JP2010084180A - 鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置 - Google Patents

鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電体におけるヒステリシス特性の2つの抗電界が両方とも正電界側とすることができ、かつ応力を生じさせることなく、膜厚を2μm超にすることができ、圧電特性に優れた鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜、その作製方法、このような酸化物膜からなる圧電体を用いる圧電素子、およびこれを用いる液体吐出装置を提供する。
【解決手段】鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜は、(100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ鉛を主成分とし、膜厚が、2μm超であり、ヒステリシス特性における2つの坑電界が、いずれも正であることにより、または、これに加えさらに、酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まない。
【選択図】図4

Description

本発明は、ペロブスカイト型結晶構造を有する鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜、およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜からなる圧電体を有する圧電素子、ならびにこの圧電素子を具備する液体吐出装置に関するものである。
電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電アクチュエータ等の用途に使用されている。インクジェット式記録ヘッドにおいて、高精細かつ高速な印刷を実現するためには圧電素子の高密度化が必要である。そのため、圧電素子の薄型化が検討されており、それに使用される圧電体の形態としては、加工精度の関係から、薄膜が好ましい。
また、高精細な印刷には、さらにインクとして高粘度なインクを使用する必要がある。高粘度のインクを吐出可能とするためには、圧電素子には、より高い圧電性能が要求される。したがって、膜厚の薄い圧電体膜を備え、且つ圧電性の良好な圧電素子が求められている。
近年、ジルコンチタン酸鉛(PZT)系の鉛含有薄膜などのペロブスカイト型結晶構造を有する鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜(以下、単に「酸化物膜」ともいう)は、高い圧電性および強誘電性を有するため、この酸化物膜を強誘電メモリ等のメモリやインクジェットヘッド等の液体吐出装置に用いることが期待されている。
このような酸化物膜からなる圧電体においては、圧電体の圧電特性を向上させるためには、圧電体の分極方向を制御することが有効であることが良く知られている。
圧電体において、分極の方向は、強誘電ヒステリシス測定によって容易に測定でき、分極の向き易さは、ヒステリシス特性における2つの抗電界により評価することができる。
例えば、特許文献1には、圧電体(圧電体層または圧電体膜)において、ヒステリシス特性における2つの抗電界Ecを、いずれも同一極性の電界、すなわち+(プラス電界)もしくは−(マイナス電界)のいずれかの側に偏らせることにより、圧電特性を向上させることができ、高特性を得ることができることが記載されている。
この特許文献1に開示された圧電体は、圧電体の抗電界Ecを大きく偏らせるために、膜そのものに応力をかけることを行って、内部応力を発生させている。具体的には、このために、圧電体を格子定数が異なる2種類の膜を積層させて形成し、2層間に生じた結晶格子の不整合による格子歪みを利用している。
また、特許文献2には、圧電特性を向上させることができる圧電体(圧電膜)として、膜厚が1μm〜10μmで、比誘電率が150〜500、または、圧電体を形成する鉛以外のカチオンに対する鉛量が、1.1〜1.5の圧電体が開示されている。
さらに、特許文献3には、圧電体における分極の偏りΔEc =||Ec+|−|Ec-||/|Ec+|+|Ec-| (Ec:圧電材料の正電界側の抗電界、Ec:負電界側の抗電界)が所定値になるような分極(ヒステリシス特性の抗電界)に偏りがある圧電体(圧電体膜)において、高圧電特性が期待できることが記載されている。そして、特許文献3では、分極の偏りが、1/3≦ΔEc<1の関係を満たす圧電体が、圧電特性の電界強度依存性を小さくし、かつ、低電界強度における圧電特性を向上させることができる圧電体として開示されている。
特開2003−243741号公報 特開2001−284670号公報 特開2005−123421号公報
しかしながら、特許文献1に開示された圧電体は、圧電体の特性を向上させることはできるものの、圧電体のヒステリシス特性の抗電界Ecを大きく偏らせるために、2種類の異なる膜(材料)を積層しなくてはならないため、1層の場合と比較すると、作業工程が増え煩雑であるという問題があった。また、2種類の異なる膜を積層して形成するため、2層間にコンタミネーションが生じることが懸念される。そのため、各々の膜を別々に形成するために、1層毎に別々に製造装置を準備する必要が生じ、製造コストに負担がかかり、コスト的に不利であるという問題もあった。
また、分極に偏りがない圧電体(膜)においても、応力を印加すると、圧電体のヒステリシス特性が大きくシフトすることは良く知られているが、そのためには、例えば、R=30cmという非常に大きな反り、すなわち非常に大きな応力が必要である(APPLIED PHYSICS LETTERS Vol83 No.4(2003) 728-730参照)という問題があった。
そのため、特許文献1に開示された圧電体は、膜厚が厚くなり過ぎると成膜時の熱応力によりクラックが発生する危険がある。そのため、特許文献1に開示の圧電体では、その膜厚を、500nm〜2000nm(2μm)に規定しており、2μm超の膜厚を実現することは極めて困難であるという問題もあった。
また、特許文献2に開示される圧電体は、上述の通り、圧電体に含有される鉛量が、他のカチオン(Zr,Ti)に対して、1.1〜1.5の圧電体であり、その図3に示されているように、圧電体における鉛量が過剰なペロブスカイト薄膜であり、不純物がないものの、分極の偏りに関しては全く検討されていない。
