JP2014157850A - Electromechanical conversion element, droplet discharge head, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェット方式のプリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置等(インクジェット式記録装置)に備えられ、インク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動源等として用いられる電気機械変換素子、電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置に関する。 The present invention is provided in an image forming apparatus (inkjet recording apparatus) such as an ink jet printer, facsimile, or copying machine, and is used as a drive source for a liquid droplet ejection head that ejects liquid droplets such as ink. The present invention relates to a conversion element, a droplet discharge head including an electromechanical conversion element, and an image forming apparatus including the droplet discharge head.
プリンタ、ファクシミリ、画像形成装置(インクジェット記録装置)の液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧室(インク流路、加圧液室、圧力室、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とを備え、圧電素子に電圧を印加することによって発生したエネルギーを用いて振動板を変形変位させ、加圧室内のインクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させている。 A droplet discharge head of a printer, facsimile, or image forming apparatus (inkjet recording apparatus) includes a nozzle that discharges ink droplets and a pressure chamber (an ink flow path, a pressure liquid chamber, a pressure chamber, and a discharge chamber) that communicates with the nozzle. And an electromechanical transducer that pressurizes the ink in the pressurizing chamber, and deforms and displaces the diaphragm using energy generated by applying a voltage to the piezoelectric element. Ink droplets are ejected from the nozzles by pressurizing the ink in the pressure chamber.
上記のような圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型(サーマル型)のものなどがある。更にピエゾ型のものにはd33方向の変位を利用した縦振動型、d31方向の変位を利用した横振動(ベンドモード)型、さらには更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。これらの中でも、画像の高精細化を狙いとして、半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用することにより、Si基板に直接液室及びピエゾ素子を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。 The pressure generating means as described above may be a piezo type that discharges ink droplets by deforming and displacing a diaphragm that forms the wall surface of the discharge chamber using an electromechanical transducer such as a piezoelectric element, or a discharge chamber There is a bubble type (thermal type) in which bubbles are generated by boiling an ink film using an electrothermal conversion element such as a heating resistor disposed in the nozzle to eject ink droplets. Further, the piezoelectric type includes a longitudinal vibration type using displacement in the d33 direction, a transverse vibration (bend mode) type using displacement in the d31 direction, and a shear mode type using shear deformation. Among these, thin film actuators have been devised in which liquid chambers and piezo elements are made directly on a Si substrate by utilizing semiconductor processes and MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology with the aim of achieving higher definition of images. .
近年、電気特性の向上を図るため種々の電気機械変換素子やその製造方法が提案されている。例えば、上部電極あるいは下部電極の材料としてRuOx、SRO膜(SrRuOx膜)あるいはIrOx等の導電性酸化物を用い、強誘電体層の材料としてPZT膜(Pb(ZrxTi1−x)O3膜)を用いる技術が提案されている。これらの材料を用いることにより、キャパシタの疲労特性を向上させることが可能である。しかし、金属酸化物の電極は金属電極に比べて比抵抗値が約101〜103倍高くなる。このため、下部電極が複数の圧電素子に共通して設けられている構成では、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。 In recent years, various electromechanical transducers and methods for manufacturing the same have been proposed in order to improve electrical characteristics. For example, a conductive oxide such as RuO x , SRO film (SrRuO x film) or IrO x is used as the material of the upper electrode or the lower electrode, and a PZT film (Pb (Zr x Ti 1-x is used as the material of the ferroelectric layer). (2) A technique using (O 3 film) has been proposed. By using these materials, it is possible to improve the fatigue characteristics of the capacitor. However, the specific resistance value of the metal oxide electrode is about 10 1 to 10 3 times higher than that of the metal electrode. For this reason, in a configuration in which the lower electrode is provided in common for a plurality of piezoelectric elements, if a large number of ink droplets are ejected at the same time by driving a large number of piezoelectric elements at the same time, a voltage drop occurs and the piezoelectric element There is a problem that the amount of displacement becomes unstable and the ink ejection characteristics deteriorate.
また、特許文献1には、SRO膜をスパッタリング成膜する温度と雰囲気ガスのAr/O2比とを最適にすることにより、所望の組成比率で成膜することが可能であることが開示されている。そのSRO膜上に成膜されるPZT膜は、焼成過程においてSRO膜との間で生じる成分元素の相互拡散が少ないため、リーク量が少なく、残留分極も大きな値を得ることが可能であることが記載されている。 Patent Document 1 discloses that an SRO film can be formed at a desired composition ratio by optimizing the temperature at which the SRO film is formed by sputtering and the Ar / O 2 ratio of the atmospheric gas. ing. The PZT film deposited on the SRO film has little interdiffusion of component elements with the SRO film during the firing process, so that the amount of leakage is small and the residual polarization can have a large value. Is described.
また、特許文献2には、SRO膜をスパッタリング成膜する際に、SRO膜のバリアメタル側の成膜温度、雰囲気ガス及びスパッタ方法を最適にすることにより、RuリッチなSRO膜を成膜するが可能であることが開示されている。この方法によれば、RuプアなSRO膜のコンタクト抵抗が15kΩであるのに対し、RuリッチなSRO膜のコンタクト抵抗は5kΩとなり、コンタクト抵抗を下げることが可能であることが記載されている。
In
また、特許文献3には、強誘電体RAMの製造方法において、SRO膜上にPZT膜を成膜する際、SRO膜内にPZT膜の成分であるPbやBiを添加する方法が開示されている。この方法によれば、SRO膜とPZT膜との間で生じる成分元素の相互拡散を抑制することができ、相互拡散に起因する強誘電体膜のリーク量を低減させることが可能であることが記載されている。 Patent Document 3 discloses a method of adding Pb or Bi, which is a component of a PZT film, into the SRO film when forming a PZT film on the SRO film in a method for manufacturing a ferroelectric RAM. Yes. According to this method, it is possible to suppress interdiffusion of component elements that occurs between the SRO film and the PZT film, and to reduce the amount of leakage of the ferroelectric film caused by the interdiffusion. Have been described.
