JP2013171962A - Method for manufacturing piezoelectric element, method for manufacturing liquid injection head, and method for manufacturing liquid injection apparatus - Google Patents

Method for manufacturing piezoelectric element, method for manufacturing liquid injection head, and method for manufacturing liquid injection apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element manufactured using a lead-free or low-lead piezoelectric material, a liquid injection head, and a liquid injection apparatus.SOLUTION: A method for manufacturing a piezoelectric element includes: a step S1 of forming a coating film 31 of a first precursor solution containing Bi, Ba, Fe, and Ti on an electrode 20 and then defatting the coating film 31 to form a first amorphous layer 32; a step S2 of forming a coating film 33 of a second precursor solution containing Bi, Ba, Fe, and Ti on the first amorphous layer 32 and then defatting the coating film 33 to form a second amorphous layer 34; a step S3 of firing the amorphous layers 32, 34 to form a buffer layer 35; and a step S4 of forming a layer containing Bi, Ba, Fe, and Ti on the buffer layer 35 to form a piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide. The molar concentration of Bi in the second precursor solution is larger than the molar concentration of an element excluding Ti from B-site elements, and the molar concentration of Bi in the first precursor solution is smaller than the molar concentration of an element excluding Ti from B-site elements.

Description

本発明は、圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法、及び、液体噴射装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element manufacturing method, a liquid ejecting head manufacturing method, and a liquid ejecting apparatus manufacturing method.

結晶を歪ませると帯電し、また電界中に置くことにより歪みを生じるという特徴を持つ圧電材料は、インクジェットプリンター等に用いられるアクチュエーターや、センサー等幅広く使用されている。現在、代表的な圧電材料として、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zrx,Ti1-x)O3)が用いられている。しかしながらPZTは多くの鉛(Pb)を含むため、環境負荷の観点から鉛を含まない非鉛圧電材料の研究開発が広く行われている。 Piezoelectric materials characterized by charging when crystals are distorted and generating distortion when placed in an electric field are widely used for actuators and sensors used in inkjet printers and the like. Currently, PZT (lead zirconate titanate, Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ) is used as a typical piezoelectric material. However, since PZT contains a lot of lead (Pb), research and development of lead-free piezoelectric materials that do not contain lead are widely performed from the viewpoint of environmental load.

例えば、特許文献1に開示されたBiFeO3−BaTiO3系材料は、非鉛薄膜圧電材料として良好な特性を有することが知られている。 For example, it is known that the BiFeO 3 —BaTiO 3 material disclosed in Patent Document 1 has good characteristics as a lead-free thin film piezoelectric material.

特開2009−252789号公報JP 2009-252789 A

しかしながら、BiFeO3−BaTiO3系圧電材料を用いて圧電素子を作製したところ、PZTと比較して、圧電薄膜にクラックが発生し易く、現状では実用化が難しいことが分かった。このクラック発生を低減させることを目的としてBiの使用量をBiFeO3−BaTiO3の化学量論比よりも過剰にしたところ、圧電素子の絶縁破壊電圧が低下することも分かった。なお、このような問題は、液体噴射ヘッドに限らず、圧電アクチュエーターやセンサー等の圧電素子においても同様に存在する。 However, when a piezoelectric element was fabricated using a BiFeO 3 —BaTiO 3 based piezoelectric material, it was found that cracks were likely to occur in the piezoelectric thin film compared to PZT, and it was difficult to put it to practical use at present. It has also been found that when the amount of Bi used is made larger than the stoichiometric ratio of BiFeO 3 —BaTiO 3 for the purpose of reducing the occurrence of cracks, the dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element decreases. Such a problem exists not only in the liquid ejecting head but also in a piezoelectric element such as a piezoelectric actuator or a sensor.

以上を鑑み、本発明の目的の一つは、非鉛又は低鉛化した圧電材料を用いた圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させることにある。   In view of the above, one of the objects of the present invention is to improve the performance of a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus using a lead-free or low-lead piezoelectric material.

上記目的の一つを達成するため、本発明は、圧電体層及び電極を有する圧電素子の製造方法であって、
前記電極上に少なくともBi(ビスマス)、Ba(バリウム)、Fe(鉄)及びTi(チタン)を含む第1前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂して第1アモルファス層を形成する工程と、
前記第1アモルファス層上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第2前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂して第2アモルファス層を形成する工程と、
前記第1アモルファス層及び前記第2アモルファス層を焼成してバッファー層を形成する工程と、
前記バッファー層上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む層を形成してペロブスカイト型酸化物を有する前記圧電体層を形成する工程と、を備え、
前記第2前駆体溶液のBiのモル濃度は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも大きく、
前記第1前駆体溶液のBiのモル濃度は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも小さい、態様を有する。
To achieve one of the above objects, the present invention is a method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode,
A coating film of a first precursor solution containing at least Bi (bismuth), Ba (barium), Fe (iron) and Ti (titanium) is formed on the electrode, and the coating film is degreased to form a first amorphous layer. Forming, and
Forming a coating film of a second precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti on the first amorphous layer, and degreasing the coating film to form a second amorphous layer;
Firing the first amorphous layer and the second amorphous layer to form a buffer layer;
Forming a layer containing at least Bi, Ba, Fe and Ti on the buffer layer to form the piezoelectric layer having a perovskite oxide, and
The molar concentration of Bi in the second precursor solution is larger than the molar concentration of an element obtained by removing Ti from a B-site element containing at least Fe and Ti to be the perovskite oxide,
The Bi concentration of the first precursor solution has an aspect that is smaller than the molar concentration of an element obtained by removing Ti from a B site element containing at least Fe and Ti that becomes the perovskite oxide.

また、本発明は、上記圧電素子の製造方法を含む液体噴射ヘッドの製造方法の態様を有する。
さらに、本発明は、上記液体噴射ヘッドの製造方法を含む液体噴射装置の製造方法の態様を有する。
According to another aspect of the invention, there is provided an aspect of a method for manufacturing a liquid jet head including the method for manufacturing the piezoelectric element.
Furthermore, the invention includes an aspect of a method of manufacturing a liquid ejecting apparatus including the method of manufacturing the liquid ejecting head.

第1アモルファス層上の第2アモルファス層を形成するための第2前駆体溶液は、Biのモル濃度がBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも大きくされている。一方、電極上の第1アモルファス層を形成するための第1前駆体溶液は、Biのモル濃度がBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも小さくされている。このような条件でバッファー層を形成した圧電素子は、前駆体溶液の塗布膜の全てについてBiのモル濃度をBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも大きくして形成した圧電素子と比べて絶縁破壊電圧が高くなり、良好な耐電圧性を有することが分かった。   In the second precursor solution for forming the second amorphous layer on the first amorphous layer, the molar concentration of Bi is larger than the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element. On the other hand, in the first precursor solution for forming the first amorphous layer on the electrode, the molar concentration of Bi is made smaller than the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element. The piezoelectric element in which the buffer layer is formed under such conditions is a piezoelectric element formed by making the molar concentration of Bi larger than the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element in all the coating films of the precursor solution. It was found that the dielectric breakdown voltage was higher than that of the sample, and it had good voltage resistance.

ここで、前駆体溶液の塗布膜を脱脂することには、該塗布膜を乾燥した後に脱脂することが含まれる。
上記圧電体層は、リーク電流を抑制する等の特性改善も目的としてMn(マンガン)などBi、Ba、Fe及びTi以外の添加金属が含まれてもよいし、圧電体層形成時にペロブスカイト構造となり得る限り不純物が含まれていてもよい。
上記バッファー層上に形成される層には、第2前駆体溶液の塗布膜、第2前駆体溶液とは異なる前駆体溶液の塗布膜、第2アモルファス層、第2アモルファス層とは異なるアモルファス層、等が含まれる。従って、上記圧電体層を形成する工程では、前記バッファー層上に前記第2前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂及び焼成して前記圧電体層を形成してもよい。また、上記圧電体層を形成する工程では、前記バッファー層上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第3前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂及び焼成して前記圧電体層を形成してもよい。
Here, degreasing the coating film of the precursor solution includes degreasing after drying the coating film.
The piezoelectric layer may contain an additive metal other than Bi, Ba, Fe and Ti such as Mn (manganese) for the purpose of improving characteristics such as suppressing leakage current, and has a perovskite structure when the piezoelectric layer is formed. Impurities may be contained as much as possible.
The layer formed on the buffer layer includes a coating film of a second precursor solution, a coating film of a precursor solution different from the second precursor solution, a second amorphous layer, and an amorphous layer different from the second amorphous layer , Etc. are included. Therefore, in the step of forming the piezoelectric layer, the piezoelectric layer may be formed by forming a coating film of the second precursor solution on the buffer layer and degreasing and baking the coating film. Further, in the step of forming the piezoelectric layer, a coating film of a third precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti is formed on the buffer layer, and the coating film is degreased and fired to form the piezoelectric layer. A body layer may be formed.

良好な耐電圧性の圧電素子を得る観点から、前記第1前駆体溶液は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度に対するBiの濃度の比を0.70〜0.85にしてもよい。   From the viewpoint of obtaining a piezoelectric element having good withstand voltage, the first precursor solution contains Bi with respect to the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element containing at least Fe and Ti to be the perovskite oxide. The density ratio may be 0.70 to 0.85.

上記第1前駆体溶液と上記第2前駆体溶液の少なくとも一方にMnが含まれていると、圧電体層の絶縁性を高く(リーク特性を改善)する効果が得られる。   When Mn is contained in at least one of the first precursor solution and the second precursor solution, an effect of increasing the insulation of the piezoelectric layer (improving leakage characteristics) can be obtained.

圧電素子3の製造工程を模式的に例示する断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating the manufacturing process of the piezoelectric element 3. 圧電素子3の製造工程を模式的に例示する流れ図。4 is a flowchart schematically illustrating a manufacturing process of the piezoelectric element 3. 記録ヘッド1の構成の概略を例示する便宜上の分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view for convenience illustrating the outline of the configuration of the recording head 1. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を例示するための断面図。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views for illustrating a manufacturing process of the recording head 1. (a)〜(c)は記録ヘッド1の製造工程を例示するための断面図。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views for illustrating a manufacturing process of the recording head 1. 記録装置200の構成の概略を例示する図。2 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a recording apparatus 200. FIG. (a)は前駆体溶液の金属のモル濃度比を示す図、(b)は各例の各層の条件を示す図。(A) is a figure which shows the molar concentration ratio of the metal of a precursor solution, (b) is a figure which shows the conditions of each layer of each example. (a)は実施例1,2及び比較例2のI−V特性の測定結果を示すグラフ、(b)は実施例5,6のI−V特性の測定結果を示すグラフ。(A) is a graph showing the measurement results of the IV characteristics of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, and (b) is a graph showing the measurement results of the IV characteristics of Examples 5 and 6. (a)は実施例3,4及び比較例2のI−V特性の測定結果を示すグラフ、(b)は実施例7,8のI−V特性の測定結果を示すグラフ。(A) is a graph showing the measurement results of the IV characteristics of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2, and (b) is a graph showing the measurement results of the IV characteristics of Examples 7 and 8. (a)〜(e)は実施例1〜4及び比較例2のヒステリシス特性の測定結果を示すグラフ。(A)-(e) is a graph which shows the measurement result of the hysteresis characteristic of Examples 1-4 and the comparative example 2. FIG. (a)〜(d)は実施例5〜8のヒステリシス特性の測定結果を示すグラフ。(A)-(d) is a graph which shows the measurement result of the hysteresis characteristic of Examples 5-8. 実施例1の圧電薄膜表面を示す画像。3 is an image showing the surface of the piezoelectric thin film of Example 1. 比較例1の圧電薄膜表面を示す画像。The image which shows the piezoelectric thin film surface of the comparative example 1. 比較例2の圧電薄膜表面を示す画像。The image which shows the piezoelectric thin film surface of the comparative example 2.

以下、本発明の実施形態を説明する。むろん、以下に説明する実施形態は、本発明を例示するものに過ぎない。   Embodiments of the present invention will be described below. Of course, the embodiments described below are merely illustrative of the present invention.

