JP2013232502A - Method for manufacturing electromechanical conversion film, electromechanical conversion element, and liquid discharge head - Google Patents

Method for manufacturing electromechanical conversion film, electromechanical conversion element, and liquid discharge head Download PDF

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善一 秋山
Kenho Chin
顕鋒 陳
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromechanical conversion film capable of obtaining stable drive characteristics when a large crystal grain is applied to an electromechanical conversion element.SOLUTION: A method for manufacturing an electromechanical conversion film by a chemical solution deposition method comprises the steps of: (1) forming a coating film by applying a coating liquid including a precursor of the electromechanical conversion film; (2) drying the coating film; (3) irradiating the dried coating film with ultraviolet light; (4) temporarily calcining the coating film irradiated with ultraviolet light; (5) repeating the step (1) to the step (4) to a desired first film thickness; and (6) finally calcining the coating film of the first film thickness.

Description

本発明は、電気機械変換膜の製造方法、電気機械変換素子及び液滴吐出ヘッドに関する。   The present invention relates to an electromechanical conversion film manufacturing method, an electromechanical conversion element, and a droplet discharge head.

画像形成装置として使用される液滴吐出装置の液滴吐出ヘッドは、電気機械変換膜を積層した電気機械変換素子を具備している。電気機械変換膜の材料としては、主に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が使用されているが、作業の安全性や環境上の観点から、非鉛系複合酸化物材料の研究が広く行われている。   A droplet discharge head of a droplet discharge device used as an image forming apparatus includes an electromechanical conversion element in which an electromechanical conversion film is stacked. Lead zirconate titanate (PZT) is mainly used as the electromechanical conversion film material, but lead-free complex oxide materials are widely studied from the viewpoint of work safety and environment. It has been broken.

非鉛系複合酸化物材料としては、チタン酸バリウムが知られている。例えば、特許文献1には、非鉛系複合酸化物材料としてチタン酸ビスマスナトリウムカリウム及びチタン酸バリウムを備え、化学的溶液析出(Chemical Solution Deposition; CSD)により形成した電気機械変換膜が開示されている。   Barium titanate is known as a lead-free complex oxide material. For example, Patent Document 1 discloses an electromechanical conversion film that includes bismuth sodium potassium titanate and barium titanate as lead-free composite oxide materials and is formed by chemical solution deposition (CSD). Yes.

しかしながら、特許文献1などの方法で得られる電気機械変換膜は、結晶粒の大きさが十分でなく、安定した駆動特性を得られないことがある。   However, the electromechanical conversion film obtained by the method of Patent Document 1 or the like may not have a sufficient crystal grain size and cannot obtain stable driving characteristics.

そこで、本発明は、結晶粒が大きく、電気機械変換素子に応用した場合に、安定した駆動特性を得ることが可能な電気機械変換膜を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an electromechanical conversion film having large crystal grains and capable of obtaining stable driving characteristics when applied to an electromechanical conversion element.

化学溶液堆積法で電気機械変換膜を製造する方法であって、
(1)前記電気機械変換膜の前駆体を含む塗布液を塗布して塗膜を形成する、塗膜形成工程と、
(2)前記塗膜を乾燥する、乾燥工程と、
(3)乾燥した前記塗膜に紫外線を照射する、紫外線照射工程と、
(4)紫外線を照射した前記塗膜を仮焼する、仮焼工程と、
(5)前記(1)の工程から前記(4)の工程を、所望の第1の膜厚まで繰り返す工程と、
(6)前記第1の膜厚の前記塗膜を本焼する、本焼工程と、
を有する、電気機械変換膜の製造方法が提供される。
A method for producing an electromechanical conversion film by chemical solution deposition,
(1) A coating film forming step of forming a coating film by applying a coating liquid containing a precursor of the electromechanical conversion film;
(2) a drying step of drying the coating film;
(3) An ultraviolet irradiation step of irradiating the dried coating film with ultraviolet rays,
(4) a calcining step of calcining the coating film irradiated with ultraviolet rays;
(5) repeating the step (4) to the desired first film thickness from the step (1);
(6) a main baking process of baking the coating film having the first film thickness;
A method for producing an electromechanical conversion film is provided.

結晶粒が大きく、電気機械変換素子に応用した場合に、安定した駆動特性を得ることが可能な電気機械変換膜を提供できる。   An electromechanical conversion film having large crystal grains and capable of obtaining stable driving characteristics when applied to an electromechanical conversion element can be provided.

図1は、チタン酸バリウムのCSD塗布液を減圧乾燥させ、得られた乾燥ゲルの示差熱熱重量同時測定(TG−DTA)分析結果の例である。FIG. 1 is an example of a differential thermothermal gravimetric simultaneous measurement (TG-DTA) analysis result of a dried gel obtained by drying a barium titanate CSD coating solution under reduced pressure. 図2は、本実施形態に係る電気機械変換膜の作製工程の例を説明するための、フロー図である。FIG. 2 is a flowchart for explaining an example of a production process of the electromechanical conversion film according to the present embodiment. 図3は、CSD塗布液の調製方法を説明するための概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a method for preparing a CSD coating solution. 図4は、紫外線照射の効果を説明するための、紫外線照射前後の膜のFT−IR測定結果の例である。FIG. 4 is an example of FT-IR measurement results of the film before and after ultraviolet irradiation for explaining the effect of ultraviolet irradiation. 図5は、本実施形態で得られたチタン酸バリウム膜の特性を説明するための概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the characteristics of the barium titanate film obtained in the present embodiment. 図6は、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構造の例を説明するための概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the structure of the droplet discharge head according to the present embodiment.

以下、図面を用いて本発明について詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[CSD塗布液の調製]
本実施形態に係る電気機械変換素子(圧電素子)は、基板上に下部電極、電気機械変換膜(圧電膜、電歪膜)及び上部電極を積層した構造を有する。
[Preparation of CSD coating solution]
The electromechanical conversion element (piezoelectric element) according to this embodiment has a structure in which a lower electrode, an electromechanical conversion film (piezoelectric film, electrostrictive film), and an upper electrode are stacked on a substrate.

電気機械変換膜は、非鉛系複合酸化物材料を使用する。非鉛系複合酸化物材料としては、具体的には、チタン酸バリウム(BaTiO)などの、Ba及びTiを含む複合酸化物などを使用することができる。他にも、Ba及びTiを含む複合酸化物材料が、スズ(Sn)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)又はジルコニウム(Zr)のいずれか1つの元素で置換された材料などを使用することができる。具体的には、一般式ABOで記述され、A=Ba、Sr、Ca B=Ti、Sn、Zrを主成分とする複合酸化物が該当する。本実施形態では、一例として、チタン酸バリウムを使用する場合について述べるが、本発明はこの点において限定されない。 The electromechanical conversion film uses a lead-free complex oxide material. As the lead-free complex oxide material, specifically, a complex oxide containing Ba and Ti such as barium titanate (BaTiO 3 ) can be used. In addition, a material in which a complex oxide material containing Ba and Ti is substituted with any one element of tin (Sn), strontium (Sr), calcium (Ca), or zirconium (Zr) is used. Can do. Specifically, a composite oxide described by the general formula ABO 3 and having A = Ba, Sr, Ca B = Ti, Sn, Zr as main components is applicable. In this embodiment, as an example, the case where barium titanate is used will be described, but the present invention is not limited in this respect.

BaTiO膜をCSD法で作製する場合、出発原料としては、バリウムエトキシド、チタンイソプロポキシドを出発原料として使用する。BaTiO膜のBa及び/又はTi元素の一部を、前述の元素で置換する場合、出発原料として、置換元素のアルコキシド化合物や、酢酸ストロンチウムなどといった酢酸塩若しくはアセチルアセトナート塩を使用することができる。 When the BaTiO 3 film is produced by the CSD method, barium ethoxide and titanium isopropoxide are used as starting materials. When a part of the Ba and / or Ti element of the BaTiO 3 film is substituted with the above-mentioned elements, an alkoxide compound of the substitution element or an acetate or acetylacetonate salt such as strontium acetate may be used as a starting material. it can.

出発原料を溶解する共通溶媒としては、メトキシエタノールを使用することができ、従来のCSD塗布液(前駆体溶液)調製法に従い、均一な塗布液を調製することが好ましい。   As a common solvent for dissolving the starting material, methoxyethanol can be used, and it is preferable to prepare a uniform coating solution according to a conventional method for preparing a CSD coating solution (precursor solution).

