク強度の
総和である。また、I(100)は、(200)からの
回折ピークの強度である。ΣI (hkl) is Cu in the X-ray diffraction method.
-NaCl at 2θ of 10-70 ° when using Kα rays
The sum of all diffraction intensities of the oxide thin film, specifically (11
1) Sum of diffraction peak intensities from (200) and (220). Further, I (100) is the intensity of the diffraction peak from (200).
【0033】また、第1の電極層13は、電極としての役
割だけでなく、(100)配向することにより、第2の
配向制御層を(001)または(100)配向させる役
割も担っており、Ptに限らず、パラジウム、イリジウ
ム、ロジウムまたはそれらの化合物でも良い。また膜厚
は、0.05〜2μmの範囲であればよい。The first electrode layer 13 has not only a role as an electrode, but also a role of (001) orienting the second orientation control layer to (001) or (100) orientation. , Pt, but may be palladium, iridium, rhodium or a compound thereof. The film thickness may be in the range of 0.05 to 2 μm.
【0034】また第2の配向制御層15は、圧電体層16の
結晶性および(001)または(100)配向性を向上
させる。そのため、Zrを含まず、かつ鉛が化学両論組
成よりも過剰な組成となっている。第2の配向制御層
は、チタン酸鉛にランタンを10mol%含み、かつ鉛が
化学量論組成より20mol%過剰に含むペロブスカイト
型酸化物に限らず、ランタン以外に、マグネシウム、カ
ルシウム、ストロンチウム、バリウム、ニオブ、マンガ
ン、亜鉛、アルミニウムを含み、鉛過剰量も5〜30mo
l%であればよい。この時、鉛過剰量が5mol%以下ある
いは30mol%を超えると、第1の電極層である多結晶
の(100)Pt膜の上に、結晶性の良好な(001)ま
たは(100)配向のチタン酸鉛を主成分とした第2の
配向制御層が得られにくい。また、膜厚は、0.005〜0.2
μmの範囲であればよい。(001)または(100)
の配向度α2は、いずれの場合も80%以上であればよ
い。ここでα2は、X線回折法においてCu-Kα線を用い
たときの2θが10〜70°でのペロブスカイト型酸化
物薄膜の(001)または(100)からの回折ピーク
強度と全回折ピーク強度の総和との比率である。ただ
し、(002)および(200)は、(001)および
(100)と等価であるため、ピーク強度には含めな
い。The second orientation control layer 15 improves the crystallinity and the (001) or (100) orientation of the piezoelectric layer 16. Therefore, Zr is not contained and lead has a composition that is in excess of the stoichiometric composition. The second orientation control layer is not limited to a perovskite-type oxide in which lead titanate contains lanthanum in an amount of 10 mol% and lead is present in an excess of 20 mol% with respect to the stoichiometric composition, and in addition to lanthanum, magnesium, calcium, strontium, barium, etc. , Niobium, Manganese, Zinc, Aluminum, and lead excess 5-30mo
It should be l%. At this time, when the lead excess amount is 5 mol% or less or exceeds 30 mol%, the (001) or (100) orientation with good crystallinity is formed on the polycrystalline (100) Pt film as the first electrode layer. It is difficult to obtain the second orientation control layer containing lead titanate as a main component. The film thickness is 0.005-0.2.
It may be in the range of μm. (001) or (100)
The degree of orientation α2 may be 80% or more in any case. Here, α2 is the diffraction peak intensity from (001) or (100) and the total diffraction peak intensity of the perovskite oxide thin film at 2θ of 10 to 70 ° when Cu-Kα ray is used in the X-ray diffraction method. It is the ratio with the sum of. However, since (002) and (200) are equivalent to (001) and (100), they are not included in the peak intensity.
【0035】また、圧電体層16におけるZr/Ti組成は、
Zr/Ti=52/48に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であれ
ば良い。また圧電体層16の(001)または(100)
配向度α3は、(001)または(100)の配向度α
3は、いずれの場合も90%以上であればよい。ここで
α3は、α2と同様に、X線回折法においてCu-Kα線を
用いたときの2θが10〜70°でのペロブスカイト型
酸化物薄膜の(001)または(100)からの回折ピ
ーク強度と全回折ピーク強度の総和との比率である。ま
た、膜厚は、0.1〜5.0μmの範囲であればよい。The Zr / Ti composition in the piezoelectric layer 16 is
Not limited to Zr / Ti = 52/48, Zr / Ti = 30/70 to 70/30 may be used. In addition, the piezoelectric layer 16 (001) or (100)
The degree of orientation α3 is the degree of orientation α of (001) or (100).
3 may be 90% or more in any case. Here, α3 is the diffraction peak intensity from (001) or (100) of the perovskite-type oxide thin film at 2θ of 10 to 70 ° when Cu-Kα ray is used in the X-ray diffraction method, like α2. And the total intensity of all diffraction peaks. The film thickness may be in the range of 0.1 to 5.0 μm.
【0036】(実施例1)次に本発明の、図1に示した
構造の圧電素子の製造方法について説明する。Example 1 Next, a method of manufacturing the piezoelectric element having the structure shown in FIG. 1 of the present invention will be described.
【0037】図1に示した構成の各層のうち、密着層、
第1の電極層、第2の配向制御層、圧電体層、第2の電
極層はスパッタリング法で、第1の配向制御層はプラズ
マCVD法で形成した。Of the layers having the structure shown in FIG. 1, an adhesion layer,
The first electrode layer, the second orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer were formed by the sputtering method, and the first orientation control layer was formed by the plasma CVD method.
【0038】まず、密着層は、Tiターゲットを用い、基
板を400℃に加熱しながら、100Wの高周波電力を印加
し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成した。First, the adhesion layer was formed by using a Ti target, heating the substrate at 400 ° C., applying a high-frequency power of 100 W, and argon gas of 1 Pa for 1 minute.
【0039】次に、第1の配向制御層をプラズマCVD法
で形成した。出発原料にマグネシウムアセチルアセトナ
ート(Mg(C5H7O2)2)を用い、気化温度210℃、キャリ
アガス(窒素)流量100(SCCM)、反応ガス(酸素)流
量1000(SCCM)、真空度10Pa、基板温度500℃の条件
で、高周波(13.56MHz)プラズマ中400Wで45分間作製し
た。Next, the first orientation control layer was formed by the plasma CVD method. Magnesium acetylacetonate (Mg (C 5 H 7 O 2 ) 2 ) was used as the starting material, vaporization temperature 210 ° C, carrier gas (nitrogen) flow rate 100 (SCCM), reaction gas (oxygen) flow rate 1000 (SCCM), vacuum It was fabricated at 400 W for 45 minutes in high frequency (13.56 MHz) plasma under the conditions of 10 Pa and a substrate temperature of 500 ° C.
【0040】引き続き、第1の電極層をスパッタ法で形
成した。Ptターゲットを用いて、基板を600℃に加熱し
ながら1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で12分間
形成した。Subsequently, the first electrode layer was formed by the sputtering method. Using a Pt target, the substrate was heated to 600 ° C. and formed in argon gas of 1 Pa at a high frequency power of 200 W for 12 minutes.
【0041】第2の配向制御層は、ターゲットにチタン
酸ランタン鉛(Pb0.9La0.1TiO3)に酸化鉛(PbO)を20m
ol%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを用い、基
板温度600℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気中(ガス
体積比Ar:O2=19:1)、真空度0.8Pa、高周波電力300W
の条件で12分間作製した。The second orientation control layer has 20 m of lead lanthanum titanate (Pb0.9La0.1TiO3) and lead oxide (PbO) as the target.
Using a sintered body target prepared by adding ol% excess, at a substrate temperature of 600 ° C, in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 19: 1), vacuum degree 0.8Pa, high frequency power 300W
It was made for 12 minutes under the conditions of.
【0042】また、圧電体層は、ターゲットにチタン酸
ジルコン酸鉛(Zr/Ti=52/48)の焼結体ターゲットを
用い、基板温度630℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=9:1)、真空度0.3Pa、高周波電
力250Wの条件で3時間作製しサンプルA1とした。な
お、サンプルA1にはクラックや膜剥離は見られなかっ
た。The piezoelectric layer uses a lead zirconate titanate (Zr / Ti = 52/48) sintered target as a target, and the substrate temperature is 630 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume: Ratio Ar: O2 = 9: 1), vacuum degree of 0.3 Pa, and high frequency power of 250 W were prepared for 3 hours to obtain sample A1. No crack or peeling of the film was observed in Sample A1.
【0043】サンプルA1を用いて圧電体層の結晶配向
性や膜組成を調べた。X線回折法による解析から、得ら
れた圧電体層16は(100)配向菱面体晶系ペロブスカ
イト型結晶構造を示していた。(100)以外の面から
の回折ピークは見られなかった。またX線マイクロアナ
ラーザーによる組成分析を行った結果、PZT膜の組成
はターゲット組成と同じでZr/Ti比は52/48で
あった。The crystal orientation and film composition of the piezoelectric layer were investigated using sample A1. From the analysis by the X-ray diffraction method, the obtained piezoelectric layer 16 had a (100) oriented rhombohedral perovskite type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100). As a result of composition analysis by X-ray microanalyzer, the composition of the PZT film was the same as the target composition, and the Zr / Ti ratio was 52/48.
【0044】次に、第1の配向制御層13の結晶配向性、
および第2の配向制御層15の結晶性配向性と膜組成を調
べるために、上述した成膜方法でSi基板11上に密着層
12、第1の配向制御層13までを形成したサンプルA2、
およびSi基板11上に密着層12、第1の配向制御層13、
第1の電極層14、第2の配向制御層15までを形成したサ
ンプルA3を作製した。Next, the crystal orientation of the first orientation control layer 13,
Further, in order to investigate the crystalline orientation and the film composition of the second orientation control layer 15, the adhesion layer is formed on the Si substrate 11 by the above-mentioned film forming method.
12, sample A2 formed up to the first orientation control layer 13,
And an adhesion layer 12, a first orientation control layer 13, on the Si substrate 11,
A sample A3 having the first electrode layer 14 and the second alignment control layer 15 formed was prepared.
【0045】X線回折法による解析を行った結果、サン
プルA2における第1の配向制御層のMgO薄膜は、
(100)配向NaCl型結晶構造を示していた。(10
0)以外の面からの回折ピークは見られなかった。ま
た、サンプルA3における第2の配向制御層のランタン
を添加したチタン酸鉛薄膜は(100)配向ペロブスカ
イト型結晶構造を示していた。(100)以外の面から
の回折ピークは見られなかった。さらに、サンプルA3
を用いて、X線マイクロアナラーザーに第2の配向制御
層の組成分析を行った結果、ターゲット組成と同じで、
ランタンが10モル%添加され、Pbが20モル%過剰
に含まれていた。As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the MgO thin film of the first orientation control layer in Sample A2 was
It showed a (100) oriented NaCl type crystal structure. (10
No diffraction peak was seen from the planes other than 0). Further, the lead titanate thin film to which lanthanum was added as the second orientation control layer in Sample A3 exhibited a (100) oriented perovskite type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100). Furthermore, sample A3
As a result of performing a composition analysis of the second orientation control layer on the X-ray microanalyzer using
Lanthanum was added at 10 mol% and Pb was contained in excess of 20 mol%.
【0046】次に、サンプルA1を用いて、ダイシング
により15mm×2mmに切り出したカンチレバーを100製し、
0.1μm厚のPt上部電極(第2の電極層)をスパッタ法
(室温)で形成し、圧電特性d31の測定(特開2001-2105
2と同様の方法)を行った。100個作製したカンチレバー
の圧電定数の平均値は−126pC/Nで、バラツキは、σ=3
%であった。Next, using sample A1, 100 cantilevers cut into 15 mm × 2 mm by dicing were manufactured,
A Pt upper electrode (second electrode layer) having a thickness of 0.1 μm was formed by a sputtering method (room temperature), and the piezoelectric characteristic d31 was measured (JP 2001-2105A).
2) was performed. The average piezoelectric constant of 100 cantilevers was -126 pC / N, and the variation was σ = 3
%Met.
【0047】また、上記製造方法によりφ4インチSiウ
エハ上に形成した圧電素子(サンプルA4)を作製し、
上部電極として1mm角で0.1μm厚のPt膜を、スパッタ法
によりメタルマスクを用いて、10mm間隔で65個形成し、
それぞれの上部電極(第2の電極層)と下部電極(第1
の電極層)に電圧を印加して圧電体素子の耐電圧を測定
した。なお、耐電圧値は、電圧印加による電流値が1μ
Aとなる値とした。その結果、耐電圧値の平均は123V
で、バラツキはσ=5%であった。Further, a piezoelectric element (sample A4) formed on a φ4 inch Si wafer by the above manufacturing method was prepared,
65 Pt films of 1 mm square and 0.1 μm thickness were formed as the upper electrode by a sputtering method using a metal mask at 10 mm intervals,
Each upper electrode (second electrode layer) and lower electrode (first electrode)
A voltage was applied to the electrode layer) to measure the withstand voltage of the piezoelectric element. Note that the withstand voltage value is a current value of 1μ due to voltage application.
The value is A. As a result, the average withstand voltage is 123V.
The variation was σ = 5%.
【0048】なお、上記すべての圧電素子には、膜剥離
やクラックは見られなかった。No film peeling or cracks were found in any of the above piezoelectric elements.