(1)圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の製造方法の概要:
まず、図1〜6を参照して、本製造方法の例を説明する。図3及び図5(c)に例示する記録ヘッド(液体噴射ヘッド)1は、圧電体層(圧電セラミックス)30及び電極(20,40)を有する圧電素子3と、ノズル開口71に連通し圧電素子3により圧力変化が生じる圧力発生室12とを備えている。従って、液体噴射ヘッドの製造方法は、圧電素子を形成する工程と、圧力発生室を形成する工程と、を備えることになる。圧力発生室12は、流路形成基板10のシリコン基板15に形成されている。ノズル開口71は、ノズルプレート70に形成されている。流路形成基板10の弾性膜(振動板)16上に下電極(第1電極)20、圧電体層30及び上電極(第2電極)40が順に積層され、圧力発生室12が形成されたシリコン基板15にノズルプレート70が固着されている。
なお、本明細書で説明する位置関係は、発明を説明するための例示に過ぎず、発明を限定するものではない。従って、第1電極の上以外の位置、例えば、下、左、右、等に第2電極が配置されることも、本発明に含まれる。
(1) Overview of manufacturing method of piezoelectric element, liquid ejecting head, and liquid ejecting apparatus:
First, with reference to FIGS. 1-6, the example of this manufacturing method is demonstrated. A recording head (liquid ejecting head) 1 illustrated in FIGS. 3 and 5C includes a piezoelectric element 3 having a piezoelectric layer (piezoelectric ceramics) 30 and electrodes (20, 40), and a piezoelectric element 3 communicated with a nozzle opening 71. A pressure generation chamber 12 in which a pressure change is generated by the element 3 is provided. Accordingly, the method for manufacturing the liquid ejecting head includes a step of forming a piezoelectric element and a step of forming a pressure generation chamber. The pressure generating chamber 12 is formed on the silicon substrate 15 of the flow path forming substrate 10. The nozzle opening 71 is formed in the nozzle plate 70. A lower electrode (first electrode) 20, a piezoelectric layer 30, and an upper electrode (second electrode) 40 are sequentially laminated on the elastic film (vibrating plate) 16 of the flow path forming substrate 10 to form the pressure generating chamber 12. A nozzle plate 70 is fixed to the silicon substrate 15.
In addition, the positional relationship demonstrated in this specification is only the illustration for demonstrating invention, and does not limit invention. Accordingly, the present invention also includes the second electrode disposed at a position other than the top of the first electrode, for example, below, left, right, and the like.

図1に例示する本製造方法は、第1アモルファス層形成工程S1、第2アモルファス層形成工程S2、バッファー層形成工程S3、及び、圧電体層形成工程S4を備えている。第1アモルファス層形成工程S1は、第1前駆体塗布工程S11と第1塗布膜脱脂工程S12を有している。第2アモルファス層形成工程S2は、第2前駆体塗布工程S21と第2塗布膜脱脂工程S22を有している。圧電体層形成工程S4は、第2前駆体塗布工程S41と第2塗布膜脱脂工程S42と第2脱脂膜焼成工程S43を有している。   The manufacturing method illustrated in FIG. 1 includes a first amorphous layer forming step S1, a second amorphous layer forming step S2, a buffer layer forming step S3, and a piezoelectric layer forming step S4. The first amorphous layer forming step S1 includes a first precursor coating step S11 and a first coating film degreasing step S12. The second amorphous layer forming step S2 includes a second precursor coating step S21 and a second coating film degreasing step S22. The piezoelectric layer forming step S4 includes a second precursor coating step S41, a second coating film degreasing step S42, and a second degreasing film baking step S43.

第1前駆体塗布工程S11では、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第1前駆体溶液を電極(20)の表面に対して膜状に塗布する。ここで、第1前駆体溶液は、Biのモル濃度をペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素(例えばFe)のモル濃度よりも小さくしている。第1前駆体溶液において、Bサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度に対するBiのモル濃度の比をR1Bi/(B-Ti)(0<R1Bi/(B-Ti)<1)とする。第1塗布膜脱脂工程S12では、電極(20)上の第1塗布膜31を脱脂して第1アモルファス層32を形成する。例えば、第1塗布膜31をペロブスカイト型酸化物の結晶化温度未満の脱脂温度で加熱すると、第1塗布膜31が脱脂されて少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むアモルファス酸化物を有する第1アモルファス層32が形成される。脱脂には、乾燥が含まれる。むろん、乾燥温度<脱脂温度<結晶化温度として、第1塗布膜31を乾燥温度で加熱した後、乾燥処理後に第1塗布膜31を脱脂温度で加熱してもよい。また、第1塗布膜を結晶化温度未満で加熱してアモルファス酸化物を形成した後、該酸化物上に第1前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂してアモルファス酸化物を積層した第1アモルファス層32を形成してもよい。 In the first precursor application step S11, a first precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti is applied in a film shape to the surface of the electrode (20). Here, in the first precursor solution, the molar concentration of Bi is made smaller than the molar concentration of an element (for example, Fe) obtained by removing Ti from a B site element containing at least Fe and Ti to be a perovskite oxide. . In the first precursor solution, the ratio of the molar concentration of Bi to the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element is R1 Bi / (B-Ti) (0 <R1 Bi / (B-Ti) <1) To do. In the first coating film degreasing step S12, the first coating film 31 on the electrode (20) is degreased to form the first amorphous layer 32. For example, when the first coating film 31 is heated at a degreasing temperature lower than the crystallization temperature of the perovskite oxide, the first coating film 31 is degreased to have a first oxide having an amorphous oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti. An amorphous layer 32 is formed. Degreasing includes drying. Of course, the first coating film 31 may be heated at the degreasing temperature after the drying process after the first coating film 31 is heated at the drying temperature, with the drying temperature <the degreasing temperature <the crystallization temperature. Further, after the first coating film is heated below the crystallization temperature to form an amorphous oxide, the first precursor solution is coated on the oxide, and the formed coating film is degreased to form an amorphous oxide. A stacked first amorphous layer 32 may be formed.

第2前駆体塗布工程S21では、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第2前駆体溶液を第1アモルファス層32の表面に対して膜状に塗布する。ここで、第2前駆体溶液は、Biのモル濃度をペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素(例えばFe)のモル濃度よりも大きくしている。第2前駆体溶液においてBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度に対するBiのモル濃度の比をR2Bi/(B-Ti)(R2Bi/(B-Ti)>1)とすると、R2Bi/(B-Ti)>R1Bi/(B-Ti)となる。第2塗布膜脱脂工程S22では、第1アモルファス層32上の第2塗布膜33を脱脂して第2アモルファス層34を形成する。例えば、第2塗布膜33をペロブスカイト型酸化物の結晶化温度未満の脱脂温度で加熱すると、第2塗布膜33が脱脂されて少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むアモルファス酸化物を有する第2アモルファス層34が形成される。むろん、第2塗布膜33を乾燥温度で加熱した後、乾燥処理後に第2塗布膜33を脱脂温度で加熱してもよい。また、第2塗布膜を結晶化温度未満で加熱してアモルファス酸化物を形成した後、該酸化物上に第2前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂してアモルファス酸化物を積層した第2アモルファス層34を形成してもよい。 In the second precursor application step S <b> 21, a second precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti is applied in a film shape to the surface of the first amorphous layer 32. Here, in the second precursor solution, the molar concentration of Bi is larger than the molar concentration of an element (for example, Fe) obtained by removing Ti from a B-site element containing at least Fe and Ti to be a perovskite oxide. . When the ratio of the molar concentration of Bi to the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element in the second precursor solution is R2 Bi / (B-Ti) (R2 Bi / (B-Ti) > 1), R2 Bi / (B-Ti) > R1 Bi / (B-Ti) . In the second coating film degreasing step S22, the second coating film 33 on the first amorphous layer 32 is degreased to form the second amorphous layer. For example, when the second coating film 33 is heated at a degreasing temperature lower than the crystallization temperature of the perovskite oxide, the second coating film 33 is degreased to include a second oxide having an amorphous oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti. An amorphous layer 34 is formed. Of course, after the second coating film 33 is heated at the drying temperature, the second coating film 33 may be heated at the degreasing temperature after the drying process. Further, after the second coating film is heated below the crystallization temperature to form an amorphous oxide, the second precursor solution is applied onto the oxide, and the formed coating film is degreased to form an amorphous oxide. A stacked second amorphous layer 34 may be formed.

バッファー層形成工程S3では、第1アモルファス層32及び第2アモルファス層34を焼成して少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有するバッファー層35を形成する。   In the buffer layer forming step S3, the first amorphous layer 32 and the second amorphous layer 34 are baked to form a buffer layer 35 having a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti.

圧電体層形成工程S4では、バッファー層35上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む層を形成してペロブスカイト型酸化物を有する圧電体層30を形成する。図1に示す第2前駆体塗布工程S41では、上記第2前駆体溶液をバッファー層35の表面に対して膜状に塗布する。第2塗布膜脱脂工程S42では、バッファー層35上の第2塗布膜33を例えば脱脂温度で加熱する脱脂を行って第2アモルファス層34を形成する。第2塗布膜を結晶化温度未満で加熱してアモルファス酸化物を形成した後、該酸化物上に第2前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂してアモルファス酸化物を積層した第2アモルファス層34を形成してもよい。第2脱脂膜焼成工程S43では、バッファー層35上の第2アモルファス層34を焼成して少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有する圧電体層30を形成する。なお、第2アモルファス層を結晶化させた後、形成されたペロブスカイト型酸化物を有する層の表面に第2前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂し、必要に応じて塗布及び脱脂を繰り返し、形成される脱脂膜を焼成してペロブスカイト型酸化物を有する層を積層した圧電体層を形成してもよい。   In the piezoelectric layer forming step S4, a layer containing at least Bi, Ba, Fe and Ti is formed on the buffer layer 35 to form the piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide. In the second precursor application step S41 shown in FIG. 1, the second precursor solution is applied to the surface of the buffer layer 35 in a film form. In the second coating film degreasing step S42, the second coating film 33 on the buffer layer 35 is degreased by heating, for example, at a degreasing temperature to form the second amorphous layer 34. After forming the amorphous oxide by heating the second coating film below the crystallization temperature, the second precursor solution was applied on the oxide, and the formed coating film was degreased to stack the amorphous oxide. The second amorphous layer 34 may be formed. In the second degreasing film firing step S43, the second amorphous layer 34 on the buffer layer 35 is fired to form the piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti. After the second amorphous layer is crystallized, the second precursor solution is applied to the surface of the formed layer having the perovskite oxide, the formed coating film is degreased, and the coating and coating are performed as necessary. Degreasing may be repeated, and the formed degreasing film may be fired to form a piezoelectric layer in which layers having a perovskite oxide are stacked.

図2は、第2アモルファス層34とは異なる第3アモルファス層37をバッファー層35上に形成する製造方法を例示している。本製造方法の圧電体層形成工程S4は、第3前駆体塗布工程S44と第3塗布膜脱脂工程S45と第3脱脂膜焼成工程S46を有している。第3前駆体塗布工程S44では、少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第3前駆体溶液をバッファー層35の表面に対して膜状に塗布する。第3塗布膜脱脂工程S45では、バッファー層35上の第3塗布膜36を例えば脱脂温度で加熱する脱脂を行って第3アモルファス層37を形成する。第3塗布膜を結晶化温度未満で加熱してアモルファス酸化物を形成した後、該酸化物上に第3前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂してアモルファス酸化物を積層した第3アモルファス層37を形成してもよい。第3脱脂膜焼成工程S46では、バッファー層35上の第3アモルファス層37を焼成して少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有する圧電体層30を形成する。なお、第3アモルファス層を結晶化させた後、形成されたペロブスカイト型酸化物を有する層の表面に第3前駆体溶液を塗布し、形成される塗布膜を脱脂し、必要に応じて塗布及び脱脂を繰り返し、形成される脱脂膜を焼成してペロブスカイト型酸化物を有する層を積層した圧電体層を形成してもよい。また、上述したアモルファス層(32,34,37)とは異なるアモルファス層を一種類以上形成して圧電体層を形成してもよい。   FIG. 2 illustrates a manufacturing method in which a third amorphous layer 37 different from the second amorphous layer 34 is formed on the buffer layer 35. The piezoelectric layer forming step S4 of the manufacturing method includes a third precursor coating step S44, a third coating film degreasing step S45, and a third degreasing film baking step S46. In the third precursor application step S44, a third precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti is applied to the surface of the buffer layer 35 in a film shape. In the third coating film degreasing step S45, the third coating film 36 on the buffer layer 35 is degreased by heating at, for example, a degreasing temperature to form the third amorphous layer 37. After forming the amorphous oxide by heating the third coating film below the crystallization temperature, the third precursor solution was applied on the oxide, and the formed coating film was degreased to stack the amorphous oxide. A third amorphous layer 37 may be formed. In the third degreasing film firing step S46, the third amorphous layer 37 on the buffer layer 35 is fired to form the piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti. In addition, after crystallizing the third amorphous layer, the third precursor solution is applied to the surface of the formed layer having the perovskite oxide, the formed coating film is degreased, and the coating and coating are performed as necessary. Degreasing may be repeated, and the formed degreasing film may be fired to form a piezoelectric layer in which layers having a perovskite oxide are stacked. Further, one or more kinds of amorphous layers different from the above-described amorphous layers (32, 34, 37) may be formed to form the piezoelectric layer.

