JP2006269391A - Manufacturing method of ferroelectric thin film and manufacturing method of piezoelectric element as well as composition for ferroelectric thin film formation - Google Patents

Manufacturing method of ferroelectric thin film and manufacturing method of piezoelectric element as well as composition for ferroelectric thin film formation Download PDF

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宏行 亀井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a ferroelectric thin film with excellent ferroelectric characteristics without microcrystalline particles in the film, a manufacturing method of piezoelectric element, and a composition for formation of a ferroelectric thin film. <P>SOLUTION: In the method, a precursor film made of a composition for forming a ferroelectric thin film at least containing colloidal solution containing at least Pb as a material constituting the ferroelectric thin film and a carbon material is formed on an object for treatment, and is crystallized to form the ferroelectric thin film, at which time, a temperature-raising speed is to be 120°C/sec or more. Further, the manufacturing method of the piezoelectric element and the composition for formation of the ferroelectric thin film are also disclosed. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電体薄膜等からなる強誘電体薄膜の製造方法、及びこの強誘電体薄膜の製造方法により実現される圧電素子の製造方法、並びに強誘電体薄膜を形成するのに用いられる強誘電体薄膜形成用組成物に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric thin film composed of a piezoelectric thin film, a method for manufacturing a piezoelectric element realized by the method for manufacturing a ferroelectric thin film, and a strong film used for forming a ferroelectric thin film. The present invention relates to a composition for forming a dielectric thin film.

チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等に代表される結晶を含む強誘電体薄膜は、自発分極、高誘電率、電気光学効果、圧電効果、焦電効果等を有しているため、圧電素子等の広範なデバイス開発に応用されている。このような強誘電体薄膜は、例えば、Pb化合物を含む水溶液にポリエチレングリコール等の多価アルコールを添加して得た強誘電体薄膜形成用組成物(前駆体)を基板上に塗布した後、これを乾燥して焼成することにより形成される(例えば、特許文献1参照)。   Ferroelectric thin films containing crystals typified by lead zirconate titanate (PZT) have spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, pyroelectric effect, etc. It is applied to a wide range of device development. Such a ferroelectric thin film, for example, after applying a ferroelectric thin film forming composition (precursor) obtained by adding a polyhydric alcohol such as polyethylene glycol to an aqueous solution containing a Pb compound on a substrate, It is formed by drying and baking this (for example, refer patent document 1).

ここで、強誘電体薄膜形成用組成物には、強誘電体薄膜にクラックが生じるのを防止するために多価アルコール等の高分子有機化合物が含まれており、このような強誘電体薄膜形成用組成物により形成される強誘電体薄膜中には、多数の微結晶粒子が散在している。このため、このような多数の微結晶粒子が散在した強誘電体薄膜は、微結晶粒子によって結晶化が阻害され、膜質が悪くなる。そして、この強誘電体薄膜を有する圧電素子では、高い圧電特性が得られないという問題がある(例えば、特許文献2参照)。   Here, the composition for forming a ferroelectric thin film contains a polymer organic compound such as a polyhydric alcohol in order to prevent the ferroelectric thin film from cracking. Such a ferroelectric thin film A large number of microcrystalline particles are scattered in the ferroelectric thin film formed by the forming composition. For this reason, in the ferroelectric thin film in which such a large number of microcrystalline particles are scattered, crystallization is inhibited by the microcrystalline particles and the film quality is deteriorated. In addition, the piezoelectric element having this ferroelectric thin film has a problem that high piezoelectric characteristics cannot be obtained (see, for example, Patent Document 2).

特開平10−100425号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent Laid-Open No. 10-100500 (Claims) 特開平11−307834号公報(段落[0012])Japanese Patent Laid-Open No. 11-307834 (paragraph [0012])

本発明はこのような事情に鑑み、膜中に微結晶粒子が無く、優れた強誘電特性を有する強誘電体薄膜の製造方法及び圧電素子の製造方法並びに強誘電体薄膜形成用組成物を提供することを課題とする。   In view of such circumstances, the present invention provides a method of manufacturing a ferroelectric thin film, a method of manufacturing a piezoelectric element, and a composition for forming a ferroelectric thin film having no ferroelectric crystal characteristics in the film and having excellent ferroelectric characteristics. The task is to do.

上記課題を解決する本発明の第1の態様は、強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有する強誘電体薄膜形成用組成物からなる前駆体膜を被対象物上に形成すると共に前記前駆体膜を結晶化させて前記強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第1の態様では、前駆体膜を結晶化させて強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、これによって前駆体膜内部から発生する結晶核の生成速度よりも被対象物表面から発生する結晶核の生成速度が高められ、膜中に微結晶粒子が無く、優れた強誘電特性を有する強誘電体薄膜を形成することができる。
A first aspect of the present invention that solves the above problems is a precursor comprising a ferroelectric thin film forming composition containing at least a colloidal solution containing at least Pb as a material constituting the ferroelectric thin film and a carbon material. A ferroelectric thin film characterized by forming a film on an object and crystallizing the precursor film to form the ferroelectric thin film at a heating rate of 120 ° C./sec or more. In the manufacturing method.
In the first aspect, by forming the ferroelectric thin film by crystallizing the precursor film at a rate of temperature rise of 120 ° C./sec or more, generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is achieved. Delayed by the carbon material contained in the precursor film, this increases the rate of crystal nuclei generated from the surface of the object rather than the rate of crystal nuclei generated from inside the precursor film, and microcrystals in the film A ferroelectric thin film having no particles and having excellent ferroelectric properties can be formed.