【0049】(比較例1)図2は従来の圧電素子の断面
図である。同図において基板21は厚みが0.3mmのφ4イ
ンチシリコン(Si)ウエハからなる基板であり、その上
にはNaCl型結晶構造の厚みが0.4μmの(100)面を優先
配向させたNaCl型結晶構造の酸化マグネシウム(MgO)か
らなる第1の配向制御層22が形成されている。第1の配
向制御層22上には厚みが0.2μmの(100)面を優先配向
させた白金(Pt)からなる第1の電極層23が形成されて
いる。さらに第1の電極層23上には厚みが3μmのチタン
酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層24が形成されている。
この圧電体層24はペロブスカイト型結晶構造からなり、
その組成は、正方晶と菱面体晶の境界(モルフォトロピ
ック相境界)付近の組成(Zr/Ti=52/48)である。その
圧電体層24上には、厚みが0.2μmのPtからなる第2の
電極層25が形成されている。図1に示した本発明の圧電
素子と比較すると、密着層12と第2の配向制御層15を設
けない構成である。(Comparative Example 1) FIG. 2 is a sectional view of a conventional piezoelectric element. In the figure, the substrate 21 is a substrate made of a φ4 inch silicon (Si) wafer having a thickness of 0.3 mm, on which a NaCl type crystal structure having a NaCl type crystal structure with a thickness of 0.4 μm is preferentially oriented to a (100) plane. A first orientation control layer 22 made of magnesium oxide (MgO) having a crystal structure is formed. A first electrode layer 23 made of platinum (Pt) having a thickness of 0.2 μm and having a (100) plane preferentially oriented is formed on the first orientation control layer 22. Further, a piezoelectric layer 24 made of lead zirconate titanate having a thickness of 3 μm is formed on the first electrode layer 23.
The piezoelectric layer 24 has a perovskite type crystal structure,
The composition is a composition (Zr / Ti = 52/48) in the vicinity of the boundary between the tetragonal crystal and the rhombohedral crystal (the morphotropic phase boundary). A second electrode layer 25 made of Pt and having a thickness of 0.2 μm is formed on the piezoelectric layer 24. Compared with the piezoelectric element of the present invention shown in FIG. 1, the adhesive layer 12 and the second orientation control layer 15 are not provided.
【0050】Si基板上にTiからなる密着層22、(10
0)配向MgO膜からなる第1の配向制御層23、第1の電
極層24、圧電体層24、第2の電極層25は、いずれも実施
例1と同様の方法、同様の条件で作製し、サンプルB1
とした。Adhesion layers 22 and 10 made of Ti on the Si substrate
0) The first orientation control layer 23, the first electrode layer 24, the piezoelectric layer 24, and the second electrode layer 25 made of an oriented MgO film were all manufactured by the same method and under the same conditions as in Example 1. And sample B1
And
【0051】サンプルB1を用いて圧電体層の結晶配向
性や膜組成を調べた。X線回折法による解析から、得ら
れた圧電体層24はペロブスカイト型結晶構造を示してい
たが、(100)以外にも(110)や(111)から
の回折ピークが見られた。(100)配向度α2=65
%であった。The crystal orientation and film composition of the piezoelectric layer were investigated using sample B1. From the analysis by the X-ray diffraction method, the obtained piezoelectric layer 24 had a perovskite type crystal structure, but diffraction peaks from (110) and (111) were observed in addition to (100). (100) Degree of orientation α2 = 65
%Met.
【0052】またX線マイクロアナラーザーによる組成
分析を行った結果、PZT膜の組成はターゲット組成と
同じでZr/Ti比は52/48であった。As a result of composition analysis by X-ray microanalyzer, the composition of the PZT film was the same as the target composition, and the Zr / Ti ratio was 52/48.
【0053】次に、第1の配向制御層13の結晶配向性、
上述した成膜方法でSi基板21上に第1の配向制御層22
までを形成したサンプルB2を作製した。X線回折法に
よる解析を行った結果、サンプルB2における第1の配
向制御層のMgO薄膜は、(100)配向NaCl型結晶構
造を示していた。(100)以外の面からの回折ピーク
は見られなかった。Next, the crystal orientation of the first orientation control layer 13,
The first orientation control layer 22 is formed on the Si substrate 21 by the film formation method described above.
A sample B2 having the above was formed. As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the MgO thin film of the first orientation control layer in sample B2 showed a (100) oriented NaCl type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100).
【0054】次に、サンプルB1を用いて、ダイシング
により15mm×2mmに切り出したカンチレバーを100個作製
し、0.1μm厚のPt上部電極(第2の電極層)をスパッタ
法(室温)で形成し、圧電特性d31の測定(特開2001-21
052と同様の方法)を行った。なお、作製した60個の素
子には、クラックは見られなかったが、8個のサンプル
においてSi基板21と第1の配向制御層の間で膜剥離が見
られた。膜剥離のない42個のカンチレバーの圧電定数の
平均値は−72pC/Nで、バラツキはσ=12%であった。Next, using sample B1, 100 cantilevers cut out to a size of 15 mm × 2 mm by dicing were prepared, and a Pt upper electrode (second electrode layer) having a thickness of 0.1 μm was formed by a sputtering method (room temperature). , Measurement of piezoelectric characteristic d31 (JP 2001-21
The same method as 052) was performed. It should be noted that cracks were not observed in the 60 manufactured elements, but film peeling was observed between the Si substrate 21 and the first orientation control layer in 8 samples. The average value of the piezoelectric constants of 42 cantilevers without film peeling was -72 pC / N, and the variation was σ = 12%.
【0055】また、上記製造方法によりφ4インチSiウ
エハ上に形成した圧電素子(サンプルB3)を作製し、
上部電極として1mm角で0.1μm厚のPt膜を、スパッタ法
によりメタルマスクを用いて、10mm間隔で65個形成し、
それぞれの上部電極(第2の電極層)と下部電極(第1
の電極層)に電圧を印加して圧電体素子の耐電圧を測定
した。なお、耐電圧値は、電圧印加による電流値が1μ
Aとなる値とした。その結果、耐電圧値の平均は78Vで、
バラツキはσ=16%であった。Further, a piezoelectric element (Sample B3) formed on a φ4 inch Si wafer was produced by the above-mentioned manufacturing method,
65 Pt films of 1 mm square and 0.1 μm thickness were formed as the upper electrode by a sputtering method using a metal mask at 10 mm intervals,
Each upper electrode (second electrode layer) and lower electrode (first electrode)
A voltage was applied to the electrode layer) to measure the withstand voltage of the piezoelectric element. Note that the withstand voltage value is a current value of 1μ due to voltage application.
The value is A. As a result, the average withstand voltage is 78V,
The variation was σ = 16%.
【0056】(比較例2)図1に示した構成の圧電素子
において、第2の配向制御層をスパッタリングで作製す
る際に用いるターゲットに、チタン酸ランタン鉛(Pb0.
9La0.1TiO3)の焼結体を用い、それ以外は実施例1と同
じ製造条件で圧電素子を作製し、サンプルC1とした。
つまり、比較例2では、実施例1と異なり、第2の配向
制御層を作製する際に酸化鉛(PbO)を過剰に加えてい
ない。Comparative Example 2 In the piezoelectric element having the structure shown in FIG. 1, lead lanthanum titanate (Pb0.
A piezoelectric element was manufactured under the same manufacturing conditions as in Example 1 except that a sintered body of 9La0.1TiO3) was used, and this was designated as sample C1.
That is, in Comparative Example 2, unlike Example 1, lead oxide (PbO) was not excessively added when the second orientation control layer was formed.
【0057】サンプルC1を用いて圧電体層の結晶配向
性や膜組成を調べた。X線回折法による解析から、得ら
れた圧電体層は菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を
示していたが、(100)以外にも(111)や(11
0)からの回折ピークも見られた。(100)配向度α
3=75%であった。またX線マイクロアナラーザーに
よる組成分析を行った結果、PZT膜の組成はターゲッ
ト組成と同じでZr/Ti比は52/48であった。The crystal orientation and film composition of the piezoelectric layer were investigated using sample C1. From the analysis by the X-ray diffraction method, the obtained piezoelectric layer showed a rhombohedral perovskite type crystal structure, but in addition to (100), (111) and (11
A diffraction peak from 0) was also seen. (100) Degree of orientation α
3 = 75%. As a result of composition analysis by X-ray microanalyzer, the composition of the PZT film was the same as the target composition, and the Zr / Ti ratio was 52/48.
【0058】次に、第2の配向制御層の結晶性配向性と
膜組成を調べるために、上述した成膜方法でSi基板上
に密着層、第1の配向制御層、第1の電極層、第2の配
向制御層までを形成したサンプルC2を作製した。Next, in order to investigate the crystalline orientation and the film composition of the second orientation control layer, the adhesion layer, the first orientation control layer and the first electrode layer were formed on the Si substrate by the above-mentioned film forming method. , Sample C2 including the second alignment control layer was prepared.
【0059】X線回折法による解析を行った結果、サン
プルC2における第2の配向制御層のランタンを添加し
たチタン酸鉛薄膜はペロブスカイト型結晶構造を示して
いた。しかし(100)以外の(111)や(110)
からの回折ピークも見られた。(100)配向度α2=
72%であった。さらに、サンプルC2を用いて、X線
マイクロアナラーザーに第2の配向制御層の組成分析を
行った結果、ターゲット組成と同じで、ランタンが10
モル%添加され、Pbは過剰に含まれていなかった。As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the lead titanate thin film to which the lanthanum was added as the second orientation control layer in the sample C2 showed a perovskite type crystal structure. But (111) and (110) other than (100)
The diffraction peak from was also seen. (100) Degree of orientation α2 =
It was 72%. Furthermore, as a result of performing a composition analysis of the second orientation control layer on the X-ray microanalyzer using the sample C2, it was the same as the target composition and the lanthanum was 10%.
Mol% was added and Pb was not included in excess.
【0060】次に、サンプルC1を用いて、ダイシング
により15mm×2mmに切り出したカンチレバーを100個作製
し、0.1μm厚のPt上部電極(第2の電極層)をスパッタ
法(室温)で形成し、圧電特性d31の測定(特開2001-21
052と同様の方法)を行った。60個作製したカンチレバ
ーの圧電定数の平均値は−90pC/Nで、バラツキは、σ=
96%であった。Next, using the sample C1, 100 cantilevers cut out to a size of 15 mm × 2 mm by dicing were prepared, and a Pt upper electrode (second electrode layer) having a thickness of 0.1 μm was formed by the sputtering method (room temperature). , Measurement of piezoelectric characteristic d31 (JP 2001-21
The same method as 052) was performed. The average piezoelectric constant of the 60 cantilevers produced was -90 pC / N, and the variation was σ =
It was 96%.
【0061】また、上記製造方法によりφ4インチSiウ
エハ上に形成した圧電素子(サンプルC3)を作製し、
上部電極として1mm角で0.1μm厚のPt膜を、スパッタ法
によりメタルマスクを用いて、10mm間隔で65個形成し、
それぞれの上部電極(第2の電極層)と下部電極(第1
の電極層)に電圧を印加して圧電体素子の耐電圧を測定
した。なお、耐電圧値は、電圧印加による電流値が1μ
Aとなる値とした。その結果、耐電圧値の平均は92Vで、
バラツキはσ=12%であった。Further, a piezoelectric element (sample C3) formed on a φ4 inch Si wafer was manufactured by the above manufacturing method,
65 Pt films of 1 mm square and 0.1 μm thickness were formed as the upper electrode by a sputtering method using a metal mask at 10 mm intervals,
Each upper electrode (second electrode layer) and lower electrode (first electrode)
A voltage was applied to the electrode layer) to measure the withstand voltage of the piezoelectric element. Note that the withstand voltage value is a current value of 1μ due to voltage application.
The value is A. As a result, the average withstand voltage is 92V,
The variation was σ = 12%.
【0062】なお、上記すべての圧電素子には、膜剥離
やクラックは見られなかった。No film peeling or cracks were found in any of the above piezoelectric elements.
【0063】(実施例2)本実施例の圧電素子は、図1
に示した構成において、基板にステンレス(SUS30
4)を用い、密着層にニッケル(膜厚0.02μm)、第1
の配向制御層に酸化ニッケル(0.2μm)、第1の電極
層にPt(0.2μm)、第2の配向制御層にマグネシウム
およびランタンを添加しかつ鉛を化学量論組成から10
mol%過剰に含むチタン酸鉛(0.04μm)、圧電体層に
はチタン酸ジルコン酸鉛(Zr/Ti=40/60、膜厚2.
6μm)第2の電極層にPt(膜厚0.1μm)を用いてい
る。(Embodiment 2) The piezoelectric element of the present embodiment is shown in FIG.
In the configuration shown in, the substrate is made of stainless steel (SUS30
4) using nickel (film thickness 0.02 μm) for the adhesion layer, first
Of nickel oxide (0.2 μm) in the first orientation control layer, Pt (0.2 μm) in the first electrode layer, magnesium and lanthanum in the second orientation control layer, and lead from a stoichiometric composition of 10
Lead titanate (0.04 μm) containing excess mol%, lead zirconate titanate (Zr / Ti = 40/60, thickness 2.
6 μm) Pt (film thickness 0.1 μm) is used for the second electrode layer.
【0064】まず、密着層は、Niターゲットを用い、基
板を600℃に加熱しながら、200Wの高周波電力を印加
し、0.8Paのアルゴンガス中で、2分間形成した。First, the adhesion layer was formed by using a Ni target and applying a high-frequency power of 200 W while heating the substrate at 600 ° C. in an argon gas of 0.8 Pa for 2 minutes.
