JP2006173646A - Ferroelectric thin-film element, piezoelectric actuator, liquid discharge head - Google Patents

Ferroelectric thin-film element, piezoelectric actuator, liquid discharge head Download PDF

Info

Publication number
JP2006173646A
JP2006173646A JP2006020875A JP2006020875A JP2006173646A JP 2006173646 A JP2006173646 A JP 2006173646A JP 2006020875 A JP2006020875 A JP 2006020875A JP 2006020875 A JP2006020875 A JP 2006020875A JP 2006173646 A JP2006173646 A JP 2006173646A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
thin film
crystal
plane
ferroelectric thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006020875A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006173646A5 (en
JP4689482B2 (en
Inventor
Toshihiro Ifuku
俊博 伊福
Katayoshi Matsuda
堅義 松田
Tetsuro Fukui
哲朗 福井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2006020875A priority Critical patent/JP4689482B2/en
Publication of JP2006173646A publication Critical patent/JP2006173646A/en
Publication of JP2006173646A5 publication Critical patent/JP2006173646A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4689482B2 publication Critical patent/JP4689482B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric thin-film element that has large spontaneous polarization, is suitable for thinning and does not have deterioration in the characteristics, and to provide a piezoelectric actuator and a liquid delivery head that uses the same. <P>SOLUTION: In the ferroelectric thin-film element provided with a substrate and an epitaxial ferroelectric thin-film provided on the substrate, the ferroelectric thin-film element, wherein of the crystal planes of the epitaxial ferroelectric thin-film, when a crystal plane parallel to that of a substrate surface is set as a Z crystal plane, the surface separation of the Z crystal plane as z, and the spacing between Z crystal planes in bulk state of composition material of the epitaxial ferroelectric thin-film as z<SB>0</SB>, z/z<SB>0</SB>>1.003; and when one crystal plane among the crystal planes in the epitaxial ferroelectric thin-film perpendicular to the Z crystal plane is set as a X crystal plane, the inter-plane separation of the X crystal plane as x, the inter-plane separation of the X crystal plane in bulk state of composition material of the epitaxial ferroelectric thin-film is x<SB>0</SB>, the relation 0.997≤x/x<SB>0</SB>≤1.003 holds. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強誘電体薄膜素子に関するものであり、強誘電体薄膜の自発分極が薄膜素子の素子特性向上に関与する素子、例えば、不揮発性メモリ等に関する。また、本発明は、エピタキシャル強誘電体膜の圧電特性を利用する圧電アクチュエーターおよびこれを含む構成を有する圧電アクチュエーター部を有する液体吐出ヘッドに関する。   The present invention relates to a ferroelectric thin film element, and relates to an element such as a nonvolatile memory in which spontaneous polarization of a ferroelectric thin film is involved in improving element characteristics of the thin film element. The present invention also relates to a piezoelectric actuator that utilizes the piezoelectric characteristics of an epitaxial ferroelectric film and a liquid discharge head that includes a piezoelectric actuator portion having a configuration including the piezoelectric actuator.

近年、不揮発性メモリ等の記憶媒体として高性能の強誘電体薄膜を用いた記憶装置(以下強誘電体メモリという)が求められている。強誘電体メモリにおいて最適なデバイス特性および再現性を確保するためには、強誘電体薄膜の自発分極(残留分極)が大きいこと、残留分極の温度依存性が小さいこと、分極反転の繰り返しに対する劣化が小さいこと等が求められる。   In recent years, a storage device (hereinafter referred to as a ferroelectric memory) using a high-performance ferroelectric thin film as a storage medium such as a nonvolatile memory has been demanded. In order to ensure optimal device characteristics and reproducibility in ferroelectric memory, the ferroelectric thin film has a large spontaneous polarization (residual polarization), a small temperature dependence of the remanent polarization, and deterioration due to repeated polarization inversion. Is required to be small.

現在強誘電体材料としては、主としてジルコン酸チタン酸鉛[ Pb(Zr,Ti)O3 ](PZTと表すことがある)が用いられている。PZTは、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛の固溶体であるが、ほぼ1:1のモル比で固溶したものが、自発分極が大きく、低い電界でも反転することができ、記憶媒体として優れているものと考えられている。PZTは、強誘電体相と常誘電体層の間の転移温度(キュリー温度)が300℃以上と比較的高いため、通常の電子回路が使用される温度範囲(120℃以下)では、記憶された内容が熱によって失われる心配は少ない。 Currently, lead zirconate titanate [Pb (Zr , Ti) O 3 ] (sometimes referred to as PZT) is mainly used as a ferroelectric material. PZT is a solid solution of lead zirconate and lead titanate, but a solid solution with a molar ratio of approximately 1: 1 has a large spontaneous polarization and can be reversed even at a low electric field, and is excellent as a storage medium. It is considered a thing. Since PZT has a relatively high transition temperature (Curie temperature) between the ferroelectric phase and the paraelectric layer of 300 ° C. or higher, it is memorized in the temperature range (120 ° C. or lower) in which ordinary electronic circuits are used. There is little worry that the contents will be lost by heat.

しかし、PZT薄膜のような優れた強誘電体薄膜であっても、多結晶体からなる強誘電体薄膜では結晶粒界による物理量の錯乱のため、良好なデバイス特性を得ることが困難である。このため、強誘電体素子のデバイス特性を考えた場合、できるだけ完全な単結晶に近いエピタキシャル薄膜が望まれている。   However, even with an excellent ferroelectric thin film such as a PZT thin film, it is difficult to obtain good device characteristics in a ferroelectric thin film made of a polycrystal due to a disturbance of physical quantities due to grain boundaries. For this reason, when considering the device characteristics of the ferroelectric element, an epitaxial thin film that is as close to a complete single crystal as possible is desired.

また、強誘電体デバイスの高集積化においては、強誘電体薄膜の薄膜化が有効であるが、一般的に、強誘電体薄膜の膜厚を100nm以下にすると、強誘電体薄膜が、エピタキシャル膜である場合においても、強誘電体薄膜の自発分極が失われる傾向にあり、強誘電体薄膜の残留分極や強誘電体薄膜の耐疲労特性の劣化が顕著になる。このため強誘電体薄膜の膜厚を薄くするには、強誘電体薄膜の自発分極を十分大きく保つための工夫が必要となる。   For high integration of ferroelectric devices, it is effective to reduce the thickness of the ferroelectric thin film. Generally, when the thickness of the ferroelectric thin film is set to 100 nm or less, the ferroelectric thin film becomes epitaxial. Even in the case of a film, the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film tends to be lost, and the residual polarization of the ferroelectric thin film and the deterioration of the fatigue resistance of the ferroelectric thin film become remarkable. For this reason, in order to reduce the thickness of the ferroelectric thin film, a device for keeping the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film sufficiently large is required.

強誘電体薄膜の自発分極を大きくする方法として、基板と強誘電体薄膜の熱膨張係数のミスマッチを利用する方法(例えば、特許文献1参照。)、基板と強誘電体薄膜の格子のミスフィットを利用する方法(例えば、特許文献2参照。)等が挙げられる。これらの方法を採用すると、強誘電体薄膜に対し圧縮応力が加えられるようにすることができ、これにより強誘電体薄膜の自発分極を大きくすることができる。   As a method for increasing the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film, a method using a mismatch between the thermal expansion coefficients of the substrate and the ferroelectric thin film (see, for example, Patent Document 1), a lattice misfit between the substrate and the ferroelectric thin film. (For example, refer to Patent Document 2). By adopting these methods, it is possible to apply a compressive stress to the ferroelectric thin film, thereby increasing the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film.

しかしながら、強誘電体薄膜に圧縮応力を加えて自発分極を大きくする従来の方法では、自発分極を大きくすることは可能であるが、強誘電体薄膜の残留分極や強誘電体薄膜の耐疲労特性の劣化は改善されない。これは、強誘電体薄膜の上記特性の劣化に対しては、強誘電体薄膜面内の基板面方向に加わる応力が大きく関与しており、強誘電体薄膜に従来の方法で大きな圧縮応力を加えると、基板面方向に加わる応力が強誘電体薄膜に作用し、強誘電体薄膜の特性劣化をさらに助長するためと推定されている。   However, the conventional method of increasing the spontaneous polarization by applying compressive stress to the ferroelectric thin film can increase the spontaneous polarization, but the residual polarization of the ferroelectric thin film and the fatigue resistance characteristics of the ferroelectric thin film Deterioration of is not improved. This is because the stress applied to the surface of the ferroelectric thin film in the direction of the substrate surface greatly contributes to the deterioration of the characteristics of the ferroelectric thin film, and a large compressive stress is applied to the ferroelectric thin film by the conventional method. In addition, it is estimated that the stress applied in the direction of the substrate surface acts on the ferroelectric thin film and further promotes the deterioration of the characteristics of the ferroelectric thin film.

加えて近年、パソコンなどの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタが、印字性能がよく取り扱いが簡単である、低コストであるなどの理由から広く普及している。このインクジェット記録装置に使用されているインクジェットヘッドは、インクを吐出する液体吐出ヘッドであり、熱エネルギーによってインク中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子または電歪素子のような振動子を有するアクチュエーターによって発生させる圧力波を利用してインク滴を吸引吐出させるもの等種々の方式がある。   In addition, in recent years, printers using an ink jet recording apparatus as a printing apparatus such as a personal computer have become widespread for reasons such as good printing performance, easy handling, and low cost. The ink jet head used in this ink jet recording apparatus is a liquid discharge head that discharges ink, generates air bubbles in the ink by thermal energy, and discharges ink droplets by pressure waves due to the air bubbles. There are various methods such as those for sucking and discharging ink droplets, and those for sucking and discharging ink droplets using a pressure wave generated by an actuator having a vibrator such as a piezoelectric element or an electrostrictive element.

一般に、圧電アクチュエーターを用いた方式の液体吐出ヘッドは、例えば、液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液体吐出口とを備え、その圧力室の一部に圧電アクチュエーターが接合もしくは直接形成された振動板が設けられて構成されている。このような構成の液体吐出ヘッドにおいては、圧電アクチュエーターに所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内の液体を加圧することにより液体吐出口から液滴を吐出させる。   In general, a liquid discharge head using a piezoelectric actuator includes, for example, a pressure chamber that communicates with a liquid supply chamber and a liquid discharge port that communicates with the pressure chamber. A directly formed diaphragm is provided. In the liquid discharge head having such a configuration, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuator to expand and contract the piezoelectric element, thereby causing a flexural vibration to pressurize the liquid in the pressure chamber, thereby causing a droplet from the liquid discharge port. To discharge.

現在カラーのインクジェト記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字が求められている。このためインクを吐出する液体吐出ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を用いて高解像度および高速印字を実現する事が試みられている。液体吐出ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるための圧電アクチュエーターの小型化が必要になる。   Currently, color ink jet recording apparatuses have become widespread, but improvement in printing performance, in particular, higher resolution and higher speed printing are required. For this reason, attempts have been made to realize high resolution and high speed printing using a multi-nozzle head structure in which a liquid discharge head for discharging ink is miniaturized. In order to miniaturize the liquid discharge head, it is necessary to reduce the size of the piezoelectric actuator for discharging the liquid.

従来、圧電アクチュエーターおよび液体吐出ヘッドにおいて、圧電アクチュエーターを小型化するためには、焼結により得られた圧電体を上記のように切削、研磨等の技術によって微細成形して製造されていたが、これとは別に、圧電体を膜として形成し、半導体で用いられてきた微細加工技術を駆使してより高精度な超小型圧電アクチュエーターを開発する研究がなされている。さらに、その高性能化を考えた場合、圧電体膜は単結晶膜あるいは結晶配向性を有する膜であることが望ましく、ヘテロエピタキシャル成長技術の開発が盛んに行われている。   Conventionally, in the piezoelectric actuator and the liquid discharge head, in order to reduce the size of the piezoelectric actuator, the piezoelectric body obtained by sintering has been manufactured by micro-molding by techniques such as cutting and polishing as described above. Apart from this, research has been conducted to develop a highly accurate ultra-small piezoelectric actuator by forming a piezoelectric body as a film and making full use of microfabrication technology that has been used in semiconductors. Further, considering the high performance, it is desirable that the piezoelectric film is a single crystal film or a film having crystal orientation, and development of heteroepitaxial growth techniques has been actively conducted.

また、一般に、圧電体として強誘電体を用いる場合、強誘電体に求められる特性の一つは、強誘電体の自発分極が大きいことである。しかし、膜の場合、通常、強誘電体膜の膜厚を小さくしてゆくと、たとえ強誘電体膜がエピタキシャル膜であったとしても、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極が失われる傾向にあり、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極を十分大きく保つための工夫が必要となる。   In general, when a ferroelectric material is used as the piezoelectric material, one of the characteristics required for the ferroelectric material is that the ferroelectric material has a large spontaneous polarization. However, in the case of a film, when the thickness of the ferroelectric film is decreased, the spontaneous polarization of the epitaxial ferroelectric film tends to be lost even if the ferroelectric film is an epitaxial film. Therefore, a device for keeping the spontaneous polarization of the epitaxial ferroelectric film sufficiently large is required.

エピタキシャル強誘電体膜の自発分極を大きくする方法として、上述した通り、基板とエピタキシャル強誘電体膜の熱膨張係数のミスマッチを利用する方法(例えば、特許文献1参照。)、基板とエピタキシャル強誘電体膜の格子のミスフィットを利用する方法(例えば、特許文献2参照。)等が挙げられる。これらの方法によると、膜内に圧縮応力が作用したエピタキシャル強誘電体膜が形成され、自発分極の大きなエピタキシャル強誘電体膜を得ることができる。   As described above, as a method for increasing the spontaneous polarization of the epitaxial ferroelectric film, as described above, a method using the mismatch between the thermal expansion coefficients of the substrate and the epitaxial ferroelectric film (see, for example, Patent Document 1), the substrate and the epitaxial ferroelectric film. For example, a method using a misfit of the lattice of the body membrane (for example, see Patent Document 2). According to these methods, an epitaxial ferroelectric film in which compressive stress is applied is formed in the film, and an epitaxial ferroelectric film having a large spontaneous polarization can be obtained.

しかしながら、膜内に圧縮応力が作用したエピタキシャル強誘電体膜を形成して、自発分極を大きくすることにより圧電特性を向上させる従来の方法では、圧電性を大きくすることは可能であるが、圧電アクチュエーターの繰り返し使用時の特性劣化、電圧印加時のリーク電流に伴う圧電アクチュエーターの破壊などの問題は解決されない。これは、圧電アクチュエーターの上記特性の劣化、破壊に対しては、エピタキシャル強誘電体膜面内の基板面方向に加わる応力が関与しており、従来の方法で作製した大きな圧縮応力の作用を受けているエピタキシャル強誘電体膜では、基板面方向に加わる応力がエピタキシャル強誘電体膜に作用し、圧電アクチュエーターの耐久特性の劣化をさらに助長しているためであると推定されている。   However, it is possible to increase the piezoelectricity by the conventional method of improving the piezoelectric characteristics by forming an epitaxial ferroelectric film in which a compressive stress acts in the film and increasing the spontaneous polarization, Problems such as deterioration of characteristics during repeated use of the actuator and destruction of the piezoelectric actuator due to leakage current during voltage application cannot be solved. This is because the stress applied to the substrate surface in the plane of the epitaxial ferroelectric film is involved in the deterioration and destruction of the above-mentioned characteristics of the piezoelectric actuator, and is affected by the large compressive stress produced by the conventional method. In the epitaxial ferroelectric film, it is estimated that the stress applied in the substrate surface direction acts on the epitaxial ferroelectric film and further promotes the deterioration of the durability characteristics of the piezoelectric actuator.

特開平08−186182号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-186182 特開平08−139292号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-139292

本発明の目的の一つは、強誘電体薄膜面内の基板面方向に加わる応力が小さいため、強誘電体薄膜素子の特性劣化がなく、かつ、強誘電体薄膜の自発分極が大きく、薄膜化に適した強誘電体薄膜素子を提供することである。強誘電体薄膜の自発分極が強誘電体薄膜素子の素子特性向上に関与する素子、例えば、不揮発性メモリ等に有効である。ヘテロエピタキシャル成長技術では、基板と形成された強誘電体薄膜の境界面近傍域内に生じる基板面方向に加わる応力を小さくすることが好ましい。これは、基板と強誘電体薄膜の結晶格子のミスフィットによって生じる基板面方向に加わる応力が、強誘電体薄膜の膜はがれの一因になっており、上記基板面方向に加わる応力を小さくすることにより膜はがれを防止することができるためであると推定される。   One of the objects of the present invention is that since the stress applied in the direction of the substrate surface in the ferroelectric thin film surface is small, there is no deterioration in the characteristics of the ferroelectric thin film element, and the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film is large. It is an object to provide a ferroelectric thin film element suitable for fabrication. Spontaneous polarization of the ferroelectric thin film is effective for an element involved in improving the element characteristics of the ferroelectric thin film element, such as a nonvolatile memory. In the heteroepitaxial growth technique, it is preferable to reduce the stress applied in the substrate surface direction generated in the region near the boundary surface between the substrate and the formed ferroelectric thin film. This is because the stress applied in the direction of the substrate surface caused by misfit between the crystal lattice of the substrate and the ferroelectric thin film contributes to the peeling of the film of the ferroelectric thin film, and the stress applied in the direction of the substrate surface is reduced. This is presumably because the film can be prevented from peeling off.