ところで、鉛量が過剰なペロブスカイト薄膜の例示は非常にたくさん見られるが、過剰鉛が酸化鉛やパイロクロア化合物として析出しているペロブスカイト薄膜である。これに対し、特許文献2に開示の圧電体のように、不純物がなく、鉛量が過剰なペロブスカイト薄膜の例示は多くはないが、特許文献2以外にも、不純物がなく、鉛量が過剰で、かつ、ペロブスカイト結晶構造を有するペロブスカイト薄膜からなる圧電体が例示されているものがある。例えば、過剰な鉛が、4価の鉛(Pb4+)として、Bサイトに注入されるペロブスカイト薄膜からなる圧電体が挙げられる(PHYSICAL REVIEW B 66, (2002) 064102-1-8や、Integrated Ferroelectrics (2001) Vol.36, p.53-62参照)。しかしながら、いずれにしても、圧電体における分極の偏りについては、全く検討されていない。
さらに、特許文献3には、圧電体において分極の偏りΔEcを1/3以上、1未満に制御することにより、圧電特性の電界強度依存性を小さくし、かつ、低電界強度における圧電特性を向上させることができ、高特性が期待できることが開示されているものの、ヒステリシス特性における2つの抗電界Ecは、正電界側(Ec)と負電界側(Ec)の両方にあることが定義されており、2つの抗電界が両方とも正電界側となる圧電体や、2つの抗電界が両方とも負電界側となる圧電体に関しては、全く考慮されておらず、一切、開示されていない。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、圧電体におけるヒステリシス特性の2つの抗電界が両方とも正電界側とすることができ、かつ、応力を生じさせることなく、膜厚を2μm超にすることができ、その結果、応力が大きくなくても、膜厚2μm超であり、圧電体として用いることのできる、圧電特性に優れた鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜、および、このような鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を安定的に得ることができる鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法、このような鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜からなる圧電体を用いる圧電素子、ならびに、このような圧電素子を用いる液体吐出装置を提供するにある。
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、さらに、加工が容易な基板、例えばシリコン基板上に薄膜として成膜することができ、負電圧(負電界)印加時に、高い圧電定数を持ち、安定して大きな変位が得られる高い圧電特性を持ち、その結果、負(マイナス)電圧で駆動した際、高特性の圧電特性が得られる鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置を提供することにある。
上記課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明者らは、上記特許文献1、2および3を始めとして多くの従来技術を検討し、このような高い圧電特性を持つ圧電体膜である鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜について、鋭意研究を重ねた結果、特許文献1においては、分極を偏らせて高圧電特性を得るために不可欠な応力が、2μm超の膜厚であってもクラック等の発生のない圧電体膜の形成を不可能にしていることを見出し、特許文献1で必須の、強いと圧電体膜にクラックを発生させる応力をかけないで、分極を偏らせることにより、特許文献1で不可能であった2μm超の膜厚を持つ圧電体膜の形成が可能になることを知見し、例えば、鉛量が多い膜では応力が大きくなくても分極が偏るために、2μm超の膜厚を持つ圧電体膜の形成が可能になることを知見し、その結果、酸化鉛やパイロクロア相などの異相のない鉛量が過剰なペロブスカイト薄膜、すなわち鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を作製することにより、ヒステリシス特性の2つの抗電界Ecが両方とも+(正)電界側になり、また、大きな応力が発生しないため、2μm以上の膜厚の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を作製できることを見出し、本発明に至ったものである。
なお、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜における分極(抗電界)の偏りのメカニズムは明らかになっているわけではないが、本発明者の検討によれば、本発明の酸化物膜は、その応力は200MPa程度であり、特許文献1のように、応力による分極制御の場合はGPa程度を要するのに比較すると、非常に低応力で、応力とは違う、例えば、点欠陥が原因で生じる、defect dipoleのようなものが起因ではないかと考えられる。
すなわち、本発明の第1の態様は、(100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ、鉛を主成分とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜であって、膜厚が、2μm超であり、ヒステリシス特性における2つの坑電界が、いずれも正であることを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を提供するものである。
ここで、前記酸化物膜に含有される鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないことが好ましい。なお、前記鉛量とは、前記酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す。
また、本発明は、(100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ、鉛を主成分とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜であって、ヒステリシス特性における2つの坑電界が、いずれも正であり、前記酸化物膜に含有される鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないことを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を提供するものである。