本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記強誘電体薄膜を形成する工程は、前記前駆体膜を焼成する焼成工程を少なくとも含み、前記前駆体膜の焼成によって前記前駆体膜の結晶化が開始されることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第2の態様では、少なくとも焼成工程における昇温速度を120℃/sec以上とすることで、脱脂を終了した非晶質(アモルファス)の前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、膜中に微結晶粒子が無く、優れた強誘電特性を有する強誘電体薄膜を形成することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the step of forming the ferroelectric thin film includes at least a firing step of firing the precursor film, and the precursor film is obtained by firing the precursor film. In the method of manufacturing a ferroelectric thin film, the crystallization of is started.
In the second aspect, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the amorphous precursor film that has been degreased is set to a precursor by setting the temperature rising rate at least in the firing step to 120 ° C./sec or more. A ferroelectric thin film that is delayed by the carbon material contained in the film, has no microcrystalline particles in the film, and has excellent ferroelectric characteristics can be formed.

本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記炭素材料が、カーボンブラック、すす、カーボンウィスカ、ガラス状カーボン、カーボンファイバ、コークス、黒鉛、活性炭、気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノチューブ、及びフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第3の態様では、強誘電体薄膜形成用組成物にこれら特定の炭素材料を含ませることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成を効果的に遅延させることができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the carbon material is carbon black, soot, carbon whisker, glassy carbon, carbon fiber, coke, graphite, activated carbon, vapor grown carbon fiber, meso The ferroelectric thin film manufacturing method is characterized by being at least one selected from the group consisting of carbon microbeads, carbon microcoils, carbon nanotubes, and fullerenes.
In the third aspect, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film can be effectively delayed by including these specific carbon materials in the composition for forming a ferroelectric thin film.

本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、高分子有機材料をさらに含有することを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第4の態様では、強誘電体薄膜にクラックが生じるのを有効に防止することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a ferroelectric thin film according to any one of the first to third aspects, further comprising a polymer organic material.
In the fourth aspect, cracks can be effectively prevented from occurring in the ferroelectric thin film.

本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、前記炭素材料が、微小粒子であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第5の態様では、炭素材料を微小粒子とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a ferroelectric thin film according to any one of the first to fourth aspects, wherein the carbon material is a fine particle.
In the fifth aspect, by making the carbon material into fine particles, generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. Can be effectively prevented.

本発明の第6の態様は、第5の態様において、前記炭素材料の粒子直径が、50nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第6の態様では、炭素材料の粒子直径を50nm以下とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成がより効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
A sixth aspect of the present invention is the method for producing a ferroelectric thin film according to the fifth aspect, wherein the carbon material has a particle diameter of 50 nm or less.
In the sixth aspect, by making the particle diameter of the carbon material 50 nm or less, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. It is possible to effectively prevent the formation.

本発明の第7の態様は、第6の態様において、前記炭素材料の粒子直径が、10nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第7の態様では、炭素材料の粒子直径を10nm以下とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成がより効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
A seventh aspect of the present invention is the method for producing a ferroelectric thin film according to the sixth aspect, wherein the carbon material has a particle diameter of 10 nm or less.
In the seventh aspect, by making the particle diameter of the carbon material 10 nm or less, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. It is possible to effectively prevent the formation.

本発明の第8の態様は、第1〜7の何れかの態様において、前記強誘電体薄膜形成用組成物に含まれる炭素原子の含有量が前記Pb原子1molに対して0.1〜10molであることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第8の態様では、強誘電体薄膜形成用組成物に含まれる炭素原子の含有量を所定の範囲内とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成をより効果的に遅延化しつつ、強誘電体薄膜中に炭素原子が残留するのを有効に防止することができる。
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, a content of carbon atoms contained in the composition for forming a ferroelectric thin film is 0.1 to 10 mol with respect to 1 mol of the Pb atom. The method of manufacturing a ferroelectric thin film is characterized in that:
In the eighth aspect, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed by making the content of carbon atoms contained in the composition for forming a ferroelectric thin film within a predetermined range. Thus, carbon atoms can be effectively prevented from remaining in the ferroelectric thin film.

本発明の第9の態様は、第1〜8の何れかの態様において、前記強誘電体薄膜を構成する金属としてZr及びTiをさらに含むことを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法にある。
かかる第9の態様では、良質な膜質で且つ優れた強誘電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる強誘電体薄膜を形成することができる。
A ninth aspect of the present invention is the method for producing a ferroelectric thin film according to any one of the first to eighth aspects, further comprising Zr and Ti as metals constituting the ferroelectric thin film. .
In the ninth aspect, it is possible to form a ferroelectric thin film made of lead zirconate titanate (PZT) having good film quality and excellent ferroelectric characteristics.

本発明の第10の態様は、基板の一方面側に下電極を形成する工程と、前記下電極上に強誘電体薄膜からなる圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に上電極を形成する工程とを少なくとも含み、前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に前記強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有する強誘電体薄膜形成用組成物からなる前駆体膜を形成すると共に前記前駆体膜を結晶化させて前記強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第10の態様では、前駆体膜を結晶化させて強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、これによって前駆体膜内部から発生する結晶核の生成速度よりも下電極表面から発生する結晶核の生成速度が高められ、膜中に微結晶粒子が無く、優れた圧電特性を有する圧電素子(圧電体層)を形成することができる。
A tenth aspect of the present invention includes a step of forming a lower electrode on one side of the substrate, a step of forming a piezoelectric layer made of a ferroelectric thin film on the lower electrode, and an upper surface of the piezoelectric layer. At least a step of forming an electrode, and in the step of forming the piezoelectric layer, at least a colloidal solution containing at least Pb as a material constituting the ferroelectric thin film and a carbon material are included on the lower electrode. A precursor film made of a composition for forming a ferroelectric thin film is formed, and the temperature rise rate when forming the ferroelectric thin film by crystallizing the precursor film is 120 ° C./sec or more. A method of manufacturing the piezoelectric element.
In the tenth aspect, by generating a ferroelectric thin film by crystallizing the precursor film at a rate of temperature rise of 120 ° C./sec or more, generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is achieved. Delayed by the carbon material contained in the precursor film, this increases the rate of formation of crystal nuclei generated from the surface of the lower electrode than the rate of formation of crystal nuclei generated from inside the precursor film. Therefore, a piezoelectric element (piezoelectric layer) having excellent piezoelectric characteristics can be formed.