また、特許文献4には、下部電極にペロブスカイト型結晶構造を有するSRO膜を用い、その上に形成される強誘電体膜にペロブスカイト型結晶構造のPZT膜を用いたキャパシタが開示されている。この構造によれば、SRO膜とPZT膜との結晶配向が揃うため、大きい分極量を有する電気機械変換素子を得ることができることが記載されている。 Patent Document 4 discloses a capacitor using an SRO film having a perovskite crystal structure as a lower electrode and a PZT film having a perovskite crystal structure as a ferroelectric film formed thereon. According to this structure, since the crystal orientations of the SRO film and the PZT film are aligned, it is described that an electromechanical conversion element having a large polarization can be obtained.
また、特許文献5には、強誘電体層の熱履歴のばらつきを抑制する液滴吐出ヘッドの製造装置が開示されている。この製造装置は、圧電素子強誘電体前駆体膜の成膜、強誘電体膜の加熱、及び強誘電体膜の冷却、の一連の工程をシリコンウェハ1枚ごとに所定の条件により成膜するため制御手段を備えたものである。この製造装置によれば、強誘電体層の熱履歴のばらつきに起因する吐出特性のばらつきを抑制することができ、高品質な液滴吐出ヘッドを提供することが可能である。 Patent Document 5 discloses a droplet discharge head manufacturing apparatus that suppresses variations in the thermal history of a ferroelectric layer. In this manufacturing apparatus, a series of steps of forming a piezoelectric element ferroelectric precursor film, heating the ferroelectric film, and cooling the ferroelectric film is formed for each silicon wafer under predetermined conditions. Therefore, a control means is provided. According to this manufacturing apparatus, variations in ejection characteristics due to variations in the thermal history of the ferroelectric layer can be suppressed, and a high-quality liquid droplet ejection head can be provided.
前述のように、SRO膜からなる下部電極上に強誘電体膜としてPZT膜を成膜する技術においては、SRO膜からなる下部電極上に強誘電体膜としてPZT膜を成膜する時、SRO膜とPZT膜の界面で成分元素の相互拡散が起きてしまうことが知られている。特に、SRO膜の組成比率ずれが発生し、ペロブスカイト構造になっていない部分が存在する場合に起こりやすい。このような相互拡散が発生してしまうと、PZT膜内部に電流リークを招くパスを生み出ししてしまい、リーク量が増大してしまう。これは、キャパシタンスの役目を担うPZT膜にとっては好ましくない。 As described above, in the technique of forming the PZT film as the ferroelectric film on the lower electrode made of the SRO film, when forming the PZT film as the ferroelectric film on the lower electrode made of the SRO film, It is known that interdiffusion of component elements occurs at the interface between the film and the PZT film. In particular, this is likely to occur when a composition ratio shift of the SRO film occurs and there is a portion that does not have a perovskite structure. If such interdiffusion occurs, a path that causes current leakage is created inside the PZT film, and the amount of leakage increases. This is not preferable for a PZT film that plays a role of capacitance.
また、成分元素の相互拡散を抑えることによりSRO膜の組成比率ずれを低減するようなスパッタ方法や、SRO膜中にPZT膜の成分であるPbやBiを添加させる提案がされている。しかし、スパッタ法により組成比率ずれを解消するには、システムが複雑になる、あるいは再現性に乏しいという問題があった。 Further, there have been proposed a sputtering method for reducing the composition ratio shift of the SRO film by suppressing mutual diffusion of the component elements, and addition of Pb and Bi, which are components of the PZT film, into the SRO film. However, in order to eliminate the composition ratio deviation by the sputtering method, there is a problem that the system becomes complicated or the reproducibility is poor.
仮にSRO膜の組成比率ずれが低減できたとしても、PZT膜をスピンコートする前の表面に付着した炭素などの不純物を取り除くために、前処理としてSRO表面の濡れ性を高めて密着性を高める必要性がある。一般的には、酸素プラズマやUVプラズマを用いることにより濡れ性を高めている。しかし、この酸素プラズマによっても、Ruが還元されてしまいSRO膜の表面に組成比率ずれが発生してしまうことが確認されている。 Even if the composition ratio deviation of the SRO film can be reduced, in order to remove impurities such as carbon adhering to the surface before the PZT film is spin-coated, the wettability of the SRO surface is increased as a pretreatment to improve the adhesion. There is a need. Generally, wettability is enhanced by using oxygen plasma or UV plasma. However, it has been confirmed that this oxygen plasma also reduces Ru and causes a composition ratio shift on the surface of the SRO film.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、強誘電体層の組成比率のずれを抑制し結晶質の面内均一性が良好である電気機械変換素子を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide an electromechanical conversion element that suppresses a deviation in the composition ratio of the ferroelectric layer and has good in-plane uniformity of the crystallinity. To do.
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板上に備えられる電気機械変換素子であって、下部電極、シード層、強誘電体層、及び上部電極が順次積層されてなり、前記シード層は、少なくともPb、Sr、およびTiを含むペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物からなることを特徴とする電気機械変換素子である。 In order to solve the above problems and achieve the object, the present invention provides an electromechanical transducer provided on a substrate, in which a lower electrode, a seed layer, a ferroelectric layer, and an upper electrode are sequentially stacked. The seed layer is an electromechanical conversion element comprising a composite oxide having a perovskite crystal structure including at least Pb, Sr, and Ti.
本発明の電気機械変換素子によれば、下部電極と強誘電体層との間で生じる成分元素の相互拡散を抑制し、強誘電体層の結晶質を良好なものとすることができ面内均一性を向上させることができるという効果を奏する。さらには、結晶質が良好であるため、強誘電体層のリーク量を低減することができるという効果を奏する。 According to the electromechanical transducer of the present invention, the interdiffusion of component elements generated between the lower electrode and the ferroelectric layer can be suppressed, and the crystalline quality of the ferroelectric layer can be improved. There is an effect that the uniformity can be improved. Furthermore, since the crystal quality is good, there is an effect that the amount of leakage of the ferroelectric layer can be reduced.