【0065】次に、第1の配向制御層をプラズマCVD法
で形成した。出発原料にニッケルアセチルアセトナート
(Ni(C5H7O2)2)を用い、気化温度190℃、キャリアガ
ス(窒素)流量100(SCCM)、反応ガス(酸素)流量100
0(SCCM)、真空度10Pa、基板温度450℃の条件で、高
周波(13.56MHz)プラズマ中で30分間作製した。Next, the first orientation control layer was formed by the plasma CVD method. Nickel acetylacetonate (Ni (C 5 H 7 O 2 ) 2 ) was used as the starting material, vaporization temperature 190 ° C, carrier gas (nitrogen) flow rate 100 (SCCM), reaction gas (oxygen) flow rate 100
Fabrication was performed for 30 minutes in a high frequency (13.56 MHz) plasma under the conditions of 0 (SCCM), a vacuum degree of 10 Pa, and a substrate temperature of 450 ° C.
【0066】引き続き、第1の電極層をスパッタ法で形
成した。Ptターゲットを用いて、基板を600℃に加熱し
ながら1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で12分間
形成した。Subsequently, the first electrode layer was formed by the sputtering method. Using a Pt target, the substrate was heated to 600 ° C. and formed in argon gas of 1 Pa at a high frequency power of 200 W for 12 minutes.
【0067】配向制御層は、ターゲットにマグネシウム
とランタンをそれぞれ2モル%、10モル%添加したチ
タン酸鉛に酸化鉛(PbO)を20mol%過剰に加えて調合し
た焼結体ターゲットを用い、基板温度600℃で、アルゴ
ンと酸素の混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:1)、
真空度0.8Pa、高周波電力300Wの条件で20分間作製し
た。For the orientation control layer, a sintered body target prepared by adding 20 mol% of lead oxide (PbO) in excess to lead titanate containing 2 mol% and 10 mol% of magnesium and lanthanum, respectively, was used as a substrate. At a temperature of 600 ℃, in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 19: 1),
It was manufactured for 20 minutes under the conditions of a vacuum degree of 0.8 Pa and a high frequency power of 300 W.
【0068】また、圧電体層は、ターゲットにチタン酸
ジルコン酸鉛(Zr/Ti=40/60)の焼結体ターゲットを
用い、基板温度580℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=9.5:0.5)、真空度0.3Pa、高周
波電力250Wの条件で3時間作製しサンプルD1とした。
なお、サンプルD1にはクラックや膜剥離は見られなか
った。The piezoelectric layer uses a lead zirconate titanate (Zr / Ti = 40/60) sintered target as a target, and the substrate temperature is 580 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume: The ratio Ar: O2 = 9.5: 0.5), the degree of vacuum was 0.3 Pa, and the high frequency power was 250 W, and the sample was manufactured for 3 hours to obtain sample D1.
No crack or film peeling was observed in sample D1.
【0069】サンプルD1を用いて圧電体層の結晶配向
性や膜組成を調べた。X線回折法による解析から、得ら
れた圧電体層16は(001)配向正方晶系ペロブスカイ
ト型結晶構造を示していた。(001)以外の面からの
回折ピークは見られなかった。またX線マイクロアナラ
ーザーによる組成分析を行った結果、PZT膜の組成は
ターゲット組成と同じでZr/Ti比は40/60であ
った。The crystal orientation and film composition of the piezoelectric layer were investigated using sample D1. From the analysis by the X-ray diffraction method, the obtained piezoelectric layer 16 had a (001) oriented tetragonal perovskite type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (001). As a result of composition analysis by X-ray microanalyzer, the composition of the PZT film was the same as the target composition, and the Zr / Ti ratio was 40/60.
【0070】次に、第1の配向制御層の結晶配向性、お
よび第2の配向制御層の結晶性配向性と膜組成を調べる
ために、上述した成膜方法でSi基板上に密着層、第1
の配向制御層までを形成したサンプルD2、およびSi
基板上に密着層、第1の配向制御層、第1の電極層、第
2の配向制御層までを形成したサンプルD3を作製し
た。Next, in order to investigate the crystal orientation of the first orientation control layer and the crystal orientation and film composition of the second orientation control layer, the adhesion layer on the Si substrate, First
Sample D2 formed up to the orientation control layer of Si and Si
A sample D3 was prepared in which the adhesion layer, the first alignment control layer, the first electrode layer, and the second alignment control layer were formed on the substrate.
【0071】X線回折法による解析を行った結果、サン
プルD2における第1の配向制御層のNiO薄膜は、
(100)配向NaCl型結晶構造を示していた。(10
0)以外の面からの回折ピークは見られなかった。ま
た、サンプルD3における第2の配向制御層のマグネシ
ウムおよびランタンを添加したチタン酸鉛薄膜は(00
1)配向ペロブスカイト型結晶構造を示していた。(0
01)以外の面からの回折ピークは見られなかった。さ
らに、サンプルD3を用いて、X線マイクロアナラーザ
ーで第2の配向制御層の組成分析を行った結果、ターゲ
ット組成と同じで、マグネシウムが2モル%ランタンが
10モル%添加され、Pbが10モル%過剰に含まれて
いた。As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the NiO thin film of the first orientation control layer in sample D2 was
It showed a (100) oriented NaCl type crystal structure. (10
No diffraction peak was seen from the planes other than 0). In addition, the lead titanate thin film added with magnesium and lanthanum in the second orientation control layer in sample D3 is (00
1) It showed an oriented perovskite type crystal structure. (0
No diffraction peak was observed from the planes other than 01). Further, as a result of performing a composition analysis of the second orientation control layer by an X-ray microanalyzer using the sample D3, the same as the target composition was obtained, 2 mol% of lanthanum was added in an amount of 10 mol% of magnesium, and Pb was 10 It was contained in excess of mol%.
【0072】次に、サンプルD1を用いて、ダイシング
により15mm×2mmに切り出したカンチレバ100個作製し、
0.1μm厚のPt上部電極(第2の電極層)をスパッタ法
(室温)で形成し、圧電特性d31の測定(特開2001-2105
2と同様の方法)を行った。60個作製したカンチレバー
の圧電定数の平均値は−131pC/Nで、バラツキは、σ=2
%であった。Next, using sample D1, 100 cantilevers cut out into 15 mm × 2 mm by dicing were prepared,
A Pt upper electrode (second electrode layer) having a thickness of 0.1 μm was formed by a sputtering method (room temperature), and the piezoelectric characteristic d31 was measured (JP 2001-2105A).
2) was performed. The average piezoelectric constant of the 60 cantilevers produced was -131pC / N, and the variation was σ = 2
%Met.
【0073】また、上記製造方法によりφ4インチSiウ
エハ上に形成した圧電素子(サンプルA4)を作製し、
上部電極として1mm角で0.1μm厚のPt膜を、スパッタ法
によりメタルマスクを用いて、10mm間隔で65個形成し、
それぞれの上部電極(第2の電極層)と下部電極(第1
の電極層)に電圧を印加して圧電体素子の耐電圧を測定
した。なお、耐電圧値は、電圧印加による電流値が1μ
Aとなる値とした。その結果、耐電圧値の平均は133V
で、バラツキはσ=4%であった。Further, a piezoelectric element (Sample A4) formed on a φ4 inch Si wafer was manufactured by the above manufacturing method,
65 Pt films of 1 mm square and 0.1 μm thickness were formed as the upper electrode by a sputtering method using a metal mask at 10 mm intervals,
Each upper electrode (second electrode layer) and lower electrode (first electrode)
A voltage was applied to the electrode layer) to measure the withstand voltage of the piezoelectric element. Note that the withstand voltage value is a current value of 1μ due to voltage application.
The value is A. As a result, the average withstand voltage is 133V.
The variation was σ = 4%.
【0074】なお、上記すべての圧電素子には、膜剥離
やクラックは見られなかった。No film peeling or cracks were found in any of the above piezoelectric elements.
【0075】(実施例3)本実施例の圧電素子は、図1
に示した構成において、基板にバリウム硼珪酸ガラスを
用い、密着層にタンタル(膜厚0.01μm)、第1の配向
制御層に酸化コバルト−酸化チタン(0.5μm)、第1
の電極層にPt(0.2μm)、第2の配向制御層にマンガ
ンおよびランタンを添加しかつ鉛を化学量論組成から1
5mol%過剰に含むチタン酸鉛(0.03μm)、圧電体層
にはチタン酸ジルコン酸鉛(Zr/Ti=60/40、膜厚
3.0μm)第2の電極層にPt(膜厚0.1μm)を用いてい
る。(Embodiment 3) The piezoelectric element of the present embodiment is shown in FIG.
In the structure shown in FIG. 2, barium borosilicate glass is used for the substrate, tantalum (film thickness 0.01 μm) is used for the adhesion layer, and cobalt oxide-titanium oxide (0.5 μm) is used for the first orientation control layer.
Pt (0.2 μm) was added to the second electrode layer, manganese and lanthanum were added to the second orientation control layer, and lead was added from the stoichiometric composition to 1
Lead titanate (0.03 μm) containing 5 mol% excess, lead zirconate titanate (Zr / Ti = 60/40, film thickness in piezoelectric layer)
3.0 μm) Pt (film thickness 0.1 μm) is used for the second electrode layer.
【0076】まず、密着層は、Taターゲットを用い、
基板を300℃に加熱しながら、90Wの高周波電力を印加
し、1.0Paのアルゴンガス中で、2分間形成した。First, for the adhesion layer, a Ta target is used,
While heating the substrate to 300 ° C., a high frequency power of 90 W was applied, and the substrate was formed in an argon gas of 1.0 Pa for 2 minutes.
【0077】次に、第1の配向制御層をプラズマCVD法
で形成した。出発原料にコバルトアセチルアセトナート
(Co(C5H7O2)2)およびチタンテトライソプロポキシ
ド(Ti(OC3H7)4)を用い、気化温度をそれぞれ170℃
および60℃、キャリアガス(窒素)流量をそれぞれ100
(SCCM)および30(SCCM)、反応ガス(酸素)流量500(S
CCM)、真空度14Pa、基板温度300℃の条件で、高周波
(13.56MHz)プラズマ中で45分間作製した。Next, the first orientation control layer was formed by the plasma CVD method. Cobalt acetylacetonate (Co (C 5 H 7 O 2 ) 2 ) and titanium tetraisopropoxide (Ti (OC 3 H 7 ) 4 ) were used as starting materials, and the vaporization temperature was 170 ° C.
And 60 ℃, carrier gas (nitrogen) flow rate of 100 each
(SCCM) and 30 (SCCM), reaction gas (oxygen) flow rate 500 (S
CCM), the degree of vacuum is 14 Pa, and the substrate temperature is 300 ° C., and the film is formed in high frequency (13.56 MHz) plasma for 45 minutes.
【0078】引き続き、第1の電極層をスパッタ法で形
成した。Ptターゲットを用いて、基板を600℃に加熱し
ながら1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で12分間
形成した。Subsequently, the first electrode layer was formed by the sputtering method. Using a Pt target, the substrate was heated to 600 ° C. and formed in argon gas of 1 Pa at a high frequency power of 200 W for 12 minutes.
【0079】配向制御層は、ターゲットにマンガンとラ
ンタンをそれぞれ2モル%、10モル%添加したチタン
酸鉛に酸化鉛(PbO)を15mol%過剰に加えて調合した
焼結体ターゲットを用い、基板温度610℃で、アルゴン
と酸素の混合雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=19:1)、真
空度0.8Pa、高周波電力300Wの条件で20分間作製した。For the orientation control layer, a sintered body target prepared by adding lead oxide (PbO) in excess of 15 mol% to lead titanate containing 2 mol% and 10 mol% of manganese and lanthanum, respectively, was used as a substrate. At a temperature of 610 ° C., in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 19: 1), a vacuum degree of 0.8 Pa and a high frequency power of 300 W were used for 20 minutes.
【0080】また、圧電体層は、ターゲットにチタン酸
ジルコン酸鉛(Zr/Ti=60/40)の焼結体ターゲットを
用い、基板温度640℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=9.5:0.5)、真空度0.3Pa、高周
波電力250Wの条件で3時間作製しサンプルE1とした。な
お、サンプルE1にはクラックや膜剥離は見られなかっ
た。In the piezoelectric layer, a lead zirconate titanate (Zr / Ti = 60/40) sintered target was used as a target, and the substrate temperature was 640 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume: The ratio Ar: O2 = 9.5: 0.5), the degree of vacuum was 0.3 Pa, and the high frequency power was 250 W, and the sample was manufactured for 3 hours to obtain sample E1. No crack or film peeling was observed in sample E1.
【0081】サンプルE1を用いて圧電体層の結晶配向
性や膜組成を調べた。X線回折法による解析から、得ら
れた圧電体層は(100)配向菱面体晶系ペロブスカイ
ト型結晶構造を示していた。(100)以外の面からの
回折ピークは見られなかった。またX線マイクロアナラ
ーザーによる組成分析を行った結果、PZT膜の組成は
ターゲット組成と同じでZr/Ti比は60/40であ
った。The crystal orientation and film composition of the piezoelectric layer were investigated using sample E1. From the analysis by the X-ray diffraction method, the obtained piezoelectric layer showed a (100) oriented rhombohedral perovskite type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100). As a result of composition analysis by X-ray microanalyzer, the composition of the PZT film was the same as the target composition and the Zr / Ti ratio was 60/40.