本発明の第11の態様は、第10の態様において、前記圧電体層を形成する工程は、前記前駆体膜を焼成する焼成工程を少なくとも含み、前記前駆体膜の焼成によって前記前駆体膜の結晶化が開始されることを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる第11の態様では、少なくとも焼成工程における昇温速度を120℃/sec以上とすることで、非晶質(アモルファス)の前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、膜中に微結晶粒子が無く、優れた圧電特性を有する圧電素子を形成することができる。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect, the step of forming the piezoelectric layer includes at least a baking step of baking the precursor film, and the precursor film is formed by baking the precursor film. In the method of manufacturing a piezoelectric element, crystallization is started.
In the eleventh aspect, the precursor film includes generation of crystal nuclei generated from the inside of the amorphous precursor film by setting the temperature rising rate at least in the firing step to 120 ° C./sec or more. A piezoelectric element which is delayed by the carbon material, has no microcrystalline particles in the film, and has excellent piezoelectric characteristics can be formed.

本発明の第12の態様は、強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有することを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第12の態様では、被対象物上に強誘電体薄膜形成用組成物からなる前駆体膜を形成した後、それを結晶化させる際に、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、膜中に微結晶粒子が無く、優れた強誘電特性を有する強誘電体薄膜を形成することができる。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a composition for forming a ferroelectric thin film, comprising at least a colloidal solution containing at least Pb as a material constituting the ferroelectric thin film and a carbon material.
In the twelfth aspect, when a precursor film made of a ferroelectric thin film forming composition is formed on an object and then crystallized, a crystal nucleus generated from the inside of the precursor film is generated. A ferroelectric thin film that is delayed by the carbon material contained in the precursor film, has no microcrystalline particles in the film, and has excellent ferroelectric characteristics can be formed.

本発明の第13の態様は、第12の態様において、前記炭素材料が、カーボンブラック、すす、カーボンウィスカ、ガラス状カーボン、カーボンファイバ、コークス、黒鉛、活性炭、気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノチューブ、及びフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第13の態様では、強誘電体薄膜形成用組成物にこれら特定の炭素材料を含ませることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成を効果的に遅延させることができる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect, the carbon material is carbon black, soot, carbon whisker, glassy carbon, carbon fiber, coke, graphite, activated carbon, vapor grown carbon fiber, mesocarbon micro. The composition for forming a ferroelectric thin film is at least one selected from the group consisting of beads, carbon microcoils, carbon nanotubes, and fullerenes.
In the thirteenth aspect, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film can be effectively delayed by including these specific carbon materials in the composition for forming a ferroelectric thin film.

本発明の第14の態様は、第12又は13の態様において、高分子有機材料をさらに含有することを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第14の態様では、強誘電体薄膜にクラックが生じるのを有効に防止することができる。
A fourteenth aspect of the present invention is the ferroelectric thin film forming composition according to the twelfth or thirteenth aspect, further comprising a polymer organic material.
In the fourteenth aspect, cracks can be effectively prevented from occurring in the ferroelectric thin film.

本発明の第15の態様は、第12〜14の何れかの態様において、前記炭素材料が、微小粒子であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第15の態様では、炭素材料を微小粒子とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
A fifteenth aspect of the present invention is the ferroelectric thin film forming composition according to any one of the twelfth to fourteenth aspects, wherein the carbon material is a fine particle.
In the fifteenth aspect, by forming the carbon material into fine particles, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. Can be effectively prevented.

本発明の第16の態様は、第15の態様において、前記炭素材料の粒子直径が、50nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第16の態様では、炭素材料の粒子直径を50nm以下とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成がより効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
A sixteenth aspect of the present invention is the ferroelectric thin film forming composition according to the fifteenth aspect, wherein the carbon material has a particle diameter of 50 nm or less.
In the sixteenth aspect, when the particle diameter of the carbon material is 50 nm or less, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. It is possible to effectively prevent the formation.

本発明の第17の態様は、第16の態様において、前記炭素材料の粒子直径が、10nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第17の態様では、炭素材料の粒子直径を10nm以下とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成がより効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。
A seventeenth aspect of the present invention is the ferroelectric thin film forming composition according to the sixteenth aspect, wherein the carbon material has a particle diameter of 10 nm or less.
In the seventeenth aspect, when the particle diameter of the carbon material is 10 nm or less, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. It is possible to effectively prevent the formation.

本発明の第18の態様は、第12〜17の何れかの態様において、炭素原子の含有量が、前記Pb原子1molに対して0.1〜10molであることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第18の態様では、炭素原子の含有量を所定の範囲内とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成をより効果的に遅延化しつつ、強誘電体薄膜中に炭素原子が残留するのを有効に防止することができる。
An eighteenth aspect of the present invention is the ferroelectric thin film according to any one of the twelfth to seventeenth aspects, wherein the carbon atom content is 0.1 to 10 mol with respect to 1 mol of the Pb atom. In the forming composition.
In the eighteenth aspect, by setting the content of carbon atoms within a predetermined range, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and the carbon atoms are contained in the ferroelectric thin film. Can be effectively prevented from remaining.

本発明の第19の態様は、第12〜18の何れかの態様において、前記強誘電体薄膜を構成する金属としてZr及びTiをさらに含むことを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物にある。
かかる第19の態様では、良質な膜質で且つ優れた強誘電特性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる強誘電体薄膜を形成することができる。
A nineteenth aspect of the present invention provides the composition for forming a ferroelectric thin film according to any one of the twelfth to eighteenth aspects, further comprising Zr and Ti as metals constituting the ferroelectric thin film. is there.
In the nineteenth aspect, a ferroelectric thin film made of lead zirconate titanate (PZT) having good film quality and excellent ferroelectric characteristics can be formed.