本発明の他の目的は、基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体薄膜とを備えた強誘電体薄膜素子において、前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、該エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする強誘電体薄膜素子を提供することである。かかる本発明によれば、強誘電体薄膜素子の特性の劣化がない、自発分極の大きな、薄膜化に適した強誘電体薄膜素子を得ることが出来る。 Another object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film element comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric thin film provided on the substrate, wherein the epitaxial ferroelectric thin film is a crystal plane of the epitaxial ferroelectric thin film. Among them, the crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is a Z crystal plane, and the plane spacing of the Z crystal plane is z, and the interval of the Z crystal plane in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film is When z 0 , z / z 0 > 1.003, and one crystal plane of the epitaxial ferroelectric thin film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and the plane spacing of the X crystal planes Where x is x and the interplanar spacing of the X crystal plane in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film is x 0 , 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003 It is to provide a ferroelectric thin film element. According to the present invention, it is possible to obtain a ferroelectric thin film element that does not deteriorate the characteristics of the ferroelectric thin film element and has large spontaneous polarization and is suitable for thinning.

本発明の更に他の目的は、エピタキシャル強誘電体膜面に作用する基板面方向に加わる応力を小さくし、エピタキシャル強誘電体膜の膜剥がれや特性劣化がない、大面積化が可能であり、かつ、圧電特性に優れ、薄膜化に適したエピタキシャル強誘電体膜を形成することにより、優れた特性を有する圧電アクチュエーターを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、この圧電アクチュエーターを含む構成を有する圧電アクチュエーター部を備えた、液体吐出ヘッド、特にインクジェット記録装置に使用される液体吐出ヘッドを提供することである。ヘテロエピタキシャル成長技術では、基板と形成されたエピタキシャル強誘電体膜の境界面近傍域内に生じる基板面方向に加わる応力を小さくすることが好ましい。基板とエピタキシャル強誘電体膜の格子のミスフィットによって生じる基板面方向に加わる応力を小さくすると、エピタキシャル強誘電体膜の膜はがれを防止することが可能となり、これにより基板の大面積化による、生産性の向上を図ることが可能となる。   Still another object of the present invention is to reduce the stress applied in the direction of the substrate surface acting on the epitaxial ferroelectric film surface, without causing film peeling or characteristic deterioration of the epitaxial ferroelectric film, and enabling a large area. In addition, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having excellent characteristics by forming an epitaxial ferroelectric film that is excellent in piezoelectric characteristics and suitable for thinning. Another object of the present invention is to provide a liquid discharge head, particularly a liquid discharge head used in an ink jet recording apparatus, provided with a piezoelectric actuator portion having a configuration including this piezoelectric actuator. In the heteroepitaxial growth technique, it is preferable to reduce the stress applied in the substrate surface direction generated in the vicinity of the boundary surface between the substrate and the formed epitaxial ferroelectric film. By reducing the stress applied in the direction of the substrate surface caused by the misfit of the lattice between the substrate and the epitaxial ferroelectric film, it becomes possible to prevent the film of the epitaxial ferroelectric film from peeling off, thereby increasing the production area of the substrate. It is possible to improve the performance.

本発明の更に他の目的は、基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体膜とを備えた圧電アクチュエーターにおいて、前記エピタキシャル強誘電体膜が、該エピタキシャル強誘電体膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の面間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする圧電アクチュエーターを提供することである。また、本発明の更に他の目的は、上記圧電アクチュエーターを用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドを提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric film provided on the substrate, wherein the epitaxial ferroelectric film is a crystal plane of the epitaxial ferroelectric film. The crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is the Z crystal plane, the plane spacing of the Z crystal plane is z, and the plane spacing of the Z crystal plane in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film is z When 0 , z / z 0 > 1.003, and one crystal plane of the epitaxial ferroelectric film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and the spacing between the X crystal planes Where x is x and the interplanar spacing of the X crystal plane in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film is x 0 , 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003 A piezoelectric actuator is provided. Still another object of the present invention is to provide a liquid ejection head that ejects liquid using the piezoelectric actuator.

上記目的を達成した本発明は、
基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体薄膜とを備えた強誘電体薄膜素子において、
前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、
該エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、
前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする強誘電体薄膜素子である。
The present invention which has achieved the above object
In a ferroelectric thin film element comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric thin film provided on the substrate,
The epitaxial ferroelectric thin film is
Of the crystal planes of the epitaxial ferroelectric thin film, a crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is a Z crystal plane, and a plane interval of the Z crystal plane is z, and the bulk of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film when the distance between the Z crystal face in a state set to z 0, a z / z 0> 1.003,
One crystal plane of the epitaxial ferroelectric thin film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and the plane spacing of the X crystal plane is defined as x, in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film. when the spacing of X crystal plane is a x 0, a ferroelectric thin film device which is a 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003 .

また、上記目的を達成した本発明は、
基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体膜とを備えた圧電アクチュエーターにおいて、
前記エピタキシャル強誘電体膜が、
該エピタキシャル強誘電体膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の面間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、
前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする圧電アクチュエーターである。
The present invention that has achieved the above object
In a piezoelectric actuator comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric film provided on the substrate,
The epitaxial ferroelectric film is
Of the crystal planes of the epitaxial ferroelectric film, a crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is a Z crystal plane, and a plane interval of the Z crystal plane is z, and the bulk of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film Z / z 0 > 1.003, where z 0 is the spacing between the Z crystal faces in the state,
One crystal plane of the epitaxial ferroelectric film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and an interval between the X crystal planes is defined as x, and the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film The piezoelectric actuator is characterized in that 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003, where x 0 is the spacing between the X crystal planes.

さらに、上記目的を達成した本発明は、前記本発明の圧電アクチュエーターを用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドである。   Furthermore, the present invention that has achieved the above object is a liquid ejection head that ejects liquid using the piezoelectric actuator of the present invention.

かかる本発明によれば、強誘電体薄膜素子の特性の劣化がない、自発分極の大きな、薄
膜化に適した強誘電体薄膜素子を得ることが出来る。
また、かかる本発明によれば、エピタキシャル強誘電体膜の膜剥がれや特性劣化がなく、圧電特性に優れ、膜化・微細化に適し、大面積化に優れる圧電アクチュエーターおよび液体吐出ヘッドを提供することができる。
According to the present invention, it is possible to obtain a ferroelectric thin film element that does not deteriorate the characteristics of the ferroelectric thin film element and has large spontaneous polarization and is suitable for thinning.
In addition, according to the present invention, there are provided a piezoelectric actuator and a liquid discharge head which are excellent in piezoelectric characteristics, suitable for film formation / miniaturization, and excellent in large area, with no film peeling or characteristic deterioration of the epitaxial ferroelectric film. be able to.

本発明の強誘電体薄膜素子は、少なくとも基板と、基板上に形成されたエピタキシャル強誘電体薄膜とを備えた構造を有する。本発明の強誘電体薄膜素子の基板上に形成されたエピタキシャル強誘電体薄膜は、単結晶もしくは結晶配向性を有する強誘電体薄膜である。   The ferroelectric thin film element of the present invention has a structure including at least a substrate and an epitaxial ferroelectric thin film formed on the substrate. The epitaxial ferroelectric thin film formed on the substrate of the ferroelectric thin film element of the present invention is a ferroelectric thin film having a single crystal or crystal orientation.

また、本発明の圧電アクチュエーターは、少なくとも、基板と、基板上に形成されたエピタキシャル強誘電体膜と、エピタキシャル強誘電体膜の上下に形成された電極を備えた構造を有する。基板の上に形成されたエピタキシャル強誘電体膜は、単結晶または結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体膜であり、このエピタキシャル強誘電体膜を挟むように上下に電極を備えている。   The piezoelectric actuator of the present invention has a structure including at least a substrate, an epitaxial ferroelectric film formed on the substrate, and electrodes formed above and below the epitaxial ferroelectric film. The epitaxial ferroelectric film formed on the substrate is an epitaxial ferroelectric film having a single crystal or crystal orientation, and electrodes are provided above and below so as to sandwich the epitaxial ferroelectric film.

本発明に係るエピタキシャル強誘電体膜は、その結晶面のうち基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面とし、Z結晶面の面間隔をz、エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の面間隔をz0としたときに、z / z0 > 1.003 の関係を満たす。このエピタキシャル強誘電体膜は、好ましくは、z / z0 > 1.004 の、より好ましくは、z / z0 > 1.005の関係を満たす。z / z0 > 1.003 の関係を満たす場合、エピタキシャル強誘電体膜は、2〜100nmのような膜厚であっても自発分極を大きくすることが可能である。また、上記関係を満たす場合、エピタキシャル強誘電体膜は、膜厚が10μm以下であっても自発分極が大きくなり圧電特性を向上させることが可能である。 In the epitaxial ferroelectric film according to the present invention, the crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface among the crystal planes is defined as a Z crystal plane, the plane spacing of the Z crystal plane is z, and the constituent material of the epitaxial ferroelectric film is When the interplanar spacing of the Z crystal plane in the bulk state is z 0 , the relationship of z / z 0 > 1.003 is satisfied. This epitaxial ferroelectric film preferably satisfies the relationship of z / z 0 > 1.004, more preferably z / z 0 > 1.005. When the relationship of z / z 0 > 1.003 is satisfied, the epitaxial ferroelectric film can increase the spontaneous polarization even when the film thickness is 2 to 100 nm. Further, when the above relationship is satisfied, the epitaxial ferroelectric film has a large spontaneous polarization and can improve the piezoelectric characteristics even if the film thickness is 10 μm or less.

z / z0 の値の上限値は特に限定されないが、一般的には、z / z0 は1.050以下、好ましくは1.020以下、より好ましくは1.010以下である。z / z0 の値の上限値を1.050以下とすると、結晶性の良いエピタキシャル膜を容易に形成することが可能である。 the upper limit of the value of z / z 0 is not particularly limited, in general, z / z 0 is 1.050 or less, preferably 1.020 or less, more preferably 1.010 or less. When the upper limit value of z / z 0 is set to 1.050 or less, an epitaxial film with good crystallinity can be easily formed.

さらに、本発明に係るエピタキシャル強誘電体膜は、Z結晶面に垂直な結晶面のうち一つの結晶面をX結晶面、X結晶面の面間隔をxとし、エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたときに、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003 の関係を満たす。本発明の強誘電体膜素子の基板上に形成されたエピタキシャル強誘電体膜は、好ましくは、0.998 ≦ x / x0 ≦ 1.002 の、より好ましくは、0.999 ≦ x / x0 ≦ 1.001 の関係を満たす。上記関係を満たす場合、エピタキシャル強誘電体膜面内の基板面方向に加わる応力が小さく、エピタキシャル強誘電体膜の残留分極やエピタキシャル強誘電体膜の耐疲労特性の劣化がなく、膜剥がれのない強誘電体薄膜素子が得られる。また、上記関係を満たす場合、エピタキシャル強誘電体膜に作用する基板面方向に加わる応力は小さく、圧電アクチュエーターの繰り返し使用時の特性劣化、電圧印加時のリーク電流に伴うエピタキシャル強誘電体膜の破壊などの問題のない、耐久特性に優れる圧電アクチュエーターを得ることができる。 Further, the epitaxial ferroelectric film according to the present invention is a constituent material of an epitaxial ferroelectric film, wherein one crystal plane perpendicular to the Z crystal plane is the X crystal plane and the plane spacing of the X crystal plane is x. The relationship of 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003 is satisfied, where x 0 is the plane spacing of the X crystal planes in the bulk state. The epitaxial ferroelectric film formed on the substrate of the ferroelectric film element of the present invention is preferably 0.998 ≦ x / x 0 ≦ 1.002, more preferably 0.999 ≦ x / x. The relation 0 ≦ 1.001 is satisfied. When the above relationship is satisfied, the stress applied in the direction of the substrate surface in the plane of the epitaxial ferroelectric film is small, the residual polarization of the epitaxial ferroelectric film and the fatigue resistance characteristics of the epitaxial ferroelectric film are not deteriorated, and the film does not peel off A ferroelectric thin film element is obtained. In addition, when the above relationship is satisfied, the stress applied to the epitaxial ferroelectric film in the direction of the substrate surface is small, the characteristic deterioration during repeated use of the piezoelectric actuator, and the breakdown of the epitaxial ferroelectric film due to the leakage current during voltage application Thus, it is possible to obtain a piezoelectric actuator having no problem such as excellent durability characteristics.

以下、このような強誘電体素子、圧電アクチュエーターを実現するために求められる具体的な発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the invention required to realize such a ferroelectric element and a piezoelectric actuator will be described.

エピタキシャル強誘電体膜の構成材料は特には限定されず、強誘電性を有するものから適宜選択することができる。例えば、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、YMnO3、Bi4Ti3O12、SrBi2Ta2O9、(Sr,Ba)NbO3などを挙げることができる。常温で強誘電特性の大きな材料としては、一般にPZTに代表される鉛系のペロブスカイト型酸化物材料を挙げることができる。さらに上記主成分に、例えば、LaドープPZT[(Pb,La)(Zr,Ti,)O3](PLZTと表すことがある)のように、Laなどの微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。圧電アクチュエーターの場合、大きな圧電特性を有する材料としてニオブ酸亜鉛酸鉛−チタン酸鉛(PZN−PTと表すことがある)、ニオブ酸マグネシウム酸鉛−チタン酸鉛(PMN−PTと表すことがある)に代表される緩和型強誘電体(リラクサー)材料であってもよい。 The constituent material of the epitaxial ferroelectric film is not particularly limited, and can be appropriately selected from those having ferroelectricity. Examples thereof include BaTiO 3 , PbTiO 3 , PbZrO 3 , YMnO 3 , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , (Sr, Ba) NbO 3 and the like. As a material having a large ferroelectric property at room temperature, a lead-based perovskite oxide material generally represented by PZT can be exemplified. Further, a composition in which the above main component is doped with a trace amount of element such as La, such as La-doped PZT [(Pb, La) (Zr, Ti,) O 3 ] (sometimes referred to as PLZT). There may be. In the case of a piezoelectric actuator, as a material having large piezoelectric properties, lead niobate zincate-lead titanate (may be represented as PZN-PT), lead niobate magnesium oxide-lead titanate (may be represented as PMN-PT). It may be a relaxation type ferroelectric (relaxer) material represented by

本発明の強誘電体薄膜素子、圧電アクチュエーターを作製するのに用いることのできる基板は、上層に強誘電体膜をエピタキシャルに成膜できる単結晶体であることが好ましい。好ましい基板として、例えば、MgO、SrTiO3、(La,Sr)TiO3、Al2O3、Pt、Siなどの単結晶基板を挙げることができる。特に、一般的に優れた強誘電体特性を示す鉛系のPZT等に格子定数の近い、SrTiO3、(La,Sr)TiO3、MgO、Pt等が好ましい。例えば、SrTiO3、(La,Sr)TiO3、Pt、 MgOの単結晶体は、立方晶系の結晶構造を有している。これらのバルク状態の結晶のa軸の格子定数は、室温で、それぞれ、3.905Å、3.907Å、3.923Å、4.211Åである。上記材料から(100)面が基板表面となるように作製した単結晶基板上に、正方晶系の結晶構造を有しPZT膜のZ結晶面が(001)面となるようにエピタキシャル強誘電体膜を形成する場合、強誘電体膜の構成材料としては、例えば、結晶系が正方晶系であり、バルク状態でのa軸の格子定数が室温において4.036ÅであるZr:Ti=52:48の組成を有するPZTが好ましい。 The substrate that can be used to manufacture the ferroelectric thin film element and the piezoelectric actuator of the present invention is preferably a single crystal that can epitaxially form a ferroelectric film as an upper layer. Preferred examples of the substrate include single crystal substrates such as MgO, SrTiO 3 , (La, Sr) TiO 3 , Al 2 O 3 , Pt, and Si. In particular, SrTiO 3 , (La, Sr) TiO 3 , MgO, Pt, etc., which have a lattice constant close to that of lead-based PZT or the like that generally exhibits excellent ferroelectric properties, are preferable. For example, single crystals of SrTiO 3 , (La, Sr) TiO 3 , Pt, and MgO have a cubic crystal structure. The a-axis lattice constants of these bulk crystals are 3.905, 3.907, 3.923, and 4.211, respectively, at room temperature. An epitaxial ferroelectric material having a tetragonal crystal structure on the single crystal substrate prepared from the above material so that the (100) plane is the substrate surface, and the Z crystal plane of the PZT film is the (001) plane. When forming the film, as a constituent material of the ferroelectric film, for example, the crystal system is a tetragonal system, and the lattice constant of the a axis in the bulk state is 4.036% at room temperature. Zr: Ti = 52: 48 PZT having the following composition is preferred.

また、基板とエピタキシャル強誘電体膜との間にバッファ層を介することも優れた単結晶もしくは結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体膜を得るための有効な方法である。バッファ層の層厚は、特に限定されないが、バッファ層が高い結晶性を有することが好ましいため、通常、0.5nm以上であり、好ましくは1nm以上、より好ましくは2nm以上である。   Further, it is an effective method for obtaining an epitaxial ferroelectric film having excellent single crystal or crystal orientation by interposing a buffer layer between the substrate and the epitaxial ferroelectric film. The layer thickness of the buffer layer is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more because the buffer layer preferably has high crystallinity.

