JP2013080887A - 圧電体素子及びその製造方法、並びに液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板30上に、第1の電極32が形成され、その上に第1の圧電体膜34が形成される。さらに第1の圧電体膜34の上に拡散ブロック層として機能する金属酸化物膜36が積層され、その上に金属膜38が積層して形成される。金属膜38の上に第2の圧電体膜76が形成され、その上に第2の電極46が積層して形成される。第1の圧電体膜34の分極方向と第2の圧電体膜44の分極方向は互いに異なる。第1の電極32と第2の電極46を接地電位とし、金属膜38を含む中間電極40をドライブ電極とすることができる。各層の圧電体膜を互いに異なる組成で構成することができる。中間層40の厚みと応力値の積は100N/m2未満であることが好ましい。
【選択図】図8
Description
図1は本発明の実施形態に係る圧電体素子の構成例を示す断面図である。図1に示した圧電体素子10は、支持体としての基材12の上に、第1の電極14が形成され、さらにその上に第1の圧電体膜16が形成され、さらにその上に金属酸化物膜18、金属膜20、第2の圧電体膜22、及び第2の電極24がこの順で積層して形成された積層構造体として構成されている。
従来の技術で圧電体膜と電極とを交互に積層する積層構造体を製造する場合に、電極等の剥離が発生する原因を鋭意調査したところ、圧電体を成膜するときの成膜温度にて、圧電体材料から酸素原子や圧電体材料成分(例えばPZT材料であれば、Pbなど)が電極に拡散し、電極材料の構造変化や密着性低下を引き起こし、剥離することが解った。
図2及び図3は第1実施例に係る圧電体素子の製造プロセスを示す図である。
図2及び図3のSOI基板30が図1の基材12に相当する。図2及び図3の下部電極32が図1の第1の電極14に相当する。図2及び図3のPZT薄膜34が図1の第1の圧電体膜16に相当し、図2及び図3のPZT薄膜44が図1の第2の圧電体膜22に相当する。図2及び図3のIr−O膜36が図1の金属酸化物膜18に相当し、図2及び図3のIr膜38が図1の金属膜20に相当する。図2及び図3の中間電極40が図1の中間層26に相当する。図2及び図3の上部電極46が図1の第2の電極24に相当する。
図5は、第1実施例により作製した2層の圧電体膜の積層体(図2(g))についてXRD(X‐ray diffraction;X線回折)にて解析した結果である。図5において、横軸は反射角2θの角度を表し、縦軸は回折強度を表している。X線回折による解析は、2層の圧電体膜を積層した積層構造体に対してまとめて上からX線を照射して結晶構造の解析をしている。図示のように、本例で作製されたPZT薄膜は、結晶の方位の分布がPNZT(100)、PNZT(200)に集中しており、(100)方向あるいは(001)方向に配向している結晶配向性を有する高配向度の圧電体膜である。第1実施例で説明した方法により、異相なく優れた結晶性を有する圧電体膜が良好に成膜できている。
圧電体膜の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタ法の他、イオンプレーティング法、MOCVD法(有機金属気相成長法)、PLD法(パルスレーザー堆積法)など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長法以外の方法(例えば、ゾルゲル法など)を用いることも考えられる。
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)を含むものが挙げられる。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V、Nb、Ta、及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
上述の一般式(P)及び(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数(d31定数)を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式(P)で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
本例の場合、1層目の圧電体膜(符号34)と2層目の圧電体膜(符号44)は異なる圧電材料で形成され、各層の圧電体膜の分極方向は互いに異なる方向となっている。分極方向は、電荷分布の偏りによる双極子モーメントのベクトル方向(マイナスからプラスへの向き)で定義される。
比較例1として、次の手順により積層体を作製した。すなわち、Si基板上にTiW(20nm)とIr(150nm)を積層形成した後、この上にPZT薄膜を基板温度(成膜温度)500℃にてスパッタ法によって膜厚2μm形成した。この成膜後にPZT膜上に350℃にてIr膜を直接70nm形成した。つまり、この比較例1は、第1実施例の構成(図1)から金属酸化物膜18としてのIr−O膜を省略した形態となっている。
本実施形態による中間層の厚みと剥離の関係について調べたところ、図7に示す表のような結果になった。表中の実施例A〜Eにおける中間層は、第1実施例で説明した金属酸化物膜18と金属膜20を含む層である。中間層は、例えば、図1で説明したように、IrOxとIrの組み合わせであってもよいし、TiO2のような絶縁体とIrのような金属膜との組み合わせであってもよい。ここでは、図1〜図4で例示した膜構成において中間層の厚みを変えて実験を行った。図7の表における実施例A〜Dに示したように、中間層の厚みが薄ければ(200nm未満であれば)、剥離の懸念はない。しかし、中間層の厚みが極端に薄くなると、例えば、50nm未満の場合には、電極として抵抗値が高くなったり、下層の(1層目)のPZTからの拡散反応のブロック性が低下するなど、問題となりうる。
図8は、第2実施例によって得られたデバイスの構成図である。図8中、図6に示した構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
比較例2のデバイスとして、第1実施例と同様のデバイス構造において、1層目の圧電体と2層目の圧電体をともにNbドープPZTのみで形成した。そして、1層目の圧電体の分極方向と2層目の圧電体の分極方向とを同一方向(ここでは、ともに上向き)とした。
図9は、第1実施例、第2実施例及び比較例2についての分極方法と駆動電圧をまとめた図表である。同表において「実施例1」は第1実施例を表し、「実施例2」は第2実施例を表し、「比較例」は比較例2を表す。「圧電体1」は1層目の圧電体膜を表し、「圧電体2」は2層目の圧電体膜を表している。また、同表において「変位/電位」は、変位量を駆動電圧の絶対値で割ったものであり、単位電圧あたりの変位効率を示す。図9から明らかなように、比較例2に比べて、第1実施例及び第2実施例の方が効率よく駆動できていることがわかる。
図10は、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す図である。ここでは、第1実施例で説明したデバイス構成(図6)を吐出エネルギー発生素子として採用したインクジェットヘッドを例示するが、第2実施例で説明したデバイス構成(図8)を採用してもよい。
上記説明したように、本発明の実施形態によれば、圧電体薄膜を積層構造体として用いることができるので、圧電体薄膜材料を使った圧電体素子の実効的な性能向上を達成できる。
上述の第1実施例及び第2実施例では、キャビティ構造を有するダイアフラム型の圧電アクチュエータを説明したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、カンチレバー(片持ち梁)構造のアクチュエータに適用することもできる。
