JP2016143806A - Mn-DOPED PZT-BASED PIEZOELECTRIC FILM - Google Patents

Mn-DOPED PZT-BASED PIEZOELECTRIC FILM Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Mn-doped PZT-based piezoelectric film formed by CSD method, having a thickness of 0.8 μm or more, excellent in stability after polarization processing, and the piezoelectric characteristics of which do not deteriorate.SOLUTION: A PZT-based piezoelectric film is composed of a Mn-doped composite oxide, and formed by CSD method. When the total mol number of Zr and Ti in the composite oxide is 1 mol, the mole ratio of Mn is in a range of 0.01-0.045, and the PZT-based piezoelectric film crystal oriented to the (100) plane or (001) plane preferentially has a thickness of 0.8-3 μm. The orientation of the (100) plane or (001) plane by X-ray diffraction is preferably 95% or more, and deviation D of the hysteresis loop of the polarization-electric field characteristics is preferably at least 8.8 kV/cm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ジャイロセンサ、赤外線センサ、圧電センサ、インクジェットヘッド、オートフォーカス等に用いられるMnがドープされたPZT系圧電体膜に関する。更に詳しくは上記センサの用途に好適な分極処理後の安定性に優れたMnドープのPZT系圧電体膜に関するものである。   The present invention relates to a PZT-based piezoelectric film doped with Mn used for gyro sensors, infrared sensors, piezoelectric sensors, inkjet heads, autofocus, and the like. More specifically, the present invention relates to a Mn-doped PZT-based piezoelectric film excellent in stability after polarization treatment suitable for the use of the sensor.

従来より、圧電MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイス用途のPZT系膜を作製する方法として、ゾルゲル法に代表されるCSD(Chemical Solution Deposition)法とスパッタリング法が良く知られている。一般的に、CSD法で作製したPZT系膜は絶縁破壊耐圧が高く、インクジェットヘッドなどの高電圧駆動デバイスに適している。一方、スパッタリング法で作製したPZT系膜は成膜時の打ち込み効果により圧縮応力を有することが多く、(001)面に配向させることにより低電圧駆動に優れた膜を形成することができる。また、成膜法を工夫することにより成膜直後から分極方向を揃える自発分極現象を発現させることも可能である。   Conventionally, a CSD (Chemical Solution Deposition) method represented by a sol-gel method and a sputtering method are well known as methods for producing a PZT film for use in a piezoelectric MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device. In general, a PZT-based film manufactured by the CSD method has a high dielectric breakdown voltage and is suitable for a high voltage driving device such as an ink jet head. On the other hand, PZT-based films produced by sputtering often have compressive stress due to the implantation effect during film formation, and a film excellent in low-voltage driving can be formed by being oriented in the (001) plane. It is also possible to develop a spontaneous polarization phenomenon that aligns the polarization direction immediately after film formation by devising the film formation method.

スパッタリング法により、ジャイロセンサ等のセンサ素子として、PZTなどの強誘電体薄膜を作製した場合、これをパッケージングした後でリフロー工程でのはんだ付けのための熱処理によって分極状態が失われることが懸念されるけれども、自発分極現象を有する膜では膜中に内部バイアスが存在するため、この熱処理によって分極状態が失われることがなく、有利である。   When a ferroelectric thin film such as PZT is produced as a sensor element such as a gyro sensor by sputtering, the polarization state may be lost due to heat treatment for soldering in a reflow process after packaging. However, since a film having a spontaneous polarization phenomenon has an internal bias in the film, this heat treatment is advantageous in that the polarization state is not lost.