強誘電体素子の場合、その特性を阻害しない程度の厚さが好ましく、通常、バッファ層の層厚は、100nm以下であり、好ましくは50nm以下、より好ましくは10nm以下である。例えば、Pt基板上にPZTを構成材料とするエピタキシャル強誘電体薄膜を形成する場合、バッファ層として2nm〜10nmの層厚のPbTiO3層を形成し、このバッファ層の上にエピタキシャル強誘電体薄膜を形成すると、更に良質の単結晶のエピタキシャル強誘電体薄膜を得ることが出来る。これはPZTを構成材料とするエピタキシャル強誘電体薄膜の初期成長過程ではZrよりTiがリッチである方が、単結晶のエピタキシャル成長を制御しやすいためであると推定されている。 In the case of a ferroelectric element, a thickness that does not hinder its characteristics is preferable, and the thickness of the buffer layer is usually 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 10 nm or less. For example, when an epitaxial ferroelectric thin film composed of PZT is formed on a Pt substrate, a PbTiO 3 layer having a thickness of 2 nm to 10 nm is formed as a buffer layer, and the epitaxial ferroelectric thin film is formed on the buffer layer. Further, a higher quality single crystal epitaxial ferroelectric thin film can be obtained. This is presumed to be because, in the initial growth process of an epitaxial ferroelectric thin film composed of PZT, Ti is richer than Zr because the epitaxial growth of the single crystal is easier to control.

圧電アクチュエーターの場合も、その特性を阻害しない程度の厚さが好ましく、通常、バッファ層の層厚は、1000nm以下であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは100nm以下である。例えば、Pt基板上にPZTを構成材料とするエピタキシャル強誘電体膜を形成する場合、バッファ層として2nm〜1000nmの層厚のPbTiO3バッファ層を形成し、このバッファ層の上にエピタキシャル強誘電体膜を形成すると、更に良質の単結晶のエピタキシャル強誘電体膜を得ることができる。これはPZTを構成材料とするエピタキシャル強誘電体膜の初期成長過程ではZrよりTiがリッチである方が、単結晶のエピタキシャル成長を制御しやすいためであると推定されている。 Also in the case of a piezoelectric actuator, a thickness that does not hinder its characteristics is preferable, and the layer thickness of the buffer layer is usually 1000 nm or less, preferably 500 nm or less, more preferably 100 nm or less. For example, when an epitaxial ferroelectric film composed of PZT is formed on a Pt substrate, a PbTiO 3 buffer layer having a thickness of 2 nm to 1000 nm is formed as the buffer layer, and the epitaxial ferroelectric is formed on the buffer layer. When the film is formed, a higher quality single crystal epitaxial ferroelectric film can be obtained. This is presumed to be because, in the initial growth process of an epitaxial ferroelectric film composed of PZT, Ti is richer than Zr, and the single crystal epitaxial growth is easier to control.

さらに、Al2O3、Siなど、PZTとの格子定数の差が大きい材料から製造された基板上に単結晶または結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体膜を得るためにバッファ層を利用することも有効である。例えば、Si(100)基板上にイットリア安定化酸化ジルコニウム(YSZと表すことがある)の(100)面を基板面に平行にエピタキシャル成長させ、さらにその上にPt(111)をエピタキシャル成長させた基板上に、PbTiO3(111)を構成材料とするバッファ層を介してPZT(111)を構成材料とするエピタキシャル強誘電体膜を形成させることにより更に良質の単結晶のエピタキシャル強誘電体膜を得ることができる。これはYSZのa軸の格子定数5.16Åに対し、立方晶のPt(111)の結晶面に垂直な結晶面を(-110)面とした場合、この面間隔が5.55Åと比較的YSZの(100)面の面間隔に近いためであると推察される。 In addition, a buffer layer is used to obtain an epitaxial ferroelectric film having a single crystal or crystal orientation on a substrate manufactured from a material having a large lattice constant difference from PZT, such as Al 2 O 3 and Si. Is also effective. For example, on a substrate obtained by epitaxially growing a (100) plane of yttria-stabilized zirconium oxide (sometimes referred to as YSZ) on a Si (100) substrate in parallel with the substrate surface and further epitaxially growing Pt (111) thereon. In addition, by forming an epitaxial ferroelectric film containing PZT (111) as a constituent material through a buffer layer containing PbTiO 3 (111) as a constituent material, a higher quality single crystal epitaxial ferroelectric film can be obtained. Can do. This is because when the crystal plane perpendicular to the cubic Pt (111) crystal plane is the (-110) plane with respect to the a-axis lattice constant of 5.16 mm in YSZ, this plane spacing is relatively 5.55 mm. This is presumably because it is close to the (100) plane spacing.

また、ステンレスやガラス製の基板のような配向性のない基板であっても、バッファ層を利用して単結晶もしくは結晶配向性を有する強誘電体膜をエピタキシャル成長させることが可能である。例えば、Ptは[111]に自然配向する性質をもつため、例えば、ガラス基板上にPt膜を成膜すると、基板表面に平行な結晶面が(111)面である高配向膜を形成することができる。この上にPbTiO3(111)のバッファ層を介してPZT(111)のエピタキシャル強誘電体膜を成長させることができる。 Further, even with a substrate having no orientation such as a stainless steel or glass substrate, a ferroelectric film having a single crystal or crystal orientation can be epitaxially grown using the buffer layer. For example, since Pt has a property of spontaneous orientation in [111], for example, when a Pt film is formed on a glass substrate, a highly oriented film whose crystal plane parallel to the substrate surface is the (111) plane is formed. Can do. On top of this, an epitaxial ferroelectric film of PZT (111) can be grown via a buffer layer of PbTiO 3 (111).

以上述べたように、バッファ層の利用は単結晶もしくは結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体膜を得るのに有効な方法である。   As described above, the use of the buffer layer is an effective method for obtaining an epitaxial ferroelectric film having a single crystal or crystal orientation.

エピタキシャル強誘電体膜を不揮発性メモリ等の記憶媒体として利用する際は、エピタキシャル強誘電体膜の上下に電極が必要となる。また、圧電アクチュエーターはエピタキシャル強誘電体膜を挟むように上下に電極を備えた構造を有する。このため、強誘電体薄膜素子、圧電アクチュエーターを構成する基板またはバッファ層の少なくとも一層が導電性であることが望ましい。電極材料としては、PtやAuが利用されるのが一般的であるが、その他、Cr、Ru、Irなどでも良く、またSrRuO3や(La,Sr)TiO3などの酸化物系の電極材料を用いても良い。また、Pt/Tiなどのように電極の密着性やオーミック接合を目的とした多層構造の電極材料であってもよい。電極として用いる導電性材料は、比抵抗が0.01Ω・cm以下であることが好ましい。 When the epitaxial ferroelectric film is used as a storage medium such as a nonvolatile memory, electrodes are required above and below the epitaxial ferroelectric film. The piezoelectric actuator has a structure in which electrodes are provided on the upper and lower sides so as to sandwich the epitaxial ferroelectric film. For this reason, it is desirable that at least one of the ferroelectric thin film element, the substrate constituting the piezoelectric actuator or the buffer layer is conductive. Pt and Au are generally used as the electrode material, but other materials such as Cr, Ru, and Ir may be used, and oxide-based electrode materials such as SrRuO 3 and (La, Sr) TiO 3 May be used. Moreover, the electrode material of the multilayered structure for the purpose of electrode adhesiveness or ohmic junction like Pt / Ti may be used. The conductive material used as the electrode preferably has a specific resistance of 0.01 Ω · cm or less.

次に本発明の強誘電体薄膜素子、圧電アクチュエーターの具体的な層構成の例を列挙する。   Next, examples of specific layer structures of the ferroelectric thin film element and the piezoelectric actuator of the present invention will be listed.

本発明の強誘電体薄膜素子は、少なくとも基板と、基板上にエピタキシャルに形成された単結晶または結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体薄膜を備えた構造を有するものであるが、不揮発性メモリなどの電子デバイスに用いる場合は、エピタキシャル強誘電体薄膜の上下に電極が必要となる場合が多い。このため、構成の表示は、上部電極//強誘電体薄膜//バッファ層//基板とし、基板またはバッファ層が、導電性を有する層であるときはアンダーラインを付した。しかし、例えば、強誘電体ゲート・トランジスタのように、バッファ層として必ずしも導電性を有する層を必要としないデバイスに強誘電体薄膜素子を利用する場合は、この限りではない。また、これらの層のうち、少なくともエピタキシャル強誘電体薄膜はその下層膜とエピタキシャルの関係にある。   The ferroelectric thin film element of the present invention has a structure including at least a substrate and an epitaxial ferroelectric thin film having a single crystal or crystal orientation formed epitaxially on the substrate. In many cases, electrodes are required above and below the epitaxial ferroelectric thin film. For this reason, the display of the configuration is the upper electrode // ferroelectric thin film // buffer layer // substrate, and an underline is added when the substrate or the buffer layer is a conductive layer. However, this is not the case when a ferroelectric thin film element is used for a device that does not necessarily require a conductive layer as a buffer layer, such as a ferroelectric gate transistor. Of these layers, at least the epitaxial ferroelectric thin film is in an epitaxial relationship with the underlying film.

本発明の圧電アクチュエーターは、少なくとも基板と、基板上にエピタキシャルに形成された単結晶または結晶配向性を有するのエピタキシャル強誘電体膜と、このエピタキシャル強誘電体膜を挟むように上下に電極膜を備えた構造を有するものである。このため、圧電アクチュエーターの具体的な層構成を示す下記の表示は、上部電極//強誘電体膜//バッファ層//基板とし、基板またはバッファ層が、電極の機能を果たす導電性を有する層であるときはアンダーラインを付した。本発明の圧電アクチュエーターは、液体吐出ヘッドにおけるアクチュエーター部に適用することが特に好ましい。本発明の圧電アクチュエーターは、基板として、基板の表面を熱酸化して形成したSiO2層を有する単結晶Si基板を用い、この基板が振動板となる構成とするのが特に好ましい。また、基板の各層のうち、少なくともエピタキシャル強誘電体膜は、その下層が結晶性を有する層であり、この下層とエピタキシャルの関係にある。
例1 Pt//PZT(001)/PbTiO3(001) //Pt(100)/MgO(100)//Si(100)
例2 Pt//PZT(001)/PbTiO3 (001) //Pt(100)/SrTiO3(100)//Si(100)
例3 Au//PZT(001) // (La,Sr)TiO 3 (100)/Si(100) /SiO2 //Si(100)
例4 Pt//PZT(001)/ PbTiO3 (001) //Pt(100)//Al2O3(100)//Si(100)
例5 Pt//PZT(111)/ PbTiO3 (111) //Pt(111)//YSZ(100)/Zr//Si(100)
例6 Ag//PZT(001)/BaTiO3 (001) //Pt(100)/LaAlO3(100)//Si(100)
例7 Au//PZT(001)/ PbTiO3 (001) //Pt(100)//YSZ(111)/SiO2//Si(111)
例8 Au//PZT(001) //(La,Sr)TiO 3 (100)/YSZ(111)//Si(111)
例9 Pt//PZT(111)/ PbTiO3 (111) //Pt(111)/YSZ(100)//Si(100)
例10 Pt//PZT(111)// Pt(111)//Glass
例11 Pt//PZT(111)// Pt(111)//SUS
例12 Pt//PZT(111)/ PbTiO3 (111) //Pt(111) /MgO(111)//Si(100)
例13 Au//PZT(001) //SrRuO 3 (001) //Si(100)
例14 Au//PZT(001)/ PbTiO3 (001) //Pt(100)//MgO(100)
例15 Au//PZT(001)/ PbTiO3 (001) //Pt(100)//SrTiO(100)
例16 Pt//PZT(001) // (La,Sr)TiO 3 (100)
例17 Au//PZT(001)/ PbTiO3 (001) //Pt(100)//Al2O3(100)
例18 Pt//PZT(001)//Ir(100)/ZrN(100)//Si(100)
例19 Pt// YMnO3(0001)/Y2O3(111)//Si(111)
例20 Pt// PbZrO3(101) //(La,Sr)TiO 3 (100)
The piezoelectric actuator according to the present invention includes at least a substrate, an epitaxial ferroelectric film epitaxially formed on the substrate or having crystal orientation, and electrode films arranged vertically so as to sandwich the epitaxial ferroelectric film. It has the structure provided. For this reason, the following display showing the specific layer structure of the piezoelectric actuator is the upper electrode // ferroelectric film // buffer layer // substrate, and the substrate or buffer layer has conductivity to function as an electrode. When it is a layer, it is underlined. The piezoelectric actuator of the present invention is particularly preferably applied to the actuator portion in the liquid discharge head. In the piezoelectric actuator of the present invention, it is particularly preferable that a single crystal Si substrate having a SiO 2 layer formed by thermally oxidizing the surface of the substrate is used as the substrate, and this substrate is a vibration plate. Of the layers of the substrate, at least the epitaxial ferroelectric film is a layer whose lower layer has crystallinity and is in an epitaxial relationship with this lower layer.
Example 1 Pt // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) / MgO (100) // Si (100)
Example 2 Pt // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) / SrTiO 3 (100) // Si (100)
Example 3 Au // PZT (001) // ( La, Sr) TiO 3 (100) / Si (100) / SiO 2 // Si (100)
Example 4 Pt // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) // Al 2 O 3 (100) // Si (100)
Example 5 Pt // PZT (111) / PbTiO 3 (111) // Pt (111) // YSZ (100) / Zr // Si (100)
Example 6 Ag // PZT (001) / BaTiO 3 (001) // Pt (100) / LaAlO 3 (100) // Si (100)
Example 7 Au // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) // YSZ (111) / SiO 2 // Si (111)
Example 8 Au // PZT (001) // ( La, Sr) TiO 3 (100) / YSZ (111) // Si (111)
Example 9 Pt // PZT (111) / PbTiO 3 (111) // Pt (111) / YSZ (100) // Si (100)
Example 10 Pt // PZT (111) // Pt (111) // Glass
Example 11 Pt // PZT (111) // Pt (111) // SUS
Example 12 Pt // PZT (111) / PbTiO 3 (111) // Pt (111) / MgO (111) // Si (100)
Example 13 Au // PZT (001) // SrRuO 3 (001) // Si (100)
Example 14 Au // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) // MgO (100)
Example 15 Au // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) // SrTiO (100)
Example 16 Pt // PZT (001) // ( La, Sr) TiO 3 (100)
Example 17 Au // PZT (001) / PbTiO 3 (001) // Pt (100) // Al 2 O 3 (100)
Example 18 Pt // PZT (001) // Ir (100) / ZrN (100) // Si (100)
Example 19 Pt // YMnO 3 (0001) / Y 2 O 3 (111) // Si (111)
Example 20 Pt // PbZrO 3 (101) // ( La, Sr) TiO 3 (100)

上記具体例として、エピタキシャル強誘電体膜の構成材料がPZTであるものを中心に例示したが、上記強誘電体膜の構成材料が、例えば、LaドープPZTのように、Laなどの微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。また強誘電体膜の構成材料が鉛系ではなく、例えば、BaTiO3、SrBi2Ta2O9等の非鉛系強誘電体材料であってもよい。 As an example of the above, the constituent material of the epitaxial ferroelectric film is mainly exemplified by PZT. However, the constituent material of the ferroelectric film is a trace element such as La such as La-doped PZT. It may be a composition doped with. Further, the constituent material of the ferroelectric film is not lead-based, and may be a lead-free ferroelectric material such as BaTiO 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , for example.

次に本発明の強誘電体薄膜素子は、基板上に強誘電体薄膜をエピタキシャルに形成することにより作製することができる。本発明の圧電アクチュエーターは、少なくとも基板の上にエピタキシャルに強誘電体膜を形成し、このエピタキシャル強誘電体膜の上下に電極を設けることにより作製することができる。本発明に係る圧電アクチュエーターは、少なくとも基板と、基板上に形成された単結晶または結晶配向性を有するエピタキシャル強誘電体膜と、エピタキシャル強誘電体膜の上下に形成された結晶配向性を有する電極膜を備えた構造を有するものである。   Next, the ferroelectric thin film element of the present invention can be produced by epitaxially forming a ferroelectric thin film on a substrate. The piezoelectric actuator of the present invention can be manufactured by forming a ferroelectric film epitaxially on at least a substrate and providing electrodes above and below the epitaxial ferroelectric film. The piezoelectric actuator according to the present invention includes at least a substrate, a single crystal formed on the substrate or an epitaxial ferroelectric film having crystal orientation, and electrodes having crystal orientation formed above and below the epitaxial ferroelectric film. It has a structure with a film.

このようなエピタキシャル強誘電体膜は、スパッタリング法、ゾル・ゲル法、有機金属気相成長法(MOCVD法と表すことがある)、蒸着法、レーザーアブレーション法などの方法によって形成することができる。成膜条件は各成膜方法や用いる強誘電体材料により様々であり、適宜適切な条件を定めればよい。   Such an epitaxial ferroelectric film can be formed by a sputtering method, a sol-gel method, a metal organic chemical vapor deposition method (sometimes referred to as MOCVD method), a vapor deposition method, a laser ablation method, or the like. The film formation conditions vary depending on each film formation method and the ferroelectric material used, and appropriate conditions may be determined as appropriate.