なお、出発原料としてバリウムアルコキシドを使用する場合、この材料は共通溶媒への溶解性が乏しいため、共通溶媒にメタノールを添加することが好ましい。   In addition, when using barium alkoxide as a starting material, since this material has poor solubility in a common solvent, it is preferable to add methanol to the common solvent.

調製したCSD塗布液は、通常、常温常圧下での安定性が不十分であるため、解膠剤として、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン又はトリエタノールアミンなどを添加することが好ましい。これらの解膠剤を添加することにより、長期保存が可能であるCSD塗布液が得られる。   Since the prepared CSD coating solution is usually insufficiently stable under normal temperature and normal pressure, it is preferable to add monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine or the like as a peptizer. By adding these peptizers, a CSD coating solution that can be stored for a long time can be obtained.

CSD塗布液には更に、結晶粒の成長を促進させるための、焼結助剤を添加しても良い。焼結助剤としては、特に限定されないが、例えば、チタン酸バリウムを成膜する際に有効な焼結助剤としては、酸化シリコン(SiO)、酸化ホウ素(B)、酸化リチウム(Li)及び酸化ビスマス(Bi)などが挙げられる。これらの材料は、1種類を単独で使用しても良く、2種類以上を混合して使用しても良い。 A sintering aid for promoting crystal grain growth may be further added to the CSD coating solution. Although it does not specifically limit as a sintering aid, For example, as a sintering aid effective when forming a film of barium titanate, silicon oxide (SiO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), lithium oxide (Li 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and the like. These materials may be used alone or in combination of two or more.

[本実施形態に係る電気機械変換膜の作製]
本発明の電気機械変換膜の作成工程は、(1)CSD塗布液の塗膜形成工程、(2)乾燥工程、(3)紫外線照射工程、(4)仮焼工程、(5)工程(1)〜工程(4)を所望の第1の膜厚まで繰り返す工程、(6)本焼工程を含み、必要に応じて(7)工程(1)〜工程(6)を所望の第2の膜厚まで繰り返す工程を含む。
[Production of Electromechanical Conversion Film According to this Embodiment]
The electromechanical conversion film production process of the present invention includes (1) a CSD coating film coating process, (2) a drying process, (3) an ultraviolet irradiation process, (4) a calcination process, and (5) process (1 ) To step (4) to a desired first film thickness, (6) including a firing step, and if necessary, (7) steps (1) to (6) to the desired second film Including the step of repeating to thickness.

通常、CSD法による電気機械変換膜の作製工程は、(i)CSD塗布液の塗膜形成工程、(ii)塗膜の乾燥工程、(iii)乾燥膜の熱分解工程及び(iv)熱分解膜の結晶化工程を有する。このとき、工程(ii)後は有機溶媒が存在しない状態であり、工程(iii)後は有機成分が残留しない状態又は非晶状態であり、工程(iv)後は結晶化膜になっている状態である。   Usually, the electromechanical conversion film production process by the CSD method includes (i) a CSD coating solution coating process, (ii) a coating film drying process, (iii) a dry film thermal decomposition process, and (iv) a thermal decomposition process. A film crystallization step. At this time, the organic solvent is not present after the step (ii), the organic component is not left after the step (iii) or is in an amorphous state, and a crystallized film is obtained after the step (iv). State.

図1に、チタン酸バリウムのCSD塗布液を減圧乾燥させ、得られた乾燥ゲルの示差熱熱重量同時測定(TG−DTA)分析結果の例を示す。図1より、DTA曲線には、主として4つの熱収支によるピークが見受けられる。ピークP1は、第1の有機物燃焼に起因するピークであり(TG曲線に重量減少が認められる)、ピークP2は、第2の有機物燃焼に起因するピークであり(TG曲線に重量減少が認められる)、ピークP3は、金属錯体として配位していた有機アミン成分の燃焼に起因するピークである(TG曲線に重量減少が認められる)。なお、第1の有機物は、乾燥ゲルのネットワーク中に取り込まれていた有機物であり、第2の有機物は、金属アルコキシドのアルコキシド基の燃焼に相当する。   In FIG. 1, the CSD coating liquid of barium titanate is dried under reduced pressure, and the example of the differential thermothermal weight simultaneous measurement (TG-DTA) analysis result of the obtained dried gel is shown. As shown in FIG. 1, the DTA curve has four peaks due to the heat balance. The peak P1 is a peak due to the first organic matter combustion (weight reduction is recognized in the TG curve), and the peak P2 is a peak due to the second organic matter combustion (weight reduction is recognized in the TG curve) ), Peak P3 is a peak resulting from the combustion of the organic amine component coordinated as a metal complex (weight reduction is observed in the TG curve). The first organic substance is an organic substance that has been incorporated into the network of the dried gel, and the second organic substance corresponds to the combustion of the alkoxide group of the metal alkoxide.

ピークP4は、ピークP3までの熱履歴により生成した酸化バリウムが、系内に存在する二酸化炭素と反応し炭酸バリウムが生成し、更なる温度の上昇により炭酸バリウムが熱分解して酸化バリウムに自己分解することに起因する(TG曲線に重量減少が認められる)。この自己分解は、約680℃で終了し、自己分解後、酸化バリウム粒子近傍に存在する酸化チタンと反応することで、チタン酸バリウムが生成する。   In the peak P4, the barium oxide generated by the thermal history up to the peak P3 reacts with carbon dioxide existing in the system to generate barium carbonate, and the barium carbonate is thermally decomposed by the further increase in temperature to self-decompose barium oxide. This is due to decomposition (weight loss is observed in the TG curve). This self-decomposition ends at about 680 ° C., and after self-decomposition, it reacts with titanium oxide existing in the vicinity of the barium oxide particles to produce barium titanate.

従来の熱分解工程は、有機物の燃焼による非晶状態へと導くだけのものであり、上述した反応経路を考慮して処理を適正化したものではない。したがって、本実施形態では、(4)仮焼工程で、炭酸バリウムの自己分解と周囲に存在する酸化チタンとの固相反応を進行させる。具体的には、650℃〜800℃の熱処理温度で、仮焼工程を行うことが好ましい。   The conventional pyrolysis process is merely to lead to an amorphous state due to the combustion of organic matter, and is not a process that is optimized in consideration of the above-described reaction path. Therefore, in the present embodiment, (4) in the calcination step, the autolysis of barium carbonate and the solid phase reaction with the titanium oxide present in the vicinity are advanced. Specifically, it is preferable to perform the calcination step at a heat treatment temperature of 650 ° C to 800 ° C.

金属錯体を形成するアミンは、比較的強固な配位結合により、ピークP3が示す約550℃〜600℃の温度で分解離脱する。この反応は、系内の二酸化炭素との炭酸塩形成反応を促進し、炭酸塩の嵩高さによる膜膨張を導き、その後の熱分解での、体積収縮を発生させる。体積収縮は、具体的には空隙が形成されることで発生する。この空隙により、二酸化チタンとの固相反応の反応性が低下し、結晶化膜にポア(空孔)が形成される。ポアは、得られた電気機械変換膜の膜特性を劣化させるための、ポアを低減させないことが重要となる。   The amine that forms the metal complex decomposes and leaves at a temperature of about 550 ° C. to 600 ° C. indicated by the peak P3 due to a relatively strong coordination bond. This reaction promotes a carbonate formation reaction with carbon dioxide in the system, leads to film expansion due to the bulkiness of the carbonate, and causes volume shrinkage in subsequent thermal decomposition. Specifically, the volume shrinkage occurs when a void is formed. Due to the voids, the reactivity of the solid phase reaction with titanium dioxide is reduced, and pores (holes) are formed in the crystallized film. It is important that the pores are not reduced in order to deteriorate the film characteristics of the obtained electromechanical conversion film.

そこで本実施形態では、上述した(3)紫外線照射工程により、ポアの発生を抑制させる。詳細は下記に記すが、熱エネルギーによる配位結合の切断ではなく、光化学反応を用いた切断によって、ポアの発生を抑制させる。   Therefore, in the present embodiment, the generation of pores is suppressed by the above-described (3) ultraviolet irradiation process. Although details will be described below, the generation of pores is suppressed not by cleavage of coordination bonds by thermal energy but by cleavage using a photochemical reaction.