以下、図面を参照して、本発明の電気機械変換素子、液滴吐出ヘッド、画像形成装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of an electromechanical transducer, a droplet discharge head, and an image forming apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
本発明の電気機械変換素子の一実施形態について図1を参照しながら説明する。図1に本実施の形態の基板上に電気機械変換素子18を備えた構造体10の断面図を示す。
図1に示すように、電気機械変換素子18は、基板上11に備えられてなり、振動板12および密着層13を介して、下部電極14、少なくともPb、Sr、およびTiを含むペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物からなるシード層15、強誘電体層16、および上部電極17を順次積層されてなるものある。下部電極14は、金属層14a上に複合酸化物層14bを有してなる2層構造である。複合酸化物層14bはシード層15に接して設けられている。
(First embodiment)
An embodiment of the electromechanical transducer of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a
As shown in FIG. 1, the
電気機械変換素子18は、d31方向の変形を利用した横振動(ベンドモード)型の電気機械変換素子である。下部電極14と上部電極17とにより強誘電体層16に電圧が印加され、強誘電体層16の結晶が電界と垂直な方向(d31方向)に変形変位する。
以下、それぞれの層について説明する。
The
Hereinafter, each layer will be described.
(基板11)
基板11としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100μm〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用される。
(Substrate 11)
As the
基板11は、電気機械変換素子18を形成した後、図7に示すように、リソグラフィ技術により、素子と一体に形成される液滴吐出ヘッドの加圧室21の側壁となる。エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。
After the
本構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。 As this configuration, a single crystal substrate having a (110) plane orientation can also be used. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so this area is also used with attention.
(振動板12)
振動板12は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、あるいはこれらの膜を積層した膜、または、上層との熱膨張差を考慮した酸化アルミニウム膜、ジルコニア膜等のセラミック膜でもよい。これらは絶縁体である。振動板上部に形成される下部電極は電気機械変換素子に信号入力する際の共通電極として機能するので、振動板は絶縁体であるか、導体であれば絶縁処理が施されている。
(Vibration plate 12)
The
振動板12は、図7に示すように電気機械変換素子によって発生した力を受けて、基板と振動板が変形変位し加圧室21内部に収容された液滴を吐出させる。そのため、所定の強度を有したものであることが好ましい。すなわち、密着層/下部電極/強誘電体層の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、強誘電体層としては、一般的に材料としてPZTが使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
As shown in FIG. 7, the
膜厚としては0.1〜10μmが好ましく、0.5〜3μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと図7に示すような加圧室21の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地が変形変位しにくくなり、加圧室内部に収容された液滴の吐出が不安定になる。
シリコン系絶縁膜は、熱酸化膜、CVD堆積膜を用い、金属酸化膜はスパッタリング法で成膜することができる。
The film thickness is preferably from 0.1 to 10 μm, more preferably from 0.5 to 3 μm. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the pressurizing
As the silicon-based insulating film, a thermal oxide film or a CVD deposited film can be used, and the metal oxide film can be formed by a sputtering method.
(密着層13)
密着層13は、振動板12と下部電極14との密着性を向上させるために形成される。密着層の材料としては、チタン、タンタル、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、あるいはこれらの積層膜が効果的である。
密着層13の膜厚としては、10nm〜50nmが好ましく、15nm〜30nmがさらに好ましい。10nm〜50nmの範囲より膜厚が薄い場合においては、密着性に懸念があり、この範囲より膜厚が厚い場合においては、その上に作製する層の結晶質に影響を及ぼすことになる。
(Adhesion layer 13)
The
The film thickness of the
これら膜は、スパッタ法あるいは、金属膜を急熱酸化法(RTA)によって酸化することによって得ることができる。金属酸化物を密着層として設けることにより、基板または下地膜(例えば、振動板)と金属から成る下部電極との密着性を改善し、クラックなどの発生を抑制する。また、下部電極を金属層の上にSROなどの複合酸化物層を有する構造とした場合にはSROの結晶性及び強誘電体層の結晶性を向上させることができる。例えば、酸化チタンは、電極を2層構造とし基板側材質として白金を使用し、振動板に酸化シリコンを用いた場合にはこれらの密着性を良好に維持することができる。密着層の材質は、下地膜と下部電極との材質によって適宜選択される。 These films can be obtained by oxidizing a metal film by sputtering or rapid thermal oxidation (RTA). By providing the metal oxide as an adhesion layer, the adhesion between the substrate or the base film (for example, a diaphragm) and the lower electrode made of metal is improved, and the occurrence of cracks and the like is suppressed. Further, when the lower electrode has a structure having a composite oxide layer such as SRO on the metal layer, the crystallinity of SRO and the crystallinity of the ferroelectric layer can be improved. For example, when titanium oxide has a two-layer structure, platinum is used as the substrate-side material, and silicon oxide is used for the diaphragm, these adhesion properties can be maintained well. The material of the adhesion layer is appropriately selected depending on the material of the base film and the lower electrode.