なお、本発明においては、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜は、1種又は複数種の鉛含有ペロブスカイト型酸化物を主成分とする膜である。
また、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜は、(100)および/または(001)配向を主成分とするものであるが、本発明において、「配向を主成分とする」とはLotgerling法により測定される配向率Fが、80%以上であることと定義する。
なお、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜は、(100)および/または(001)配向が90%以上であるのが好ましい。
配向率Fは、下記式(i)で表される。
F=(P−P)/(1−P)×100・・・(i)
上記式(i)中のPは、配向率Fを調べる薄膜(以下、単に「薄膜」ともいう)における配向面からの反射強度の合計と、薄膜の全反射強度の合計との比である。
例えば、薄膜における(100)配向の配向率Fを求める場合のPは、薄膜における(100)面からの反射強度I(100)の合計ΣI(100)と、薄膜における各結晶面(hkl)からの反射強度I(hkl)の合計ΣI(hkl)と、の比、すなわち、{ΣI(100)/ΣI(hkl)}である。
さらに具体的には、(100)、(110)および(111)配向の3つが混ざっている場合は、ペロブスカイト結晶構造を有する薄膜の(100)配向の配向率Fを求める場合のPは、I(100)/[I(100)+I(101)+I(110)+I(111)]である。
なお、PZT圧電体の場合は、正方晶と菱面体とが存在するが、ここで、(100)という場合、(100)面および(001)面のいずれの配向面も指すものとする。また、(110)面および(101)面の場合も同様である。
他方、Pは、薄膜が完全にランダムな配向を有している場合のPの値である。
すなわち、薄膜が完全にランダムな配向をしている場合、P=Pであり、薄膜の配向率Fは、0%ととなる。逆に、薄膜が完全に配向を有している場合は、P=1であり、薄膜の配向率Fは、100%ととなる。
ここで、上述した特許文献1〜3に開示された圧電体(膜)と、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜(以下、単に「酸化物膜」ともいう)との差異を説明する。
特許文献1に開示された圧電体は、上述の通り、格子定数が違う2種類の組成の膜を積層させて膜に内部応力を発生させて、2つの抗電界Ecを大きく偏らせていることから、応力が強いとクラックが発生するため、膜厚を厚くすることができず、圧電体の厚みを、500nm〜2000nm(2μm)に規定している。
これに対して、本発明の酸化物膜は、ヒステリシス特性における2つの抗電界Ecを偏らせるために、膜に内部応力を発生させる必要がないので、2つの抗電界Ecを両方とも正(正電界側)に偏らせることと、2μm超の厚さにすることを両立させることができ、より変位の大きな膜を実現することができる。すなわち、この点で、本願の酸化物膜と特許文献1に開示された圧電体とは異なる。
次に、特許文献2に開示された圧電体は、上述の通り、圧電体に含有された鉛量が、他のカチオン(Zr,Ti)に対して、1.1〜1.5の圧電体である。
これに対し、本発明の酸化物膜は、2つの坑電界が、いずれも正であり、さらに、好ましくは、鉛量が、1.07以上である。すなわち、特許文献2に開示される圧電体については、ヒステリシス特性およびこれから求められる坑電界について全く検討されていないため、特許文献2に開示の圧電体は、上記のようなヒステリシス特性を有する本発明の酸化物膜とは異なる。また、本発明の酸化物膜の鉛量が1.07以上である場合には、鉛量においても、特許文献2に開示の圧電体と本発明の酸化物膜とは異なる。
最後に、引用文献3に開示された圧電体は、上述の通り、ヒステリシス特性における2つの坑電界(Ec)の一方が正(Ec)であり、他方が負(負電界側)(Ec)であり、2つの坑電界(EcおよびEc)から求められる圧電体の分極の偏りΔEcが、不等式1/3≦ΔEc<1の関係を満たすものである。
これに対して、本発明の本発明の酸化物膜は、2つの坑電界点がいずれも正である。従って、この点において、本願の酸化物膜と引用文献3に開示された圧電体とは異なる。
また、上記目的を達成するために、本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を作製するに際し、成膜時の前記酸化物膜に含有される鉛量を制御することを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法を提供するものである。ここで、前記鉛量とは、前記圧電膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す。
ここで、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の成膜方法が、スパッタ法であるのが好ましく、また、前記鉛量は、成膜時に成膜温度、成膜時に成膜基板のプラズマエネルギ、成膜時の酸素分圧、成膜時の投入パワー、または成膜時に成膜圧力を制御することによって制御されるのが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜からなる圧電体と、この圧電体に電圧を印加するために、前記圧電体の両面に形成された下部電極および上部電極を備え、前記圧電体の前記鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の前記下部電極界面付近の鉛量が、前記鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の全体の鉛量に対して等しいか多いことを特徴とする圧電素子を提供するものである。
また、上記目的を達成するために、本発明の第4の態様は、本発明の第3の態様の圧電素子と、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記液体貯留室から外部に前記液体を吐出させる液体吐出口とを有することを特徴とする液体吐出装置を提供するものである。