酸化バリウムの炭酸塩化の反応性は、温度の上昇に伴い加速する。即ち、熱エネルギーを利用した場合、熱エネルギーによる配位結合の切断は約550℃以上で行われ、この温度領域では、すぐに炭酸塩が形成される。   The reactivity of barium oxide carbonate increases with increasing temperature. That is, when thermal energy is used, coordination bond breakage by thermal energy is performed at about 550 ° C. or more, and carbonate is immediately formed in this temperature range.

一方、光化学反応を利用する場合、配位結合の切断は、室温でも可能である。室温での酸化バリウムの炭酸塩化は、前述の約550℃での場合と比して、非常に緩やかに進行する。このとき、二酸化炭素分圧が低い処理雰囲気下で光化学反応を施すことにより、更に炭酸塩の形成が抑制される。従来の熱分解処理は、酸素雰囲気下で行うが、残存二酸化炭素の影響を除去することは困難であるが、本実施形態の光化学反応を利用する場合、常温であるため、残存二酸化炭素の影響を除去することが可能である。   On the other hand, when a photochemical reaction is used, the coordination bond can be broken at room temperature. Carbonation of barium oxide at room temperature proceeds very slowly as compared to the case at about 550 ° C. described above. At this time, the formation of carbonate is further suppressed by performing a photochemical reaction in a treatment atmosphere having a low partial pressure of carbon dioxide. Conventional pyrolysis treatment is performed in an oxygen atmosphere, but it is difficult to remove the influence of residual carbon dioxide, but when using the photochemical reaction of this embodiment, it is at room temperature, so the influence of residual carbon dioxide. Can be removed.

紫外線照射工程における、用いる紫外線波長は、アミン分子を構成するC−N結合、N−H結合の結合エネルギーに相当する波長以下の紫外線領域を使用することが好ましい。   In the ultraviolet irradiation step, it is preferable to use an ultraviolet region having a wavelength equal to or less than the wavelength corresponding to the bond energy of the CN bond and NH bond constituting the amine molecule.

C−N結合エネルギーは、室温において64kcal/molであり、N−H結合エネルギーは92kcal/molである。したがって、波長310nm以下の紫外線照射により、C−N結合及びN−H結合の光分解が容易に達成される。   The CN bond energy is 64 kcal / mol at room temperature, and the NH bond energy is 92 kcal / mol. Therefore, photodecomposition of C—N bonds and N—H bonds can be easily achieved by irradiation with ultraviolet rays having a wavelength of 310 nm or less.

例えば、低圧水銀ランプの発光波長は、通常、254nm又は185nmであるため、これを使用することが好ましい。他にも、エキシマランプなどを使用することが好ましい。エキシマランプの場合、キセノンクロライド(XeCl;発光波長308nm)、クリプトンフロライド(KrF;発光波長248nm)、クリプトンクロライド(KrCl;発光波長222nm)、アルゴンフロライド(ArF;発光波長193nm)、キセノン(Xe;発光波長172nm)などが挙げられる。エキシマランプを使用する場合、水銀ランプより1桁程度高い紫外線発生効率を示すため、好ましく使用することができる。   For example, since the emission wavelength of a low-pressure mercury lamp is usually 254 nm or 185 nm, it is preferable to use this. In addition, it is preferable to use an excimer lamp or the like. In the case of an excimer lamp, xenon chloride (XeCl; emission wavelength 308 nm), krypton fluoride (KrF; emission wavelength 248 nm), krypton chloride (KrCl; emission wavelength 222 nm), argon fluoride (ArF; emission wavelength 193 nm), xenon (Xe A light emission wavelength of 172 nm). When an excimer lamp is used, it can be preferably used because it exhibits an ultraviolet generation efficiency that is about one digit higher than that of a mercury lamp.

また、上述したランプの中において、発光波長が200nm以上のランプを使用する場合、系内に存在する酸素の光化学反応によるオゾン生成を伴わず、紫外線照射によるC−N結合及びN−H結合の直接分解反応が進行する。一方、発光波長が200nm以下のランプを使用する場合、前述した結合の直接分解でなく、オゾンを介した分解反応が進行する。   In addition, among the lamps described above, when a lamp having an emission wavelength of 200 nm or more is used, there is no generation of ozone due to a photochemical reaction of oxygen present in the system, and CN bonds and NH bonds due to ultraviolet irradiation are not generated. Direct decomposition proceeds. On the other hand, when a lamp having an emission wavelength of 200 nm or less is used, a decomposition reaction via ozone proceeds instead of the direct decomposition of the bonds described above.

次に、本実施形態の電気機械変換膜の作成工程の各々の工程について、より詳細に説明する。図2に、本実施形態に係る電気機械変換膜の作製工程の例を説明するための、フロー図を示す。本実施形態の電気機械変換膜の作製工程は、前述の通り(1)CSD塗布液の塗膜形成工程S101、(2)乾燥工程S103、(3)紫外線照射工程S105、(4)仮焼工程S107、(5)工程(1)〜工程(4)を所望の第1の膜厚まで繰り返す工程S109、(6)本焼工程S111を含み、必要に応じて(7)工程(1)〜工程(6)を所望の第2の膜厚まで繰り返す工程S113を含む。   Next, each process of the electromechanical conversion film creation process of this embodiment will be described in more detail. FIG. 2 is a flow chart for explaining an example of the production process of the electromechanical conversion film according to this embodiment. As described above, the electromechanical conversion film production process of the present embodiment includes (1) a CSD coating film coating process S101, (2) a drying process S103, (3) an ultraviolet irradiation process S105, and (4) a calcination process. S107, (5) Steps S109 and (6) Repeat the steps (1) to (4) to the desired first film thickness, (6) The firing step S111, and if necessary, (7) Steps (1) to (Steps) It includes a step S113 of repeating (6) to a desired second film thickness.

(1)CSD塗布液の塗膜形成工程
CSD塗布液の塗膜形成工程は、CSD塗布液体を調製し、スピンコート法により基板上に成膜する工程である。
(1) CSD coating liquid coating film forming process The CSD coating liquid coating film forming process is a process in which a CSD coating liquid is prepared and formed on a substrate by spin coating.

図3に、CSD塗布液の調製方法を説明するための概略図を示す。図3に示した手順により、0.1mol/l〜0.5mol/lの濃度のCSD塗布液を作製した。これを、スピンコート法(例えば、4000rpm、20秒)により基板に塗膜を形成する。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a method for preparing a CSD coating solution. A CSD coating solution having a concentration of 0.1 mol / l to 0.5 mol / l was prepared by the procedure shown in FIG. A coating film is formed on the substrate by spin coating (for example, 4000 rpm, 20 seconds).

基板としては、特に制限はないが、誘電膜を形成したシリコン(Si)ウエハ上に、第1の電極として例えばPt膜を堆積したものなどを使用することができる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a board | substrate, What deposited the Pt film | membrane etc. as a 1st electrode on the silicon | silicone (Si) wafer in which the dielectric film was formed can be used.

このとき、Pt膜と誘電膜との密着性を向上させるために、密着膜として酸化アルミニウム(Al)膜、酸化ジルコニウム(ZrO)膜、酸化タンタル(Ta)膜、及び酸化チタン(TiO)膜のうちの1種離又は2種類以上の積層膜を使用することが好ましい。 At this time, in order to improve the adhesion between the Pt film and the dielectric film, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, a zirconium oxide (ZrO 2 ) film, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, and It is preferable to use one kind of titanium oxide (TiO 2 ) film or two or more kinds of laminated films.

なお、密着膜は、通常3nm以上100nm以下の膜厚とすることが好ましい。密着膜の膜厚が3nm未満の場合、密着性が発揮されない場合がある。一方、密着膜の膜厚が100nmを超える場合、得られる電気機械変換素子の電気機械変換効率が低下することがある。   In addition, it is preferable that the adhesion film has a thickness of usually 3 nm to 100 nm. When the thickness of the adhesion film is less than 3 nm, the adhesion may not be exhibited. On the other hand, when the film thickness of the adhesion film exceeds 100 nm, the electromechanical conversion efficiency of the obtained electromechanical conversion element may be lowered.