例えばスパッタ法を用いる場合は、RFマグネトロンスパッタ法が好ましい。RFマグネトロンスパッタ法による成膜条件としては、成膜時の基板温度が500℃以上700℃以下であり、アルゴン・酸素雰囲気でアルゴン/酸素比は20/1以上50/1以下であり、ガス圧は0.2Pa以上0.5Pa以下であり、RF投入電力が0.5W/cm2以上、1.2W/cm2以下であり、成膜後の基板冷却速度は65℃/min以上である。更に好ましい条件は、成膜時のアルゴン/酸素比としては30/1以上50/1以下であり、ガス圧としては0.2Pa以上0.3Pa以下、RF投入電力としては0.5W/cm2以上0.8W/cm2以下、成膜後の基板冷却速度としては100℃/min以上である。特に180℃までの冷却を上記速度で行うことが好ましく、また、成膜前に行うプレスパッタは、成膜時のRF投入電力の半分以下で手短に行い、直ちに成膜に移行することが好ましい。上記の条件から目的のエピタキシャル強誘電体膜の組成に応じて、適宜条件を選択し成膜することが出来る。特にLaなどのドーパントを添加した系では、基板温度を下げることができ、かつRF投入電力を高めに設定することが出来る。基板加熱は赤外加熱法あるいは抵抗加熱法に行うことが好ましい。この際、基板温度のばらつきをブラスマイナス5%以内にすることで、大面積基板を用いてエピタキシャル強誘電体膜を成膜した場合においても、均一で安定した特性のエピタキシャル強誘電体膜を得ることが出来る。 For example, when the sputtering method is used, the RF magnetron sputtering method is preferable. The film formation conditions by the RF magnetron sputtering method include a substrate temperature during film formation of 500 ° C. to 700 ° C., an argon / oxygen ratio of 20/1 to 50/1 in an argon / oxygen atmosphere, and a gas pressure. is less 0.5Pa than 0.2 Pa, RF input power 0.5 W / cm 2 or more and 1.2 W / cm 2 or less, the substrate cooling speed after the film formation is 65 ° C. / min or higher. Further preferable conditions are an argon / oxygen ratio of 30/1 to 50/1 during film formation, a gas pressure of 0.2 Pa to 0.3 Pa, and an RF input power of 0.5 W / cm 2. The rate of cooling is 0.8 W / cm 2 or less and the substrate cooling rate after film formation is 100 ° C./min or more. In particular, cooling to 180 ° C. is preferably performed at the above speed, and pre-sputtering performed before film formation is preferably performed shortly at half or less of the RF input power during film formation and immediately shifted to film formation. . From the above conditions, the film can be formed by appropriately selecting conditions according to the composition of the target epitaxial ferroelectric film. In particular, in a system to which a dopant such as La is added, the substrate temperature can be lowered and the RF input power can be set higher. The substrate is preferably heated by an infrared heating method or a resistance heating method. At this time, by making the variation in the substrate temperature within brass minus 5%, an epitaxial ferroelectric film having uniform and stable characteristics can be obtained even when the epitaxial ferroelectric film is formed using a large area substrate. I can do it.

本発明に係るエピタキシャル強誘電体膜の成膜方法としては、スパッタリング法が特に好ましい。これは、スパッタリング法の場合、本発明で定義した結晶構造を有する、結晶性の良いエピタキシャル強誘電体膜を容易に形成することができるためである。例えば、Pt(100)膜上にエピタキシャル成長したPZT(001)膜の場合、その結晶配向度が90%以上になると、基板面に平行な方向に存在するエピタキシャル強誘電体膜のZ結晶面である(001)面の面間隔zとバルク状態でのPZTのZ結晶面である(001)面の面間隔z0との比z / z0 が 1.003より大きくなり、Z結晶面に垂直な方向に存在するエピタキシャル強誘電体膜のX結晶面である(100)面の面間隔xとバルク状態でのPZTのX結晶面である(100)面の面間隔x0との比 x / x0 が、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003になる。さらにその結晶配向度が高くなると、前述のエピタキシャル強誘電体膜とバルクの(100)面の面間隔の比 x / x0は1に近くなる。 As a method for forming the epitaxial ferroelectric film according to the present invention, a sputtering method is particularly preferable. This is because, in the case of the sputtering method, an epitaxial ferroelectric film having a crystal structure defined in the present invention and having good crystallinity can be easily formed. For example, in the case of a PZT (001) film epitaxially grown on a Pt (100) film, when the degree of crystal orientation is 90% or more, it is the Z crystal plane of the epitaxial ferroelectric film that exists in a direction parallel to the substrate surface. The ratio z / z 0 between the (001) plane spacing z and the (001) plane spacing z 0 , which is the Z crystal plane of PZT in the bulk state, is greater than 1.003 and is perpendicular to the Z crystal plane. Ratio x / x between the (100) plane spacing x which is the X crystal plane of the epitaxial ferroelectric film in the direction and the (100) plane spacing x 0 of the PZT X crystal plane in the bulk state 0 becomes 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003. When the degree of crystal orientation further increases, the ratio x / x 0 between the above-mentioned epitaxial ferroelectric film and bulk (100) plane becomes close to 1.

本発明において、結晶配向度とは、X線測定においてエピタキシャル強誘電体膜のZ結晶面に対するX線入射角をθとし、2θ/θ法によって測定したすべての反射ピーク強度に対するエピタキシャル強誘電体膜のZ面すべての反射ピーク強度の割合を指す。例えば、正方晶の(001)面の結晶配向エピタキシャル強誘電体膜では、2θ/θ法で測定したエピタキシャル強誘電体膜のX線回折パターンにおいて、観測されたすべての反射ピーク強度の和に対する、 (00L)面(L=1,2,3・・・n)に帰属されるすべての反射ピーク強度の和の割合をいう。   In the present invention, the degree of crystal orientation refers to an epitaxial ferroelectric film for all reflection peak intensities measured by the 2θ / θ method, where X-ray incidence angle with respect to the Z crystal plane of the epitaxial ferroelectric film is X in X-ray measurement. The ratio of the reflection peak intensity of all Z planes. For example, in the crystal orientation epitaxial ferroelectric film of tetragonal (001) plane, in the X-ray diffraction pattern of the epitaxial ferroelectric film measured by the 2θ / θ method, for the sum of all the observed reflection peak intensities, The ratio of the sum of all reflection peak intensities attributed to the (00L) plane (L = 1, 2, 3... N).

また、本発明の強誘電体薄膜素子のエピタキシャル強誘電体薄膜の膜厚は、2nm〜100nmであることが好ましい。エピタキシャル強誘電体薄膜の強誘電性は結晶格子の骨格と原子の配置とに依存して発現するため、膜厚は、通常2nm以上、好ましくは5nm以上である。一方、本発明の強誘電体薄膜素子を強誘電体メモリ等の高集積化デバイスに用いる場合、高集積化にはエピタキシャル強誘電体薄膜の薄膜化が有効であり、かつ低電圧駆動にも適しているところから、これらの分野における用途を目的とする場合には、エピタキシャル強誘電体薄膜の膜厚を100nm以下とするのが好ましい。   The film thickness of the epitaxial ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film element of the present invention is preferably 2 nm to 100 nm. Since the ferroelectricity of the epitaxial ferroelectric thin film is expressed depending on the skeleton of the crystal lattice and the arrangement of atoms, the film thickness is usually 2 nm or more, preferably 5 nm or more. On the other hand, when the ferroelectric thin film element of the present invention is used in a highly integrated device such as a ferroelectric memory, it is effective to reduce the thickness of the epitaxial ferroelectric thin film for high integration, and it is also suitable for low voltage driving. Therefore, for the purpose of use in these fields, the thickness of the epitaxial ferroelectric thin film is preferably 100 nm or less.

本発明の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜の膜厚は、薄い方が好ましく、特に100nm〜10μmであるのが好ましい。例えば、インクを吐出する液体吐出ヘッドのように、圧電アクチュエーターに大きな圧電変位を求める場合、エピタキシャル強誘電体膜の膜厚が薄い方が、より小さい電圧で大きな変位を得ることができる。しかし、圧電アクチュエーターでは、エピタキシャル強誘電体膜に数十Vの電圧が印加され、この電圧の昇降による膜破壊やリーク電流による圧電特性の劣化等を防止するため、エピタキシャル強誘電体膜の膜厚は、100nm以上、好ましくは500nm以上とするのが一般的である。一方、エピタキシャル強誘電体膜の膜厚を大きくすると、成膜の際に膜剥がれ等の問題が発生する頻度が大きくなり、前述のすべての強誘電体材料に対して、単結晶または結晶配向性を有するのエピタキシャル強誘電体膜素子を得ることが難しくなるところから、通常、エピタキシャル強誘電体膜の膜厚は、10μm以下とするのが好ましい。   The film thickness of the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of the present invention is preferably as small as possible, particularly preferably from 100 nm to 10 μm. For example, when a large piezoelectric displacement is required for a piezoelectric actuator, such as a liquid ejection head that ejects ink, a larger displacement can be obtained with a smaller voltage when the epitaxial ferroelectric film is thinner. However, in the piezoelectric actuator, a voltage of several tens of volts is applied to the epitaxial ferroelectric film, and the film thickness of the epitaxial ferroelectric film is prevented in order to prevent film breakdown due to the increase or decrease of this voltage or deterioration of piezoelectric characteristics due to leakage current. Is generally 100 nm or more, preferably 500 nm or more. On the other hand, if the thickness of the epitaxial ferroelectric film is increased, the frequency of problems such as film peeling will increase during the film formation, and single crystal or crystal orientation will be required for all the ferroelectric materials described above. In general, it is preferable that the thickness of the epitaxial ferroelectric film is 10 μm or less because it is difficult to obtain an epitaxial ferroelectric film element having a thickness of 10 μm.

本発明では、以下のようにエピタキシャル強誘電体膜の結晶系と面方位を制御することで、強誘電体膜の特性劣化がなく、かつ、強誘電体膜の自発分極が大きく、薄膜化に適したものとすることができる。結晶系が正方晶のエピタキシャル強誘電体膜の場合、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極方向は[001]である。このため、エピタキシャル強誘電体膜の(001)面の面間隔が、バルク状態の(001)面の面間隔より長くなると自発分極の値が大きくなる。従って、結晶系が正方晶の場合は、Z結晶面が(001)面であるものが好ましい。   In the present invention, by controlling the crystal system and the plane orientation of the epitaxial ferroelectric film as described below, there is no deterioration in the characteristics of the ferroelectric film, and the spontaneous polarization of the ferroelectric film is large, thereby reducing the thickness. Can be suitable. When the crystal system is a tetragonal epitaxial ferroelectric film, the spontaneous polarization direction of the epitaxial ferroelectric film is [001]. For this reason, when the spacing between the (001) planes of the epitaxial ferroelectric film is longer than the spacing between the bulk (001) planes, the value of spontaneous polarization increases. Therefore, when the crystal system is tetragonal, it is preferable that the Z crystal plane is the (001) plane.

一方、結晶系が菱面体晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極方向は[111]である。このため、強誘電体膜の(111)面の面間隔がバルク状態の(111)面の面間隔より長くなると自発分極の値が大きくなる。従って、菱面体晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合は、Z結晶面が(111)面であるものが好ましい。同様に、結晶系が六方晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極方向は[0001]である。このため、エピタキシャル強誘電体膜の(0001)面の面間隔がバルク状態の結晶の(0001)面の面間隔より長くなると自発分極の値が大きくなる。従って、六方晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合は、Z結晶面が(0001)面であるものが好ましい。さらに同様に、結晶系が斜方晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極方向は[011]である。このため、エピタキシャル強誘電体膜の(011)面の面間隔がバルク状態の結晶の(011)面の面間隔より長くなると自発分極の値が大きくなる。従って、斜方晶系のエピタキシャル強誘電体膜の場合は、Z結晶面が(011)面であるものが好ましい。   On the other hand, when the crystal system is a rhombohedral epitaxial ferroelectric film, the spontaneous polarization direction of the epitaxial ferroelectric film is [111]. For this reason, when the interplanar spacing of the (111) plane of the ferroelectric film is longer than the interplanar spacing of the bulk (111) plane, the value of spontaneous polarization increases. Therefore, in the case of a rhombohedral-type epitaxial ferroelectric film, it is preferable that the Z crystal plane is a (111) plane. Similarly, in the case of an epitaxial ferroelectric film having a hexagonal crystal system, the spontaneous polarization direction of the epitaxial ferroelectric film is [0001]. For this reason, when the spacing between the (0001) planes of the epitaxial ferroelectric film is longer than the spacing between the (0001) planes of the bulk crystal, the spontaneous polarization value increases. Therefore, in the case of a hexagonal epitaxial ferroelectric film, it is preferable that the Z crystal plane is a (0001) plane. Similarly, when the crystal system is an orthorhombic epitaxial ferroelectric film, the spontaneous polarization direction of the epitaxial ferroelectric film is [011]. For this reason, when the spacing between the (011) planes of the epitaxial ferroelectric film is longer than the spacing between the (011) planes of the bulk crystal, the value of spontaneous polarization increases. Therefore, in the case of an orthorhombic epitaxial ferroelectric film, it is preferable that the Z crystal plane is the (011) plane.

なお、六方晶系に関しては、一般的に結晶面の指数表記で利用されるミラー指数(hkl)ではなく、六方晶系でよく利用されるブラベ=ミラー指数(hikl)で表記した。   Note that the hexagonal system is represented not by the Miller index (hkl), which is generally used in the notation of crystal plane indices, but by the Brave-Miller index (hikl), which is often used in the hexagonal system.

本発明の液体吐出ヘッドは、図5に示した本発明の実施形態の一例の概略断面図にみられるように、液体吐出口12と、液体吐出口に連通する圧力室15と、圧力室の一部を構成する振動板10と、圧力室の外部に設けられた振動板に振動を付与するための圧電アクチュエーター部9とを有する。液体吐出口は、通常、ノズル形状を有している。圧力室の一部は、振動板によって構成されており、振動板の外部には少なくとも前記の圧電アクチュエーターが設けられ、これにより、液体吐出ヘッドの圧電アクチュエーター部が構成される。   The liquid discharge head of the present invention includes a liquid discharge port 12, a pressure chamber 15 communicating with the liquid discharge port, and a pressure chamber as shown in the schematic cross-sectional view of an example of the embodiment of the present invention shown in FIG. A diaphragm 10 constituting a part, and a piezoelectric actuator portion 9 for applying vibration to the diaphragm provided outside the pressure chamber are provided. The liquid discharge port usually has a nozzle shape. A part of the pressure chamber is constituted by a diaphragm, and at least the piezoelectric actuator is provided outside the diaphragm, thereby constituting a piezoelectric actuator part of the liquid discharge head.

このような構成の液体吐出ヘッドにおいては、圧電アクチュエーター部のエピタキシャル強誘電体膜に所定の電圧を印加して圧電特性を有するエピタキシャル強誘電体膜を伸縮させると、たわみ振動が生じて圧力室の体積が変動し、圧力室内の圧力が変動し、これに伴い液体供給部より液体が供給され、吐出口(ノズルと表すことがある)より液体が吐出される。吐出される液体としては、各種溶液、インク等の液体を挙げることができる。   In the liquid discharge head having such a configuration, when a predetermined voltage is applied to the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator portion to expand and contract the epitaxial ferroelectric film having piezoelectric characteristics, flexural vibration is generated and the pressure chamber The volume fluctuates, the pressure in the pressure chamber fluctuates, and accordingly, the liquid is supplied from the liquid supply unit, and the liquid is discharged from the discharge port (sometimes referred to as a nozzle). Examples of the liquid to be discharged include liquids such as various solutions and inks.

また、本発明の液体吐出ヘッドにおいて、液体を吐出するノズルが複数存在する場合、通常は、本発明の圧電アクチュエーター部は基本的にノズル毎に分割された構造を有する。しかしながら、例えば、ノズル毎ではなく圧力室毎に分割した構造としても、数ピッチ毎に分割した構造としてもよい。また、本発明の液体吐出ヘッドの圧電アクチュエーター部を分割するときは、構成要素である基板から上部電極までのすべてを分割する必要はなく、例えば、エピタキシャル強誘電体膜と上部電極のみを分割しても、上部電極のみを分割してもよい。   In the liquid ejection head of the present invention, when there are a plurality of nozzles that eject liquid, the piezoelectric actuator unit of the present invention has a structure basically divided for each nozzle. However, for example, the structure may be divided for each pressure chamber instead of each nozzle, or may be divided for every several pitches. In addition, when dividing the piezoelectric actuator portion of the liquid discharge head of the present invention, it is not necessary to divide everything from the substrate, which is a component, to the upper electrode. For example, only the epitaxial ferroelectric film and the upper electrode are divided. Alternatively, only the upper electrode may be divided.

分割された圧電アクチュエーター部の間に、各々の圧電アクチュエーターの伸縮を阻害しないかぎり、剛性の低い樹脂等が存在してもよい。圧力室の形状は、長方形、円形、楕円形等任意に選択することができる。また、圧力室の長手方向に垂直な方向に液体を吐出するヘッドの場合には、圧力室の断面形状をノズル方向に絞った形状とすることもできる。   As long as the expansion and contraction of each piezoelectric actuator is not hindered between the divided piezoelectric actuator portions, a resin having low rigidity may exist. The shape of the pressure chamber can be arbitrarily selected, such as a rectangle, a circle, and an ellipse. In the case of a head that discharges liquid in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the pressure chamber, the cross-sectional shape of the pressure chamber may be a shape narrowed in the nozzle direction.