図1,2に例示される圧電体層形成工程S4で得られるペロブスカイト型酸化物は、少なくともBi、Ba、Fe及びTiが含まれ、Bi、Ba、Fe及びTiを主要成分としてモル比で少ない別の金属(例えばMn)が含まれてもよい。ここで、主要成分は、モル比合計が他の含有成分のモル比よりも多いような一以上の対象成分とする。圧電体層30には、ペロブスカイト型酸化物を主成分としてペロブスカイト型酸化物以外の物質(例えば金属酸化物)が含まれてもよい。   The perovskite oxide obtained in the piezoelectric layer forming step S4 illustrated in FIGS. 1 and 2 contains at least Bi, Ba, Fe and Ti, and has a small molar ratio with Bi, Ba, Fe and Ti as main components. Another metal (eg, Mn) may be included. Here, the main component is one or more target components whose total molar ratio is larger than the molar ratio of the other contained components. The piezoelectric layer 30 may contain a substance (for example, a metal oxide) other than the perovskite oxide having a perovskite oxide as a main component.

圧電体層形成後には、図4(b)に例示されるように、圧電体層30の表面に第2電極(40)を形成する第2電極形成工程がある。
電極(20,40)の構成金属には、Pt(白金)、Au(金)、Ir(イリジウム)、Ti、等の1種以上を用いることができる。構成金属は、酸化物といった化合物の状態でもよいし、化合していない状態でもよく、合金の状態でもよいし、単独の金属の状態でもよく、これらの金属を主成分としてモル比で少ない別の金属が含まれてもよい。酸化物には、LaNiOy(ニッケル酸ランタン)等の導電性酸化物が含まれる。電極(20,40)の厚みは、特に限定されないが、例えば10〜500nm程度とすることができる。
After the formation of the piezoelectric layer, there is a second electrode forming step of forming the second electrode (40) on the surface of the piezoelectric layer 30 as illustrated in FIG. 4B.
As a constituent metal of the electrodes (20, 40), one or more of Pt (platinum), Au (gold), Ir (iridium), Ti, and the like can be used. The constituent metal may be in the state of a compound such as an oxide, in an uncombined state, in an alloy state, or in a single metal state. Metals may be included. The oxide includes a conductive oxide such as LaNiO y (lanthanum nickelate). Although the thickness of an electrode (20, 40) is not specifically limited, For example, it can be set as about 10-500 nm.

なお、第1前駆体溶液と第2前駆体溶液と第3前駆体溶液を含む前駆体溶液には、Bi、Ba、Fe及びTiを主要成分としてモル比で少ない別の金属(例えば0.1〜10%程度のMn)が含まれてもよい。前駆体溶液に含まれる金属塩には、2−エチルヘキサン酸塩や酢酸塩といった有機酸塩等を用いることができる。前駆体溶液には、前記金属塩を溶媒に溶解させた溶液、前記金属塩を分散媒に分散させたゾル、等が含まれる。溶媒や分散媒には、オクタン、キシレン、これらの組合せ、といった有機溶媒を含むもの等を用いることができる。前駆体溶液の塗布は、スピンコート法やディップコート法やインクジェット法等の液相法により行うことができる。形成される塗布膜(31,33,36)の厚みは、特に限定されないが、例えば0.1μm程度とすることができる。   In the precursor solution including the first precursor solution, the second precursor solution, and the third precursor solution, another metal (for example, 0.1%) having Bi, Ba, Fe, and Ti as main components and having a small molar ratio is used. About 10% to 10% Mn). As the metal salt contained in the precursor solution, an organic acid salt such as 2-ethylhexanoate or acetate can be used. The precursor solution includes a solution in which the metal salt is dissolved in a solvent, a sol in which the metal salt is dispersed in a dispersion medium, and the like. As the solvent and the dispersion medium, those containing an organic solvent such as octane, xylene, or a combination thereof can be used. The precursor solution can be applied by a liquid phase method such as a spin coating method, a dip coating method, or an ink jet method. The thickness of the formed coating film (31, 33, 36) is not particularly limited, but can be, for example, about 0.1 μm.

上述した加熱には種々の装置を用いることができるが、RTA(Rapid Thermal Annealing)法を使用することのできる赤外線ランプアニール装置を結晶化温度以上の加熱に用いると、バッファー層35や圧電体層30を良好に形成することができる。   Various devices can be used for the heating described above. When an infrared lamp annealing device that can use the RTA (Rapid Thermal Annealing) method is used for heating at a temperature higher than the crystallization temperature, the buffer layer 35 and the piezoelectric layer are used. 30 can be formed satisfactorily.

少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含むペロブスカイト型酸化物を有する圧電体層30の結晶化温度は、例えば、550℃よりも高く900℃よりも低くなる。   The crystallization temperature of the piezoelectric layer 30 having a perovskite oxide containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti is, for example, higher than 550 ° C. and lower than 900 ° C.

前駆体溶液といった圧電体層の前駆体に含まれる金属は、ペロブスカイト構造の中で原子半径に応じたサイトに配置される。得られるペロブスカイト型酸化物は、AサイトにBiとBaを少なくとも含み、BサイトにFeとTiを少なくとも含む。このようなペロブスカイト型酸化物には、下記一般式で表される組成の非鉛系ペロブスカイト型酸化物が含まれる。
(Bi,Ba)(Fe,Ti)Oz …(1)
(Bi,Ba,MA)(Fe,Ti)Oz …(2)
(Bi,Ba)(Fe,Ti,MB)Oz …(3)
(Bi,Ba,MA)(Fe,Ti,MB)Oz …(4)
ここで、MAはBi、Ba及びPbを除く1種以上の金属元素であり、MBはFe、Ti及びPbを除く1種以上の金属元素である。zは、3が標準(化学量論比)であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で3からずれてもよい。Aサイト元素とBサイト元素との比は、1:1が標準(化学量論比)であるが、ペロブスカイト構造をとり得る範囲内で1:1からずれてもよい。本製造方法に用いる前駆体は、第1前駆体溶液と第2前駆体溶液の少なくとも一方についてAサイト元素とBサイト元素との比を1:1からずらしている。
The metal contained in the precursor of the piezoelectric layer such as the precursor solution is disposed at a site corresponding to the atomic radius in the perovskite structure. The resulting perovskite oxide contains at least Bi and Ba at the A site and at least Fe and Ti at the B site. Such a perovskite oxide includes a lead-free perovskite oxide having a composition represented by the following general formula.
(Bi, Ba) (Fe, Ti) O z (1)
(Bi, Ba, MA) (Fe, Ti) O z (2)
(Bi, Ba) (Fe, Ti, MB) O z (3)
(Bi, Ba, MA) (Fe, Ti, MB) O z (4)
Here, MA is one or more metal elements excluding Bi, Ba and Pb, and MB is one or more metal elements excluding Fe, Ti and Pb. As for z, 3 is a standard (stoichiometric ratio), but may deviate from 3 within a range where a perovskite structure can be taken. The ratio of the A site element to the B site element is 1: 1 (the stoichiometric ratio), but may be deviated from 1: 1 within a range where a perovskite structure can be taken. In the precursor used in this production method, the ratio of the A site element and the B site element is shifted from 1: 1 in at least one of the first precursor solution and the second precursor solution.

Bi,Ba(,MA)のモル数合計に対するBiのモル数比は、例えば40〜99.9%程度とすることができる。なお、括弧書きの元素は、添加されていなくてもよいことを意味する。Bi,Ba(,MA)のモル数合計に対するBaのモル数比は、例えば0.1〜50%程度とすることができる。Bi,Ba(,MA)のモル数合計に対するMAのモル数比は、例えば0.1〜33%程度とすることができる。
Fe,Ti(,MB)のモル数合計に対するFeのモル数比は、例えば50〜99.9%程度とすることができる。Fe,Ti(,MB)のモル数合計に対するTiのモル数比は、例えば0.1〜50%程度とすることができる。Fe,Ti(,MB)のモル数合計に対するMBのモル数比は、例えば0.1〜33%程度とすることができる。
The molar ratio of Bi to the total molar number of Bi, Ba (, MA) can be, for example, about 40 to 99.9%. Note that the elements in parentheses do not have to be added. The molar ratio of Ba to the total molar number of Bi, Ba (, MA) can be, for example, about 0.1 to 50%. The molar ratio of MA to the total molar number of Bi, Ba (, MA) can be, for example, about 0.1 to 33%.
The molar ratio of Fe to the total molar number of Fe, Ti (, MB) can be, for example, about 50 to 99.9%. The molar ratio of Ti to the total molar number of Fe, Ti (, MB) can be, for example, about 0.1 to 50%. The ratio of the number of moles of MB to the total number of moles of Fe, Ti (, MB) can be, for example, about 0.1 to 33%.

前駆体に添加可能なMB元素には、Mn等が含まれる。Bサイト構成金属中のMnのモル比は、Bサイト構成金属の全モル比を100%として、例えば、0.1〜10%程度とすることができる。Mnを添加すると圧電体層の絶縁性を高く(リーク特性を改善)する効果が期待されるが、Mnが無くても圧電性能を有する圧電素子を形成することができる。   MB elements that can be added to the precursor include Mn and the like. The molar ratio of Mn in the B site constituent metal can be, for example, about 0.1 to 10%, with the total molar ratio of the B site constituent metal being 100%. When Mn is added, an effect of increasing the insulating property of the piezoelectric layer (improving leakage characteristics) is expected, but a piezoelectric element having piezoelectric performance can be formed without Mn.

本製造方法は、第2前駆体溶液において、Fe,Ti(,MB)を含むBサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル濃度に対するBiのモル濃度の比R2Bi/(B-Ti)をR2Bi/(B-Ti)>1としている。例えば、ペロブスカイト型酸化物としてBiFeOz−BaTiOzの共晶を想定する場合、比R2Bi/(B-Ti)は、Feのモル濃度に対するBiのモル濃度比である。また、ペロブスカイト型酸化物としてBi(Fe,Mn)Oz−BaTiOzの共晶を想定する場合、比R2Bi/(B-Ti)は、Fe,Mnのモル濃度合計に対するBiのモル濃度比である。第2塗布膜33に着目すると、比R2Bi/(B-Ti)は、実質的に、Bサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル数に対するBiのモル数の比である。
R2Bi/(B-Ti)>1、すなわち、Biのモル濃度をBサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル濃度よりも大きくすることにより、圧電体層のクラックを低減させることができる。
In the second precursor solution, the ratio of the molar concentration of Bi to the molar concentration of element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element including Fe, Ti (, MB) in the second precursor solution R2 Bi / (B -Ti) is set to R2 Bi / (B-Ti) > 1. For example, assuming a BiFeO z —BaTiO z eutectic as the perovskite oxide, the ratio R 2 Bi / (B—Ti) is the molar concentration ratio of Bi to the molar concentration of Fe. Further, Bi (Fe, Mn) As perovskite oxide if O z assume -BaTiO z eutectic ratio R2 Bi / (B-Ti) is, Fe, the molar concentration ratio of Bi to the molar concentration sum of Mn It is. Focusing on the second coating film 33, the ratio R2 Bi / (B-Ti) is substantially the ratio of the number of moles of Bi to the number of moles of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element. .
R2 Bi / (B-Ti) > 1, that is, the Bi concentration is made larger than the molar concentration of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element, thereby reducing cracks in the piezoelectric layer. be able to.