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の強誘電体薄膜形成用組成物は、強誘電体薄膜を形成するのに用いられるコロイド溶液(ゾル)を含有しており、具体的には、強誘電体薄膜を構成する材料となる金属材料(例えば、有機金属化合物等)としてPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有したものからなる。このような強誘電体薄膜形成用組成物は、被対象物上に供給(例えば、塗布等)されて前駆体膜を形成した後、この前駆体膜を結晶化させることで強誘電体薄膜を形成するものである。そして、本発明では、このように前駆体膜を結晶化させて強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、膜中に微結晶粒子が殆ど存在せず、優れた強誘電特性を有する強誘電体薄膜を形成することができるという効果を奏するものである。ここで「強誘電体薄膜中に形成される微結晶粒子」とは、直接的に強誘電特性に寄与する強誘電体薄膜の主結晶(柱状結晶)とは異なる結晶粒子であり且つ主結晶よりも小さい結晶粒子のことであり、強誘電体薄膜中にこの微結晶粒子が多く存在すると膜全体の強誘電特性を低減させてしまう。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
The composition for forming a ferroelectric thin film of the present invention contains a colloidal solution (sol) used to form a ferroelectric thin film, and specifically becomes a material constituting the ferroelectric thin film. As a metal material (for example, an organometallic compound or the like), it comprises a colloidal solution containing at least Pb and a carbon material. Such a composition for forming a ferroelectric thin film is supplied (for example, coated) on an object to form a precursor film, and then crystallizing the precursor film to form a ferroelectric thin film. To form. In the present invention, the temperature rise rate when the ferroelectric film is formed by crystallization of the precursor film in this way is set to 120 ° C./sec or more, so that the crystal nuclei generated from the inside of the precursor film are increased. Production is delayed by the carbon material contained in the precursor film, and there is an effect that a ferroelectric thin film having excellent ferroelectric characteristics can be formed with almost no microcrystalline particles in the film. is there. Here, the “microcrystalline particles formed in the ferroelectric thin film” are crystal grains different from the main crystal (columnar crystal) of the ferroelectric thin film that directly contributes to the ferroelectric characteristics, and from the main crystal. Is a small crystal particle, and if there are many fine crystal particles in the ferroelectric thin film, the ferroelectric characteristics of the entire film are reduced.

本発明の強誘電体薄膜形成用組成物は、強誘電体薄膜を構成する材料となる金属の少なくとも1種を核とする錯体、この錯体が2種類以上集合したクラスター錯体、又はこれらの錯体が凝集したコロイド凝集物を含むコロイド溶液を含有している。なお、錯体としては、強誘電体薄膜を構成する材料となる金属を核とし、これに、例えば、アルコール類、酢酸、アセチルアセトナート、水(OH)、アミン類等に起因する配位子が結合したものが挙げられる。   The composition for forming a ferroelectric thin film of the present invention comprises a complex having at least one metal as a core constituting a material for a ferroelectric thin film, a cluster complex in which two or more of these complexes are assembled, or a complex thereof. Contains a colloidal solution containing agglomerated colloidal aggregates. In addition, as a complex, the metal which becomes a material which comprises a ferroelectric thin film serves as a nucleus, and this includes, for example, a ligand derived from alcohols, acetic acid, acetylacetonate, water (OH), amines, and the like. The combination is mentioned.

例えば、強誘電体薄膜形成用組成物に含まれる金属がPb、Zr及びTiである場合、すなわち、PZT薄膜形成用組成物のコロイド溶液においては、各種のコロイド粒子、具体的には、Pbを単独で含むコロイド粒子(例えば、酢酸鉛からなるコロイド粒子)、PbとZrとを含むコロイド粒子(例えば、水分子により安定化された酢酸鉛とジルコニウムアセチルアセトナートとからなるコロイド粒子)、及びPbとTiとを含むコロイド粒子(例えば、アミン類でキレート安定化されたチタニウムアルコキシド類と酢酸鉛とからなるコロイド粒子)のそれぞれを含有している。   For example, when the metal contained in the ferroelectric thin film forming composition is Pb, Zr and Ti, that is, in the colloid solution of the PZT thin film forming composition, various colloidal particles, specifically, Pb is added. Colloidal particles containing alone (eg, colloidal particles consisting of lead acetate), colloidal particles containing Pb and Zr (eg, colloidal particles consisting of lead acetate and zirconium acetylacetonate stabilized by water molecules), and Pb And colloidal particles containing Ti (for example, colloidal particles composed of titanium alkoxides chelated and stabilized with amines and lead acetate).

ここで、本発明においては、このような強誘電体薄膜形成用組成物に含ませる炭素材料として、例えば、カーボンブラック、すす、カーボンウィスカ、ガラス状カーボン、カーボンファイバ、コークス、黒鉛、活性炭、気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノチューブ、及びフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。このように、強誘電体薄膜形成用組成物にこれら特定の炭素材料を含ませることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成を効果的に遅延させることができる。   Here, in the present invention, as the carbon material to be included in such a composition for forming a ferroelectric thin film, for example, carbon black, soot, carbon whisker, glassy carbon, carbon fiber, coke, graphite, activated carbon, gas It is preferably at least one selected from the group consisting of phase-grown carbon fibers, mesocarbon microbeads, carbon microcoils, carbon nanotubes, and fullerenes. Thus, by including these specific carbon materials in the composition for forming a ferroelectric thin film, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film can be effectively delayed.

また、炭素材料としては、微小粒子であることが好ましく、具体的には、炭素材料の粒子直径が、50nm以下、好ましくは、10nm以下の微小粒子であるのがよい。このように炭素材料の粒子直径を所定値以下にすることで、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成がより効果的に遅延化され、強誘電体薄膜中に微細結晶粒子が形成されるのを有効に防止することができる。   The carbon material is preferably fine particles. Specifically, the carbon material may have a particle diameter of 50 nm or less, preferably 10 nm or less. Thus, by making the particle diameter of the carbon material not more than a predetermined value, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is more effectively delayed, and fine crystal particles are formed in the ferroelectric thin film. Can be effectively prevented.

