JP2007273976A - 圧電体素子、それを用いた液体吐出ヘッド、及び、光学素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一対の電極間に異なる金属を含む強誘電体膜を設けた光学素子や一対の電極間に異なる金属を含む圧電体膜を設けた圧電体素子を形成する際に、これらの強誘電体膜及び圧電体膜に層状の境界面がなく、結晶相が、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶及び単斜晶の内、少なくとも二つの結晶相を有し、かつその金属組成の変動が±2%の範囲内である部分に、異なる結晶相の各々の割合が膜厚方向に徐々に変化している部分を有するものを用いる。
【選択図】なし
Description
圧電体膜中に層状の境界面がなく、圧電体膜を構成する結晶相が、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶及び単斜晶の内、少なくとも二つの結晶相を有し、かつ圧電体膜が、組成の変動が±2%の範囲内である部分に、異なる結晶相の各々の割合が膜厚方向に徐々に変化している部分を有することを特徴とする圧電体素子である。
圧電体膜中に層状の境界面がなく、強誘電体膜を構成する結晶相が、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶及び単斜晶の内、少なくとも二つの結晶相を有し、かつ強誘電体膜が、組成の変動が±2%の範囲内である部分に、異なる結晶相の各々の割合が膜厚方向に徐々に変化している部分を有することを特徴とする光学素子である。
Pb(Mg,Nb)O3−PbTiO3(PMN−PT)、Pb(Zn,Nb)O3−PbTiO3(PZN−PT)、Pb(Ni,Nb)O3−PbTiO3(PNN−PT)、Pb(Yb,Nb)O3−PbTiO3(PYN−PT),Pb(Sc,Ta,)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc,Nb)O3−PbTiO3(PSN−PT)。
(実施例1)
5mm厚のSrTiO3(100)基板上に金属酸化物電極層であるSrRuO3(100)エピタキシャル膜をrf−スパッタ法で成膜した。この上にMO-CVD法で原料ガス供給を断続的に行う、パルスMO-CVD法でZr/Ti比が50/50になるように原料ガスを供給し、Pb(Zr,Ti)O3エピタキシャル膜を3.0μm厚で成膜した。結晶は、正方晶と菱面体晶が混在した膜であり、正方晶は、(100)/(001)配向であり、菱面体晶は(100)配向であった。0.8μm厚から成膜条件を変え、菱面体晶相の含有率を増加させる方法を採った。成膜条件は、一回あたりの原料ガス供給時間を8秒から15秒に増加させ、さらに酸素分圧を増加させ、基板の回転数を6rpmから11rpmに増加させた。基板は、600℃に加熱してエピタキシャル膜を得た。
製法として、途中で条件変化なしに成膜した以外は、実施例1と同様にPZT膜を成膜した。組成は、Zr/Ti=50/50の組成で、正方晶と菱面体晶の混相であった。しかし、結晶相の混合割合は、膜全体に亘って均一であり、ラマン分光の結果、ピークの強度変化は、実施例1の膜と比べ、ほとんどない状態であった。この膜のe31特性を測定したところ、−8.2であり、実施例1と比較し、変位特性能としては小さいものであった。
4インチSOI(100)基板上にバッファ層としてYSZ(100)、CeO2(100)、LaNiO3(100)、SrRuO3(100)が順次積層された基板を用いた。SOI基板としては、SOI(100)層が3.0μm厚、ボックス層のSiO2層が1.0μm厚の基板を用いた。SrRuO3電極層上にPZTをスパッタ法で成膜した。成膜には、PbZrO3ターゲットとPbTiO3ターゲットの2種のターゲットを用い、Zr/Ti比が52/48となるように成膜した。600℃の基板加熱下で成膜を行い、結晶相の混合割合を変化させるために0.4μm厚になった段階で、基板―ターゲット間距離を広げ、基板回転数を上昇させ成膜した。最終的に2.5μm厚のPZT膜を得た。この膜の組成を実施例1と同様に測定したところ、組成変化は、±1.5%以内の変動範囲に入っており、ほぼ一定であった。またラマン分光法により、結晶相の膜厚依存性を測定したところ、0.4μm厚から正方晶に起因するピーク強度が減少し、結晶相割合が傾斜変化していることが判った。変化した領域は、0.4μmから2.5μm厚の領域であった。圧電膜を形成した後のSOI基板の反りは、少なく良好であった。SOI基板のハンドル層をエッチング除去し、個別液室部、流路部を形成し、図3に相当する圧電体素子部を作成した。また、これと別途作成した、吐出口11、および個別液室と吐出口を繋ぐ連通孔12が形成された基板とを貼り合せ、図2に相当する液体吐出ヘッドAを得た。SOI基板の反りが少なく、接合状態は良好であり、膜剥がれ等の問題は発生しなかった。
YSZ/CeO2/LaNiO3/SrRO3が積層されたSi基板上にMO-CVD法で(Pb,La)TiO3(PLT)のエピタキシャル膜を1.2μm成膜しクラッド層とした。この上に、(Pb、La)(Zr、Ti)O3(PLZT)(La/Zr/Tiの組成比=8/65/35)のコア層を6μm厚で成膜した。成膜過程で、1.3μm厚から、正方晶割合が減少するように成膜条件で、酸素ガス圧と基板温度を変更した。このPLZT膜状に上記クラッド層と同様にPLT層のクラッド層を形成し、偏光電極として、Cu−Wを用いて光学素子を得た。ラマン分光測定より、コア層は、結晶相の混在割合が1.3μm厚から混相割合が変化を開始している膜である。Si基板側が正方晶の混在割合が多く、偏光電極側は少ない膜となっており、TEモードとTMモードの変化量が同じである光学変調素子として特性の良い素子である。この膜の結晶相は、正方晶と擬似立方晶であった。また、膜厚が1.0μmから3.5μmの領域においてBサイト元素内の組成変化は、2.0%以下で一定であった。この膜の結晶相の割合が徐々に変化した領域は、膜厚で、1.3μmから3.2μmの領域であった。
10 圧電体素子
11 吐出口
12 連通孔
13 個別液室
14 共通液室
15 振動板
16 下部電極
19 バッファ層
40 光導波路
41 基板
44、46 クラッド層
45 コア層
Claims (11)
- 基板上に、第一の電極、圧電体膜及び第二の電極を少なくとも有する圧電体素子であって、
圧電体膜中に層状の境界面がなく、圧電体膜を構成する結晶相が、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶及び単斜晶の内、少なくとも二つの結晶相を有し、かつ圧電体膜が、組成の変動が±2%の範囲内である部分に、異なる結晶相の各々の割合が膜厚方向に徐々に変化している部分を有することを特徴とする圧電体素子。 - 圧電体膜に正方晶が少なくとも含まれ、圧電体膜の膜厚方向における一方の面側では、正方晶体積割合が相対的に少なく、他方の面側では正方晶体積割合が相対的に多い請求項1に記載の圧電体素子。
- 圧電体膜の結晶配向が{100}である請求項1または2に記載の圧電体素子。
- 圧電体膜が、チタン酸ジルコン酸鉛系材料及び/あるいはリラクサ系材料である請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電体素子。
- 圧電体膜の膜厚が1.0μm以上、15μm以下である請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電体素子。
- 液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通する液路と、該吐出口からの液体吐出のためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出エネルギー発生素子として、請求項1乃至5のいずれかに記載の圧電体素子を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 基板上に、第一の電極、強誘電体膜及び第二の電極を少なくとも有する光学素子であって、
圧電体膜中に層状の境界面がなく、強誘電体膜を構成する結晶相が、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶及び単斜晶の内、少なくとも二つの結晶相を有し、かつ、強誘電体膜が、組成の変動が±2%の範囲内である部分に、異なる結晶相の各々の割合が膜厚方向に徐々に変化している部分を有することを特徴とする光学素子。 - 強誘電体膜に正方晶が少なくとも含まれ、強誘電体膜の膜厚方向における一方の面側では、正方晶体積割合が相対的に少なく、他方の面側では正方晶体積割合が相対的に多い請求項7に記載の光学素子。
- 強誘電体膜の結晶配向が{100}である請求項7または8に記載の光学素子。
- 強誘電体膜が、チタン酸ジルコン酸鉛系材料及び/あるいはリラクサ系材料である請求項7乃至9のいずれかに記載の光学素子。
- 強誘電体膜の膜厚が1.0μm以上、15μm以下である請求項7乃至10のいずれかに記載の光学素子。
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