一方、CSD法によりPZTなどの強誘電体薄膜を作製した場合には、作製された強誘電体薄膜はその成膜上の性質から、特性再現性やウエハ面内の特性均一性に優れる。またCSD法は真空を使用しないため装置コストがスパッタリング法と比較して大幅に低くなる。このようなメリットを生かすため、CSD法でも温度特性に優れ分極状態が失われることがないPZT膜が求められている。   On the other hand, when a ferroelectric thin film such as PZT is produced by the CSD method, the produced ferroelectric thin film is excellent in characteristic reproducibility and in-plane characteristic uniformity due to its film formation properties. In addition, since the CSD method does not use a vacuum, the apparatus cost is significantly lower than the sputtering method. In order to take advantage of such merits, there is a demand for a PZT film that has excellent temperature characteristics even in the CSD method and does not lose the polarization state.

従来、CSD法でもPZT膜において自発分極現象が発現することが開示されている(非特許文献1参照。)。この現象は、薄膜レベルでは基板界面での格子の不整合による歪みの影響により膜が歪み、自発分極現象が誘発されるためであるとこの文献では説明している。   Conventionally, it has been disclosed that a spontaneous polarization phenomenon appears in a PZT film even in the CSD method (see Non-Patent Document 1). This document explains that this phenomenon is due to the fact that the film is distorted by the influence of distortion due to lattice mismatch at the substrate interface at the thin film level, and the spontaneous polarization phenomenon is induced.

なお、後述する下部電極上に結晶配向を(100)面にした配向制御層を形成する強誘電体薄膜の製造方法については、特許文献1に記載されている。また後述する下部電極上に結晶配向を(110)面にした配向制御層を形成する強誘電体薄膜の製造方法については、特許文献2に記載されている。   A method for manufacturing a ferroelectric thin film in which an orientation control layer having a crystal orientation of (100) plane is formed on a lower electrode, which will be described later, is described in Patent Document 1. A method for manufacturing a ferroelectric thin film for forming an orientation control layer having a crystal orientation of (110) plane on a lower electrode, which will be described later, is described in Patent Document 2.

特開2012−256850(請求項1〜3)JP2012-256850 (Claims 1 to 3) 特開2012−256851(請求項1〜3)JP2012-256851A (Claims 1 to 3)

A. L. Kholkin, K. G. Brooks, D. V. Taylor, S. Hiboux and N. Setter : "Self-Polarization Effect in Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films", Integrated Ferroelectrics, 1998, vol. 22, pp. 525-533.A. L. Kholkin, K. G. Brooks, D. V. Taylor, S. Hiboux and N. Setter: "Self-Polarization Effect in Pb (Zr, Ti) O3 Thin Films", Integrated Ferroelectrics, 1998, vol. 22, pp. 525-533.

しかしながら、非特許文献1には、CSD法で成膜したときに、PZT膜の膜厚が増大するに従って、自発分極現象が消滅することが示されている。具体的には、膜厚が0.7μm以下のPZT膜では分極(polarization)は顕著に変化しないが、0.7μmを超えると、歪みの影響が除去されるため自発分極現象は消失し、分極は非常に小さくなることが説明されている。このため、CSD法で実用可能な0.8μm厚さ以上の自発分極現象を有する膜を作製するには、まだ解決すべき課題があった。   However, Non-Patent Document 1 shows that when the film is formed by the CSD method, the spontaneous polarization phenomenon disappears as the thickness of the PZT film increases. Specifically, in a PZT film with a film thickness of 0.7 μm or less, the polarization does not change significantly, but when it exceeds 0.7 μm, the effect of strain is eliminated and the spontaneous polarization phenomenon disappears. Is explained to be very small. For this reason, in order to produce a film having a spontaneous polarization phenomenon with a thickness of 0.8 μm or more that can be practically used by the CSD method, there is still a problem to be solved.

本発明の目的は、CSD法により形成された、膜厚が0.8μm以上であり、かつ分極処理後の安定性に優れ、圧電特性が低下しないMnドープのPZT系圧電体膜を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a Mn-doped PZT-based piezoelectric film that is formed by the CSD method, has a film thickness of 0.8 μm or more, has excellent stability after polarization treatment, and does not deteriorate piezoelectric characteristics. It is in.