(2)乾燥工程
乾燥工程は、作製された塗膜の溶媒を乾燥させる工程である。具体的には、CSD塗布液に含まれる主溶媒の沸点以下の温度で、溶媒を乾燥させる。具体例としては、所定の温度に保持されているホットプレートなどの上で、処理時間5分以内の乾燥を実行する。本実施形態では、120℃で1分間乾燥させた後、300℃で1分間乾燥させた。
(2) Drying process A drying process is a process of drying the solvent of the produced coating film. Specifically, the solvent is dried at a temperature not higher than the boiling point of the main solvent contained in the CSD coating solution. As a specific example, drying within a processing time of 5 minutes is performed on a hot plate or the like maintained at a predetermined temperature. In this embodiment, after drying at 120 ° C. for 1 minute, drying was performed at 300 ° C. for 1 minute.

(3)紫外線照射工程
紫外線照射工程では、乾燥工程後の膜のゲルネットワークを構成している分子結合中の有機成分を、光化学反応により膜系外へ除去する工程である。
(3) Ultraviolet irradiation step The ultraviolet irradiation step is a step of removing organic components in the molecular bonds constituting the gel network of the film after the drying step out of the membrane system by a photochemical reaction.

本実施形態では、キセノン(Xe;発光波長172nm)ランプを使用して、室温、10分間の照射条件で、紫外線を照射した。   In this embodiment, a xenon (Xe; emission wavelength: 172 nm) lamp was used to irradiate ultraviolet rays under irradiation conditions at room temperature for 10 minutes.

(4)仮焼工程
仮焼工程は、炭酸バリウムの自己分解と周囲に存在する酸化チタンとの固相反応を進行させる工程である。紫外線照射工程後の膜は、含有する金属元素に対応する酸化物の非晶状態、又は、一部の複合酸化物の非晶状態にある。そのため、仮焼工程において、熱を加えることによって、作製する複合酸化物の結晶状態に変換する。
(4) Calcination process The calcination process is a process in which a self-decomposition of barium carbonate and a solid-phase reaction with titanium oxide present in the surrounding progress. The film after the ultraviolet irradiation step is in an amorphous state of an oxide corresponding to the contained metal element or in an amorphous state of some composite oxide. For this reason, in the calcination step, heat is applied to convert the composite oxide to be produced into a crystalline state.

バリウム、ストロンチウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属元素を含む場合、これらの元素の酸化物は、系内に存在する二酸化炭素と容易に反応し、炭酸塩を形成する。炭酸塩の熱分解温度以下の温度では、複合酸化物形成反応が抑制されて反応が進行しない。もし、炭酸塩の熱分解温度で熱処理を行った場合でも、室温に戻すと一部が炭酸塩に戻ってしまう。そのため、仮焼工程では、炭酸塩の熱分解温度以上の温度で熱処理を行い、複合酸化物の微結晶を生成させることが好ましい。   When alkaline earth metal elements such as barium, strontium and calcium are included, oxides of these elements easily react with carbon dioxide present in the system to form carbonates. At temperatures below the thermal decomposition temperature of carbonate, the complex oxide formation reaction is suppressed and the reaction does not proceed. Even if heat treatment is performed at the thermal decomposition temperature of carbonate, part of it returns to carbonate when it is returned to room temperature. For this reason, in the calcining step, it is preferable to perform heat treatment at a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the carbonate to generate complex oxide microcrystals.

具体的には、仮焼工程では、TG−DTAで認められる炭酸塩の熱分解温度よりも、50℃以上高い温度で熱処理することが好ましい。より具体的には、チタン酸バリウムを主成分とする複合酸化物を作製する場合、650℃以上800℃以下の温度で仮焼することが好ましい。   Specifically, in the calcination step, it is preferable to perform heat treatment at a temperature higher by 50 ° C. or more than the thermal decomposition temperature of carbonate recognized by TG-DTA. More specifically, in the case of producing a composite oxide containing barium titanate as a main component, it is preferably calcined at a temperature of 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

(5)工程(1)〜工程(4)を所望の第1の膜厚まで繰り返す工程
工程(1)〜工程(4)で得られる膜の膜厚は、通常、100nm以下とし、好ましくは60nm以下とする。一度の工程で得られる膜厚が100nmを超える場合、得られる膜中にポアが生成し、膜の圧電性能が低下することがある。一方、一度の工程で得あれる膜厚は10nm以上とすることが好ましい。膜厚が10nmを下回る場合、非常に緻密な柱状組織を有する結晶膜が得られるが、必要とされる機能を十分に有する電気機械変換膜を作製するための、工程(1)〜工程(4)の繰り返し回数が多くなりすぎるため、経済的ではない。なお、通常、電気機械変換膜は、約1μm〜2μm程度の膜厚を有する。
(5) Step of repeating step (1) to step (4) to a desired first film thickness The film thickness of the film obtained in step (1) to step (4) is usually 100 nm or less, preferably 60 nm. The following. When the film thickness obtained in one step exceeds 100 nm, pores are generated in the obtained film, and the piezoelectric performance of the film may deteriorate. On the other hand, the film thickness obtained in one step is preferably 10 nm or more. When the film thickness is less than 10 nm, a crystal film having a very dense columnar structure can be obtained, but the steps (1) to (4) for producing an electromechanical conversion film having a sufficient function required. ) Is too economical, so it is not economical. In general, the electromechanical conversion film has a thickness of about 1 μm to 2 μm.

(6)本焼工程
本焼工程では、複合酸化物結晶の結晶粒を成長させる工程である。このとき、例えば、目標膜厚を1μmとした場合、工程(1)〜工程(4)を繰り返し、1μm相当の膜を準備した後に、本焼工程を行うことが好ましくない。仮焼工程後の膜は、複合酸化物の結晶が存在するものの、本焼による結晶成長により体積が変化し(通常、収縮により体積は減少する)、この体積変化により膜にクラックが発生する場合があるためである。したがって、クラックが発生しない膜厚(前述の第1の膜厚に対応)ごとに、本焼工程を行うことが好ましい。この、クラックが発生しない第1の膜厚は、成膜処理の条件によって、当業者が適宜選択できるものである。
(6) Main firing step The main firing step is a step of growing complex oxide crystal grains. At this time, for example, when the target film thickness is 1 μm, it is not preferable to repeat the steps (1) to (4) and prepare a film corresponding to 1 μm, and then perform the firing step. The film after the calcination process has complex oxide crystals, but the volume changes due to crystal growth due to the main firing (usually the volume decreases due to shrinkage), and cracks occur in the film due to this volume change. Because there is. Therefore, it is preferable to perform the firing step for each film thickness that does not generate cracks (corresponding to the first film thickness described above). The first film thickness at which cracks do not occur can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the conditions of the film forming process.

本焼工程では、前述のとおり、複合酸化物結晶の結晶粒を成長させる。熱エネルギーによって、最終的に十分な電気機械変換性能を有する巨大結晶粒に成長させるために、本焼工程の熱処理温度は、仮焼工程の熱処理温度よりも高い温度で行うことが好ましい。また、本焼工程の上限温度は、基板、複合酸化物膜の下層に配置した誘電膜、密着膜及び電極膜の耐熱性の耐熱性などに依存し、通常、シリコン基板を使用した場合、1050℃以下で熱処理を実行する。   In the firing step, as described above, crystal grains of the complex oxide crystal are grown. In order to finally grow into giant crystal grains having sufficient electromechanical conversion performance by thermal energy, it is preferable that the heat treatment temperature in the main firing step is higher than the heat treatment temperature in the calcining step. In addition, the upper limit temperature of the main baking process depends on the heat resistance of the substrate, the dielectric film disposed in the lower layer of the composite oxide film, the adhesion film, and the electrode film. A heat treatment is performed at a temperature of ℃ or less.

本焼工程の熱処理温度の上昇に伴い、複合酸化物の結晶粒の表面での拡散速度が上昇するため、巨大な粒組織が得られる。これは、電気機械変換膜の特性の向上に寄与する。   As the heat treatment temperature in the main firing step increases, the diffusion rate on the surface of the crystal grains of the composite oxide increases, so that a huge grain structure is obtained. This contributes to the improvement of the characteristics of the electromechanical conversion film.

なお、前述した焼結助剤は、本焼工程の熱処理温度下においては、融解して液相を形成する。複合酸化物表面の原子の移動は、この液相を介することで容易になり、結果、比較的低温でも結晶粒の成長を促進させる。そのため、前述した焼結助剤を添加することが好ましい。   The sintering aid described above melts to form a liquid phase at the heat treatment temperature in the main baking step. The movement of atoms on the surface of the complex oxide is facilitated through this liquid phase, and as a result, the growth of crystal grains is promoted even at a relatively low temperature. Therefore, it is preferable to add the above-mentioned sintering aid.