本発明の第1および第2の態様によれば、ヒステリシス特性における2つの坑電界(Ec)を両方とも正(正電界側)にすることにより、マイナス電圧(負電界側)で駆動した際に、優れた圧電特性を持つ圧電体膜を実現することができる。
また、本発明によれば、クラックを生させる応力を発生させることなく、2つの坑電界(Ec)を両方とも正(正電界側)にすることができるので、膜厚を2μm超に厚くすることができる圧電体膜を実現することができ、従来技術の圧電膜、特に、特許文献1に開示の圧電体膜と比較してより変位の大きく、高い圧電性能を持つ圧電体として用いることができる圧電体膜を得ることができる。
また、本発明によれば、鉛量が、鉛以外のカチオンに対して、所定の高い値を持ち、例えば、1.07を超え、不純物を実質含まない、ペロブスカイト単相膜を実現することができる。
また、本発明の第2の態様によれば、成膜時の鉛量を制御することにより、このような鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を安定して確実に作製することができる。
また、本発明の第3の態様によれば、高い圧電特性を持ち、より変位の大きい圧電素子を提供することができる。
また、本発明の第4の態様によれば、高い圧電特性を持ち、より変位の大きい圧電素子を備える液体吐出装置を提供することができる。
以下に、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる本発明の圧電素子、ならびにこの圧電素子を用いる本発明の液体吐出装置について、詳細に説明する。
本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜(以下、単に「酸化物膜」ともいう)は、(100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ鉛を主成分とする酸化物膜であり、膜厚が、2μm超で、ヒステリシス特性における2つの坑電界(Ec)が、いずれも正であることを特徴とするものである。
なお、本発明の酸化物膜の好ましい実施形態においては、さらに、鉛量が、自身以外のカチオンに対して1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないものであるのが良い。
本発明の酸化物膜は、上述したように、(100)および/または(001)配向を主成分とするペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物膜であり、Lotgerling法により測定される配向率Fが、80%以上である必要がある。本発明の酸化物膜は、(100)および/または(001)配向を主成分としているので、高い圧電性能および強誘電性能を有する。
なお、本発明の酸化物膜は、(100)および/または(001)配向が90%以上であるのが好ましい。配向率Fについては、上述の通りである。
本発明の酸化物膜においては、大きな応力を発生させていないため、2μm超の膜厚を実現することができる。具体的には、本発明の酸化物膜の応力は、約200MPa程度の場合が多い。これに対して、2つの坑電界(Ec)が両方とも正である圧電膜を実現するために、特許文献1のように、膜の内部応力によって、膜の分極を制御しようとすると、1GPa程度を必要とする。このように内部応力が強いとクラックが発生するため、膜厚を厚くすることができず、2μm以下の膜厚の圧電体の膜しか形成できない。
このため、本発明においては、できるだけ内部応力を発生させずに、2つの坑電界(Ec)を両方とも正にしているので、膜厚を2μm超とすることができる。
なお、本発明において、膜厚を2μm超とするのは、圧電素子の用途では、かかる膜厚の酸化物膜(鉛含有酸化物圧電体膜)では充分な変位が得られないことから、酸化物膜の膜厚は2μm超である必要があり、3.0μm以上であることが好ましい。なお、本発明の酸化物膜では、膜厚の上限は、成膜時間をかければ良いので、特に制限的ではないが、例えば、20μm程度とすれば良い。
また、本発明においては、ヒステリシス特性における2つの坑電界(Ec)が、いずれも正である必要がある。
本発明において、2つの坑電界(Ec)を両方とも正とするのは、負電圧(負電界)印加において、高い圧電定数を持ち、大きな変位が得られる高い圧電特性を持ち、したがって、負電圧(負電界側)で駆動した際に、大きな変位を安定して得ることができ、しかも低消費電力で駆動できるからである。
なお、通常、本発明の酸化物膜のような圧電体膜は、下部電極と圧電体膜と上部電極とが順次積み重ねられた圧電素子の形態で使用され、下部電極と上部電極とのうち、一方の電極を印加電圧が0Vに固定されるグランド電極とし、他方の電極を印加電圧が変動されるアドレス電極として、駆動される。駆動しやすいことから、通常は下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として、駆動が行われる。「圧電体膜に負電界が印加されている状態」とは、アドレス電極に負電圧を印加した状態を意味する。同様に、「圧電体膜に正電界が印加されている状態」とは、アドレス電極に正電圧を印加した状態を意味する。
ここで、負電界を印加するには、上部電極の駆動ドライバICを負電圧用にしてもよいし、下部電極をパターニングしてアドレス電極とし、上部電極をグランド電極とすることにより、汎用の正電圧用の駆動ドライバICを用いても良い。
ここで、本発明の好ましい実施形態においては、酸化物膜は、さらに、含有される鉛量が、自身以外のカチオンに対して1.07以上であるのが好ましく、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないものであるのが好ましい。
また、本発明の酸化物膜は、(100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ鉛を主成分とする酸化物膜であり、ヒステリシス特性における2つの坑電界(Ec)がいずれも正であり、酸化物膜に含有される鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないものであっても良い。
このような本発明の酸化物膜は、上述の優れた圧電特性を持つ圧電体膜であり、Pb、Zr、TiおよびOを含む酸化物膜であることが好ましく、下記化学式(2)で表されるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の薄膜であるのがより好ましい。