また、第2前駆体溶液において、Fe,Ti(,MB)を含むBサイト元素のモル濃度に対するBi,Ba(,MA)を含むAサイト元素のモル濃度の比R2A/BをR2A/B>1としてもよい。さらに、ペロブスカイト型酸化物を一般式BiMOz−BaTiOz(MはBi、Ba、Ti及びPbを除く1種以上の金属元素であって少なくともFeを含む金属元素)で表す場合、元素Mのモル濃度に対するBiのモル濃度の比R2Bi/MをR2Bi/M>1としてもよい。
以上のようにすると、圧電体層のクラックを低減させることができる。
Further, in the second precursor solution, the ratio R2 A / B of the molar concentration of the A site element containing Bi, Ba (, MA) to the molar concentration of the B site element containing Fe, Ti (, MB) is R2 A / B > 1 may be set. Further, when the perovskite oxide is represented by the general formula BiMO z -BaTiO z (M is one or more metal elements excluding Bi, Ba, Ti, and Pb and contains at least Fe), the mole of the element M The ratio R2 Bi / M of Bi molar concentration to concentration may be set to R2 Bi / M > 1.
As described above, cracks in the piezoelectric layer can be reduced.

一方、第1前駆体溶液においては、Fe,Ti(,MB)を含むBサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル濃度に対するBiのモル濃度の比R1Bi/(B-Ti)を0<R1Bi/(B-Ti)<1としている。第1塗布膜31に着目すると、比R1Bi/(B-Ti)は、実質的に、Bサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル数に対するBiのモル数の比である。
R1Bi/(B-Ti)<1、すなわち、Biのモル濃度をBサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル濃度よりも小さくすることにより、圧電素子の絶縁破壊電圧を高くし、耐電圧性を向上させることができる。圧電体層全体にわたってBiの使用量をペロブスカイト型酸化物の化学量論比よりも過剰にすると、ペロブスカイト型酸化物の結晶が大きく成長する一方、大きな結晶間にリーク電流が生じ易いと推測される。Bi過剰状態の第2アモルファス層の下にBi不足状態の第1アモルファス層を入れることにより圧電素子の絶縁破壊電圧が高くなるのは、第1アモルファス層から形成される結晶化層が大きな結晶間のリーク電流を遮断する働きをするためと推測される。
On the other hand, in the first precursor solution, the ratio R1 Bi / (B-Ti ) of the molar concentration of Bi to the molar concentration of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element containing Fe, Ti (, MB). ) 0 <R1 Bi / (B-Ti) <1. Focusing on the first coating film 31, the ratio R1 Bi / (B-Ti) is substantially the ratio of the number of moles of Bi to the number of moles of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element. .
R1 Bi / (B-Ti) <1, that is, by making the molar concentration of Bi smaller than the molar concentration of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element, the dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element is increased. In addition, the voltage resistance can be improved. If the amount of Bi used over the entire piezoelectric layer exceeds the stoichiometric ratio of the perovskite oxide, it is presumed that crystals of the perovskite oxide grow large, while leak currents are likely to occur between large crystals. . The dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element is increased by inserting the Bi amorphous first amorphous layer under the Bi excessive second amorphous layer because the crystallized layer formed from the first amorphous layer has a large intercrystalline structure. This is presumed to serve to block the leakage current.

また、第1前駆体溶液において、Fe,Ti(,MB)を含むBサイト元素のモル濃度に対するBi,Ba(,MA)を含むAサイト元素のモル濃度の比R1A/Bを0<R1A/B<1としてもよい。さらに、ペロブスカイト型酸化物を一般式BiMOz−BaTiOz(MはBi、Ba、Ti及びPbを除く1種以上の金属元素であって少なくともFeを含む金属元素)で表す場合、元素Mのモル濃度に対するBiのモル濃度の比R1Bi/Mを0<R1Bi/M<1としてもよい。
以上のようにすると、圧電素子の絶縁破壊電圧を高くし、耐電圧性を向上させることができる。
In the first precursor solution, the ratio R1 A / B of the molar concentration of the A site element including Bi, Ba (, MA) to the molar concentration of the B site element including Fe, Ti (, MB) is 0 <R1. A / B <1 may be set. Further, when the perovskite oxide is represented by the general formula BiMO z -BaTiO z (M is one or more metal elements excluding Bi, Ba, Ti, and Pb and contains at least Fe), the mole of the element M The ratio R1 Bi / M of the molar concentration of Bi to the concentration may be 0 <R1 Bi / M <1.
As described above, the dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element can be increased and the voltage resistance can be improved.

上記比R1Bi/(B-Ti)は、良好な耐電圧性の圧電素子を得る観点から、0.70以上0.85以下が好ましい。 The ratio R1 Bi / (B-Ti) is preferably 0.70 or more and 0.85 or less from the viewpoint of obtaining a piezoelectric element with good voltage resistance.

第3前駆体溶液においては、Fe,Ti(,MB)を含むBサイト元素からTiを除いた元素Fe(,MB)のモル濃度に対するBiのモル濃度の比R3Bi/(B-Ti)は、特に限定されないが、例えば0.9〜R2Bi/(B-Ti)程度とすることができる。 In the third precursor solution, the ratio R3 Bi / (B-Ti) of the molar concentration of Bi to the molar concentration of the element Fe (, MB) obtained by removing Ti from the B site element containing Fe, Ti (, MB ) is Although not particularly limited, for example, it can be about 0.9 to R2 Bi / (B-Ti) .

なお、第1前駆体溶液の金属中のBiモル比R1Bi(0<R1Bi<1)は、第2前駆体溶液の金属中のBiモル比R2Bi(0<R2Bi<1)よりも小さい。ここで、前駆体溶液の金属中のBiモル比は、前駆体溶液に含まれるBi,Ba(,MA),Fe,Ti(,MB)のモル濃度合計に対するBiのモル濃度の比で表される。
また、第1前駆体溶液のAサイト元素中のBiモル比R1Bi/A(0<R1Bi/A<1)は、第2前駆体溶液のAサイト元素中のBiモル比R2Bi/A(0<R2Bi/A<1)よりも小さい。ここで、前駆体溶液のAサイト元素中のBiモル比は、前駆体溶液に含まれるBi,Ba(,MA)のモル濃度合計に対するBiのモル濃度の比で表される。
The Bi molar ratio R1 Bi (0 <R1 Bi <1) in the metal of the first precursor solution is higher than the Bi molar ratio R2 Bi (0 <R2 Bi <1) in the metal of the second precursor solution. small. Here, the Bi molar ratio in the metal of the precursor solution is represented by the ratio of the molar concentration of Bi to the total molar concentration of Bi, Ba (, MA), Fe, Ti (, MB) contained in the precursor solution. The
The Bi molar ratio R1 Bi / A (0 <R1 Bi / A <1) in the A site element of the first precursor solution is equal to the Bi molar ratio R2 Bi / A in the A site element of the second precursor solution. It is smaller than (0 <R2 Bi / A <1). Here, the Bi molar ratio in the A-site element of the precursor solution is represented by the ratio of the molar concentration of Bi to the total molar concentration of Bi and Ba (, MA) contained in the precursor solution.

第1前駆体溶液の第1塗布膜31の層数は、特に限定されないが、例えば1〜3層程度とすることができる。第1アモルファス層32の厚みとしては、例えば0.1〜0.3μm程度とすることができる。第2前駆体溶液の第2塗布膜33の層数も、特に限定されないが、例えば1〜3層程度とすることができる。第2アモルファス層34の厚みとしては、例えば0.1〜0.3μm程度とすることができる。圧電体層30全体に対するバッファー層35の層数及び厚みの比は、例えば0.05〜0.5程度とすることができる。   Although the number of layers of the 1st coating film 31 of a 1st precursor solution is not specifically limited, For example, it can be set as about 1-3 layers. The thickness of the first amorphous layer 32 can be set to about 0.1 to 0.3 μm, for example. The number of layers of the second coating film 33 of the second precursor solution is not particularly limited, but can be, for example, about 1 to 3 layers. The thickness of the second amorphous layer 34 can be set to about 0.1 to 0.3 μm, for example. The ratio of the number of layers and the thickness of the buffer layer 35 to the entire piezoelectric layer 30 can be, for example, about 0.05 to 0.5.

図13に比較例1の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像を例示するように、圧電体層全体にわたってBiの使用量を化学量論比として形成した圧電体層の表面には、大きなクラックが見られる。図14に比較例2の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像を例示するように、圧電体層全体にわたってBiの使用量を化学量論比よりも過剰にして形成した圧電体層の表面には、暗視野100倍で確認できる大きさのクラックは見られない。図12に実施例1の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像を例示するように、Bi過剰状態の第2アモルファス層の下にBi不足状態の第1アモルファス層を入れて形成した圧電体層の表面にも、暗視野100倍で確認できる大きさのクラックは見られない。   As illustrated in FIG. 13 as a dark field 100-fold image of the surface of the piezoelectric thin film of Comparative Example 1, large cracks are formed on the surface of the piezoelectric layer formed with the amount of Bi used as a stoichiometric ratio over the entire piezoelectric layer. It can be seen. As illustrated in FIG. 14 as a dark field 100 times image of the surface of the piezoelectric thin film of Comparative Example 2, the surface of the piezoelectric layer formed with the amount of Bi used exceeding the stoichiometric ratio over the entire piezoelectric layer is No cracks of a size that can be confirmed with a dark field of 100 times are observed. As illustrated in FIG. 12 as a dark field 100-fold image on the surface of the piezoelectric thin film of Example 1, the piezoelectric layer formed by placing the Bi amorphous first amorphous layer under the Bi excessive second amorphous layer. No cracks of a size that can be confirmed with a dark field of 100 times are observed on the surface.

一方、図8(a),(b)及び図9(a),(b)に実施例1〜8及び比較例2のI(電流密度)−V(印加電圧)曲線を例示するように、Bi過剰状態の第2アモルファス層の下にBi不足状態の第1アモルファス層を入れて形成した圧電素子は、Bi不足状態の第1アモルファス層を入れずに形成した圧電素子と比べて急激なリーク電流の生じる電圧が高くなる。従って、本製造方法は、BiFeO3−BaTiO3系材料の圧電体層に生じ易いクラックを低減させながら、圧電素子の絶縁破壊電圧を高くし、耐電圧性を向上させることができる。圧電体層のクラックを低減させ、圧電素子の絶縁破壊電圧を高くすると、非鉛又は低鉛化した圧電材料を用いた圧電素子の性能を向上させることができる。 On the other hand, as illustrated in FIGS. 8A and 8B and FIGS. 9A and 9B, the I (current density) -V (applied voltage) curves of Examples 1 to 8 and Comparative Example 2 are illustrated. A piezoelectric element formed by inserting a Bi-deficient first amorphous layer under a Bi-excessed second amorphous layer has a sharper leakage than a piezoelectric element formed without a Bi-deficient first amorphous layer. The voltage at which current is generated increases. Therefore, this manufacturing method can increase the dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element and improve the voltage resistance while reducing cracks that are likely to occur in the piezoelectric layer of BiFeO 3 —BaTiO 3 -based material. By reducing cracks in the piezoelectric layer and increasing the dielectric breakdown voltage of the piezoelectric element, the performance of the piezoelectric element using a lead-free or low-lead piezoelectric material can be improved.

(2)圧電素子及び液体噴射ヘッドの製造方法の例:
図3は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド1を便宜上、分解した分解斜視図である。図4,5は、記録ヘッドの製造方法を例示するための断面図であり、圧力発生室12の長手方向D2に沿った垂直断面図である。記録ヘッド1を構成する各層は、接合されて積層されてもよいし、分離されない材料の表面を変性する等して一体に形成されてもよい。
(2) Example of manufacturing method of piezoelectric element and liquid jet head:
FIG. 3 is an exploded perspective view in which an ink jet recording head 1 which is an example of a liquid ejecting head is disassembled for convenience. 4 and 5 are cross-sectional views for illustrating the method of manufacturing the recording head, and are vertical cross-sectional views along the longitudinal direction D2 of the pressure generating chamber 12. FIG. The layers constituting the recording head 1 may be bonded and laminated, or may be integrally formed by modifying the surface of a material that is not separated.

流路形成基板10は、シリコン単結晶基板等から形成することができる。弾性膜16は、膜厚が例えば500〜800μm程度と比較的厚く剛性の高いシリコン基板15の一方の面を約1100℃の拡散炉で熱酸化する等によってシリコン基板15と一体に形成することができ、二酸化シリコン(SiO2)等で構成することができる。弾性膜16の厚みは、弾性を示す限り特に限定されないが、例えば0.5〜2μm程度とすることができる。 The flow path forming substrate 10 can be formed from a silicon single crystal substrate or the like. The elastic film 16 can be formed integrally with the silicon substrate 15 by, for example, thermally oxidizing one surface of the relatively thick and rigid silicon substrate 15 having a film thickness of about 500 to 800 μm in a diffusion furnace at about 1100 ° C. It can be made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like. The thickness of the elastic film 16 is not particularly limited as long as it exhibits elasticity, but can be, for example, about 0.5 to 2 μm.