【0082】次に、第1の配向制御層および第2の配向
制御層の結晶配向性と膜組成を調べるために、上述した
成膜方法でSi基板上に密着層、第1の配向制御層まで
を形成したサンプルE2、およびSi基板上に密着層、
第1の配向制御層、第1の電極層、第2の配向制御層ま
でを形成したサンプルE3を作製した。Next, in order to investigate the crystal orientation and the film composition of the first orientation control layer and the second orientation control layer, the adhesion layer and the first orientation control layer were formed on the Si substrate by the above-mentioned film forming method. Up to sample E2 and adhesion layer on Si substrate,
A sample E3 having the first alignment control layer, the first electrode layer, and the second alignment control layer formed was prepared.
【0083】X線回折法による解析を行った結果、サン
プルE2における第1の配向制御層の酸化コバルト−酸
化チタン薄膜は、(100)配向NaCl型結晶構造を示し
ていた。(100)以外の面からの回折ピークは見られ
なかった。X線マイクロアナラーザーで第1の配向制御
層の組成分析を行った結果、Ti/Co=20/80で
あった。また、サンプルE3における第2の配向制御層
のマンガンおよびランタンを添加したチタン酸鉛薄膜は
(100)配向ペロブスカイト型結晶構造を示してい
た。(100)以外の面からの回折ピークは見られなか
った。さらに、サンプルE3を用いて、X線マイクロア
ナラーザーで第2の配向制御層の組成分析を行った結
果、ターゲット組成と同じで、マンガンが2モル%ラン
タンが15モル%添加され、Pbが15モル%過剰に含
まれていた。As a result of analysis by the X-ray diffraction method, the cobalt oxide-titanium oxide thin film of the first orientation control layer in sample E2 showed a (100) oriented NaCl type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100). As a result of composition analysis of the first orientation control layer by X-ray microanalyzer, it was Ti / Co = 20/80. In addition, the lead titanate thin film to which manganese and lanthanum were added in the second orientation control layer in Sample E3 exhibited a (100) oriented perovskite type crystal structure. No diffraction peak was observed from the planes other than (100). Further, as a result of performing a composition analysis of the second orientation control layer with an X-ray microanalyzer using Sample E3, the same as the target composition, 2 mol% of manganese and 15 mol% of lanthanum were added, and Pb was 15 It was contained in excess of mol%.
【0084】次に、サンプルE1を用いて、ダイシング
により15mm×2mmに切り出したカンチレバーを100個作製
し、0.1μm厚のPt上部電極(第2の電極層)をスパッタ
法(室温)で形成し、圧電特性d31の測定(特開2001-21
052と同様の方法)を行った。60個作製したカンチレバ
ーの圧電定数の平均値は−121pC/Nで、バラツキは、σ
=3%であった。Next, using the sample E1, 100 cantilevers cut out to a size of 15 mm × 2 mm by dicing were prepared, and a Pt upper electrode (second electrode layer) having a thickness of 0.1 μm was formed by the sputtering method (room temperature). , Measurement of piezoelectric characteristic d31 (JP 2001-21
The same method as 052) was performed. The average piezoelectric constant of the 60 cantilevers produced was -121 pC / N, and the variation was σ
= 3%.
【0085】また、上記製造方法によりφ4インチSiウ
エハ上に形成した圧電素子(サンプルE4)を作製し、
上部電極として1mm角で0.1μm厚のPt膜を、スパッタ法
によりメタルマスクを用いて、10mm間隔で65個形成し、
それぞれの上部電極(第2の電極層)と下部電極(第1
の電極層)に電圧を印加して圧電体素子の耐電圧を測定
した。なお、耐電圧値は、電圧印加による電流値が1μ
Aとなる値とした。その結果、耐電圧値の平均は118V
で、バラツキはσ=5%であった。Further, a piezoelectric element (Sample E4) formed on a φ4 inch Si wafer was manufactured by the above manufacturing method,
65 Pt films of 1 mm square and 0.1 μm thickness were formed as the upper electrode by a sputtering method using a metal mask at 10 mm intervals,
Each upper electrode (second electrode layer) and lower electrode (first electrode)
A voltage was applied to the electrode layer) to measure the withstand voltage of the piezoelectric element. Note that the withstand voltage value is a current value of 1μ due to voltage application.
The value is A. As a result, the average withstand voltage is 118V.
The variation was σ = 5%.
【0086】なお、上記すべての圧電素子には、膜剥離
やクラックは見られなかった。No film peeling or cracking was observed in any of the above piezoelectric elements.
【0087】(実施の形態2)図3は本発明の実施の形
態のインクジェットヘッドの全体構成を示し、図4はそ
の要部の構成を示す。図3及び図4において、Aは圧力
室部品であって、圧力室用開口部101が形成される。
Bは前記圧力室用開口部101の上端開口面を覆うよう
に配置されるアクチュエータ部、Cは前記圧力室用開口
部101の下端開口面を覆うように配置されるインク液
流路部品である。前記圧力室部品Aの圧力室用開口部1
01は、その上下に位置する前記アクチュエータ部B及
びインク液流路部品Cにより区画されて圧力室102と
なる。前記アクチュエータ部Bには、前記圧力室102
の上方に位置する個別電極103が配置されている。こ
れ等圧力室102及び個別電極103は、図3から判る
ように、千鳥状に多数配列されている。前記インク液流
路部品Cには、インク液供給方向に並ぶ圧力室102間
で共用する共通液室105と、この共通液室105を前
記圧力室102に連通する供給口106と、前記圧力室
102内のインク液が流出するインク流路107とが形
成される。Dはノズル板であって、前記インク流路10
7に連通するノズル孔108が形成されている。また、
図3において、EはICチップであって、ボンディング
ワイヤーBWを介して前記多数の個別電極103に対し
て電圧を供給する。(Embodiment 2) FIG. 3 shows the overall construction of an ink jet head according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows the construction of the essential parts thereof. 3 and 4, A is a pressure chamber component, and the pressure chamber opening 101 is formed.
B is an actuator portion arranged so as to cover the upper end opening surface of the pressure chamber opening portion 101, and C is an ink liquid flow path component arranged so as to cover the lower end opening surface of the pressure chamber opening portion 101. . Pressure chamber opening 1 of the pressure chamber component A
The pressure chamber 102 is partitioned by the actuator section B and the ink liquid flow path component C which are located above and below it. In the actuator section B, the pressure chamber 102
The individual electrode 103 located above is disposed. As can be seen from FIG. 3, the pressure chambers 102 and the individual electrodes 103 are arranged in a zigzag pattern. In the ink liquid flow path component C, a common liquid chamber 105 shared by the pressure chambers 102 arranged in the ink liquid supply direction, a supply port 106 communicating the common liquid chamber 105 with the pressure chamber 102, and the pressure chamber An ink flow path 107 through which the ink liquid in 102 flows out is formed. D is a nozzle plate, and the ink flow path 10
A nozzle hole 108 communicating with 7 is formed. Also,
In FIG. 3, E is an IC chip, which supplies a voltage to the large number of individual electrodes 103 via the bonding wires BW.
【0088】次に、前記アクチュエータ部Bの構成を図
5に基づいて説明する。同図において、アクチュエータ
部Bは、図3に示したインク液供給方向とは直交する方
向の断面図を示す。同図では、前記直交方向に並ぶ4個
の圧力室102を持つ圧力室部品Aが参照的に描かれて
いる。このアクチュエータ部Bは、各圧力室102の上
方に位置する個別電極103、この個別電極103の直
下に位置する第2の圧電体薄膜110、この圧電体薄膜
110の圧電効果により変位し振動する振動板111と
を有する。更に、アクチュエータ部Bは、前記振動板1
11と前記各圧電体薄膜110との間に配置された共通
電極112、各圧力室102の相互を区画する区画壁1
02aの上方に位置する縦壁113を持つ。共通電極1
12は前記振動板111と前記各圧電体薄膜110との
密着を強固にする密着層も兼ねている。なお、同図中、
114は圧力室部品Aとアクチュエータ部Bとを接着す
る接着剤である。前記各縦壁113は、前記接着剤11
4を用いた接着時に、一部の接着剤114が区画壁10
2aの外方にはみ出した場合にも、この接着剤114が
振動板111に付着せず、振動板111が所期通りの変
位、振動を起こすように、圧力室102の上面と振動板
111の下面との距離を拡げる役割を持つ。Next, the structure of the actuator section B will be described with reference to FIG. In the figure, the actuator section B shows a cross-sectional view in a direction orthogonal to the ink liquid supply direction shown in FIG. In the figure, a pressure chamber component A having four pressure chambers 102 arranged in the orthogonal direction is drawn for reference. The actuator section B includes an individual electrode 103 located above each pressure chamber 102, a second piezoelectric thin film 110 located immediately below the individual electrode 103, and a vibration that is displaced and vibrated by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film 110. And a plate 111. Further, the actuator portion B is the diaphragm 1
11 and a common electrode 112 arranged between each piezoelectric thin film 110 and a partition wall 1 partitioning each pressure chamber 102 from each other.
It has a vertical wall 113 located above 02a. Common electrode 1
Reference numeral 12 also serves as an adhesion layer that strengthens the adhesion between the vibration plate 111 and each piezoelectric thin film 110. In the figure,
Reference numeral 114 denotes an adhesive that bonds the pressure chamber component A and the actuator portion B together. Each of the vertical walls 113 has the adhesive 11
4 when a part of the adhesive 114 is attached to the partition wall 10
The adhesive 114 does not adhere to the vibrating plate 111 even when it protrudes to the outside of the 2a, so that the vibrating plate 111 can be displaced and vibrated as desired, so that the upper surface of the pressure chamber 102 and the vibrating plate 111 are not separated. Has the role of expanding the distance from the bottom surface.
【0089】次に、図3のICチップEを除くインクジ
ェットヘッド、即ち図4に示す前記圧力室部品A、アク
チュエータ部B、インク流路部品C及びノズル板Dより
成るインクジェットヘッドの製造方法を図6〜図10に
基いて説明する。Next, a method for manufacturing an ink jet head excluding the IC chip E of FIG. 3, that is, an ink jet head including the pressure chamber component A, the actuator section B, the ink flow channel component C and the nozzle plate D shown in FIG. 6 to 10 will be described.
【0090】図6(a)において、基板120上に、順
次、密着層121、第1の配向制御層221、第1の電
極層(個別電極材料)321、第2の配向制御層12
2、圧電体層222、第2の電極層(共通電極材料)1
23、振動板124、及び前記図5の縦壁113用の中
間層材料125を成膜し、積層する。前記基板120は
例えばSi基板を用いる。前記、密着層121には例え
ばTiを、第1の配向制御層211には例えばNaCl
型結晶構造の(100)配向MgO薄膜を、第1の電極
層(個別電極材料)321には例えばPtを、第2の配
向制御層122には例えばランタンを10モル%含み、
かつ化学量論組成より鉛を10%過剰に含むチタン酸鉛
層を、圧電体層222には例えばチタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)を、第2の電極層123には例えばTi(チ
タン)を、振動板124にはCr(クロム)を、中間層
材料125には例えばTiをそれぞれ使用する。In FIG. 6A, an adhesion layer 121, a first alignment control layer 221, a first electrode layer (individual electrode material) 321, and a second alignment control layer 12 are sequentially formed on a substrate 120.
2, piezoelectric layer 222, second electrode layer (common electrode material) 1
23, the diaphragm 124, and the intermediate layer material 125 for the vertical wall 113 of FIG. 5 are deposited and laminated. The substrate 120 is, for example, a Si substrate. For example, Ti is used for the adhesion layer 121, and NaCl is used for the first orientation control layer 211.
A (100) oriented MgO thin film having a type crystal structure, the first electrode layer (individual electrode material) 321 contains, for example, Pt, and the second orientation control layer 122 contains, for example, 10 mol% of lanthanum.
In addition, a lead titanate layer containing 10% excess of lead from the stoichiometric composition, for example, lead zirconate titanate (PZT) is used for the piezoelectric layer 222, and Ti (titanium) is used for the second electrode layer 123. The diaphragm 124 is made of Cr (chrome), and the intermediate layer material 125 is made of Ti, for example.
【0091】前記基板120には、18mm角に切断し
たSi基板を用いた。基板はSiに限るものではなく、
ガラス基板や金属基板、セラミックス基板でも良い。ま
た基板サイズも18mm角に限るものではなく、例えばS
i基板であれば、φ2〜10インチのウエハでも良い。As the substrate 120, a Si substrate cut into 18 mm square was used. The substrate is not limited to Si,
A glass substrate, a metal substrate, or a ceramic substrate may be used. Also, the substrate size is not limited to 18 mm square, for example, S
A wafer of φ2 to 10 inches may be used as long as it is an i substrate.
【0092】密着層121は、Tiターゲットを用い、基
板を400℃に加熱しながら、100Wの高周波電力を印加
し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成した。膜厚は、
0.02μmであった。密着層121はTiに限らず、タンタ
ル、鉄、コバルト、ニッケル、クロムまたはそれらの化
合物でも良い。また、膜厚は0.005〜0.2μmの範囲であ
ればよい。The adhesion layer 121 was formed by using a Ti target, applying 100 W of high frequency power while heating the substrate at 400 ° C., and in argon gas of 1 Pa for 1 minute. The film thickness is
It was 0.02 μm. The adhesion layer 121 is not limited to Ti and may be tantalum, iron, cobalt, nickel, chromium, or a compound thereof. The film thickness may be in the range of 0.005 to 0.2 μm.