Pb(Zr1−y,Ti1−zNbδ・・・(2)
ここで、化学式(2)中、Pbは、Aサイトの元素であり、Zr、TiおよびNbは、Bサイトの元素であり、Oは、酸素原子である。また、x、yおよびzは、1.07≦x、0≦y≦1、0≦z≦0.25であるのが好ましく、より好ましくは、1.07≦x≦1.20、0.4≦y≦0.6、0.1≦z≦0.2であるのが良い。なお、δは、ここではδ=3である場合が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準値からずれてもよい。
なお、上記化学式(2)において、xは、酸化物膜に含有される鉛量を示し、酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛の割合(モル比)を表す。したがって、本発明において、鉛量は、xで表され、上記化学式(2)において、x=Pb/(Zr+Ti+Nb)で表されるものである。
本発明の酸化物膜において、(100)および/または(001)配向を主成分とするペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物膜とするには、化学式(2)中のAサイトのPbの含有量xを、1.07≦x、より好ましくは、1.07≦x≦1.20とすると共に、BサイトのTiとZrの組成を示すyの値を、0≦y≦1とし、また、BサイトのTiおよびZrの合計とNbとの組成を示すZの値を、0≦z≦0.25とするのが良い。このように、本発明の酸化物膜は、(100)および/または(001)配向を主成分とするペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物膜であるので、高い圧電性能および強誘電性能を有する。
ここで、yの値を、正方晶相と菱面体相との相転移点であるモルフォトロピック相境界(MPB)組成の近傍となる値とすれば、より高い強誘電性能が得られるので、より好ましい。すなわち、yの値は、0≦y≦1であることが好ましく、0.4≦y≦0.6であることがより好ましく、0.47≦y≦0.57であることがさらに好ましい。また、zの値は、0≦z≦0.25であるのが好ましく、0.1≦z≦0.2であるのがより好ましい。
この他、上述したPZTと他の強誘電体と複合ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であっても良く、例えば、PNN(ニッケル酸ニオブ酸鉛)‐PZT、PZN(亜鉛酸ニオブ酸鉛)‐PZT等も好ましい。
ここで、図1は、本発明者が、後述する実施例において、本発明の酸化物膜を含む多数の酸化物膜について求めたヒステリシスの偏りと酸化物膜の鉛量(モル比)との関係を示すグラフである。
ここで、ヒステリシスの偏り(D%)とは、酸化物膜のヒステリシス特性における2つの坑電界の内の大きい方の抗電界(正方向の抗電界)の値をEc、小さい方の抗電界(負方向の抗電界)の値をEcとする時、(Ec+Ec)/(Ec−Ec)に100を掛けた値を定義することができる。
D=100・(Ec+Ec)/(Ec−Ec)(%)
ここで、本発明においては、2つの坑電界はいずれも正であるので、Ec>Ec>0であるので、ヒステリシスの偏りD>100%となる。
本発明の酸化物膜の2つの坑電界を両方とも正にすることは、ヒステリシスの偏りDを100%超にすることであるので、例えば、1つの手段として、図1から、酸化物膜に含有される鉛量を1.07以上にすれば良いことが分かる。
本発明では、多数の柱状結晶からなる膜構造を有する強誘電性を持つ圧電膜を提供することができる。基板面に対して非平行に延びる多数の柱状結晶からなる膜構造では、結晶方位の揃った配向膜が得られる。かかる膜構造では、高い圧電性能が得られ、好ましい。
なお、圧電歪には、
(1)自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の電界誘起圧電歪、
(2)電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180。回転することで生じる圧電歪、
(3)電界印加強度の増減によって結晶を相転移させ、相転移による体積変化を利用する圧電歪、
(4)電界印加により相転移する特性を有する材料を用い、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する強誘電体相を含む結晶配向構造とすることで、より大きな歪が得られるエンジニアードドメイン効果を利用する圧電歪(エンジニアードドメイン効果を利用する場合には、相転移が起こる条件で駆動してもよいし、相転移が起こらない範囲で駆動してもよい)などが挙げられる。
上記の圧電歪(1)〜(4)を単独でまたは組み合わせて利用することで、所望の圧電歪を得ることができる。また、上記の圧電歪(1)〜(4)は、いずれも、それぞれの歪発生の原理に応じた結晶配向構造とすることで、より大きな圧電歪を得ることができる。したがって、高い圧電を得るには、強誘電体膜は結晶配向性を有することが好ましい。例えば、MPB組成のPZT系強誘電体膜であれば、(100)配向の柱状結晶膜を得ることができる。
柱状結晶の成長方向は基板面に対して非平行であればよく、略垂直方向でも斜め方向でも良い。
また、圧電膜をなす多数の柱状結晶の平均柱径は、特に制限なく、30nm以上1μm以下が好ましい。柱状結晶の平均柱径が過小では、強誘電体として充分な結晶成長が起こらない、所望の強誘電性能(圧電性能)が得られないなどの恐れがある。柱状結晶の平均柱径が過大では、パターニング後の形状精度が低下するなどの恐れがある。
なお、上記実施形態においては、酸化物膜は、膜厚が、2μm超で、ヒステリシス特性における2つの坑電界点が、いずれも正であり、自身が含有する鉛量の比が、自身以外のカチオンに対して1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないものであるとしたが、本発明においては、これに限定されず、膜厚が、2μm超であり、かつ、ヒステリシス特性における2つの坑電界点が、いずれも正のものであるか、または、自身が含有する鉛量の比が、自身以外のカチオンに対して1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないものであるかのいずれかを満たしていればよい。
次に、本発明の酸化物膜を作製する本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法について説明する。