本発明者らは、PZT系材料にMnを添加し、膜の(100)面又は(001)面の結晶配向度を高めることにより、膜厚が0.8μm以上であっても、実用上十分な自発分極現象を有するPZT系膜が得られることを知見し、本発明に到達した。   By adding Mn to the PZT-based material and increasing the degree of crystal orientation of the (100) plane or (001) plane of the film, the present inventors have practically sufficient even if the film thickness is 0.8 μm or more. It was found that a PZT film having a spontaneous polarization phenomenon can be obtained, and the present invention has been achieved.

本発明の第1の観点は、Mnドープの複合酸化物からなるCSD法により形成されたPZT系圧電体膜であって、前記複合酸化物中のZrとTiの合計モル数を1モルとするとき、Mnのモル比が0.01〜0.045の範囲にあり、前記PZT系圧電体膜が(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向され、膜厚が0.8〜3μmであることを特徴とするMnドープのPZT系圧電体膜である。   A first aspect of the present invention is a PZT-based piezoelectric film formed by a CSD method made of a Mn-doped composite oxide, wherein the total number of moles of Zr and Ti in the composite oxide is 1 mole. When the molar ratio of Mn is in the range of 0.01 to 0.045, the PZT-based piezoelectric film is preferentially crystallized in the (100) plane or (001) plane, and the film thickness is 0.8 to It is a Mn-doped PZT-based piezoelectric film characterized by being 3 μm.

本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、X線回折による(100)面又は(001)面の配向度が95%以上であるMnドープのPZT系圧電体膜である。   A second aspect of the present invention is an invention based on the first aspect, and is an Mn-doped PZT-based piezoelectric film having an orientation degree of (100) plane or (001) plane of 95% or more by X-ray diffraction It is.

本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点に基づく発明であって、下記の式(1)で求められる分極−電界特性のヒステリシスループのずれDが少なくとも8.8kV/cmであるMnドープのPZT系圧電体膜である。
D =E − [(E + E )/2] (1)
但し、E は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの正側の電界値の絶対値をいい、E は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの負側の電界値の絶対値をいう。
A third aspect of the present invention is an invention based on the first or second aspect, wherein the deviation D of the hysteresis loop of the polarization-electric field characteristic obtained by the following formula (1) is at least 8.8 kV / cm. This is a certain Mn-doped PZT piezoelectric film.
D = E C + − [(E C + + E C ) / 2] (1)
Where E C + is the absolute value of the positive electric field value from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2 , and E C is the negative value from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2. The absolute value of the electric field value on the side.

本発明の第1の観点のMnドープのPZT系圧電体膜では、Pb、Zr及びTiを含有するABOで表されるペロブスカイト構造のPZT材料において、Mnを添加することにより、BサイトイオンであるTi、Zrの一部がMnで置換されて自発分極現象が発現し、これにより膜が0.8〜3μmであっても、分極状態の温度安定性に優れ、この膜をパッケージングした後のリフロー工程でのはんだ付けの熱処理によって分極状態が消失するのを抑制することができる。この具体的な技術的理由は、第一に下記の式(2)に示されるように酸素欠損が生成され、これによりドメインウォールがピニングされることにより自発分極現象が発現する。
Pb1+y/2ZrTi(1−x)O+yMn3+
Pb1+y/2(ZrTi(1−x)Mn)(O3−y/2V・・ y/2) (2)
In the Mn-doped PZT-based piezoelectric film according to the first aspect of the present invention, in the PZT material having a perovskite structure represented by ABO 3 containing Pb, Zr and Ti, by adding Mn, A part of certain Ti and Zr is substituted with Mn, and spontaneous polarization phenomenon appears. As a result, even if the film is 0.8-3 μm, it has excellent temperature stability in the polarization state, and after packaging this film It is possible to suppress the disappearance of the polarization state by the heat treatment of the soldering in the reflow process. The specific technical reason is that, as shown in the following formula (2), oxygen vacancies are generated, and the domain wall is pinned, whereby a spontaneous polarization phenomenon appears.
Pb 1 + y / 2 Zr x Ti (1-x) O 3 + yMn 3+
Pb 1 + y / 2 (Zr x Ti (1-x) Mn y ) (O 3-y / 2 V ·· y / 2 ) (2)