更に、本発明の液体吐出ヘッドは、その圧電アクチュエーター部を、圧力室の一部を構成する振動板に前記圧電アクチュエーターを接合して構成することができるが、例えば、前記圧電アクチュエーターの基板自体を振動板とする構成としてもよい。この場合、基板は、結晶配向性を有する、少なくとも下部電極および強誘電体膜をエピタキシャルに成長させて形成することのできる、振動板としても適した特性を具備することが好ましい。また、この場合、ステンレスやガラス基板のような配向性のない基板に、バッファ層を介して単結晶または結晶配向性を有する強誘電体膜をエピタキシャル成長させたものを基板として用いることも可能である。また、本発明の液体吐出ヘッドは、本発明の圧電アクチュエーターを振動板に貼り付けて作製した圧電アクチュエーター部を有する構成の液体吐出ヘッドであってもよい。   Further, in the liquid discharge head of the present invention, the piezoelectric actuator portion can be configured by joining the piezoelectric actuator to a vibration plate constituting a part of the pressure chamber. For example, the piezoelectric actuator substrate itself is formed. It is good also as a structure made into a diaphragm. In this case, it is preferable that the substrate has characteristics suitable as a vibration plate that can be formed by epitaxially growing at least the lower electrode and the ferroelectric film having crystal orientation. In this case, a substrate obtained by epitaxially growing a ferroelectric film having a single crystal or crystal orientation through a buffer layer on a substrate having no orientation such as stainless steel or a glass substrate can be used as the substrate. . In addition, the liquid discharge head of the present invention may be a liquid discharge head having a configuration including a piezoelectric actuator portion manufactured by attaching the piezoelectric actuator of the present invention to a vibration plate.

さらに、前述の圧電アクチュエーターや液体吐出ヘッドにおいて、基板とエピタキシャル強誘電体膜との間にバッファ層を介し、かつバッファ層自身が誘電性を有する場合、圧電変位は圧電性を有するエピタキシャル強誘電体膜に印加される実効電界に依存するところから、前述のバッファ層の層厚は薄いことが好ましい。   Further, in the above-described piezoelectric actuator or liquid discharge head, when a buffer layer is interposed between the substrate and the epitaxial ferroelectric film and the buffer layer itself has dielectric properties, the piezoelectric displacement is an epitaxial ferroelectric material having piezoelectricity. The buffer layer preferably has a small thickness because it depends on the effective electric field applied to the film.

本発明の圧電アクチュエーターは、エピタキシャル強誘電体膜の自発分極が大きいために、圧電特性に優れ、かつ、エピタキシャル強誘電体膜面内の基板面方向に加わる応力が小さいため、エピタキシャル強誘電体膜の膜剥がれや特性劣化がなく、また大面積化が容易である。また本発明の液体吐出ヘッドは、その圧電アクチュエーター部に前述の圧電アクチュエーターを含む構成を有することにより、高密度で吐出力が大きく、高周波駆動に優れ、かつ、大面積化に優れる。   The piezoelectric actuator of the present invention is excellent in piezoelectric characteristics because the spontaneous polarization of the epitaxial ferroelectric film is large, and the stress applied to the substrate surface direction in the plane of the epitaxial ferroelectric film is small. The film is not peeled off and the characteristics are not deteriorated, and the area can be easily increased. Further, the liquid discharge head of the present invention has a configuration including the above-described piezoelectric actuator in the piezoelectric actuator portion, so that it has a high density and a large discharge force, is excellent in high-frequency driving, and is excellent in a large area.

以下、本発明の強誘電体薄膜素子およびその製造方法について、図面を参照しながら、実施例に基づき詳細に説明する。なお、下記実施例および比較例におけるz / z0 、 x / x0 および結晶配向度の調整は、エピタキシャル強誘電体の成膜条件(スパッタ電力、成膜温度、冷却速度、スパッタガス圧、スパッタガス種、ターゲットと基板間の距離、ターゲット密度など)を調整して行った。 Hereinafter, a ferroelectric thin film element and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings. In the following examples and comparative examples, z / z 0 , x / x 0 and crystal orientation are adjusted by adjusting the epitaxial ferroelectric film forming conditions (sputtering power, film forming temperature, cooling rate, sputter gas pressure, sputter The gas type, the distance between the target and the substrate, the target density, and the like were adjusted.

≪実施例1≫
電極を兼ねた(La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板上に、エピタキシャル強誘電体薄膜として、70nmの膜厚を有するPZT薄膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させ誘電体薄膜素子を作製した。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで100℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。エピタキシャル強誘電体薄膜であるPZT薄膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。このようにして作製した強誘電体薄膜素子のPZT薄膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果を図1に示す。図1に示した結果から、PZT薄膜の結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は(001)面であり、その結晶配向度は100% であることを確認した。
Example 1
A PZT thin film with a thickness of 70 nm is used as an epitaxial ferroelectric thin film on a (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate that also serves as an electrode, using an RF magnetron sputtering system A dielectric thin film device was fabricated by epitaxial growth. At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 100 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The composition of the PZT thin film, which is an epitaxial ferroelectric thin film, was Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . The single crystallinity of the PZT thin film of the ferroelectric thin film device thus fabricated was measured by XRD. The results are shown in FIG. From the results shown in FIG. 1, it was confirmed that the crystal structure of the PZT thin film was tetragonal, the Z crystal plane was the (001) plane, and the degree of crystal orientation was 100%.

また、Z結晶面の法線軸に垂直である[010]から電子線を入射してPZT薄膜の電子線回折を行った。その結果を図2に示す。図2の結果から、上記PZT薄膜は、膜成長面を(001)面とした単結晶構造を有することを確認した。   Further, an electron beam was incident from [010] perpendicular to the normal axis of the Z crystal plane, and electron diffraction was performed on the PZT thin film. The result is shown in FIG. From the results of FIG. 2, it was confirmed that the PZT thin film had a single crystal structure with the film growth surface as the (001) plane.

次に上記PZT薄膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT薄膜の(004)面の回折ピークと、PZT薄膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT薄膜の(400)面の回折ピークからa軸とc軸の格子定数を算出した。測定は、(株)理学電機のX線回折装置Rint-Inplane(商品名)を用いて、X線出力が40kV・50mA、受光側と検出側のスリットが0.5°の条件で行った。その結果、a = 4.041Å、c = 4.162Åとなった。Zr:Ti = 52:48の組成を有するPZTの正方晶バルクセラミックスの文献(JCPDS−330784 )に記載の格子定数はa0 = 4.036Å、c0 = 4.146Åであり、z/z0 =c/c0 =1.0039、 x/x0 =a/a0 =1.0012であった。 Next, the diffraction peak of the (004) plane of the PZT thin film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal surface of the PZT thin film and the PZT thin film obtained by XRD-2θχ / φ measurement of the substrate vertical plane of the PZT thin film The lattice constants of the a-axis and c-axis were calculated from the (400) plane diffraction peak. The measurement was performed using an X-ray diffractometer Rint-Inplane (trade name) manufactured by Rigaku Corporation under the conditions of an X-ray output of 40 kV / 50 mA and a slit on the light receiving side and the detecting side of 0.5 °. As a result, a = 4.041 mm and c = 4.162 mm. The lattice constants described in the literature (JCPDS-330784) of PZT tetragonal bulk ceramics having a composition of Zr: Ti = 52: 48 are a 0 = 4.036Å, c 0 = 4.146Å, and z / z 0 = c / c 0 = 1.0039 and x / x 0 = a / a 0 = 1.0012.

このようにして得られた強誘電体薄膜素子上に直径100μφのPtパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極を(La,Sr)TiO3として、ソーヤ・タワー回路を用いて強誘電体薄膜素子の強誘電性を評価した。その結果、自発分極Ps=100μC/cm2、残留分極Pr=45μC/cm2、となった。また、強誘電体薄膜素子のPtパターンの10箇所で疲労特性試験を行った。評価条件は、印加電圧±5V、評価温度70℃、周波数1kHz、書き込み回数107回とした。その結果、評価した10箇所すべてにおいて不良素子は確認されなかった。得られた結果を纏め、表1に示した。 A Pt pattern with a diameter of 100 μφ is formed on the ferroelectric thin film element thus obtained by sputtering to form an upper electrode, and the lower electrode is made of (La, Sr) TiO 3 , and is strong using a Soya tower circuit. The ferroelectricity of the dielectric thin film element was evaluated. As a result, spontaneous polarization Ps = 100μC / cm 2, the residual polarization Pr = 45μC / cm 2, became. In addition, fatigue characteristics tests were conducted at 10 locations on the Pt pattern of the ferroelectric thin film element. The evaluation conditions were an applied voltage of ± 5 V, an evaluation temperature of 70 ° C., a frequency of 1 kHz, and a write count of 10 7 times. As a result, no defective element was confirmed in all 10 evaluated locations. The results obtained are summarized and shown in Table 1.

≪実施例2≫
電極を兼ねた(La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板上に、エピタキシャル強誘電体薄膜として、70nmの膜厚を有するPZT薄膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させ強誘電体薄膜素子を作製した。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで80℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。エピタキシャル強誘電体薄膜であるPZT薄膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。このようにして作製した強誘電体薄膜素子のPZT薄膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果、PZT薄膜の結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は(001)であり、その結晶配向度は90% であることを確認した。
Example 2
A PZT thin film with a thickness of 70 nm is used as an epitaxial ferroelectric thin film on a (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate that also serves as an electrode, using an RF magnetron sputtering system A ferroelectric thin film device was fabricated by epitaxial growth. At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 80 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The composition of the PZT thin film, which is an epitaxial ferroelectric thin film, was Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . The single crystallinity of the PZT thin film of the ferroelectric thin film device thus fabricated was measured by XRD. As a result, it was confirmed that the crystal structure of the PZT thin film was tetragonal, the Z crystal plane was (001), and the degree of crystal orientation was 90%.

また、Z結晶面の法線軸に垂直である[010]から電子線を入射してPZT薄膜の電子線回折を行った。その結果、PZT薄膜は膜成長面を(001)面とした単結晶構造を有することを確認した。   Also, an electron beam was incident from [010] perpendicular to the normal axis of the Z crystal plane, and electron diffraction was performed on the PZT thin film. As a result, it was confirmed that the PZT thin film had a single crystal structure with the (001) plane as the film growth surface.

次にPZT薄膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT薄膜の(004)面の回折ピークと、PZT薄膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT薄膜の(400)面の回折ピークからPZT薄膜のa軸とc軸の格子定数を算出した。その結果、a = 4.034Å、c = 4.163Åとなり、z/z0 =c/c0 =1.0042、 x/x0 =a/a0 =0.9995であった。 Next, the diffraction peak of the (004) plane of the PZT thin film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal plane of the PZT thin film and the XZ-2θχ / φ measurement of the PZT thin film vertical plane of the PZT thin film The lattice constants of the a-axis and c-axis of the PZT thin film were calculated from the (400) plane diffraction peak. As a result, a = 4.034 mm, c = 4.163 mm, z / z 0 = c / c 0 = 1.0042, and x / x 0 = a / a 0 = 0.9995.

このようにして得られた強誘電体薄膜素子上に直径100μφのPtパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極を(La,Sr)TiO3として、強誘電体薄膜素子の強誘電性を評価した。その結果、自発分極Ps=90μC/cm2、残留分極Pr=40μC/cm2、となった。また、強誘電体薄膜素子のPtパターンの10箇所で疲労特性試験を行った。その結果、評価した10箇所すべてにおいて不良素子は確認されなかった。得られた結果を纏め、表1に示した。 On the ferroelectric thin film device thus obtained, a Pt pattern having a diameter of 100 μφ is formed by sputtering to form an upper electrode, and the lower electrode is made of (La, Sr) TiO 3 , and the ferroelectric thin film device is ferroelectric. Sex was evaluated. As a result, spontaneous polarization Ps = 90μC / cm 2, the residual polarization Pr = 40μC / cm 2, became. In addition, fatigue characteristics tests were conducted at 10 locations on the Pt pattern of the ferroelectric thin film element. As a result, no defective element was confirmed in all 10 evaluated locations. The results obtained are summarized and shown in Table 1.

≪実施例3≫
基板を鏡面研磨した15mm角のSi(100)とし、まず、この表面をテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAHと表すことがある)(関東化学製)で室温下10分間エッチングし、純水洗浄後、アセトン蒸気浴で洗浄した。次に、この基板上にRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて基板温度800℃で10nmの膜厚を有するYSZ薄膜を成膜した。成膜後のXRD測定の結果、YSZ薄膜は[100]方向の結晶配向度が99%以上であることを確認した。次に下部電極としてPtを基板温度600℃で100nmスパッタリング成膜した。成膜後のXRD測定の結果、Ptは[111]方向の結晶配向度が97%以上であることを確認した。さらに、ここまでの積層膜上にバッファ層として[PbTiO3](PTと表すことがある)をRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて、基板温度600℃で7nm成膜した。成膜後のXRD測定の結果、PTも[111]方向の結晶配向度が94%以上であることを確認した。次にエピタキシャル強誘電体薄膜としてPZT薄膜をRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて85nm成膜した。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで100℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。このようにして作製した強誘電体薄膜素子のPZT薄膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果、PZT薄膜の結晶構造は菱面体晶であり、Z結晶面は(111)面であり、その結晶配向度は92% であることを確認した。PZT薄膜の組成はPb(Zr0.58, Ti0.42)O3とした。
Example 3
The substrate is mirror-polished 15 mm square Si (100), and this surface is first etched with tetramethylammonium hydroxide (sometimes referred to as TMAH) (manufactured by Kanto Chemical) for 10 minutes at room temperature, washed with pure water, Washed with acetone steam bath. Next, a YSZ thin film having a film thickness of 10 nm was formed on the substrate at a substrate temperature of 800 ° C. using an RF magnetron type sputtering apparatus. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that the YSZ thin film had a degree of crystal orientation in the [100] direction of 99% or more. Next, Pt was deposited as a lower electrode by sputtering at a substrate temperature of 600 ° C. to a thickness of 100 nm. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that Pt had a degree of crystal orientation in the [111] direction of 97% or more. Further, [PbTiO 3 ] (sometimes referred to as PT) as a buffer layer was formed to a thickness of 7 nm at a substrate temperature of 600 ° C. using the RF magnetron type sputtering apparatus on the laminated film thus far. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that PT also had a degree of crystal orientation in the [111] direction of 94% or more. Next, a PZT thin film was formed as an epitaxial ferroelectric thin film at 85 nm using an RF magnetron type sputtering apparatus. At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 100 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The single crystallinity of the PZT thin film of the ferroelectric thin film device thus fabricated was measured by XRD. As a result, it was confirmed that the crystal structure of the PZT thin film was rhombohedral, the Z crystal plane was the (111) plane, and the degree of crystal orientation was 92%. The composition of the PZT thin film was Pb (Zr 0.58 , Ti 0.42 ) O 3 .

次に上記PZT薄膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT薄膜の(222)面の回折ピークと、PZT薄膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT薄膜の(-220)面の回折ピークから、菱面体晶PZT薄膜のZ結晶面である(222)面の面間隔、および、Z結晶面に垂直な結晶面である(-220)面の面間隔を算出した。その結果、d(222)= 1.186Å、d(-220) = 1.433Åであった。Zr/Ti = 58/42のPZT菱面体晶のバルクセラミックスの文献(JCPDS−732022 )に記載の面間隔はd0(222)= 1.1821Å、d0(-220) = 1.4346Åであり、z/z0 = d(222)/ d0(222)= 1.0035、 x/x0 = d(-220)/ d0(-220)= 0.9987であった。 Next, the diffraction peak of the (222) plane of the PZT thin film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal plane of the PZT thin film and the PZT thin film obtained by XRD-2θχ / φ measurement of the substrate vertical plane of the PZT thin film From the diffraction peak of the (-220) plane, the interplanar spacing of the (222) plane, which is the Z crystal plane of the rhombohedral PZT thin film, and the interplanar spacing of the (-220) plane, which is a crystal plane perpendicular to the Z crystal plane Was calculated. As a result, d (222) = 1.186 mm and d (−220) = 1.433 mm. The interplanar spacing described in the literature (JCPDS-732022) of PZT rhombohedral bulk ceramics with Zr / Ti = 58/42 is d 0 (222) = 1.1821 mm, d 0 (−220) = 1.4346 mm, z / z 0 = d (222) / d 0 (222) = 1.0035 and x / x 0 = d (−220) / d 0 (−220) = 0.9987.

このようにして得られた強誘電体薄膜素子上に直径100μφのAuパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極をPtとして、ソーヤ・タワー回路を用いて強誘電体薄膜素子の強誘電性を評価した。その結果、自発分極Ps=80μC/cm2、残留分極Pr=35μC/cm2、となった。また、強誘電体薄膜素子のAuパターンの10箇所で疲労特性試験を行った。評価条件は、印加電圧±5V、評価温度70℃、周波数1kHz、書き込み回数107回とした。その結果、評価した10箇所すべてにおいて不良素子は確認されなかった。得られた結果を纏め、表1に示した。 An Au pattern having a diameter of 100 μφ is formed on the ferroelectric thin film element thus obtained by sputtering to form the upper electrode, the lower electrode is Pt, and the ferroelectric thin film element is strengthened using a Soya Tower circuit. Dielectric properties were evaluated. As a result, spontaneous polarization Ps = 80 μC / cm 2 and remanent polarization Pr = 35 μC / cm 2 . In addition, fatigue characteristics tests were conducted at 10 locations on the Au pattern of the ferroelectric thin film element. The evaluation conditions were an applied voltage of ± 5 V, an evaluation temperature of 70 ° C., a frequency of 1 kHz, and a write count of 10 7 times. As a result, no defective element was confirmed in all 10 evaluated locations. The results obtained are summarized and shown in Table 1.