本発明の酸化物膜の作製方法については、酸化物膜の成膜時に含有する鉛量を過剰となるように制御することができ、その結果、上述した本発明の酸化物膜を作製することができれば、特に限定はなく、スパッタ法、CVD(chemical vapor deposition)法、プラズマCVD法、PLD(pulse laser deposition)法、焼成急冷クエンチ法、アニールクエンチ法、および溶射急冷法や、ゾルゲル法等の公知の方法で形成すればよい。これらの中でも、特に、成膜レートが速くかつ良質な結晶性の膜が得られる点で、スパッタ法、特にRFスパッタ法が好ましい。
本発明においては、本来価数が合わない添加物を高濃度ドープすることが難しく、焼結助剤あるいはアクセプタイオンを用いるなどの工夫が必要であるゾルゲル法等の熱平衡プロセスよりも、非熱平衡プロセスにより成膜するのが好ましい。その理由は、非熱平衡プロセスでは、かかる工夫なしに、Nbなどのドナーイオンを高濃度ドープすることができるからである。
また、スパッタ法などの非熱平衡プロセスでは、SiとPbとが反応する温度以下の比較的低い成膜温度にて成膜することができるため、加工性の良好なシリコン(Si)基板上への本発明の酸化物膜の成膜が可能となるからである。
なお、スパッタ法、特に、RFスパッタ法において、成膜される膜の特性を左右するファクタとしては、成膜温度、成膜中の基板の表面のプラズマエネルギ、雰囲気ガス中の酸素分圧(酸素量)、成膜中のRF投入電力、成膜圧力、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、基板一ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度および電子密度、プラズマ中の活性種密度および活性種の寿命等が考えられる。
これらのファクタの中で、成膜される鉛含有圧電膜の膜質(膜特性)、特に、鉛量を制御するための大きなファクタとしては、成膜温度、基板のプラズマエネルギ、酸素分圧、RF投入電力および成膜圧力を挙げることができる。
したがって、本発明の酸化物膜中の鉛量を制御する方法としては、特に限定はないが、成膜方法に応じて、例えば、酸化物膜の成膜中の成膜温度、成膜中の基板のプラズマエネルギ、成膜中の酸素分圧、および、成膜中のRF投入電力などの投入パワーのうちのいずれか、または、これらを組み合わせて制御するのが好ましい。
なお、鉛量の制御は、適用されるスパッタ法などの成膜方法が実施される装置等に応じて、成膜温度、基板のプラズマエネルギ、酸素分圧、およびRF投入電力などの投入パワーなどの成膜条件を予め適切に設定しておき、種々の成膜条件について、各成膜条件と鉛量との関係を予め求めておき、圧電膜を成膜する際の成膜条件を制御するようにして所望の鉛量を得るようにすれば良い。
また、本発明の酸化物膜の作製方法においては、成膜速度は限定的ではなく、どのような速度で成膜しても良いが、スループットの観点から、酸化物膜を、1μm/h以上で形成することが好ましい。
次に、このようにして作製された本発明の酸化物膜を用いる本発明の圧電素子およびこれを備えた本発明の液体吐出装置(以下、インクジェットヘッドともいう)の構造について説明する。
図2は、本発明の圧電素子の一実施形態を用いたインクジェットヘッドの一実施形態の要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。なお、視認しやすくするために、構成要素の縮尺は、実際のものとは適宜異ならせてある。
図2に示すように、本発明のインクジェットヘッド50は、本発明の圧電素子52と、インク貯留吐出部材54と、圧電素子52とインク貯留吐出部材54との間に設けられる振動板56と、ノズル(液体吐出口)70とを有する。
まず、本発明の圧電素子について説明する。
同図に示すように、圧電素子52は、基板58と、基板58上に順次積層された下部電極60、圧電体62および上部電極64とからなる素子であり、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化膜からなる圧電体62に対して、下部電極60と上部電極64とにより、厚み方向に電界が印加されるようになっている。
基板58としては、特に制限的ではなく、シリコン、ガラス、ステンレス(SUS)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板を挙げることができる。なお、基板58として、シリコン基板の表面にSiO酸化膜が形成されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。
また、下部電極60は、基板58の略全面に形成されており、この上に図中手前側から奥側に延びるライン状の凸部62aがストライプ状に配列したパターンの圧電膜62が形成され、各凸部62aの上に上部電極64が形成されている。
圧電体62のパターンは、図示するものに限定されず、適宜設計される。なお、圧電体62は、連続膜でも構わないが、圧電体62を、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部62aからなるパターンで形成することで、個々の凸部62aの伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。
下部電極60の主成分としては、特に制限的ではなく、Au,Pt,Ir,IrO,RuO,LaNiO,およびSrRuO等の金属または金属酸化物、およびこれらの組合せが挙げられる。
上部電極64の主成分としては、特に制限的ではなく、下部電極60で例示した材料、Al,Ta,Cr,およびCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、およびこれらの組合せが挙げられる。
圧電体62は、上述の本発明の酸化物膜であり、下部電極60界面付近の鉛量が、圧電体62全体の鉛量に対して等しいか多いものである。
下部電極60と上部電極64の厚みは、例えば200nm程度である。圧電体62の膜厚は特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば1〜5μmである。