(7)工程(1)〜工程(6)を所望の第2の膜厚まで繰り返す工程
チタン酸バリウムを主成分とする複合酸化物膜の成膜の場合、通常、仮焼までを10回程度繰り返した後に、本焼を行った場合、クラックは生じない。それ以上の膜厚の電気機械変換膜を成膜する場合、約500nmの堆積ごとに本焼工程を行うことが好ましい。したがって、所望の膜厚の電気機械変換膜を得るために、当業者は工程(1)〜工程(6)を適宜繰り返す。
(7) Step of repeating step (1) to step (6) to a desired second film thickness In the case of forming a complex oxide film containing barium titanate as a main component, usually, about 10 times until calcination. Cracks do not occur when firing is performed after repeating. When an electromechanical conversion film having a thickness larger than that is formed, it is preferable to perform the firing step for every deposition of about 500 nm. Therefore, in order to obtain an electromechanical conversion film having a desired film thickness, those skilled in the art repeat Step (1) to Step (6) as appropriate.

上述した、仮焼、本焼などの熱処理は、通常の電気炉、処理雰囲気を制御可能である管状炉、雰囲気を制御可能であるランプ照射による急速熱処理(RTA)などによって実行することができる。   The above-described heat treatment such as calcination and main firing can be performed by a normal electric furnace, a tubular furnace that can control the processing atmosphere, a rapid heat treatment (RTA) by lamp irradiation that can control the atmosphere, and the like.

上述した中でもRTAを使用した熱処理では、昇温速度、降温速度が速く、各工程の時間短縮に有効であり、好ましい。さらに、仮焼工程においては、炭酸塩生成反応の反応時間を短くすることができ、更に、その後の結晶化における結晶化の阻害要因を低減できるため、好ましい。   Among the above, heat treatment using RTA is preferable because the temperature rising rate and the temperature falling rate are fast and effective in shortening the time of each step. Furthermore, the calcination step is preferable because the reaction time of the carbonate formation reaction can be shortened, and further, the crystallization inhibition factor in the subsequent crystallization can be reduced.

より具体的には、酸素雰囲気下でのRTA処理において、昇温速度10℃/秒以上の処理速度で熱処理を行った場合、炭酸塩の生成が少なくなるため、好ましい。   More specifically, in the RTA treatment in an oxygen atmosphere, it is preferable to perform heat treatment at a temperature increase rate of 10 ° C./second or more because the production of carbonate is reduced.

本焼工程における熱処理は、酸素雰囲気下で行うことが好ましく、加圧酸素雰囲気下での高温処理で行うことが、複合酸化物粒の成長が促進され、得られる電気機械変換膜の特性が向上するため、より好ましい。   The heat treatment in the main baking process is preferably performed in an oxygen atmosphere, and the high temperature treatment in a pressurized oxygen atmosphere promotes the growth of composite oxide grains and improves the properties of the resulting electromechanical conversion film. Therefore, it is more preferable.

なお、加圧下で熱処理を実行する場合、約0.3MPa以上の圧力に加圧することが好ましく、圧力の上昇に伴い、結晶粒成長速度が上昇し、通常、約1MPa程度で結晶粒成長速度が飽和する。   In addition, when performing heat treatment under pressure, it is preferable to pressurize to a pressure of about 0.3 MPa or more, and as the pressure increases, the crystal grain growth rate increases. Usually, the crystal grain growth rate is about 1 MPa. Saturates.

なお、所定の膜厚の電気機械変換膜を得るために、複数回本焼工程を実行する場合、全ての本焼工程を加圧下で実行する必要はない。最後の本焼工程を、加圧下で(RTAにより)熱処理を行うことで、十分な特性を有する電気機械変換膜を得ることができる。   In addition, in order to obtain the electromechanical conversion film having a predetermined film thickness, when performing the firing process a plurality of times, it is not necessary to perform all the firing processes under pressure. An electromechanical conversion film having sufficient characteristics can be obtained by performing heat treatment under pressure (by RTA) in the final firing step.

[実施例1]
以下、実施例に基づき、本発明をより詳細に説明する。
[Example 1]
Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated in detail.

<基板の準備>
6インチのシリコンウエハに、誘電膜として厚さ2μmの熱酸化膜を、水蒸気酸化法により形成した。
<Preparation of substrate>
A thermal oxide film having a thickness of 2 μm was formed as a dielectric film on a 6-inch silicon wafer by a steam oxidation method.

次に、密着層として、厚さ50nmの酸化アルミニウム(Al)膜を原子層堆積(ALD)法により形成した。 Next, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film having a thickness of 50 nm was formed as an adhesion layer by an atomic layer deposition (ALD) method.

次に、後述する第1の電極である白金(Pt)膜の結晶性を促進させるために、酸化チタン(TiO)膜を5nm堆積した。 Next, in order to promote the crystallinity of a platinum (Pt) film, which is a first electrode described later, a titanium oxide (TiO x ) film was deposited with a thickness of 5 nm.

次に、第1の電極として100nmのPt膜を、DCマグネトロンスパッタ法により、基板温度550℃で成膜した。   Next, a 100 nm Pt film was formed as a first electrode at a substrate temperature of 550 ° C. by DC magnetron sputtering.

<(1)CSD塗布液の塗膜形成工程>
本実施形態では、一例としてチタン酸バリウムの複合酸化物膜のCSD塗布液の調製方法について述べる。
<(1) Coating Forming Process of CSD Coating Solution>
In this embodiment, a method for preparing a CSD coating solution for a barium titanate composite oxide film will be described as an example.

出発原料として、ジエトキシバリウム(高純度化学株式会社製)、テトライソプロポキシドチタン(高純度化学株式会社製)を使用した。共通溶媒として、メトキシエタノールを選択した。   As starting materials, diethoxybarium (manufactured by High Purity Chemical Co., Ltd.) and tetraisopropoxide titanium (manufactured by High Purity Chemical Co., Ltd.) were used. Methoxyethanol was selected as a common solvent.

出発原料を窒素雰囲気下で共通溶媒中に溶解し、反応温度を125℃でアルコール交換反応を実施した。交換反応生成物としてのエタノール及びイソプロピルアルコールを分留後、12時間の還流処理を行った。このとき、アルコキシド化合物の安定性を増すために、モノエタノールアミンを添加した。モノエタノールアミンは、チタン酸バリウムのモル数に対して、2倍モルの量を添加した。また、第2の有機溶媒としてメタノールを、メトキシエタノールの1/3倍量加えた。これらを、80℃、2時間還流処理することで、チタン酸バリウムの濃度が0.3mol/lのCSD塗布液を調製した。   The starting material was dissolved in a common solvent under a nitrogen atmosphere, and an alcohol exchange reaction was performed at a reaction temperature of 125 ° C. After fractionating ethanol and isopropyl alcohol as exchange reaction products, reflux treatment was performed for 12 hours. At this time, monoethanolamine was added in order to increase the stability of the alkoxide compound. Monoethanolamine was added in an amount twice as much as the number of moles of barium titanate. In addition, methanol was added as a second organic solvent by 1/3 times the amount of methoxyethanol. These were refluxed at 80 ° C. for 2 hours to prepare a CSD coating solution having a barium titanate concentration of 0.3 mol / l.

このCSD塗布液に、ホルムアミドを1vol%添加した。ホルムアミドは、基板との濡れ性制御及び乾燥速度制御のためのものである。   1 vol% of formamide was added to this CSD coating solution. Formamide is used for wettability control with a substrate and drying rate control.

Pt電極を成膜した基板に、スピンコート法(4000rpm、20秒)により、前駆体の塗膜を成膜した。   A precursor coating film was formed on the substrate on which the Pt electrode was formed by spin coating (4000 rpm, 20 seconds).

<(2)乾燥工程>
120℃に設定したホットプレート上(大気下)で1分間静置し、有機溶媒を乾燥させた。
<(2) Drying process>
The organic solvent was dried by allowing to stand for 1 minute on a hot plate (under the atmosphere) set to 120 ° C.