次いで、図4(a)に示すように、スパッタ法等によって弾性膜16上に下電極(第1電極)20を形成する。図4(b)に示す例では、下電極20を形成した後にパターニングしている。下電極20の厚みは、特に限定されないが、例えば50〜500nm程度とすることができる。なお、密着層又は拡散防止層として、酸化チタン(TiOx)、窒化チタンアルミ(TiAlN)膜、Ir膜、酸化イリジウム(IrO)膜、酸化ジルコニウム(ZrO2)膜、等の層を弾性膜16上に形成したうえで、当該層上に下電極20を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 4A, a lower electrode (first electrode) 20 is formed on the elastic film 16 by sputtering or the like. In the example shown in FIG. 4B, patterning is performed after the lower electrode 20 is formed. Although the thickness of the lower electrode 20 is not specifically limited, For example, it can be set as about 50-500 nm. As the adhesion layer or the diffusion prevention layer, a layer such as a titanium oxide (TiO x ), a titanium nitride aluminum (TiAlN) film, an Ir film, an iridium oxide (IrO) film, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film or the like is used as the elastic film 16. After forming the upper electrode, the lower electrode 20 may be formed on the layer.

次いで、図1に示すように、上述した少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第1前駆体溶液を下電極20の表面に塗布する(第1前駆体塗布工程S11)。前駆体溶液中の金属のモル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができるが、Biの使用量を化学量論比よりも少なくしている。
次いで、第1塗布膜31を結晶化温度未満の脱脂温度で加熱して薄膜状の第1アモルファス層32を形成する(第1塗布膜脱脂工程S12)。好ましくは、例えば140〜190℃程度に加熱して乾燥し(乾燥工程)、その後、例えば300〜500℃程度に加熱して脱脂する(脱脂工程)。
Next, as shown in FIG. 1, the first precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe, and Ti described above is applied to the surface of the lower electrode 20 (first precursor application step S11). The molar concentration ratio of the metal in the precursor solution can be determined according to the composition of the perovskite oxide to be formed, but the amount of Bi used is less than the stoichiometric ratio.
Next, the first coating film 31 is heated at a degreasing temperature lower than the crystallization temperature to form a thin first amorphous layer 32 (first coating film degreasing step S12). Preferably, for example, it is heated to about 140 to 190 ° C. and dried (drying step), and then degreased by heating to about 300 to 500 ° C. (degreasing step).

次いで、上述した少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第2前駆体溶液を第1アモルファス層32の表面に塗布する(第2前駆体塗布工程S21)。前駆体溶液中の金属のモル濃度比は、形成されるペロブスカイト型酸化物の組成に応じて決めることができるが、Biの使用量を化学量論比よりも多くしている。
次いで、第2塗布膜33を結晶化温度未満の脱脂温度で加熱して薄膜状の第2アモルファス層34を形成する(第2塗布膜脱脂工程S22)。好ましくは、例えば140〜190℃程度に加熱して乾燥し(乾燥工程)、その後、例えば300〜500℃程度に加熱して脱脂する(脱脂工程)。
Next, the above-described second precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti is applied to the surface of the first amorphous layer 32 (second precursor application step S21). The molar concentration ratio of the metal in the precursor solution can be determined according to the composition of the perovskite oxide to be formed, but the amount of Bi used is larger than the stoichiometric ratio.
Next, the second coating film 33 is heated at a degreasing temperature lower than the crystallization temperature to form a thin second amorphous layer 34 (second coating film degreasing step S22). Preferably, for example, it is heated to about 140 to 190 ° C. and dried (drying step), and then degreased by heating to about 300 to 500 ° C. (degreasing step).

次いで、第1アモルファス層32及び第2アモルファス層34を結晶化温度以上で加熱してペロブスカイト型酸化物を含む薄膜状のバッファー層35を形成する(バッファー層形成工程S3)。例えば550〜850℃程度に加熱して結晶化させる(焼成工程)。   Next, the first amorphous layer 32 and the second amorphous layer 34 are heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature to form a thin buffer layer 35 containing a perovskite oxide (buffer layer forming step S3). For example, crystallization is performed by heating to about 550 to 850 ° C. (firing step).

図1に示す製造方法の場合、上述した第2前駆体溶液をバッファー層35の表面に塗布する(第2前駆体塗布工程S41)。次いで、バッファー層35上の第2塗布膜33を結晶化温度未満で加熱して薄膜状の第2アモルファス層34を形成する(第2塗布膜脱脂工程S42)。好ましくは、乾燥温度で加熱して乾燥し、脱脂温度で加熱して脱脂する。その後、バッファー層35上の第2アモルファス層34を結晶化温度以上の焼成温度で焼成してペロブスカイト型酸化物を含む薄膜状の圧電体層30を形成する(第2脱脂膜焼成工程S43)。焼成により、圧電体層のBiに拡散が見られる。   In the case of the manufacturing method shown in FIG. 1, the above-mentioned second precursor solution is applied to the surface of the buffer layer 35 (second precursor application step S41). Next, the second coating film 33 on the buffer layer 35 is heated below the crystallization temperature to form a thin second amorphous layer 34 (second coating film degreasing step S42). Preferably, drying is performed by heating at a drying temperature, and degreasing is performed by heating at a degreasing temperature. Thereafter, the second amorphous layer 34 on the buffer layer 35 is fired at a firing temperature equal to or higher than the crystallization temperature to form a thin film piezoelectric layer 30 containing a perovskite oxide (second degreasing film firing step S43). Due to the firing, diffusion is seen in Bi of the piezoelectric layer.

図2に示す製造方法の場合、上述した第3前駆体溶液をバッファー層35の表面に塗布する(第3前駆体塗布工程S44)。次いで、バッファー層35上の第3塗布膜36を結晶化温度未満で加熱して薄膜状の第3アモルファス層37を形成する(第3塗布膜脱脂工程S45)。好ましくは、乾燥温度で加熱して乾燥し、脱脂温度で加熱して脱脂する。その後、バッファー層35上の第3アモルファス層37を焼成温度で焼成して圧電体層30を形成する(第3脱脂膜焼成工程S46)。焼成により、圧電体層のBiに拡散が見られる。   In the case of the manufacturing method shown in FIG. 2, the above-described third precursor solution is applied to the surface of the buffer layer 35 (third precursor application step S44). Next, the third coating film 36 on the buffer layer 35 is heated below the crystallization temperature to form a thin third amorphous layer 37 (third coating film degreasing step S45). Preferably, drying is performed by heating at a drying temperature, and degreasing is performed by heating at a degreasing temperature. Thereafter, the third amorphous layer 37 on the buffer layer 35 is fired at the firing temperature to form the piezoelectric layer 30 (third degreasing film firing step S46). Due to the firing, diffusion is seen in Bi of the piezoelectric layer.

なお、圧電体層30を厚くするため、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程と焼成工程の組合せを複数回行ってもよい。焼成工程を減らすために、塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せを複数回行った後に焼成工程を行ってもよい。さらに、これらの工程の組合せを複数回行ってもよい。
形成される圧電体層30の厚みは、電気機械変換作用を示す範囲で特に限定されないが、例えば0.2〜2μm程度とすることができる。好ましくは、製造工程でクラックが発生しない程度に圧電体層30の厚さを抑え、十分な変位特性を示す程度に圧電体層30を厚くするとよい。
In addition, in order to thicken the piezoelectric layer 30, the combination of the coating process, the drying process, the degreasing process, and the baking process may be performed a plurality of times. In order to reduce the firing process, the firing process may be performed after the combination of the coating process, the drying process, and the degreasing process is performed a plurality of times. Further, a combination of these steps may be performed a plurality of times.
The thickness of the formed piezoelectric layer 30 is not particularly limited as long as it exhibits an electromechanical conversion effect, and can be, for example, about 0.2 to 2 μm. Preferably, the thickness of the piezoelectric layer 30 is suppressed to such an extent that cracks do not occur in the manufacturing process, and the piezoelectric layer 30 is made thick enough to exhibit sufficient displacement characteristics.

上述した乾燥工程及び脱脂工程を行うための加熱装置には、ホットプレート、赤外線ランプの照射により加熱する赤外線ランプアニール装置、等を用いることができる。上記焼成工程を行うための加熱装置には、赤外線ランプアニール装置等を用いることができる。好ましくは、RTA(Rapid Thermal Annealing)法等を用いて昇温レートを比較的速くするとよい。   As a heating apparatus for performing the above-described drying process and degreasing process, a hot plate, an infrared lamp annealing apparatus for heating by irradiation with an infrared lamp, or the like can be used. An infrared lamp annealing device or the like can be used as a heating device for performing the firing step. Preferably, the temperature rising rate may be made relatively fast by using an RTA (Rapid Thermal Annealing) method or the like.

圧電体層30を形成した後、図4(b)に示すように、スパッタ法等によって上電極40を圧電体層30上に形成する。上電極40の厚みは、特に限定されないが、例えば50〜150nm程度とすることができる。なお、図4(c)に示す例では、上電極40を形成した後に、圧電体層30及び上電極40を各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子3を形成している。
一般的には、圧電素子3の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層30を圧力発生室12毎にパターニングして圧電素子3を構成する。図3,5に示す圧電素子3は、下電極20を共通電極とし、上電極40を個別電極としている。
After the piezoelectric layer 30 is formed, as shown in FIG. 4B, the upper electrode 40 is formed on the piezoelectric layer 30 by sputtering or the like. Although the thickness of the upper electrode 40 is not specifically limited, For example, it can be set as about 50-150 nm. In the example shown in FIG. 4C, after the upper electrode 40 is formed, the piezoelectric layer 30 and the upper electrode 40 are patterned in regions facing the pressure generation chambers 12 to form the piezoelectric element 3. .
In general, one of the electrodes of the piezoelectric element 3 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 30 are patterned for each pressure generating chamber 12 to configure the piezoelectric element 3. The piezoelectric element 3 shown in FIGS. 3 and 5 uses the lower electrode 20 as a common electrode and the upper electrode 40 as an individual electrode.

以上により、圧電体層30及び電極(20,40)を有する圧電素子3が形成され、この圧電素子3及び弾性膜16を備えた圧電アクチュエーター2が形成される。   Thus, the piezoelectric element 3 having the piezoelectric layer 30 and the electrodes (20, 40) is formed, and the piezoelectric actuator 2 including the piezoelectric element 3 and the elastic film 16 is formed.

次いで、図4(c)に示すように、リード電極45を形成する。例えば、流路形成基板10の全面に亘って金層を形成した後にレジスト等からなるマスクパターンを介して圧電素子3毎にパターニングすることにより、リード電極45が設けられる。図3に示す各上電極40には、インク供給路14側の端部近傍から弾性膜16上に延びたリード電極45が接続されている。   Next, as shown in FIG. 4C, lead electrodes 45 are formed. For example, after forming a gold layer over the entire surface of the flow path forming substrate 10, the lead electrode 45 is provided by patterning for each piezoelectric element 3 through a mask pattern made of a resist or the like. Connected to each upper electrode 40 shown in FIG. 3 is a lead electrode 45 extending on the elastic film 16 from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side.

なお、下電極20や上電極40やリード電極45は、DC(直流)マグネトロンスパッタリング法といったスパッタ法等によって形成することができる。各層の厚みは、スパッタ装置の印加電圧やスパッタ処理時間を変えることにより調整することができる。   The lower electrode 20, the upper electrode 40, and the lead electrode 45 can be formed by a sputtering method such as a DC (direct current) magnetron sputtering method. The thickness of each layer can be adjusted by changing the voltage applied to the sputtering apparatus and the sputtering processing time.