≪比較例1〜3≫
基板上へエピタキシャル強誘電体薄膜としてPZT薄膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させる際に、成膜条件を成膜後の冷却速度を400℃以下はコントロールせず、また、プレスパッタは成膜時のRF投入電力と同じで、かつ60minであることを固定した以外は各々調整することでz / z0 、 x / x0 および結晶配向度の調整をした以外は実施例1と同様にして、強誘電体薄膜素子を作製し、評価を行った。得られた結果を表1に示す。
≪Comparative Examples 1-3≫
When epitaxially growing a PZT thin film as an epitaxial ferroelectric thin film on a substrate using an RF magnetron sputtering apparatus, the cooling rate after film formation is not controlled below 400 ° C., and pre-sputtering Same as Example 1 except that z / z 0 , x / x 0 and crystal orientation were adjusted by adjusting each except that it was the same as the RF input power at the time of film formation and was fixed to 60 min. Thus, a ferroelectric thin film element was fabricated and evaluated. The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2006173646
Figure 2006173646

表1に示した結果から、本発明の実施例1〜3の強誘電体薄膜素子のすべてのエピタキシャル強誘電体薄膜において、z / z0 > 1.003 であり、かつ、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であった。また、実施例の強誘電体薄膜素子のエピタキシャル強誘電体薄膜は、その結晶配向度が90%以上であり、自発分極Ps=80μC/cm2以上、残留分極Pr=35μC/cm2以上であった。さらに、強誘電体薄膜素子の疲労特性は107回をクリアした。 From the results shown in Table 1, z / z 0 > 1.003 and 0.997 ≦ x in all the epitaxial ferroelectric thin films of the ferroelectric thin film elements of Examples 1 to 3 of the present invention. / X 0 ≦ 1.003. Further, the epitaxial ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film element of the example has a crystal orientation of 90% or more, spontaneous polarization Ps = 80 μC / cm 2 or more, and remanent polarization Pr = 35 μC / cm 2 or more. It was. Furthermore, the fatigue characteristics of the ferroelectric thin film element cleared 10 7 times.

これに対し、比較例1の強誘電体薄膜素子のエピタキシャル強誘電体薄膜はz / z0 ≦ 1.003であり、この強誘電体薄膜素子は、疲労特性は107回をクリアしたものの、自発分極はPs=70μC/cm2、残留分極はPr=28μC/cm2と強誘電性が低かった。また、比較例2の強誘電体薄膜素子のエピタキシャル強誘電体薄膜はx / x0 < 0.997であり、この強誘電体薄膜素子は、強誘電性が高かったものの、疲労特性が107回をクリアすることができないものが見られた。さらに、比較例3の強誘電体薄膜素子のエピタキシャル強誘電体薄膜は、x / x0 < 0.997となり、結晶配向度が90%に満たず、自発分極がPs=75μC/cm2、残留分極がPr=30μC/cm2と強誘電性が低く、さらに疲労特性が107回をクリアできないものが見られた。 On the other hand, the ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film element of Comparative Example 1 has z / z 0 ≦ 1.003, and this ferroelectric thin film element has a fatigue characteristic of 10 7 times, The spontaneous polarization was Ps = 70 μC / cm 2 , and the remanent polarization was Pr = 28 μC / cm 2 , indicating a low ferroelectricity. In addition, the epitaxial ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film element of Comparative Example 2 has x / x 0 <0.997, and although this ferroelectric thin film element has high ferroelectricity, the fatigue characteristics are 10 7. Some things could not be cleared. Further, the epitaxial ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film element of Comparative Example 3 had x / x 0 <0.997, the crystal orientation was less than 90%, the spontaneous polarization was Ps = 75 μC / cm 2 , and the residual The polarization was Pr = 30μC / cm 2 and the ferroelectricity was low, and the fatigue characteristics could not be cleared 10 7 times.

以下、本発明の圧電アクチュエーターおよび液体吐出ヘッドならびにこれらの製造方法について、図面を参照しながら、実施例に基づき詳細に説明する。なお、下記実施例および比較例におけるz / z0 、 x / x0 および結晶配向度の調整は、エピタキシャル強誘電体の成膜条件(スパッタ電力、成膜温度、冷却速度、スパッタガス圧、スパッタガス種、ターゲットと基板間の距離、ターゲット密度など)を調整して行った。また、本実施例においては、液体吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドを例にとり説明する。 Hereinafter, a piezoelectric actuator, a liquid discharge head, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following examples and comparative examples, z / z 0 , x / x 0 and crystal orientation are adjusted by adjusting the epitaxial ferroelectric film forming conditions (sputtering power, film forming temperature, cooling rate, sputter gas pressure, sputter The gas type, the distance between the target and the substrate, the target density, and the like were adjusted. In this embodiment, an ink jet head will be described as an example of the liquid discharge head.

≪実施例4≫
電極を兼ねた(La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板上にエピタキシャル強誘電体膜として、2.0μmのPZT膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させた。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで100℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。PZT膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。このようにして作製したエピタキシャル強誘電体膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果を図3に示す。図3に示した結果から、PZT膜の結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は、(001)面であり、その結晶配向度は100% であることを確認した。
Example 4
A 2.0μm PZT film was epitaxially grown as an epitaxial ferroelectric film on a (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate, which also served as an electrode, using an RF magnetron sputtering apparatus. . At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 100 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The composition of the PZT film is Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . The single crystallinity of the epitaxial ferroelectric film thus prepared was measured by XRD. The result is shown in FIG. From the results shown in FIG. 3, it was confirmed that the crystal structure of the PZT film was tetragonal, the Z crystal plane was the (001) plane, and the degree of crystal orientation was 100%.

また、Z結晶面の法線軸に垂直である[010]から電子線を入射してPZT膜の電子線回折を行った。その結果を図4に示す。図4の結果から、PZT膜は、膜成長面を(001)面とした単結晶構造を有することを確認した。   Further, an electron beam was incident from [010] perpendicular to the normal axis of the Z crystal plane, and electron diffraction of the PZT film was performed. The result is shown in FIG. From the results of FIG. 4, it was confirmed that the PZT film had a single crystal structure with the film growth surface as the (001) plane.

次に上記PZT膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT(004)膜の回折ピークと、PZT膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT膜の(400)面の回折ピークからPZT膜のa軸とc軸の格子定数を算出した。測定は、(株)理学電機のX線回折装置Rint-Inplane(商品名)を用いて、X線出力が40kV・50mA、受光側と検出側のスリットが0.5°の条件で行った。その結果、a = 4.042Å、c = 4.171Åとなった。Zr:Ti = 52:48の組成を有するPZTの正方晶バルクセラミックスの文献(JCPDS−330784 )に記載の格子定数はa0 = 4.036Å、c0 = 4.146Åであり、z/z0 =c/c0 =1.0060、 x/x0 =a/a0 =1.0015であった。 Next, the diffraction peak of the PZT (004) film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal plane of the PZT film and the XZ-2θχ / φ measurement of the PZT film vertical plane of the PZT film ( The lattice constants of the a-axis and c-axis of the PZT film were calculated from the diffraction peak of the (400) plane. The measurement was performed using an X-ray diffractometer Rint-Inplane (trade name) manufactured by Rigaku Corporation under the conditions of an X-ray output of 40 kV / 50 mA and a slit on the light receiving side and the detecting side of 0.5 °. As a result, a = 4.042cm and c = 4.171mm. The lattice constants described in the literature (JCPDS-330784) of PZT tetragonal bulk ceramics having a composition of Zr: Ti = 52: 48 are a 0 = 4.036Å, c 0 = 4.146Å, and z / z 0 = c / c 0 = 1.0060, x / x 0 = a / a 0 = 1.0015.

このようにして得られたエピタキシャル強誘電体膜上に直径100μmφのPtパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極を(La,Sr)TiO3とする圧電アクチュエーターを作製した。この圧電アクチュエーターについて、圧電定数測定装置(東陽テクニカ製)を用いて圧電定数d33の測定を行った。その結果d33=498pC/Nとなった。 A Pt pattern having a diameter of 100 μmφ was formed on the epitaxial ferroelectric film thus obtained by sputtering to form an upper electrode and a piezoelectric actuator having a lower electrode of (La, Sr) TiO 3 . For this piezoelectric actuator, the piezoelectric constant d33 was measured using a piezoelectric constant measuring apparatus (manufactured by Toyo Technica). As a result, d33 = 498 pC / N.

さらに、この圧電アクチュエーターの変位量の評価を目的として、LSTO基板が振動板を兼ねる圧電アクチュエーターを作製した。   Furthermore, for the purpose of evaluating the displacement amount of this piezoelectric actuator, a piezoelectric actuator in which the LSTO substrate also serves as a diaphragm was fabricated.

まず、Si(100)基板上に電極を兼ねた100μmの (La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板(LSTO基板と表すことがある)を接合し、LSTO基板面側をLSTO厚が約5μmになるまで研磨した。次にエピタキシャル強誘電体膜としてPZT膜を3.0μm成膜し、上部にPt電極パターンをスパッタリングにより成膜した。さらにSi基板をドライプロセスにより長さ600μm、幅40μmのパターンでエッチングし、LSTO基板が振動板となるユニモルフ型カンチレバーを作製した。上部電極はカンチレバー形状と同じく長さ600μm、幅40μmにパターニングした。このようにして作製したユニモルフ型カンチレバー形状の圧電アクチュエーターの変位量を、レーザードップラー測定器により測定し、10Vの印加電圧で、変位量が50nmであることを確認した。 First, a 100 μm (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate (sometimes referred to as an LSTO substrate) that also serves as an electrode is bonded onto the Si (100) substrate, and the LSTO substrate surface The side was polished until the LSTO thickness was about 5 μm. Next, a PZT film having a thickness of 3.0 μm was formed as an epitaxial ferroelectric film, and a Pt electrode pattern was formed thereon by sputtering. Furthermore, the Si substrate was etched by a dry process with a pattern with a length of 600 μm and a width of 40 μm to produce a unimorph type cantilever in which the LSTO substrate serves as a diaphragm. The upper electrode was patterned to a length of 600 μm and a width of 40 μm, similar to the cantilever shape. The displacement of the unimorph cantilever-shaped piezoelectric actuator thus produced was measured with a laser Doppler measuring device, and it was confirmed that the displacement was 50 nm with an applied voltage of 10V.

また、この圧電アクチュエーターについて印加電圧±20V、評価温度70℃、周波数1kHz、書き込み回数107回の条件で耐久試験を行った。その結果、膜の劣化や剥離などによる変位の減衰は見られなかった。 Further, the piezoelectric actuator for applying voltage ± 20V, rated temperature 70 ° C., a durability test was carried out at a frequency of 1 kHz, write count 10 seven conditions. As a result, no attenuation of displacement due to film deterioration or peeling was observed.

なお、上記圧電アクチュエーターの耐久性試験の評価結果は、次の基準に基づいて評価した。
○:耐久試験前の変位量に対し、耐久試験後での変位量が70%より上であった。
×:耐久試験前の変位量に対し、耐久試験後での変位量が70%以下であった。
得られた結果を纏め表2に示した。
The evaluation results of the durability test of the piezoelectric actuator were evaluated based on the following criteria.
○: The displacement after the durability test was higher than 70% with respect to the displacement before the durability test.
X: The displacement after the durability test was 70% or less with respect to the displacement before the durability test.
The obtained results are summarized in Table 2.

≪実施例5≫
電極を兼ねた(La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板上に、エピタキシャル強誘電体膜として、3.0μmのPZT膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させた。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで80℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。PZT膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。このようにして作製したエピタキシャル強誘電体膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果、PZT膜の結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は(001)面であり、その結晶配向度は90% であることを確認した。
Example 5
On the (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate that also serves as an electrode, an epitaxial ferroelectric film is grown as an epitaxial ferroelectric film using a RF magnetron sputtering system. It was. At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 80 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The composition of the PZT film was Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . The single crystallinity of the epitaxial ferroelectric film thus prepared was measured by XRD. As a result, it was confirmed that the crystal structure of the PZT film was tetragonal, the Z crystal plane was the (001) plane, and the degree of crystal orientation was 90%.

また、Z結晶面の法線軸に垂直である[010]から電子線を入射してPZT膜の電子線回折を行った。その結果、PZT膜は膜成長面を(001)面とした単結晶構造を有することを確認した。   Further, an electron beam was incident from [010] perpendicular to the normal axis of the Z crystal plane, and electron diffraction was performed on the PZT film. As a result, it was confirmed that the PZT film had a single crystal structure with the film growth surface as the (001) plane.

次にPZT膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT膜の(004)面の回折ピークと、PZT膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT膜の(400)面の回折ピークからPZT膜のa軸とc軸の格子定数を算出した。その結果、a = 4.033Å、c = 4.162Åとなり、z/z0 =c/c0 =1.0039、 x/x0 =a/a0 =0.9993であった。 Next, the diffraction peak of the (004) plane of the PZT film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal plane of the PZT film and the XZ-2θχ / φ measurement of the PZT film vertical plane of the PZT film The lattice constants of the a-axis and c-axis of the PZT film were calculated from the (400) plane diffraction peak. As a result, a = 4.033 mm, c = 4.162 mm, z / z 0 = c / c 0 = 1.0039, and x / x 0 = a / a 0 = 0.9993.

このようにして得られたエピタキシャル強誘電体膜上に直径100μmφのPtパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極を(La,Sr)TiO3とし、圧電アクチュエーターを作製した。この圧電アクチュエーターを用いて、実施例4と同様にして圧電定数d33の測定を行った。その結果d33=450pC/Nとなった。 A Pt pattern having a diameter of 100 μmφ was formed on the epitaxial ferroelectric film thus obtained by sputtering to form an upper electrode, and the lower electrode was made of (La, Sr) TiO 3 to produce a piezoelectric actuator. Using this piezoelectric actuator, the piezoelectric constant d33 was measured in the same manner as in Example 4. As a result, d33 = 450 pC / N.

さらに、この圧電アクチュエーターの変位量評価を目的として、LSTO基板が振動板を兼ねる圧電アクチュエーターを作製した。   Furthermore, for the purpose of evaluating the displacement of this piezoelectric actuator, a piezoelectric actuator was fabricated in which the LSTO substrate also serves as a diaphragm.

まず、Si(100)基板上に、電極を兼ねた100μmの (La0.038,Sr0.962)TiO3 (100)(単結晶生成基板)基板を接合し、LSTO基板面側をLSTO厚が約5μmになるまで研磨した。次にエピタキシャル強誘電体膜としてPZT膜を3.0μm成膜し、上部にPt電極パターンをスパッタリングにより成膜した。さらにSi基板をドライプロセスにより長さ600μm、幅40μmのパターンでエッチングし、LSTO基板が振動板となるユニモルフ型カンチレバーを作製した。上部電極はカンチレバー形状と同じく長さ600μm、幅40μmにパターニングした。このようにして作製したユニモルフ型カンチレバー形状の圧電アクチュエーターの変位量を、レーザードップラー測定器により測定し、10Vの印加電圧で、変位量が46nmであることを確認した。 First, a 100 μm (La 0.038 , Sr 0.962 ) TiO 3 (100) (single crystal production substrate) substrate, which also serves as an electrode, is bonded onto a Si (100) substrate, and the LSTO substrate surface side has an LSTO thickness of about 5 μm. Polished until Next, a PZT film having a thickness of 3.0 μm was formed as an epitaxial ferroelectric film, and a Pt electrode pattern was formed thereon by sputtering. Furthermore, the Si substrate was etched by a dry process with a pattern with a length of 600 μm and a width of 40 μm to produce a unimorph type cantilever in which the LSTO substrate serves as a diaphragm. The upper electrode was patterned to a length of 600 μm and a width of 40 μm, similar to the cantilever shape. The displacement of the unimorph cantilever-shaped piezoelectric actuator thus produced was measured with a laser Doppler measuring device, and it was confirmed that the displacement was 46 nm with an applied voltage of 10V.

また、この圧電アクチュエーターについて印加電圧±20V、評価温度70℃、周波数1kHz、書き込み回数107回の条件で耐久試験を行った。その結果、膜の劣化や剥離などによる変位の減衰は見られなかった。得られた結果を纏め表2に示した。 Further, the piezoelectric actuator for applying voltage ± 20V, rated temperature 70 ° C., a durability test was carried out at a frequency of 1 kHz, write count 10 seven conditions. As a result, no attenuation of displacement due to film deterioration or peeling was observed. The obtained results are summarized in Table 2.

≪実施例6≫
基板を鏡面研磨したSi(100)とし、まず、この表面をテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAHと表すことがある)(関東化学製)で室温下10分間エッチングし、純水洗浄後、アセトン蒸気浴で洗浄した。次に、この基板上にRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて基板温度800℃で10nmの膜厚を有するYSZ膜を成膜した。成膜後のXRD測定の結果、YSZ膜は[100]方向の結晶配向度が99%以上であることを確認した。
Example 6
The substrate is mirror-polished Si (100), and this surface is first etched with tetramethylammonium hydroxide (TMAH) (manufactured by Kanto Chemical) for 10 minutes at room temperature, washed with pure water, and then acetone vapor bath Washed with. Next, a YSZ film having a film thickness of 10 nm was formed on the substrate at a substrate temperature of 800 ° C. using an RF magnetron type sputtering apparatus. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that the YSZ film had a degree of crystal orientation in the [100] direction of 99% or more.