図2に示すインクジェットヘッド50は、上記構成を有する圧電素子52の基板58の下面に、振動板56を介して、インクが貯留されるインク室(インク貯留室)68およびインク室68から外部にインクが吐出されるインク吐出口(ノズル)70を有するインク貯留吐出部材54が取り付けられたものである。インク室68は、圧電膜62の凸部62aの数およびパターンに対応して、複数設けられている。すなわち、インクジェットヘッド50は、複数の吐出部を有し、圧電膜62、上部電極64、インク室68およびインクノズル70は、各吐出部毎に設けられている。一方、下部電極60、基板58および振動板56は、複数の吐出部に共通に設けられているが、これに制限されず、個々に、または幾かずつまとめて設けられていても良い。
インクジェットヘッド50では、従来公知の駆動方法により、圧電素子52の凸部62aに印加する電界強度を凸部62a毎に増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室68からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
本発明のインクジェットヘッドは、基本的に以上のように構成されている。
以上、本発明の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜からなる圧電体を有する本発明の圧電素子、および、この圧電素子を具備する本発明の液体吐出装置について種々の実施形態および実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例には限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や設計の変更を行ってもよいのは、勿論である。
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、さらに、添付の図を用いて、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されないのは言うまでもない。
(実施例1)
成膜装置として、RFスパッタ装置(アルバック社製強誘電体成膜スパッタ装置MPS型)を用いた。
ターゲット材には、120mmφのPb1.3(Zr0.52Ti0.48)O組成の焼結体を用いた。
基板には、予め、Siウエハ上に、下部電極として、Ti20nm、(111)配向を主成分とするIr150nmを、順に形成した基板を用いた。
ターゲット材と基板との間の距離は、60mmとした。
基板温度を420℃として、RFスパッタ装置の真空容器内に、Ar+O(2.5%)のガスを導入し、真空容器内の圧力を0.5Paで安定させて、真空容器内へRF投入パワーを500W投入し、成膜温度420℃で、4μmの厚さになるまで成膜して、PZT膜(チタン酸ジルコン酸鉛)を得た。
上記のようにして得たPZT膜の膜厚を、アルバック社製触針式膜厚計デックタック6M)を用いて測定した。このPZT膜の膜厚は、4μmであった。
また、PANalytical社製蛍光X線装置アクシオスを用いて、蛍光X線(XRF)測定を行い、このPZT膜における鉛以外のカチオンに対する鉛量も求めた。このPZT膜の鉛量は、1.12であった。
これらの結果を表1に示す。
Figure 2010084180
さらに、リガク社製薄膜評価用X線回折装置 ULTIMAを用いて、θ/2θ測定法によって、このPZT膜のX線回析を行った。
その結果を、図3に示す。なお、図3は、この実施例1および後に述べる比較例1のX線回析の結果を示すグラフである。
次いで、下部電極に形成されたこのPZT膜上にPt上部電極をスパッタリング法にて100nm厚で形成し、圧電素子を得た。
この圧電素子を用い、東陽テクニカ製強誘電ヒステリシス評価装置FCEを用いて、このPZT膜のヒステリシス特性を調べた。その結果を図4に示す。
また、図4に示すヒステリシス特性からこのPZT膜のヒステリシスの偏りD(%)を求めた。このPZT膜のヒステリシスの偏りD(%)は、170%であった。
その結果を表1に示す。ヒステリシスの偏りD(%)の求め方は、上述の通りである。
(比較例1)
成膜温度を450℃にした以外は、実施例1と全く同様にしてPZT膜を得た。
上記のようにして得たPZT膜の膜厚およびPZT膜における鉛量を、実施例1と全く同様にして求めた。このPZT膜の膜厚は、4μmであり、その鉛量は、1.04であった。その結果を、表1に併記する。
さらに、実施例1と全く同様にして、このPZT膜のX線回析を行った。その結果を図3に示す。
さらに、実施例1と全く同様にして、このPZT膜のヒステリシス特性を調べた処、図4に示すような特性を示した。また、図4から求めたこのPZT膜のヒステリシスの偏りD(%)は、45%であった。この結果も表1に示す。
表1および図4に示す結果から明らかなように、実施例1のPZT膜は、鉛量が1.04で、1.07未満である比較例1のPZT膜に比べ、鉛量が1.12で、1.07以上の鉛過剰であり、ヒステリシス特性の2つの抗電界EcおよびEc、いずれも正に位置しており、ヒステリシスの偏りDが170%と100%超であるのに対し、比較例1のPZT膜は、ヒステリシス特性における2つの抗電界のうち一方は負に、他方は正に位置しており、ヒステリシスの偏りDが45%と100%以下であることがわかる。
また、図3示すX線回析の結果を示すグラフから、実施例1のPZT膜においては、(100)配向であることを確認した。
これに対し、比較例1のPZT膜においては、(100)配向が支配的であるが、他の配向も混在していることを確認した。
これらの結果から、本発明の実施例1のPZT膜は、このようなθ/2θ法によるX線回折により、(100)配向であり、XRDペロブスカイト単相であることが確認され、実質的に不純物を含まないPZT膜であることがわかった。
すなわち、表1、図3および図4に示す結果より、本発明の実施例1のPZT膜は、膜厚が2μm超であり、ヒステリシス特性における2つの抗電界が、いずれも正であり、自身が含有する鉛量が、自身以外のカチオンに対して1.07以上であり、(100)配向が主成分であり、実質的にパイロクロア相を含まないペロブスカイト単相であり、かつ実質的に不純物を含まないPZT膜であることがわかった。
以上の各実施例の結果から、本発明の効果は明らかである。
本発明の酸化物膜を含む酸化物膜のヒステリシスの偏りと他のカチオンに対する鉛量の比との関係を示すグラフである。 インクジェットヘッドの一実施形態の構造を示す断面図である。 本発明の実施例および比較例のX線回析の結果を示す図である。 本発明の実施例および比較例のヒステリシス特性を示す図である。
符号の説明
50 インクジェットヘッド
52 圧電素子