上記の実施形態では、インクジェットヘッドへの適用を例に説明したが、本発明の適用範囲はこの例に限定されない。例えば、電子回路の配線パターンを描画する配線描画装置、各種デバイスの製造装置、吐出用の機能性液体として樹脂液を用いるレジスト印刷装置、カラーフィルター製造装置、マテリアルデポジション用の材料を用いて微細構造物を形成する微細構造物形成装置など、液状機能性材料を用いて様々な形状やパターンを描画する液体吐出ヘッド及びこれを用いた液体吐出装置(システム)に広く適用できる。
上述の実施形態では、アクチュエータ用途の圧電体素子を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、センサ用途や発電用途など、様々な用途の圧電体素子についても本発明を適用できる。
上記に詳述した実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書では以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ等として好ましいものである。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
(第14態様):第1態様から第13態様のうちいずれか1項に記載の圧電体素子において、前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち少なくとも一方は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)にNbが添加された材料により構成されるものとすることができる。
Claims (21)
- 基板と、
前記基板上に形成された第1の電極と、
前記第1の電極の上に積層して形成された第1の圧電体膜と、
前記第1の圧電体膜の上に積層して形成された金属酸化物膜と、
前記金属酸化物膜の上に積層して形成された金属膜と、
前記金属膜の上に積層して形成された第2の圧電体膜と、
前記第2の圧電体膜の上に積層して形成された第2の電極と、
を備え、
前記第1の圧電体膜の分極方向と前記第2の圧電体膜の分極方向とが異なることを特徴とする圧電体素子。 - 前記第1の圧電体膜と前記第2の圧電体膜との間に介在する前記金属酸化物膜及び前記金属膜からなる中間層の応力値と厚みの積が100N/m2未満であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。
- 前記中間層の厚みが50nm以上250nm未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体素子。
- 前記金属酸化物膜は、白金族の酸化物を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記金属膜は、白金族の金属を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記第1の電極及び前記第2の電極は、共に接地電位に維持され、前記第1の圧電体膜と前記第2の圧電体膜との間に設けられた前記金属膜を含んで構成される中間電極は、前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜を変形させるための駆動電圧が印加されるドライブ電極として用いられることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記中間電極に前記駆動電圧が印加されることにより、前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜には、それぞれの分極方向と同じ方向の電界が印加させることを特徴とする請求項6に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜は、気相成長法によって形成されたものであることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記気相成長法がスパッタ法であって、加熱成膜して結晶化させる方法であることを特徴とする請求項8に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜はペロブスカイト型の酸化物で構成されることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜の組成と前記第2の圧電体膜の組成とが異なることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち少なくとも一方は、下記式(PX)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の圧電体素子。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち一方は、前記式(PX)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であり、他方は下記式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項12に記載の圧電体素子。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち少なくとも一方は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)にNbが添加された材料により構成されることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち一方は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)にNbが添加された材料により構成され、他方はNbが添加されていない材料で構成されていることを特徴とする請求項14に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち、Nbが添加されたPZTにより構成される方の圧電体膜の分極方向が、前記基板側から前記第2の電極側に向かう方向であることを特徴とする請求項15に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜のうち、前記Nbが添加されていない材料で構成される方の圧電体膜が真性PZTであることを特徴とする請求項15又は16に記載の圧電体素子。
- 前記第1の圧電体膜の分極方向と前記第2の圧電体膜の分極方向は、膜の厚さ方向と平行であり、かつ、互いに逆向きの方向であることを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 液体を吐出するための吐出口としてのノズルと、
前記ノズルに連通する圧力室と、
前記圧力室に対応して設けられ、前記ノズルから液体を吐出させるエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子として動作する請求項1から18のいずれか1項に記載の圧電体素子と、
を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 基板上に第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記第1の電極の上に第1の圧電体膜を積層して形成する第1の圧電体膜形成工程と、
前記第1の圧電体膜の上に金属酸化物膜を積層して形成する金属酸化物膜形成工程と、
前記金属酸化物膜の上に金属膜を積層して形成する金属膜形成工程と、
前記金属膜の上に第2の圧電体膜を積層して形成する第2の圧電体膜形成工程と、
前記第2の圧電体膜の上に第2の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記第1の圧電体膜の分極方向と前記第2の圧電体膜の分極方向とを異ならせる分極処理工程と、
を含むことを特徴とする圧電体素子の製造方法。 - 前記第1の圧電体膜及び前記第2の圧電体膜は、気相成長法によって形成されることを特徴とする請求項20に記載の圧電体素子の製造方法。
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