(下部電極14)
下部電極14は、電気機械変換素子に信号を入力する際の共通電極として機能する。下部電極14は、個別電極として機能する上部電極17と共に強誘電体層に電圧を印加して強誘電体層16を変位変形させて素子を駆動させる。下部電極14は金属層14aの上に導電性複合酸化物層14bを積層してなる2層構造からなる。
(Lower electrode 14)
The
下部電極14の金属層14aの材料としては、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、またはイリジウム(Ir)等の単金属や白金-ロジウム(PtRh)などの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料が有効である。下部電極の金属層14aの膜厚としては、50nm以上250nm以下が望ましい。80nm〜200nmがさらに好ましい。50nmより膜厚が薄い場合においては、電極膜結晶性の基板面内均一性に懸念があり、250nmより膜厚が厚い場合においては、プロセスタイムの増加と振動系に対する剛性の増加する懸念がある。
The material of the
複合酸化物層14bは、金属層14a上にシード層15に接して形成される。複合酸化物層14bの材料としては、Sr、Ru、La、およびNiのうち2つ以上の元素を含む複合酸化物を用いることができる。例えば、SRO(SrRuO3:ルテニウム酸ストロンチウム)の他に、LNO(LaNiO3:酸化ニッケルランタン)を挙げることができる。成膜方法については、スパッタ法等が用いられる。この場合、スパッタ条件によって膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、下部電極の金属層14aの結晶配向を優先配向させる。例えば、金属層14aがPtである場合、Pt(111)にならって、(111)の結晶配向を優先配向とするのが好ましい。SRO薄膜の結晶配向を(111)優先配向させるためには、成膜温度については500℃以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
The
複合酸化物層14bの膜厚としては、20nm以上100nm以下が好ましく、30nm以上80nm以下がさらに好ましい。20nmよりも薄いと初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られず、100nmを超えると、強誘電体層16の絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。下部電極を金属層と導電性複合酸化物とを積層させた構造とすれば、導電性酸化物のみの電極よりも比抵抗を下げることができ、さらにはその上層に形成される強誘電体層のペロブスカイト型結晶を良質なものとすることができる。
The film thickness of the
(シード層15)
シード層15は、少なくともPb、Sr、およびTiを含むペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物からなる。これは、強誘電体層に多く用いられるPZT(Pb(Zr,Ti)O3)と同じ結晶構造であるペロブスカイト型複合酸化物であるので、電極と強誘電体層との間に設けられても強誘電体特性は維持される。シード層の厚さは60nm以上150nm以下が好ましく、さらには、80nm以上120nm以下が好ましい。60nmより膜厚が薄い場合においては、焼成時に発生するボイドによるシード性効果の無効化に懸念があり、150nmより膜厚が厚い場合においては、エピタキシャル成長の阻害が発生し配向性制御ができなくなる懸念がある。
(Seed layer 15)
The
少なくともPb、Sr、およびTiを含むペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物として、例えば、(Pb,Sr)TiO3(以下、PSTと記載する。)を挙げることができる。その他に(Ba,Sr)TiO3を挙げることができる。
シード層の作製方法として、PSTを用いた場合は、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドストロンチウムを用いたPST前駆体溶液をスピンコートなどにより成膜し、溶媒乾燥、仮焼成(熱分解)、結晶化の各々の熱処理を施すことで得ることができる。
As a complex oxide having a perovskite crystal structure containing at least Pb, Sr, and Ti, for example, (Pb, Sr) TiO 3 (hereinafter referred to as PST) can be given. Other examples include (Ba, Sr) TiO 3 .
When PST is used as a method for producing the seed layer, a PST precursor solution using lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium, isopropoxide strontium as a starting material is formed by spin coating, etc. It can be obtained by applying heat treatments for drying, pre-baking (thermal decomposition), and crystallization.
(強誘電体層16)
強誘電体層16の材料としては、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物からなり、AはPb、Ba、またはSrを主成分とし、BはTi、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、またはNbを主成分とするものである。その具体例としてPZT(Pb(Zr,Ti)O3)、PbTiO3、PbZrO3、AサイトのPbを一部BaやSrで置換し、BサイトのZrをTiに置き換え例として(Pb1−x,Bax)(Zr1−y,Tiy)O3、(Pb1−x,Srx)(Zr1−y,Tiy)O3、BaTiO3、SrTiO3などを挙げることができる。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
強誘電体層16は、強誘電体層16は、下部電極14と上部電極17とにより電圧印加されて結晶構造が変形変位する。
(Ferroelectric layer 16)
The material of the
The
強誘電体層16の材料のPZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)との固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrO3とPbTiO3との比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般にPZT(53/47)と示される。以下の材料を用いてゾルゲル法によって形成することができる。
The material of the
出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を用い、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得る。この均一溶媒をPZT前駆体溶液と呼ぶ。酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物料は、上記所望の化学式に従って秤量される。なお、金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。 Lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds are used as starting materials and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. This homogeneous solvent is called a PZT precursor solution. The lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound materials are weighed according to the desired chemical formula. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.
この前駆体溶液を用いて下地となる電極上にスピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、仮焼成(熱分解)、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。仮焼成の位置付けは、溶媒乾燥後でも存在するPZT前駆体中の「有機物の熱分解」を目的としている。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックの発生しない膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。
インクジェット記録装置のような液体噴射装置の電気機械変換素子として用いる場合、このPZT膜の膜厚は1μm〜2μmが要求される。前述の方法でこの膜厚を得るには十数回、工程を繰り返す。
Using this precursor solution, a coating film is formed on a base electrode by a solution coating method such as spin coating, and then subjected to solvent heat treatment, pre-baking (thermal decomposition), and crystallization heat treatment. The positioning of the pre-baking is aimed at “thermal decomposition of organic matter” in the PZT precursor which exists even after solvent drying. Since transformation from the coating film to the crystallized film is accompanied by volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a film free from cracks.
When used as an electromechanical conversion element of a liquid ejecting apparatus such as an ink jet recording apparatus, the thickness of the PZT film is required to be 1 μm to 2 μm. In order to obtain this film thickness by the above method, the process is repeated ten times.
また、チタン酸バリウム(BaTiO3)の場合には、バリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することが可能である。 In the case of barium titanate (BaTiO 3 ), a barium titanate precursor solution can be prepared by using barium alkoxide and a titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in a common solvent.
なお、強誘電体層16の膜厚としては0.5μm〜5μmが好ましく、さらに好ましくは1μm〜2μmである。この範囲より膜厚が薄いと十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より膜厚が厚いと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
The film thickness of the
(上部電極17)
上部電極17は、導電性材料からなり、入力信号に応じて選択される素子の個別電極として機能する。下部電極14と共に電圧印加して強誘電体層16を変形変位させる。上部電極17の材料としては、下部電極の金属層14aと同様、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、またはイリジウム(Ir)等の単金属や白金−ロジウム(PtRh)などの白金を主成分とした他の白金族元素との合金材料が有効である。
(Upper electrode 17)
The
上部電極17の金属層14aの膜厚としては、30nm以上150nm以下が望ましい。50nm以上80nm以下がさらに好ましい。30nmより膜厚が薄い場合においては、電気抵抗増大による電圧降下に懸念があり、150nmより膜厚が厚い場合においては、振動系に対する剛性が増加する懸念がある。電極の作製方法としては、一般的なスパッタ法や真空蒸着等の真空成膜を適用することができる。
The thickness of the
その後、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィー技術でレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置等を用いてパターンを形成し、電気機械変換素子を作製する。 Thereafter, a photoresist is formed by a spin coating method, a resist pattern is formed by a normal photolithography technique, and then a pattern is formed by using an ICP etching apparatus or the like to produce an electromechanical conversion element.