<(3)紫外線照射工程>
エキシマランプ(Xe、発光波長=172nm)を使用し、ランプ出力=10mW/cm、ランプ光源−基板間距離=10mm、照射時間=5分の照射条件により、紫外線照射を行った。
<(3) UV irradiation process>
An excimer lamp (Xe, emission wavelength = 172 nm) was used, and ultraviolet irradiation was performed under the irradiation conditions of lamp output = 10 mW / cm 2 , lamp light source-substrate distance = 10 mm, and irradiation time = 5 minutes.

図4に、紫外線照射の効果を説明するための、紫外線照射前後の前駆体膜のFT−IR測定結果の例を示す。   In FIG. 4, the example of the FT-IR measurement result of the precursor film | membrane before and behind ultraviolet irradiation for demonstrating the effect of ultraviolet irradiation is shown.

図4より、紫外線を照射しない前駆体膜は、C−O結合、CH結合、炭酸塩、N−H結合に起因するスペクトルが確認された。一方、紫外線を照射した本実施形態の前駆体膜は、上述した有機官能基に起因するピークは概ね消失しており、金属−酸素結合に起因するピークが確認された。 From FIG. 4, it was confirmed that the precursor film not irradiated with ultraviolet rays had a spectrum caused by C—O bond, CH 3 bond, carbonate, and N—H bond. On the other hand, in the precursor film of this embodiment irradiated with ultraviolet rays, the peak due to the above-described organic functional group has generally disappeared, and the peak due to the metal-oxygen bond was confirmed.

<(4)仮焼工程>
紫外線照射工程後の試料を、予め500℃に設定された電気炉内に挿入した。その後、30℃/分の昇温速度で800℃まで昇温し、5分間保持した。その後、600℃まで降温後、試料を取り出した。
<(4) Calcination process>
The sample after the ultraviolet irradiation process was inserted into an electric furnace set to 500 ° C. in advance. Then, it heated up to 800 degreeC with the temperature increase rate of 30 degreeC / min, and hold | maintained for 5 minutes. Thereafter, the temperature was lowered to 600 ° C., and a sample was taken out.

<(5)工程(1)〜工程(4)を所望の第1の膜厚まで繰り返す工程>
前述した工程(1)〜工程(4)を10回繰り返した。
<(5) Step of Repeating Step (1) to Step (4) to a Desired First Film Thickness>
Step (1) to step (4) described above were repeated 10 times.

<(6)本焼工程>
前述の10回目の繰り返しの仮焼工程後、引き続き昇温速度30℃/分で1000℃に昇温し、5分間保持した。その後、600℃まで降温後、試料を取り出した。
<(6) Main firing process>
After the tenth repeated calcination step, the temperature was raised to 1000 ° C. at a rate of temperature rise of 30 ° C./min, and held for 5 minutes. Thereafter, the temperature was lowered to 600 ° C., and a sample was taken out.

この本焼工程後、0.6μmの膜厚の膜を得た。   After this firing step, a film having a thickness of 0.6 μm was obtained.

<(7)工程(1)〜工程(6)を所望の第2の膜厚まで繰り返す工程>
前述した工程(1)〜工程(6)を繰り返し、膜厚1.2μmの実施例1の膜を得た。
<(7) Step of Repeating Step (1) to Step (6) to a Desired Second Film Thickness>
The above-described steps (1) to (6) were repeated to obtain a film of Example 1 having a thickness of 1.2 μm.

[実施例2]
仮焼工程及び本焼工程の熱処理を、RTAを使用した熱処理に変更し、工程(7)を行わなかった(即ち、0.6μmの膜厚の膜を得た)以外は、実施例1と同様の方法により、実施例2の膜を得た。
[Example 2]
The heat treatment in the calcination step and the main firing step was changed to heat treatment using RTA, and step (7) was not performed (that is, a film having a thickness of 0.6 μm was obtained). A film of Example 2 was obtained by the same method.

RTAを使用した熱処理にすることにより、昇温速度を10℃/秒以上で実行することができるため、工程を短縮化することができる。また、RTAを使用した熱処理は、光の輻射作用による間接加熱であるため、熱処理の雰囲気を、容易に酸素雰囲気下に制御することができる。そのため、仮焼工程の特に昇温時などにおける、バリウム酸化物の炭酸塩化反応を抑制することが可能となる。前述したように、10℃/秒、好ましくは30℃/秒の昇温速度では、複合酸化物反応を阻害する炭酸塩の生成は、X線回折(XRD)測定においても、認められなかった。   By performing the heat treatment using RTA, the temperature increase rate can be executed at 10 ° C./second or more, so that the process can be shortened. In addition, since the heat treatment using RTA is indirect heating by light radiation, the atmosphere of the heat treatment can be easily controlled in an oxygen atmosphere. Therefore, it becomes possible to suppress the carbonation reaction of barium oxide especially in the calcination process, particularly at the time of temperature rise. As described above, at the temperature rising rate of 10 ° C./second, preferably 30 ° C./second, the formation of carbonate that inhibits the complex oxide reaction was not observed even in the X-ray diffraction (XRD) measurement.

[比較例1及び比較例2(従来法)]
(2)乾燥工程までは実施例1と同様の工程を施した。その後、酸素雰囲気中、室温から表1に示す昇温速度で600℃又は800℃まで昇温し、60分間保持した。600℃での熱処理工程は、一般的に、脱脂と呼ばれ、乾燥膜中の有機成分を膜内部に残留させないための処理である。
[Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (conventional method)]
(2) The same steps as in Example 1 were performed until the drying step. Thereafter, the temperature was raised from room temperature to 600 ° C. or 800 ° C. in an oxygen atmosphere at the rate of temperature rise shown in Table 1, and held for 60 minutes. The heat treatment step at 600 ° C. is generally called degreasing and is a treatment for preventing the organic components in the dry film from remaining inside the film.

仮焼工程後、引き続き表1に示す昇温速度で本焼温度まで昇温し、5分又は60分間保持し、複合酸化物の結晶成長を行った。その後、200℃まで冷却した。   After the calcination step, the temperature was raised to the firing temperature at the rate of temperature shown in Table 1 and held for 5 minutes or 60 minutes to grow a complex oxide crystal. Then, it cooled to 200 degreeC.

上述の工程を20回繰り返し、比較例1の膜を得た。前述した実施例1、実施例2などの方法においては、10回に1回の本焼き工程を実施し、合計20回の仮焼き工程を実施する場合、通常、数時間(RTAを使用する場合)から1日以内(電気炉を使用する場合)で、所望の膜を得ることができる。一方、この従来の方法では、比較例1の膜を得るまでに、数日の処理を必要とした。雰囲気制御環状炉を使用した従来の方法では、冷却時間が長くなることなどが、長時間の処理を必要とした一因である。   The above process was repeated 20 times to obtain a film of Comparative Example 1. In the methods such as Example 1 and Example 2 described above, when a main baking process is performed once every 10 times and a total of 20 calcining processes are performed, usually several hours (when RTA is used) ) Within a day (when using an electric furnace), a desired film can be obtained. On the other hand, this conventional method required several days of treatment before obtaining the film of Comparative Example 1. In the conventional method using an atmosphere-controlled annular furnace, a long cooling time is one of the factors that require a long processing time.

Figure 2013232502
得られた膜は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により、平均の結晶粒径を求めた。表1には、各実施例及び各比較例で得られた膜の結晶粒径の値も示している。
Figure 2013232502
The average crystal grain size of the obtained film was determined by observation with a scanning electron microscope (SEM). Table 1 also shows the values of the crystal grain sizes of the films obtained in the examples and the comparative examples.

一般的に、チタン酸バリウムなどの複合酸化物の特性(比誘電率及び電気機械変換係数)は、結晶粒の大きさに依存することが知られており、具体的には、結晶粒径が0.3μm以上である場合は、十分な粒成長がなされたと、当業者は判断する。表1の判定においても、0.3μm以上の結晶粒径を○とし、0.3μm未満を△又は×とした。   In general, it is known that the characteristics (relative permittivity and electromechanical conversion coefficient) of complex oxides such as barium titanate depend on the size of crystal grains. If it is 0.3 μm or more, those skilled in the art will determine that sufficient grain growth has been achieved. Also in the determination of Table 1, a crystal grain size of 0.3 μm or more was set as “◯”, and less than 0.3 μm was set as “Δ” or “X”.

[実施例3]
焼結助剤の添加効果を説明するための実施形態について、説明する。
[Example 3]
An embodiment for explaining the effect of adding the sintering aid will be described.