さらに、本発明では、強誘電体薄膜形成用組成物に含ませる炭素材料の含有量は、炭素原子の含有量が、Pb原子1molに対して0.1〜10mol、好ましくは、3〜7mol、より好ましくは5molであるのがよい。炭素材料の含有量に下限値を設定したのは、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成をより効果的に遅延化させるためであり、上限値を設定したのは、強誘電体薄膜中に炭素原子が残留するのを有効に防止するためである。   Furthermore, in the present invention, the content of the carbon material to be included in the composition for forming a ferroelectric thin film is such that the content of carbon atoms is 0.1 to 10 mol, preferably 3 to 7 mol, relative to 1 mol of Pb atoms. More preferably, it is 5 mol. The lower limit was set for the carbon material content in order to more effectively delay the formation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film, and the upper limit was set in the ferroelectric thin film. This is to effectively prevent carbon atoms from remaining on the surface.

また、本発明では、上述した強誘電体薄膜形成用組成物が高分子有機材料を含有させておくのが好ましい。これは、強誘電体薄膜にクラックが生じるのを有効に防止することができるからである。なお、高分子有機材料としては、例えば、ポリエチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコールが挙げられる。   In the present invention, it is preferable that the above-mentioned composition for forming a ferroelectric thin film contains a polymer organic material. This is because it is possible to effectively prevent cracks in the ferroelectric thin film. Examples of the polymer organic material include polyhydric alcohols such as polyethylene glycol, diethylene glycol, and glycerin.

ここで、このような高分子有機材料は、強誘電体薄膜形成用組成物に単独で含まれていると、膜中に多数の微結晶粒子が形成される原因となるが、本発明では、この高分子有機材料の他に、炭素材料を含有させているため、この炭素材料によって膜中に微結晶粒子が形成されることを有効に防止している。したがって、強誘電体薄膜形成用組成物に高分子有機材料と炭素材料とを共存させることで、高分子有機材料によって強誘電体薄膜にクラックが生じるのを有効に防止しつつ、炭素材料によって膜中に微結晶粒子が形成されることを有効に防止することができる。また、このように高分子有機材料を含有させることで、1層あたりの前駆体膜の膜厚を比較的厚く形成することができ、所望の膜厚の強誘電体薄膜を形成するための成膜プロセスを簡略化することができる。   Here, when such a macromolecular organic material is contained alone in the composition for forming a ferroelectric thin film, it causes a large number of microcrystalline particles to be formed in the film. Since the carbon material is contained in addition to the polymer organic material, the carbon material effectively prevents the formation of microcrystalline particles in the film. Accordingly, the coexistence of the polymer organic material and the carbon material in the composition for forming a ferroelectric thin film effectively prevents the ferroelectric thin film from being cracked by the polymer organic material, while the film is made of the carbon material. It is possible to effectively prevent the formation of microcrystalline particles therein. In addition, by including the polymer organic material in this way, the thickness of the precursor film per layer can be formed relatively thick, and a composition for forming a ferroelectric thin film having a desired thickness can be formed. The film process can be simplified.

以下、上述した強誘電体薄膜形成用組成物により強誘電体薄膜を製造(形成)する方法について詳細に説明する。なお、ここでは、強誘電体薄膜を形成する被対象物として、基板上に形成された金属膜を例示して説明する。まず、強誘電体薄膜形成用組成物を基板上に形成された金属膜上に塗布し、強誘電体薄膜の前駆体膜を形成する塗布工程を行う。次に、前駆体膜を乾燥する乾燥工程、前駆体膜中の有機成分を離脱させるために脱脂する脱脂工程をこの順で行った後、前駆体膜を結晶化させるために焼成する焼成工程を行う。そして、本発明では、この前駆体膜の焼成工程において、その昇温速度を120℃/sec以上とする。ここで「昇温速度」とは、前駆体膜に含まれる化合物の結晶化速度のことであり、例えば、焼成(結晶化)温度を500〜600℃に設定した場合、焼成開始温度である500℃を通過する時点での速度のことである。なお、焼成工程前の脱脂工程、乾燥工程での加熱温度は、この焼成開始温度よりも低く設定される。   Hereinafter, a method for producing (forming) a ferroelectric thin film using the above-described composition for forming a ferroelectric thin film will be described in detail. Here, a metal film formed on a substrate will be described as an example of an object for forming a ferroelectric thin film. First, a composition process for forming a ferroelectric thin film is applied on a metal film formed on a substrate to form a ferroelectric thin film precursor film. Next, after performing a drying process for drying the precursor film and a degreasing process for degreasing the organic component in the precursor film in this order, a baking process for baking the precursor film for crystallization is performed. Do. And in this invention, the temperature increase rate shall be 120 degrees C / sec or more in the baking process of this precursor film | membrane. Here, the “temperature increase rate” refers to the crystallization rate of the compound contained in the precursor film. For example, when the firing (crystallization) temperature is set to 500 to 600 ° C., the firing start temperature is 500. It is the speed when passing through ° C. In addition, the heating temperature in the degreasing process and the drying process before the firing process is set lower than the firing start temperature.

これにより、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が前駆体膜に含まれる炭素材料によって遅延化され、これによって前駆体膜内部から発生する結晶核の生成速度よりも下地である金属膜表面から発生する結晶核の生成速度が高められる。すなわち、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成が炭素材料によって小さく抑えられる。そして、前駆体膜の金属表面側から柱状結晶が良好に形成され、また、微結晶粒子の発生による結晶成長の阻害が発生しないため、結晶配向性を高めることができ、これによって、金属膜表面から形成される柱状結晶によって強誘電体薄膜が形成される。一方、柱状結晶の形成に伴って膜中の炭素材料は、前駆体膜の表面側に移動し、その結果、前駆体膜の表面側で酸素と炭素材料とが化学的に反応して炭酸ガスとなり、膜中から離脱除去されることになる。すなわち、炭素材料は、前駆体膜の結晶化により、膜中から離脱除去されるため、膜中に残留することはない。   As a result, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is delayed by the carbon material contained in the precursor film, whereby the surface of the metal film that is the base rather than the generation rate of the crystal nuclei generated from inside the precursor film The generation rate of crystal nuclei generated from the is increased. That is, the generation of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film is suppressed to be small by the carbon material. And, since the columnar crystals are well formed from the metal surface side of the precursor film, and the crystal growth is not hindered by the generation of the microcrystalline particles, the crystal orientation can be improved, thereby the metal film surface A ferroelectric thin film is formed by the columnar crystals formed from the above. On the other hand, the carbon material in the film moves to the surface side of the precursor film along with the formation of the columnar crystals, and as a result, oxygen and the carbon material chemically react on the surface side of the precursor film, and carbon dioxide gas. Thus, it is detached and removed from the film. That is, since the carbon material is separated and removed from the film by crystallization of the precursor film, it does not remain in the film.