本発明の電気機械変換素子によれば、シード層15の複合酸化物は、強誘電体層16の複合酸化物と結晶構造が同じペロブスカイト構造であるため、強誘電体層16がエピタキシャル成長し、シード層15と強誘電体層16との結晶配向が揃う。これにより強誘電体層16の結晶構造を面内均一性の高い良質なものとすることができる。
また、複合酸化物からなるシード層15を設けたことにより、下部電極14と強誘電体層16との間で起こっていた構成元素の拡散に起因する強誘電体の組成比ずれを抑制することができ、面内均一性の高い良質な結晶を得ることができる。同時に、下部電極から金属元素の拡散により発生する強誘電体層のリークを防止することができる。特に、PST膜にはSrとPbとが含まれているため、下部電極14の複合酸化物層14bにSRO膜を用い、強誘電体層16にPZT膜を用いた場合には、SRO膜からのSr拡散とPZT膜からのPb拡散を抑制するのに効果的である。
According to the electromechanical transducer of the present invention, since the composite oxide of the
In addition, by providing the
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態である液滴吐出ヘッドについて説明する。図7に、本発明の液滴吐出ヘッドの一例の構造を示す模式図を示し、図8に、本発明の液滴吐出ヘッドが複数個配置された液滴吐出ヘッド40の断面図を示す。
本発明の液滴吐出ヘッド30は、液滴を吐出する液滴吐出ノズル20と、液滴吐出ノズルが連通する加圧室21と、加圧室内部に収容された液体を加圧する圧力発生手段とからなり、圧力発生手段は、前記加圧室に設けられた振動板12と、振動板12上に設けられた本発明の電気機械変換素子18とからなるものであり、電気機械変換素子を駆動させて前記振動板12を変形変位させることにより、加圧室内部に収容された液体を加圧して液体を加圧室21外部に吐出する。
加圧室21は、シリコン基板11の一部を裏面からリソグラフィ法により除去し、ノズル孔を有するノズル板19を接合して製造される。その後保護基板(図示せず)で電気機械変換素子を覆うように接合して液滴吐出ヘッド30を製造する。これによれば電気機械変換素子を簡便な製造工程(バルクセラミックスと同等の性能を持つ)で形成することができる。この液滴吐出ヘッドには、加圧室21へ液体を供給する液体供給手段(図示せず)、流路(図示せず)および流体抵抗(図示せず)が設けられている。
(Second Embodiment)
Next, a droplet discharge head according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of an example of a droplet discharge head of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view of a
The
The pressurizing
液滴吐出ヘッド40は、図8に示すように、上記のようにして作製される液滴吐出ヘッドを複数個並列に配置されてなるものである。
As shown in FIG. 8, the
本発明の電気機械変換素子を用いて液滴吐出ヘッドを構成すれば、セラミック焼結体と同等の駆動力により液滴吐出特性を良好に保持でき、連続吐出しても安定した液滴吐出特性を維持することができる。また、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置、例えばインクジェット記録装置とすれば、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性によって画像品質が向上する。 If the droplet discharge head is configured using the electromechanical conversion element of the present invention, the droplet discharge characteristic can be satisfactorily maintained by the driving force equivalent to that of a ceramic sintered body, and stable droplet discharge characteristics even when continuously discharged. Can be maintained. In addition, if a droplet discharge device provided with this droplet discharge head, for example, an ink jet recording apparatus, there is no ink droplet discharge failure due to vibration plate drive failure, and image quality is improved by stable ink droplet discharge characteristics.
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態である画像形成装置のインクジェット記録装置について図9及び図10を参照しながら説明する。図9に、液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を備えたインクジェット記録装置の斜視図を示し、図10にインクジェット記録装置の機構部の側面図を示す。
(Third embodiment)
Next, an ink jet recording apparatus of an image forming apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 shows a perspective view of an ink jet recording apparatus provided with a droplet discharge head (ink jet head), and FIG. 10 shows a side view of a mechanism part of the ink jet recording apparatus.
本発明のインクジェット記録装置80は、本発明の液滴吐出ヘッドを備えたものである。図9及び図10に示すように、インクジェット記録装置は、記録装置本体(81)の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ(93)、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド(94)、記録ヘッド(94)へインクを供給するインクカートリッジ(95)等で構成される印字機構部等を収納し、装置本体(81)の下方部には前方側から多数枚の用紙(83)を積載可能な給紙カセット(84)(或いは給紙トレイでもよい。)を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙(83)を手差しで給紙するための手差しトレイ(85)を開倒することができ、給紙カセット(84)或いは手差しトレイ(85)から給送される用紙(83)を取り込み、印字機構部によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ(86)に排紙する。
An ink
印字機構部は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド(91)と従ガイドロッド(92)とでキャリッジ(93)を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ(93)にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド(94)を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。
また、キャリッジ(93)にはヘッド(94)に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ(95)を交換可能に装着している。
インクカートリッジ(95)は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
The printing mechanism unit slidably holds the carriage (93) in the main scanning direction by a main guide rod (91) and a sub guide rod (92) which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). A carriage (93) is provided with a plurality of ink discharge heads (94) comprising an inkjet head according to the present invention for discharging ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). Outlets (nozzles) are arranged in a direction crossing the main scanning direction, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward.
Each ink cartridge (95) for supplying ink of each color to the head (94) is replaceably mounted on the carriage (93).
The ink cartridge (95) has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside. The ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure by capillary force. Further, although the
ここで、キャリッジ(93)は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド(91)に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド(92)に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ(93)を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ(97)で回転駆動される駆動プーリ(98)と従動プーリ(99)との間にタイミングベルト(100)を張装し、このタイミングベルト(100)をキャリッジ(93)に固定しており、主走査モーター(97)の正逆回転によりキャリッジ(93)が往復駆動される。 Here, the carriage (93) is slidably fitted to the main guide rod (91) on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and the front side (upstream side in the paper conveyance direction) is attached to the secondary guide rod (92). It is slidably mounted. In order to move and scan the carriage (93) in the main scanning direction, a timing belt (100) is stretched between a driving pulley (98) rotated by a main scanning motor (97) and a driven pulley (99). The timing belt (100) is fixed to the carriage (93), and the carriage (93) is reciprocated by forward and reverse rotation of the main scanning motor (97).