次に下部電極としてPtを基板温度600℃で100nmスパッタリング成膜した。成膜後のXRD測定の結果、Ptは[111] 方向の結晶配向度が97%以上であることを確認した。さらに、ここまでの積層膜上にバッファ層としてPbTiO3(PTと表すことがある)をRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて基板温度600℃で7nm成膜した。成膜後のXRD測定の結果、PTも[111] 方向の結晶配向度が94%以上であることを確認した。 Next, Pt was deposited as a lower electrode by sputtering at a substrate temperature of 600 ° C. to a thickness of 100 nm. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that the crystal orientation degree of Pt in the [111] direction was 97% or more. Further, PbTiO 3 (sometimes referred to as PT) was formed as a buffer layer on the laminated film so far to a thickness of 7 nm at a substrate temperature of 600 ° C. using an RF magnetron type sputtering apparatus. As a result of XRD measurement after film formation, it was confirmed that PT also had a degree of crystal orientation in the [111] direction of 94% or more.

次にエピタキシャル強誘電体膜としてPZT膜をRFマグネトロン方式のスパッタリング装置を用いて3.0μm成膜した。その際、基板温度600℃、成膜時のアルゴン/酸素比30/1、ガス圧0.2Pa、成膜時のRF投入電力を0.8W/cm2、成膜後の冷却速度を180℃以下になるまで100℃/min以上でコントロールし、成膜前のプレスパッタをRF投入電力0.3W/cm2で3minとした。このようにして作製したエピタキシャル強誘電体膜の単結晶性をXRDにより測定した。その結果、PZT膜の結晶構造は菱面体晶であり、Z結晶面は(111)面であり、その結晶配向度は92% であることを確認した。PZT膜の組成はPb(Zr0.58, Ti0.42)O3とした。 Next, a PZT film as an epitaxial ferroelectric film was formed to a thickness of 3.0 μm using an RF magnetron type sputtering apparatus. At that time, the substrate temperature is 600 ° C., the argon / oxygen ratio is 30/1 during film formation, the gas pressure is 0.2 Pa, the RF input power during film formation is 0.8 W / cm 2 , and the cooling rate after film formation is 180 ° C. Control was performed at 100 ° C./min or higher until the following, and pre-sputtering before film formation was performed for 3 min at an RF input power of 0.3 W / cm 2 . The single crystallinity of the epitaxial ferroelectric film thus prepared was measured by XRD. As a result, it was confirmed that the crystal structure of the PZT film was rhombohedral, the Z crystal plane was the (111) plane, and the degree of crystal orientation was 92%. The composition of the PZT film was Pb (Zr 0.58 , Ti 0.42 ) O 3 .

次に上記PZT膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT膜の(222)面の回折ピークと、PZT膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT(-220)面の回折ピークから、菱面体晶PZT膜のZ結晶面である(222)面の面間隔、および、Z結晶面に垂直な結晶面である(-220)面の面間隔を算出した。その結果、d(222)= 1.187Å、d(-220) = 1.432Åであった。Zr:Ti = 58:42のPZT菱面体晶のバルクセラミックスの文献(JCPDS−732022 )に記載の面間隔はd0(222)= 1.1821Å、d0(-220) = 1.4346Åであり、z/z0 = d(222)/ d0(222)= 1.0041、 x/x0 = d(-220)/ d0(-220)= 0.9982であった。 Next, the diffraction peak of the (222) plane of the PZT film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal surface of the PZT film, and the PZT obtained by XRD-2θχ / φ measurement of the substrate vertical plane of the PZT film ( The plane spacing of the (222) plane, which is the Z crystal plane of the rhombohedral PZT film, and the plane spacing of the (-220) plane, which is a crystal plane perpendicular to the Z crystal plane, are calculated from the diffraction peak of the -220) plane. did. As a result, d (222) = 1.187 mm and d (−220) = 1.432 mm. Zr: Ti = 58: 42 PZT rhombohedral bulk ceramic literature (JCPDS-732022) described in the interplanar spacing is d 0 (222) = 1.1821 mm, d 0 (−220) = 1.4346 mm, z / z 0 = d (222) / d 0 (222) = 1.0041, x / x 0 = d (−220) / d 0 (−220) = 0.9982.

このようにして得られたエピタキシャル強誘電体膜上に直径100μmφのPtパターンをスパッタリングにより成膜して上部電極とし、下部電極を(La,Sr)TiO3とする圧電アクチュエーターを作製した。この圧電アクチュエーターについて、圧電定数測定装置(東陽テクニカ製)を用いて圧電定数d33の測定を行った。その結果d33=471pC/Nとなった。 A Pt pattern having a diameter of 100 μmφ was formed on the epitaxial ferroelectric film thus obtained by sputtering to form an upper electrode and a piezoelectric actuator having a lower electrode of (La, Sr) TiO 3 . For this piezoelectric actuator, the piezoelectric constant d33 was measured using a piezoelectric constant measuring apparatus (manufactured by Toyo Technica). As a result, d33 = 471 pC / N.

さらに、本発明の圧電アクチュエーターの変位量評価を目的として、Si基板をドライプロセスにより長さ600μm、幅40μmの範囲をSi基板の厚さが約5μmになるまでエッチングし、Si基板が振動板となるユニモルフ型カンチレバーを作製した。上部電極はカンチレバー形状と同じく長さ600μm、幅40μmにパターニングした。このようにして作製したユニモルフ型カンチレバー形状の圧電アクチュエーターの変位量を、レーザードップラー測定器により測定し、10Vの印加電圧で、変位量が46nmであることを確認した。   Further, for the purpose of evaluating the displacement amount of the piezoelectric actuator of the present invention, the Si substrate is etched by dry process in a range of 600 μm in length and 40 μm in width until the thickness of the Si substrate becomes about 5 μm. A unimorph type cantilever was prepared. The upper electrode was patterned to a length of 600 μm and a width of 40 μm, similar to the cantilever shape. The displacement of the unimorph cantilever-shaped piezoelectric actuator thus produced was measured with a laser Doppler measuring device, and it was confirmed that the displacement was 46 nm with an applied voltage of 10V.

また、この圧電アクチュエーターについて印加電圧±20V、評価温度70℃、周波数1kHz、書き込み回数107回の条件で耐久試験を行った。その結果、膜の劣化や剥離などによる変位の減衰は見られなかった。得られた結果を纏め表2に示した。 Further, the piezoelectric actuator for applying voltage ± 20V, rated temperature 70 ° C., a durability test was carried out at a frequency of 1 kHz, write count 10 seven conditions. As a result, no attenuation of displacement due to film deterioration or peeling was observed. The obtained results are summarized in Table 2.

≪実施例7≫
本実施例のインクジェットヘッドの概略断面図を図5に示す。ホウ素(B)をドープした単結晶Si(100)/SiO2/Si構成の基板(各膜厚:2.5μm/1μm/250μm)を用いてSi(100)層の上にMgO(100)膜を0.3μmの厚みで形成した。さらに電極として0.2μmのPt(001)膜を、その上に0.1μmのPT(001)膜を、次に圧電性を有するエピタキシャル強誘電体膜として、実施例4と同じ条件で形成した2μmの膜厚のPZT膜を順番にエピタキシャル成長させ形成した。PZT膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。さらに、上部電極は、Auをペースト塗布し、圧電アクチュエーター部を作製した。
Example 7
A schematic cross-sectional view of the ink jet head of this embodiment is shown in FIG. Boron (B) doped single crystal Si (100) / SiO 2 / Si substrate (each film thickness: 2.5μm / 1μm / 250μm) and MgO (100) film on Si (100) layer It was formed with a thickness of 0.3 μm. Further, a 0.2 μm Pt (001) film as an electrode, a 0.1 μm PT (001) film thereon, and then an epitaxial ferroelectric film having piezoelectricity were formed under the same conditions as in Example 4 with a 2 μm thickness. A PZT film having a thickness was formed by epitaxial growth in order. The composition of the PZT film was Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . Furthermore, the upper electrode was coated with Au to produce a piezoelectric actuator part.

上記Si層をSF6とC4F8を用いたプラズマエッチング処理し、圧力室を形成した。その後圧力室の一部をなすSi基板及びノズルプレートを接合し、図5に示したインクジェットヘッドを得た。圧力室の幅は60μm、奥行き2.2mm、圧力室間の隔壁幅は24μmであった。 The Si layer was subjected to plasma etching using SF 6 and C 4 F 8 to form a pressure chamber. Thereafter, the Si substrate and the nozzle plate forming a part of the pressure chamber were joined to obtain the ink jet head shown in FIG. The width of the pressure chamber was 60 μm, the depth was 2.2 mm, and the partition wall width between the pressure chambers was 24 μm.

上記圧電アクチュエーター部のPZT膜の基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT膜の(004)面の回折ピークと、PZT膜の基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT膜の(400)面の回折ピークからPZT膜のa軸とc軸の格子定数を算出した。その結果、a = 4.040Å、c = 4.165Åとなり、z/z0 =c/c0 =1.0045、 x/x0 =a/a0 =1.0010であった。また、単結晶性をXRDにより測定した結果、PZT膜の結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は(001)面であり、その結晶配向度は99% であることを確認した。 Obtained by XRD-2θχ / φ measurement of the (004) plane diffraction peak of the PZT film obtained by XRD-2θ / θ measurement of the substrate horizontal surface of the PZT film of the piezoelectric actuator part and the substrate vertical surface of the PZT film From the diffraction peak of the (400) plane of the PZT film, the a-axis and c-axis lattice constants of the PZT film were calculated. As a result, a = 4.040 mm, c = 4.165 mm, z / z 0 = c / c 0 = 1.0045, and x / x 0 = a / a 0 = 1.0010. As a result of measuring the single crystallinity by XRD, it was confirmed that the crystal structure of the PZT film was tetragonal, the Z crystal plane was the (001) plane, and the degree of crystal orientation was 99%.

このインクジェットヘッドを用いて、ノズルからのインクの吐出を確認した結果、駆動周波数10kHz で駆動電圧3V でも安定したインクの吐出を確認することができた。また、駆動周波数1kHz、0V/30Vの駆動電圧でこのインクジェットヘッドの耐久試験を行った。その結果、107回までの吐出において、すべてのノズルからインク吐出があり、耐久試験後においてもエピタキシャル誘電体膜の膜剥がれや特性劣化は確認されなかった。 As a result of confirming ink ejection from the nozzles using this inkjet head, it was possible to confirm stable ink ejection even at a driving frequency of 3 V at a driving frequency of 10 kHz. In addition, the ink jet head was subjected to a durability test at a driving frequency of 1 kHz and a driving voltage of 0 V / 30 V. As a result, the discharge of up to 10 7 times, there are ink discharge from all the nozzles, film peeling and deterioration of the characteristics of an epitaxial dielectric film even after the durability test was not observed.

≪比較例4〜6≫
基板上にエピタキシャル強誘電体膜としてPZT膜をRFマグネトロン方式のスパッタ装置を用いてエピタキシャル成長させる際に成膜条件を成膜後の冷却速度を400℃以下はコントロールせず、また、プレスパッタは成膜時のRF投入電力と同じで、かつ60minであることを固定した以外は各々調整することでz / z0 、 x / x0 および結晶配向度の調整をした以外は実施例5と同様にして、圧電アクチュエーターを作製し、評価を行った。
<< Comparative Examples 4-6 >>
When epitaxially growing a PZT film as an epitaxial ferroelectric film on a substrate using an RF magnetron type sputtering apparatus, the cooling rate after film formation is not controlled below 400 ° C, and pre-sputtering is not performed. Same as Example 5 except that z / z 0 , x / x 0 and crystal orientation were adjusted by adjusting each except that the RF input power at the time of filming was the same and 60 min was fixed. A piezoelectric actuator was fabricated and evaluated.

比較例4〜6のPZT膜の結晶構造は何れも正方晶であり、Z結晶面は(001)面であることを確認した。また、PZT膜のz/z0、x/x0、圧電アクチュエーターの圧電定数d33、変位量および圧電アクチュエーターの耐久試験による評価結果を表2に示した。 圧電アクチュエーターの圧電定数d33および変位量においては、比較例4の圧電アクチュエーターは、十分な値を得られなかった。また、比較例5の圧電アクチュエーターは、107回をクリアすることができず、変位量が小さくなることが確認された。さらに、比較例6の圧電アクチュエーターは、107回をクリアすることができず、変位量が小さくなることが確認された。 It was confirmed that the crystal structures of the PZT films of Comparative Examples 4 to 6 were all tetragonal and the Z crystal plane was the (001) plane. In addition, Table 2 shows z / z 0 and x / x 0 of the PZT film, the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric actuator, the amount of displacement, and the evaluation results of the endurance test of the piezoelectric actuator. In the piezoelectric constant d33 and the displacement amount of the piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator of Comparative Example 4 could not obtain a sufficient value. Further, it was confirmed that the piezoelectric actuator of Comparative Example 5 could not clear 10 7 times and the displacement amount was small. Furthermore, it was confirmed that the piezoelectric actuator of Comparative Example 6 could not clear 10 7 times and the displacement amount was small.

≪比較例7≫
実施例7の比較例として次の構成のインクジェットヘッドを作製した。ホウ素(B)をドープした単結晶Si(100)/SiO2/Si構成の基板(各膜厚:2.5μm/1μm/250μm)を用いてSi(100)層の上にMgO(100)膜を0.3μmの厚みで形成した。さらに電極として0.2μmのPt(001)膜を、その上に0.1μmのPT(001)膜を、次に圧電性を有するエピタキシャル強誘電体膜として、比較例4と同じ条件で形成した2μmの膜厚のPZT膜を順番にエピタキシャル成長させ形成した。PZT膜の組成はPb(Zr0.52, Ti0.48)O3とした。さらに、上部電極は、Auをペースト塗布し、圧電アクチュエーター部を作製した。
<< Comparative Example 7 >>
As a comparative example of Example 7, an inkjet head having the following configuration was manufactured. Boron (B) doped single crystal Si (100) / SiO 2 / Si substrate (each film thickness: 2.5μm / 1μm / 250μm) and MgO (100) film on Si (100) layer It was formed with a thickness of 0.3 μm. Further, a 0.2 μm Pt (001) film as an electrode, a 0.1 μm PT (001) film thereon, and then a piezoelectric epitaxial ferroelectric film having a piezoelectric property were formed under the same conditions as in Comparative Example 4. A PZT film having a thickness was formed by epitaxial growth in order. The composition of the PZT film was Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . Furthermore, the upper electrode was coated with Au to produce a piezoelectric actuator part.

上記Si層をSF6とC4F8を用いたプラズマエッチング処理し、圧力室を形成した。その後圧力室の一部をなすSi基板及びノズルプレートを接合し、実施例7と同様のインクジェットヘッドを得た。圧力室の幅は60μm、奥行き2.2mm、圧力室間の隔壁幅は24μmであった。 The Si layer was subjected to plasma etching using SF 6 and C 4 F 8 to form a pressure chamber. Thereafter, the Si substrate and the nozzle plate forming a part of the pressure chamber were joined, and the same ink jet head as in Example 7 was obtained. The width of the pressure chamber was 60 μm, the depth was 2.2 mm, and the partition wall width between the pressure chambers was 24 μm.

次にPZTの基板水平面のXRD- 2θ/θ測定で得られたPZT(004)の回折ピークと、PZTの基板垂直面のXRD-2θχ/φ測定により得られたPZT(400)の回折ピークから正方晶PZTのa軸とc軸の格子定数を算出した。その結果、a = 4.012、c = 4.151となり、z/z0 =c/c0 =1.0012、 x/x0 =a/a0 =0.9940であった。また、単結晶性をXRDにより測定した結果、PZTの結晶構造は正方晶であり、Z結晶面は(001)面であり、その結晶配向度は78% であることを確認した。 Next, from the diffraction peak of PZT (004) obtained by XRD-2θ / θ measurement on the substrate horizontal plane of PZT and the diffraction peak of PZT (400) obtained by XRD-2θχ / φ measurement of the substrate vertical plane of PZT The lattice constant of a-axis and c-axis of tetragonal PZT was calculated. As a result, a = 4.012, c = 4.115, z / z 0 = c / c 0 = 1.0012, and x / x 0 = a / a 0 = 0.9940. As a result of measuring the single crystallinity by XRD, it was confirmed that the crystal structure of PZT was tetragonal, the Z crystal plane was the (001) plane, and the degree of crystal orientation was 78%.

このインクジェットヘッドを用いて、ノズルからのインクの吐出を確認した結果、駆動周波数10kHz で駆動電圧7V で安定したインクの吐出が確認できたが、駆動周波数10kHz で駆動電圧3Vでは安定したインクの吐出が確認できなかった。また、駆動周波数1kHz、0V/30Vの駆動電圧でインク耐久試験を行った結果、107回までの吐出において、複数のノズルでインクの不吐が確認された。 As a result of confirming ink ejection from the nozzle using this inkjet head, stable ink ejection was confirmed at a driving frequency of 10 kHz and a driving voltage of 7 V, but stable ink ejection was achieved at a driving frequency of 10 kHz and a driving voltage of 3 V. Could not be confirmed. Further, the driving frequency 1 kHz, 0V / 30 V results of the ink durability test at a driving voltage of, in the discharge of up to 10 7 times, ink discharge failure was observed in the plurality of nozzles.