54 インク貯留吐出部材
56 振動板
58 基板(支持基板)
60、64 電極
62 圧電膜
68 インク室
70 インク吐出口

Claims (17)

  1. (100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ、鉛を主成分とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜であって、膜厚が、2μm超であり、ヒステリシス特性における2つの坑電界が、いずれも正であることを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
  2. 前記酸化物膜に含有される鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないことを特徴とする請求項1に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
    ここで、前記鉛量とは、前記酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す。
  3. (100)および/または(001)配向を主成分とし、かつ、鉛を主成分とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜であって、ヒステリシス特性における2つの坑電界が、いずれも正であり、前記酸化物膜に含有される鉛量が、1.07以上であり、X線回析のθ/2θ測定において実質的に不純物相を含まないことを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
    ここで、前記鉛量とは、前記酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す。
  4. 前記酸化物膜は、シリコンもしくは酸化シリコンの基板上に成膜されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
  5. 前記酸化物膜は、前記(100)および/または(001)配向が90%以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
  6. 前記酸化物膜は、Pb、Zr、TiおよびOを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
  7. 前記酸化物膜が、化学式Pb(Zr1−y,Ti1−zNbδで記載される薄膜あり、1.07≦x、0≦y≦1、0≦z≦0.25であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
    ここで、上記化学式中、PbはAサイトの元素であり、Zr、TiおよびNbはBサイトの元素であり、xは、前記酸化物膜に含有される鉛量であり、前記酸化物膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表し、δ=3である場合が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準値からずれてもよい。
  8. 前記化学式において、0.4≦y≦0.6、0.1≦z≦0.2であることを特徴とする請求項7に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を作製するに際し、成膜時の前記酸化物膜に含有される鉛量を制御することを特徴とする鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
    ここで、前記鉛量とは、前記圧電膜に含有されるカチオンのうちの鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を表す。
  10. 鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の成膜方法が、スパッタ法であることを特徴とする請求項9に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  11. 前記鉛量は、成膜時に成膜温度を制御することによって制御されることを特徴とする請求項9または10に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  12. 前記鉛量は、成膜時に成膜基板のプラズマエネルギを制御することによって制御されることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  13. 前記鉛量は、成膜時の酸素分圧を制御することによって制御されることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  14. 前記鉛量は、成膜時の投入パワーを制御することによって制御されることを特徴とする請求項9〜13のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  15. 前記鉛量は、成膜時に成膜圧力を制御することによって制御されることを特徴とする請求項9〜14のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の作製方法。
  16. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜からなる圧電体と、
    この圧電体に電圧を印加するために、前記圧電体の両面に形成された下部電極および上部電極を備え、
    前記圧電体の前記鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の前記下部電極界面付近の鉛量が、前記鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の全体の鉛量に対して等しいか多いことを特徴とする圧電素子。
  17. 請求項16に記載の圧電素子と、
    液体が貯留される液体貯留室と、
    前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記液体貯留室から外部に前記液体を吐出させる液体吐出口とを有することを特徴とする液体吐出装置。
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