次いで、図5(a)に示すように、圧電素子保持部52等を予め形成した保護基板50を流路形成基板10上に例えば接着剤によって接合する。保護基板50には、例えば、シリコン単結晶基板、ガラス、セラミックス材料、等を用いることができる。保護基板50の厚みは、特に限定されないが、例えば300〜500μm程度とすることができる。保護基板50の厚み方向に貫通したリザーバ部51は、連通部13とともに、共通のインク室(液体室)となるリザーバ9を構成する。圧電素子3に対向する領域に設けられた圧電素子保持部52は、圧電素子3の運動を阻害しない程度の空間を有する。保護基板50の貫通孔53内には、各圧電素子3から引き出されたリード電極45の端部近傍が露出する。   Next, as illustrated in FIG. 5A, the protective substrate 50 on which the piezoelectric element holding portion 52 and the like are formed in advance is bonded onto the flow path forming substrate 10 with an adhesive, for example. As the protective substrate 50, for example, a silicon single crystal substrate, glass, a ceramic material, or the like can be used. Although the thickness of the protective substrate 50 is not specifically limited, For example, it can be about 300-500 micrometers. The reservoir portion 51 penetrating in the thickness direction of the protective substrate 50 and the communication portion 13 constitute a reservoir 9 serving as a common ink chamber (liquid chamber). The piezoelectric element holding portion 52 provided in the region facing the piezoelectric element 3 has a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 3. In the through hole 53 of the protective substrate 50, the vicinity of the end portion of the lead electrode 45 drawn from each piezoelectric element 3 is exposed.

次いで、シリコン基板15をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることによりシリコン基板15を所定の厚み(例えば60〜80μm程度)にする。次いで、図5(b)に示すように、シリコン基板15上にマスク膜17を新たに形成し、所定形状にパターニングする。マスク膜17には、窒化シリコン(SiN)等を用いることができる。次いで、KOH等のアルカリ溶液を用いてシリコン基板15を異方性エッチング(ウェットエッチング)する。これにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12と細幅のインク供給路14を備えた複数の液体流路と、各インク供給路14に繋がる共通の液体流路である連通部13とが形成される。液体流路(12,14)は、圧力発生室12の短手方向である幅方向D1へ並べられている。
なお、圧力発生室12は、圧電素子3の形成前に形成されてもよい。
Next, after the silicon substrate 15 is polished to a certain thickness, the silicon substrate 15 is further etched to a predetermined thickness (for example, about 60 to 80 μm) by wet etching with hydrofluoric acid. Next, as shown in FIG. 5B, a mask film 17 is newly formed on the silicon substrate 15 and patterned into a predetermined shape. Silicon nitride (SiN) or the like can be used for the mask film 17. Next, the silicon substrate 15 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH. As a result, a plurality of liquid flow paths including the pressure generating chambers 12 defined by the plurality of partition walls 11 and the narrow ink supply paths 14, and a communication portion 13 that is a common liquid flow path connected to each ink supply path 14. And are formed. The liquid flow paths (12, 14) are arranged in the width direction D1, which is the short direction of the pressure generating chamber 12.
The pressure generation chamber 12 may be formed before the piezoelectric element 3 is formed.

次いで、流路形成基板10及び保護基板50の周縁部の不要部分を例えばダイシングにより切断して除去する。次いで、図5(c)に示すように、シリコン基板15の保護基板50とは反対側の面にノズルプレート70を接合する。ノズルプレート70は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼、等を用いることができ、流路形成基板10の開口面側に固着される。この固着には、接着剤、熱溶着フィルム、等を用いることができる。ノズルプレート70には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口71が穿設されている。従って、圧力発生室12は、液体を吐出するノズル開口71に連通している。   Next, unnecessary portions at the peripheral portions of the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 50 are removed by cutting, for example, by dicing. Next, as shown in FIG. 5C, the nozzle plate 70 is bonded to the surface of the silicon substrate 15 opposite to the protective substrate 50. The nozzle plate 70 can be made of glass ceramics, silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like, and is fixed to the opening surface side of the flow path forming substrate 10. For this fixation, an adhesive, a heat welding film, or the like can be used. The nozzle plate 70 is formed with nozzle openings 71 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14. Therefore, the pressure generation chamber 12 communicates with the nozzle opening 71 that discharges the liquid.

次いで、封止膜61及び固定板62を有するコンプライアンス基板60を保護基板50上に接合し、所定のチップサイズに分割する。封止膜61は、例えば厚み4〜8μm程度のポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)といった剛性が低く可撓性を有する材料等が用いられ、リザーバ部51の一方の面を封止する。固定板62は、例えば厚み20〜40μm程度のステンレス鋼(SUS)といった金属等の硬質の材料が用いられ、リザーバ9に対向する領域が開口部63とされている。   Next, the compliance substrate 60 having the sealing film 61 and the fixing plate 62 is bonded onto the protective substrate 50 and divided into a predetermined chip size. The sealing film 61 is made of, for example, a material having low rigidity such as a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of about 4 to 8 μm, and the like, and seals one surface of the reservoir unit 51. The fixing plate 62 is made of a hard material such as a metal such as stainless steel (SUS) having a thickness of about 20 to 40 μm, for example, and an area facing the reservoir 9 is an opening 63.

また、保護基板50上には、並設された圧電素子3を駆動するための駆動回路65が固定される。駆動回路65には、回路基板、半導体集積回路(IC)、等を用いることができる。駆動回路65とリード電極45とは、接続配線66を介して電気的に接続される。接続配線66には、ボンディングワイヤといった導電性ワイヤ等を用いることができる。
以上により、記録ヘッド1が製造される。
A driving circuit 65 for driving the piezoelectric elements 3 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 50. For the drive circuit 65, a circuit board, a semiconductor integrated circuit (IC), or the like can be used. The drive circuit 65 and the lead electrode 45 are electrically connected via the connection wiring 66. As the connection wiring 66, a conductive wire such as a bonding wire can be used.
Thus, the recording head 1 is manufactured.

本記録ヘッド1は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ9からノズル開口71に至るまで内部をインクで満たす。駆動回路65からの記録信号に従い、圧力発生室12毎に下電極20と上電極40との間に電圧を印加すると、圧電体層30、下電極20及び弾性膜16の変形によりノズル開口71からインク滴が吐出する。
なお、記録ヘッドは、下電極を共通電極とし上電極を個別電極とした共通下電極構造とされてもよいし、上電極を共通電極とし下電極を個別電極とした共通上電極構造とされてもよいし、下電極及び上電極を共通電極とし両電極間に個別電極を設けた構造とされてもよい。
The recording head 1 takes in ink from an ink introduction port connected to an external ink supply unit (not shown), and fills the interior from the reservoir 9 to the nozzle opening 71 with ink. When a voltage is applied between the lower electrode 20 and the upper electrode 40 for each pressure generation chamber 12 in accordance with a recording signal from the drive circuit 65, the deformation of the piezoelectric layer 30, the lower electrode 20, and the elastic film 16 causes deformation from the nozzle opening 71. Ink droplets are ejected.
The recording head may have a common lower electrode structure in which the lower electrode is a common electrode and the upper electrode is an individual electrode, or a common upper electrode structure in which the upper electrode is a common electrode and the lower electrode is an individual electrode. Alternatively, the lower electrode and the upper electrode may be a common electrode, and an individual electrode may be provided between the two electrodes.

(3)液体噴射装置:
図6は、上述した記録ヘッド1を有する記録装置(液体噴射装置)200の外観を示している。記録ヘッド1を記録ヘッドユニット211,212に組み込むと、記録装置200を製造することができる。図6に示す記録装置200は、記録ヘッドユニット211,212のそれぞれに、記録ヘッド1が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ221,222が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット211,212を搭載したキャリッジ203は、装置本体204に取り付けられたキャリッジ軸205に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター206の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト207を介してキャリッジ203に伝達されると、キャリッジ203がキャリッジ軸205に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録シート290は、プラテン208上に搬送され、インクカートリッジ221,222から供給され記録ヘッド1から吐出するインクにより印刷がなされる。
(3) Liquid ejecting apparatus:
FIG. 6 shows an appearance of a recording apparatus (liquid ejecting apparatus) 200 having the recording head 1 described above. When the recording head 1 is incorporated in the recording head units 211 and 212, the recording apparatus 200 can be manufactured. In the recording apparatus 200 shown in FIG. 6, the recording head 1 is provided in each of the recording head units 211 and 212, and ink cartridges 221 and 222 as external ink supply means are detachably provided. A carriage 203 on which the recording head units 211 and 212 are mounted is provided so as to be able to reciprocate along a carriage shaft 205 attached to the apparatus main body 204. When the driving force of the driving motor 206 is transmitted to the carriage 203 via a plurality of gears and a timing belt 207 (not shown), the carriage 203 moves along the carriage shaft 205. A recording sheet 290 fed by a sheet feeding roller (not shown) is conveyed onto the platen 208 and printed by ink supplied from the ink cartridges 221 and 222 and ejected from the recording head 1.

(4)実施例:
以下、実施例を示すが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
(4) Example:
Hereinafter, although an example is shown, the present invention is not limited by the following examples.

[下電極形成基板の作製]
Pt(白金)/TiOx(酸化チタン)/SiO2/Siの各層を有する基板を次のようにして作製した。
まず、(100)に配向した単結晶シリコン(Si)基板を拡散炉中で加熱して表面を熱酸化させ、膜厚1200nmの酸化シリコン(SiO2)膜をSi基板表面に形成した。次に、RF(高周波)マグネトロンスパッタ法によりSiO2膜上に膜厚40nmのチタン(Ti)膜を作製し、熱酸化させて酸化チタン(TiOx)薄膜を形成した。さらに、RFマグネトロンスパッタ法により酸化チタン膜上に(111)面に配向した厚さ100nmの白金薄膜(下電極20)を形成した。
[Preparation of lower electrode forming substrate]
A substrate having each layer of Pt (platinum) / TiO x (titanium oxide) / SiO 2 / Si was produced as follows.
First, a (100) -oriented single crystal silicon (Si) substrate was heated in a diffusion furnace to thermally oxidize the surface, and a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 1200 nm was formed on the Si substrate surface. Next, a titanium (Ti) film having a thickness of 40 nm was formed on the SiO 2 film by RF (high frequency) magnetron sputtering and thermally oxidized to form a titanium oxide (TiO x ) thin film. Furthermore, a 100 nm-thick platinum thin film (lower electrode 20) oriented in the (111) plane was formed on the titanium oxide film by RF magnetron sputtering.

[前駆体溶液作製]
Bi,Ba,Fe,Ti,Mn各金属元素の前駆体材料として2−エチルヘキサン酸塩を用い、図7(a)に示す組成で「R」,「+15」,「+8」,「−15」,「−30」の各前駆体溶液を調製した。「R」は、ペロブスカイト型酸化物の目標である(Bi,Ba)(Fe,Ti,Mn)Ozの化学量論比に合わせた各金属のモル濃度比を表し、Bi:Ba:Fe:Ti:Mn=75:25:71.25:25:3.75である。「+15」,「+8」は、Biのモル濃度比を「R」に対して+15%,+8%過剰にした各金属のモル濃度比を表している。「−15」,「−30」は、Biのモル濃度比を「R」に対して15%,30%不足させた各金属のモル濃度比を表している。
溶媒には、n−オクタンを用いた。
[Precursor solution preparation]
2-ethylhexanoate is used as a precursor material of each metal element of Bi, Ba, Fe, Ti, and Mn, and “R”, “+15”, “+8”, “−15” with the composition shown in FIG. ”And“ −30 ”precursor solutions were prepared. “R” represents the molar concentration ratio of each metal in accordance with the stoichiometric ratio of (Bi, Ba) (Fe, Ti, Mn) O z which is the target of the perovskite oxide, and Bi: Ba: Fe: Ti: Mn = 75: 25: 71.25: 25: 3.75. “+15” and “+8” represent the molar concentration ratio of each metal in which the molar concentration ratio of Bi is increased by + 15% and + 8% relative to “R”. “−15” and “−30” represent the molar concentration ratio of each metal in which the molar concentration ratio of Bi is 15% and 30% shorter than “R”.
N-octane was used as the solvent.