【0093】第1の配向制御層211はプラズマCVD法
で形成した。出発原料にマグネシウムアセチルアセトナ
ート(Mg(C5H7O2)2)を用い、気化温度210℃、キャリ
アガス(窒素)流量100(SCCM)、反応ガス(酸素)流
量1000(SCCM)、真空度10Pa、基板温度500℃の条件
で、高周波(13.56MHz)プラズマ中400Wで45分間作製し
た。膜厚は0.4μmであった。ここで、第1の配向制御
層211は、第1の電極層321であるPtを(100)
に配向させるために用いており、酸化マグネシウムに限
らず、(100)配向性を示すNaCl型酸化物であ
る、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化チタン
またはそれらの化合物でも良い。また、膜厚は0.05〜2
μmであればよい。The first orientation control layer 211 was formed by the plasma CVD method. Magnesium acetylacetonate (Mg (C 5 H 7 O 2 ) 2 ) was used as the starting material, vaporization temperature 210 ° C, carrier gas (nitrogen) flow rate 100 (SCCM), reaction gas (oxygen) flow rate 1000 (SCCM), vacuum It was fabricated at 400 W for 45 minutes in high frequency (13.56 MHz) plasma under the conditions of 10 Pa and a substrate temperature of 500 ° C. The film thickness was 0.4 μm. Here, the first orientation control layer 211 changes the Pt of the first electrode layer 321 to (100).
The present invention is not limited to magnesium oxide and may be nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, titanium oxide, or their compounds, which are NaCl type oxides exhibiting (100) orientation. The film thickness is 0.05 to 2
It may be μm.
【0094】第1の電極層321はスパッタ法で形成し
た。Ptターゲットを用いて、基板を600℃に加熱しなが
ら1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で12分間形成
した。膜厚は、0.2μmであった。第1の電極層406
は、電極としての役割だけでなく、(100)配向する
ことにより、第2の配向制御層を(001)または(1
00)配向させる役割も担っており、Ptに限らず、パラ
ジウム、イリジウム、ロジウムまたはそれらの化合物で
も良い。また膜厚は、0.1〜0.5μmであればよい。The first electrode layer 321 was formed by a sputtering method. Using a Pt target, the substrate was heated to 600 ° C. and formed in argon gas of 1 Pa at a high frequency power of 200 W for 12 minutes. The film thickness was 0.2 μm. First electrode layer 406
Not only plays a role as an electrode, but also makes the second orientation control layer have (001) or (1) orientation by (100) orientation.
(00) also plays a role of orientation, and not only Pt but also palladium, iridium, rhodium or a compound thereof may be used. The film thickness may be 0.1 to 0.5 μm.
【0095】第2の配向制御層122は、ターゲットに
チタン酸ランタン鉛(Pb0.9La0.1TiO3)に酸化鉛(Pb
O)を20mol%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを
用い、基板温度600℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=19:1)、真空度0.8Pa、高周波
電力300Wの条件で12分間作製した。膜厚は0.02μmであ
った。第2の配向制御層122は、チタン酸鉛にランタ
ンを10mol%含み、かつ鉛が化学量論組成より20mol
%過剰に含むペロブスカイト型酸化物に限らず、ランタ
ン以外に、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウ
ム、バリウム、ニオブ、マンガン、亜鉛、アルミニウム
を含み、鉛過剰量も5〜30mol%であればよい。また
膜厚は、0.005〜0.2μmであればよい。The second orientation control layer 122 is composed of lead lanthanum titanate (Pb0.9La0.1TiO3) and lead oxide (Pb).
O) was added in an excess of 20 mol%, and a sintered target was prepared at a substrate temperature of 600 ° C in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 19: 1), vacuum degree 0.8 Pa, high frequency. Fabrication was performed for 12 minutes under the condition of electric power of 300W. The film thickness was 0.02 μm. The second orientation control layer 122 contains 10 mol% of lanthanum in lead titanate, and the lead content is 20 mol from the stoichiometric composition.
In addition to lanthanum, magnesium, calcium, strontium, barium, niobium, manganese, zinc, and aluminum may be included, and the lead excess amount may be 5 to 30 mol%. Further, the film thickness may be 0.005 to 0.2 μm.
【0096】圧電体層222は、ターゲットにチタン酸
ジルコン酸鉛(Zr/Ti=52/48)の焼結体ターゲットを
用い、基板温度630℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=9:1)、真空度0.3Pa、高周波電
力250Wの条件で3時間作製した。膜厚は、3μmであっ
た。また圧電体層222におけるZr/Ti組成は、Zr/Ti
=52/48に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であれば良
い。また膜厚は、1〜5μmであればよい。For the piezoelectric layer 222, a lead zirconate titanate (Zr / Ti = 52/48) sintered target was used as a target, and the substrate temperature was 630 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio). Ar: O2 = 9: 1), vacuum degree of 0.3 Pa, and high frequency power of 250 W were prepared for 3 hours. The film thickness was 3 μm. The Zr / Ti composition in the piezoelectric layer 222 is Zr / Ti.
Not limited to = 52/48, Zr / Ti = 30/70 to 70/30 may be used. The film thickness may be 1 to 5 μm.
【0097】第2の電極層123は、Tiターゲットを用
いて、室温で1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で1
0分間形成した。膜厚は、0.2μmであった。第2の電極
層はTiに限らず、導電性材料であれば良い。また、膜厚
は、0.1〜0.4μmであればよい。The second electrode layer 123 was formed by using a Ti target at a room temperature and a high frequency power of 200 W in an argon gas of 1 Pa.
Formed for 0 minutes. The film thickness was 0.2 μm. The second electrode layer is not limited to Ti and may be any conductive material. Further, the film thickness may be 0.1 to 0.4 μm.
【0098】振動板124は、Crターゲットを用い
て、室温で1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で6
時間形成した。膜厚は3μmであった。また、振動板材
料は、Crに限らず、二酸化シリコン、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウム、窒化シリコンやタングステン、
タンタルなどでも良い。膜厚は、2〜5μmであればよ
い。クロムに限らず、ニッケル、アルミニウム、タンタ
ル、タングステン、シリコンおよびそれらの酸化物また
は窒化物などでも良い。The vibrating plate 124 is a Cr target, and a high frequency power of 200 W in argon gas of 1 Pa at room temperature is used.
Formed for hours. The film thickness was 3 μm. Further, the diaphragm material is not limited to Cr, but silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, silicon nitride, tungsten,
Tantalum may be used. The film thickness may be 2 to 5 μm. Not only chromium but also nickel, aluminum, tantalum, tungsten, silicon and oxides or nitrides thereof may be used.
【0099】中間層材料125は、Tiターゲットを用い
て、室温で1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で5
時間形成した。膜厚は5μmであった。また、中間層材
料はTiに限らず、Crなど導電性金属であればよい。
膜厚は3〜10μmであればよい。As the intermediate layer material 125, a Ti target was used, and a high frequency power of 200 W was applied in an argon gas of 1 Pa at room temperature.
Formed for hours. The film thickness was 5 μm. Further, the material of the intermediate layer is not limited to Ti, but may be any conductive metal such as Cr.
The film thickness may be 3 to 10 μm.
【0100】一方、図6(b)において、圧力室部品A
を形成する。この圧力室部品Aは、前記Si基板120
と同じ大きさのもの、例えば4インチウエハーのシリコ
ン基板130を使用して形成される。具体的には、先
ず、シリコン基板(圧力室用)130に対して複数の圧
力室用開口部1をパターンニングする。このパターンニ
ングは、同図(b)から判るように、4つの圧力室用開
口部101を1組として、各組を区画する区画壁102
bは、各組内の圧力室用開口部101を区画する区画壁
102aの幅の約2倍の幅の厚幅に設定される。その
後、前記パターンニングされたシリコン基板130をケ
ミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して、
各組で4個の圧力室用開口部101を形成し、圧力室部
品Aを得る。On the other hand, in FIG. 6B, the pressure chamber component A
To form. The pressure chamber component A is the Si substrate 120.
It is formed using a silicon substrate 130 of the same size as, for example, a 4-inch wafer. Specifically, first, the plurality of pressure chamber openings 1 are patterned on the silicon substrate (for pressure chamber) 130. In this patterning, as can be seen from FIG. 2B, a partition wall 102 that partitions each of the four pressure chamber openings 101 into one group is formed.
b is set to a thickness width that is approximately twice the width of the partition wall 102a that partitions the pressure chamber opening 101 in each set. Then, the patterned silicon substrate 130 is processed by chemical etching or dry etching,
Four pressure chamber openings 101 are formed in each set to obtain a pressure chamber component A.
【0101】その後は、前記成膜後のシリコン基板(成
膜用)120と前記圧力室部品Aとを接着剤を用いて接
着する。この接着剤の形成は電着による。即ち、先ず、
同図(c)に示すように、圧力室部品A側の接着面とし
て、圧力室の区画壁102a、102bの上面に接着剤
114を電着により付着させる。具体的には、図示しな
いが、前記区画壁102a、102bの上面に、下地電
極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのNi薄膜
をスパッタリング法により形成し、その後、前記Ni薄
膜上に、パターニングされた接着樹脂剤114を形成す
る。この際、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液
に0〜50重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液
を使用する。Ni薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設
定するのは、シリコン基板(圧力室用)130に接着樹
脂が完全に付着したことを容易に視認するためである。
電着条件は、実験によると、液温約25℃、直流電圧3
0V、通電時間60秒が好適であり、この条件下で約3
〜10μmのアクリル樹脂がシリコン基板(圧力室用)
130のNi薄膜上に電着した。After that, the silicon substrate (for film formation) 120 after the film formation and the pressure chamber component A are bonded with an adhesive. The formation of this adhesive is by electrodeposition. That is, first,
As shown in FIG. 6C, an adhesive 114 is attached by electrodeposition to the upper surfaces of the partition walls 102a and 102b of the pressure chamber as the adhesive surface on the pressure chamber component A side. Specifically, although not shown, a thin Ni film of several hundred Å that is thin enough to transmit light is formed on the upper surfaces of the partition walls 102a and 102b as a base electrode film by a sputtering method. Then, the patterned adhesive resin agent 114 is formed. At this time, as the electrodeposition liquid, a solution in which 0 to 50 parts by weight of pure water is added to an acrylic resin-based water dispersion liquid and well mixed by stirring is used. The thickness of the Ni thin film is set to be small enough to allow light to pass therethrough in order to easily visually confirm that the adhesive resin is completely attached to the silicon substrate (for pressure chamber) 130.
According to the experiment, the electrodeposition conditions were a liquid temperature of about 25 ° C and a DC voltage of 3
0V and energization time of 60 seconds are suitable, under this condition about 3
Acrylic resin of 10μm is silicon substrate (for pressure chamber)
It was electrodeposited on 130 Ni thin film.
【0102】そして、図7(a)に示すように、前記積
層されたSi基板(成膜用)120と前記圧力室部品A
とを前記電着された接着剤114を用いて接着する。こ
の接着は、基板(成膜用)120に成膜された中間層材
料125を基板側接着面として行う。また、Si基板
(成膜用)120は18mmのサイズであり、圧力室部品
Aを形成するSi基板130はφ4インチサイズと大きい
ため、図11に示す用に、複数(同図では14個)のS
i基板(成膜用)120を1個の圧力室部品Aに貼り付
ける。この貼り付けは、図7(a)に示すように、各Si
基板(成膜用)120の中心が圧力室部品あの厚幅の区
画壁2bの中心に位置するように位置づけられた状態で行
われる。この貼り付け後、圧力室部品AをSi基板(成
膜用)120側に押圧、密着させて、両者の接着を液密
性高くする。更に、前記接着したSi基板(成膜用)1
20及び圧力室部品Aを加熱炉において徐々に昇温し
て、前記接着剤114を完全に硬化させる。続いて、プ
ラズマ処理を行って、前記接着剤114のうちはみ出し
た断片を除去する。Then, as shown in FIG. 7A, the laminated Si substrates (for film formation) 120 and the pressure chamber component A are formed.
And are bonded using the electrodeposited adhesive 114. This adhesion is performed by using the intermediate layer material 125 formed on the substrate (for film formation) 120 as the substrate-side adhesion surface. Further, the Si substrate (for film formation) 120 has a size of 18 mm, and the Si substrate 130 for forming the pressure chamber component A is as large as φ4 inch size. Therefore, as shown in FIG. Of S
The i substrate (for film formation) 120 is attached to one pressure chamber component A. As shown in FIG. 7 (a), this attachment is performed for each Si
It is performed in a state in which the center of the substrate (for film formation) 120 is positioned so as to be located at the center of the thick partition wall 2b of the pressure chamber component. After this attachment, the pressure chamber component A is pressed and closely adhered to the Si substrate (for film formation) 120 side to enhance the liquid tightness of the adhesion between the two. Further, the bonded Si substrate (for film formation) 1
20 and the pressure chamber component A are gradually heated in a heating furnace to completely cure the adhesive 114. Subsequently, plasma treatment is performed to remove the protruding pieces of the adhesive 114.
【0103】尚、図7(a)では、成膜後のSi基板
(成膜用)120と圧力室部材Aとを接着したが、圧力
室用開口部101を形成しない段階のSi基板(圧力室
用)130を前記成膜後のSi基板(成膜用)120接
着してもよい。In FIG. 7A, the Si substrate (for film formation) 120 after film formation is adhered to the pressure chamber member A, but the Si substrate (pressure) at the stage where the pressure chamber opening 101 is not formed. The chamber) 130 may be adhered to the Si substrate (for film formation) 120 after the film formation.