実施例2において、焼結助剤として酸化ホウ素(B)を添加するために、CSD塗布液に、トリエトキシホウ素を添加した。なお、トリエトキシホウ素の添加量は、チタン酸バリウム1モルに対して0.25モル%とした。 In Example 2, triethoxyboron was added to the CSD coating solution in order to add boron oxide (B 2 O 3 ) as a sintering aid. The amount of triethoxyboron added was 0.25 mol% with respect to 1 mol of barium titanate.

また、添加効果を確認するため、本焼工程の温度は、1050℃から800℃まで、50℃間隔で変化させた(実施例3−1〜3−6)。また、他の実施例として、焼結助剤として酸化シリコン(SiO)を使用した例も示す(実施例3−7)。この例では、チタン酸バリウム1モルに対して0.05モル%のテトラエトキシシランを、CSD塗布液に添加した。 Moreover, in order to confirm the addition effect, the temperature of the baking process was changed from 1050 ° C. to 800 ° C. at intervals of 50 ° C. (Examples 3-1 to 3-6). As another example, an example in which silicon oxide (SiO 2 ) is used as a sintering aid is also shown (Example 3-7). In this example, 0.05 mol% of tetraethoxysilane was added to the CSD coating solution with respect to 1 mol of barium titanate.

焼結助剤を使用した以外は、実施例2と同様の方法により、実施例3−1〜実施例3−7の膜を得た。   Membranes of Example 3-1 to Example 3-7 were obtained in the same manner as in Example 2 except that the sintering aid was used.

得られた膜は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により、平均の結晶粒径を求めた。表2に、実施例3で得られた膜の結晶粒径の値を示す。   The average crystal grain size of the obtained film was determined by observation with a scanning electron microscope (SEM). Table 2 shows the value of the crystal grain size of the film obtained in Example 3.

Figure 2013232502
表2により、焼結助剤としてB(又はSiO)を使用した場合、800℃の本焼(結晶化)温度においても、チタン酸バリウムの結晶粒成長が確認された。このとき、結晶化温度の増加に伴い、結晶粒が大きくなり、およそ1000℃で結晶粒が大きくなる効果が飽和した。
Figure 2013232502
According to Table 2, when B 2 O 3 (or SiO 2 ) was used as a sintering aid, crystal grain growth of barium titanate was confirmed even at a firing (crystallization) temperature of 800 ° C. At this time, as the crystallization temperature increased, the crystal grains increased, and the effect of increasing the crystal grains at about 1000 ° C. was saturated.

[実施例4]
仮焼工程の熱処理温度について検証した実施例について説明する。表3に示すように、仮焼工程の温度は、650℃から850℃まで、50℃間隔で変化させた(実施例4−1〜4−5)。
[Example 4]
The Example which verified about the heat processing temperature of a calcination process is described. As shown in Table 3, the temperature of the calcining step was changed from 650 ° C. to 850 ° C. at intervals of 50 ° C. (Examples 4-1 to 4-5).

Figure 2013232502
仮焼温度を表3に示したように変更し、本焼工程の温度を950℃に変更した以外は、実施例2と同様の方法により、実施例4−1〜4−5の膜を得た。
Figure 2013232502
Films of Examples 4-1 to 4-5 were obtained by the same method as Example 2 except that the calcining temperature was changed as shown in Table 3 and the temperature of the main baking process was changed to 950 ° C. It was.

表3より、仮焼工程での熱処理を低温化した場合においても、十分な結晶粒径が得られることがわかった。通常、試料に与える全熱履歴の総和を小さくした方が、より信頼性が高く、ばらつきが小さい電気機械変換素子が得られる。本実施形態の電気機械変換膜の製造方法は、仮焼温度を低減でき、信頼性、特性の安定性、ばらつきについて良好な電気機械変換膜が得られる。   From Table 3, it was found that a sufficient crystal grain size can be obtained even when the temperature of the heat treatment in the calcination step is lowered. Usually, an electromechanical conversion element with higher reliability and smaller variations can be obtained by reducing the total sum of the total heat history applied to the sample. The method for manufacturing an electromechanical conversion film according to the present embodiment can reduce the calcining temperature, and an electromechanical conversion film having good reliability, stability of characteristics, and variation can be obtained.

[実施例5]
実施例2〜実施例4では、工程(1)〜工程(4)を10回繰り返し、工程(6)を1回行うことで、0.6μmの膜厚の膜を得て、実施例1では、工程(6)までを2回繰り返し、1.2μmの膜厚の膜を得た。工程(1)〜工程(6)を繰り返すことで、それ以上の膜厚の膜を得ることができる。
[Example 5]
In Example 2 to Example 4, Step (1) to Step (4) were repeated 10 times, and Step (6) was performed once to obtain a film having a thickness of 0.6 μm. Step (6) was repeated twice to obtain a film having a thickness of 1.2 μm. By repeating the steps (1) to (6), a film having a larger film thickness can be obtained.

本実施例では、工程(1)〜工程(6)を5回繰り返すことにより、膜厚3μmの実施例5の膜を得た。このとき、5回目の本焼工程時には、加圧酸素雰囲気下で熱処理を行った。   In this example, the film of Example 5 having a film thickness of 3 μm was obtained by repeating the steps (1) to (6) five times. At this time, heat treatment was performed in a pressurized oxygen atmosphere during the fifth firing step.

図5に、本実施形態で得られたチタン酸バリウム膜の特性を説明するための概略図を示す。より具体的には、図5は、4回目の本焼工程後、φ100μmの上部電極をシャドウマスクと蒸着により形成した試料について、原子間力顕微鏡(AFM)によりその上部電極に電圧を印加した場合の、膜厚方向の変位を測定した結果である。   FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the characteristics of the barium titanate film obtained in this embodiment. More specifically, FIG. 5 shows a case in which a voltage is applied to the upper electrode by an atomic force microscope (AFM) for a sample in which an upper electrode of φ100 μm is formed by shadow mask and vapor deposition after the fourth firing step. This is the result of measuring the displacement in the film thickness direction.

図5より、電荷印加方向で0からプラスの最大印加電界における歪みは0.15%であった。この値と原点とを結ぶ直線の傾きを本実施形態の膜の電気歪み比例定数X33として定義した。本実施形態の膜のプラス電界印加時の電気歪み比例定数X33は、85pm/Vであった。また、マイナス電界印加時の最大歪みから同様に、電界歪み比例定数を求めたところ、X33は94pm/Vであった。これは、本実施形態で得られた膜を電気機械変換膜として使用するのに、十分な値である。   From FIG. 5, the strain at the maximum applied electric field from 0 to plus in the charge application direction was 0.15%. The slope of the straight line connecting this value and the origin was defined as the electric strain proportional constant X33 of the film of this embodiment. The electrostriction proportional constant X33 of the film of this embodiment when a positive electric field was applied was 85 pm / V. Similarly, when the electric field distortion proportional constant was determined from the maximum distortion when a negative electric field was applied, X33 was 94 pm / V. This is a value sufficient to use the film obtained in this embodiment as an electromechanical conversion film.

また、4回目の本焼工程を、0.9MPaの加圧酸素雰囲気下で処理した試料について、同様に電界歪み比例定数を求めた。プラス電界印加時の電気歪み比例定数X33は、100pm/Vであり、マイナス電界印加時の電気歪み比例定数X33は、104pm/Vであった。このことから、加圧酸素雰囲気下で熱処理を施すことにより、得られる膜の特性が向上することがわかった。   Moreover, the electric field distortion proportional constant was similarly calculated | required about the sample which processed the 4th main baking process in the pressurized oxygen atmosphere of 0.9 Mpa. The electric strain proportional constant X33 when a positive electric field was applied was 100 pm / V, and the electric strain proportional constant X33 when a negative electric field was applied was 104 pm / V. From this, it was found that the characteristics of the obtained film are improved by performing the heat treatment in a pressurized oxygen atmosphere.

[電気機械変換素子及び液滴吐出ヘッド]
本実施形態に係る電気機械変換膜は、電気機械変換素子及び液滴吐出ヘッドに応用することができる。
[Electromechanical transducer and droplet discharge head]
The electromechanical conversion film according to this embodiment can be applied to an electromechanical conversion element and a droplet discharge head.