Figure 2006173646
Figure 2006173646

表2および上述した結果から、本発明の実施例4〜6の圧電アクチュエーターおよび実施例7のインクジェットヘッドのエピタキシャル強誘電体膜は、z / z0 > 1.003 であり、かつ、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であった。また、結晶配向度は90%以上であった。また、実施例4〜6の圧電アクチュエーターの圧電定数d33は450pC/N以上、変位量は46nm以上であった。さらに実施例4〜6の圧電アクチュエーターは、耐久試験において圧電アクチュエーター部のエピタキシャル強誘電体膜に劣化や剥離などによる変位の減衰は見られなかった。また、上述したように、実施例7のインクジェットヘッドは、107回までの吐出耐久性試験後において、圧電アクチュエーター部のエピタキシャル強誘電体膜の膜剥がれや、吐出不良は見られなかった。 From the results shown in Table 2 and above, the piezoelectric actuators of Examples 4 to 6 of the present invention and the epitaxial ferroelectric film of the ink jet head of Example 7 have z / z 0 > 1.003 and 0.997. ≦ x / x 0 ≦ 1.003. Further, the degree of crystal orientation was 90% or more. The piezoelectric constants d33 of the piezoelectric actuators of Examples 4 to 6 were 450 pC / N or more, and the displacement was 46 nm or more. Further, in the piezoelectric actuators of Examples 4 to 6, no displacement attenuation due to deterioration or peeling was observed in the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator part in the durability test. As described above, the ink-jet head of Example 7, after the ejection durability test up to 10 7 times, film peeling and the epitaxial ferroelectric films of the piezoelectric actuator unit, discharge failure was observed.

これに対し、比較例4の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜は、z / z0 < 1.003であり、比較例4の圧電アクチュエーターの圧電定数d33は347pC/N、変位量は28nmと圧電性が低かった。 On the other hand, the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of Comparative Example 4 has z / z 0 <1.003, the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric actuator of Comparative Example 4 is 347 pC / N, and the displacement is 28 nm. The sex was low.

比較例5の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜は、z / z0 > 1.003であった。このため、比較例5の圧電アクチュエーターの圧電定数d33は505pC/N、変位量は45nmと実施例と同様に大きな圧電性を示したが、x / x0 < 0.997であったため、比較例5の圧電アクチュエーターは、耐久試験において107回をクリアすることができないことが確認された。 The epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of Comparative Example 5 was z / z 0 > 1.003. For this reason, the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric actuator of Comparative Example 5 was 505 pC / N, and the displacement was 45 nm, which was as large as in the example, but x / x 0 <0.997. It was confirmed that 5 piezoelectric actuators could not clear 10 7 times in the durability test.

比較例6の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜は、x / x0 < 0.997であり、PZT膜の(001)面の結晶配向度が80%と低かった。また比較例6の圧電アクチュエーターは、圧電定数d33が375pC/N、変位量が36nmと圧電特性が低く、さらに、耐久試験においては107回をクリアすることができず、変位量が小さくなることが確認された。 The epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of Comparative Example 6 had x / x 0 <0.997, and the crystal orientation degree of the (001) plane of the PZT film was as low as 80%. Further, the piezoelectric actuator of Comparative Example 6 has a piezoelectric constant d33 of 375 pC / N and a displacement amount of 36 nm, which has a low piezoelectric characteristic. Further, in the endurance test, 107 7 times cannot be cleared, and the displacement amount becomes small. Was confirmed.

本発明の強誘電体薄膜素子は、特性の劣化がなく、自発分極も大きく、薄膜化に適しており、不揮発性メモリ等の記憶媒体、記憶装置等にも好適に用いることができる。また本発明の圧電アクチュエータおよび液体吐出ヘッドは、エピタキシャル強誘電体膜の膜剥がれや特性劣化がなく、圧電特性に優れ、インクジェット記録装置等の印刷装置に広く用いることができる。   The ferroelectric thin film element of the present invention has no deterioration in characteristics, has a large spontaneous polarization, is suitable for thinning, and can be suitably used for a storage medium such as a nonvolatile memory, a storage device, and the like. In addition, the piezoelectric actuator and the liquid discharge head of the present invention are free of epitaxial ferroelectric film peeling and characteristic deterioration, have excellent piezoelectric characteristics, and can be widely used in printing apparatuses such as inkjet recording apparatuses.

本発明の実施例1の強誘電体薄膜素子のPZT薄膜のXRDパターン。The XRD pattern of the PZT thin film of the ferroelectric thin film element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の強誘電体薄膜素子のPZT薄膜の電子線回折像。The electron diffraction pattern of the PZT thin film of the ferroelectric thin film element of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例4の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜のXRDパターン。The XRD pattern of the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of Example 4 of this invention. 本発明の実施例4の圧電アクチュエーターのエピタキシャル強誘電体膜の電子線回折像。The electron beam diffraction image of the epitaxial ferroelectric film of the piezoelectric actuator of Example 4 of this invention. 本発明の実施例7のインクジェットヘッドの概略断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an inkjet head according to a seventh embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板のSi層
2 基板のSiO2
3 基板のSi(100)層
4 MgO(100)膜
5 Pt(100)膜
6 PT(001)膜
7 PZT(001)膜
8 Pt膜
9 圧電アクチュエーター部
10 振動板
11 本体部
12 液体(インク)吐出口
13 液体(インク)供給部
14 ノズル
15 圧力室
1 Si layer of substrate 2 SiO 2 layer of substrate 3 Si (100) layer of substrate 4 MgO (100) film 5 Pt (100) film 6 PT (001) film 7 PZT (001) film 8 Pt film 9 Piezoelectric actuator part DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Diaphragm 11 Main-body part 12 Liquid (ink) discharge port 13 Liquid (ink) supply part 14 Nozzle 15 Pressure chamber

Claims (25)

基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体薄膜とを備えた強誘電体薄膜素子において、
前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、
該エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、
前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体薄膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体薄膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする強誘電体薄膜素子。
In a ferroelectric thin film element comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric thin film provided on the substrate,
The epitaxial ferroelectric thin film is
Of the crystal planes of the epitaxial ferroelectric thin film, a crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is a Z crystal plane, and a plane interval of the Z crystal plane is z, and the bulk of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film when the distance between the Z crystal face in a state set to z 0, a z / z 0> 1.003,
One crystal plane of the epitaxial ferroelectric thin film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and the plane spacing of the X crystal plane is defined as x, in the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric thin film. A ferroelectric thin film element characterized in that 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003, where x 0 is the spacing between X crystal planes.
前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、2〜100nmの膜厚を有することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has a thickness of 2 to 100 nm. 前記基板と前記エピタキシャル強誘電体薄膜の間に、更に、少なくとも1層のバッファ層を備えたことを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, further comprising at least one buffer layer between the substrate and the epitaxial ferroelectric thin film. 前記基板または前記バッファ層の少なくとも1層が、導電性を有することを特徴とする請求項3に記載の強誘電体薄膜素子。   The ferroelectric thin film element according to claim 3, wherein at least one of the substrate and the buffer layer has conductivity. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜の前記Z結晶面に対するX線入射角をθとし、2θ/θ法によって測定したZ結晶面の結晶配向度が、90%以上であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The crystal orientation degree of the Z crystal plane measured by the 2θ / θ method is 90% or more, wherein an X-ray incident angle with respect to the Z crystal plane of the epitaxial ferroelectric thin film is θ. The ferroelectric thin film element described. 前記Z結晶面の結晶配向度が、99%以上であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the crystal orientation degree of the Z crystal plane is 99% or more. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、ペロブスカイト型構造を有することを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has a perovskite type structure. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、その構成原子として鉛(Pb)原子または酸素(O)原子を含むことを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film contains lead (Pb) atoms or oxygen (O) atoms as constituent atoms. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、正方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(001)面であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has a tetragonal crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (001) plane. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、菱面体晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(111)面であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has a rhombohedral crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (111) plane. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、六方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(0001)面であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has a hexagonal crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (0001) plane. 前記エピタキシャル強誘電体薄膜が、斜方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(011)面であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜素子。   2. The ferroelectric thin film element according to claim 1, wherein the epitaxial ferroelectric thin film has an orthorhombic crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (011) plane. 基板と該基板上に設けられたエピタキシャル強誘電体膜とを備えた圧電アクチュエーターにおいて、
前記エピタキシャル強誘電体膜が、
該エピタキシャル強誘電体膜の結晶面のうち、前記基板表面の結晶面に平行な結晶面をZ結晶面、該Z結晶面の面間隔をzとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのZ結晶面の面間隔をz0としたとき、z / z0 > 1.003であり、
前記Z結晶面に垂直な前記エピタキシャル強誘電体膜の結晶面の一つの結晶面をX結晶面、該X結晶面の面間間隔をxとし、前記エピタキシャル強誘電体膜の構成材料のバルク状態でのX結晶面の面間隔をx0としたとき、0.997 ≦ x / x0 ≦ 1.003であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
In a piezoelectric actuator comprising a substrate and an epitaxial ferroelectric film provided on the substrate,
The epitaxial ferroelectric film is
Of the crystal planes of the epitaxial ferroelectric film, a crystal plane parallel to the crystal plane of the substrate surface is a Z crystal plane, and a plane interval of the Z crystal plane is z, and the bulk of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film Z / z 0 > 1.003, where z 0 is the spacing between the Z crystal faces in the state,
One crystal plane of the epitaxial ferroelectric film perpendicular to the Z crystal plane is defined as an X crystal plane, and an interval between the X crystal planes is defined as x, and the bulk state of the constituent material of the epitaxial ferroelectric film A piezoelectric actuator characterized in that 0.997 ≦ x / x 0 ≦ 1.003, where x 0 is the spacing between X crystal planes.
前記エピタキシャル強誘電体膜が、100nm〜10μmの膜厚を有することを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has a thickness of 100 nm to 10 [mu] m. 前記基板と前記エピタキシャル強誘電体膜の間に、更に、少なくとも1層のバッファ層を備えたことを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, further comprising at least one buffer layer between the substrate and the epitaxial ferroelectric film. 前記基板または前記バッファ層の少なくとも1層が、導電性を有することを特徴とする請求項15に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 15, wherein at least one of the substrate and the buffer layer has conductivity. 前記エピタキシャル強誘電体膜の前記Z結晶面に対するX線入射角をθとし、2θ/θ法によって測定したZ結晶面の結晶配向度が、90%以上であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   The X-ray incident angle with respect to the Z crystal plane of the epitaxial ferroelectric film is θ, and the crystal orientation degree of the Z crystal plane measured by the 2θ / θ method is 90% or more. The described piezoelectric actuator. 前記Z結晶面の結晶配向度が、99%以上であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the crystal orientation degree of the Z crystal plane is 99% or more. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、ペロブスカイト型構造を有することを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has a perovskite structure. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、その構成原子として鉛(Pb)原子または酸素(O)原子を含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film contains lead (Pb) atoms or oxygen (O) atoms as constituent atoms. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、正方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(001)面であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has a tetragonal crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (001) plane. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、菱面体晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(111)面であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has a rhombohedral crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (111) plane. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、六方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(0001)面であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has a hexagonal crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (0001) plane. 前記エピタキシャル強誘電体膜が、斜方晶系の結晶構造を有し、そのZ結晶面が(011)面であることを特徴とする請求項13に記載の圧電アクチュエーター。   14. The piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the epitaxial ferroelectric film has an orthorhombic crystal structure, and a Z crystal plane thereof is a (011) plane. 請求項13に記載の圧電アクチュエーターを用いて液体を吐出する液体吐出ヘッド。

A liquid ejection head that ejects liquid using the piezoelectric actuator according to claim 13.

JP2006020875A 2003-02-07 2006-01-30 Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, and liquid discharge head Expired - Fee Related JP4689482B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006020875A JP4689482B2 (en) 2003-02-07 2006-01-30 Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, and liquid discharge head

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003031680 2003-02-07
JP2003031669 2003-02-07
JP2003031669 2003-02-07
JP2003031680 2003-02-07
JP2006020875A JP4689482B2 (en) 2003-02-07 2006-01-30 Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, and liquid discharge head

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004032068A Division JP3907628B2 (en) 2003-02-07 2004-02-09 Piezoelectric actuator, manufacturing method thereof, and liquid discharge head

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2006173646A true JP2006173646A (en) 2006-06-29
JP2006173646A5 JP2006173646A5 (en) 2007-05-31
JP4689482B2 JP4689482B2 (en) 2011-05-25

Family

ID=36673971

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006020875A Expired - Fee Related JP4689482B2 (en) 2003-02-07 2006-01-30 Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, and liquid discharge head

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4689482B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011238774A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Nippon Signal Co Ltd:The Manufacturing method of piezoelectric element
JP2013129100A (en) * 2011-12-21 2013-07-04 Seiko Epson Corp Liquid jet head and liquid jet device
US11135844B2 (en) 2019-04-19 2021-10-05 Seiko Epson Corporation Liquid discharge head and printer

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0937392A (en) * 1995-07-21 1997-02-07 Hitachi Constr Mach Co Ltd Piezoelectric element and its manufacture
JPH10223476A (en) * 1997-02-07 1998-08-21 Tdk Corp Ferroelectric thin film and its manufacture
JP2000256098A (en) * 1999-03-10 2000-09-19 Tdk Corp Multilayer thin film
JP2001080995A (en) * 1999-09-07 2001-03-27 Seiko Epson Corp Ferroelectric element, non-volatile feproelectric memory element, ink jet type recording head and its production as well as ink jet printer
JP2001313429A (en) * 2000-04-27 2001-11-09 Tdk Corp Laminated thin film and manufacturing method for the same, and electronic device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0937392A (en) * 1995-07-21 1997-02-07 Hitachi Constr Mach Co Ltd Piezoelectric element and its manufacture
JPH10223476A (en) * 1997-02-07 1998-08-21 Tdk Corp Ferroelectric thin film and its manufacture
JP2000256098A (en) * 1999-03-10 2000-09-19 Tdk Corp Multilayer thin film
JP2001080995A (en) * 1999-09-07 2001-03-27 Seiko Epson Corp Ferroelectric element, non-volatile feproelectric memory element, ink jet type recording head and its production as well as ink jet printer
JP2001313429A (en) * 2000-04-27 2001-11-09 Tdk Corp Laminated thin film and manufacturing method for the same, and electronic device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011238774A (en) * 2010-05-11 2011-11-24 Nippon Signal Co Ltd:The Manufacturing method of piezoelectric element
JP2013129100A (en) * 2011-12-21 2013-07-04 Seiko Epson Corp Liquid jet head and liquid jet device
US11135844B2 (en) 2019-04-19 2021-10-05 Seiko Epson Corporation Liquid discharge head and printer

Also Published As

Publication number Publication date
JP4689482B2 (en) 2011-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7215067B2 (en) Ferroelectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head
JP4717344B2 (en) Dielectric thin film element, piezoelectric actuator, and liquid discharge head
KR100978145B1 (en) Epitaxial oxide film, piezoelectric film, piezoelectric film element, and liquid delivery head and liquid delivery apparatus using piezoelectric element
JP5300184B2 (en) Piezoelectric body, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the piezoelectric element
KR100485551B1 (en) Structure of piezoelectric element and liquid discharge recording head, and method of manufacture therefor
EP1585180B1 (en) Dielectric member, piezoelectric member, ink jet head, ink jet recording apparatus, and production methods thereof
US7521845B2 (en) Piezoelectric substance, piezoelectric element, liquid discharge head using piezoelectric element, and liquid discharge apparatus
US7759846B2 (en) Piezoelectric device, process for driving for driving the piezoelectric device, and piezoelectric actuator
JP5164052B2 (en) Piezoelectric element, liquid discharge head, and liquid discharge apparatus
KR100672883B1 (en) Piezoelectric element
JP2005175099A5 (en)
JP5241087B2 (en) Piezoelectric body, piezoelectric element, liquid discharge head using the piezoelectric element, liquid discharge apparatus, and method for manufacturing the piezoelectric element
JP5241086B2 (en) Piezoelectric body, piezoelectric element, liquid ejection head and liquid ejection apparatus using the piezoelectric element
US20070090728A1 (en) Piezoelectric substance, piezoelectric substance element, liquid discharge head, liquid discharge device and method for producing piezoelectric substance
JP2003309299A (en) MULTILAYER HAVING SINGLE CRYSTAL OXIDE CONDUCTOR ON Si SUBSTRATE, ACTUATOR AND INK JET HEAD EMPLOYING IT, AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP3828116B2 (en) Piezoelectric element
JP3907628B2 (en) Piezoelectric actuator, manufacturing method thereof, and liquid discharge head
JP2007112069A (en) Liquid discharge head
JP2005223318A (en) Dielectric element, piezoelectric element, ink-jet head, and manufacturing method therefor
JP2005119166A (en) Piezoelectric element, inkjet head, method of manufacturing the same, and inkjet recorder
JP4689482B2 (en) Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, and liquid discharge head
JP5398131B2 (en) Piezoelectric element, method for manufacturing piezoelectric body, and liquid jet head
JP2007088445A (en) Piezoelectric, piezoelectric element, liquid ejection head, liquid ejector and process for producing piezoelectric
JP3903056B2 (en) Method for manufacturing piezoelectric element and method for manufacturing liquid jet recording head
JP2004128174A (en) Actuator and liquid injection head

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070209

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070410

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110208

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110216

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4689482

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140225

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees