JP2009209413A - Method for selecting optimum condition for execution of aerosol deposition method, and film forming method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for selecting the optimum condition of execution of the aerosol deposition method so that the film after the annealing treatment can maintain the excellent performance. <P>SOLUTION: A base material and material particles are prepared. The film of the material particles is deposited on a surface of the base material by executing the aerosol deposition method under the predetermined condition of execution by using the base material and the material particles. The thickness and the modulus of elasticity of the formed film are measured. The film is annealed by heating the base material with the film deposited thereon. The performance of the annealed film is evaluated. The data of the considerably large number is collected by repeating the processes while changing the condition of execution. The optimum range of the film thickness and the modulus of elasticity is selected based on the relative merits of the performance of the evaluated film in the data of the considerably large number. Then, the condition of execution in which the film thickness and the modulus of elasticity in the optimum range are given is determined as the optimum condition of execution. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、エアロゾルを高速で基板に吹き付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定するための方法、及び当該方法により得られた最適実施条件においてエアロゾルデポジション法による成膜を行う方法に関する。   The present invention provides a method for selecting an optimum implementation condition of an aerosol deposition method in which film formation is performed by spraying aerosol on a substrate at a high speed, and a composition based on the aerosol deposition method in the optimum implementation condition obtained by the method. It relates to a method of performing a membrane.

インクジェットプリンタ等に用いられる圧電アクチュエータにおける圧電膜を形成する方法として、近年、エアロゾルデポジション法が注目されている。エアロゾルデポジション法は、気体中にセラミックス微粒子を分散してなるエアロゾルをノズルから噴射し、高速で基板表面に吹き付けることによって、当該基板上で微粒子を粉砕し堆積させてセラミックス薄膜を形成するものである。当該方法は、基板表面へのセラミックス微粒子の衝突で発生する局所的な衝撃エネルギーが開放することに起因したメカノケミカル反応の誘起によって起こる常温衝撃固化現象を利用しており、粒子衝突時の衝撃力を膜形成時の反応エネルギーとして作用させる成膜技術である。この成膜方法は常温で実施されるものであり、従来のセラミックス形成法において実施されていた900℃以上での焼結プロセスを不要とする。そのため、寸法精度を考慮した薄膜設計を行う必要がなくなり、また、微粒子の破砕によって緻密なナノ結晶組織を形成することができる。   In recent years, an aerosol deposition method has attracted attention as a method for forming a piezoelectric film in a piezoelectric actuator used in an inkjet printer or the like. In the aerosol deposition method, an aerosol formed by dispersing ceramic fine particles in a gas is sprayed from a nozzle and sprayed onto the substrate surface at a high speed to pulverize and deposit the fine particles on the substrate to form a ceramic thin film. is there. This method uses the normal temperature impact solidification phenomenon caused by the induction of the mechanochemical reaction caused by the release of the local impact energy generated by the collision of ceramic fine particles with the substrate surface. Is a film formation technique that acts as a reaction energy during film formation. This film forming method is performed at room temperature, and does not require the sintering process at 900 ° C. or higher, which is performed in the conventional ceramic forming method. Therefore, it is not necessary to design a thin film in consideration of dimensional accuracy, and a dense nanocrystal structure can be formed by crushing fine particles.

エアロゾルデポジション法により成膜を行った場合には、成膜後に、加熱によるアニール処理が行われる(例えば特許文献1を参照)。アニール処理とは、エアロゾルデポジション法により形成された薄膜を加熱して薄膜表面の結晶粒を成長させて、薄膜の圧電特性等を安定化させることを目的としたものである。従来のセラミックスの焼結工程では900℃以上の高温が必要になるが、これと比較すると、アニール処理は比較的低温で実施することができる。
特開2007−88449号公報
When film formation is performed by the aerosol deposition method, annealing treatment by heating is performed after film formation (see, for example, Patent Document 1). The annealing treatment is intended to stabilize the piezoelectric characteristics and the like of the thin film by heating the thin film formed by the aerosol deposition method to grow crystal grains on the surface of the thin film. In the conventional ceramic sintering process, a high temperature of 900 ° C. or higher is required, but in comparison with this, the annealing treatment can be performed at a relatively low temperature.
JP 2007-88449 A

しかしながらアニール処理を行うことによって、形成された膜が剥離したり、膜が導通して短絡する場合があり、製品の歩留りを低下させる要因になっていた。しかし、これらの欠陥が生じる原因は、正確には把握されていなかった。   However, by performing the annealing treatment, the formed film may be peeled off, or the film may become conductive and short-circuited, which has been a factor in reducing the yield of products. However, the cause of these defects has not been accurately grasped.

このため、アニール処理によって膜剥離や、短絡等の欠陥が生じないように、基板や材料の種類毎にエアロゾルデポジション法の実施条件を最適化することが望まれるが、アニール処理を行う前の段階である成膜時において、膜剥離や短絡などを含むアニール処理後の膜性能を予測することは不可能であった。   For this reason, it is desirable to optimize the implementation conditions of the aerosol deposition method for each type of substrate and material so as not to cause defects such as film peeling and short circuits due to annealing treatment. At the time of film formation, which is a stage, it was impossible to predict film performance after annealing including film peeling and short circuit.

そこで本発明は、アニール処理後の膜が優れた性能を保持できるようにエアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定する方法、及び、選定された最適実施条件下においてエアロゾルデポジション法による成膜を行う方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a method for selecting an optimum implementation condition for the aerosol deposition method so that the annealed film can maintain excellent performance, and film formation by the aerosol deposition method under the selected optimum implementation condition. The object is to provide a method of performing.

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討した結果、アニール処理前の膜の弾性率及び膜厚と、アニール処理後の膜性能(特に、膜剥離の有無や導通の有無)とのあいだに関連性があること、及び、アニール処理前の弾性率は、エアロゾルデポジション法の実施条件(特にエアロゾル流の流速や、基板表面に対するエアロゾル流の入射角度、基板と噴射ノズルとの距離)を調整することによって制御可能であることを見出し、これらの知見に基づき本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the elastic modulus and film thickness of the film before the annealing treatment and the film performance after the annealing treatment (particularly, the presence or absence of film peeling and the presence or absence of conduction) And the modulus of elasticity before the annealing treatment depends on the conditions of the aerosol deposition method (especially the flow velocity of the aerosol flow, the angle of incidence of the aerosol flow on the substrate surface, the relationship between the substrate and the injection nozzle) It was found that control is possible by adjusting the distance), and the present invention has been completed based on these findings.

すなわち第一の本発明は、材料粒子をキャリアガスに分散させて発生させたエアロゾルを、エアロゾル流として基材に吹き付けることにより成膜を行うエアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定する方法であって、最適な実施条件の選定が望まれる基材及び材料粒子を準備する第一工程と、前記基材及び前記材料粒子を用いて、ある実施条件下でエアロゾルデポジション法を行うことにより、前記材料粒子の膜を前記基材の表面に形成する第二工程と、前記第二工程で形成された膜の膜厚及び弾性率を測定する第三工程と、前記第三工程の後に、前記膜が形成された前記基材を加熱することによって前記膜のアニールを行う第四工程と、前記第四工程でアニールされた膜の性能を評価する第五工程と、前記実施条件を変更しながら第二工程〜第五工程を繰り返して相当数のデータを収集する第六工程と、前記相当数のデータにおいて、前記第五工程で評価された膜の性能の優劣に基づき、膜厚及び弾性率の最適範囲を選定し、次いで、当該最適範囲の膜厚及び弾性率を与えた実施条件を、最適な実施条件として決定する第七工程と、を含む、選定方法に関する。   That is, the first aspect of the present invention is a method for selecting an optimum implementation condition of an aerosol deposition method in which film formation is performed by spraying an aerosol generated by dispersing material particles in a carrier gas as an aerosol flow on a substrate. A first step of preparing a base material and material particles for which selection of optimal implementation conditions is desired, and by performing an aerosol deposition method under a certain implementation condition using the base material and the material particles, After the second step of forming the film of the material particles on the surface of the base material, the third step of measuring the film thickness and elastic modulus of the film formed in the second step, the third step, A fourth step of annealing the film by heating the substrate on which the film is formed, a fifth step of evaluating the performance of the film annealed in the fourth step, while changing the execution conditions First Optimum film thickness and elastic modulus based on superiority or inferiority of the film performance evaluated in the fifth process in the sixth process in which a considerable number of data is collected by repeating the process to the fifth process The present invention relates to a selection method including a seventh step of selecting a range, and then determining an execution condition that gives a film thickness and an elastic modulus in the optimal range as the optimal execution condition.

上述のようにアニール処理前の膜の弾性率及び膜厚と、アニール処理後の膜性能とのあいだには関連性があるので、膜形成時の条件を変更しながら、これらについて相当数のデータを取得することによって、優秀な膜性能を達成できる場合の弾性率及び膜厚を選定することができる。そしてその弾性率及び膜厚を達成した時の膜形成条件が、エアロゾルデポジション法の最適な実施条件として決定される。以上によって、エアロゾルデポジション法において、アニール処理後の膜が優れた性能を保持できる最適な実施条件を選定することが可能となる。   As described above, since there is a relationship between the elastic modulus and film thickness of the film before annealing and the film performance after annealing, a considerable amount of data can be obtained while changing the conditions during film formation. By obtaining the above, it is possible to select the elastic modulus and film thickness when excellent film performance can be achieved. The film forming conditions when the elastic modulus and film thickness are achieved are determined as the optimum conditions for carrying out the aerosol deposition method. As described above, in the aerosol deposition method, it is possible to select an optimum implementation condition that allows the annealed film to maintain excellent performance.

第一の本発明では、第六工程で変更する実施条件は、前記基材に吹き付けられる際の前記エアロゾル流の流速、前記基材の表面と前記エアロゾル流を噴射する噴射ノズルとの距離、前記基材の表面に対する前記エアロゾル流の傾斜角度、の少なくとも1つであることが好ましい。   In the first aspect of the present invention, the execution conditions to be changed in the sixth step are the flow velocity of the aerosol flow when sprayed on the base material, the distance between the surface of the base material and the injection nozzle for injecting the aerosol flow, It is preferably at least one of the inclination angles of the aerosol flow with respect to the surface of the substrate.

これらの実施条件の相違によってアニール処理前の膜の弾性率が大きく異なってくるので、これらの実施条件を変更することによって、優秀な膜性能を達成できる場合の弾性率を効率よく選定することができる。   The elastic modulus of the film before annealing varies greatly depending on the difference in these implementation conditions. By changing these implementation conditions, it is possible to efficiently select the elastic modulus when excellent film performance can be achieved. it can.

第三の本発明では、第五工程における膜性能の評価を、少なくとも膜剥離の有無に基づいて行うことが好ましい。   In the third aspect of the present invention, it is preferable to evaluate the film performance in the fifth step based on at least the presence or absence of film peeling.

これによって、エアロゾルデポジション法で形成された薄膜が、アニール処理により基材から剥離しないエアロゾルデポジション法の最適実施条件を選定することができる。   Accordingly, it is possible to select an optimum execution condition of the aerosol deposition method in which the thin film formed by the aerosol deposition method does not peel from the substrate by the annealing treatment.

第一の本発明では、第五工程における膜性能の評価を、膜剥離の有無と導通の有無に基づいて行うことが好ましい。   In 1st this invention, it is preferable to evaluate the film | membrane performance in a 5th process based on the presence or absence of film | membrane peeling and the presence or absence of conduction | electrical_connection.

これによって、エアロゾルデポジション法で形成された薄膜が、アニール処理により、基材から剥離せず、かつ短絡が生じないエアロゾルデポジション法の最適実施条件を選定することができる。すなわち、圧電膜として好適に使用できる薄膜を製造するためのエアロゾルデポジション法の最適実施条件を選定することができる。   Accordingly, it is possible to select the optimum conditions for the aerosol deposition method in which the thin film formed by the aerosol deposition method is not peeled off from the base material by the annealing process and a short circuit does not occur. That is, it is possible to select the optimum conditions for the aerosol deposition method for producing a thin film that can be suitably used as a piezoelectric film.

第二の本発明は、第一の本発明に係る方法で選定された最適な実施条件においてエアロゾルデポジション法を行うことにより成膜を行う、成膜方法である。   The second aspect of the present invention is a film forming method in which film formation is performed by performing an aerosol deposition method under the optimum execution conditions selected by the method according to the first aspect of the present invention.

第二の本発明によると、選定された最適な実施条件においてエアロゾルデポジション法を実施して成膜を行うので、成膜された膜は、アニール処理後において非常に優れた膜性能を有しており、膜剥離や短絡等の問題の発生を回避できる。   According to the second aspect of the present invention, since the film is formed by performing the aerosol deposition method under the selected optimum execution conditions, the formed film has very excellent film performance after the annealing treatment. Thus, problems such as film peeling and short circuit can be avoided.

本発明によれば、アニール処理後の膜が優れた性能を保持できるという点で、エアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定することができる。また、その選定された最適実施条件下でエアロゾルデポジション法を実施して、アニール処理後においても優れた性能を保持した薄膜を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to select an optimal implementation condition for the aerosol deposition method in that the film after annealing can maintain excellent performance. In addition, an aerosol deposition method can be performed under the selected optimum execution conditions to produce a thin film that retains excellent performance even after annealing.

本発明は、材料粒子をキャリアガスに分散させて発生させたエアロゾルを、エアロゾル流として基材に吹き付けることにより成膜を行うエアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定するためのものである。まずエアロゾルデポジション法について説明する。   The present invention is for selecting an optimum execution condition of an aerosol deposition method in which film formation is performed by spraying an aerosol generated by dispersing material particles in a carrier gas as an aerosol flow onto a substrate. First, the aerosol deposition method will be described.

図1は、本発明の実施形態におけるエアロゾルデポジション法に基づいた成膜装置を概略的に示した図である。この成膜装置は、キャリアガスに材料粒子を分散させてエアロゾルを発生させるためのエアロゾル生成器1と、内部で成膜を実施するためのチャンバ2とを備えている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a film forming apparatus based on an aerosol deposition method according to an embodiment of the present invention. The film forming apparatus includes an aerosol generator 1 for generating aerosol by dispersing material particles in a carrier gas, and a chamber 2 for performing film formation inside.

エアロゾル生成器1には所定量の材料粒子が収納されており、キャリアガスが導入される。エアロゾル生成器1では、キャリアガス導入の際に巻き上げガスを発生させ、さらに下部から超音波加振装置を用いた振動を加えることによって、キャリアガスに材料粒子を分散させて、エアロゾルを発生させる。前記キャリアガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや、窒素、空気、酸素等を使用することができる。   The aerosol generator 1 stores a predetermined amount of material particles and introduces a carrier gas. In the aerosol generator 1, a winding gas is generated when the carrier gas is introduced, and further, by applying vibration using an ultrasonic vibration device from the lower part, the material particles are dispersed in the carrier gas to generate an aerosol. As said carrier gas, inert gas, such as helium and argon, nitrogen, air, oxygen etc. can be used, for example.

エアロゾル生成器1の上部にはエアロゾル供給管3の一端が挿入されている。エアロゾル供給管3の他端はチャンバ2の内部に配置され、噴射ノズル4が接続されている。   One end of an aerosol supply pipe 3 is inserted in the upper part of the aerosol generator 1. The other end of the aerosol supply pipe 3 is disposed inside the chamber 2 and is connected to an injection nozzle 4.

チャンバ2には、メカニカルブースターポンプとロータリーポンプ等が接続されており、チャンバ2の内部を減圧できるように構成されている。これによって、チャンバ2の内圧がエアロゾル生成器1の内圧と比較して低圧になるので、その差圧によって、エアロゾル生成器1内で発生したエアロゾルがエアロゾル供給管3に吸い込まれ、これを通過して噴射ノズル4に供給される。   A mechanical booster pump, a rotary pump, and the like are connected to the chamber 2 so that the inside of the chamber 2 can be depressurized. As a result, the internal pressure of the chamber 2 becomes lower than the internal pressure of the aerosol generator 1, so that the aerosol generated in the aerosol generator 1 is sucked into the aerosol supply pipe 3 by the differential pressure and passes through it. And supplied to the injection nozzle 4.

噴射ノズル4の内部の空洞は、内部を進行するに従い横断面積が減少していくような形状を有しているので、噴射ノズル4の導入開口から噴射ノズル4の内部に進入したエアロゾルは、加速がされたうえで、噴射ノズル4の射出開口から、エアロゾル流5として高速で基材7に吹き付けられる。基材7の表面に衝突した材料粒子は破砕し、堆積することによって、薄膜が形成される。   Since the cavity inside the injection nozzle 4 has such a shape that the cross-sectional area decreases as it travels inside, the aerosol entering the inside of the injection nozzle 4 from the introduction opening of the injection nozzle 4 is accelerated. Then, the aerosol flow 5 is sprayed from the injection opening of the injection nozzle 4 onto the substrate 7 at a high speed. The material particles colliding with the surface of the base material 7 are crushed and deposited to form a thin film.

チャンバ2の内部には、噴射ノズル4の射出開口の上方に、基板7を下面に取り付けるための保持手段たる基板ホルダー6が配置されている。基板ホルダー6は矩形板状のものであり、駆動手段たる駆動装置8によって水平姿勢でチャンバ2の天井からつり下げられている。駆動装置8は、基板ホルダー6を、図1での左右方向に駆動するように構成されている。この左右方向での往復運動によって、基板7に対する走査成膜が行われる。この走査成膜によって、基材7の所定の広範な範囲に薄膜が形成される。   Inside the chamber 2, a substrate holder 6 serving as a holding unit for attaching the substrate 7 to the lower surface is disposed above the injection opening of the injection nozzle 4. The substrate holder 6 has a rectangular plate shape, and is suspended from the ceiling of the chamber 2 in a horizontal posture by a driving device 8 as driving means. The driving device 8 is configured to drive the substrate holder 6 in the left-right direction in FIG. By this reciprocating motion in the left-right direction, scanning film formation on the substrate 7 is performed. By this scanning film formation, a thin film is formed in a predetermined wide range of the substrate 7.

成膜対象物である基材としては、代表的にはステンレス製の基板が挙げられるが、これに限定されず、例えば、他の金属、シリコン、半導体、樹脂等からなる基板でもあってよい。また、これらの材料からなるシートのうえに、アルミナやジルコニア等のセラミックスからなる薄膜を形成したものを、基材として使用することもできる。本発明の一実施形態に係るエアロゾルデポジション法においては、成膜対象物である基材は、振動板上に、拡散防止層と下部電極とが積層されたもののことを指す。好適な態様によると、振動板はステンレス製の基板であり、拡散防止層は別途エアロゾルデポジション法により成膜されたアルミナ又はジルコニアの薄膜であり、下部電極はスパッタ法により形成されたTi/Ptからなる電極層である。   As a base material that is a film formation target, a stainless steel substrate is typically exemplified, but the substrate is not limited thereto, and may be a substrate made of other metal, silicon, semiconductor, resin, or the like. Moreover, what formed the thin film which consists of ceramics, such as an alumina and a zirconia, on the sheet | seat which consists of these materials can also be used as a base material. In the aerosol deposition method according to an embodiment of the present invention, a base material that is a film formation target refers to a substrate in which a diffusion prevention layer and a lower electrode are stacked on a vibration plate. According to a preferred embodiment, the vibration plate is a stainless steel substrate, the diffusion prevention layer is an alumina or zirconia thin film separately formed by an aerosol deposition method, and the lower electrode is a Ti / Pt formed by a sputtering method. It is an electrode layer which consists of.

前記材料粒子を構成する材料、すなわちエアロゾルデポジション法により形成される薄膜の材料としては、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる。チタン酸ジルコン酸鉛は通常数μm程度の膜厚で所望の圧電効果を達成する材料として知られている。本発明者らの検討によると、PZTはエアロゾルデポジション法の最適実施条件の幅が極めて狭い材料であるので、本発明を適用する意義は特に大きい。   A typical example of a material constituting the material particles, that is, a thin film material formed by an aerosol deposition method is lead zirconate titanate (PZT). Lead zirconate titanate is generally known as a material that achieves a desired piezoelectric effect with a film thickness of about several μm. According to the study by the present inventors, PZT is a material that has a very narrow range of optimum conditions for the aerosol deposition method, and therefore, the significance of applying the present invention is particularly great.

しかし材料粒子を構成する材料としてはこれに限定されず、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛等のセラミックスや、有機樹脂等であってもよい。   However, the material constituting the material particles is not limited to this. For example, aluminum oxide, zirconium oxide, barium titanate, lead titanate, lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), zinc niobate Ceramics such as lead and organic resins may be used.

材料粒子の粒径は、エアロゾルデポジション法に使用可能な粒径であればよく、例えば、0.5μm〜5.0μm程度のものでよい。   The particle size of the material particles may be any particle size that can be used in the aerosol deposition method, and may be, for example, about 0.5 μm to 5.0 μm.

エアロゾルデポジション法により形成される薄膜の膜厚は通常、数μm〜数十μm程度である。   The film thickness of the thin film formed by the aerosol deposition method is usually about several μm to several tens of μm.

次に本発明の最適実施条件選定方法における各工程を具体的に説明する。   Next, each step in the optimum execution condition selection method of the present invention will be specifically described.

(1)第一工程では、最適な実施条件の選定が望まれる基材及び材料粒子を準備する。   (1) In the first step, a base material and material particles for which selection of optimal implementation conditions is desired are prepared.

エアロゾルデポジション法では同一の実施条件で行ったとしても、基材の種類や、材料粒子の種類が異なれば、得られる薄膜の弾性率も異なってくる。   Even when the aerosol deposition method is performed under the same conditions, the elastic modulus of the thin film obtained varies depending on the type of base material and the type of material particles.

図2は、成膜対象物である基材の種類によって、その上に形成された薄膜の弾性率が異なることを示すグラフである。図2では、2種類の基材に関して、エアロゾルデポジション法により成膜されたPZT膜の膜厚と、当該PZT膜の弾性率(アニール処理前)との関係を示している。なお、実験手法は後述する実施例1に準ずる。   FIG. 2 is a graph showing that the elastic modulus of the thin film formed thereon varies depending on the type of substrate that is the film formation target. FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the PZT film formed by the aerosol deposition method and the elastic modulus (before annealing) of the PZT film for two types of base materials. The experimental method is in accordance with Example 1 described later.

図2中の菱形で示したデータは、エアロゾルデポジション法によりアルミナ膜を成膜し、さらに下部電極としてTi(0.05μm)/Pt(0.5μm)層を積層したステンレス板を基材として使用した場合に関するものであり、正方形で示したデータは、基材として焼結したアルミナ板を使用した場合のデータを示している。このグラフから、いずれの基材も、約10μm未満の膜厚では膜厚の増加とともに薄膜の弾性率が減少し、膜厚が約10μmを超えると弾性率はほぼ一定になる傾向を示しているが、基材の種類によって薄膜の弾性率は大きく相違することが分かる。   The data shown by diamonds in FIG. 2 is based on a stainless steel plate in which an alumina film is formed by an aerosol deposition method and a Ti (0.05 μm) / Pt (0.5 μm) layer is laminated as a lower electrode. This data relates to the case where it is used, and the data indicated by squares shows data when a sintered alumina plate is used as a base material. From this graph, the elastic modulus of the thin film decreases with increasing film thickness when the film thickness is less than about 10 μm, and the elastic modulus tends to be almost constant when the film thickness exceeds about 10 μm. However, it can be seen that the elastic modulus of the thin film varies greatly depending on the type of substrate.

また、材料粒子の種類が異なれば薄膜を構成する材料の種類が異なるので、材料粒子の種類によって薄膜の弾性率が異なるのは当然である。   Moreover, since the kind of material which comprises a thin film will differ if the kind of material particle differs, it is natural that the elasticity modulus of a thin film changes with kinds of material particle.

したがって、エアロゾルデポジション法の最適実施条件は、基材の種類や、材料粒子の種類毎に決定することが好ましい。本工程では、最適実施条件に関する情報が必要な基材及び材料粒子を準備する。   Therefore, it is preferable to determine the optimum implementation conditions for the aerosol deposition method for each type of substrate and each type of material particles. In this step, a base material and material particles that require information on optimum execution conditions are prepared.

(2)第二工程では、第一工程で準備した基材及び材料粒子を用いて、ある実施条件下でエアロゾルデポジション法を行うことにより、前記材料粒子の膜を前記基材の表面に形成する。   (2) In the second step, using the substrate and material particles prepared in the first step, an aerosol deposition method is performed under certain implementation conditions to form a film of the material particles on the surface of the substrate. To do.

前記の「ある実施条件」とは、通常エアロゾルデポジション法による成膜が可能な条件であれば特に限定されないが、本工程は最適実施条件に関するデータを収集するための工程であるから、この工程で適用した実施条件は正確に記録しておく必要がある。   The “certain execution condition” is not particularly limited as long as the film can be normally formed by the aerosol deposition method. However, since this process is a process for collecting data on the optimum execution condition, It is necessary to accurately record the implementation conditions applied in.

(3)第三工程では、第二工程で形成された薄膜の膜厚及び弾性率を測定する。   (3) In the third step, the thickness and elastic modulus of the thin film formed in the second step are measured.

この工程では、アニール処理前に薄膜の膜厚と弾性率を測定する。これは、膜厚及び弾性率と、アニール処理後の膜性能である膜剥離の有無や導通の有無とのあいだに関連性があることが本発明者らの検討により判明したからである。この関係を図3で示す。   In this step, the film thickness and elastic modulus of the thin film are measured before annealing. This is because the present inventors have found that there is a relationship between the film thickness and elastic modulus and the presence or absence of film peeling and the presence or absence of conduction, which are film performances after annealing. This relationship is shown in FIG.

図3は、アニール処理後の膜性能の評価と、膜厚及び弾性率との関係を示すグラフであり、横軸は薄膜の膜厚を示し、縦軸はアニール前の薄膜の弾性率を示す。詳細は後述の実施例1で説明するが、これらのデータは、表面にアルミナ膜を形成し、さらに下部電極としてTi(0.05μm)/Pt(0.5μm)層を積層したステンレス板を基材として、この基材にPZT膜をエアロゾルデポジション法により成膜した場合に関する。多数のデータはエアロゾルデポジション法の成膜条件を種々変更して取得した。丸印で示したデータは、アニール処理後の膜剥離がなく、かつ電気評価も良好であったものである。三角印で示したデータはアニール処理後の膜剥離はなかったが、電気評価が不良であったものである。バツ印で示したデータはアニール処理後に膜剥離が確認されたものである。なお、膜剥離の有無は薄膜形成後に目視で判断し、電気評価は導通の有無に基づいたものであり、形成後の薄膜表面に上部電極を設けて、下部電極とのあいだで導通テスタを用いて評価した。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the evaluation of film performance after annealing and the film thickness and elastic modulus. The horizontal axis indicates the film thickness of the thin film, and the vertical axis indicates the elastic modulus of the thin film before annealing. . Details will be described in Example 1 described later. These data are based on a stainless steel plate in which an alumina film is formed on the surface and a Ti (0.05 μm) / Pt (0.5 μm) layer is laminated as a lower electrode. As a material, the present invention relates to a case where a PZT film is formed on this substrate by an aerosol deposition method. A lot of data was acquired by changing the deposition conditions of the aerosol deposition method. The data indicated by the circles indicate that there was no film peeling after the annealing treatment and the electrical evaluation was good. The data indicated by the triangles indicate that there was no film peeling after annealing, but the electrical evaluation was poor. The data indicated by crosses are those in which film peeling was confirmed after annealing. In addition, the presence or absence of film peeling is judged visually after the formation of the thin film, and the electrical evaluation is based on the presence or absence of conduction. An upper electrode is provided on the surface of the formed thin film, and a conduction tester is used between the lower electrode And evaluated.

図3から分かるように、丸印で示されたアニール処理後の膜性能の評価が良好であったデータは、楕円で囲まれた範囲(弾性率はおよそ80〜180GPa、膜厚はおよそ4〜10μm)内に集中している。したがって、アニール処理後の膜性能を優れたものとするには、アニール処理前の薄膜の膜厚と弾性率が前記の楕円で囲まれた範囲内に収まるような条件にて、エアロゾルデポジション法を実施すればよい。このため本工程では、アニール処理を行う以前に、薄膜の膜厚と弾性率を測定する。   As can be seen from FIG. 3, the data indicating that the evaluation of the film performance after the annealing process indicated by the circles is good is the range enclosed by the ellipse (the elastic modulus is approximately 80 to 180 GPa, the film thickness is approximately 4 to 4). 10 μm). Therefore, in order to improve the film performance after annealing, the aerosol deposition method is performed under such conditions that the film thickness and elastic modulus of the thin film before annealing are within the range enclosed by the ellipse. Should be implemented. Therefore, in this step, the film thickness and elastic modulus of the thin film are measured before annealing.

(4)第四工程:第三工程の後に、第二工程で表面に薄膜が形成された基材を加熱することによってアニールを行う。   (4) Fourth step: After the third step, annealing is performed by heating the base material having a thin film formed on the surface in the second step.

エアロゾルデポジション法は、吹き付けられた微粒子が基材に衝突して粉砕しつつ付着するものであるため、衝突による粒子の微細化、格子欠陥の発生等のために、形成される薄膜そのままでは、圧電特性が十分なレベルに達しない。このため、必要な圧電特性を達成するために、成膜後にアニール処理を施す必要がある。   In the aerosol deposition method, the sprayed fine particles collide with the substrate and adhere while being pulverized, so that the formed thin film as it is for finer particles due to collision, generation of lattice defects, etc. The piezoelectric properties do not reach a sufficient level. For this reason, it is necessary to perform an annealing process after the film formation in order to achieve the necessary piezoelectric characteristics.

アニール処理とは、エアロゾルデポジション法により形成された薄膜を加熱することであり、これによって薄膜表面の結晶粒の成長や、格子欠陥の修正を達成し、薄膜の圧電特性等を向上させることができる。   Annealing treatment is heating the thin film formed by the aerosol deposition method, which achieves growth of crystal grains on the surface of the thin film and correction of lattice defects, thereby improving the piezoelectric properties and the like of the thin film. it can.

アニールは、例えば500〜1000℃程度で数分〜数時間程度加熱を行うことで実施することができる。   Annealing can be performed, for example, by heating at about 500 to 1000 ° C. for about several minutes to several hours.

(5)第五工程:第四工程でアニールされた薄膜の性能を評価する。   (5) Fifth step: The performance of the thin film annealed in the fourth step is evaluated.

膜性能の評価にあたっては、薄膜が基材と密着しているか否かや、形成された薄膜が圧電素子等の所期の目的に合致した性能を発揮し得るか否かを評価する。具体的には、上述のように、膜剥離の有無を目視で評価したり、薄膜の上下に配置した電極間の導通の有無に基づいた電気評価を行えばよい。前者の膜剥離はエアロゾルデポジション法で基板上に薄膜を形成した場合つねに要求される評価項目であり、後者の電気評価は、形成された薄膜を圧電膜として使用する場合に特に有用な評価項目である。   In the evaluation of the film performance, it is evaluated whether or not the thin film is in close contact with the base material and whether or not the formed thin film can exhibit performance that matches the intended purpose of the piezoelectric element or the like. Specifically, as described above, the presence / absence of film peeling may be visually evaluated, or the electrical evaluation based on the presence / absence of conduction between electrodes disposed above and below the thin film may be performed. The former film peeling is an evaluation item that is always required when a thin film is formed on a substrate by the aerosol deposition method, and the latter electric evaluation is an evaluation item that is particularly useful when the formed thin film is used as a piezoelectric film. It is.

(6)第六工程:第二工程におけるエアロゾルデポジション法の実施条件を変更しながら第二工程〜第五工程を繰り返して相当数のデータを収集する。   (6) Sixth step: While changing the implementation conditions of the aerosol deposition method in the second step, a considerable amount of data is collected by repeating the second step to the fifth step.

本工程において変更すべき実施条件は、形成される薄膜の膜厚または弾性率に影響を与えるものであればどのような条件であってもよい。   The implementation conditions to be changed in this step may be any conditions as long as they affect the film thickness or elastic modulus of the thin film to be formed.

薄膜の膜厚に影響を与える実施条件としては、基材に対するエアロゾル流の吹き付け時間、材料粒子の平均粒径、基板の走査速度や走査回数など種々のものが挙げられる。   The implementation conditions that affect the thickness of the thin film include various things such as the spraying time of the aerosol flow on the base material, the average particle diameter of the material particles, the scanning speed and the number of scans of the substrate.

弾性率に影響を与える実施条件としては、基材に吹き付けられる際のエアロゾル流の流速や、基材の表面に対するエアロゾル流の傾斜角度、噴射ノズルと基材間の距離が挙げられる。これらは、形成される薄膜の弾性率を大きく左右する。   Implementation conditions that affect the elastic modulus include the flow velocity of the aerosol flow when sprayed on the substrate, the inclination angle of the aerosol flow with respect to the surface of the substrate, and the distance between the injection nozzle and the substrate. These greatly influence the elastic modulus of the thin film to be formed.

これらの実施条件を種々変更しながら、第一工程で使用したものと同じ基材及び材料粒子を使用してエアロゾルデポジション法を繰り返し、相当数のデータを収集する。収集する相当数のデータとは、アニール処理前の膜の膜厚と弾性率と、アニール処理後の膜性能(特に、膜剥離の有無やピンホールの有無)とのあいだに存在する関連性が判明するのに必要な数のデータのことをいう。統計的に有意の数を収集すれば好ましいが、有意でなくとも前記の関連性をおおよそ判断できる数が収集すればよい。   While varying these implementation conditions, the aerosol deposition method is repeated using the same substrate and material particles as used in the first step, and a considerable amount of data is collected. The considerable amount of data collected has a relationship that exists between the film thickness and elastic modulus of the film before annealing and the film performance after annealing (particularly, whether there is film peeling or pinholes). This is the number of data required to be revealed. Although it is preferable to collect a statistically significant number, it is only necessary to collect a number that can roughly determine the relevance even if it is not significant.

なお、前述した基材に吹き付けられる際のエアロゾル流の流速に関しては、キャリアガスの種類、及びキャリアガスの流量によって調整することができる。   It should be noted that the flow rate of the aerosol flow when sprayed on the substrate described above can be adjusted by the type of carrier gas and the flow rate of the carrier gas.

図4は、キャリアガスとしてヘリウムガス又は酸素ガスを使用した場合について、キャリアガスの設定流量と、エアロゾル流の推定流速との関係を示したグラフである。ここでは、キャリアガスとしてヘリウムガス又は酸素ガスを種々の流量で使用し、3μm粒径のPZT粒子を噴射した場合の平均流速の推定値を噴流シミュレーションにより求めた。このグラフより、キャリアガスの設定流量とエアロゾル流の流速との関係は、キャリアガスの種類によって大きく異なっており、分子量の小さいヘリウムガスでは、酸素ガスと比較してエアロゾル流の流速が加速度的に増大することが分かる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the set flow rate of the carrier gas and the estimated flow velocity of the aerosol flow when helium gas or oxygen gas is used as the carrier gas. Here, helium gas or oxygen gas was used as a carrier gas at various flow rates, and an estimated value of the average flow velocity when PZT particles having a particle size of 3 μm were injected was obtained by jet simulation. From this graph, the relationship between the set flow rate of the carrier gas and the flow velocity of the aerosol flow varies greatly depending on the type of the carrier gas, and the flow velocity of the aerosol flow is accelerated in the helium gas with a small molecular weight compared to the oxygen gas. It can be seen that it increases.

図5は、エアロゾル流の流速が、形成される薄膜の弾性率に影響することを示すグラフである。図5では、キャリアガスの種類やキャリアガスの流量を変更することによって調整したエアロゾル流の流速と、成膜されたPZT薄膜の弾性率との関係を示している。ここでは、基材として、表面に約2μm厚のアルミナ膜を形成したステンレス板を使用し、キャリアガスの種類やキャリアガスの流速を変更しながら約5μm厚のPZT薄膜を成膜した。具体的な実験手法としては実施例1に準じた。図5中の推定流速は図4のグラフから換算した値である。このグラフより、エアロゾル流の流速が増加するにしたがい、形成されるPZT薄膜の弾性率が直線的に増大することが分かる。   FIG. 5 is a graph showing that the flow velocity of the aerosol flow affects the elastic modulus of the formed thin film. FIG. 5 shows the relationship between the flow velocity of the aerosol flow adjusted by changing the type of carrier gas and the flow rate of the carrier gas, and the elastic modulus of the formed PZT thin film. Here, a stainless steel plate having an alumina film with a thickness of about 2 μm formed on the surface was used as a substrate, and a PZT thin film with a thickness of about 5 μm was formed while changing the type of carrier gas and the flow rate of the carrier gas. The specific experimental method was the same as in Example 1. The estimated flow velocity in FIG. 5 is a value converted from the graph of FIG. This graph shows that the elastic modulus of the formed PZT thin film increases linearly as the flow velocity of the aerosol flow increases.

基材表面に対するエアロゾル流の傾斜角度については、基材に対してエアロゾル流が垂直である場合と比較すると、ある程度傾斜している場合のほうが、膜の弾性率は向上することが判明している。これは、基材に対してエアロゾル流が垂直であると、衝突力が不十分で基材に対して付着しなかった粗大な粒子が膜に混入してしまい、膜内に空隙ができてしまう場合があるが、基材に対してエアロゾル流がある程度傾斜していると、基材に付着しなかった粒子がエアロゾル流の噴きつけられる側と反対側に逃げやすくなるため、空隙が生じにくくなり、その結果、膜の弾性率は向上すると考えられる。   Regarding the inclination angle of the aerosol flow with respect to the substrate surface, it has been found that the elastic modulus of the film is improved when the aerosol flow is inclined to some extent as compared with the case where the aerosol flow is perpendicular to the substrate. . This is because if the aerosol flow is perpendicular to the base material, the impact force is insufficient and coarse particles that have not adhered to the base material are mixed into the film, creating voids in the film. In some cases, if the aerosol flow is tilted to some extent with respect to the base material, the particles that have not adhered to the base material will easily escape to the side opposite to the side where the aerosol flow is sprayed, so voids are less likely to occur. As a result, it is considered that the elastic modulus of the film is improved.

噴射ノズルと基材間の距離については、基材に対して噴射ノズルが離れている場合と比較してある程度近づけている場合のほうが、粒子の衝突力が増加して緻密な膜になるため、膜の弾性率は向上することが判明している。   As for the distance between the injection nozzle and the base material, the collision force of the particles increases and becomes a dense film when it is close to a certain extent compared to the case where the injection nozzle is away from the base material. It has been found that the elastic modulus of the membrane is improved.

以上のような知見を利用して、膜厚と弾性率が異なった薄膜が相当数得られるようにエアロゾルデポジション法の実施条件を変更しつつ第二工程を繰り返す。こうして得られた相当数の薄膜について、膜厚と弾性率を測定し(第三工程)、次いで同一の条件下でアニール処理(第四工程)を行った後、膜性能を同一基準で評価する(第五工程)。このようにして、エアロゾルデポジション法の実施条件と、薄膜の膜厚及び弾性率と、アニール処理後の膜性能に関して相当数のデータを収集する。   Using the above knowledge, the second step is repeated while changing the implementation conditions of the aerosol deposition method so that a considerable number of thin films having different film thicknesses and elastic moduli can be obtained. For a considerable number of thin films thus obtained, the film thickness and elastic modulus are measured (third step), and after annealing treatment (fourth step) under the same conditions, the film performance is evaluated on the same basis. (Fifth step). In this way, a considerable amount of data is collected regarding the conditions for carrying out the aerosol deposition method, the film thickness and elastic modulus of the thin film, and the film performance after annealing.

(7)第七工程:第六工程で得た相当数のデータにおいて、アニール処理後の膜の性能の優劣に基づき、膜厚及び弾性率の最適範囲を選定し、次いで、当該最適範囲の膜厚及び弾性率を与えた実施条件を、最適な実施条件として決定する。   (7) Seventh step: In a considerable number of data obtained in the sixth step, the optimum range of film thickness and elastic modulus is selected based on the superiority or inferiority of the film after annealing treatment, and then the film in the optimum range The execution condition given the thickness and elastic modulus is determined as the optimal execution condition.

この工程では、まず、第六工程で得た相当数のデータにおいて、アニール処理後の膜の性能の優劣に基づき、アニール処理前の膜厚及び弾性率の最適範囲を選定する。このために、薄膜の膜厚の数値及び弾性率の数値と、膜性能の優劣とのあいだの関連性が分かるように、前記相当数のデータを整理する。このためには、例えば図3や図6で示しているように、横軸を膜厚とし、縦軸を弾性率としたグラフを作成し、そこに、膜性能の優劣が分かるように前記相当数のデータをプロットしていけばよい。そうすると、アニール処理後の膜性能が良好であったデータが集中している範囲(図3では楕円で囲まれた範囲)を一見して割り出すことができる。このように膜性能が良好であったデータが集中している範囲を、膜厚及び弾性率の最適範囲として選定すればよい。   In this step, first, in the considerable number of data obtained in the sixth step, the optimum range of the film thickness and elastic modulus before the annealing treatment is selected based on the superiority or inferiority of the film after the annealing treatment. For this purpose, the considerable number of data is arranged so that the relationship between the numerical values of the thin film thickness and the elastic modulus and the superiority or inferiority of the film performance can be understood. For this purpose, for example, as shown in FIG. 3 and FIG. 6, a graph with the horizontal axis as the film thickness and the vertical axis as the elastic modulus is prepared, and the above-described equivalent is shown so that the superiority or inferiority of the film performance can be understood. Plot the number data. As a result, it is possible to determine at a glance the range in which data with good film performance after annealing is concentrated (the range surrounded by an ellipse in FIG. 3). Thus, the range in which data with good film performance is concentrated may be selected as the optimum range of film thickness and elastic modulus.

次に、こうして得られた最適範囲の膜厚及び弾性率を与えた場合の、エアロゾルデポジション法の実施条件を、最適な実施条件として決定する。このような最適実施条件は、基板の種類、材料粒子の種類毎に決定することが好ましい。   Next, the execution conditions of the aerosol deposition method when the film thickness and the elastic modulus in the optimum range thus obtained are given are determined as the optimum execution conditions. Such optimum implementation conditions are preferably determined for each type of substrate and each type of material particle.

このようにして決定された最適実施条件において、エアロゾルデポジション法による実際の成膜を行うことによって、優れた膜性能を有する薄膜を確実に製造することが可能になる。この場合の実際の成膜では、上述した最適実施条件の選定方法において使用したものと同じ種類の基板や、材料粒子を使用することが好適である。また、アニール処理の条件について同一にすることが好ましい。   By performing actual film formation by the aerosol deposition method under the optimum execution conditions determined as described above, it becomes possible to reliably manufacture a thin film having excellent film performance. In the actual film formation in this case, it is preferable to use the same type of substrate and material particles as those used in the above-described method for selecting the optimum execution conditions. Moreover, it is preferable to make it the same about the conditions of annealing treatment.

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
1.第一工程
拡散接合SUS板(ヘッド)および評価用SUS板:15×35×0.4tに対して、上述した実施形態に基づくエアロゾルデポジション法に基づいた成膜装置にて、拡散防止層としてAl23膜を約2μm厚で形成した。
Example 1
1. First step Diffusion bonding SUS plate (head) and SUS plate for evaluation: 15 × 35 × 0.4t, as a diffusion preventing layer in the film forming apparatus based on the aerosol deposition method based on the embodiment described above An Al 2 O 3 film was formed with a thickness of about 2 μm.

以下本工程を具体的に説明する。エアロゾル生成器にAl23粉末:140gを投入した。基板ホルダーに各SUS板をセットし、成膜範囲以外をテープで貼付した。基板ホルダーを成膜室内のXYステージにセットし、往復スキャンを開始した。なお、ステージ移動は「コの字移動」を繰返しており、2列(2枚)成膜を同一バッチにて行った。成膜室たるチャンバを真空引きして、到達真空圧:10〜20Paとした。キャリアガスを3系統(流動、破砕、加速)から導入し、原料粉体を流動攪拌した。所定の総流量(3系統の合計)に合わせ、流動状態を見ながら流動ガス流量を一定に定めた後、破砕ガスと加速ガスの比率を変更することで所望のエアロゾル濃度に調整した。成膜範囲外で空噴射:5minを行った後、所定の成膜時間で各SUS板上にエアロゾル噴射した。所定の成膜時間が終了した後、成膜ガスを止め、成膜室を真空開放した。基板ホルダをXYステージから取り外し、所望の成膜条件のAD膜形成済みの各SUS板を得た。 This process will be specifically described below. An aerosol generator was charged with 140 g of Al 2 O 3 powder. Each SUS plate was set on the substrate holder, and the portions other than the film formation range were attached with tape. The substrate holder was set on the XY stage in the film forming chamber, and reciprocal scanning was started. In addition, the stage movement repeated the “U-shaped movement”, and two rows (two sheets) of film formation were performed in the same batch. The chamber as the film forming chamber was evacuated to reach the ultimate vacuum pressure of 10 to 20 Pa. Carrier gas was introduced from three systems (flow, crushing, acceleration), and the raw material powder was fluidly stirred. In accordance with a predetermined total flow rate (total of three systems), the flow gas flow rate was set constant while observing the flow state, and then the ratio of the crushing gas and the acceleration gas was changed to adjust the desired aerosol concentration. After performing idle injection: 5 min outside the film formation range, aerosol was injected onto each SUS plate for a predetermined film formation time. After the predetermined film formation time was completed, the film formation gas was stopped and the film formation chamber was opened in vacuum. The substrate holder was removed from the XY stage to obtain each SUS plate on which an AD film had been formed under the desired film formation conditions.

Al23膜が形成された各SUS板に対して1分間の超音波洗浄を行い、付着した粉体を除去した。150℃×30minにて水分除去し、乾燥した。段差計を用いて、各SUS板のAl23厚を測定した。スパッタ装置を用いて、Al23膜の表面に、下部電極としてTi(0.05μm)/Pt(0.5μm)層を形成した。マッフル炉を用いて、500℃×30minでアニールを行い、Pt残留応力を開放した。このようにして得られたSUS板/アルミナ膜/下部電極を、基板として使用した。 Each SUS plate on which the Al 2 O 3 film was formed was subjected to ultrasonic cleaning for 1 minute to remove the adhered powder. Water was removed at 150 ° C. × 30 min and dried. The Al 2 O 3 thickness of each SUS plate was measured using a step gauge. A Ti (0.05 μm) / Pt (0.5 μm) layer was formed as a lower electrode on the surface of the Al 2 O 3 film using a sputtering apparatus. Using a muffle furnace, annealing was performed at 500 ° C. for 30 minutes to release the Pt residual stress. The SUS plate / alumina film / lower electrode thus obtained was used as a substrate.

2.第二工程
前記基板の上面に対して、上述と同様のエアロゾルデポジション法(ただしAl23粉末:140gの代わりにPZT粉末:200gを使用)にてPZT膜を形成した。その後、表面をエアブローし、付着した粉体を除去した。
2. Second Step A PZT film was formed on the upper surface of the substrate by the same aerosol deposition method as described above (however, PZT powder: 200 g was used instead of Al 2 O 3 powder: 140 g). Thereafter, the surface was air blown to remove the adhered powder.

3.第三工程
得られたPZT膜について、段差計を用いて膜厚を測定した。
3. 3rd process About the obtained PZT film | membrane, the film thickness was measured using the level | step difference meter.

次にナノインデンターを用い、荷重:5mNにて、評価用SUS板上のPZT膜の弾性率(熱処理前)を測定した。なお、拡散接合SUS板は、振動板等の柔軟な構造が多いため荷重制御が困難であり、弾性率の正確な測定ができないため、評価基板として使用しない。   Next, using a nanoindenter, the elastic modulus (before heat treatment) of the PZT film on the evaluation SUS plate was measured at a load of 5 mN. Note that the diffusion bonded SUS plate is not used as an evaluation substrate because load control is difficult because there are many flexible structures such as a diaphragm, and the elastic modulus cannot be measured accurately.

4.第四工程
マッフル炉を用いて、850℃×30minでアニール処理を行い、各SUS板上のPZT膜の結晶粒を成長させた。
4). Fourth Step Using a muffle furnace, annealing was performed at 850 ° C. for 30 minutes to grow crystal grains of the PZT film on each SUS plate.

5.第五工程
アニール後のPZT膜の外観形状を観察し、全面剥離があった場合は、膜剥離ありと判定した。
5. Fifth Step The appearance of the annealed PZT film was observed, and when there was peeling on the entire surface, it was determined that there was film peeling.

一方、拡散接合SUS基板上のPZT膜の表面に、メタルマスクを介して上部電極となるAu(0.2μm)を形成した。導通テスタを用いて、下部電極:Ptおよび上部電極:Au層間でのショート確認を行い、全ショートの場合は電気評価を不良、測定可能な場合は電気評価を良好と判断した。   On the other hand, Au (0.2 μm) serving as an upper electrode was formed on the surface of the PZT film on the diffusion bonded SUS substrate through a metal mask. Using a continuity tester, a short-circuit was confirmed between the lower electrode: Pt and the upper electrode: Au layer. When all the shorts were detected, the electrical evaluation was poor, and when the measurement was possible, the electrical evaluation was judged to be good.

6.第六工程
キャリアガスの流量(すなわちエアロゾル流の流速)と、成膜時間を種々変更しながら、第二工程〜第五工程を繰返し、薄膜の膜厚及び弾性率と、膜性能についてデータを収集した。
6). Sixth step While changing the carrier gas flow rate (ie, aerosol flow rate) and the film formation time, repeat steps 2 to 5 to collect data on the film thickness, elastic modulus, and film performance of the thin film. did.

7.第七工程
第六工程で得たデータを、横軸を膜厚とし、縦軸を弾性率としたグラフに記入した。この際、アニール処理後の膜剥離がなく、かつ電気評価も良好であった場合を丸印で示し、アニール処理後の膜剥離はなかったが、電気評価が不良であった場合を三角印で示し、アニール処理後に膜剥離が確認されたものを、バツ印で示した。この結果を図3に示した。丸印で示したデータは、楕円で囲まれた範囲(弾性率はおよそ80〜180GPa、膜厚はおよそ4〜10μm)内に集中している。この範囲が最適実施条件を示すものであり、この範囲内にある膜厚及び弾性率を与える実施条件にしたがうと、アニール処理後の膜性能(特に圧電膜としての膜性能)が優れたPZT膜を、SUS板/アルミナ膜/下部電極上に形成することができる。
7). Seventh Step The data obtained in the sixth step was entered in a graph with the horizontal axis as the film thickness and the vertical axis as the elastic modulus. At this time, the case where there was no film peeling after the annealing treatment and the electrical evaluation was good is indicated by a circle, and the case where there was no film peeling after the annealing treatment but the electrical evaluation was poor is indicated by a triangular mark. In the figure, the case where film peeling was confirmed after the annealing treatment was indicated by cross marks. The results are shown in FIG. The data indicated by the circles are concentrated in a range enclosed by an ellipse (elastic modulus is approximately 80 to 180 GPa, film thickness is approximately 4 to 10 μm). This range shows the optimum implementation conditions, and according to the implementation conditions that give the film thickness and elastic modulus within this range, the PZT film has excellent film performance after annealing (particularly, film performance as a piezoelectric film). Can be formed on the SUS plate / alumina film / lower electrode.

(実施例2)
第一工程でAl23粉末:140gの代わりに、ZrO2粉末:160gを使用し、基板をSUS板/ジルコニア膜/下部電極としたこと以外は同様にして実施例1を繰り返した。これによって得られたグラフを図6に示す。
(Example 2)
Example 1 was repeated in the same manner except that in the first step, ZrO 2 powder: 160 g was used instead of Al 2 O 3 powder: 140 g, and the substrate was made of SUS plate / zirconia film / lower electrode. The graph obtained by this is shown in FIG.

ここでは、丸印で示した膜性能の評価が良好なデータは、弾性率がおよそ100〜150GPa、膜厚はおよそ3〜7μmの範囲に主張している。この範囲が最適実施条件に該当し、この範囲内にある膜厚及び弾性率を与える実施条件にしたがうと、アニール処理後の膜性能が優れたPZT膜を、SUS板/ジルコニア膜/下部電極上に形成することができる。   Here, the data with good evaluation of the film performance indicated by the circles insist that the elastic modulus is about 100 to 150 GPa and the film thickness is about 3 to 7 μm. This range corresponds to the optimum execution conditions, and according to the execution conditions that give the film thickness and elastic modulus within this range, the PZT film with excellent film performance after the annealing treatment is formed on the SUS plate / zirconia film / lower electrode. Can be formed.

また、図3と図6との対比から、基材の種類(この場合は拡散防止層たる中間膜の種類)によって最適実施条件が異なることが分かる。   Further, it can be seen from the comparison between FIG. 3 and FIG. 6 that the optimum execution conditions differ depending on the type of the base material (in this case, the type of the intermediate film as the diffusion preventing layer).

本発明の実施形態におけるエアロゾルデポジション法に基づいた成膜装置の概略図Schematic of the film-forming apparatus based on the aerosol deposition method in embodiment of this invention 基板の種類に応じた、アニール前の弾性率と膜厚との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the elastic modulus before annealing and the film thickness according to the type of substrate 表面にアルミナ膜を形成したステンレス板を基材とした場合について、アニール後の膜性能の評価と、アニール前の弾性率及び膜厚との関係を示すグラフA graph showing the relationship between the evaluation of film performance after annealing and the elastic modulus and film thickness before annealing for a stainless steel plate with an alumina film formed on the surface. キャリアガスとしてヘリウムガス又は酸素ガスを使用した場合について、キャリアガスの流量と、エアロゾル流の流速との関係を示したグラフA graph showing the relationship between the flow rate of the carrier gas and the flow velocity of the aerosol flow when helium gas or oxygen gas is used as the carrier gas. エアロゾル流の流速と、成膜されたPZT薄膜の弾性率との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the flow velocity of the aerosol flow and the elastic modulus of the deposited PZT thin film 表面にジルコニア膜を形成したステンレス板を基材とした場合について、アニール後の膜性能の評価と、アニール前の弾性率及び膜厚との関係を示すグラフA graph showing the relationship between the evaluation of film performance after annealing and the elastic modulus and film thickness before annealing for a stainless steel plate with a zirconia film formed on the surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 エアロゾル生成器
2 チャンバ
3 エアロゾル供給管
4 噴射ノズル
5 エアロゾル流
6 基板ホルダー
7 基板
8 駆動装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aerosol generator 2 Chamber 3 Aerosol supply pipe 4 Injection nozzle 5 Aerosol flow 6 Substrate holder 7 Substrate 8 Driving device

Claims (5)

材料粒子をキャリアガスに分散させて発生させたエアロゾルを、エアロゾル流として基材に吹き付けることにより成膜を行うエアロゾルデポジション法の最適な実施条件を選定する方法であって、
最適な実施条件の選定が望まれる基材及び材料粒子を準備する第一工程と、
前記基材及び前記材料粒子を用いて、ある実施条件下でエアロゾルデポジション法を行うことにより、前記材料粒子の膜を前記基材の表面に形成する第二工程と、
前記第二工程で形成された膜の膜厚及び弾性率を測定する第三工程と、
前記第三工程の後に、前記膜が形成された前記基材を加熱することによって前記膜のアニールを行う第四工程と、
前記第四工程でアニールされた膜の性能を評価する第五工程と、
前記実施条件を変更しながら第二工程〜第五工程を繰り返して相当数のデータを収集する第六工程と、
前記相当数のデータにおいて、前記第五工程で評価された膜の性能の優劣に基づき、膜厚及び弾性率の最適範囲を選定し、次いで、当該最適範囲の膜厚及び弾性率を与えた実施条件を、最適な実施条件として決定する第七工程と、を含む、選定方法。
A method of selecting an optimal implementation condition of an aerosol deposition method in which film formation is performed by spraying an aerosol generated by dispersing material particles in a carrier gas on a substrate as an aerosol flow,
A first step of preparing the base material and material particles for which selection of the optimum implementation conditions is desired;
A second step of forming a film of the material particles on the surface of the substrate by performing an aerosol deposition method under certain implementation conditions using the substrate and the material particles;
A third step of measuring the film thickness and elastic modulus of the film formed in the second step;
After the third step, a fourth step of annealing the film by heating the base material on which the film is formed;
A fifth step of evaluating the performance of the film annealed in the fourth step;
A sixth step of collecting a considerable number of data by repeating the second step to the fifth step while changing the execution conditions;
In the substantial number of data, the optimum range of film thickness and elastic modulus was selected based on the superiority or inferiority of the film evaluated in the fifth step, and then the film thickness and elastic modulus of the optimum range were given. And a seventh step of determining the conditions as optimum execution conditions.
第六工程で変更する実施条件は、前記基材に吹き付けられる際の前記エアロゾル流の流速、前記基材の表面と前記エアロゾル流を噴射する噴射ノズルとの距離、前記基材の表面に対する前記エアロゾル流の傾斜角度、の少なくとも1つである、請求項1記載の選定方法。   The implementation conditions to be changed in the sixth step are the flow velocity of the aerosol flow when sprayed on the base material, the distance between the surface of the base material and the injection nozzle for injecting the aerosol flow, and the aerosol with respect to the surface of the base material The selection method according to claim 1, wherein the selection angle is at least one of an inclination angle of the flow. 第五工程における膜性能の評価を、少なくとも膜剥離の有無に基づいて行う、請求項1又は2に記載の選定方法。   The selection method according to claim 1 or 2, wherein the film performance in the fifth step is evaluated based on at least the presence or absence of film peeling. 前記第五工程における膜性能の評価を、膜剥離の有無と導通の有無に基づいて行う、請求項3記載の選定方法。   The selection method according to claim 3, wherein the film performance in the fifth step is evaluated based on the presence or absence of film peeling and the presence or absence of conduction. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法で選定された最適な実施条件においてエアロゾルデポジション法を行うことにより成膜を行う、成膜方法。   The film-forming method of forming into a film by performing the aerosol deposition method on the optimal implementation conditions selected by the method of any one of Claims 1-4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011129746A (en) * 2009-12-18 2011-06-30 Nec Tokin Corp Piezoelectric film actuator and method of manufacturing the same
JP5845424B2 (en) * 2011-02-18 2016-01-20 パナソニックIpマネジメント株式会社 Piezoelectric element

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