電機機械変換素子は、通常、下部電極と、本実施形態に係る電気機械変換膜と、上部電極と、を積層した構造を有する。   The electromechanical conversion element usually has a structure in which a lower electrode, an electromechanical conversion film according to this embodiment, and an upper electrode are stacked.

図6に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構造の例を説明するための概略断面図を示す。なお、図6(b)は、図6(a)の液滴吐出ヘッドを複数個配置した図である。   FIG. 6 is a schematic sectional view for explaining an example of the structure of the droplet discharge head according to the present embodiment. FIG. 6B is a diagram in which a plurality of liquid droplet ejection heads of FIG.

本実施形態に係る液滴吐出ヘッド30は、液滴を吐出するノズル31と、このノズルが連通する圧力室32(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等とも称される)と、加圧室内のインクを加圧する電気機械変換素子33と、インク流路の壁面を形成する振動板34と、を備えている。電機機械変換素子33は、下部電極37、電気機械変換膜(圧電薄膜)38及び上部電極39より形成される。   The droplet discharge head 30 according to the present embodiment includes a nozzle 31 that discharges droplets and a pressure chamber 32 (an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressurized chamber, a discharge chamber, a liquid chamber, and the like) that communicate with the nozzle. An electromechanical conversion element 33 that pressurizes ink in the pressurizing chamber, and a diaphragm 34 that forms the wall surface of the ink flow path. The electromechanical conversion element 33 is formed of a lower electrode 37, an electromechanical conversion film (piezoelectric thin film) 38 and an upper electrode 39.

圧力室32は、ノズル31が連通し、ノズル板35と、振動板34と、圧力室板36と、から区画される。そして、振動板34を介して、圧力室32内の液滴を加圧するための、本実施形態に係る電気機械変換素子33が設けられる。   The pressure chamber 32 communicates with the nozzle 31 and is partitioned from a nozzle plate 35, a vibration plate 34, and a pressure chamber plate 36. Then, an electromechanical conversion element 33 according to the present embodiment for pressurizing the droplet in the pressure chamber 32 via the vibration plate 34 is provided.

圧力室32は、Si基板の一部を、後述するように裏面からエッチング除去することなどによって形成される。   The pressure chamber 32 is formed by etching away a part of the Si substrate from the back surface as will be described later.

ノズル31は、ノズル板35の一部に、例えば直線状に2列に並べて形成することができる。ノズル板35は、例えば、ニッケル(Ni)電鋳などによって形成したものなどを使用することができる。   The nozzles 31 can be formed in a part of the nozzle plate 35, for example, in two lines in a straight line. As the nozzle plate 35, for example, one formed by nickel (Ni) electroforming or the like can be used.

圧力室32を形成するためのエッチング方法について、簡単に説明する。液滴吐出ヘッドの圧力室を作製する場合、通常、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工する。エッチング方法としては、通常、異方性エッチングを使用する。異方性エッチングとは、結晶構造の面方位間でのエッチング速度の違いを利用するものである。例えば、水酸化カリウム(KOH)などのアルカリ溶液にシリコン単結晶基板を浸漬させた場合、(100)面に比して(111)面は、エッチング速度が約1/400程度である。当業者は、所望の形状にパターニングするために、エッチング条件(エッチング溶液の種類、濃度、エッチング温度)などを適宜選択することができる。   An etching method for forming the pressure chamber 32 will be briefly described. When producing a pressure chamber of a droplet discharge head, a silicon single crystal substrate is usually processed using etching. As an etching method, anisotropic etching is usually used. Anisotropic etching uses a difference in etching rate between plane orientations of a crystal structure. For example, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as potassium hydroxide (KOH), the etching rate of the (111) plane is about 1/400 compared to the (100) plane. A person skilled in the art can appropriately select etching conditions (type of etching solution, concentration, etching temperature) and the like in order to perform patterning into a desired shape.

その後、所定のノズル孔を有するノズル板を接合することで、本実施形態の液滴吐出ヘッドを作製することができる。   Thereafter, by joining a nozzle plate having a predetermined nozzle hole, the droplet discharge head of this embodiment can be manufactured.

30 液滴吐出ヘッド
31 ノズル
32 圧力室
33 電気機械変換素子
34 振動板
35 ノズル板
36 圧力室板
37 下部電極
38 電気機械変換膜
39 上部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Droplet discharge head 31 Nozzle 32 Pressure chamber 33 Electromechanical conversion element 34 Vibrating plate 35 Nozzle plate 36 Pressure chamber plate 37 Lower electrode 38 Electromechanical conversion film 39 Upper electrode

特開2011−187672号公報JP 2011-187672 A

Claims (9)

化学溶液堆積法で電気機械変換膜を製造する方法であって、
(1)前記電気機械変換膜の前駆体を含む塗布液を塗布して塗膜を形成する、塗膜形成工程と、
(2)前記塗膜を乾燥する、乾燥工程と、
(3)乾燥した前記塗膜に紫外線を照射する、紫外線照射工程と、
(4)紫外線を照射した前記塗膜を仮焼する、仮焼工程と、
(5)前記(1)の工程から前記(4)の工程を、所望の第1の膜厚まで繰り返す工程と、
(6)前記第1の膜厚の前記塗膜を本焼する、本焼工程と、
を有する、電気機械変換膜の製造方法。
A method for producing an electromechanical conversion film by chemical solution deposition,
(1) A coating film forming step of forming a coating film by applying a coating liquid containing a precursor of the electromechanical conversion film;
(2) a drying step of drying the coating film;
(3) An ultraviolet irradiation step of irradiating the dried coating film with ultraviolet rays,
(4) a calcining step of calcining the coating film irradiated with ultraviolet rays;
(5) repeating the step (4) to the desired first film thickness from the step (1);
(6) a main baking process of baking the coating film having the first film thickness;
A method for producing an electromechanical conversion film.
前記(1)の工程から前記(6)の工程を、所望の第2の膜厚まで繰り返す工程を更に含む、請求項1に記載の電気機械変換膜の製造方法。   The method for producing an electromechanical conversion film according to claim 1, further comprising a step of repeating the step (1) to the step (6) to a desired second film thickness. 前記紫外線照射工程は、波長310nm以下の紫外線を照射する、請求項1又は2に記載の電気機械変換膜の製造方法。   The method for producing an electromechanical conversion film according to claim 1, wherein the ultraviolet irradiation step irradiates ultraviolet rays having a wavelength of 310 nm or less. 前記仮焼工程は、650℃以上800℃以下の温度範囲で熱処理する工程である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電気機械変換膜の製造方法。   The said calcination process is a manufacturing method of the electromechanical conversion film as described in any one of Claims 1 thru | or 3 which is a process heat-processed in the temperature range of 650 degreeC or more and 800 degrees C or less. 前記本焼工程は、大気圧下又は1MPa以下の加圧下で、800℃以上1050℃以下の温度範囲で熱処理する工程である、背請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電気機械変換膜の製造方法。   The electromechanical conversion according to any one of claims 1 to 4, wherein the firing step is a step of performing a heat treatment in a temperature range of 800 ° C or higher and 1050 ° C or lower under atmospheric pressure or under a pressure of 1 MPa or lower. A method for producing a membrane. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電気機械変換膜の製造方法によって製造され、
バリウム及びチタンを含む複合酸化物、又は、バリウム及びチタンを含む複合酸化物が、スズ、ストロンチウム、カルシウム及びジルコニウムの1つ又は2つ以上の元素で置換された複合酸化物、を含む、
電気機械変換膜。
Manufactured by the method for producing an electromechanical conversion film according to any one of claims 1 to 5,
A composite oxide containing barium and titanium, or a composite oxide in which a composite oxide containing barium and titanium is substituted with one or more elements of tin, strontium, calcium and zirconium,
Electromechanical conversion membrane.
焼結助剤として、酸化シリコン及び/又は酸化ホウ素を有する、請求項6に記載の電気機械変換膜。   The electromechanical conversion film according to claim 6, comprising silicon oxide and / or boron oxide as a sintering aid. 基板上に、第1の電極と、請求項6又は7に記載の電気機械変換膜と、第2の電極とを順次積層した、電気機械変換素子。   An electromechanical conversion element in which a first electrode, the electromechanical conversion film according to claim 6 or 7, and a second electrode are sequentially laminated on a substrate. 請求項8に記載の電気機械変換素子を含む、液滴吐出ヘッド。   A liquid droplet ejection head comprising the electromechanical transducer according to claim 8.
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