【0104】その後は、図7(b)に示すように、圧力
室部品Aの各区画壁102a、102bをマスクとして
中間層125をエッチングし、前記各区画壁102a、
102bに連続する縦壁113を形成する。次いで、図
8(a)に示すように、Si基板(成膜用)120、密
着層121、第1の配向制御層211をエッチングによ
り除去する。Thereafter, as shown in FIG. 7B, the intermediate layer 125 is etched by using the partition walls 102a and 102b of the pressure chamber component A as a mask, and the partition walls 102a and 102a are removed.
A vertical wall 113 continuous with 102b is formed. Next, as shown in FIG. 8A, the Si substrate (for film formation) 120, the adhesion layer 121, and the first orientation control layer 211 are removed by etching.
【0105】続いて、図8(b)に示すように、前記圧
力室部品Aの上方に位置する第1の電極層(個別電極材
料)321について、フォトリソグラフィー技術を用い
てエッチングして、個別電極103を形成する。更に、
図9(a)に示すように、フォトリソグラフィー技術を
用いて第2の配向制御層122と圧電体層222をエッ
チングして、前記各個別電極103の直下に、第2の配
向制御層122と圧電体層222からなる圧電体薄膜1
10を形成する。これ等の個別電極103及び圧電体薄
膜110は、圧力室102の各々の上方に位置し、且つ
個別電極103及び圧電素子110の幅方向の中心が、
対応する圧力室2の幅方向の中心に高精度の一致するよ
うに形成される。このように個別電極103及び圧電体
薄膜110を各圧力室102毎に個別化した後、図9
(b)に示すように、シリコン基板(圧力室用)130
を各厚幅の区画壁102bの部分で切断して、4つの圧
力室102を持つ圧力室部品Aとその上面に固着された
アクチュエータ部Bとが4組完成する。Subsequently, as shown in FIG. 8B, the first electrode layer (individual electrode material) 321 located above the pressure chamber component A is etched by using photolithography technique to be individually etched. The electrode 103 is formed. Furthermore,
As shown in FIG. 9A, the second alignment control layer 122 and the piezoelectric layer 222 are etched by using a photolithography technique, and the second alignment control layer 122 and the piezoelectric layer 222 are formed immediately below the individual electrodes 103. Piezoelectric thin film 1 including piezoelectric layer 222
Form 10. The individual electrodes 103 and the piezoelectric thin film 110 are located above each of the pressure chambers 102, and the centers of the individual electrodes 103 and the piezoelectric elements 110 in the width direction are
The pressure chamber 2 is formed so as to coincide with the center of the corresponding pressure chamber 2 in the width direction with high accuracy. As described above, after the individual electrodes 103 and the piezoelectric thin film 110 are individualized for each pressure chamber 102, as shown in FIG.
As shown in (b), the silicon substrate (for pressure chamber) 130
Is cut at the part of the partition wall 102b of each thickness, and four sets of pressure chamber parts A having four pressure chambers 102 and actuator parts B fixed to the upper surface thereof are completed.
【0106】続いて、図10(a)において、インク液
流路部品Cに共通液室105、供給口106及びインク
流路107を形成すると共に、ノズル板Dにノズル孔1
08を形成する。前記ノズル孔108の形成後は、この
ノズル孔108に撥水剤を流し込み、次工程でのインク
液流路部品Cとノズル板Dとの接着に用いる接着剤がノ
ズル孔108に流れ込むことを予め抑制するように対処
しておく。次いで、同図(b)に示すように、前記イン
ク液流路部品Cとノズル板Dとを接着剤130を用いて
接着する。Subsequently, in FIG. 10A, the common liquid chamber 105, the supply port 106 and the ink flow path 107 are formed in the ink liquid flow path component C, and the nozzle hole 1 is formed in the nozzle plate D.
08 is formed. After the nozzle hole 108 is formed, a water repellent agent is poured into the nozzle hole 108, and the adhesive used for bonding the ink liquid flow path component C and the nozzle plate D in the next step is supposed to flow into the nozzle hole 108 in advance. Take measures to suppress it. Next, as shown in FIG. 7B, the ink liquid flow path component C and the nozzle plate D are bonded together using an adhesive agent 130.
【0107】その後、同図(c)に示すように、圧力室
部品Aの下端面又はインク液流路部品Cの上端面に接着
剤(図示せず)を転写し、圧力室部品Aとインク液流路
部品Cとのアライメント調整を行って、この両者を前記
接着剤により接着する。以上により、同図(d)に示す
ように、圧力室部品A、アクチュエータ部B、インク液
流路部品C及びノズル板Dを持つインクジェットヘッド
が完成する。Thereafter, as shown in FIG. 7C, an adhesive (not shown) is transferred to the lower end surface of the pressure chamber part A or the upper end surface of the ink liquid flow path part C, and the pressure chamber part A and the ink are transferred. The alignment adjustment with the liquid flow path component C is performed, and the both are bonded with the adhesive. As described above, the ink jet head having the pressure chamber part A, the actuator part B, the ink liquid flow path part C and the nozzle plate D is completed as shown in FIG.
【0108】得られたインクジェットヘッドに所定量の
電圧を印加し、アクチュエータ部の変位量を測定したと
ころ、変位バラツキはσ=2%であった。また、周波数
20kHz、20Vの交流電圧を10日間印加しても、インク吐
出の不良はなく、吐出能も低下しなかった。When a predetermined amount of voltage was applied to the obtained ink jet head and the displacement amount of the actuator part was measured, the displacement variation was σ = 2%. Also the frequency
Even when an AC voltage of 20 kHz and 20 V was applied for 10 days, there was no defect in ink ejection and the ejection ability did not decrease.
【0109】また、上記同様の製造方法を用いて、密着
層121および第2の配向制御層122を設けない構成
で圧電体層222を形成し、インクジェットヘッドを作
製した。本発明のインクジェットヘッドと同様に、所定
量の電圧を印加し、アクチュエータ部の変位量を測定し
たところ、変位バラツキはσ=6%であった。また、周
波数20kHz、20Vの交流電圧を10日間印加すると、約3
0%のアクチュエータにおいてインク吐出の不良が生じ
た。Using the same manufacturing method as above, the piezoelectric layer 222 was formed without the adhesion layer 121 and the second orientation control layer 122, and an ink jet head was manufactured. Similarly to the inkjet head of the present invention, when a predetermined amount of voltage was applied and the displacement amount of the actuator portion was measured, the displacement variation was σ = 6%. Also, if an AC voltage with a frequency of 20kHz and 20V is applied for 10 days, it will be about 3
Ink ejection failure occurred in 0% of the actuators.
【0110】(実施の形態3)図12は本発明の実施の
形態のインクジェットヘッドの主要部の断面を示す。圧
力室基板401には、圧力室402がエッチング加工に
より形成されている。圧力室402の上面には振動板4
03および密着層404、第1の配向制御層405、第
1の電極層406、第2の配向制御層407、圧電体層
408、第2の電極層409が形成されている。圧電体
層の変位により、圧力室402内のインクをノズル41
0から吐出する。振動板403上に形成した、密着層4
04、第1の配向制御層405、第1の電極406、第
2の配向制御層407、圧電体層408、第2の電極層
409は、本発明の圧電素子の構成である。(Embodiment 3) FIG. 12 shows a cross section of a main portion of an ink jet head according to an embodiment of the present invention. A pressure chamber 402 is formed on the pressure chamber substrate 401 by etching. The vibration plate 4 is provided on the upper surface of the pressure chamber 402.
03, the adhesion layer 404, the first alignment control layer 405, the first electrode layer 406, the second alignment control layer 407, the piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409. The displacement of the piezoelectric layer causes the ink in the pressure chamber 402 to move to the nozzle 41.
Discharge from 0. Adhesion layer 4 formed on diaphragm 403
04, the first orientation control layer 405, the first electrode 406, the second orientation control layer 407, the piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409 constitute the piezoelectric element of the present invention.
【0111】以下に、図13を参照しながら本発明のイ
ンクジェットヘッドの製造方法について説明する。ま
ず、圧力室基板401に振動板403、密着層404、
第1の配向制御層405、第1の電極層406、第2の
配向制御層407、圧電体層408、第2の電極層40
9を形成する(図13(a))。The method of manufacturing the ink jet head of the present invention will be described below with reference to FIG. First, the pressure chamber substrate 401, the vibration plate 403, the adhesion layer 404,
First orientation control layer 405, first electrode layer 406, second orientation control layer 407, piezoelectric layer 408, second electrode layer 40
9 is formed (FIG. 13A).
【0112】圧力室401には、例えば、φ4インチで
厚さ200μmのSi基板を用いた。振動板には膜厚1.
8μmの二酸化シリコン膜を用いた。振動板の作製は、
スパッタリング法により行った。二酸化シリコン焼結対
のターゲットを用いて、基板加熱は行わず室温で、300W
の高周波電力を印加し、0.4Paのアルゴンと酸素の混合
雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=10:3)で、8時間形成し
た。膜厚は、1.8μmであった。なお、振動板403の
材料は、二酸化シリコン膜に限らず、ニッケル、クロ
ム、アルミニウム、タンタル、タングステンおよびそれ
らの酸化物、シリコンまたはその窒化物などでも良い。
また、製造方法も、スパッタリングに限らず、熱CVD
法、プラズマCVD法、ゾル−ゲル法、あるいはシリコ
ン基板の熱酸化処理などでも良い。また膜厚は、0.5μ
m〜10μmであれば良い。For the pressure chamber 401, for example, a Si substrate having a diameter of 4 inches and a thickness of 200 μm was used. The thickness of the diaphragm is 1.
An 8 μm silicon dioxide film was used. The diaphragm is manufactured
The sputtering method was used. Using a target of silicon dioxide sintered pair, 300W at room temperature without substrate heating
Was applied for 8 hours in a mixed atmosphere of 0.4 Pa of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 10: 3). The film thickness was 1.8 μm. The material of the diaphragm 403 is not limited to the silicon dioxide film, and may be nickel, chromium, aluminum, tantalum, tungsten and their oxides, silicon or its nitride, and the like.
Also, the manufacturing method is not limited to sputtering, but thermal CVD
Method, plasma CVD method, sol-gel method, or thermal oxidation treatment of a silicon substrate. The film thickness is 0.5μ
It should be m to 10 μm.
【0113】また密着層404は、Tiターゲットを用
い、基板を400℃に加熱しながら、100Wの高周波電力を
印加し、1Paのアルゴンガス中で、1分間形成した。膜厚
は、0.03μmであった。ここで、密着層404は振動板
403と第1の配向制御層405との密着性を向上させ
るために用いている。密着層はTiに限らず、タンタル、
鉄、コバルト、ニッケル、クロムまたはそれらの化合物
でも良い。また膜厚は、0.005〜0.1μmの範囲であれば
よい。The adhesion layer 404 was formed by using a Ti target, heating the substrate at 400 ° C., applying a high-frequency power of 100 W, and argon gas of 1 Pa for 1 minute. The film thickness was 0.03 μm. Here, the adhesion layer 404 is used to improve the adhesion between the vibration plate 403 and the first orientation control layer 405. The adhesion layer is not limited to Ti, but tantalum,
It may be iron, cobalt, nickel, chromium or a compound thereof. The film thickness may be in the range of 0.005 to 0.1 μm.
【0114】第1の配向制御層405はプラズマCVD法
で形成した。出発原料にマグネシウムアセチルアセトナ
ート(Mg(C5H7O2)2)を用い、気化温度210℃、キャリ
アガス(窒素)流量100(SCCM)、反応ガス(酸素)流
量1000(SCCM)、真空度10Pa、基板温度500℃の条件
で、高周波(13.56MHz)プラズマ中400Wで45分間作製し
た。膜厚は、0.4μmであった。ここで、第1の配向制
御層405は、第1の電極層406であるPtを(10
0)に配向させるために用いており、酸化マグネシウム
に限らず、(100)配向性を示すNaCl型酸化物で
ある、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化チタ
ンまたはそれらの化合物でも良い。また膜厚は、0.05〜
0.5μmの範囲であればよい。The first orientation control layer 405 was formed by the plasma CVD method. Magnesium acetylacetonate (Mg (C 5 H 7 O 2 ) 2 ) was used as the starting material, vaporization temperature 210 ° C, carrier gas (nitrogen) flow rate 100 (SCCM), reaction gas (oxygen) flow rate 1000 (SCCM), vacuum It was fabricated at 400 W for 45 minutes in high frequency (13.56 MHz) plasma under the conditions of 10 Pa and a substrate temperature of 500 ° C. The film thickness was 0.4 μm. Here, the first orientation control layer 405 has a Pt (10
Not limited to magnesium oxide, it may be nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, titanium oxide or a compound thereof, which is an NaCl type oxide exhibiting (100) orientation. The film thickness is 0.05 ~
It may be in the range of 0.5 μm.
【0115】第1の電極層406はスパッタ法で形成し
た。Ptターゲットを用いて、基板を600℃に加熱しなが
ら1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で12分間形成
した。膜厚は、0.2μmであった。第1の電極層406
は、電極としての役割だけでなく、(100)配向する
ことにより、第2の配向制御層を(001)または(1
00)配向させる役割も担っており、Ptに限らず、パラ
ジウム、イリジウム、ロジウムまたはそれらの化合物で
も良い。また膜厚は、0.05〜0.5μmの範囲であればよ
い。The first electrode layer 406 was formed by a sputtering method. Using a Pt target, the substrate was heated to 600 ° C. and formed in argon gas of 1 Pa at a high frequency power of 200 W for 12 minutes. The film thickness was 0.2 μm. First electrode layer 406
Not only plays a role as an electrode, but also makes the second orientation control layer have (001) or (1) orientation by (100) orientation.
(00) also plays a role of orientation, and not only Pt but also palladium, iridium, rhodium or a compound thereof may be used. The film thickness may be in the range of 0.05 to 0.5 μm.
【0116】第2の配向制御層407は、ターゲットに
チタン酸ランタン鉛(Pb0.9La0.1TiO3)に酸化鉛(Pb
O)を20mol%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを
用い、基板温度600℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=19:1)、真空度0.8Pa、高周波
電力300Wの条件で12分間作製した。膜厚は0.03μmであ
った。第2の配向制御層408は、チタン酸鉛にランタ
ンを10mol%含み、かつ鉛が化学量論組成より20mol
%過剰に含むペロブスカイト型酸化物に限らず、ランタ
ン以外に、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウ
ム、バリウム、ニオブ、マンガン、亜鉛、アルミニウム
を含み、鉛過剰量も5〜30mol%であればよい。膜厚
は、0.005〜0.2μmの範囲であればよい。The second orientation control layer 407 is composed of lead lanthanum titanate (Pb0.9La0.1TiO3) and lead oxide (Pb) as targets.
O) was added in an excess of 20 mol%, and a sintered target was prepared at a substrate temperature of 600 ° C in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio Ar: O2 = 19: 1), vacuum degree 0.8 Pa, high frequency. Fabrication was performed for 12 minutes under the condition of electric power of 300W. The film thickness was 0.03 μm. The second orientation control layer 408 contains 10 mol% of lanthanum in lead titanate, and the lead content is 20 mol from the stoichiometric composition.
In addition to lanthanum, magnesium, calcium, strontium, barium, niobium, manganese, zinc, and aluminum may be included, and the lead excess amount may be 5 to 30 mol%. The film thickness may be in the range of 0.005 to 0.2 μm.
【0117】圧電体層408は、ターゲットにチタン酸
ジルコン酸鉛(Zr/Ti=52/48)の焼結体ターゲットを
用い、基板温度630℃で、アルゴンと酸素の混合雰囲気
中(ガス体積比Ar:O2=9:1)、真空度0.3Pa、高周波電
力250Wの条件で3時間作製した。膜厚は、2.5μmで
あった。また圧電体層408におけるZr/Ti組成は、Zr
/Ti=52/48に限らず、Zr/Ti=30/70〜70/30であれば
良い。膜厚は、0.5〜5.0μmの範囲であればよい。For the piezoelectric layer 408, a lead zirconate titanate (Zr / Ti = 52/48) sintered target was used as a target, and the substrate temperature was 630 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen (gas volume ratio). Ar: O2 = 9: 1), vacuum degree of 0.3 Pa, and high frequency power of 250 W were prepared for 3 hours. The film thickness was 2.5 μm. The Zr / Ti composition of the piezoelectric layer 408 is Zr
Not limited to / Ti = 52/48, Zr / Ti = 30/70 to 70/30 may be used. The film thickness may be in the range of 0.5 to 5.0 μm.
【0118】第2の電極層409は、Ptターゲットを用
いて、室温で1Paのアルゴンガス中200Wの高周波電力で1
0分間形成した。膜厚は、0.2μmであった。第2の電極
層409は、Ptに限らず、導電性材料であれば良い。The second electrode layer 409 is formed by using a Pt target at a room temperature and a high frequency power of 200 W in an argon gas of 1 Pa.
Formed for 0 minutes. The film thickness was 0.2 μm. The second electrode layer 409 is not limited to Pt and may be any conductive material.
【0119】次に、第2の電極層409上に、レジスト
をスピンコートにより形成し、圧力室が形成されるべき
位置にあわせて露光・現像を行い、パターニングする。
そして、第2の電極層409、圧電体層408、第2の
配向制御層407、第1の電極層406、をエッチング
除去し、圧電体薄膜411を分離した。エッチングは、
アルゴンとフッ素元素を含む有機ガスとの混合ガスを用
いたドライエッチングにより行った。Next, a resist is formed on the second electrode layer 409 by spin coating, and exposure / development is performed according to the position where the pressure chamber is to be formed, and patterning is performed.
Then, the second electrode layer 409, the piezoelectric layer 408, the second orientation control layer 407, and the first electrode layer 406 were removed by etching to separate the piezoelectric thin film 411. Etching
It was performed by dry etching using a mixed gas of argon and an organic gas containing a fluorine element.
【0120】次に、圧力室の形成は、六フッ化硫黄ガ
ス、またはフッ素元素を含む有機ガス、またはそれらの
混合ガスを使用した異方性ドライエッチングにより形成
した。圧力室基板401の圧電体薄膜411を形成した
面と反対側の面にエチングマスクを、側壁413となる
部分に形成し、異方性ドライエッチングにより、圧力室
402を形成した(図13(b))。Next, the pressure chamber was formed by anisotropic dry etching using sulfur hexafluoride gas, organic gas containing elemental fluorine, or mixed gas thereof. An etching mask is formed on the surface of the pressure chamber substrate 401 opposite to the surface on which the piezoelectric thin film 411 is formed, in a portion to be the sidewall 413, and the pressure chamber 402 is formed by anisotropic dry etching (FIG. 13 (b)). ).
【0121】そして、ノズル板412を接着剤を用い
て、圧力室基板401に接合しすることによりインクジ
ェットヘッドとした。ノズル410は、リゾグラフィ
法、レーザー加工法、放電加工法などにより、ノズル板
412の所定の位置に開口することで形成できる。ノズ
ル板412を圧力室基板401に接合する際には、各ノ
ズル410が圧力室402の空間に対応して配置される
ように位置あわせをする。Then, the nozzle plate 412 was bonded to the pressure chamber substrate 401 with an adhesive to form an ink jet head. The nozzle 410 can be formed by opening the nozzle plate 412 at a predetermined position by a lithography method, a laser processing method, an electric discharge processing method, or the like. When the nozzle plate 412 is bonded to the pressure chamber substrate 401, the nozzles 410 are aligned so as to be arranged corresponding to the space of the pressure chamber 402.
【0122】得られたインクジェットヘッドに所定量の
電圧を印加し、アクチュエータ部の変位量を測定したと
ころ、変位バラツキはσ=1.5%であった。また、周
波数20kHz、20Vの交流電圧を10日間印加しても、イン
ク吐出の不良はなく、吐出能も低下しなかった。When a predetermined amount of voltage was applied to the obtained ink jet head and the displacement amount of the actuator portion was measured, the displacement variation was σ = 1.5%. In addition, even when an alternating voltage of 20 V at a frequency of 20 kHz was applied for 10 days, there was no defect in ink ejection and the ejection ability did not decrease.
【0123】また、上記同様の製造方法を用いて、密着
層404および第2の配向制御層407を設けない構成
でインクジェットを作製した。本発明のインクジェット
ヘッドと同様に、所定量の電圧を印加し、アクチュエー
タ部の変位量を測定したところ、変位バラツキはσ=
5.5%であった。また、周波数20kHz、20Vの交流電
圧を10日間印加すると、約25%のアクチュエータにお
いてインク吐出の不良が生じた。Further, an ink jet was prepared by the same manufacturing method as described above without the adhesion layer 404 and the second orientation control layer 407. Similarly to the inkjet head of the present invention, when a predetermined amount of voltage was applied and the displacement amount of the actuator part was measured, the displacement variation was σ =
It was 5.5%. When an AC voltage of 20 V at a frequency of 20 kHz was applied for 10 days, defective ink ejection occurred in about 25% of the actuators.
【0124】(実施の形態4)図12は本発明のインク
ジエツトヘツドを備えたインクジエツト式記録装置27の
概略構成図である。同図において28はインクジエツトヘ
ツドであり、このインクジエツトヘツド28から吐出され
たインク滴を紙等の記録媒体29に着弾させて記録を行
う。インクジエツトヘツド28は、主走査方向Xにキヤリ
ツジ軸30に設けられたキヤリツジ31(移動手段)に搭載
されていて、キヤリツジ31がキヤリツジ軸30に沿って往
復動するのに応じて主走査方向Xに往復動する。さら
に、インクジエツト式記録装置27は記録媒体29をインク
ジエツトヘツド28の主走査方向X(幅方向)と略垂直方
向の副走査方向Yに移動させる複数個のロ−ラ32(移動
手段)を備える。本実施の形態のインクジエツト式記録
装置は吐出能のばらつきが少なく且つ高い信頼性を有す
る。(Embodiment 4) FIG. 12 is a schematic diagram of an ink jet type recording apparatus 27 provided with the ink jet head of the present invention. In the figure, reference numeral 28 is an ink jet head, and ink droplets ejected from the ink jet head 28 are landed on a recording medium 29 such as paper for recording. The ink jet head 28 is mounted on a carriage 31 (moving means) provided on the carriage shaft 30 in the main scanning direction X, and as the carriage 31 reciprocates along the carriage shaft 30, the main scanning direction X. Move back and forth. Further, the ink jet recording apparatus 27 is provided with a plurality of rollers 32 (moving means) for moving the recording medium 29 in the main scanning direction X (width direction) of the ink jet head 28 and in a sub scanning direction Y substantially vertical. . The ink jet type recording apparatus according to the present embodiment has little variation in ejection capacity and high reliability.
【0125】なお、本発明の圧電素子およびインクジェ
ットヘッドにおいて、圧電体層にチタン酸ジルコン酸鉛
をを用いたが、これに限らず、チタン酸ジルコン酸鉛
と、Pb(Mg1/3Nb3/2)O3あるいはPb(Zn1/3Nb3/2)O3との固
溶体でも良い。In the piezoelectric element and ink jet head of the present invention, lead zirconate titanate was used for the piezoelectric layer. However, the piezoelectric layer is not limited to this, and lead zirconate titanate and Pb (Mg1 / 3Nb3 / 2) are used. It may be a solid solution with O3 or Pb (Zn1 / 3Nb3 / 2) O3.
【0126】なお、本発明の圧電素子は、インクジェッ
トヘッドおよびインクジェット記録装置以外にも、薄膜
コンデンサー、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシ
タ、各種アクチュエーター、赤外線センサー、超音波セ
ンサー、圧力センサー、加速度センサー、角速度センサ
ー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、
圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、
圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線
への応用も可能である。In addition to the ink jet head and the ink jet recording apparatus, the piezoelectric element of the present invention includes a thin film capacitor, a charge storage capacitor for a non-volatile memory element, various actuators, an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, Angular velocity sensor, flow sensor, shock sensor, piezoelectric transformer,
Piezoelectric ignition element, piezoelectric speaker, piezoelectric microphone,
It can also be applied to piezoelectric filters, piezoelectric pickups, tuning fork oscillators, and delay lines.
【0127】[0127]
【発明の効果】本発明によれば、基板上に密着層を設
け、その密着層上に下地層を設け、その下地層上に第1
の電極層を設け、その第1の電極層上に配向制御層を設
け、その配向制御層上に圧電体を設け、その圧電体層上
に第2の電極層を設けた構成とすることによって各層の
密着性並びに圧電体層の結晶構造と優先配向面を制御で
きるので工業的に量産しても圧電特性の再現性、ばらつ
き、耐電圧、および信頼性の良好な圧電体素子とそれを
有するインクジエツトヘツドおよびそれらの製造方法を
提供することができる。さらに、吐出能のばらつきが少
なく且つ高い信頼性を有するインクジエツト式記録装置
を提供することができる。According to the present invention, the adhesion layer is provided on the substrate, the underlayer is provided on the adhesion layer, and the first layer is formed on the underlayer.
By providing the electrode layer of, the orientation control layer on the first electrode layer, the piezoelectric body on the orientation control layer, and the second electrode layer on the piezoelectric layer. Since the adhesion of each layer and the crystal structure and preferential orientation plane of the piezoelectric layer can be controlled, it has a piezoelectric element with good reproducibility, variation, withstand voltage, and reliability of piezoelectric characteristics even in industrial mass production. Ink jet heads and methods for producing them can be provided. Further, it is possible to provide an ink jet type recording apparatus having a small variation in ejection ability and high reliability.
【図1】本発明の実施の形態の圧電素子の断面図FIG. 1 is a sectional view of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention.
【図2】従来の圧電素子の断面図FIG. 2 is a sectional view of a conventional piezoelectric element.