[実施例及び比較例の圧電体層形成基板作製]
図7(b)は、スピンコートプロセスの各層の前駆体溶液に上述した「R」,「+15」,「+8」,「−15」,「−30」のいずれかを用いた実施例1〜8及び比較例1,2の層構成を示している。図7(b)中、「層」欄は下電極側から数えた層の番号を示し、「処理」欄の「脱脂」は前駆体溶液を塗布した後に乾燥工程と脱脂工程を行ったことを示し、「処理」欄の「焼成」は前駆体溶液を塗布した後に乾燥工程と脱脂工程と焼成工程を行ったことを示している。塗布工程では、いずれも、前駆体溶液を基板に滴下し、基板を回転させ最高回転速度3000rpmを30秒継続させるスピンコート法により塗布膜を形成した。乾燥工程では、いずれも、ホットプレート上に基板を載せて180℃に加熱して2分間乾燥を行った。脱脂工程では、いずれも、350℃に加熱して2分間脱脂を行った。焼成工程では、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置により酸素雰囲気中、昇温速度15℃/秒で800℃に加熱して5分間焼成を行った。
[Production of Piezoelectric Layer Forming Substrates of Examples and Comparative Examples]
FIG. 7 (b) shows Examples 1 to 7 in which any of the above-described “R”, “+15”, “+8”, “−15”, and “−30” is used as the precursor solution of each layer of the spin coating process. 8 and the layer structure of Comparative Examples 1 and 2 are shown. In FIG. 7 (b), the “layer” column indicates the layer number counted from the lower electrode side, and “degreasing” in the “treatment” column indicates that the drying step and the degreasing step were performed after the precursor solution was applied. “Baking” in the “treatment” column indicates that the drying process, the degreasing process, and the baking process were performed after the precursor solution was applied. In any coating process, the precursor solution was dropped onto the substrate, and the coating film was formed by a spin coating method in which the substrate was rotated and the maximum rotation speed of 3000 rpm was continued for 30 seconds. In each of the drying steps, the substrate was placed on a hot plate, heated to 180 ° C., and dried for 2 minutes. In the degreasing process, all were degreased by heating to 350 ° C. for 2 minutes. In the firing step, firing was performed for 5 minutes by heating to 800 ° C. at a temperature rising rate of 15 ° C./second in an oxygen atmosphere by an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus.

実施例及び比較例のそれぞれについて、まず、1層目の前駆体溶液を下電極形成基板の下電極上に滴下して塗布膜を形成し(塗布工程)、乾燥工程及び脱脂工程を経て1層目のアモルファス層を形成した。次いで、2層目の前駆体溶液を1層目のアモルファス層上に滴下して塗布膜を形成し、乾燥工程及び脱脂工程を経て2層目のアモルファス層を形成した。次いで、3層目の前駆体溶液を2層目のアモルファス層上に滴下して塗布膜を形成し、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を経て結晶化層を形成した。実施例1〜8の結晶化層は、バッファー層35に相当する。
以下、図7(b)に示す前駆体溶液を用いて「塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せをさらに3回繰り返すことにより、スピンコートプロセスの層数を12とした圧電薄膜(圧電体層)を下電極上に形成した。
For each of the examples and comparative examples, first, the first layer precursor solution is dropped onto the lower electrode of the lower electrode forming substrate to form a coating film (coating step), and then the first layer is passed through a drying step and a degreasing step. An amorphous layer of eyes was formed. Next, a second precursor solution was dropped onto the first amorphous layer to form a coating film, and a second amorphous layer was formed through a drying step and a degreasing step. Next, the third precursor solution was dropped onto the second amorphous layer to form a coating film, and a crystallization layer was formed through a drying step, a degreasing step, and a firing step. The crystallization layers of Examples 1 to 8 correspond to the buffer layer 35.
Hereinafter, by using the precursor solution shown in FIG. 7 (b), the combination of “coating step, drying step and degreasing step three times” and “firing step” is repeated three more times to obtain the number of layers in the spin coating process. A piezoelectric thin film (piezoelectric layer) having a thickness of 12 was formed on the lower electrode.

例えば、実施例1は、「−30の第1前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ1回」と「+15の第2前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ2回」と「焼成工程」を行ってバッファー層を形成した後、「+15の第2前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せを3回繰り返している。圧電薄膜全体に対する第1アモルファス層の層数の比は1/12=0.083、圧電薄膜全体に対するバッファー層の第2アモルファス層の層数の比は2/12=0.17、である。
実施例3は、「−30の第1前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ1回」と「+15の第2前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ2回」と「焼成工程」を行ってバッファー層を形成した後、「Rの第3前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せを3回繰り返している。圧電薄膜全体に対する第1アモルファス層の層数の比は1/12=0.083、圧電薄膜全体に対するバッファー層の第2アモルファス層の層数の比は2/12=0.17、である。
実施例5,7は、実施例1,3の第2前駆体溶液を「+15」から「+8」に置き換えている。
実施例2,4,6,8は、実施例1,3,5,7の第1前駆体溶液を「−30」から「−15」に置き換えている。
For example, in Example 1, the combination of “-30 first precursor solution coating step, drying step and degreasing step once” and “+15 second precursor solution coating step, drying step and degreasing step combination” After forming the buffer layer by performing “twice” and “firing process”, the combination of “+15 second precursor solution coating process, drying process and degreasing process three times” and “firing process” three times It is repeating. The ratio of the number of first amorphous layers to the entire piezoelectric thin film is 1/12 = 0.083, and the ratio of the number of second amorphous layers of the buffer layer to the entire piezoelectric thin film is 2/12 = 0.17.
In Example 3, “-30 combination of the first precursor solution coating step, drying step and degreasing step once” and “+15 second precursor solution coating step, combination of drying step and degreasing step twice” ”And“ baking step ”to form a buffer layer, and then the combination of“ the third combination of the R precursor solution, the drying step and the degreasing step 3 times ”and the“ baking step ”is repeated three times. Yes. The ratio of the number of first amorphous layers to the entire piezoelectric thin film is 1/12 = 0.083, and the ratio of the number of second amorphous layers of the buffer layer to the entire piezoelectric thin film is 2/12 = 0.17.
In Examples 5 and 7, the second precursor solution of Examples 1 and 3 is replaced from “+15” to “+8”.
Examples 2, 4, 6, and 8 replace the first precursor solution of Examples 1, 3, 5, and 7 from “−30” to “−15”.

比較例1は、「Rの前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せを4回繰り返している。比較例2は、「+15の前駆体溶液の塗布工程と乾燥工程と脱脂工程の組合せ3回」と「焼成工程」の組合せを4回繰り返している。
得られた圧電薄膜の厚みは、937〜1030nmとほぼ同じであった。
In Comparative Example 1, the combination of “the combination of the R precursor solution coating process, the drying process, and the degreasing process 3 times” and the “baking process” is repeated 4 times. In Comparative Example 2, the combination of “+15 precursor solution coating process, drying process and degreasing process 3 times” and “baking process” is repeated 4 times.
The thickness of the obtained piezoelectric thin film was almost the same as 937 to 1030 nm.

[圧電薄膜の評価]
各圧電薄膜サンプルの表面を金属顕微鏡で確認した。結果の例として、図12に実施例1の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像、図13に比較例1の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像、図14に比較例2の圧電薄膜表面の暗視野100倍画像、を示している。図13に示すように、全層を「R」で形成した比較例1の圧電薄膜サンプルの表面には、大きなクラックが見られる。図14に示すように、全層をBi過剰の「+15」で形成した比較例2の圧電薄膜サンプルの表面には、暗視野100倍で確認できる大きさのクラックは見られない。図12に示すように、Bi過剰の「+15」の第2アモルファス層の下に「−30」のBi不足状態の第1アモルファス層を形成した例1の圧電薄膜サンプルの表面にも、暗視野100倍で確認できる大きさのクラックは見られない。
従って、Bi過剰のアモルファス層が存在することにより、圧電体層のクラックが低減することが分かる。
[Evaluation of piezoelectric thin film]
The surface of each piezoelectric thin film sample was confirmed with a metal microscope. As an example of the results, FIG. 12 shows a dark field 100 × image of the piezoelectric thin film surface of Example 1, FIG. 13 shows a dark field 100 × image of the piezoelectric thin film surface of Comparative Example 1, and FIG. A dark field 100 × image is shown. As shown in FIG. 13, large cracks are observed on the surface of the piezoelectric thin film sample of Comparative Example 1 in which all layers are formed of “R”. As shown in FIG. 14, no crack of a size that can be confirmed with a dark field of 100 times is observed on the surface of the piezoelectric thin film sample of Comparative Example 2 in which all layers are formed with Bi + “+ 15”. As shown in FIG. 12, the dark field also appears on the surface of the piezoelectric thin film sample of Example 1 in which the first amorphous layer of “−30” Bi-deficient state is formed under the Bi-rich “+15” second amorphous layer. There is no crack of a size that can be confirmed at 100 times.
Therefore, it can be seen that the presence of the Bi-excess amorphous layer reduces cracks in the piezoelectric layer.

各圧電薄膜サンプルについてX線回折広角法(XRD)によりX線回折チャートを求めたところ、いずれも(110)面に優先配向していることが分かった。   When an X-ray diffraction chart was obtained for each piezoelectric thin film sample by the X-ray diffraction wide angle method (XRD), it was found that all were preferentially oriented in the (110) plane.

[圧電素子の評価]
各圧電薄膜サンプルについて、スパッタ法により圧電体層形成基板の圧電薄膜上に厚さ100nmの白金薄膜(上電極40)を形成した後、RTA装置により酸素雰囲気中、750℃で5分間焼成し、圧電素子サンプルを形成した。各圧電素子について、白金電極間に電圧を印加し、I−V特性、すなわち、印加電圧(V)に対する電流密度(A/cm2)を測定した。
[Evaluation of piezoelectric element]
For each piezoelectric thin film sample, a platinum thin film (upper electrode 40) having a thickness of 100 nm was formed on the piezoelectric thin film of the piezoelectric layer forming substrate by sputtering, and then fired at 750 ° C. for 5 minutes in an oxygen atmosphere using an RTA apparatus. A piezoelectric element sample was formed. For each piezoelectric element, a voltage was applied between the platinum electrodes, and the IV characteristics, that is, the current density (A / cm 2 ) relative to the applied voltage (V) was measured.

図8(a)に実施例1,2及び比較例2のI―V特性の測定結果、図8(b)に実施例5,6のI―V特性の測定結果、を示している。また、図9(a)に実施例3,4及び比較例2のI―V特性の測定結果、図9(b)に実施例7,8のI―V特性の測定結果、を示している。ここで、横軸は印加電圧、縦軸は電流密度の常用対数、「1.E−0i」(iは1〜7の整数)は10-i、「1.E+0i」(iは0又は1)は10+i、を示している。図8(a)に示すように、全層をBi過剰の「+15」で形成した比較例2の圧電素子サンプルは、圧電体層の絶縁破壊電圧、すなわち、急激なリーク電流の生じる電圧が+50V程度及び−35V程度と低かった。一方、Bi過剰状態の第2アモルファス層の下にBi不足状態の第1アモルファス層を入れてバッファー層を形成した実施例1〜8の圧電素子サンプルは、第1前駆体溶液が「−30」と「−15」のいずれの場合も、第2前駆体溶液が「+15」と「+8」のいずれの場合も、バッファー層上の前駆体溶液が「+15」と「+8」と「R」のいずれの場合も、比較例2の圧電素子サンプルと比べて絶縁破壊電圧が高くなった。 FIG. 8A shows the measurement results of the IV characteristics of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, and FIG. 8B shows the measurement results of the IV characteristics of Examples 5 and 6. FIG. 9A shows the measurement results of the IV characteristics of Examples 3 and 4 and Comparative Example 2, and FIG. 9B shows the measurement results of the IV characteristics of Examples 7 and 8. . Here, the horizontal axis is the applied voltage, the vertical axis is the common logarithm of the current density, “1.E-0i” (i is an integer of 1 to 7) is 10 −i , “1.E + 0i” (i is 0 or 1) ) Indicates 10 + i . As shown in FIG. 8A, the piezoelectric element sample of Comparative Example 2 in which all the layers are formed with Bi excess “+15” has a dielectric breakdown voltage of the piezoelectric layer, that is, a voltage causing a sudden leak current of +50 V. It was as low as about -35V. On the other hand, in the piezoelectric element samples of Examples 1 to 8 in which the buffer layer was formed by putting the Bi amorphous first amorphous layer under the Bi excessive second amorphous layer, the first precursor solution was “−30”. And “−15”, in both cases where the second precursor solution is “+15” and “+8”, the precursor solutions on the buffer layer are “+15”, “+8”, and “R”. In any case, the dielectric breakdown voltage was higher than that of the piezoelectric element sample of Comparative Example 2.