このように、本発明では、前駆体膜内部から発生する結晶核の生成速度よりも下地である金属膜表面から発生する結晶核の生成速度を高めるために、前駆体膜の結晶化工程における昇温速度を制御、具体的には、少なくとも焼成工程における昇温速度を120℃/sec以上に設定している。これにより、膜中に微結晶粒子が殆ど存在せず、結晶構造が柱状構造となり、優れた圧電特性、強誘電特性を有する強誘電体薄膜を形成することができる。   Thus, in the present invention, in order to increase the generation rate of crystal nuclei generated from the surface of the metal film that is the base rather than the generation rate of crystal nuclei generated from the inside of the precursor film, the increase in the crystallization process of the precursor film is performed. The temperature rate is controlled, specifically, at least the temperature rising rate in the firing step is set to 120 ° C./sec or more. Thereby, there are almost no microcrystalline particles in the film, the crystal structure becomes a columnar structure, and a ferroelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics and ferroelectric characteristics can be formed.

ここで、上述した強誘電体薄膜形成用組成物により形成される強誘電体薄膜は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性材料(圧電性材料)やこれにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等の結晶を含むものである。その組成としては、例えば、PbTiO(PT)、PbZrO(PZ)、Pb(ZrTi1−x)O(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O−PbTiO(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O−PbTiO(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O−PbTiO(PIN−PT)、Pb(Sc1/2Ta1/2)O−PbTiO(PST−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O−PbTiO(PSN−PT)、BiScO−PbTiO(BS−PT)、BiYbO−PbTiO(BY−PT)等が挙げられる。 Here, the ferroelectric thin film formed by the above-described composition for forming a ferroelectric thin film is, for example, a ferroelectric material (piezoelectric material) such as lead zirconate titanate (PZT), niobium or nickel. , Including a relaxor ferroelectric crystal or the like to which a metal such as magnesium, bismuth or yttrium is added. As the composition, for example, PbTiO 3 (PT), PbZrO 3 (PZ), Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (PZT), Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PZN-PT), Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PNN-PT), Pb (In 1/2 Nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PIN-PT), Pb (Sc 1/2 Ta 1/2) O 3 -PbTiO 3 (PST-PT), Pb (Sc 1/2 nb 1/2) O 3 -PbTiO 3 ( PSN-PT), biScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT), BiYbO 3 -PbTiO 3 (BY-PT) and the like.

なお、以上説明した本発明に係る強誘電体薄膜形成用組成物及びこの強誘電体薄膜形成用組成物を用いて成膜された強誘電体薄膜は、広範なデバイス開発に応用することができ、その用途等は特に限定されないが、例えば、マイクロアクチュエータ、フィルタ、遅延線、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、SAWフィルタ、RFモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等に応用することができる。   The ferroelectric thin film forming composition according to the present invention described above and the ferroelectric thin film formed by using this ferroelectric thin film forming composition can be applied to a wide range of device development. The application is not particularly limited, but for example, microactuator, filter, delay line, lead selector, tuning fork oscillator, tuning fork clock, transceiver, piezoelectric pickup, piezoelectric earphone, piezoelectric microphone, SAW filter, RF modulator, resonator, It can be applied to delay elements, multi-strip couplers, piezoelectric accelerometers, piezoelectric speakers, and the like.

以下、図1及び図2を参照して、本発明を圧電アクチュエータに適用した液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドについて詳細に説明する。図1は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びA−A’断面図である。図1及び図2に示すように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン(SiO)からなる、厚さ0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。 Hereinafter, an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head in which the present invention is applied to a piezoelectric actuator will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating an outline of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the flow path forming substrate 10 is a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and silicon oxide (SiO 2) previously formed by thermal oxidation on one surface thereof. ), And an elastic film 50 having a thickness of 0.5 to 2 μm is formed.

この流路形成基板10には、シリコン単結晶基板をその一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が複数並設されている。また、圧力発生室12の並設方向(幅方向)とは直交する方向(長手方向)の一方の端部の外側には、後述する保護基板30のリザーバ部32と連通される連通部13が形成されている。また、この連通部13は、各圧力発生室12の長手方向一端部でそれぞれインク供給路14を介して連通されている。   The flow path forming substrate 10 is provided with a plurality of pressure generating chambers 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 by anisotropically etching a silicon single crystal substrate from one side thereof. In addition, on the outside of one end portion in the direction (longitudinal direction) orthogonal to the direction in which the pressure generating chambers 12 are arranged (width direction), a communication portion 13 that communicates with a reservoir portion 32 of a protective substrate 30 described later. Is formed. The communication portion 13 is in communication with each other at one end in the longitudinal direction of each pressure generating chamber 12 via an ink supply path 14.

また、流路形成基板10の開口面側には、圧力発生室12を形成する際のマスク膜51が設けられており、このマスク膜51上には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。   A mask film 51 for forming the pressure generating chamber 12 is provided on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, and the ink supply path 14 of each pressure generating chamber 12 is provided on the mask film 51. A nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end on the opposite side is fixed with an adhesive, a heat welding film, or the like.

一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側の弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成され、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1μmの強誘電体薄膜からなる圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子300を構成している。   On the other hand, an insulating film 55 having a thickness of, for example, about 0.4 μm is formed on the elastic film 50 opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. For example, a lower electrode film 60 having a thickness of about 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 made of a ferroelectric thin film having a thickness of about 1 μm, and a thickness of about 0.05 μm, for example. The piezoelectric film 300 is formed by laminating the electrode film 80 by a process described later.