【図3】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
全体構成を示す斜視図FIG. 3 is a perspective view showing the overall configuration of an inkjet head according to an embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
圧力室部品およびアクチュエーター部の要部を示す分解
斜視図FIG. 4 is an exploded perspective view showing a main part of a pressure chamber part and an actuator part of the inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
圧力室部品およびアクチュエーター部の要部を示す断面
図FIG. 5 is a cross-sectional view showing main parts of a pressure chamber component and an actuator section of the inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図6】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
製造方法における積層工程、圧力室用開口部の形成工
程、および接着剤の付着工程を示す図FIG. 6 is a diagram showing a laminating step, a pressure chamber opening forming step, and an adhesive attaching step in the method for manufacturing an inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
製造方法における、成膜後の基板と圧力室部品との接着
工程、および縦壁の形成工程を示す図FIG. 7 is a diagram showing a step of adhering a substrate after film formation to a pressure chamber component and a step of forming a vertical wall in the method for manufacturing an inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図8】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
製造方法における、基板除去工程、および個別電極の個
別化工程を示す図FIG. 8 is a diagram showing a substrate removing step and an individual electrode individualizing step in the inkjet head manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
【図9】本発明の実施の形態のインクジェットヘッドの
製造方法における、圧電素子の個別化工程、および切断
工程を示す図FIG. 9 is a diagram showing a piezoelectric element individualizing step and a cutting step in the method of manufacturing an inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図10】本発明の実施の形態のインクジェットヘッド
の製造方法における、インク流路部品、およびノズル板
の各生成工程、インク流路部品とノズル板との接着工
程、アクチュエーター部と圧力部品との接着工程、およ
び完成したインクジェットヘッドを示す図FIG. 10 is a diagram showing a method of producing an ink flow path component and a nozzle plate, a step of adhering an ink flow path component and a nozzle plate, a step of forming an actuator part and a pressure component in the method for manufacturing an inkjet head according to the embodiment of the present invention. Figure showing the bonding process and completed inkjet head
【図11】本発明の実施の形態のインクジェットヘッド
の製造方法において、成膜されたSi基板と圧力室形成
用のSi基板との接着の様子を示す図FIG. 11 is a diagram showing how the Si substrate on which a film is formed and the Si substrate for forming the pressure chamber are bonded in the method for manufacturing an inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図12】本発明の実施の形態のインクジェットヘッド
のアクチュエーター部の断面図FIG. 12 is a sectional view of an actuator portion of the inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図13】本発明の実施の形態のインクジェットヘッド
の製造方法における工程断面図FIG. 13 is a process sectional view in the method of manufacturing the inkjet head according to the embodiment of the present invention.
【図14】インクジエツト式記録装置の概略構成図FIG. 14 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording apparatus.
11 基板 12 密着層 13 第1の配向制御層 14 第1の電極層 15 第2の配向制御層 16 圧電体層 17 第2の電極層 21 基板 22 第1の配向制御層 23 第1の電極層 24 圧電体層 25 第2の電極層 27 インクジエツト式記録装置 28 インクジエツトヘツド 29 記録媒体 31 移動手段(キヤリツジ) 32 移動手段(ロ−ラ) A 圧力室部品 B アクチュエータ部 C インク流路部品 D ノズル板 E ICチップ 101 圧力室用開口部 102 圧力室 102a,102b 区画壁 103 区別電極 105 共通液室 106 供給口 107 インク流路 108 ノズル孔 110 圧電体薄膜 111 振動板 112 共通電極 113 縦壁 114 接着剤 120 基板(成膜用) 121 密着層 122 第2の配向制御層 123 第2の電極層(共通電極材料) 124 振動板 125 中間層材料 130 Si基板(圧力室用) 221 第1の配向制御層 222 圧電体層 321 第1の電極層(個別電極材料) 401 圧力室基板 402 圧力室 403 振動板 404 密着層 405 第1の配向制御層 406 第1の電極層 407 第2の配向制御層 408 圧電体層 409 第2の電極層 410 ノズル 411 圧電体薄膜 412 ノズル板 11 board 12 Adhesion layer 13 First Orientation Control Layer 14 First electrode layer 15 Second orientation control layer 16 Piezoelectric layer 17 Second electrode layer 21 board 22 First Orientation Control Layer 23 First electrode layer 24 Piezoelectric layer 25 Second electrode layer 27 Inkjet recording device 28 Ink Jet Head 29 recording media 31 Transportation (Carriage) 32 means of transportation (roller) A pressure chamber parts B actuator C ink flow path parts D nozzle plate E IC chip 101 Opening for pressure chamber 102 pressure chamber 102a, 102b partition wall 103 Distinction electrode 105 common liquid chamber 106 supply port 107 ink flow path 108 nozzle holes 110 Piezoelectric thin film 111 diaphragm 112 common electrode 113 vertical wall 114 adhesive 120 substrates (for film formation) 121 Adhesion layer 122 Second Alignment Control Layer 123 Second electrode layer (common electrode material) 124 diaphragm 125 intermediate layer material 130 Si substrate (for pressure chamber) 221 First orientation control layer 222 Piezoelectric layer 321 First electrode layer (individual electrode material) 401 Pressure chamber substrate 402 Pressure chamber 403 diaphragm 404 adhesion layer 405 First orientation control layer 406 First electrode layer 407 Second orientation control layer 408 Piezoelectric layer 409 Second electrode layer 410 nozzles 411 Piezoelectric thin film 412 nozzle plate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 友澤 淳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 久保 晶子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2C057 AF65 AF93 AG42 AG44 AP14 AP52 AP53 BA04 BA14 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Jun Tomozawa 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Ryoichi Takayama 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Akiko Kubo 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 2C057 AF65 AF93 AG42 AG44 AP14 AP52 AP53 BA04 BA14
Claims (15)
1の配向制御層を設け、 その第1の配向制御層上に第1の電極層を設け、その第1
の電極層上に第2の配向制御層を設け、その第2の配向
制御層上に圧電体層を設け、その圧電体層上に第2の電
極層を設けた圧電素子。1. An adhesion layer is provided on a substrate, a first orientation control layer is provided on the adhesion layer, and a first electrode layer is provided on the first orientation control layer.
A piezoelectric element in which a second orientation control layer is provided on the electrode layer, the piezoelectric layer is provided on the second orientation control layer, and the second electrode layer is provided on the piezoelectric layer.
って、 密着層、第1の電極層、第2の配向制御層、圧電体層、
第2の電極層をスパッタ法で形成し、第1の配向制御層
をプラズマCVD法により形成することを特徴とした圧
電素子の製造方法。2. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1, wherein the adhesion layer, the first electrode layer, the second alignment control layer, the piezoelectric layer,
A method of manufacturing a piezoelectric element, comprising forming the second electrode layer by a sputtering method and forming the first orientation control layer by a plasma CVD method.
1の配向制御層を設け、 その第1の配向制御層上に第1の電極層を設け、その第1
の電極層上に第2の配向制御層を設け、その第2の配向
制御層上に圧電体層を設け、その圧電体層上に第2の電
極層を設けて圧電素子を形成し、その圧電素子の第2の
電極層上に振動層を設け、 その振動層とインクを吐出するための圧力室とを接合
し、前記基板、密着層及び第1の配向制御層を除去して
なるインクジエツトヘツド。3. An adhesion layer is provided on a substrate, a first orientation control layer is provided on the adhesion layer, and a first electrode layer is provided on the first orientation control layer.
A second orientation control layer is provided on the electrode layer of, a piezoelectric layer is provided on the second orientation control layer, and a second electrode layer is provided on the piezoelectric layer to form a piezoelectric element. An ink jet formed by providing a vibrating layer on the second electrode layer of the piezoelectric element, joining the vibrating layer and a pressure chamber for ejecting ink, and removing the substrate, the adhesion layer and the first orientation control layer. Ethead.
1の電極層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2
の電極層を形成する工程と、前記第2の電極層上に振動
層を形成する工程と、前記振動層上にインクを吐出する
ための圧力室を接合する工程と、前記基板、密着層、お
よび第1の配向制御層を除去する工程を備えたインクジ
ェットヘッドの製造方法であって、前記密着層、第1の
電極層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2の電
極層をスパッタ法で形成し、前記第1の配向制御層をプ
ラズマCVD法により形成することを特徴としたインク
ジェットヘッドの製造方法。4. An adhesion layer, a first alignment control layer, and a first alignment control layer on a substrate.
The first electrode layer, the second orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second
Forming an electrode layer, forming a vibrating layer on the second electrode layer, joining a pressure chamber for ejecting ink onto the vibrating layer, the substrate, the adhesion layer, And a method for manufacturing an inkjet head, which comprises a step of removing the first orientation control layer, the adhesion layer, the first electrode layer, the second orientation control layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer. Is formed by a sputtering method, and the first orientation control layer is formed by a plasma CVD method.
が形成された圧力室基板の他方の面上に、振動層を設
け、その振動層上に密着層を設け、その密着層上に第1
の配向制御層を設け、その第1の配向制御層上に第1の
電極層を設け、その第1の電極層上に第2の配向制御層
を設け、その第2の配向制御層上に圧電体層を設け、そ
の圧電体層上に第2の電極層を設けた構成からなるイン
クジェットヘッド。5. A vibrating layer is provided on the other surface of a pressure chamber substrate having a pressure chamber for ejecting ink on one surface, and an adhesive layer is provided on the vibrating layer. First
Of the first alignment control layer, the first electrode layer is provided on the first alignment control layer, the second alignment control layer is provided on the first electrode layer, and the second alignment control layer is provided on the second alignment control layer. An inkjet head having a structure in which a piezoelectric layer is provided and a second electrode layer is provided on the piezoelectric layer.
記振動層上に密着層、第1の配向制御層、第1の電極
層、第2の配向制御層、圧電体層、および第2の電極層
を形成する工程と、前記基板をエッチングして圧力室を
形成する工程と、を備えたインクジェットヘッドの製造
方法であって、前記密着層、第1の電極層、第2の配向
制御層、圧電体層、および第2の電極層をスパッタ法で
形成し、前記第1の配向制御層をプラズマCVD法によ
り形成することを特徴としたインクジェットヘッドの製
造方法。6. A step of forming a vibrating layer on one surface of a substrate, an adhesion layer, a first orientation control layer, a first electrode layer, a second orientation control layer, a piezoelectric layer, and A method of manufacturing an inkjet head, comprising: a step of forming a second electrode layer; and a step of etching the substrate to form a pressure chamber, wherein the adhesion layer, the first electrode layer, and the second electrode layer A method for manufacturing an inkjet head, comprising forming an orientation control layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer by a sputtering method, and forming the first orientation control layer by a plasma CVD method.
ツトヘツドと、そのインクジエツトヘツドを幅方向に移
動させる移動手段と、前記幅方向に対して略垂直方向に
記録媒体を移動させる移動手段とを備えたインクジエツ
ト式記録装置。7. An ink jet head according to claim 3 or 5, a moving means for moving the ink jet head in a width direction, and a movement for moving a recording medium in a direction substantially perpendicular to the width direction. And an ink jet type recording apparatus having a means.
ト、ニツケル、クロムの群から選ばれた1種以上である
請求項1に記載の圧電素子。8. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the adhesion layer is at least one selected from the group consisting of titanium, tantalum, iron, cobalt, nickel and chromium.
ト、ニツケル、クロムの群から選ばれた1種以上である
請求項3または請求項5に記載のインクジエツトヘツ
ド。9. The ink jet head according to claim 3, wherein the adhesion layer is at least one selected from the group consisting of titanium, tantalum, iron, cobalt, nickel and chromium.
(100)に優先配向した酸化マグネシウム、酸化ニッ
ケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化チタンの群から選ば
れた1種以上である請求項1に記載の圧電素子。10. The first orientation control layer is one or more selected from the group consisting of (100) preferentially oriented magnesium oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide and titanium oxide having a NaCl type crystal structure. Item 2. The piezoelectric element according to Item 1.
(100)に優先配向した酸化マグネシウム、酸化ニツ
ケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化チタンの群から選ば
れた1種以上である請求項3または請求項5に記載のイ
ンクジエツトヘツド。11. The first orientation control layer is one or more selected from the group consisting of (100) preferentially oriented magnesium oxide, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide and titanium oxide having a NaCl type crystal structure. The ink jet head according to claim 3 or 5.
晶構造の(001)または(100)に優先配向したチ
タン酸鉛に、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウ
ム、バリウム、ランタン、ニオブ、マンガン、亜鉛、ア
ルミニウムの群から選ばれた1種以上を、0を超え25
モル%以下添加したものであり、かつ化学量論組成と比
較して鉛量が5超え30モル%以下過剰である請求項1
に記載の圧電素子。12. The lead orientation titanate in which the second orientation control layer is preferentially oriented to (001) or (100) having a perovskite type crystal structure, magnesium, calcium, strontium, barium, lanthanum, niobium, manganese, zinc, aluminum. More than 0 over 25 selected from the group of 25
The amount of lead added is 5 mol% or less, and the lead amount is more than 5 and more than 30 mol% in excess as compared with the stoichiometric composition.
The piezoelectric element according to 1.
晶構造の(001)または(100)に優先配向したチ
タン酸鉛に、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウ
ム、バリウム、ランタン、ニオブ、マンガン、亜鉛、ア
ルミニウムの群から選ばれた1種以上を0を超え25モ
ル%以下添加したものであり、かつ化学量論組成と比較
して鉛量が5を超え30モル%以下過剰である、請求項
3または請求項5に記載のインクジェットヘッド。13. A lead orientation titanate having a (001) or (100) preferential orientation in a perovskite type crystal structure as a second orientation control layer, and magnesium, calcium, strontium, barium, lanthanum, niobium, manganese, zinc, aluminum. Or more than 0 and 25 mol% or less selected from the group of, and the amount of lead is more than 5 and 30 mol% or more in excess as compared with the stoichiometric composition. The inkjet head according to claim 5.
0)に優先配向したペロブスカイト型結晶構造のチタン
酸ジルコン酸鉛である請求項1に記載の圧電素子。14. The piezoelectric layer is (001) or (10).
The piezoelectric element according to claim 1, which is lead zirconate titanate having a perovskite type crystal structure preferentially oriented in 0).
0)に優先配向したペロブスカイト型結晶構造のチタン
酸ジルコン酸鉛である請求項3または請求項5に記載の
インクジェットヘッド。15. The piezoelectric layer is (001) or (10).
The inkjet head according to claim 3 or 5, which is lead zirconate titanate having a perovskite type crystal structure preferentially oriented in 0).
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- 2001-12-18 JP JP2001384310A patent/JP2003188431A/en not_active Withdrawn
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