一方、給紙カセット(84)にセットした用紙(83)をヘッド(94)の下方側に搬送するために、給紙カセット(84)から用紙(83)を分離給装する給紙ローラ(101)及びフリクションパッド(102)と、用紙(83)を案内するガイド部材(103)と、給紙された用紙(83)を反転させて搬送する搬送ローラ(104)と、この搬送ローラ(104)の周面に押し付けられる搬送コロ(105)及び搬送ローラ(104)からの用紙(83)の送り出し角度を規定する先端コロ(106)とを設けている。搬送ローラ(104)は副走査モータ(107)によってギヤ列を介して回転駆動される。 On the other hand, in order to convey the paper (83) set in the paper feed cassette (84) to the lower side of the head (94), a paper feed roller (101) for separating and feeding the paper (83) from the paper feed cassette (84). ) And a friction pad (102), a guide member (103) for guiding the paper (83), a transport roller (104) for transporting the fed paper (83) in an inverted manner, and the transport roller (104) A conveyance roller (105) pressed against the peripheral surface of the sheet and a leading end roller (106) for defining a feed angle of the sheet (83) from the conveyance roller (104) are provided. The transport roller (104) is rotationally driven through a gear train by a sub-scanning motor (107).
そして、キャリッジ(93)の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ(104)から送り出された用紙(83)をヘッド(94)の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材(109)を設けている。この印写受け部材(109)の用紙搬送方向下流側には、用紙(83)を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ(111)、拍車(112)を設け、さらに用紙(83)を排紙トレイ(86)に送り出す排紙ローラ(113)及び拍車(114)と、排紙経路を形成するガイド部材(115)、(116)とを配設している。 Then, a printing receiving member which is a paper guide member for guiding the paper (83) fed from the transport roller (104) corresponding to the moving range of the carriage (93) in the main scanning direction on the lower side of the head (94). (109) is provided. On the downstream side of the printing receiving member (109) in the sheet conveyance direction, a conveyance roller (111) and a spur (112) that are rotationally driven to send the sheet (83) in the sheet discharge direction are provided. ) Are delivered to a paper discharge tray (86), and a paper discharge roller (113) and a spur (114), and guide members (115) and (116) forming a paper discharge path are disposed.
記録時には、キャリッジ(93)を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド(94)を駆動することにより、停止している用紙(83)にインクを吐出して1行分を記録し、用紙(83)を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙(83)の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙(83)を排紙する。 At the time of recording, the recording head (94) is driven according to the image signal while moving the carriage (93), thereby ejecting ink onto the stopped sheet (83) to record one line. 83) After the predetermined amount is conveyed, the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper (83) has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper (83) is discharged.
また、キャリッジ(93)の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド(94)の吐出不良を回復するための回復装置(117)を配置している。回復装置(117)はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ(93)は印字待機中にはこの回復装置(117)側に移動されてキャッピング手段でヘッド(94)をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。 A recovery device (117) for recovering defective ejection of the head (94) is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage (93). The recovery device (117) includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage (93) is moved to the recovery device (117) side during printing standby and the head (94) is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. . Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド(94)の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。 When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head (94) is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with a suction unit through the tube. Dust and the like are removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
このように、このインクジェット記録装置においては本発明の電気機械変換素子が駆動されることにより液滴を吐出する液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。 Thus, since this ink jet recording apparatus is equipped with a liquid droplet ejection head (ink jet head) that ejects liquid droplets by driving the electromechanical transducer of the present invention, ink droplets due to vibration plate drive failure There is no ejection failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved.
すなわち、本発明の電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド、及び該液滴吐出ヘッドを具備する液滴吐出装置は、吐出安定性と耐久性に優れているため、例えば、オフィス、パーソナルで使用するプリンタ、MFP等のインクジェット式記録装置に応用できるほか、三次元造型技術などへの応用も可能である。 That is, the droplet discharge head including the electromechanical transducer of the present invention and the droplet discharge apparatus including the droplet discharge head are excellent in discharge stability and durability. In addition to application to inkjet printers such as printers and MFPs used, it is also possible to apply to three-dimensional molding techniques.
以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない限りこれらの実施例を適宜改変したものも本件の発明の範囲内である。
以下、本発明の実施例に関して図1、図2及び図3を参照して説明する。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all. Any modification of these embodiments as appropriate without departing from the gist of the present invention is within the scope of the present invention.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
(実施例1)
図1は基板上に本発明の電気機械変換素子を備えた一例を示す断面図であり、図2は本実施例の電気機械変換素子の成膜フローの一部を示す図であり、図3は下部電極であるSRO膜表面のXPS(X-ray photoelectron spectroscopy)評価結果を示すグラフである。
図1に示すように、基板11となるシリコンウェハに、熱酸化によりシリコン酸化膜からなる振動板12を形成し(膜厚1μm)、その上に、密着層13としてチタン膜(膜厚50nm)をスパッタ成膜した。引き続き密着層13上に下部電極14を形成する。下部電極は、白金膜14aとSRO(SrRuO3)からなる複合酸化物層14bとを積層してなるものである。まず白金膜14a(膜厚200nm)をスパッタ成膜した。さらに、白金膜14a上にSRO膜14b(膜厚60nm)スパッタ成膜した。この時のSRO膜14b表面の組成比をX線光電子分光(XPS:X-ray photoelectron spectroscopy)法にて評価した。その結果を図3に示す。図3より、スパッタ成膜されたSROの組成比率は発生しており、組成比率はSr:Ru=60:40であった。
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example in which the electromechanical transducer of the present invention is provided on a substrate, and FIG. 2 is a diagram illustrating a part of a film formation flow of the electromechanical transducer of the present embodiment. These are the graphs which show the XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) evaluation result of the SRO film | membrane surface which is a lower electrode.
As shown in FIG. 1, a
次に、この下部電極14のSRO膜14b上にシード層15であるPST(PbSrO3)膜を成膜した。ゾルゲル法を用いて、PST前駆体溶液をスピンコート成膜した。このPST膜をスピンコートするために、前駆体塗布液の合成は、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドストロンチウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を10モル%過剰にした。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
Next, a PST (PbSrO 3 ) film as the
次に、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドストロンチウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPST前駆体溶液を合成した。このPST濃度は0.1モル/リットルにした。このPST前駆体溶液をSRO膜上にスピンコート成膜を実施した。スピンコート成膜実施後に、乾燥工程を120℃で実施した。この乾燥工程は、溶媒であるメトキシエタノールの沸点より低い温度で実施することが望ましい。 Next, isopropoxide titanium and isopropoxide strontium are dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction are advanced, and the PST precursor solution is mixed with the methoxyethanol solution in which the lead acetate is dissolved. Synthesized. The PST concentration was 0.1 mol / liter. This PST precursor solution was spin-coated on the SRO film. After the spin coat film formation, the drying step was performed at 120 ° C. This drying step is desirably performed at a temperature lower than the boiling point of methoxyethanol, which is a solvent.
次に、図2で示すように仮焼成を行った。仮焼成は、PST前駆体中に含有されている有機成分を取り除くための工程であり、これをRTA(Rapid Thermal Annealing)にて焼成する。PST膜前駆体に対する仮焼成は、400℃で3分間焼成した。そのまま結晶化させるために、本焼成を450℃で1分間焼成させた。本焼成を実施した後に、PST膜の膜厚を調べると、100nmであった。 Next, temporary baking was performed as shown in FIG. Temporary firing is a step for removing organic components contained in the PST precursor, and this is fired by RTA (Rapid Thermal Annealing). Pre-firing for the PST film precursor was performed at 400 ° C. for 3 minutes. In order to crystallize as it is, the main baking was performed at 450 ° C. for 1 minute. When the film thickness of the PST film was examined after carrying out the main baking, it was 100 nm.
次に、このPSTからなるシード層15上に強誘電体層16であるPZT膜を成膜する。このPZT膜の前駆体溶液の合成は、PST前駆体溶液と同様の合成方法を用いた。出発材料に、酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を10モル%過剰にしてある。
Next, a PZT film as the
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.1モル/リットルにした。このPZT前駆体溶液をシード層15であるPST膜上にスピンコート成膜した。スピンコート成膜実施後に、乾燥工程を120℃で実施した。乾燥工程終了後、仮焼工程に入る。PST膜成膜と同様に焼成に用いる装置は、RTAである。仮焼成温度は、480℃に設定した。
Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.1 mol / liter. This PZT precursor solution was spin-coated on the PST film as the
その後、図2に示すように仮焼成工程を経たウェハに、強誘電体層16であるPZT前駆体溶液をスピンコートし、乾燥工程、仮焼成工程を実施した。このスピンコートと仮焼成工程とを3サイクルを実施したウェハに対して、本焼成工程に入る。本焼成温度は、RTA装置で700℃に設定した。本焼成工程を経たPST膜とPZT膜の合計膜厚は、400nmであった。「PZT前駆体塗布と乾燥工程と仮焼工程を3サイクル実施し、本焼成工程を実施する」といった工程フローを所望の膜厚になるまで、繰り返し実施する。本実施例では、PZT膜における本焼成工程を6回実施するまで、塗り重ねた。その時のPST膜とPZT膜の合計膜厚1900nmであった。得られたPZT膜上に上部電極としてPt膜(200nm)をスパッタ法により成膜した。上部電極17はフォトリソグラフィーを用いてパターニングを実施した。
Thereafter, as shown in FIG. 2, the PZT precursor solution, which is the
上部電極のパターニング後、電気特性を評価した。図4に本実施例により製造した電気機械変換素子のP−Eヒステリシス曲線のグラフを示す。PZTからなる強誘電体層15の比誘電率は1220、誘電損失は0.02、残留分極は19.3μC/cm2、抗電界は36.5kV/cmであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性を持つことがわかった。つまり、PSTからなるシード層15の結晶構造がペロブスカイト型であるため、シード層を設けても強誘電体層の強誘電体特性は維持できることがわかった。
After patterning the upper electrode, the electrical characteristics were evaluated. FIG. 4 shows a graph of the PE hysteresis curve of the electromechanical transducer manufactured according to this example. The relative dielectric constant of the
さらに、PZTからなる強誘電体層16の耐圧評価を実施した。図5にそのV−I評価結果のグラフを示す。図5中、実線は、PSTからなるシード層15を設けた場合のV−I特性を示す。また、図5中、破線は、比較例としてシード層が無い素子のV−I特性を示す。図5に示すように、シード層が無い場合は、60V付近で導通してしまうが、PSTからなるシード層15を設けた場合は、100V付近までの高い耐圧特性を有することを確認することができた。シード層はPSTからなるため、SRO層14bからのSr拡散と強誘電体層16のPZT膜からのPb拡散を抑制する事が可能となり、良質な結晶質を得ることができ、耐圧特性の向上に寄与していることがわかった。
Further, the breakdown voltage of the
(実施例2)
次に、実施例2として、本発明の電気機械変換素子のSRO層の表面に酸素プラズマを照射した素子を作製し、その電気特性の評価を行った。
SRO膜のスパッタ直後にPST前駆体溶液をスピンコート成膜すれば、SRO膜表面の濡れ性が向上した状態で成膜可能であるが、製造過程において時間経過と共にSRO膜表面へ大気中の有機成分などが付着し、その濡れ性は劣化していく。濡れ性が劣化したSRO膜の表面の濡れ性を向上させるためには酸素プラズマにて有機成分を除去する必要がある。酸素プラズマ照射するとRuが還元されてRuプアな膜となり、コンタクト抵抗が大きくなってしまう。本来、SRO膜のSrとRuとの比率は50:50が最も望ましい。実施例1では、SRO膜をスパッタ成膜した時点でSrとRuとの組成比率が異なっていた。ターゲットのSrとRuとの組成比を調整し、SrとRuとの組成比率をSr:Ru=50:50とし、酸素プラズマ照射によるSrとRuとの組成比ずれによる電気特性変化について評価した。
(Example 2)
Next, as Example 2, an element in which the surface of the SRO layer of the electromechanical conversion element of the present invention was irradiated with oxygen plasma was produced, and the electrical characteristics were evaluated.
If the PST precursor solution is spin-coated immediately after sputtering of the SRO film, it can be formed with improved wettability on the surface of the SRO film. Ingredients adhere and its wettability deteriorates. In order to improve the wettability of the surface of the SRO film having deteriorated wettability, it is necessary to remove the organic component with oxygen plasma. When oxygen plasma irradiation is performed, Ru is reduced to form a Ru-poor film, and the contact resistance increases. Originally, the ratio of Sr and Ru in the SRO film is most preferably 50:50. In Example 1, the composition ratio of Sr and Ru was different when the SRO film was formed by sputtering. The composition ratio of Sr and Ru of the target was adjusted, the composition ratio of Sr and Ru was set to Sr: Ru = 50: 50, and the change in electrical characteristics due to the composition ratio shift between Sr and Ru due to oxygen plasma irradiation was evaluated.
上記実施例1と同様にSRO膜14bまで同様に形成し、SRO膜14b表面に酸素プラズマを照射した後、XPS分析により表面の組成比率を評価した。その結果、酸素プラズマによりRuが還元され、SrとRuとの比率が、Sr:Ru=70:30となり、組成比率が変化したことが分かった。このSRO膜上に実施例1と同様にPSTからなるシード層15、PZTからなる強誘電体層16、及び上部電極17を成膜し、電気特性を評価したところ、実施例1と同等の電気特性を得ることができた。
The
本実施例2より、Sr:Ruの比率が50:50から70:30に大幅に変化しても、高い耐圧特性と有するPZT膜を形成することができることがわかった。つまり、PSTからなるシード層を設けることにより、酸素プラズマにより組成比率が変化した部分があっても、その影響を受けることが無く、SRO表面の濡れ性を向上させながら、且つシード層上に形成される強誘電体層をエピタキシャル成長させて結晶配向を良好にすることが可能であり、実施例1と同様の電気特性を得ることができることがわかった。 From Example 2, it was found that a PZT film having high withstand voltage characteristics can be formed even when the ratio of Sr: Ru is significantly changed from 50:50 to 70:30. In other words, by providing a seed layer made of PST, even if there is a portion whose composition ratio has changed due to oxygen plasma, it is not affected by it, and is formed on the seed layer while improving the wettability of the SRO surface. It was found that the ferroelectric layer formed can be epitaxially grown to improve the crystal orientation, and the same electrical characteristics as in Example 1 can be obtained.
(実施例3)
次に、PSTからなるシード層15の本焼成温度を変えた時のPZT強誘電体層の結晶配向率の評価を実施した。上記実施例1では、シード層15であるPST膜を400℃で仮焼成し、450℃で本焼成を実施したが、本実施例では、シード層15の本焼成温度を420℃、450℃、および480℃に設定した。本焼成温度を変えたそれぞれのシード層15上に、実施例1と同様に強誘電体層16であるPZT膜を成膜した。成膜されたPZT膜に対して、X線回析(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて、それぞれの結晶配向率について評価した。その結果を図6に示す。
(Example 3)
Next, the crystal orientation rate of the PZT ferroelectric layer when the main firing temperature of the
図6より、420℃ではPZT膜の(100)配向が優先となり、逆に450℃、480℃は(111)配向が優先となった。PZT膜の配向率によって、PZT膜の用途が変化するが、PST膜の焼成条件で制御が可能となった。すなわち、PST膜の配向性が焼成により変化することで、その上に成膜されるPZT膜も、エピタキシャル成長により、その情報を引き継ぐことができ、良好な結晶構造を得ることができる。所望の配向性を得るためにはシード層の結晶配向を本焼成の温度により制御すればよいことになる。 From FIG. 6, the (100) orientation of the PZT film has priority at 420 ° C., and conversely, the (111) orientation has priority at 450 ° C. and 480 ° C. Although the use of the PZT film varies depending on the orientation ratio of the PZT film, it can be controlled by the firing conditions of the PST film. That is, when the orientation of the PST film is changed by firing, the information of the PZT film formed thereon can be inherited by epitaxial growth, and a good crystal structure can be obtained. In order to obtain a desired orientation, the crystal orientation of the seed layer may be controlled by the main firing temperature.
11 シリコン基板
12 振動板
13 密着層
14 下部電極
14a 金属層
14b 複合酸化物層
15 シード層
16 強誘電体層
17 上部電極
18 電気機械変換素子
20 液滴吐出ノズル
21 加圧室
30 液滴吐出ヘッド
40 液滴吐出ヘッド
80 インクジェット記録装置
94 記録ヘッド
11
Claims (7)
下部電極、シード層、強誘電体層、及び上部電極が順次積層されてなり、
前記シード層は、少なくともPb、Sr、およびTiを含むペロブスカイト型結晶構造を有する複合酸化物からなることを特徴とする電気機械変換素子。 An electromechanical transducer provided on a substrate,
A lower electrode, a seed layer, a ferroelectric layer, and an upper electrode are sequentially laminated,
The seed layer is made of a complex oxide having a perovskite crystal structure including at least Pb, Sr, and Ti.
該液滴吐出ノズルが連通する加圧室と、
該加圧室内部に収容された液体を加圧する圧力発生手段とを具備し、
前記圧力発生手段は、前記加圧室に設けられた振動板と、
該振動板上に設けられた請求項1から5のいずれかに記載の電気機械変換素子とを備えてなり、
前記電気機械変換素子を駆動させて前記振動板を変形変位させることにより、前記加圧室内部に収容された液体を加圧して該液体を前記加圧室外部に吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A droplet discharge nozzle for discharging droplets;
A pressurizing chamber to which the droplet discharge nozzle communicates;
Pressure generating means for pressurizing the liquid contained in the pressure chamber,
The pressure generating means includes a diaphragm provided in the pressurizing chamber,
The electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 5 provided on the diaphragm,
A liquid characterized in that the electromechanical transducer is driven to deform and displace the diaphragm so as to pressurize the liquid contained in the pressurizing chamber and discharge the liquid to the outside of the pressurizing chamber. Drop ejection head.
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