以上より、Bi過剰状態の第2アモルファス層の下にBi不足状態の第1アモルファス層を入れてバッファー層を形成すると、このようなバッファー層を形成しなかった圧電素子と比べて絶縁破壊電圧を高くすることができ、耐電圧性を向上させることができることが分かった。なお、図12で圧電薄膜表面の画像を示したように、圧電体層のクラック低減効果も維持される。   As described above, when the buffer layer is formed by inserting the Bi amorphous first amorphous layer under the Bi excessive second amorphous layer, the dielectric breakdown voltage is reduced as compared with the piezoelectric element in which such a buffer layer is not formed. It was found that the voltage can be increased and the withstand voltage can be improved. As shown in the image of the piezoelectric thin film surface in FIG. 12, the effect of reducing cracks in the piezoelectric layer is also maintained.

また、各圧電素子について、東陽テクニカ社製FCE−1Aを用い、Φ=500μmの電極パターンを使用し、室温大気中で周波数1kHzの三角波を印加して、5Vから30Vまで5V毎に印加電圧を変えていき、分極量P(μC/cm2)と電圧(V)の関係を求めた。 In addition, for each piezoelectric element, FCE-1A manufactured by Toyo Technica Co., Ltd. is used, an electrode pattern of Φ = 500 μm is used, a triangular wave with a frequency of 1 kHz is applied in the room temperature atmosphere, and an applied voltage is applied every 5 V from 5 V to 30 V. The relationship between the amount of polarization P (μC / cm 2 ) and the voltage (V) was determined.

図10(a)〜(e)に実施例1〜4及び比較例2のヒステリシス特性の測定結果を示し、図11(a)〜(d)に実施例5〜8のヒステリシス特性の測定結果を示している。図10,11に示すように、実施例1〜8及び比較例2の圧電素子サンプルは、ほぼ同様の良好なヒステリシス特性が得られた。   FIGS. 10A to 10E show the measurement results of the hysteresis characteristics of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2. FIGS. 11A to 11D show the measurement results of the hysteresis characteristics of Examples 5 to 8. Show. As shown in FIGS. 10 and 11, the piezoelectric element samples of Examples 1 to 8 and Comparative Example 2 had substantially the same good hysteresis characteristics.

なお、第1前駆体溶液において、Bサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度に対するBiの濃度の比R1Bi/(B-Ti)を0.70以上0.85以下にすると、良好な耐電圧性を得ることができる。 In the first precursor solution, when the ratio R1 Bi / (B-Ti) of the Bi concentration to the molar concentration of the element excluding Ti from the B site element is 0.70 or more and 0.85 or less, good resistance Voltage property can be obtained.

(5)応用、その他:
本発明は、種々の変形例が考えられる。
上述した実施形態では圧力発生室毎に個別の圧電体を設けているが、複数の圧力発生室に共通の圧電体を設け圧力発生室毎に個別電極を設けることも可能である。
上述した実施形態では流路形成基板にリザーバの一部を形成しているが、流路形成基板とは別の部材にリザーバを形成することも可能である。
上述した実施形態では圧電素子の上側を圧電素子保持部で覆っているが、圧電素子の上側を大気に開放することも可能である。
上述した実施形態では振動板を隔てて圧電素子の反対側に圧力発生室を設けたが、圧電素子側に圧力発生室を設けることも可能である。例えば、固定した板間及び圧電素子間で囲まれた空間を形成すれば、この空間を圧力発生室とすることができる。
(5) Application and others:
Various modifications can be considered for the present invention.
In the above-described embodiment, an individual piezoelectric body is provided for each pressure generation chamber. However, a common piezoelectric body may be provided for a plurality of pressure generation chambers, and an individual electrode may be provided for each pressure generation chamber.
In the above-described embodiment, a part of the reservoir is formed on the flow path forming substrate. However, the reservoir may be formed on a member different from the flow path forming substrate.
In the above-described embodiment, the upper side of the piezoelectric element is covered with the piezoelectric element holding unit, but the upper side of the piezoelectric element can be opened to the atmosphere.
In the embodiment described above, the pressure generating chamber is provided on the opposite side of the piezoelectric element with the diaphragm interposed therebetween, but it is also possible to provide the pressure generating chamber on the piezoelectric element side. For example, if a space surrounded by fixed plates and piezoelectric elements is formed, this space can be used as a pressure generating chamber.

流体噴射ヘッドから吐出される液体は、液体噴射ヘッドから吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル、等の流体が含まれる。このような流体には、インク、液晶、等が含まれる。液体噴射ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置、有機ELディスプレー等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置、等に搭載可能である。   The liquid ejected from the fluid ejecting head may be any material that can be ejected from the liquid ejecting head, such as a solution in which a dye or the like is dissolved in a solvent, or a sol in which solid particles such as pigments or metal particles are dispersed in a dispersion medium. Is included. Such fluids include ink, liquid crystal, and the like. The liquid ejecting head can be mounted on an image recording apparatus such as a printer, a color filter manufacturing apparatus such as a liquid crystal display, an electrode manufacturing apparatus such as an organic EL display, a biochip manufacturing apparatus, and the like.

上述した製造方法により製造される積層セラミックスは、強誘電体デバイス、焦電体デバイス、圧電体デバイス、及び光学フィルターの強誘電体薄膜を形成するのに好適に用いることができる。強誘電体デバイスとしては、強誘電体メモリー(FeRAM)、強誘電体トランジスタ(FeFET)等が挙げられ、焦電体デバイスとしては、温度センサー、赤外線検出器、温度−電気変換器等が挙げられ、圧電体デバイスとしては、流体吐出装置、超音波モーター、加速度センサー、圧力−電気変換器等が挙げられ、光学フィルターとしては、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルターが挙げられる。   The laminated ceramics produced by the production method described above can be suitably used to form ferroelectric thin films for ferroelectric devices, pyroelectric devices, piezoelectric devices, and optical filters. Ferroelectric devices include ferroelectric memory (FeRAM), ferroelectric transistors (FeFET), etc., and pyroelectric devices include temperature sensors, infrared detectors, temperature-electric converters, and the like. Examples of piezoelectric devices include fluid ejection devices, ultrasonic motors, acceleration sensors, and pressure-electric converters. Optical filters include blocking filters for harmful rays such as infrared rays, and photonic crystal effects due to quantum dot formation. And an optical filter using optical interference of a thin film.

以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、非鉛又は低鉛化した圧電材料を用いた圧電素子、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の性能を向上させる技術等を提供することができる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
As described above, according to the present invention, according to various aspects, it is possible to provide a technique for improving the performance of a piezoelectric element, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus using a lead-free or low-lead piezoelectric material. it can.
In addition, the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually replaced, the combinations are changed, the known technology, and the configurations disclosed in the embodiments and modifications described above are mutually connected. It is possible to implement a configuration in which replacement or combination is changed. The present invention includes these configurations and the like.

1…記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、2…圧電アクチュエーター、3…圧電素子、10…流路形成基板、12…圧力発生室、15…シリコン基板、16…弾性膜(振動板)、20…下電極(第1電極)、30…圧電体層、31…第1塗布膜、32…第1アモルファス層、33…第2塗布膜、34…第2アモルファス層、35…バッファー層、36…第3塗布膜、37…第3アモルファス層、40…上電極(第2電極)、45…リード電極、50…保護基板、60…コンプライアンス基板、65…駆動回路、70…ノズルプレート、71…ノズル開口、200…記録装置(液体噴射装置)、S1…第1アモルファス層形成工程、S2…第2アモルファス層形成工程、S3…バッファー層形成工程、S4…圧電体層形成工程、S11…第1前駆体塗布工程、S12…第1塗布膜脱脂工程、S21…第2前駆体塗布工程、S22…第2塗布膜脱脂工程、S41…第2前駆体塗布工程、S42…第2塗布膜脱脂工程、S43…第2脱脂膜焼成工程、S44…第3前駆体塗布工程、S45…第3塗布膜脱脂工程、S46…第3脱脂膜焼成工程。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Recording head (liquid ejecting head), 2 ... Piezoelectric actuator, 3 ... Piezoelectric element, 10 ... Channel formation substrate, 12 ... Pressure generating chamber, 15 ... Silicon substrate, 16 ... Elastic film (vibration plate), 20 ... Bottom Electrode (first electrode), 30 ... piezoelectric layer, 31 ... first coating film, 32 ... first amorphous layer, 33 ... second coating film, 34 ... second amorphous layer, 35 ... buffer layer, 36 ... third Coating film: 37 ... third amorphous layer, 40 ... upper electrode (second electrode), 45 ... lead electrode, 50 ... protective substrate, 60 ... compliance substrate, 65 ... driving circuit, 70 ... nozzle plate, 71 ... nozzle opening, DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 ... Recording apparatus (liquid ejecting apparatus), S1 ... 1st amorphous layer formation process, S2 ... 2nd amorphous layer formation process, S3 ... Buffer layer formation process, S4 ... Piezoelectric layer formation process, S11 ... 1st precursor Cloth process, S12 ... 1st coating film degreasing process, S21 ... 2nd precursor coating process, S22 ... 2nd coating film degreasing process, S41 ... 2nd precursor coating process, S42 ... 2nd coating film degreasing process, S43 ... 2nd degreasing film baking process, S44 ... 3rd precursor application | coating process, S45 ... 3rd coating film degreasing process, S46 ... 3rd degreasing film baking process.

Claims (5)

圧電体層及び電極を有する圧電素子の製造方法であって、
前記電極上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第1前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂して第1アモルファス層を形成する工程と、
前記第1アモルファス層上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む第2前駆体溶液の塗布膜を形成し、該塗布膜を脱脂して第2アモルファス層を形成する工程と、
前記第1アモルファス層及び前記第2アモルファス層を焼成してバッファー層を形成する工程と、
前記バッファー層上に少なくともBi、Ba、Fe及びTiを含む層を形成してペロブスカイト型酸化物を有する前記圧電体層を形成する工程と、を備え、
前記第2前駆体溶液のBiのモル濃度は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも大きく、
前記第1前駆体溶液のBiのモル濃度は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度よりも小さい、圧電素子の製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode,
Forming a first precursor solution coating film containing at least Bi, Ba, Fe and Ti on the electrode, and degreasing the coating film to form a first amorphous layer;
Forming a coating film of a second precursor solution containing at least Bi, Ba, Fe and Ti on the first amorphous layer, and degreasing the coating film to form a second amorphous layer;
Firing the first amorphous layer and the second amorphous layer to form a buffer layer;
Forming a layer containing at least Bi, Ba, Fe and Ti on the buffer layer to form the piezoelectric layer having a perovskite oxide, and
The molar concentration of Bi in the second precursor solution is larger than the molar concentration of an element obtained by removing Ti from a B-site element containing at least Fe and Ti to be the perovskite oxide,
The method for manufacturing a piezoelectric element, wherein a molar concentration of Bi in the first precursor solution is smaller than a molar concentration of an element obtained by removing Ti from a B-site element containing at least Fe and Ti to be the perovskite oxide.
前記第1前駆体溶液は、前記ペロブスカイト型酸化物となる少なくともFe及びTiを含んだBサイト元素からTiを除いた元素のモル濃度に対するBiの濃度の比が0.70〜0.85である、請求項1に記載の圧電素子の製造方法。   In the first precursor solution, the ratio of the Bi concentration to the molar concentration of the element obtained by removing Ti from the B site element containing at least Fe and Ti to be the perovskite oxide is 0.70 to 0.85. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1. 前記第1前駆体溶液と前記第2前駆体溶液の少なくとも一方にMnが含まれている、請求項1又は請求項2に記載の圧電素子の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein Mn is contained in at least one of the first precursor solution and the second precursor solution. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法により圧電素子を形成する工程を備えた、液体噴射ヘッドの製造方法。   A method for manufacturing a liquid jet head, comprising the step of forming a piezoelectric element by the method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1. 請求項4に記載の液体噴射ヘッドの製造方法により液体噴射ヘッドを形成する工程を備えた、液体噴射装置の製造方法。   A method of manufacturing a liquid ejecting apparatus, comprising: forming a liquid ejecting head by the method of manufacturing a liquid ejecting head according to claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9537085B2 (en) 2014-08-18 2017-01-03 Ricoh Company, Ltd. Fabrication method of electromechanical transducer film, fabrication method of electromechanical transducer element, electromechanical transducer element, liquid ejection head, and image forming apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9537085B2 (en) 2014-08-18 2017-01-03 Ricoh Company, Ltd. Fabrication method of electromechanical transducer film, fabrication method of electromechanical transducer element, electromechanical transducer element, liquid ejection head, and image forming apparatus

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