JP2008041921A - Piezoelectric thin film element and its manufacturing method, as well as ink jet head and ink jet-type recorder - Google Patents

Piezoelectric thin film element and its manufacturing method, as well as ink jet head and ink jet-type recorder Download PDF

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Akiyuki Fujii
映志 藤井
Shintaro Hara
慎太郎 原
Osamu Watanabe
渡邊  修
Hisahiro Tanaka
久裕 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric thin film element capable of easily raising a reliability and a durability, and to provide a method of manufacturing the piezoelectric thin film element. <P>SOLUTION: A piezoelectric thin film element 20 is equipped with: a substrate 11; a first electrode layer 13 provided on the substrate 11, a piezoelectric substance layer provided on the first electrode layer 13, and a second electrode layer 19 provided on the piezoelectric substance layer. For constituting the piezoelectric thin film element; the thin film layer has a primary piezoelectric substance layer 14 consisting of oxide of a perovskite version crystal structure which uses lead as a constituent element, and a secondary piezoelectric substance layer 18 consisting of electric insulation oxide which is provided on the primary piezoelectric substance layer 14 and buries a hole 17 in the primary piezoelectric substance layer 14. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気機械変換機能を有する圧電薄膜素子およびその製造方法、この圧電薄膜素子を用いたインクジェットヘッド、およびインクジェットヘッドを印字手段として備えたインクジェット式記録装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric thin film element having an electromechanical conversion function and a manufacturing method thereof, an ink jet head using the piezoelectric thin film element, and an ink jet recording apparatus including the ink jet head as a printing unit.

圧電薄膜アクチュエータなどで用いられる圧電薄膜素子は、電場を印加したときに歪みを生じて電気機械変換を行う素子であり、一般に、圧電体層をその厚さ方向に2つの電極で挟んだ構造の積層体を備えている。この圧電薄膜素子における圧電体層は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する圧電材料によって形成される。   A piezoelectric thin film element used in a piezoelectric thin film actuator or the like is an element that generates electrostriction when an electric field is applied, and generally has a structure in which a piezoelectric layer is sandwiched between two electrodes in the thickness direction. A laminate is provided. The piezoelectric layer in this piezoelectric thin film element is formed of a piezoelectric material that converts mechanical energy into electrical energy or converts electrical energy into mechanical energy.

圧電材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3(以下、「PZT」と略記する。)や、このPZTにマグネシウム、マンガン、ニッケル、ニオブなどを添加したものなどである。PZTのうちの正方晶系PZTでは(001)軸方向(C軸方向)に、菱面体晶系PZTでは(111)軸方向に、大きな圧電変位が得られる。ただし、多くの圧電体材料は結晶粒子の集合体である多結晶体からなり、個々の結晶粒子の結晶軸はばらばらな方向を向いている。このため、各結晶粒子での自発分極も無秩序に配列している。 Typical examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter abbreviated as “PZT”), which is an oxide having a perovskite crystal structure, and magnesium, Among the PZT, tetragonal PZT has a large piezoelectricity in the (001) axis direction (C axis direction) and rhombohedral PZT has a large (111) axis direction. However, many piezoelectric materials are composed of polycrystals, which are aggregates of crystal grains, and the crystal axes of individual crystal grains are oriented in different directions. Spontaneous polarization is also randomly arranged.

圧電薄膜素子における圧電体層は、大きな電気機械変換能を得るために、各結晶粒子での自発分極のベクトルの総和をとったときに当該ベクトルが電界と平行になるように作製される。これにより、例えば上記の積層体に振動板を設けた構造を有する圧電薄膜アクチュエータにおいては、両電極間に電圧を印加すると、その電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。   In order to obtain a large electromechanical conversion capability, the piezoelectric layer in the piezoelectric thin film element is manufactured so that the vector is parallel to the electric field when the sum of the vectors of the spontaneous polarization in each crystal particle is taken. Thereby, for example, in a piezoelectric thin film actuator having a structure in which a vibration plate is provided on the above laminate, when a voltage is applied between both electrodes, a mechanical displacement proportional to the magnitude of the voltage can be obtained.

図17および図18は、それぞれ、圧電薄膜素子の一例を基本構造を概略的に示す断面図である。図17に示す圧電薄膜素子48は、基板41上に密着層42、下部電極層43、圧電体層44、および上部電極層47がこの順番で積層された構造を有している。密着層42、下部電極層43、および上部電極47の各々はスパッタ法などにより形成され、圧電体層はスパッタ法、CVD法、ゾルゲル法などにより形成される。   17 and 18 are cross-sectional views schematically showing the basic structure of an example of the piezoelectric thin film element. 17 has a structure in which an adhesion layer 42, a lower electrode layer 43, a piezoelectric layer 44, and an upper electrode layer 47 are laminated on a substrate 41 in this order. Each of the adhesion layer 42, the lower electrode layer 43, and the upper electrode 47 is formed by a sputtering method or the like, and the piezoelectric layer is formed by a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or the like.

圧電体層44を形成する際に異物46が混入すると、異物46と圧電体層44の界面では圧電体層44とは異なる組成の副生成物層が形成されやすくなる。特に、鉛(Pb)を含むペロブスカイト型結晶構造の圧電体層を形成する際には、結晶性を向上させて圧電性能を高めるために化学量論組成よりもPbを5〜15モル%程度過剰に添加することから、上述した異物46と圧電体層44の界面に一酸化鉛(PbO)や二酸化鉛(PbO2)などの鉛酸化物からなる副生成物層45が形成されやすい。 When the foreign substance 46 is mixed in forming the piezoelectric layer 44, a by-product layer having a composition different from that of the piezoelectric layer 44 is easily formed at the interface between the foreign substance 46 and the piezoelectric layer 44. In particular, when a piezoelectric layer having a perovskite crystal structure containing lead (Pb) is formed, Pb is excessive by about 5 to 15 mol% over the stoichiometric composition in order to improve crystallinity and enhance piezoelectric performance. Therefore, the by-product layer 45 made of lead oxide such as lead monoxide (PbO) or lead dioxide (PbO 2 ) is easily formed at the interface between the foreign matter 46 and the piezoelectric layer 44 described above.

一方、図18に示す圧電薄膜素子58も、基板51上に密着層52、下部電極層53、圧電体層54、および上部電極層57がこの順番で積層された構造を有している。図17に示した圧電薄膜素子48との相違は、圧電体層54を形成してから上部電極層57を形成するまでの間に図17に示した異物46が欠落して異物欠落部(空孔)56が存在している点にある。異物は圧電体層54との密着性が悪いため、欠落しやすい。異物欠落部(空孔)56での圧電体層54と上部電極57との界面には、PbOやPbO2などの鉛酸化物からなる副生成物層55が存在する。 On the other hand, the piezoelectric thin film element 58 shown in FIG. 18 also has a structure in which an adhesion layer 52, a lower electrode layer 53, a piezoelectric layer 54, and an upper electrode layer 57 are laminated in this order on a substrate 51. 17 is different from the piezoelectric thin film element 48 shown in FIG. 17 in that the foreign matter 46 shown in FIG. 17 is lost between the formation of the piezoelectric layer 54 and the formation of the upper electrode layer 57. Hole) 56 is present. Foreign matters are easily lost because of poor adhesion to the piezoelectric layer 54. A by-product layer 55 made of lead oxide such as PbO or PbO 2 is present at the interface between the piezoelectric layer 54 and the upper electrode 57 in the foreign-matter missing portion (hole) 56.

例えば圧電薄膜アクチュエータを用いたインクジェットヘッドでは、厚さ数μmの圧電体層に数十Vの電圧を印加する必要があるため、圧電体層には数百kV/cm以上の耐電圧性が要求される。このように高い耐電圧性が求められる圧電薄膜素子では、図17に示した圧電薄膜素子48におけるように圧電体層44に異物46が混入して該異物46の周囲に副生成物層45が形成されると、電圧を印加した際に異物46や副生成物層45を介してリーク電流が発生しやすくなり、信頼性が低下する。また、図18に示した圧電薄膜素子58におけるように圧電体層54に異物欠落部(空孔)56が生じると、異物欠落部(空孔)56の下方での圧電体膜層54の厚さが薄くなることから、電圧を印加した際に異物欠落部(空孔)56の下方で電界集中が起こって絶縁破壊が生じやすくなり、信頼性が低下する。   For example, in an inkjet head using a piezoelectric thin film actuator, it is necessary to apply a voltage of several tens of volts to a piezoelectric layer having a thickness of several μm. Therefore, the piezoelectric layer is required to have a withstand voltage of several hundreds kV / cm or more. Is done. In such a piezoelectric thin film element that requires a high withstand voltage, the foreign substance 46 is mixed into the piezoelectric layer 44 as in the piezoelectric thin film element 48 shown in FIG. 17, and the by-product layer 45 is formed around the foreign substance 46. When formed, a leak current is likely to be generated through the foreign matter 46 and the by-product layer 45 when a voltage is applied, and reliability is lowered. Further, when the foreign material missing portion (hole) 56 is generated in the piezoelectric layer 54 as in the piezoelectric thin film element 58 shown in FIG. 18, the thickness of the piezoelectric film layer 54 below the foreign matter missing portion (hole) 56. Therefore, when a voltage is applied, electric field concentration occurs below the foreign matter missing portion (hole) 56, and dielectric breakdown is likely to occur, resulting in a decrease in reliability.

圧電薄膜素子の信頼性を向上させるために、例えば(特許文献1)に記載された発明の圧電体素子では、圧電体層(圧電体膜)に生じた薄肉部を有機絶縁性物質、具体的にはポリイミド樹脂で埋めている。また、(特許文献2)に記載された発明の圧電体素子では、圧電体層(圧電体膜)での結晶粒の粒界露出領域に、圧電体膜と同じ元素構成を有する一方で異なる結晶性(非晶質またはパイロクロア構造)を有する低誘電率性物質を形成している。
特開2000−351212号公報 特許第3666163号公報
In order to improve the reliability of the piezoelectric thin film element, for example, in the piezoelectric element of the invention described in (Patent Document 1), the thin portion generated in the piezoelectric layer (piezoelectric film) Is filled with polyimide resin. In addition, in the piezoelectric element of the invention described in (Patent Document 2), the crystal grain boundary exposed region of the piezoelectric layer (piezoelectric film) has the same elemental configuration as the piezoelectric film but a different crystal. A low dielectric constant material having a property (amorphous or pyrochlore structure) is formed.
JP 2000-351212 A Japanese Patent No. 3666163

(特許文献1,2)に記載された各圧電素子では、圧電性能を持たない電気絶縁性物質を圧電体層に形成しているため、圧電体層に電圧を印加したときに圧電体層は変形するが上記の電気絶縁性物質は変形しないこととなり、圧電体層と上記電気絶縁性物質層との境界領域に大きな内部応力が発生する。このため、圧電体素子に長期間に渡って周期的または非周期的に電圧を印加して変形を繰り返すと、当該圧電体素子にマイクロクラックなどが生じやすくなり、マイクロクラックが生じるとリーク電流が生じるため、耐久性能が低下する。   In each piezoelectric element described in (Patent Documents 1 and 2), since an electrically insulating material having no piezoelectric performance is formed in the piezoelectric layer, the piezoelectric layer is not applied when a voltage is applied to the piezoelectric layer. Although it is deformed, the above-mentioned electrically insulating material is not deformed, and a large internal stress is generated in the boundary region between the piezoelectric layer and the above-mentioned electrically insulating material layer. For this reason, if a piezoelectric element is repeatedly deformed by applying a voltage periodically or aperiodically over a long period of time, micro-cracks or the like are likely to occur in the piezoelectric element, and leakage current is generated when micro-cracks occur. As a result, durability is reduced.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信頼性および耐久性能を高めやすい圧電薄膜素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element that easily improves reliability and durability.

上記目的を達成するために、本発明では、基板と、基板上に設けられた第1の電極層と、第1の電極層上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備えた圧電薄膜素子を構成するにあたって、圧電体層に2つの層、すなわち鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層と、第1の圧電体層上に設けられて該第1の圧電体層での空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層とを含ませたものである。   In order to achieve the above object, in the present invention, a substrate, a first electrode layer provided on the substrate, a piezoelectric layer provided on the first electrode layer, and a piezoelectric layer are provided. In forming a piezoelectric thin film element including the second electrode layer, the piezoelectric layer has two layers, that is, a first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure having lead as a constituent element; And a second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide that is provided on the first piezoelectric layer and fills pores in the first piezoelectric layer.

本発明の圧電薄膜素子では、第1の圧電体層に生じた空孔が第2の圧電体層で埋められているので、電圧を印加した際にリークパスの形成や電界集中の発生が抑制される。また、電圧を印加した際には第1の圧電体層と第2の圧電体層の両方が変形するので、大きな内部応力が生じにくく、したがってマイクロクラックが生じにくい。これらの理由から、本発明の圧電薄膜素子では、その信頼性および耐久性能を高めやすい。本発明の圧電薄膜素子を用いて圧電薄膜アクチュエータを作製することにより、信頼性および耐久性能を高めやすいインクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置が得られる。   In the piezoelectric thin film element of the present invention, since the holes generated in the first piezoelectric layer are filled with the second piezoelectric layer, the formation of leak paths and the occurrence of electric field concentration are suppressed when a voltage is applied. The Also, when a voltage is applied, both the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are deformed, so that a large internal stress is unlikely to occur, and therefore microcracks are unlikely to occur. For these reasons, the piezoelectric thin film element of the present invention can easily improve its reliability and durability. By producing a piezoelectric thin film actuator using the piezoelectric thin film element of the present invention, an ink jet head and an ink jet recording apparatus that can easily improve reliability and durability can be obtained.

第1の発明の圧電薄膜素子は、基板と、基板上に設けられた第1の電極層と、第1の電極層上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備えた圧電薄膜素子であって、圧電体層は、鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層と、第1の圧電体層上に設けられて該第1の圧電体層での空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層と、を含むことを特徴とする。   A piezoelectric thin film element according to a first aspect of the present invention includes a substrate, a first electrode layer provided on the substrate, a piezoelectric layer provided on the first electrode layer, and a first electrode provided on the piezoelectric layer. A piezoelectric thin film element comprising: a first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure having lead as a constituent element; and a first piezoelectric layer on the first piezoelectric layer. And a second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide that fills voids in the first piezoelectric layer.

この圧電薄膜素子では、第1の圧電体層に生じた空孔が第2の圧電体層で埋められているので、電圧を印加した際にリークパスの形成や電界集中の発生が抑制される。また、電圧を印加した際には第1の圧電体層と第2の圧電体層の両方が変形するので、大きな内部応力が生じにくく、したがってマイクロクラックが生じにくい。これらの理由から、当該圧電薄膜素子では、その信頼性および耐久性能を高めやすい。この圧電薄膜素子を用いて圧電薄膜アクチュエータを作製することにより、信頼性および耐久性能を高めやすいインクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置が得られる。   In this piezoelectric thin film element, since the holes generated in the first piezoelectric layer are filled with the second piezoelectric layer, the formation of a leak path and the occurrence of electric field concentration are suppressed when a voltage is applied. Also, when a voltage is applied, both the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are deformed, so that a large internal stress is unlikely to occur, and therefore microcracks are unlikely to occur. For these reasons, the piezoelectric thin film element can easily improve its reliability and durability. By producing a piezoelectric thin film actuator using this piezoelectric thin film element, an ink jet head and an ink jet recording apparatus that can easily improve reliability and durability can be obtained.

第2の発明の圧電薄膜素子は、上記の空孔の周囲に副生成物層がないことを特徴とする。この圧電薄膜素子では、上記の空孔の周囲に副生成物層がないので、電圧を印加したときにリークパスが形成され難い。その結果として、この圧電薄膜素子では、その信頼性および耐久性能を高めやすい。   The piezoelectric thin film element of the second invention is characterized in that there is no by-product layer around the above-mentioned holes. In this piezoelectric thin film element, there is no by-product layer around the above holes, so that it is difficult to form a leak path when a voltage is applied. As a result, the piezoelectric thin film element can easily improve its reliability and durability.

第3の発明の圧電薄膜素子は、上記第1の圧電体層は、(111)面または(001)面に優先配向した多結晶体であることを特徴とする。この圧電薄膜素子では、第1の圧電体層が上述の多結晶体により形成されているので、優れた圧電特性を実現することができる。   The piezoelectric thin film element according to a third aspect is characterized in that the first piezoelectric layer is a polycrystalline body preferentially oriented in the (111) plane or the (001) plane. In this piezoelectric thin film element, since the first piezoelectric layer is formed of the above-described polycrystalline body, excellent piezoelectric characteristics can be realized.

第4の発明の圧電薄膜素子は、上記第1の圧電体層の最大厚みは、1μm以上10μm以下であることを特徴とする。この圧電薄膜素子では、第1の圧電体層の最大厚みが上述のように選定されているので、本発明による技術的効果を容易に得ることができる。   The piezoelectric thin film element according to a fourth aspect is characterized in that the maximum thickness of the first piezoelectric layer is not less than 1 μm and not more than 10 μm. In this piezoelectric thin film element, since the maximum thickness of the first piezoelectric layer is selected as described above, the technical effect of the present invention can be easily obtained.

第5の発明の圧電薄膜素子の製造方法は、基板と、基板上に設けられた第1の電極層と、第1の電極層上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備えた圧電薄膜素子の製造方法であって、鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層が第1の電極層を介して片面に形成された基板を洗浄して、第1の圧電体層の形成過程で該第1の圧電体層に混入した異物や該第1の圧電体層に形成された副生成物層を除去する異物除去工程と、異物除去工程を経た第1の圧電体層上に、該第1の圧電体層での空孔を埋めるようにして電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層を形成する第2の圧電体層形成工程と、を含むことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric thin film element manufacturing method comprising: a substrate; a first electrode layer provided on the substrate; a piezoelectric layer provided on the first electrode layer; and a piezoelectric layer provided on the piezoelectric layer. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element including a second electrode layer, wherein the first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure having lead as a constituent element is interposed through the first electrode layer. The substrate formed on one side is washed to remove foreign matters mixed in the first piezoelectric layer in the process of forming the first piezoelectric layer and by-product layers formed on the first piezoelectric layer. Foreign matter removing step to be removed, and second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide so as to fill voids in the first piezoelectric layer on the first piezoelectric layer that has undergone the foreign matter removing step And a second piezoelectric layer forming step for forming the substrate.

この製造方法では、第1の圧電体層の形成時に該第1の圧電体層に混入した異物、および該第1の圧電体層に形成された副生成物をそれぞれ除去した後に第2の圧電体層を形成するので、得られる圧電薄膜素子では、電圧を印加した際にリークパスの形成や電界集中の発生が抑制される。また、電圧を印加した際には第1の圧電体層と第2の圧電体層の両方が変形するので、大きな内部応力が生じにくく、したがってマイクロクラックが生じにくい。これらの理由から、この製造方法によれば、信頼性および耐久性能が高い圧電薄膜素子を得やすくなる。   In this manufacturing method, the foreign matter mixed in the first piezoelectric layer during the formation of the first piezoelectric layer and the by-product formed in the first piezoelectric layer are removed, and then the second piezoelectric layer is removed. Since the body layer is formed, the obtained piezoelectric thin film element suppresses the formation of a leak path and the occurrence of electric field concentration when a voltage is applied. Also, when a voltage is applied, both the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are deformed, so that a large internal stress is unlikely to occur, and therefore microcracks are unlikely to occur. For these reasons, according to this manufacturing method, it is easy to obtain a piezoelectric thin film element having high reliability and durability.

第6の発明のインクジェットヘッドは、第1の電極層上に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第2の電極層が形成さた圧電薄膜素子と、圧電薄膜素子における第1の電極層および第2の電極層のいずれかの電極層側の面に設けられた振動板層と、振動板層における圧電薄膜素子側とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、圧電薄膜素子の圧電効果により振動板層を層厚方向に変位させて圧力室のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、圧電体層は、鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層と、第1の圧電体層上に設けられて該第1の圧電体層での空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層と、を含むことを特徴とする。   An ink jet head according to a sixth aspect of the present invention is a piezoelectric thin film element in which a piezoelectric layer is formed on a first electrode layer, and a second electrode layer is formed on the piezoelectric layer. A diaphragm layer provided on the electrode layer side surface of either the electrode layer or the second electrode layer, and a pressure chamber that is bonded to the surface of the diaphragm layer opposite to the piezoelectric thin film element side and accommodates ink An ink jet head that discharges ink in the pressure chamber by displacing the diaphragm layer in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element, wherein the piezoelectric layer includes lead as a constituent element A first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure, and a first piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide that is provided on the first piezoelectric layer and fills voids in the first piezoelectric layer. And two piezoelectric layers.

このインクジェットヘッドにおける圧電薄膜素子は、上述した第1の発明の圧電薄膜素子から基板を除去したものに相当し、該圧電薄膜素子も上述した第1の発明の圧電薄膜素子と同様に、その信頼性および耐久性能を高めやすいものである。したがって、このインクジェットヘッドにおいても、その信頼性および耐久性能を高めやすい。   The piezoelectric thin film element in this ink jet head is equivalent to the piezoelectric thin film element of the first invention described above with the substrate removed, and the piezoelectric thin film element is also reliable as in the piezoelectric thin film element of the first invention described above. It is easy to improve performance and durability. Therefore, also in this inkjet head, it is easy to improve the reliability and durability performance.

第7の発明のインクジェット式記録装置は、インクジェットヘッドと、インクジェットヘッドを記録媒体に対して相対移動させる相対移動手段とを備え、相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェットヘッドから記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット式記録装置であって、インクジェットヘッドは上記第6の発明のインクジェットヘッドであることを特徴とする。   An ink jet recording apparatus according to a seventh aspect of the present invention includes an ink jet head and relative moving means for moving the ink jet head relative to the recording medium, and the ink jet head is moved relative to the recording medium by the relative moving means. In some cases, an ink jet recording apparatus that performs recording by discharging ink from the ink jet head onto a recording medium, wherein the ink jet head is the ink jet head of the sixth invention.

このインクジェット式記録装置では、インクジェットヘッドが上記第6の発明のインクジェットヘッドであることから、その信頼性および耐久性能を高めやすい。   In this ink jet recording apparatus, since the ink jet head is the ink jet head according to the sixth aspect of the invention, the reliability and durability can be easily improved.

以下、本発明の圧電薄膜素子、圧電薄膜素子の製造方法、インクジェットヘッド、およびインクジェット式記録装置それぞれについて、図面を用いて実施の形態を説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the piezoelectric thin film element, the method for manufacturing the piezoelectric thin film element, the ink jet head, and the ink jet recording apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below.

(実施の形態1)
図1は、本発明の圧電薄膜素子の一例を概略的に示す断面図である。図中の11は基板、12は密着層、13は第1の電極層、14は第1の圧電体層、17は空孔、18は第2の圧電体層、19は第2の電極層、20は圧電薄膜素子である。基板11上に密着層12、第1の電極層13、第1の圧電体層14、第2の圧電体層18、および第2の電極層19がこの順番で積層されて、圧電薄膜素子20を構成している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the piezoelectric thin film element of the present invention. In the figure, 11 is a substrate, 12 is an adhesion layer, 13 is a first electrode layer, 14 is a first piezoelectric layer, 17 is a hole, 18 is a second piezoelectric layer, and 19 is a second electrode layer. , 20 are piezoelectric thin film elements. The adhesion layer 12, the first electrode layer 13, the first piezoelectric layer 14, the second piezoelectric layer 18, and the second electrode layer 19 are laminated on the substrate 11 in this order, and the piezoelectric thin film element 20. Is configured.

基板11としては、例えばシリコンウェハ、酸化マグネシウム(MgO)単結晶基板、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板などを用いることができる。   As the substrate 11, for example, a silicon wafer, a magnesium oxide (MgO) single crystal substrate, a glass substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like can be used.

密着層12は任意の構成要素であり、基板11と第1の電極層13との密着性を高めるために必要に応じて配置される。この密着層12は、例えばチタン(Ti)、タンタル(Ta)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、およびクロム(Cr)等の金属や該金属の化合物よって形成され、その厚さは概ね0.005〜1μmの範囲内で適宜選定される。例えば基板としてシリコンウェハを用い、第1の電極層を白金(Pt)により形成する場合には、チタン(Ti)からなる密着層12を設けることにより、基板11と第1の電極層12との密着性を向上させることができる。   The adhesion layer 12 is an optional component, and is disposed as necessary in order to improve the adhesion between the substrate 11 and the first electrode layer 13. The adhesion layer 12 is formed of a metal such as titanium (Ti), tantalum (Ta), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and chromium (Cr), or a compound of the metal. The thickness is appropriately selected within a range of approximately 0.005 to 1 μm. For example, when a silicon wafer is used as the substrate and the first electrode layer is formed of platinum (Pt), an adhesion layer 12 made of titanium (Ti) is provided, so that the substrate 11 and the first electrode layer 12 are separated. Adhesion can be improved.

第1の電極層13は、第2の電極層19と共に圧電体層(第1の圧電体層14および第2の圧電体層18)に電圧を印加するためのものであり、所望の導電性材料により形成される。圧電薄膜素子20をインクジェットヘッドの圧電薄膜アクチュエータに用いる場合には基板11が最終的に除去されるので、基板11を除去する際に損傷してしまわないように、第1の電極層13は白金(Pt)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)などの耐食性金属により形成することが好ましい。第1の電極層13の厚さは、その材質に応じて適宜選定される。   The first electrode layer 13 is for applying a voltage to the piezoelectric layer (the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18) together with the second electrode layer 19, and has a desired conductivity. Formed by material. When the piezoelectric thin film element 20 is used for a piezoelectric thin film actuator of an ink jet head, the substrate 11 is finally removed, so that the first electrode layer 13 is made of platinum so as not to be damaged when the substrate 11 is removed. It is preferably formed of a corrosion-resistant metal such as (Pt), iridium (Ir), palladium (Pd), or ruthenium (Ru). The thickness of the 1st electrode layer 13 is suitably selected according to the material.

第1の圧電体層14は、鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物、例えば菱面体晶系または正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するPZTや、該PZTにランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ニオブ(Nb)、アルミニウム(Al)などの添加物を含有させたもの、あるいはマグネシウムニオブ酸鉛(PMN)や亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)、ランタンがドープされたチタン酸鉛(PLT)などにより形成される。   The first piezoelectric layer 14 includes an oxide having a perovskite crystal structure containing lead as an element, for example, PZT having a rhombohedral or tetragonal perovskite crystal structure, lanthanum (La), One containing an additive such as strontium (Sr), niobium (Nb), aluminum (Al), lead magnesium niobate (PMN), lead zinc niobate (PZN), lead titanate doped with lanthanum ( PLT) or the like.

例えばPZTによって第1の圧電体層14を形成する場合、当該第1の圧電体層14におけ亜鉛(Zn)原子とチタン(Ti)原子との原子数比Zr/Tiを30/70〜70/30程度の範囲内とすることにより、その結晶構造を菱面体晶系または正方晶系のペロブスカイト型結晶構造とすることができる。なお、PZTでは、Zr/Tiが概ね53/47のときにモルフォトロピック相境界(正方晶と菱面体晶との境界)となる。   For example, when the first piezoelectric layer 14 is formed by PZT, the atomic ratio Zr / Ti between zinc (Zn) atoms and titanium (Ti) atoms in the first piezoelectric layer 14 is 30/70 to 70. By setting it within the range of about / 30, the crystal structure can be a rhombohedral or tetragonal perovskite crystal structure. In PZT, when Zr / Ti is approximately 53/47, a morphotropic phase boundary (boundary between a tetragonal crystal and a rhombohedral crystal) is obtained.

PZTに限らず、上述の酸化物は、通常、多結晶体である。第1の圧電体層14を上記酸化物の多結晶体で形成する場合、結晶粒子が少しでも配向していれば分極軸が電圧の印加方向に向きやすくなるので圧電性能が向上するが、第1の圧電体層14の形成時に発生する内部応力や、高温環境下で形成するために発生する基板との線膨張係数の違いによる応力などの影響により圧電性能が抑えられる。   The above-mentioned oxides are not limited to PZT and are usually polycrystalline. In the case where the first piezoelectric layer 14 is formed of the above oxide polycrystal, if the crystal grains are evenly oriented, the polarization axis is easily oriented in the voltage application direction, so that the piezoelectric performance is improved. Piezoelectric performance is suppressed by the influence of internal stress generated when forming one piezoelectric layer 14 and stress due to the difference in linear expansion coefficient from the substrate generated for forming in a high temperature environment.

このため、実用上は(111)面または(001)面に優先配向した多結晶体によって第1の圧電体層14を形成することが好ましい。このときの(111)面への配向率α(111)または(001)面への配向率α(001)は70%以上であることが好ましく、当該配向率が90%以上であれば上記の各応力の影響を無視できるようになるので更に好ましい。上記の配向率α(111)はα(111)=I(111)/ΣI(hkl)で定義され、配向率α(001)はα(001)=I(001)/ΣI(hkl)で定義される。これらの式中のΣI(hkl)は、Cu−Kα線を用いたX線回折で2θが10〜70°となるときの各結晶面からの回折ピーク強度の総和を表している。多結晶体での配向率は、当該多結晶体の成膜方法、成膜条件、下地層の性状などを適宜選定することにより制御される。   Therefore, in practice, the first piezoelectric layer 14 is preferably formed of a polycrystalline body preferentially oriented in the (111) plane or the (001) plane. At this time, the orientation ratio α (111) to the (111) plane or the orientation ratio α (001) to the (001) plane is preferably 70% or more. This is more preferable because the influence of each stress can be ignored. The orientation rate α (111) is defined by α (111) = I (111) / ΣI (hkl), and the orientation rate α (001) is defined by α (001) = I (001) / ΣI (hkl). Is done. ΣI (hkl) in these formulas represents the total sum of diffraction peak intensities from each crystal plane when 2θ is 10 to 70 ° in X-ray diffraction using Cu-Kα rays. The orientation rate in the polycrystalline body is controlled by appropriately selecting the polycrystalline film forming method, film forming conditions, properties of the underlayer, and the like.

第1の圧電体層14の厚さは、その組成や圧電薄膜素子20の用途などに応じて適宜選定される。圧電薄膜素子20をインクジェットヘッドの圧電薄膜アクチュエータとして用いる場合には、当該第1の圧電体層14の最大厚みを概ね1〜10μmの範囲内で選定することが好ましい。第1の圧電体層14の最大厚みがこの範囲外では、第2の圧電体層18を設けても圧電薄膜素子20の信頼性や耐久性能を向上させることが困難である。   The thickness of the first piezoelectric layer 14 is appropriately selected according to the composition, the use of the piezoelectric thin film element 20, and the like. When the piezoelectric thin film element 20 is used as a piezoelectric thin film actuator of an inkjet head, it is preferable to select the maximum thickness of the first piezoelectric layer 14 within a range of approximately 1 to 10 μm. If the maximum thickness of the first piezoelectric layer 14 is outside this range, it is difficult to improve the reliability and durability of the piezoelectric thin film element 20 even if the second piezoelectric layer 18 is provided.

なお、第1の圧電体層14にその形成過程で混入した異物は、第2の圧電体層18を形成する前に除去しておく。異物の除去に伴って、第1の圧電体層14には空孔17が生じる。また、第1の圧電体層14の形成過程で生じた副生成物も、第2の圧電体層18を形成する前に除去しておくことが好ましい。異物や副生成物の除去方法については、後述する実施の形態3において説明する。   The foreign matter mixed in the first piezoelectric layer 14 during the formation process is removed before the second piezoelectric layer 18 is formed. As the foreign matter is removed, holes 17 are formed in the first piezoelectric layer 14. It is also preferable to remove by-products generated in the process of forming the first piezoelectric layer 14 before forming the second piezoelectric layer 18. A method for removing foreign substances and by-products will be described in Embodiment 3 to be described later.

第2の圧電体層18は、第1の圧電体層14から異物を除去したことに伴って当該第1の圧電体層14に生じた空孔17を埋めるものであり、電気絶縁性酸化物からなる圧電材料によって形成される。この圧電材料としては、例えば第1の圧電体層14についての説明の中で述べた酸化物を用いることができるが、その組成は第1の圧電体層14とは異なる。第2の圧電体層18の比誘電率は第1の圧電体層14の比誘電率の1/3以上1以下であることが好ましく、かつ該第2の圧電体層18の圧電定数d31は第1の圧電体層14の1/50以上1以下であることが好ましい。そして、第2の圧電体層18の圧電定数d31は、第1の圧電体層14の1/2以上であることが更に好ましい。第2の圧電体層18での圧電定数d31をこのように選定することにより、圧電薄膜素子20に電圧を印加したときに第1の圧電体層14と第2の圧電体層18との界面での内部応力の発生を抑えやすくなる。 The second piezoelectric layer 18 fills the holes 17 generated in the first piezoelectric layer 14 in accordance with the removal of the foreign matter from the first piezoelectric layer 14, and is an electrically insulating oxide. The piezoelectric material is made of. For example, the oxide described in the description of the first piezoelectric layer 14 can be used as the piezoelectric material, but the composition thereof is different from that of the first piezoelectric layer 14. The relative dielectric constant of the second piezoelectric layer 18 is preferably 1/3 or more and 1 or less of the relative dielectric constant of the first piezoelectric layer 14, and the piezoelectric constant d 31 of the second piezoelectric layer 18. Is preferably 1/50 or more and 1 or less of the first piezoelectric layer 14. The piezoelectric constant d 31 of the second piezoelectric layer 18 is more preferably ½ or more that of the first piezoelectric layer 14. By selecting the piezoelectric constant d 31 in the second piezoelectric layer 18 in this way, the voltage between the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 when a voltage is applied to the piezoelectric thin film element 20. It becomes easy to suppress the generation of internal stress at the interface.

また、第2の圧電体層18を構成する圧電材料についても、当該圧電材料は(111)面または(001)面に優先配向した多結晶体であることが好ましい。このとき、配向率α(111)またはα(001)は、第1の圧電体層14におけるのと同様に70%以上であることが好ましく、90%以上であることが更に好ましい。   Further, regarding the piezoelectric material constituting the second piezoelectric layer 18, the piezoelectric material is preferably a polycrystalline body preferentially oriented in the (111) plane or the (001) plane. At this time, the orientation ratio α (111) or α (001) is preferably 70% or more, more preferably 90% or more, as in the first piezoelectric layer 14.

第2の電極層19は、第1の電極層13と共に圧電体層(第1の圧電体層14および第2の圧電体層18)に電圧を印加するためのものであり、所望の導電性材料により形成される。当該第2の電極層19の厚さは、その材質に応じて、概ね0.1〜0.4μmの範囲内で適宜選定される。   The second electrode layer 19 is for applying a voltage to the piezoelectric layers (the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18) together with the first electrode layer 13, and has a desired conductivity. Formed by material. The thickness of the second electrode layer 19 is appropriately selected within a range of approximately 0.1 to 0.4 μm depending on the material.

このような構造を有する圧電薄膜素子20では、第1の圧電体層14に生じた空孔17が第2の圧電体層18で埋められているので、電圧を印加した際にリークパスの形成や電界集中の発生が抑制される。また、電圧を印加した際には第1の圧電体層14と第2の圧電体層18の両方が変形するので、大きな内部応力が生じにくく、したがってマイクロクラックが生じにくい。これらの理由から、圧電薄膜素子20では、その信頼性および耐久性能を高めやすい。   In the piezoelectric thin film element 20 having such a structure, since the holes 17 generated in the first piezoelectric layer 14 are filled with the second piezoelectric layer 18, a leak path is formed when a voltage is applied. Generation of electric field concentration is suppressed. Further, when a voltage is applied, both the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 are deformed, so that a large internal stress is unlikely to occur, and therefore microcracks are unlikely to occur. For these reasons, the piezoelectric thin film element 20 can easily improve its reliability and durability.

(実施の形態2)
図2は、本発明の圧電薄膜素子の他の例を概略的に示す断面図である。図中の61は基板、62は密着層、63は第1の電極層、64は第1の圧電体層、67は空孔、70は第2の圧電体層、71は第2の電極層、72は圧電薄膜素子である。基板61上に密着層12、第1の電極層63、および第1の圧電体層64がこの順番で積層され、第1の圧電体層64に生じた空孔67を埋めるようにして該空孔67にのみ第2の圧電体層70が形成され、これら第1の圧電体層64および第2の圧電体層70を覆うようにして第2の電極層71が形成されて、圧電薄膜素子72を構成している。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a sectional view schematically showing another example of the piezoelectric thin film element of the present invention. In the figure, 61 is a substrate, 62 is an adhesion layer, 63 is a first electrode layer, 64 is a first piezoelectric layer, 67 is a hole, 70 is a second piezoelectric layer, and 71 is a second electrode layer. , 72 are piezoelectric thin film elements. The adhesion layer 12, the first electrode layer 63, and the first piezoelectric layer 64 are laminated in this order on the substrate 61, and the voids 67 generated in the first piezoelectric layer 64 are filled with the voids 67. The second piezoelectric layer 70 is formed only in the hole 67, and the second electrode layer 71 is formed so as to cover the first piezoelectric layer 64 and the second piezoelectric layer 70, and the piezoelectric thin film element 72 is constituted.

実施の形態1で説明した圧電薄膜素子20(図1参照)との相違は、第2の圧電体層70が空孔67にのみ形成されている点にある。圧電薄膜素子72における他の構成は、各層の組成も含めて、圧電薄膜素子20の構成と同様である。   The difference from the piezoelectric thin film element 20 (see FIG. 1) described in the first embodiment is that the second piezoelectric layer 70 is formed only in the holes 67. Other configurations of the piezoelectric thin film element 72 are the same as those of the piezoelectric thin film element 20 including the composition of each layer.

このような構造を有する圧電薄膜素子72でも、実施の形態1で説明した圧電薄膜素子20と同様に、第1の圧電体層64に生じた空孔67が第2の圧電体層70で埋められているので、電圧を印加した際にリークパスの形成や電界集中の発生が抑制される。また、電圧を印加した際には第1の圧電体層64と第2の圧電体層70の両方が変形するので、大きな内部応力が生じにくく、したがってマイクロクラックが生じにくい。これらの理由から、圧電薄膜素子72では、その信頼性および耐久性能を高めやすい。   Also in the piezoelectric thin film element 72 having such a structure, the holes 67 generated in the first piezoelectric layer 64 are filled with the second piezoelectric layer 70 as in the piezoelectric thin film element 20 described in the first embodiment. Therefore, when a voltage is applied, the formation of a leak path and the occurrence of electric field concentration are suppressed. Further, when a voltage is applied, both the first piezoelectric layer 64 and the second piezoelectric layer 70 are deformed, so that a large internal stress is unlikely to occur, and therefore microcracks are unlikely to occur. For these reasons, the piezoelectric thin film element 72 can easily improve its reliability and durability.

(実施の形態3)
本発明の圧電薄膜素子は、例えば、異物除去工程と第2の圧電体層形成工程とを含む本発明の圧電薄膜素子の製造方法により製造することができる。以下、実施の形態1で説明した圧電薄膜素子20(図1参照)を製造する場合を例にとり、本発明の製造方法の一例を工程毎に詳述する。
(Embodiment 3)
The piezoelectric thin film element of the present invention can be manufactured, for example, by the method for manufacturing a piezoelectric thin film element of the present invention including a foreign matter removing step and a second piezoelectric layer forming step. Hereinafter, taking the case of manufacturing the piezoelectric thin film element 20 (see FIG. 1) described in the first embodiment as an example, an example of the manufacturing method of the present invention will be described in detail for each process.

(異物除去工程)
異物除去工程では、鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層が第1の電極層を介して片面に形成された基板を洗浄して、第1の圧電体層の形成過程で該第1の圧電体層に混入した異物や該第1の圧電体層に形成された副生成物層を除去する。
(Foreign substance removal process)
In the foreign matter removing step, the first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite-type crystal structure containing lead as a constituent element is washed through the first electrode layer to clean the first piezoelectric layer. In the process of forming the body layer, the foreign matter mixed in the first piezoelectric layer and the by-product layer formed on the first piezoelectric layer are removed.

図3(a)は、第1の圧電体層に混入した異物および該第1の圧電体層に生成された副生成物層それぞれの一例を概略的に示す断面図である。同図に示す構成要素のうちで図1に示した構成要素と共通するものについては、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。図3(a)に示すように、第1の圧電体層14は、基板11上に第1の電極層13を介して形成されており、第1の電極層13と基板11との間には密着層12が介在している。当該第1の圧電体層14には異物15が混入しており、異物15の周囲には例えば鉛酸化物からなる副生成物層16が形成されている。   FIG. 3A is a cross-sectional view schematically showing an example of each of foreign matters mixed in the first piezoelectric layer and by-product layers generated in the first piezoelectric layer. Among the constituent elements shown in the figure, those common to the constituent elements shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1 and description thereof is omitted. As shown in FIG. 3A, the first piezoelectric layer 14 is formed on the substrate 11 via the first electrode layer 13, and between the first electrode layer 13 and the substrate 11. Has an adhesion layer 12 interposed. Foreign matter 15 is mixed in the first piezoelectric layer 14, and a by-product layer 16 made of, for example, lead oxide is formed around the foreign matter 15.

なお、密着層12、第1の電極層13、および第1の圧電体層14の各々は、その組成に応じて、例えばスパッタ法、真空蒸着法、レーザービーム蒸着法、イオンプレーティング法、および分子線エピタキシ(MBE)法などの物理的気相蒸着法(PVD法)や、有機金属気相蒸着法(MOCVD法)およびプラズマCVD法などの化学的気相蒸着法(CVD法)、あるいは金属有機化合物堆積法(MOD法)などの化学溶液堆積法(CSD法)やゾルゲル法により形成される。   Note that each of the adhesion layer 12, the first electrode layer 13, and the first piezoelectric layer 14 has, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method, a laser beam evaporation method, an ion plating method, Physical vapor deposition method (PVD method) such as molecular beam epitaxy (MBE) method, chemical vapor deposition method (CVD method) such as metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) and plasma CVD method, or metal It is formed by a chemical solution deposition method (CSD method) such as an organic compound deposition method (MOD method) or a sol-gel method.

異物除去工程では、上述の異物15や副生成物層16を特定の洗浄処理により除去する。例えば、水または有機溶剤中で超音波洗浄した後に、副生成物層16が溶解する液体(溶剤)により洗浄するという動作を1回または複数回繰り返すことにより、異物15や副生成物層16を除去する。副生成物層16に対する溶剤を用いた洗浄は、例えば、希硫酸などによる洗浄と、過酸化水素水などによる洗浄とをこの順番で組み合わせて行ってもよい。   In the foreign matter removing step, the foreign matter 15 and the by-product layer 16 are removed by a specific cleaning process. For example, after the ultrasonic cleaning in water or an organic solvent, the operation of cleaning with a liquid (solvent) in which the by-product layer 16 is dissolved is repeated once or a plurality of times, whereby the foreign matter 15 and the by-product layer 16 are removed. Remove. The cleaning of the by-product layer 16 using a solvent may be performed by combining cleaning with dilute sulfuric acid and cleaning with hydrogen peroxide solution in this order, for example.

図3(b)は、異物および副生成物層が除去された第1の圧電体層を概略的に示す断面図である。同図に示す構成要素のうちで図1に示した構成要素と共通するものについては、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。図3(b)に示すように、上述の洗浄により異物15および副生成物層16(図3(a)参照)が除去された第1の圧電体層14には、異物15および副生成物層16があった箇所に空孔17が形成される。   FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing the first piezoelectric layer from which foreign substances and by-product layers are removed. Among the constituent elements shown in the figure, those common to the constituent elements shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1 and description thereof is omitted. As shown in FIG. 3B, the first piezoelectric layer 14 from which the foreign matter 15 and the by-product layer 16 (see FIG. 3A) have been removed by the above-described cleaning has the foreign matter 15 and the by-product. Holes 17 are formed where the layer 16 was.

(第2の圧電体層形成工程)
第2の圧電体層形成工程では、上述の異物除去工程を経た第1の圧電体層上に、該第1の圧電体層での空孔を埋めるようにして電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層を形成する。
(Second piezoelectric layer forming step)
In the second piezoelectric layer forming step, a first piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide is formed on the first piezoelectric layer that has been subjected to the foreign matter removing step so as to fill holes in the first piezoelectric layer. 2 piezoelectric layers are formed.

図3(c)は、第2の圧電体層の一例を概略的に示す断面図である。同図に示す構成要素のうちで図1に示した構成要素と共通するものについては、図1で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。図3(c)に示すように、第2の圧電体層18は、空孔17を埋めるようにして第1の圧電体層14上に形成されて、該第1の圧電体層14を覆っている。なお、第2の圧電体層18は、第1の圧電体層14の成膜方法と同様の方法により形成することができる。   FIG. 3C is a cross-sectional view schematically showing an example of the second piezoelectric layer. Among the constituent elements shown in the figure, those common to the constituent elements shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1 and description thereof is omitted. As shown in FIG. 3C, the second piezoelectric layer 18 is formed on the first piezoelectric layer 14 so as to fill the holes 17 and covers the first piezoelectric layer 14. ing. The second piezoelectric layer 18 can be formed by a method similar to the method of forming the first piezoelectric layer 14.

目的とする圧電薄膜素子20は、上述のようにして第2の圧電体層18を形成した後、図3(d)に示すように第2の圧電体層18上に第2の電極層19を形成することにより得られる。第2の電極層19は、第1の電極層13の成膜方法と同様の方法により形成することができる。   In the target piezoelectric thin film element 20, after the second piezoelectric layer 18 is formed as described above, the second electrode layer 19 is formed on the second piezoelectric layer 18 as shown in FIG. Is obtained. The second electrode layer 19 can be formed by a method similar to the method for forming the first electrode layer 13.

(実施の形態4)
実施の形態2で説明した圧電薄膜素子72におけるように、第1の圧電体層に形成された空孔を埋めるようにして該空孔にのみ第2の圧電体層が形成された圧電薄膜素子を本発明の製造方法によって得る場合には、実施の形態3で説明した第2の圧電体層形成工程が例えば3つのサブ工程に分かれる。以下、実施の形態2で説明した圧電薄膜素子72を製造する場合を例にとり、本発明の製造方法の他の例を工程毎に詳述する。
(Embodiment 4)
As in the piezoelectric thin film element 72 described in the second embodiment, the piezoelectric thin film element in which the second piezoelectric layer is formed only in the hole so as to fill the hole formed in the first piezoelectric layer. Is obtained by the manufacturing method of the present invention, the second piezoelectric layer forming step described in the third embodiment is divided into, for example, three sub-steps. Hereinafter, taking the case of manufacturing the piezoelectric thin film element 72 described in the second embodiment as an example, another example of the manufacturing method of the present invention will be described in detail for each process.

(洗浄工程)
洗浄工程は、実施の形態3で説明した洗浄工程と同様にして行われる。洗浄対象となる第1の圧電体層64は、図4(a)に示すように、基板61上に第1の電極層63を介して形成されており、第1の電極層63と基板61との間には密着層62が介在している。当該第1の圧電体層64には異物65が混入しており、異物65の周囲には例えば鉛酸化物からなる副生成物層66が形成されている。
(Washing process)
The cleaning process is performed in the same manner as the cleaning process described in the third embodiment. As shown in FIG. 4A, the first piezoelectric layer 64 to be cleaned is formed on the substrate 61 via the first electrode layer 63, and the first electrode layer 63 and the substrate 61 are formed. An adhesion layer 62 is interposed therebetween. Foreign matter 65 is mixed in the first piezoelectric layer 64, and a by-product layer 66 made of, for example, lead oxide is formed around the foreign matter 65.

図4(b)に示すように、洗浄工程を行った後では、第1の圧電体層64から異物65および副生成物層66(図4(a)参照)が除去され、これら異物65および副生成物層66があった箇所に空孔67が形成される。   As shown in FIG. 4B, after the cleaning process is performed, the foreign matter 65 and the by-product layer 66 (see FIG. 4A) are removed from the first piezoelectric layer 64, and the foreign matter 65 and Holes 67 are formed at locations where the by-product layer 66 was present.

なお、密着層62、第1の電極層63、および第1の圧電体層64の各々は、実施の形態3で説明した密着層12、第1の電極層13、または第1の圧電体層14と同様にして形成される。図4(a)または図4(b)に示す構成要素のうちで図2に示した構成要素と共通するものについては、図2で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。後掲の図4(c)〜図4(f)に示す構成要素についても同様である。   Each of the adhesion layer 62, the first electrode layer 63, and the first piezoelectric layer 64 is the adhesion layer 12, the first electrode layer 13, or the first piezoelectric layer described in the third embodiment. 14 is formed. Among the constituent elements shown in FIG. 4A or FIG. 4B, the same constituent elements as those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. Omitted. The same applies to components shown in FIGS. 4C to 4F described later.

(第2の圧電体層形成工程)
第2の圧電体層形成工程では、下記第1〜3サブ工程をこの順番で行って、第1の圧電体層に形成された空孔を埋めるようにして該空孔にのみ第2の圧電体層を形成する。
(Second piezoelectric layer forming step)
In the second piezoelectric layer forming step, the following first to third sub-steps are performed in this order to fill the holes formed in the first piezoelectric layer so as to fill the second piezoelectric layer only in the holes. A body layer is formed.

第1のサブ工程では、図4(c)に示すように、実施の形態3で説明した第2の圧電体層形成工程と同様にして、空孔67を埋める圧電体層68を第1の圧電体層64の上面全体に形成する。後述するように、圧電体層68をパターニングすることで第2の圧電体層が形成される。この圧電体層68は、実施の形態3で説明した第2の圧電体層18と同様にして形成される。   In the first sub-process, as shown in FIG. 4C, the piezoelectric layer 68 that fills the holes 67 is formed in the same manner as the second piezoelectric layer forming process described in the third embodiment. It is formed on the entire top surface of the piezoelectric layer 64. As will be described later, the piezoelectric layer 68 is patterned to form the second piezoelectric layer. The piezoelectric layer 68 is formed in the same manner as the second piezoelectric layer 18 described in the third embodiment.

第2のサブ工程では、図4(d)に示すように、圧電体層68上にレジスト層69を形成する。このレジスト層69は、その上面が平坦面となるように、例えばスピンコート法により形成される。   In the second sub-process, a resist layer 69 is formed on the piezoelectric layer 68 as shown in FIG. The resist layer 69 is formed, for example, by spin coating so that the upper surface thereof is a flat surface.

第3のサブ工程では、図4(e)に示すように、レジスト層69と圧電体層68とをエッチバックして、空孔67にのみ上記の圧電体層68を残す。この圧電体層が第2の圧電体層70となる。なお、レジスト層69と圧電体層68とをエッチバックするにあたっては、これらのエッチングレートが同じであることが最も好ましいので、当該エッチングレートができるだけ一致するように、あるいは完全に一致するように、圧電体層68の材質に応じてレジスト層69の材質を選定すると共に、エッチバックの際のエッチングガスおよびエッチング条件を選定する。   In the third sub-step, as shown in FIG. 4E, the resist layer 69 and the piezoelectric layer 68 are etched back, leaving the piezoelectric layer 68 only in the holes 67. This piezoelectric layer becomes the second piezoelectric layer 70. In etching back the resist layer 69 and the piezoelectric layer 68, it is most preferable that these etching rates are the same, so that the etching rates are matched as much as possible or completely match. The material of the resist layer 69 is selected according to the material of the piezoelectric layer 68, and the etching gas and etching conditions for the etch back are selected.

目的とする圧電薄膜素子72は、上述のようにして第2の圧電体層70を形成した後、図4(f)に示すように第2の圧電体層70上に第2の電極層71を形成することにより得られる。第2の電極層71は、第1の電極層63の成膜方法と同様の方法により形成することができる。   In the target piezoelectric thin film element 72, after the second piezoelectric layer 70 is formed as described above, the second electrode layer 71 is formed on the second piezoelectric layer 70 as shown in FIG. Is obtained. The second electrode layer 71 can be formed by a method similar to the method for forming the first electrode layer 63.

(実施の形態5)
本発明のインクジェットヘッドは、第1の電極層上に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第2の電極層が形成さた圧電薄膜素子と、この圧電薄膜素子における第1の電極層および第2の電極層のいずれかの電極層側の面に設けられた振動板層と、この振動板層における圧電薄膜素子側とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備えており、圧電薄膜素子の圧電効果により振動板層を層厚方向に変位させて圧力室のインクを吐出させる。そして、上記の圧電薄膜素子は、本発明の圧電薄膜素子から基板を除いた構成を有している。
(Embodiment 5)
The inkjet head of the present invention includes a piezoelectric thin film element in which a piezoelectric layer is formed on a first electrode layer and a second electrode layer is formed on the piezoelectric layer, and a first electrode in the piezoelectric thin film element A diaphragm layer provided on the surface of one of the layers and the second electrode layer, and a pressure chamber that is bonded to a surface of the diaphragm layer opposite to the piezoelectric thin film element side and accommodates ink And a pressure chamber member having a pressure chamber member, and the diaphragm layer is displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element to discharge ink in the pressure chamber. And said piezoelectric thin film element has the structure remove | excluding the board | substrate from the piezoelectric thin film element of this invention.

図5は、本発明のインクジェットヘッドの一例を概略的に示す斜視図であり、図6は、図5に示したインクジェットヘッドでの要部の構成を概略的に示す一部断面斜視図である。これら図5および図6において、Aは、圧力室部材であって、この圧力室部材Aには、その厚さ方向(上下方向)に貫通する圧力室用開口部101(図6参照)が形成されている。Bは、上記圧力室用開口部101の上端開口を覆うように配置された圧電薄膜アクチュエータ部(以下、単に「アクチュエータ部」という。)であり、Cは、圧力室用開口部101の下端開口を覆うように配置されたインク流路部材である。上記圧力室部材Aの圧力室用開口部101は、その上下にそれぞれ位置する上記アクチュエータ部Bおよびインク流路部材Cにより閉塞されることで圧力室102とされている。   FIG. 5 is a perspective view schematically showing an example of the ink jet head of the present invention, and FIG. 6 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a configuration of a main part of the ink jet head shown in FIG. . 5 and 6, A is a pressure chamber member. The pressure chamber member A is formed with a pressure chamber opening 101 (see FIG. 6) penetrating in the thickness direction (vertical direction). Has been. B is a piezoelectric thin film actuator portion (hereinafter simply referred to as “actuator portion”) disposed so as to cover the upper end opening of the pressure chamber opening 101, and C is a lower end opening of the pressure chamber opening 101. The ink flow path member is arranged so as to cover the ink. The pressure chamber opening 101 of the pressure chamber member A is closed to the pressure chamber 102 by being closed by the actuator portion B and the ink flow path member C positioned above and below the opening 101, respectively.

上記アクチュエータ部Bは、上記各圧力室102の略真上に位置する第1の電極層103(個別電極)を有し、これら圧力室102および第1の電極層103は、図2から判るように、千鳥状に多数配列されている。   The actuator part B has a first electrode layer 103 (individual electrode) positioned substantially immediately above each pressure chamber 102, and the pressure chamber 102 and the first electrode layer 103 can be seen from FIG. Many are arranged in a staggered pattern.

上記インク流路部材Cは、インク供給方向に並ぶ圧力室102間で共用する共通液室105と、この共通液室105のインクを上記圧力室102に供給するための供給口106と、圧力室102内のインクを吐出させるためのインク流路107とを有している。   The ink flow path member C includes a common liquid chamber 105 shared by the pressure chambers 102 arranged in the ink supply direction, a supply port 106 for supplying ink in the common liquid chamber 105 to the pressure chamber 102, and a pressure chamber. And an ink flow path 107 for ejecting the ink in 102.

Dは、ノズル板であって、このノズル板Dには、上記インク流路107に連通するノズル孔108が形成されている。また、EはICチップであって、このICチップから上記各第1の電極層103に対してボンディングワイヤBWを介して電圧をそれぞれ供給するようになっている。   D is a nozzle plate, and a nozzle hole 108 communicating with the ink flow path 107 is formed in the nozzle plate D. E is an IC chip, and a voltage is supplied from the IC chip to each of the first electrode layers 103 via bonding wires BW.

次に、上記アクチュエータ部Bの構成を図7に基づいて説明する。この図7は、図5に示したインク供給方向とは直交する方向の断面図である。同図では、上記直交方向に並ぶ4個の圧力室102を持つ圧力室部材Aが参照的に描かれている。このアクチュエータ部Bは、上記の如く各圧力室102の略真上にそれぞれ位置する第1の電極層103と、各第1の電極層103上(同図では下側)に設けられた第1の圧電体層104と、該第1の圧電体層104上(同下側)に設けられた第2の圧電体層110と、該第2の圧電体層110上(同下側)に設けられ、全ての第2の圧電体層110に共通となる第2の電極層112(共通電極)と、該第2の電極層112上(同下側)に設けられ、上記第1の圧電体層104および第2の圧電体層110の圧電効果により層厚方向に変位し振動する振動板層111と、この振動板層111上(同下側)に設けられ、各圧力室102を区画する区画壁102aの上方に位置する中間層113(縦壁)とを有しており、上記第1の電極層103、第1の圧電体層104、第2の圧電体層110および第2の電極層112は、これらが順に積層されてなる圧電薄膜素子を構成することになる。また、振動板層111は、この圧電薄膜素子の第2の電極層112側の面に設けられていることになる。   Next, the configuration of the actuator part B will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the ink supply direction shown in FIG. In the figure, a pressure chamber member A having four pressure chambers 102 arranged in the orthogonal direction is drawn for reference. As described above, the actuator portion B includes the first electrode layer 103 positioned substantially immediately above each pressure chamber 102 and the first electrode layer 103 provided on each first electrode layer 103 (lower side in the figure). The piezoelectric layer 104, the second piezoelectric layer 110 provided on the first piezoelectric layer 104 (on the lower side), and the second piezoelectric layer 110 provided on the lower side (on the same side). A second electrode layer 112 (common electrode) that is common to all the second piezoelectric layers 110, and provided on the second electrode layer 112 (on the same side) as the first piezoelectric body. A vibration plate layer 111 that vibrates by being displaced in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the layer 104 and the second piezoelectric layer 110, and is provided on the vibration plate layer 111 (on the lower side), and partitions each pressure chamber 102. An intermediate layer 113 (vertical wall) located above the partition wall 102a, and the first electrode layer 103. The first piezoelectric layer 104, the second piezoelectric layer 110 and the second electrode layer 112 may constitute the piezoelectric thin-film element which they are stacked in this order. The diaphragm layer 111 is provided on the surface of the piezoelectric thin film element on the second electrode layer 112 side.

なお、図7中の参照符号114は圧力室部材Aとアクチュエータ部Bとを接着する接着剤を示しており、上記各中間層113は、この接着剤114を用いた接着時に、その一部の接着剤114が区画壁102aの外方にはみ出した場合でも、この接着剤114が振動板層111に付着しないで振動板層111が所期通りの変位および振動を起こすように、圧力室102の上面と振動板層111の下面との距離を拡げる役割を有している。このようにアクチュエータ部Bの振動板層111における第2の電極層112とは反対側の面に中間層113を介して圧力室部材Aを接合するのが好ましいが、振動板層111における第2の電極層112とは反対側の面に直接圧力室部材Aを接合するようにしてもよい。   Note that reference numeral 114 in FIG. 7 indicates an adhesive that bonds the pressure chamber member A and the actuator portion B, and each of the intermediate layers 113 is partially bonded at the time of bonding using the adhesive 114. Even when the adhesive 114 protrudes to the outside of the partition wall 102a, the adhesive layer 114 does not adhere to the vibration plate layer 111 so that the vibration plate layer 111 causes the desired displacement and vibration. It has the role of increasing the distance between the upper surface and the lower surface of the diaphragm layer 111. As described above, it is preferable to join the pressure chamber member A to the surface of the vibration plate layer 111 of the actuator portion B opposite to the second electrode layer 112 through the intermediate layer 113, but The pressure chamber member A may be directly joined to the surface opposite to the electrode layer 112.

上記第1の電極層103、第1の圧電体層104、第2の圧電体層110および第2の電極層112の各構成材料は、上記実施の形態1で説明した第1の電極層13、第1の圧電体層14、第2の圧電体層18または第2の電極層19とそれぞれ同様である(構成元素の含有量が異なるものもある)。   The constituent materials of the first electrode layer 103, the first piezoelectric layer 104, the second piezoelectric layer 110, and the second electrode layer 112 are the same as those of the first electrode layer 13 described in the first embodiment. These are the same as the first piezoelectric layer 14, the second piezoelectric layer 18 and the second electrode layer 19 (some of the constituent elements have different contents).

次に、図5のICチップEを除くインクジェットヘッド、つまり図6または図7に示す上記圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材Cおよびノズル板Dよりなるインクジェットヘッドの製造方法を図8〜図12に基づいて説明する。   Next, a manufacturing method of an ink jet head excluding the IC chip E of FIG. 5, that is, an ink jet head comprising the pressure chamber member A, the actuator part B, the ink flow path member C and the nozzle plate D shown in FIG. 6 or FIG. 8 to 12 will be described.

図8(a)に示すように、基板120上に密着層121、第1の電極層103、第1の圧電体層104、第2の圧電体層110、第2の電極層112、振動板層111、上記中間層113をスパッタ法により順次成膜して積層する。なお、基板120は上記実施の形態1で説明した基板11に相当し、密着層121は密着層12に相当する。密着層121は、基板120と第1の電極層103との密着性を高めるために、必要に応じて基板120と第1の電極層103との間に形成される。この密着層121は、後述の如く、基板120と同様に除去する。振動板層111の材料には例えばクロム(Cr)が使用され、中間層113の材料には例えばチタン(Ti)が使用される。なお、第1の圧電体層104の形成後に異物や、鉛酸化物層等の副生成物層を取り除くための洗浄を行い、その後に第2の圧電体層110を形成している。   As shown in FIG. 8A, an adhesion layer 121, a first electrode layer 103, a first piezoelectric layer 104, a second piezoelectric layer 110, a second electrode layer 112, and a diaphragm are formed on a substrate 120. The layer 111 and the intermediate layer 113 are sequentially deposited by sputtering. The substrate 120 corresponds to the substrate 11 described in the first embodiment, and the adhesion layer 121 corresponds to the adhesion layer 12. The adhesion layer 121 is formed between the substrate 120 and the first electrode layer 103 as necessary in order to improve adhesion between the substrate 120 and the first electrode layer 103. The adhesion layer 121 is removed in the same manner as the substrate 120 as described later. For example, chromium (Cr) is used as the material of the diaphragm layer 111, and titanium (Ti) is used as the material of the intermediate layer 113, for example. Note that after the first piezoelectric layer 104 is formed, cleaning for removing foreign substances and by-product layers such as a lead oxide layer is performed, and then the second piezoelectric layer 110 is formed.

密着層121、第1の電極層103、第1の圧電体層104、第2の圧電体層110、第2の電極層112の層成膜方法および洗浄方法は、本発明の実施例1と同様である。   The method for forming and cleaning the adhesion layer 121, the first electrode layer 103, the first piezoelectric layer 104, the second piezoelectric layer 110, and the second electrode layer 112 are the same as those in Example 1 of the present invention. It is the same.

上記振動板層111は、例えば、クロム(Cr)ターゲットを用い、成膜温度を室温にして1Paのアルゴンガス雰囲気中、200Wの高周波電力で6時間スパッタリングを行うことにより得られる。この振動板層111の厚さは例えば3μmとなる。振動板層111の材料はクロム(Cr)に限定されるものではなく、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、およびシリコン(Si)等の金属(シリコンも金属に含めるのもとする。)や、これらの金属の酸化物もしくは窒化物、例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン等であってもよい。また、振動板層111の厚さは概ね2〜5μmの範囲内で適宜選定可能である。   The diaphragm layer 111 is obtained, for example, by performing sputtering for 6 hours at a high frequency power of 200 W in a 1 Pa argon gas atmosphere using a chromium (Cr) target at a room temperature. The thickness of the diaphragm layer 111 is 3 μm, for example. The material of the diaphragm layer 111 is not limited to chromium (Cr), but a metal (such as silicon) such as nickel (Ni), aluminum (Al), tantalum (Ta), tungsten (W), and silicon (Si). And oxides or nitrides of these metals, such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, silicon nitride, and the like. Moreover, the thickness of the diaphragm layer 111 can be appropriately selected within a range of approximately 2 to 5 μm.

上記中間層113は、例えば、チタン(Ti)ターゲットを用い、成膜温度を室温にして1Paのアルゴンガス雰囲気中、200Wの高周波電力で5時間スパッタリングを行うことにより得られる。この中間層113の厚さは例えば5μmとなる。中間層113の材料はチタン(Ti)に限定されるものではなく、クロム(Cr)等の導電性金属であればよい。また、中間層113の厚さは概ね3〜10μmの範囲内で適宜選定可能である。   The intermediate layer 113 is obtained, for example, by sputtering using a titanium (Ti) target at a film formation temperature of room temperature and in a 1 Pa argon gas atmosphere at a high frequency power of 200 W for 5 hours. The thickness of the intermediate layer 113 is, for example, 5 μm. The material of the intermediate layer 113 is not limited to titanium (Ti), but may be any conductive metal such as chromium (Cr). Further, the thickness of the intermediate layer 113 can be appropriately selected within a range of approximately 3 to 10 μm.

これらの層の形成とは別に、図8(b)に示すように、圧力室部材Aを形成する。この圧力室部材Aは、上記基板120よりも大きいサイズの基板、例えば4インチシリコンウェハ130(図13参照)を使用して形成される。具体的には、シリコンウェハ130(圧力室部材用)をパターニングして複数の圧力室用開口部101を形成する。このパターニングは、図8(b)から判るように、4つの圧力室用開口部101を1組として行われ、各組を区画する区画壁102bの厚さ(水平方向での厚さ)は、各組内の圧力室用開口部101を区画する区画壁102aの厚さの約2倍に設定される。   Separately from the formation of these layers, a pressure chamber member A is formed as shown in FIG. The pressure chamber member A is formed using a substrate having a size larger than the substrate 120, for example, a 4-inch silicon wafer 130 (see FIG. 13). Specifically, the silicon wafer 130 (for pressure chamber member) is patterned to form a plurality of pressure chamber openings 101. As can be seen from FIG. 8B, this patterning is performed with four pressure chamber openings 101 as one set, and the thickness (thickness in the horizontal direction) of the partition wall 102b dividing each set is as follows. It is set to about twice the thickness of the partition wall 102a that partitions the pressure chamber opening 101 in each set.

その後は、前述の各層が成膜された基板120と上述の圧力室部材Aとを接着剤を用いて接着する。このとき使用される接着剤層は、図8(c)に示すように、圧力室部材Aでの各区画壁102a、102bの上面に例えば電着法により形成される。電着法により接着剤層114を形成するにあたっては、先ず、上記区画壁102a、102bの上面に、光が透過する程度に薄い数百オングストローム(数10nm)のニッケル(Ni)薄膜からなる下地電極膜(図示せず。)をスパッタ法により形成する。次いで、上記ニッケル(Ni)薄膜上に接着剤層114を電着形成する。このときの電着液としては、例えばアクリル樹脂系水分散液に0〜50重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液が使用される。ニッケル(Ni)薄膜の厚さを光が透過するほど薄く設定するのは、圧力部材Aに接着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。電着条件は、例えば液温約25℃、直流電圧30V、通電時間60秒とし、接着剤層114の厚さは例えば約3〜10μmに設定される。   Thereafter, the substrate 120 on which the above-described layers are formed and the above-described pressure chamber member A are bonded using an adhesive. As shown in FIG. 8C, the adhesive layer used at this time is formed on the upper surface of each partition wall 102a, 102b in the pressure chamber member A by, for example, an electrodeposition method. In forming the adhesive layer 114 by the electrodeposition method, first, a base electrode made of a nickel (Ni) thin film of several hundreds of angstroms (several tens of nanometers) thin enough to transmit light on the upper surfaces of the partition walls 102a and 102b. A film (not shown) is formed by sputtering. Next, an adhesive layer 114 is formed by electrodeposition on the nickel (Ni) thin film. As the electrodeposition liquid at this time, for example, a solution obtained by adding 0 to 50 parts by weight of pure water to an acrylic resin aqueous dispersion and stirring and mixing it well is used. The reason why the thickness of the nickel (Ni) thin film is set so thin that light is transmitted is to make it easy to visually recognize that the adhesive resin is completely attached to the pressure member A. The electrodeposition conditions are, for example, a liquid temperature of about 25 ° C., a DC voltage of 30 V, an energization time of 60 seconds, and the thickness of the adhesive layer 114 is set to, for example, about 3 to 10 μm.

この後、図9(a)に示すように、前述の各層が成膜された基板120と圧力室部材Aとを、接着剤層114を用いて接着する。この接着は、基板120に成膜された中間層113を基板側接着面として行う。また、基板120(成膜用)よりもシリコンウェハ130の方が大きいので、例えば基板120のサイズが18mmで、シリコンウェハ130が4インチウェハであるときには、図13に示すように、複数(同図では14個)の基板120を1個の圧力室部材A(シリコンウェハ130)に貼り付けることができる。この貼り付けは、図9(a)に示すように、各基板120の中心が圧力室部材Aにおける1つの区画壁102bの中心に位置するように位置合わせされた状態で行われる。この貼り付け後、圧力室部材Aを基板120側に押圧、密着させて、液密性高く両者を接着する。さらに、上記接着した基板120および圧力室部材Aを加熱炉において徐々に昇温して、上記接着剤層114を完全に硬化させる。続いてプラズマ処理を行って、上記接着剤114のうちではみ出した断片を除去する。   Thereafter, as shown in FIG. 9A, the substrate 120 on which the above-described layers are formed and the pressure chamber member A are bonded using an adhesive layer 114. This adhesion is performed using the intermediate layer 113 formed on the substrate 120 as a substrate-side adhesion surface. Further, since the silicon wafer 130 is larger than the substrate 120 (for film formation), for example, when the size of the substrate 120 is 18 mm and the silicon wafer 130 is a 4-inch wafer, as shown in FIG. In the figure, 14 substrates 120 can be attached to one pressure chamber member A (silicon wafer 130). As shown in FIG. 9A, this pasting is performed in a state where the centers of the respective substrates 120 are aligned so as to be positioned at the center of one partition wall 102b in the pressure chamber member A. After the pasting, the pressure chamber member A is pressed and brought into close contact with the substrate 120 side, and both are bonded with high liquid tightness. Further, the temperature of the bonded substrate 120 and pressure chamber member A is gradually raised in a heating furnace, and the adhesive layer 114 is completely cured. Subsequently, plasma treatment is performed to remove the protruding portion of the adhesive 114.

なお、図9(a)では、各層が成膜された基板120と圧力室部材Aとを接着したが、圧力室用開口部101を形成しない段階のシリコンウェハ130を上記各層が成膜された基板120に接着してもよい。   In FIG. 9A, the substrate 120 on which each layer is formed and the pressure chamber member A are bonded, but the above-described layers are formed on the silicon wafer 130 at a stage where the pressure chamber opening 101 is not formed. It may be adhered to the substrate 120.

次に、図9(b)に示すように、圧力室部材Aの各区画壁102a、102bをマスクとして用いて中間層113をエッチングして、該中間層113を所定形状、すなわち各区画壁102a、102bに連続する形状(縦壁)にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 9B, the intermediate layer 113 is etched using the partition walls 102a and 102b of the pressure chamber member A as a mask, so that the intermediate layer 113 has a predetermined shape, that is, each partition wall 102a. , 102b are patterned into a shape (vertical wall) continuous.

次いで、図10(a)に示すように、基板120および密着層121をエッチングにより除去する。続いて、図10(b)に示すように、上記圧力室部材A上に位置する第1の電極層103をフォトリソグラフィー技術によりエッチングして、圧力室102毎に個別化する。そして、図11(a)に示すように、フォトリソグラフィー技術により第1の圧電体層104と第2の圧電体層110とをエッチングして、第1の電極層103と同様の形状に個別化する。これらエッチング後の第1の電極層103、第1の圧電体層104および第2の圧電体層110は、圧力室102の各々の上方に位置し、かつ第1の電極層103、第1の圧電体層104および第2の圧電体層110の幅方向の中心が、対応する圧力室102の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。   Next, as shown in FIG. 10A, the substrate 120 and the adhesion layer 121 are removed by etching. Subsequently, as shown in FIG. 10B, the first electrode layer 103 located on the pressure chamber member A is etched by photolithography to be individualized for each pressure chamber 102. Then, as shown in FIG. 11A, the first piezoelectric layer 104 and the second piezoelectric layer 110 are etched by a photolithography technique to be individualized in the same shape as the first electrode layer 103. To do. The first electrode layer 103, the first piezoelectric layer 104, and the second piezoelectric layer 110 after the etching are positioned above each of the pressure chambers 102, and the first electrode layer 103, the first piezoelectric layer The center in the width direction of the piezoelectric layer 104 and the second piezoelectric layer 110 is formed to coincide with the center in the width direction of the corresponding pressure chamber 102 with high accuracy.

このように第1の電極層103、第1の圧電体層104および第2の圧電体層110を圧力室102毎に個別化した後、図11(b)に示すように、シリコンウェハ130を各区画壁102bの部分で切断して、4つの圧力室102を持つ圧力室部材Aとその上面に固着されたアクチュエータ部Bとを4組得る。   After individualizing the first electrode layer 103, the first piezoelectric layer 104, and the second piezoelectric layer 110 for each pressure chamber 102 in this way, as shown in FIG. By cutting at each partition wall 102b, four sets of the pressure chamber member A having four pressure chambers 102 and the actuator portion B fixed to the upper surface thereof can be obtained.

続いて、図12(a)に示すように、インク流路部材Cに共通液室105、供給口106およびインク流路107を形成すると共に、ノズル板Dにノズル孔108を形成する。次いで、図12(b)に示すように、上記インク流路部材Cとノズル板Dとを接着剤109を用いて接着する。   Subsequently, as shown in FIG. 12A, the common liquid chamber 105, the supply port 106, and the ink flow path 107 are formed in the ink flow path member C, and the nozzle hole 108 is formed in the nozzle plate D. Next, as shown in FIG. 12B, the ink flow path member C and the nozzle plate D are bonded using an adhesive 109.

その後、図12(c)に示すように、圧力室部材Aの下端面またはインク流路部材Cの上端面に接着剤(図示せず)を転写し、圧力室部材Aとインク流路部材Cとのアライメント調整を行いながら両者を上記接着剤により接着する。以上により、図12(d)に示すように、圧力室部材A、アクチュエータ部B、インク流路部材Cおよびノズル板Dを持つインクジェットヘッド150が完成する。   Thereafter, as shown in FIG. 12C, an adhesive (not shown) is transferred to the lower end surface of the pressure chamber member A or the upper end surface of the ink channel member C, and the pressure chamber member A and the ink channel member C are transferred. Both are bonded with the above adhesive while adjusting the alignment. As a result, the inkjet head 150 having the pressure chamber member A, the actuator portion B, the ink flow path member C, and the nozzle plate D is completed as shown in FIG.

上記のようにして得られたインクジェットヘッド150での第1の電極層103と第2の電極層112との間に所定電圧を印加して、振動板層111における各圧力室102に対応する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、該変位量のばらつきσは1.8%であった。また、周波数が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けてもインクの吐出不良は全く起こらず、吐出性能の低下は見られなかった。   A portion corresponding to each pressure chamber 102 in the diaphragm layer 111 by applying a predetermined voltage between the first electrode layer 103 and the second electrode layer 112 in the inkjet head 150 obtained as described above. When the amount of displacement in the layer thickness direction was measured, the variation σ of the amount of displacement was 1.8%. Further, even when a 20 V AC voltage having a frequency of 20 kHz was continuously applied for 10 days, no ink ejection failure occurred, and no deterioration in ejection performance was observed.

一方、上記のインクジェットヘッド150に対して第2の圧電体層110を設けない点のみが異なるインクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッドでの第1の電極層103と第2の電極層112との間に所定電圧を印加して、振動板層111における各圧力室102に対応する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、該変位量のばらつきσは2.2%であった。また、周波数が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けたところ、全圧力室102のうちの約70%の圧力室102に対応する部分でインクの吐出不良が発生した。これは、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエータ部B(圧電薄膜素子)の耐久性能が低いことに起因するものと考えられる。   On the other hand, an ink jet head that differs from the above ink jet head 150 only in that the second piezoelectric layer 110 is not provided, and the first electrode layer 103 and the second electrode layer 112 in this ink jet head are formed. When a predetermined voltage was applied between them and the displacement amount in the layer thickness direction of the portion corresponding to each pressure chamber 102 in the diaphragm layer 111 was measured, the variation σ of the displacement amount was 2.2%. Further, when a 20 V AC voltage having a frequency of 20 kHz was continuously applied for 10 days, an ink ejection failure occurred in a portion corresponding to about 70% of the pressure chambers 102 out of the total pressure chambers 102. This is considered to be due to the low durability performance of the actuator part B (piezoelectric thin film element) because it is not ink clogging or the like.

これらのことから、本実施の形態のインクジェットヘッド150は耐久性能に優れているものであることが判る。   From these, it can be seen that the inkjet head 150 of the present embodiment is excellent in durability performance.

(実施の形態6)
図14は、本発明のインクジェットヘッドの他の一例での主要部を概略的に示す断面図である。同図に示すインクジェットヘッド420は、実施の形態5で説明したインクジェットヘッド150(図12(d)参照)のように基板を圧電薄膜素子用と圧力室部材用とに別個に用いるのではなく、圧電薄膜素子用と圧力室部材用とを1つの基板に兼用させるようにしたものである。
(Embodiment 6)
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the main part of another example of the inkjet head of the present invention. The inkjet head 420 shown in the figure does not use the substrate separately for the piezoelectric thin film element and the pressure chamber member as in the inkjet head 150 (see FIG. 12D) described in the fifth embodiment. The piezoelectric thin film element and the pressure chamber member are used as one substrate.

具体的には、エッチング加工により圧力室402が形成された圧力室基板401上に、振動板層403、密着層404、第1の電極層406(共通電極)、第1の圧電体層407、第2の圧電体層408、および第2の電極層409(個別電極)がこの順番で積層されている。上記第1の電極層406、第1の圧電体層407、第2の圧電体層408、および第2の電極層409は、これらが順に積層されてなる圧電薄膜素子を構成することになる。また、振動板層403は、この圧電薄膜素子の第1の電極層406側の面に密着層404を介して設けられていることになる。この密着層404は、振動板層403と第1の電極層406との密着性を高めるものであり、上記実施の形態5における密着層121と同様になくてもよい。   Specifically, on the pressure chamber substrate 401 in which the pressure chamber 402 is formed by etching, a diaphragm layer 403, an adhesion layer 404, a first electrode layer 406 (common electrode), a first piezoelectric layer 407, The second piezoelectric layer 408 and the second electrode layer 409 (individual electrode) are laminated in this order. The first electrode layer 406, the first piezoelectric layer 407, the second piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409 constitute a piezoelectric thin film element in which these are sequentially laminated. Further, the diaphragm layer 403 is provided on the surface of the piezoelectric thin film element on the first electrode layer 406 side via the adhesion layer 404. The adhesion layer 404 enhances the adhesion between the diaphragm layer 403 and the first electrode layer 406 and may not be the same as the adhesion layer 121 in the fifth embodiment.

上記密着層404、第1の電極層406、第1の圧電体層407、第2の圧電体層408、および第2の電極層409の各構成材料は、上記実施の形態5で説明した密着層121、第1の電極層103、第1の圧電体層104、第2の圧電体層110、または第2の電極層112とそれぞれ同様である。また、第1の圧電体層407および第2の圧電体層408それぞれの構造も、第1の圧電体層104または第2の圧電体層110の構造とそれぞれ同様である。第1の圧電体層407の形成後には異物や、鉛酸化物層などの副生成物層を取り除くための洗浄を行い、第2の圧電体層408を形成している。   The constituent materials of the adhesive layer 404, the first electrode layer 406, the first piezoelectric layer 407, the second piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409 are the same as those described in Embodiment Mode 5. This is the same as the layer 121, the first electrode layer 103, the first piezoelectric layer 104, the second piezoelectric layer 110, or the second electrode layer 112, respectively. The structures of the first piezoelectric layer 407 and the second piezoelectric layer 408 are the same as the structures of the first piezoelectric layer 104 or the second piezoelectric layer 110, respectively. After the formation of the first piezoelectric layer 407, cleaning for removing foreign substances and by-product layers such as a lead oxide layer is performed to form the second piezoelectric layer 408.

上記圧力室基板401は、例えば厚さ200μmの4インチシリコンウェハや、ガラス基板、金属基板、あるいはセラミックス基板などが用いられる。   For example, a 4-inch silicon wafer having a thickness of 200 μm, a glass substrate, a metal substrate, or a ceramic substrate is used as the pressure chamber substrate 401.

上記振動板層403の厚さは概ね0.5〜10μmの範囲内で適宜選定される。例えば、膜みが2.8μmの二酸化シリコン層により振動板層403を形成することができる。なお、この振動板層403の材料は二酸化シリコンに限定されるものではなく、上記実施の形態5で説明した材料(ニッケルやクロム等の単体またはその酸化物もしくは窒化物など)であってもよい。   The thickness of the diaphragm layer 403 is appropriately selected within a range of approximately 0.5 to 10 μm. For example, the diaphragm layer 403 can be formed of a silicon dioxide layer having a film thickness of 2.8 μm. Note that the material of the diaphragm layer 403 is not limited to silicon dioxide, and may be the material described in the fifth embodiment (a simple substance such as nickel or chromium or an oxide or nitride thereof). .

次に、上記インクジェットヘッド420の製造方法について図15を参照しながら説明する。   Next, a method for manufacturing the inkjet head 420 will be described with reference to FIG.

インクジェットヘッド420を製造するにあたっては、先ず、図15(a)に示すように、圧力室402が形成されていない圧力室基板401に、振動板層403、密着層404、第1の電極層406、第1の圧電体層407、第2の圧電体層408、および第2の電極層409をスパッタ法により順次形成する。   In manufacturing the ink-jet head 420, first, as shown in FIG. 15A, the vibration chamber layer 403, the adhesion layer 404, and the first electrode layer 406 are formed on the pressure chamber substrate 401 in which the pressure chamber 402 is not formed. The first piezoelectric layer 407, the second piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409 are sequentially formed by a sputtering method.

上記振動板層403は、例えば、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス(ガス体積比Ar:O2=5:25)雰囲気中で雰囲気圧力を0.4Pa、成膜温度を室温にし、二酸化シリコン焼結体のターゲットを300Wの高周波電力で8時間スパッタリングすることにより得られる。なお、この振動板層403の成膜法は、スパッタ法に限らず、熱CVD法、プラズマCVD法、ゾルゲル法等であってもよい。さらには、圧力室基板401を熱酸化処理することで振動板層403を形成してもよい。 The diaphragm layer 403 is formed, for example, in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 5: 25) at an atmospheric pressure of 0.4 Pa. It is obtained by bringing the temperature to room temperature and sputtering a silicon dioxide sintered compact target with high frequency power of 300 W for 8 hours. Note that the method of forming the diaphragm layer 403 is not limited to the sputtering method, and may be a thermal CVD method, a plasma CVD method, a sol-gel method, or the like. Furthermore, the diaphragm layer 403 may be formed by thermally oxidizing the pressure chamber substrate 401.

振動板層403に形成される密着層404、第1の電極層406、第1の圧電体層407、第2の圧電体層408、および第2の電極層409それぞれの成膜方法、ならびに第1の圧電体層407の成膜後に行う洗浄方法は、実施の形態1で説明した密着層12、第1の電極層13、第1の圧電体層14、第2の圧電体層18、および第2の電極層19の成膜方法、ならびに第1の圧電体層14の成膜後に行う洗浄方法と同様である。   The adhesion layer 404, the first electrode layer 406, the first piezoelectric layer 407, the second piezoelectric layer 408, and the second electrode layer 409 formed on the vibration plate layer 403, respectively, and the first The cleaning method performed after the formation of the first piezoelectric layer 407 is the adhesion layer 12, the first electrode layer 13, the first piezoelectric layer 14, the second piezoelectric layer 18, and the like described in Embodiment 1. This is the same as the film formation method of the second electrode layer 19 and the cleaning method performed after the film formation of the first piezoelectric layer 14.

上記第2の電極層409の形成後に、該第2の電極層409上にレジストをスピンコートにより塗布し、圧力室402が形成されるべき位置に合わせて露光・現像を行ってレジストパターンを得る。このレジストパターンをエッチングマスクとしても用いて第2の電極層409、第2の圧電体層408、および第1の圧電体層407をエッチングして個別化する。このエッチングは、例えば、アルゴンガスとフッ素元素を含む有機ガスとの混合ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより行われる。   After the formation of the second electrode layer 409, a resist is applied onto the second electrode layer 409 by spin coating, and exposure and development are performed in accordance with the position where the pressure chamber 402 is to be formed to obtain a resist pattern. . Using this resist pattern also as an etching mask, the second electrode layer 409, the second piezoelectric layer 408, and the first piezoelectric layer 407 are etched and individualized. This etching is performed by dry etching using, for example, a mixed gas of argon gas and an organic gas containing a fluorine element as an etching gas.

続いて、図15(b)に示すように、圧力室基板401に圧力室402を形成する。この圧力室402の形成は、例えば、六フッ化硫黄ガス、フッ素元素を含む有機ガス、またはこれらの混合ガスをエッチングガスとして用いた異方性ドライエッチングにより行われる。圧力室基板401のうちで上記各膜を形成した面とは反対側の面に、側壁413となる部分を覆うようにしてレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとして用いて異方性ドライエッチングを行って、圧力室402を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 15B, a pressure chamber 402 is formed on the pressure chamber substrate 401. The pressure chamber 402 is formed by anisotropic dry etching using, for example, sulfur hexafluoride gas, an organic gas containing a fluorine element, or a mixed gas thereof as an etching gas. A resist pattern is formed on the surface of the pressure chamber substrate 401 opposite to the surface on which each of the films is formed so as to cover a portion that becomes the side wall 413, and this resist pattern is used as an etching mask to perform anisotropy. The pressure chamber 402 is formed by dry etching.

この後、予めノズル孔410を形成したノズル板412(図14参照)を、接着剤を用いて圧力室基板401の上記各膜を形成した面とは反対側の面に接合することにより、インクジェットヘッド420(図14参照)が完成する。上記ノズル孔410は、リソグラフィー法、レーザー加工法、放電加工法等により、ノズル板412の所定位置に形成する。そして、ノズル板412を圧力室基板401に接合する際には、各ノズル孔410が圧力室402に対応して配置されるように位置合わせを行う。   After that, the nozzle plate 412 (see FIG. 14) in which the nozzle holes 410 are formed in advance is bonded to the surface of the pressure chamber substrate 401 opposite to the surface on which the respective films are formed by using an adhesive. The head 420 (see FIG. 14) is completed. The nozzle hole 410 is formed at a predetermined position of the nozzle plate 412 by lithography, laser processing, electric discharge processing, or the like. Then, when the nozzle plate 412 is joined to the pressure chamber substrate 401, alignment is performed so that each nozzle hole 410 is disposed corresponding to the pressure chamber 402.

上記のようにして得られたインクジェットヘッド420での第1の電極層406と第2の電極層409と間に所定電圧を印加して、振動板層403における各圧力室402に対応する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、その変位量のばらつきσは1.8%であった。また、周波数が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けてもインクの吐出不良は全く起こらず、吐出性能の低下は見られなかった。   A predetermined voltage is applied between the first electrode layer 406 and the second electrode layer 409 in the inkjet head 420 obtained as described above, and the portions corresponding to the pressure chambers 402 in the diaphragm layer 403 are applied. When the displacement amount in the layer thickness direction was measured, the variation σ of the displacement amount was 1.8%. Further, even when a 20 V AC voltage having a frequency of 20 kHz was continuously applied for 10 days, no ink ejection failure occurred, and no deterioration in ejection performance was observed.

一方、上記のインクジェットヘッド420に対して第2の圧電体層408を設けない点のみが異なるインクジェットヘッドを作製し、このインクジェットヘッドでの第1の電極層406と第2の電極層409との間に所定電圧を印加して、振動板層403における各圧力室402に対応する部分の層厚方向の変位量を測定したところ、その変位量のばらつきσは2.4%であった。また、周波数が20kHzの20V交流電圧を10日間印加し続けたところ、全圧力室402のうちの約65%の圧力室402に対応する部分でインクの吐出不良が発生した。これは、インクの詰まり等ではないことから、アクチュエータ部(圧電薄膜素子)の耐久性能が低いことに起因するものと考えられる。   On the other hand, an ink jet head that differs from the above ink jet head 420 only in that the second piezoelectric layer 408 is not provided, and the first electrode layer 406 and the second electrode layer 409 in the ink jet head are manufactured. When a predetermined voltage was applied between them and the displacement amount in the layer thickness direction of the portion corresponding to each pressure chamber 402 in the diaphragm layer 403 was measured, the variation σ of the displacement amount was 2.4%. In addition, when a 20 V AC voltage having a frequency of 20 kHz was continuously applied for 10 days, ink ejection failure occurred in the portion corresponding to about 65% of the pressure chambers 402 out of the total pressure chambers 402. This is considered to be due to the low durability performance of the actuator section (piezoelectric thin film element) because it is not clogged with ink or the like.

これらのことから、本実施の形態のインクジェットヘッド420は、前記述した実施の形態5のインクジェットヘッド150(図12(d)参照)と同様に、耐久性能に優れているものであることが判る。   From these facts, it can be seen that the inkjet head 420 of the present embodiment is excellent in durability as in the inkjet head 150 of the fifth embodiment described above (see FIG. 12D). .

(実施の形態7)
本発明のインクジェット式記録装置は、上述した本発明のインクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドを記録媒体に対して相対移動させる相対移動手段とを備え、相対移動手段によりインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェットヘッドから記録媒体にインクを吐出して記録を行う。
(Embodiment 7)
An ink jet recording apparatus of the present invention includes the above-described ink jet head of the present invention and relative moving means for moving the ink jet head relative to a recording medium, and the ink jet head is made relative to the recording medium by the relative moving means. When moving, recording is performed by discharging ink from the inkjet head onto a recording medium.

図16は、本発明のインクジェット式記録装置の要部の一例を概略的に示す斜視図である。同図に示すインクジェット式記録装置27は、上記実施の形態5または6で説明したものと同様のインクジェットヘッド28を備えており、インクジェットヘッド28において圧力室(上記実施の形態5における圧力室102や実施の形態6における圧力室402)に連通するように設けたノズル孔(上記実施の形態5におけるノズル孔108や実施の形態6におけるノズル孔410)から該圧力室内のインクを記録紙などの記録媒体29に吐出して記録を行うように構成されている。   FIG. 16 is a perspective view schematically showing an example of a main part of the ink jet recording apparatus of the present invention. An ink jet recording apparatus 27 shown in the figure includes an ink jet head 28 similar to that described in the fifth or sixth embodiment. In the ink jet head 28, a pressure chamber (such as the pressure chamber 102 in the fifth embodiment or the like) is provided. Ink in the pressure chamber is recorded on recording paper or the like from nozzle holes (nozzle hole 108 in the fifth embodiment or nozzle hole 410 in the sixth embodiment) provided to communicate with the pressure chamber 402 in the sixth embodiment. The recording is performed by discharging to the medium 29.

上記インクジェットヘッド28は、主走査方向Xに延びるキャリッジ軸30に設けられたキャリッジ31に搭載されていて、このキャリッジ31がキャリッジ軸30に沿って往復動するのに応じて主走査方向Xに往復動するように構成されている。キャリッジ31は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを主走査方向Xに相対移動させる相対移動手段を構成する。   The inkjet head 28 is mounted on a carriage 31 provided on a carriage shaft 30 extending in the main scanning direction X, and reciprocates in the main scanning direction X as the carriage 31 reciprocates along the carriage shaft 30. It is configured to move. The carriage 31 constitutes a relative movement unit that relatively moves the inkjet head 28 and the recording medium 29 in the main scanning direction X.

また、このインクジェット式記録装置27は、上記記録媒体29をインクジェットヘッド28の主走査方向X(幅方向)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数のローラ32を備えている。これら複数のローラ32は、インクジェットヘッド28と記録媒体29とを副走査方向Yに相対移動させる相対移動手段を構成する。インクジェットヘッド28がキャリッジ31により主走査方向Xに移動しているときに、インクジェットヘッド28のノズル孔からインクを記録媒体29に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記各ローラ32により記録媒体29を所定量移動させて次の一走査の記録を行う。なお、図16中の参照符号「Z」は上下方向を示している。   The ink jet recording apparatus 27 includes a plurality of rollers 32 that move the recording medium 29 in the sub scanning direction Y substantially perpendicular to the main scanning direction X (width direction) of the ink jet head 28. The plurality of rollers 32 constitute a relative moving unit that relatively moves the inkjet head 28 and the recording medium 29 in the sub-scanning direction Y. When the inkjet head 28 is moved in the main scanning direction X by the carriage 31, ink is ejected from the nozzle holes of the inkjet head 28 onto the recording medium 29. The medium 29 is moved by a predetermined amount to perform the next one-scan recording. Note that the reference sign “Z” in FIG. 16 indicates the vertical direction.

このように構成されたインクジェット式記録装置27は、上記実施の形態5または実施の形態6で説明したインクジェットヘッドと同様のインクジェットヘッド28を備えているので、良好な印字性能および耐久性能を有している。   The ink jet recording apparatus 27 configured as described above includes the ink jet head 28 similar to the ink jet head described in the fifth embodiment or the sixth embodiment, and thus has good printing performance and durability performance. ing.

(実施例1)
実施の形態1で説明した圧電薄膜素子20(図1参照)の実施例について、図1で用いた参照符号を適宜引用して詳細に説明する。
(Example 1)
An example of the piezoelectric thin film element 20 (see FIG. 1) described in the first embodiment will be described in detail with appropriate reference numerals used in FIG.

4インチシリコンウェハ(基板11)上に密着層12、第1の電極層13、および第1の圧電体層14をそれぞれスパッタ法により順次形成し、洗浄することによって異物15および副生成物層16を除去した後に第2の圧電体層18を第1の圧電体層14上にスパッタ法により形成し、その後に所定の大きさにダイシングしてから第2の電極層19をスパッタ法により形成して、所定数の圧電薄膜素子20を得た。   The adhesion layer 12, the first electrode layer 13, and the first piezoelectric layer 14 are sequentially formed on a 4-inch silicon wafer (substrate 11) by a sputtering method and washed to thereby remove the foreign matter 15 and the byproduct layer 16. Then, the second piezoelectric layer 18 is formed on the first piezoelectric layer 14 by sputtering, and then diced to a predetermined size, and then the second electrode layer 19 is formed by sputtering. Thus, a predetermined number of piezoelectric thin film elements 20 were obtained.

先ず、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でシリコンウェハ(基板11)を400℃に加熱しながら、チタン(Ti)ターゲットを100Wの高周波電力で1分間スパッタリングして、シリコンウェハ(基板11)上にチタンからなる厚さ0.02μmの密着層12を形成した。   First, while heating a silicon wafer (substrate 11) to 400 ° C. in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa, a titanium (Ti) target is sputtered with a high frequency power of 100 W for 1 minute to form a silicon wafer (substrate 11). An adhesion layer 12 made of titanium and having a thickness of 0.02 μm was formed.

次いで、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でシリコンウェハ(基板11)を400℃に加熱しながら、白金(Pt)ターゲットを200Wの高周波電力で12分間スパッタリングして、密着層12上に白金からなる厚さ0.22μmの第1の電極層13を形成した。該第1の電極層13(白金層)は、(111)面に優先配向した多結晶体である。   Next, while heating the silicon wafer (substrate 11) to 400 ° C. in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa, a platinum (Pt) target is sputtered for 12 minutes at a high frequency power of 200 W, and platinum is deposited on the adhesion layer 12. A first electrode layer 13 having a thickness of 0.22 μm was formed. The first electrode layer 13 (platinum layer) is a polycrystalline body preferentially oriented in the (111) plane.

次に、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=16:4)でシリコンウェハ(基板11)を580℃に加熱しながら、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比がZr/Ti=52/48のPZT焼結体ターゲットを250Wの高周波電力で1時間スパッタリングして、第1の電極層13上にPZTからなる厚さ1.6μmの第1の圧電体層14を形成した。このとき、成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paとした。 Next, while heating the silicon wafer (substrate 11) to 580 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 16: 4), zirconium A PZT sintered compact target having an atomic ratio of (Zr) to titanium (Ti) of Zr / Ti = 52/48 is sputtered with a high frequency power of 250 W for 1 hour, and is made of PZT on the first electrode layer 13. A first piezoelectric layer 14 having a thickness of 1.6 μm was formed. At this time, the pressure of the mixed gas atmosphere during film formation was set to 0.3 Pa.

当該第1の圧電体層14が形成されたシリコンウェハ(基板11)を取り出し、超音波洗浄後に希硫酸により洗浄し、その後更に過酸化水素水により洗浄するという洗浄動作を3回繰り返すことにより、第1の圧電体層14に混入している異物、および当該第1の圧電体層14に形成された鉛酸化物からなる副生成物層を除去した。   By removing the silicon wafer (substrate 11) on which the first piezoelectric layer 14 is formed, cleaning with diluted sulfuric acid after ultrasonic cleaning, and then cleaning with hydrogen peroxide solution three times, The foreign matter mixed in the first piezoelectric layer 14 and the by-product layer made of lead oxide formed on the first piezoelectric layer 14 were removed.

そして、異物および副生成物層が除去された第1の圧電体層14上に、PZTからなる厚さ1.0μmの第2の圧電体層18をスパッタ法により形成した。このときのスパッタリングターゲットとしては、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比がZr/Ti=58/42のPZT焼結体を用いた。アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=16:4)でシリコンウェハ(基板11)を620℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを220Wの高周波電力で1時間スパッタリングした。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paとした。 Then, a second piezoelectric layer 18 made of PZT and having a thickness of 1.0 μm was formed on the first piezoelectric layer 14 from which the foreign matters and by-product layers were removed by sputtering. As a sputtering target at this time, a PZT sintered body having an atomic ratio of zirconium (Zr) to titanium (Ti) of Zr / Ti = 58/42 was used. While heating the silicon wafer (substrate 11) to 620 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 16: 4), the above sputtering target Was sputtered with a high frequency power of 220 W for 1 hour. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation was 0.3 Pa.

この後、シリコンウェハ(基板11)をダイシングして、平面視上の大きさが15mm×2mmの中間品を計50個得、これらの中間品それぞれにおける第2の圧電体層18上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層19をスパッタ法により形成して、圧電薄膜素子20を計50個得た。第2の電極層19を形成するにあたっては、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でシリコンウェハ(基板11)の温度を室温に保ちながら、白金(Pt)ターゲットを200Wの高周波電力で10分間スパッタリングした。   Thereafter, the silicon wafer (substrate 11) is diced to obtain a total of 50 intermediate products having a size in plan view of 15 mm × 2 mm, and platinum is formed on the second piezoelectric layer 18 in each of these intermediate products. A second electrode layer 19 having a thickness of 0.2 μm was formed by sputtering to obtain a total of 50 piezoelectric thin film elements 20. In forming the second electrode layer 19, a platinum (Pt) target is sputtered at a high frequency power of 200 W for 10 minutes while keeping the temperature of the silicon wafer (substrate 11) at room temperature in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa. did.

このようにして得られた各圧電薄膜素子20での第1の圧電体層14および第2の圧電体層18それぞれでの結晶構造、結晶配向性をX線回折により調べた。なお、第1の圧電体層14の結晶構造、結晶配向性は、第2の圧電体層18を形成する前の状態で測定した。その結果、第1の圧電体層14および第2の圧電体層18ともに、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有し、(111)面に優先配向していた。配向率α(111)はいずれの層においても99%であった。   The crystal structure and crystal orientation in each of the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 in each piezoelectric thin film element 20 thus obtained were examined by X-ray diffraction. The crystal structure and crystal orientation of the first piezoelectric layer 14 were measured before the second piezoelectric layer 18 was formed. As a result, both the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 had a rhombohedral perovskite crystal structure and preferentially oriented in the (111) plane. The orientation rate α (111) was 99% in any layer.

また、各圧電薄膜素子20について、圧電定数d31の測定を行った(圧電定数d31の測定方法については、例えば特開2002−225285号参照)。その結果、各圧電薄膜素子20の圧電定数d31は平均165pC/Nであり、ばらつきσは3.5%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは830であった。 Further, the piezoelectric constant d 31 was measured for each piezoelectric thin film element 20 (see, for example, JP-A-2002-225285 for the method of measuring the piezoelectric constant d 31 ). As a result, the piezoelectric constant d 31 of each piezoelectric thin film element 20 was 165 pC / N on average, and the variation σ was 3.5%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 830.

これとは別に、第2の圧電体層18を形成する前の状態でシリコンウェハ(基板11)をダイシングして平面視上の大きさが15mm×2mmのサンプルを切り出し、個々のサンプルにおける第1の圧電体層14上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層をスパッタ法により形成して、第1の圧電体層14の圧電定数d31を測定した。その結果、第1の圧電体層14の圧電定数d31は平均172pC/Nであり、ばらつきσは3.9%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは870であった。 Separately, the silicon wafer (substrate 11) is diced in a state before the second piezoelectric layer 18 is formed, and a sample having a size in plan view of 15 mm × 2 mm is cut out. A second electrode layer made of platinum having a thickness of 0.2 μm was formed on the piezoelectric layer 14 by sputtering, and the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer 14 was measured. As a result, the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer 14 averaged 172 pC / N, and the variation σ was 3.9%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 870.

上記結果から、第2の圧電体層18の圧電定数d31と比誘電率εrとを算出すると、第2の圧電体層18の圧電定数d31と比誘電率εrは、それぞれ155pC/N、780であった。 From the above results, when the piezoelectric constant d 31 and the relative dielectric constant ε r of the second piezoelectric layer 18 are calculated, the piezoelectric constant d 31 and the relative dielectric constant ε r of the second piezoelectric layer 18 are each 155 pC / N, 780.

次に、上記50個の各圧電薄膜素子20に対して150Vの直流電圧を5分間印加したところ、全ての圧電薄膜素子20においてリーク電流の増加は見られず、素子破壊は起こらなかった。   Next, when a DC voltage of 150 V was applied to the 50 piezoelectric thin film elements 20 for 5 minutes, no increase in leakage current was observed in all of the piezoelectric thin film elements 20, and no element breakdown occurred.

さらに、上記の圧電薄膜素子20と同一形状の30個の圧電薄膜素子20を再度作製し、sin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加して耐久性能を調べた。その結果、30個全ての圧電薄膜素子20において圧電定数d31の低下は生じなかった。 Furthermore, 30 piezoelectric thin film elements 20 having the same shape as the above-described piezoelectric thin film element 20 were produced again, and a 50 V, 200 Hz AC voltage having a sin waveform was continuously applied for 1000 hours to examine the durability performance. As a result, the piezoelectric constant d 31 did not decrease in all 30 piezoelectric thin film elements 20.

(比較例1)
この比較例のものは、図17に示した従来の圧電薄膜素子48と同じ層構成の圧電薄膜素子であり、各層は上述した条件で形成した。上記実施例1のものに対して、圧電体層に存在する異物、および鉛酸化物からなる副生成物層を洗浄により取り除く工程、ならびに第2の圧電体層を形成する工程がない。
(Comparative Example 1)
The comparative example is a piezoelectric thin film element having the same layer structure as the conventional piezoelectric thin film element 48 shown in FIG. 17, and each layer was formed under the above-described conditions. In contrast to the first embodiment, there is no step of removing the foreign substance existing in the piezoelectric layer and the by-product layer made of lead oxide by washing and the step of forming the second piezoelectric layer.

圧電体層の厚さは2.6μmであり、(111)に優先配向していた。配向率α(111)は99%であった。   The thickness of the piezoelectric layer was 2.6 μm and preferentially oriented to (111). The orientation rate α (111) was 99%.

上記圧電体層の形成後、シリコンウェハをダイシングして、平面視上の大きさが15mm×2mmの中間品を計50個得た。各中間品における圧電体層上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層をスパッタ法により形成して圧電薄膜素子を得、これらの圧電薄膜素子について圧電定数d31の測定を行った。その結果、本比較例で作製した圧電薄膜素子の圧電定数d31は平均177pC/Nであり、ばらつきσは3.3%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは835であった。 After forming the piezoelectric layer, the silicon wafer was diced to obtain a total of 50 intermediate products having a size in plan view of 15 mm × 2 mm. A piezoelectric thin film element was obtained by forming a second electrode layer made of platinum having a thickness of 0.2 μm on the piezoelectric layer in each intermediate product by sputtering, and the piezoelectric constant d 31 was measured for these piezoelectric thin film elements. It was. As a result, the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric thin film element produced in this comparative example was 177 pC / N on average, and the variation σ was 3.3%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 835.

次に、上記50個の圧電薄膜素子に対して150Vの直流電圧を5分間印加したところ、23個のサンプルにおいてリーク電流の増加が見られ、そのうちの16個に素子破壊が生じた。   Next, when a DC voltage of 150 V was applied to the 50 piezoelectric thin film elements for 5 minutes, an increase in leakage current was observed in 23 samples, and 16 of them were damaged.

さらに、上記の圧電薄膜素子と同一形状の30個の圧電薄膜素子を再度作製し、sin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加して耐久性能を調べた。その結果、30個全ての圧電薄膜素子において圧電定数d31の低下が生じた。 Furthermore, 30 piezoelectric thin film elements having the same shape as the above-described piezoelectric thin film element were produced again, and a 50 V, 200 Hz AC voltage having a sin waveform was continuously applied for 1000 hours to examine the durability performance. As a result, the piezoelectric constant d 31 was lowered in all 30 piezoelectric thin film elements.

(比較例2)
この比較例のものは、図18に示した従来の圧電薄膜素子58と同じ層構成の圧電薄膜素子であり、各層は上述した条件で形成した。上記実施例1のものに対して、圧電体層に存在する異物、および鉛酸化物からなる副生成物層を洗浄により取り除く工程の後の第2の圧電体層の形成工程がない。
(Comparative Example 2)
The comparative example is a piezoelectric thin film element having the same layer structure as the conventional piezoelectric thin film element 58 shown in FIG. 18, and each layer was formed under the above-described conditions. Compared to the first embodiment, there is no second piezoelectric layer forming step after the step of removing the foreign substance existing in the piezoelectric layer and the by-product layer made of lead oxide by washing.

圧電体層の厚さは2.6μmであり、(111)に優先配向していた。配向率α(111)は99%であった。   The thickness of the piezoelectric layer was 2.6 μm and preferentially oriented to (111). The orientation rate α (111) was 99%.

上記圧電体層の形成後、シリコンウェハをダイシングして、平面視上の大きさが15mm×2mmの中間品を計50個得た。各中間品における圧電体層上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層をスパッタ法により形成して圧電薄膜素子を得、これらの圧電薄膜素子について圧電定数d31の測定を行った。その結果、本比較例で作製した圧電薄膜素子の圧電定数d31は平均175pC/Nであり、ばらつきσは3.5%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは830であった。 After forming the piezoelectric layer, the silicon wafer was diced to obtain a total of 50 intermediate products having a size in plan view of 15 mm × 2 mm. A piezoelectric thin film element was obtained by forming a second electrode layer made of platinum having a thickness of 0.2 μm on the piezoelectric layer in each intermediate product by sputtering, and the piezoelectric constant d 31 was measured for these piezoelectric thin film elements. It was. As a result, the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric thin film element produced in this comparative example was 175 pC / N on average, and the variation σ was 3.5%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 830.

次に、上記50個の圧電薄膜素子に対して150Vの直流電圧を5分間印加したところ、34個のサンプルにおいてリーク電流の増加が見られ、そのうちの28個に素子破壊が生じた。   Next, when a direct current voltage of 150 V was applied to the 50 piezoelectric thin film elements for 5 minutes, an increase in leakage current was observed in 34 samples, and element breakdown occurred in 28 of them.

さらに、上記の圧電薄膜素子と同一形状の30個の圧電薄膜素子を再度作製し、sin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加して耐久性能を調べた。その結果、30個全ての圧電薄膜素子において圧電定数d31の低下が生じた。 Furthermore, 30 piezoelectric thin film elements having the same shape as the above-described piezoelectric thin film element were produced again, and a 50 V, 200 Hz AC voltage having a sin waveform was continuously applied for 1000 hours to examine the durability performance. As a result, the piezoelectric constant d 31 was lowered in all 30 piezoelectric thin film elements.

実施例1、比較例1、および比較例2の結果から、実施例1に示した本発明の圧電薄膜素子20は、従来の圧電薄膜素子と比較して信頼性および耐久性能に優れていることが判る。   From the results of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the piezoelectric thin film element 20 of the present invention shown in Example 1 is superior in reliability and durability performance as compared with the conventional piezoelectric thin film element. I understand.

(実施例2)
この実施例のものは、第2の圧電体層18をランタン(La)がドープされたチタン酸鉛(PLT)で形成し、他の層は実施例1における条件と同じ条件で作製した圧電薄膜素子である。
(Example 2)
In this embodiment, the second piezoelectric layer 18 is formed of lead titanate (PLT) doped with lanthanum (La), and the other layers are piezoelectric thin films manufactured under the same conditions as in the first embodiment. It is an element.

第2の圧電体層18は、ランタン(La)を30モル%含有したPLT焼結体ターゲットを用い、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=16:4)でシリコンウェハ(基板11)を580℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを200Wの高周波電力で1時間スパッタリングすることで形成した。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paであり、形成された第2の圧電体層18の厚さは1.1μmである。 The second piezoelectric layer 18 uses a PLT sintered body target containing 30 mol% of lanthanum (La) and is in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar). : O 2 = 16: 4), while the silicon wafer (substrate 11) was heated to 580 ° C., the above sputtering target was sputtered at a high frequency power of 200 W for 1 hour. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation is 0.3 Pa, and the thickness of the formed second piezoelectric layer 18 is 1.1 μm.

(実施例3)
この実施例のものは、第2の圧電体層18をPLZTで形成し、他の層は実施例1における条件と同じ条件で作製した圧電薄膜素子である。
(Example 3)
In this embodiment, the second piezoelectric layer 18 is formed of PLZT, and the other layers are piezoelectric thin film elements manufactured under the same conditions as in the first embodiment.

第2の圧電体層18は、ランタン(La)を20モル%含有したPLZT焼結体ターゲット(ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比はZr/Ti=58/42)を用い、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=25:5)でシリコンウェハ(基板11)を630℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを200Wの高周波電力で1時間スパッタリングすることで形成した。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.4Paであり、形成された第2の圧電体層18の厚さは0.9μmである。 The second piezoelectric layer 18 uses a PLZT sintered target containing 20 mol% of lanthanum (La) (the atomic ratio of zirconium (Zr) to titanium (Ti) is Zr / Ti = 58/42). In the mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 25: 5), the above-mentioned sputtering is performed while heating the silicon wafer (substrate 11) to 630 ° C. The target was formed by sputtering at a high frequency power of 200 W for 1 hour. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation is 0.4 Pa, and the thickness of the formed second piezoelectric layer 18 is 0.9 μm.

(実施例4)
この実施例のものは、第2の圧電体層18をPLZTで形成し、他の層は実施例1における条件と同じ条件で作製した圧電薄膜素子である。
Example 4
In this embodiment, the second piezoelectric layer 18 is formed of PLZT, and the other layers are piezoelectric thin film elements manufactured under the same conditions as in the first embodiment.

第2の圧電体層18は、ランタン(La)を10モル%含有したPLZT焼結体ターゲット(ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比はZr/Ti=55/45)を用い、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=15:5)でシリコンウェハ(基板11)を630℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを210Wの高周波電力で1時間スパッタリングすることで形成した。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paであり、形成された第2の圧電体層18の厚さは1.2μmである。 The second piezoelectric layer 18 uses a PLZT sintered body target containing 10 mol% of lanthanum (La) (the atomic ratio of zirconium (Zr) to titanium (Ti) is Zr / Ti = 55/45). In the mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 15: 5), the above-mentioned sputtering is performed while heating the silicon wafer (substrate 11) to 630 ° C. The target was formed by sputtering with a high frequency power of 210 W for 1 hour. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation is 0.3 Pa, and the thickness of the formed second piezoelectric layer 18 is 1.2 μm.

(実施例5)
この実施例のものは、第2の圧電体層18を特定組成のPZTで形成し、他の層は実施例1における条件と同じ条件で作製した圧電薄膜素子である。
(Example 5)
In this embodiment, the second piezoelectric layer 18 is formed of PZT having a specific composition, and the other layers are piezoelectric thin film elements manufactured under the same conditions as in the first embodiment.

第2の圧電体層18は、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比がZr/Ti=45/55)であるPZT焼結体ターゲットを用い、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=20:5)でシリコンウェハ(基板11)を600℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを200Wの高周波電力で1時間スパッタリングすることで形成した。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paであり、形成された第2の圧電体層18の厚さは1.0μmである。 The second piezoelectric layer 18 uses a PZT sintered body target in which the atomic ratio of zirconium (Zr) to titanium (Ti) is Zr / Ti = 45/55), and uses argon (Ar) gas and oxygen ( While the silicon wafer (substrate 11) is heated to 600 ° C. in a mixed gas atmosphere with O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 20: 5), the sputtering target is heated at a high frequency power of 200 W for 1 hour. It was formed by sputtering. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation is 0.3 Pa, and the thickness of the formed second piezoelectric layer 18 is 1.0 μm.

上述した実施例2〜5の各圧電薄膜素子について、150Vの交流電圧を5分間印加したときのリーク電流の増加の有無、およびsin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加したときの耐久性能(圧電定数の低下の有無)を実施例1と同じ条件の下に測定した。結果を表1に示す。なお表1には、実施例1での測定結果も併記してある。   About each piezoelectric thin film element of Examples 2-5 mentioned above, the presence or absence of the increase in a leak current when a 150-V alternating voltage was applied for 5 minutes, and the 50-V, 200-Hz alternating voltage which exhibits a sin waveform were continuously applied for 1000 hours. The durability performance (presence or absence of decrease in piezoelectric constant) was measured under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 1. In Table 1, the measurement results in Example 1 are also shown.

Figure 2008041921
Figure 2008041921

(表1)から明らかなように、第2の圧電体層18を設けることにより圧電薄膜素子でのリーク電流の発生を抑えることができると共に、当該圧電薄膜素子の耐久性能を高めることができる。そして、第2の圧電体層18での圧電定数d31が第1の圧電体層14での圧電定数d31の約1/10以上となるように当該第2の圧電体層18での組成を選定することにより、耐久性能を更に高めることができる。 As is clear from Table 1, by providing the second piezoelectric layer 18, it is possible to suppress the occurrence of leakage current in the piezoelectric thin film element and to improve the durability performance of the piezoelectric thin film element. The composition of the second piezoelectric layer 18 is such that the piezoelectric constant d 31 of the second piezoelectric layer 18 is about 1/10 or more of the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer 14. By selecting this, the durability performance can be further enhanced.

(実施例6)
この実施例では、4インチ酸化マグネシウム単結晶基板を基板11(以下、「MgO単結晶基板11」という。)として用いて、所定数の圧電薄膜素子20を得た。
(Example 6)
In this example, a predetermined number of piezoelectric thin film elements 20 were obtained using a 4-inch magnesium oxide single crystal substrate as the substrate 11 (hereinafter referred to as “MgO single crystal substrate 11”).

先ず、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でMgO単結晶基板11を400℃に加熱しながら、チタン(Ti)ターゲットを100Wの高周波電力で1分間スパッタリングして、MgO単結晶基板11上にチタンからなる厚さ0.02μmの密着層12を形成した。   First, while heating the MgO single crystal substrate 11 to 400 ° C. in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa, a titanium (Ti) target is sputtered at a high frequency power of 100 W for 1 minute to form titanium on the MgO single crystal substrate 11. An adhesion layer 12 having a thickness of 0.02 μm was formed.

次いで、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でMgO単結晶基板11を650℃に加熱しながら、白金(Pt)ターゲットを180Wの高周波電力で12分間スパッタリングして、密着層12上に白金からなる厚さ0.22μmの第1の電極層13を形成した。該第1の電極層13(白金層)は、(001)面に優先配向した多結晶体である。   Next, while heating the MgO single crystal substrate 11 to 650 ° C. in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa, a platinum (Pt) target is sputtered for 12 minutes at a high frequency power of 180 W, and is made of platinum on the adhesion layer 12. A first electrode layer 13 having a thickness of 0.22 μm was formed. The first electrode layer 13 (platinum layer) is a polycrystalline body preferentially oriented in the (001) plane.

次に、アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=29:1)でMgO単結晶基板11を630℃に加熱しながら、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比がZr/Ti=52/48のPZT焼結体ターゲットを230Wの高周波電力で1時間スパッタリングして、第1の電極層13上にPZTからなる厚さ1.7μmの第1の圧電体層14を形成した。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paとした。 Next, while heating the MgO single crystal substrate 11 to 630 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 29: 1), zirconium ( A PZT sintered body target having an atomic ratio of Zr) to titanium (Ti) of Zr / Ti = 52/48 is sputtered with a high frequency power of 230 W for 1 hour to form a thickness of PZT on the first electrode layer 13. A first piezoelectric layer 14 having a thickness of 1.7 μm was formed. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation was 0.3 Pa.

当該第1の圧電体層14が形成されたMgO単結晶基板11を取り出し、超音波洗浄後に希硫酸により洗浄し、その後更に過酸化水素水により洗浄するという洗浄動作を3回繰り返すことにより、第1の圧電体層14に混入している異物、および当該第1の圧電体層14に形成された鉛酸化物からなる副生成物層を除去した。   The MgO single crystal substrate 11 on which the first piezoelectric layer 14 is formed is taken out, washed with dilute sulfuric acid after ultrasonic cleaning, and then washed with hydrogen peroxide solution three times to repeat the first operation. Foreign matters mixed in one piezoelectric layer 14 and a by-product layer made of lead oxide formed on the first piezoelectric layer 14 were removed.

そして、異物および副生成物層が除去された第1の圧電体層14上に、PZTからなる厚さ0.9μmの第2の圧電体層18をスパッタ法により形成した。このときのスパッタリングターゲットとしては、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との原子数比がZr/Ti=58/42のPZT焼結体を用いた。アルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスとの混合ガス雰囲気中(ガス体積比Ar:O2=28.5:1.5)でMgO単結晶基板11を650℃に加熱しながら、上記のスパッタリングターゲットを210Wの高周波電力で1時間スパッタリングした。成膜時の上記混合ガス雰囲気の圧力は0.3Paとした。 Then, a second piezoelectric layer 18 made of PZT and having a thickness of 0.9 μm was formed by sputtering on the first piezoelectric layer 14 from which the foreign matter and by-product layers were removed. As a sputtering target at this time, a PZT sintered body having an atomic ratio of zirconium (Zr) to titanium (Ti) of Zr / Ti = 58/42 was used. While heating the MgO single crystal substrate 11 to 650 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas (gas volume ratio Ar: O 2 = 28.5: 1.5), the above The sputtering target was sputtered with a high frequency power of 210 W for 1 hour. The pressure of the mixed gas atmosphere at the time of film formation was 0.3 Pa.

この後、MgO単結晶基板11をダイシングして、平面視上の大きさが15mm×2mmの中間品を計50個得、これらの中間品それぞれにおける第2の圧電体層18上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層19をスパッタ法により形成して、圧電薄膜素子20を計50個得た。第2の電極層19を形成するにあたっては、1Paのアルゴン(Ar)ガス雰囲気中でシリコンウェハ(基板11)の温度を室温に保ちながら、白金(Pt)ターゲットを200Wの高周波電力で10分間スパッタリングした。   Thereafter, the MgO single crystal substrate 11 is diced to obtain a total of 50 intermediate products having a size in plan view of 15 mm × 2 mm, and each intermediate product is made of platinum on the second piezoelectric layer 18. A second electrode layer 19 having a thickness of 0.2 μm was formed by sputtering to obtain a total of 50 piezoelectric thin film elements 20. In forming the second electrode layer 19, a platinum (Pt) target is sputtered at a high frequency power of 200 W for 10 minutes while keeping the temperature of the silicon wafer (substrate 11) at room temperature in an argon (Ar) gas atmosphere of 1 Pa. did.

このようにして得られた各圧電薄膜素子20での第1の圧電体層14および第2の圧電体層18それぞれでの結晶構造、結晶配向性をX線回折により調べた。なお、第1の圧電体層14の結晶構造、結晶配向性は、第2の圧電体層18を形成する前の状態で測定した。その結果、第1の圧電体層14および第2の圧電体層18ともに、正方晶系ペロブスカイト型結晶構造を有し、(001)面に優先配向していた。配向率α(001)はいずれの層においても99.5%であった。   The crystal structure and crystal orientation in each of the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 in each piezoelectric thin film element 20 thus obtained were examined by X-ray diffraction. The crystal structure and crystal orientation of the first piezoelectric layer 14 were measured before the second piezoelectric layer 18 was formed. As a result, both the first piezoelectric layer 14 and the second piezoelectric layer 18 had a tetragonal perovskite crystal structure and preferentially oriented in the (001) plane. The orientation ratio α (001) was 99.5% in any layer.

また、各圧電薄膜素子20について、圧電定数d31の測定を行った。その結果、各圧電薄膜素子20の圧電定数d31は平均145pC/Nであり、ばらつきσは1.5%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは330であった。 Further, the piezoelectric constant d 31 of each piezoelectric thin film element 20 was measured. As a result, the piezoelectric constant d 31 of each piezoelectric thin film element 20 was 145 pC / N on average, and the variation σ was 1.5%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 330.

これとは別に、第2の圧電体層18を形成する前の状態でシリコンウェハ(基板11)をダイシングして平面視上の大きさが15mm×2mmのサンプルを切り出し、個々のサンプルにおける第1の圧電体層14上に白金からなる厚さ0.2μmの第2の電極層をスパッタ法により形成して、第1の圧電体層14の圧電定数d31を測定した。その結果、第1の圧電体層14の圧電定数d31は平均152pC/Nであり、ばらつきσは3.9%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは370であった。 Separately, the silicon wafer (substrate 11) is diced in a state before the second piezoelectric layer 18 is formed, and a sample having a size in plan view of 15 mm × 2 mm is cut out. A second electrode layer made of platinum having a thickness of 0.2 μm was formed on the piezoelectric layer 14 by sputtering, and the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer 14 was measured. As a result, the piezoelectric constant d 31 of the first piezoelectric layer 14 was an average of 152 pC / N, and the variation σ was 3.9%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 370.

上記結果から、第2の圧電体層18の圧電定数d31と比誘電率εrとを算出すると、第2の圧電体層18の圧電定数d31と比誘電率εrは、それぞれ128pC/N、280であった。 From the above results, when the piezoelectric constant d 31 and the relative dielectric constant ε r of the second piezoelectric layer 18 are calculated, the piezoelectric constant d 31 and the relative dielectric constant ε r of the second piezoelectric layer 18 are each 128 pC / N, 280.

次に、上記50個の各圧電薄膜素子20に対して150Vの直流電圧を5分間印加したところ、全ての圧電薄膜素子20においてリーク電流の増加は見られず、素子破壊は起こらなかった。   Next, when a DC voltage of 150 V was applied to the 50 piezoelectric thin film elements 20 for 5 minutes, no increase in leakage current was observed in all of the piezoelectric thin film elements 20, and no element breakdown occurred.

さらに、上記の圧電薄膜素子20と同一形状の30個の圧電薄膜素子20を再度作製し、sin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加して耐久性能を調べた。その結果、30個全ての圧電薄膜素子20において圧電定数d31の低下は生じなかった。 Furthermore, 30 piezoelectric thin film elements 20 having the same shape as the above-described piezoelectric thin film element 20 were produced again, and a 50 V, 200 Hz AC voltage having a sin waveform was continuously applied for 1000 hours to examine the durability performance. As a result, the piezoelectric constant d 31 did not decrease in all 30 piezoelectric thin film elements 20.

これらの結果から、本発明の圧電薄膜素子20においては、第1の圧電体層および第2の圧電体層18の各々が(001)面に優先配向した場合においても、当該第1の圧電体層および第2の圧電体層18の各々が(111)面に優先配向した場合と同様に、優れた信頼性および耐久性能が得られることが判る。   From these results, in the piezoelectric thin film element 20 of the present invention, even when each of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer 18 is preferentially oriented in the (001) plane, the first piezoelectric body It can be seen that excellent reliability and durability performance can be obtained as in the case where each of the layer and the second piezoelectric layer 18 is preferentially oriented in the (111) plane.

(実施例7)
実施の形態2で説明した圧電薄膜素子72(図2参照)の実施例について、図2または図4(a)〜図4(f)で用いた参照符号を適宜引用して詳細に説明する。
(Example 7)
An example of the piezoelectric thin film element 72 (see FIG. 2) described in the second embodiment will be described in detail with appropriate reference numerals used in FIG. 2 or FIGS. 4 (a) to 4 (f).

先ず、実施例1におけるのと同様の条件の下に、基板61としてのシリコンウェハ(以下、「シリコンウェハ(基板61)」という。)上に密着層62、第1の電極層63、および第1の圧電体層64をこの順番で積層した後、実施例1におけるのと同じ条件の下に第1の圧電体層64を洗浄して、該第1の圧電体層64に混入している異物、および該第1の圧電体層64に形成された鉛酸化物からなる副生成物層を除去した。なお、異物が混入していない箇所での第1の圧電体層64の厚さは2.5μmである。   First, under the same conditions as in the first embodiment, an adhesion layer 62, a first electrode layer 63, and a first electrode are formed on a silicon wafer as a substrate 61 (hereinafter referred to as “silicon wafer (substrate 61)”). After the first piezoelectric layer 64 is laminated in this order, the first piezoelectric layer 64 is washed under the same conditions as in the first embodiment and mixed in the first piezoelectric layer 64. Foreign substances and a by-product layer made of lead oxide formed on the first piezoelectric layer 64 were removed. In addition, the thickness of the 1st piezoelectric material layer 64 in the location where the foreign material is not mixed is 2.5 micrometers.

次に、実施例1における第2の圧電体層18の成形と同じ条件の下に、第2の圧電体層70の元となる圧電体層68(図4(c)参照)を第1の圧電体層64上に積層した。   Next, under the same conditions as the molding of the second piezoelectric layer 18 in the first embodiment, the piezoelectric layer 68 (see FIG. 4C) that is the basis of the second piezoelectric layer 70 is changed to the first. Laminated on the piezoelectric layer 64.

次いで、圧電体層68上にレジストを塗布して、上面が平坦なレジスト層69(図4(d)参照)を形成した。このレジスト層69と圧電体層68とをエッチバックして、第1の圧電体層64の空孔67を埋めるようにして該空孔67にのみ圧電体層68(図4(e)、図4(f)参照)を残した。このとき、レジスト層69のエッチングレートと圧電体層68のエッチングレートとが互いに略同じとなるように、エッチングガスを選定した。空孔67に残された圧電体層68が第2の圧電体層70である。   Next, a resist was applied on the piezoelectric layer 68 to form a resist layer 69 (see FIG. 4D) having a flat upper surface. The resist layer 69 and the piezoelectric layer 68 are etched back to fill the holes 67 of the first piezoelectric layer 64 so that only the holes 67 have the piezoelectric layer 68 (FIG. 4E, FIG. 4 (f)). At this time, the etching gas was selected so that the etching rate of the resist layer 69 and the etching rate of the piezoelectric layer 68 were substantially the same. The piezoelectric layer 68 left in the holes 67 is the second piezoelectric layer 70.

この後、シリコンウェハ(基板61)をダイシングして、平面視上の大きさが15mm×2mmの中間品を計50個得、これらの中間品それぞれにおける第1の圧電体層64と第2の圧電体層70とを覆うようにして実施例1におけるのと同じ条件の下に第2の電極層71をスパッタ法により形成して、圧電薄膜素子72を計50個得た。   Thereafter, the silicon wafer (substrate 61) is diced to obtain a total of 50 intermediate products having a size in plan view of 15 mm × 2 mm, and the first piezoelectric layer 64 and the second piezoelectric material in each of these intermediate products are obtained. A second electrode layer 71 was formed by sputtering under the same conditions as in Example 1 so as to cover the piezoelectric layer 70, and a total of 50 piezoelectric thin film elements 72 were obtained.

このようにして得られた各圧電薄膜素子72について、圧電定数d31の測定を行った。その結果、各圧電薄膜素子72の圧電定数d31は平均172pC/Nであり、ばらつきσは3.4%であった。また比誘電率εrも測定したところ、該比誘電率εrは870であった。 The piezoelectric constant d 31 was measured for each piezoelectric thin film element 72 thus obtained. As a result, the piezoelectric constant d 31 of each piezoelectric thin film element 72 was 172 pC / N on average, and the variation σ was 3.4%. Further, when the relative dielectric constant ε r was measured, the relative dielectric constant ε r was 870.

次に、上記50個の各圧電薄膜素子72に対して150Vの直流電圧を5分間印加したところ、全ての圧電薄膜素子72においてリーク電流の増加は見られず、素子破壊は起こらなかった。   Next, when a DC voltage of 150 V was applied to the 50 piezoelectric thin film elements 72 for 5 minutes, no increase in leakage current was observed in all the piezoelectric thin film elements 72, and no element breakdown occurred.

さらに、上記の圧電薄膜素子72と同一形状の30個の圧電薄膜素子72を再度作製し、sin波形を呈する50V、200Hzの交流電圧を連続で1000時間印加して耐久性能を調べた。その結果、30個全ての圧電薄膜素子72において圧電定数d31の低下は生じなかった。 Further, 30 piezoelectric thin film elements 72 having the same shape as the above-described piezoelectric thin film element 72 were produced again, and a 50 V, 200 Hz AC voltage having a sin waveform was continuously applied for 1000 hours to examine durability performance. As a result, the piezoelectric constant d 31 did not decrease in all 30 piezoelectric thin film elements 72.

これらのことから、第1の圧電体層64に存在する空孔67にのみに第2の圧電体層70を形成した場合においても、実施例1や実施例6で示したのと同様に、信頼性および耐久性能に優れた圧電薄膜素子が得られることが判る。   For these reasons, even when the second piezoelectric layer 70 is formed only in the holes 67 existing in the first piezoelectric layer 64, as in the first and sixth embodiments, It can be seen that a piezoelectric thin film element excellent in reliability and durability can be obtained.

以上説明したように、本発明の圧電薄膜素子は、インクジェットヘッドにおける圧電薄膜アクチュエータの材料として好適である。また、ハードディスク装置(コンピュータの記憶装置等として用いられるもの)への情報の記録、またはハードディスク装置からの情報の読み出しを行うヘッドが基板上に設けられているヘッド支持機構での薄膜圧電体アクチュエータ、すなわち上記基板を変形させてヘッドを変位させるアクチュエータの材料としても好適である。これら以外に、薄膜コンデンサー、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度センサー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。   As described above, the piezoelectric thin film element of the present invention is suitable as a material for a piezoelectric thin film actuator in an inkjet head. Further, a thin film piezoelectric actuator in a head support mechanism in which a head for recording information on a hard disk device (used as a computer storage device or the like) or reading information from the hard disk device is provided on a substrate, That is, it is also suitable as a material for an actuator for displacing the head by deforming the substrate. Besides these, thin-film capacitors, charge storage capacitors for nonvolatile memory elements, various actuators, infrared sensors, ultrasonic sensors, pressure sensors, angular velocity sensors, acceleration sensors, flow sensors, shock sensors, piezoelectric transformers, piezoelectric ignition elements, piezoelectrics The present invention can also be applied to speakers, piezoelectric microphones, piezoelectric filters, piezoelectric pickups, tuning fork oscillators, delay lines, and the like.

本発明の圧電薄膜素子の一例を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows roughly an example of the piezoelectric thin film element of this invention 本発明の圧電薄膜素子の他の例を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows schematically the other example of the piezoelectric thin film element of this invention 本発明の圧電薄膜素子の製造方法の一例を概略的に示す工程図Process drawing which shows roughly an example of the manufacturing method of the piezoelectric thin film element of this invention 本発明の圧電薄膜素子の製造方法の他の例を概略的に示す工程図Process drawing which shows the other example of the manufacturing method of the piezoelectric thin film element of this invention roughly 本発明のインクジェットヘッドの一例を概略的に示す斜視図The perspective view which shows an example of the inkjet head of this invention roughly 図5に示したインクジェットヘッドでの要部の構成を概略的に示す一部断面斜視図FIG. 5 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing the configuration of the main part of the inkjet head shown in FIG. 図5に示したインクジェットヘッドにおけるアクチュエータ部の構成を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows schematically the structure of the actuator part in the inkjet head shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材、アクチュエータ部、インク流路部材およびノズル板よりなるインクジェットヘッドの製造方法の一例での一部の工程を概略的に示す工程図FIG. 6 is a process diagram schematically showing a part of steps in an example of a method for manufacturing an ink jet head including the pressure chamber member, the actuator section, the ink flow path member, and the nozzle plate shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材、アクチュエータ部、インク流路部材およびノズル板よりなるインクジェットヘッドの製造方法の一例での他の一部の工程を概略的に示す工程図Process diagram schematically showing another partial process in an example of a method of manufacturing an ink jet head including the pressure chamber member, the actuator section, the ink flow path member, and the nozzle plate shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材、アクチュエータ部、インク流路部材およびノズル板よりなるインクジェットヘッドの製造方法の一例での更に他の一部の工程を概略的に示す工程図FIG. 6 is a process diagram schematically showing still another part of the process for producing an ink jet head including the pressure chamber member, the actuator section, the ink flow path member, and the nozzle plate shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材、アクチュエータ部、インク流路部材およびノズル板よりなるインクジェットヘッドの製造方法の一例での更に他の一部の工程を概略的に示す工程図FIG. 6 is a process diagram schematically showing still another part of the process for producing an ink jet head including the pressure chamber member, the actuator section, the ink flow path member, and the nozzle plate shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材、アクチュエータ部、インク流路部材およびノズル板よりなるインクジェットヘッドの製造方法の一例での更に他の一部の工程を概略的に示す工程図FIG. 6 is a process diagram schematically showing still another part of the process for producing an ink jet head including the pressure chamber member, the actuator section, the ink flow path member, and the nozzle plate shown in FIG. 図6または図7に示した圧力室部材の形成に使用される基板の一例を概略的に示す平面図The top view which shows roughly an example of the board | substrate used for formation of the pressure chamber member shown in FIG. 6 or FIG. 本発明のインクジェットヘッドの他の一例での主要部を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows schematically the principal part in the other example of the inkjet head of this invention. 図14に示したインクジェットヘッドを製造する際の工程の一例を概略的に示す工程図Process drawing which shows roughly an example of the process at the time of manufacturing the inkjet head shown in FIG. 本発明のインクジェット式記録装置の要部の一例を概略的に示す斜視図1 is a perspective view schematically showing an example of a main part of an ink jet recording apparatus of the present invention. 圧電薄膜素子の基本構造の一例を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows roughly an example of the basic structure of a piezoelectric thin film element 圧電薄膜素子の基本構造の一例を概略的に示す断面図Sectional drawing which shows roughly an example of the basic structure of a piezoelectric thin film element

符号の説明Explanation of symbols

11,61,120 基板
12,62,121,404 密着層
13,63,407 第1の電極層
14,64,104 第1の圧電体層
15,65 異物
16,66 副生成物層
17,67 空孔
18,70,110,408 第2の圧電体層
19,71 第2の電極層
20,72 圧電薄膜素子
27 インクジェット式記録装置
28,150,420 インクジェットヘッド
29 記録媒体
31 キャリッジ(相対移動手段)
32 ローラ(相対移動手段)
68 圧電体層
69 レジスト
102,402 圧力室
103,406 第1の電極層(個別電極)
108,410 ノズル孔
111,403 振動板層
112 第2の電極層(共通電極)
401 圧力室基板
409 第2の電極層(個別電極)
11, 61, 120 Substrate 12, 62, 121, 404 Adhesion layer 13, 63, 407 First electrode layer 14, 64, 104 First piezoelectric layer 15, 65 Foreign matter 16, 66 By-product layer 17, 67 Hole 18, 70, 110, 408 Second piezoelectric layer 19, 71 Second electrode layer 20, 72 Piezoelectric thin film element 27 Inkjet recording device 28, 150, 420 Inkjet head 29 Recording medium 31 Carriage (relative movement means) )
32 rollers (relative movement means)
68 Piezoelectric layer 69 Resist 102, 402 Pressure chamber 103, 406 First electrode layer (individual electrode)
108,410 Nozzle hole 111,403 Diaphragm layer 112 Second electrode layer (common electrode)
401 Pressure chamber substrate 409 Second electrode layer (individual electrode)

Claims (7)

基板と、前記基板上に設けられた第1の電極層と、前記第1の電極層上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備えた圧電薄膜素子であって、
前記圧電体層は、
鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層と、
前記第1の圧電体層上に設けられて該第1の圧電体層での空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層と、
を含むことを特徴とする圧電薄膜素子。
A substrate; a first electrode layer provided on the substrate; a piezoelectric layer provided on the first electrode layer; and a second electrode layer provided on the piezoelectric layer. A piezoelectric thin film element,
The piezoelectric layer is
A first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure containing lead as a constituent element;
A second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide provided on the first piezoelectric layer and filling the voids in the first piezoelectric layer;
A piezoelectric thin film element comprising:
前記空孔の周囲に副生成物層がないことを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。 2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein there is no by-product layer around the pores. 前記第1の圧電体層は、(111)面または(001)面に優先配向した多結晶体であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電薄膜素子。 3. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the first piezoelectric layer is a polycrystalline body preferentially oriented in a (111) plane or a (001) plane. 前記第1の圧電体層の最大厚みは、1μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の圧電薄膜素子。 4. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the maximum thickness of the first piezoelectric layer is not less than 1 μm and not more than 10 μm. 基板と、前記基板上に設けられた第1の電極層と、前記第1の電極層上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第2の電極層とを備えた圧電薄膜素子の製造方法であって、
鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層が前記第1の電極層を介して片面に形成された基板を洗浄して、前記第1の圧電体層の形成過程で該第1の圧電体層に混入した異物や該第1の圧電体層に形成された副生成物層を除去する異物除去工程と、
前記異物除去工程を経た第1の圧電体層上に、該第1の圧電体層での空孔を埋めるようにして電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層を形成する第2の圧電体層形成工程と、
を含むことを特徴とする圧電薄膜素子の製造方法。
A substrate; a first electrode layer provided on the substrate; a piezoelectric layer provided on the first electrode layer; and a second electrode layer provided on the piezoelectric layer. A method for manufacturing a piezoelectric thin film element comprising:
A substrate in which a first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure containing lead as a constituent element is formed on one side through the first electrode layer is washed, and the first piezoelectric layer A foreign matter removing step of removing foreign matter mixed in the first piezoelectric layer in the formation process and a by-product layer formed on the first piezoelectric layer;
A second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide is formed on the first piezoelectric layer that has been subjected to the foreign matter removing step so as to fill holes in the first piezoelectric layer. A piezoelectric layer forming step;
A method for manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising:
第1の電極層上に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第2の電極層が形成さた圧電薄膜素子と、前記圧電薄膜素子における第1の電極層および第2の電極層のいずれかの電極層側の面に設けられた振動板層と、前記振動板層における圧電薄膜素子側とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、前記圧電薄膜素子の圧電効果により前記振動板層を層厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、
前記圧電体層は、
鉛を構成元素とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物からなる第1の圧電体層と、
前記第1の圧電体層上に設けられて該第1の圧電体層での空孔を埋める電気絶縁性酸化物からなる第2の圧電体層と、
を含むことを特徴とするインクジェットヘッド。
A piezoelectric thin film element in which a piezoelectric layer is formed on the first electrode layer, and a second electrode layer is formed on the piezoelectric layer, and the first electrode layer and the second electrode layer in the piezoelectric thin film element A diaphragm layer provided on one of the electrode layers, and a pressure chamber member having a pressure chamber that is bonded to a surface of the diaphragm layer opposite to the piezoelectric thin film element side and that stores ink. An inkjet head that discharges ink in the pressure chamber by displacing the diaphragm layer in the layer thickness direction by the piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element,
The piezoelectric layer is
A first piezoelectric layer made of an oxide having a perovskite crystal structure containing lead as a constituent element;
A second piezoelectric layer made of an electrically insulating oxide provided on the first piezoelectric layer and filling the voids in the first piezoelectric layer;
An ink jet head comprising:
インクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドを記録媒体に対して相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段により前記インクジェットヘッドが前記記録媒体に対して相対移動しているときに、該インクジェットヘッドから前記記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット式記録装置であって、
前記インクジェットヘッドは請求項6に記載のインクジェットヘッドであることを特徴とするインクジェット式記録装置。
An inkjet head; and a relative movement means for moving the inkjet head relative to the recording medium. When the inkjet head is moved relative to the recording medium by the relative movement means, An ink jet recording apparatus that performs recording by discharging ink to the recording medium,
An ink jet recording apparatus according to claim 6, wherein the ink jet head is an ink jet head according to claim 6.
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