なお、圧電素子300とは、下電極膜60、圧電体層70、及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60を圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜50、絶縁体膜55及び下電極膜60が振動板として作用する。   The piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In addition, here, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. In any case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber 12. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In the present embodiment, the elastic film 50, the insulator film 55, and the lower electrode film 60 function as a diaphragm.

ここで、このような圧電体層70は、上述した強誘電体薄膜薄膜形成用組成物、すなわち、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、更に高温で焼成する、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成される。焼成においては、強誘電体薄膜形成用組成物を下電極膜60上に塗布して前駆体膜を形成し、例えば、本実施形態では、RTP(急速加熱炉)等により、焼成時の昇温速度を120℃/sec以上に設定した。勿論、この圧電体層70の成膜方法は、特に限定されず、例えば、MOD法等の他の溶液法で形成してもよい。また、本実施形態では、上述した圧電体層70は、結晶構造が菱面体晶であり、結晶が柱状に成長した薄膜であり、結晶面方位が(100)又は(001)の単結晶構造である。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。   Here, such a piezoelectric layer 70 is formed by applying and drying the above-described composition for forming a ferroelectric thin film, that is, a so-called sol in which a metal organic substance is dissolved and dispersed in a catalyst, and is further baked at a high temperature. It is formed using a so-called sol-gel method. In firing, a composition for forming a ferroelectric thin film is applied onto the lower electrode film 60 to form a precursor film. In this embodiment, for example, the temperature rise during firing is performed by an RTP (rapid heating furnace) or the like. The speed was set to 120 ° C./sec or higher. Of course, the method for forming the piezoelectric layer 70 is not particularly limited, and for example, the piezoelectric layer 70 may be formed by another solution method such as the MOD method. In the present embodiment, the piezoelectric layer 70 described above is a thin film in which the crystal structure is rhombohedral, the crystal is grown in a columnar shape, and the crystal plane orientation is (100) or (001). is there. A columnar thin film refers to a state in which substantially cylindrical crystals are aggregated over the surface direction with the central axis substantially coincided with the thickness direction to form a thin film.

さらに、流路形成基板10の圧電素子300側には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部31を有する保護基板30が接着剤を介して接合されている。圧電素子300は、この圧電素子保持部31内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部31は、空間が密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。   Further, on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10, a protective substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 capable of ensuring a space that does not hinder the movement in a region facing the piezoelectric element 300 is interposed via an adhesive. Are joined. Since the piezoelectric element 300 is formed in the piezoelectric element holding part 31, it is protected in a state hardly affected by the external environment. In addition, as for the piezoelectric element holding | maintenance part 31, the space may be sealed and does not need to be sealed.

また、保護基板30には、各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部32が設けられ、このリザーバ部32は、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。また、保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバ部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90は、その端部近傍が貫通孔33内で露出されている。   Further, the protective substrate 30 is provided with a reservoir portion 32 that constitutes at least a part of the reservoir 100 serving as a common ink chamber for the pressure generating chambers 12, and the reservoir portion 32 is configured as described above. The reservoir 100 is configured to communicate with the ten communication portions 13 and serve as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. A through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction is provided in a region between the piezoelectric element holding portion 31 and the reservoir portion 32 of the protective substrate 30. The lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is exposed in the through hole 33 in the vicinity of its end.

さらに、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板42のリザーバ100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   Further, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal. Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動ICからの駆動信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に駆動電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then driven according to a drive signal from a drive IC (not shown). Then, a driving voltage is applied between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulator film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 are bent and deformed. By doing so, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

以上説明した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、圧電体層70が、膜質が良好(緻密)で且つ結晶構造が柱状構造となっており、膜中には微結晶粒子が無いため、優れた圧電特性を有する。したがって、ヘッドのインク吐出特性が安定し、ヘッドの信頼性を高めることができる。   The ink jet recording head of the present embodiment described above is excellent because the piezoelectric layer 70 has a good film quality (dense) and a crystal structure of a columnar structure, and there are no microcrystalline particles in the film. It has piezoelectric properties. Therefore, the ink ejection characteristics of the head are stabilized, and the reliability of the head can be improved.

なお、本実施形態では、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、これに限定されず、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。   In the present embodiment, an ink jet recording head that discharges ink as an example of a liquid ejecting head has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a liquid crystal display, or the like. Examples include color material ejection heads used in the production of color filters, electrode material ejection heads used in electrode formation for organic EL displays, FEDs (surface emitting displays), and bioorganic matter ejection heads used in biochip production. .

本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view illustrating an outline of a recording head according to an embodiment of the invention. 本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの平面図及びA−A’断面図である。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view taken along line A-A ′ of the recording head according to the embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 流路形成基板、12 圧力発生室、20 ノズルプレート、21 ノズル開口、30 保護基板、31 圧電素子保持部、32 リザーバ部、40 コンプライアンス基板、60 下電極膜、70 強誘電体薄膜(圧電体層)、80 上電極膜、90 リード電極、100 リザーバ、300 圧電素子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Protection board, 31 Piezoelectric element holding | maintenance part, 32 Reservoir part, 40 Compliance board | substrate, 60 Lower electrode film, 70 Ferroelectric thin film (piezoelectric body) Layer), 80 upper electrode film, 90 lead electrode, 100 reservoir, 300 piezoelectric element

Claims (19)

強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有する強誘電体薄膜形成用組成物からなる前駆体膜を被対象物上に形成すると共に前記前駆体膜を結晶化させて前記強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 A precursor film made of a composition for forming a ferroelectric thin film containing at least a colloidal solution containing at least Pb and a carbon material, which is a material constituting the ferroelectric thin film, is formed on an object and the precursor film. A method for producing a ferroelectric thin film, characterized in that a rate of temperature rise when the ferroelectric thin film is formed by crystallizing is set to 120 ° C./sec or more. 請求項1において、前記強誘電体薄膜を形成する工程は、前記前駆体膜を焼成する焼成工程を少なくとも含み、前記前駆体膜の焼成によって前記前駆体膜の結晶化が開始されることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 2. The method of claim 1, wherein the step of forming the ferroelectric thin film includes at least a firing step of firing the precursor film, and the crystallization of the precursor film is started by firing the precursor film. A method for manufacturing a ferroelectric thin film. 請求項1又は2において、前記炭素材料が、カーボンブラック、すす、カーボンウィスカ、ガラス状カーボン、カーボンファイバ、コークス、黒鉛、活性炭、気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノチューブ、及びフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 3. The carbon material according to claim 1, wherein the carbon material is carbon black, soot, carbon whisker, glassy carbon, carbon fiber, coke, graphite, activated carbon, vapor grown carbon fiber, mesocarbon microbead, carbon microcoil, carbon nanotube. And a method for producing a ferroelectric thin film, which is at least one selected from the group consisting of fullerenes. 請求項1〜3の何れかにおいて、高分子有機材料をさらに含有することを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 4. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 1, further comprising a polymer organic material. 請求項1〜4の何れかにおいて、前記炭素材料が、微小粒子であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 5. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the carbon material is fine particles. 請求項5において、前記炭素材料の粒子直径が、50nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 6. The method for manufacturing a ferroelectric thin film according to claim 5, wherein the carbon material has a particle diameter of 50 nm or less. 請求項6において、前記炭素材料の粒子直径が、10nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 7. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 6, wherein the carbon material has a particle diameter of 10 nm or less. 請求項1〜7の何れかにおいて、前記強誘電体薄膜形成用組成物に含まれる炭素原子の含有量が前記Pb原子1molに対して0.1〜10molであることを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 8. The ferroelectric material according to claim 1, wherein a content of carbon atoms contained in the composition for forming a ferroelectric thin film is 0.1 to 10 mol with respect to 1 mol of the Pb atoms. Thin film manufacturing method. 請求項1〜8の何れかにおいて、前記強誘電体薄膜を構成する金属としてZr及びTiをさらに含むことを特徴とする強誘電体薄膜の製造方法。 9. The method for manufacturing a ferroelectric thin film according to claim 1, further comprising Zr and Ti as a metal constituting the ferroelectric thin film. 基板の一方面側に下電極を形成する工程と、前記下電極上に強誘電体薄膜からなる圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に上電極を形成する工程とを少なくとも含み、
前記圧電体層を形成する工程では、前記下電極上に前記強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有する強誘電体薄膜形成用組成物からなる前駆体膜を形成すると共に前記前駆体膜を結晶化させて前記強誘電体薄膜を形成する際の昇温速度を120℃/sec以上とすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
At least a step of forming a lower electrode on one surface side of the substrate, a step of forming a piezoelectric layer made of a ferroelectric thin film on the lower electrode, and a step of forming an upper electrode on the piezoelectric layer. ,
The step of forming the piezoelectric layer comprises a ferroelectric thin film forming composition containing at least a colloidal solution containing at least Pb as a material constituting the ferroelectric thin film and a carbon material on the lower electrode. A method of manufacturing a piezoelectric element, characterized in that a temperature rise rate when forming a ferroelectric thin film by forming a precursor film and crystallizing the precursor film is 120 ° C./sec or more.
請求項10において、前記圧電体層を形成する工程は、前記前駆体膜を焼成する焼成工程を少なくとも含み、前記前駆体膜の焼成によって前記前駆体膜の結晶化が開始されることを特徴とする圧電素子の製造方法。 The method of forming a piezoelectric layer according to claim 10, wherein the step of forming the piezoelectric layer includes at least a baking step of baking the precursor film, and the crystallization of the precursor film is started by baking the precursor film. A method for manufacturing a piezoelectric element. 強誘電体薄膜を構成する材料となるPbを少なくとも含むコロイド溶液と炭素材料とを少なくとも含有することを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 A composition for forming a ferroelectric thin film, comprising at least a colloidal solution containing at least Pb, which is a material constituting the ferroelectric thin film, and a carbon material. 請求項12において、前記炭素材料が、カーボンブラック、すす、カーボンウィスカ、ガラス状カーボン、カーボンファイバ、コークス、黒鉛、活性炭、気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンマイクロコイル、カーボンナノチューブ、及びフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 The carbon material according to claim 12, wherein the carbon material is carbon black, soot, carbon whisker, glassy carbon, carbon fiber, coke, graphite, activated carbon, vapor grown carbon fiber, mesocarbon microbead, carbon microcoil, carbon nanotube, and A composition for forming a ferroelectric thin film, which is at least one selected from the group consisting of fullerenes. 請求項12又は13において、高分子有機材料をさらに含有することを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 14. The composition for forming a ferroelectric thin film according to claim 12 or 13, further comprising a polymer organic material. 請求項12〜14の何れかにおいて、前記炭素材料が、微小粒子であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 The composition for forming a ferroelectric thin film according to any one of claims 12 to 14, wherein the carbon material is fine particles. 請求項15において、前記炭素材料の粒子直径が、50nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 The composition for forming a ferroelectric thin film according to claim 15, wherein the carbon material has a particle diameter of 50 nm or less. 請求項16において、前記炭素材料の粒子直径が、10nm以下であることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 The composition for forming a ferroelectric thin film according to claim 16, wherein the carbon material has a particle diameter of 10 nm or less. 請求項12〜17の何れかにおいて、炭素原子の含有量が、前記Pb原子1molに対して0.1〜10molであることを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。 18. The composition for forming a ferroelectric thin film according to claim 12, wherein the content of carbon atoms is 0.1 to 10 mol with respect to 1 mol of the Pb atoms. 請求項12〜18の何れかにおいて、前記強誘電体薄膜を構成する金属としてZr及びTiをさらに含むことを特徴とする強誘電体薄膜形成用組成物。
The composition for forming a ferroelectric thin film according to any one of claims 12 to 18, further comprising Zr and Ti as a metal constituting the ferroelectric thin film.
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