第二にCSD法でMnをドープすると、Mnイオンの濃度が膜の下面側から膜の上面側に向かう膜厚方向に減少するMnの組成傾斜が形成され、酸素欠損の傾斜も同時に生成される。酸素欠陥の濃度傾斜が膜中にバイアスを生み出し自発分極現象がより確実に発現すると推測される。   Secondly, when Mn is doped by the CSD method, a composition gradient of Mn is formed in which the concentration of Mn ions decreases in the film thickness direction from the lower surface side of the film toward the upper surface side of the film, and a gradient of oxygen vacancies is simultaneously generated. . It is presumed that the concentration gradient of oxygen defects creates a bias in the film and the spontaneous polarization phenomenon appears more reliably.

第三に(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向されているため、成膜直後から上向きに分極方向が揃っているため、自発分極現象が保たれ、分極の安定性を高めることができる。またMnをドープしても圧電体膜の圧電特性が低下しない。   Third, since the crystal orientation is preferentially oriented to the (100) plane or the (001) plane, the polarization direction is aligned upward immediately after film formation, so that the spontaneous polarization phenomenon is maintained and the polarization stability is improved. be able to. Even if Mn is doped, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film do not deteriorate.

本発明の第2の観点のMnドープのPZT系圧電体膜では、X線回折による(100)面又は(001)面の配向度が95%以上であるため、更に分極の安定性が高めることができる。   In the Mn-doped PZT-based piezoelectric film according to the second aspect of the present invention, the degree of orientation of the (100) plane or (001) plane by X-ray diffraction is 95% or more, so that the polarization stability is further improved. Can do.

本発明の第3の観点のMnドープのPZT系圧電体膜では、成膜直後からヒステリシスループのずれDを有し、Dが少なくとも8.8kV/cmであるため、分極状態の安定した膜が得られる。   The Mn-doped PZT piezoelectric film according to the third aspect of the present invention has a hysteresis loop shift D immediately after the film formation, and D is at least 8.8 kV / cm. can get.

本発明のMnをドープしたとき(実線で示す)と、Mnをドープしないとき(破線で示す)の各圧電体膜のヒステリシス曲線を示す図である。It is a figure which shows the hysteresis curve of each piezoelectric material film when doped with Mn of the present invention (shown by a solid line) and when not doped with Mn (shown by a broken line). 本発明実施形態のMnドープのPZT系圧電体膜に電圧を印加したときの圧電体膜の挙動を示す模式図である。It is a schematic diagram showing the behavior of the piezoelectric film when a voltage is applied to the Mn-doped PZT piezoelectric film of the embodiment of the present invention.

次に本発明を実施するための形態を説明する。   Next, the form for implementing this invention is demonstrated.

〔MnドープのPZT系圧電体膜〕
本発明のMnドープのPZT系圧電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等のPb含有のペロブスカイト構造を有する複合酸化物にMn元素が添加(ドープ)された圧電体膜である。この圧電体膜は、MnドープのPZT圧電体膜、MnドープのPNbZT圧電体膜、MnドープのPLaZT圧電体膜等である。本明細書では、これらの圧電体膜をPZT系圧電体膜という。このMnドープのPZT系圧電体膜は、CSD法により形成され、Mnドープの複合酸化物からなる。そしてこの複合酸化物中のZrとTiの合計モル数を1モルとするとき、Mnのモル比が0.01〜0.045の範囲にあり、このPZT系圧電体膜が(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向され、膜厚が0.8〜3μmである。優先配向とは、バルクのX線回折パターンと比較して任意のピーク強度が他のピーク強度より相対的に高い状態を指す。
[Mn-doped PZT piezoelectric film]
The Mn-doped PZT piezoelectric film of the present invention is a piezoelectric film in which a Mn element is added (doped) to a composite oxide having a Pb-containing perovskite structure such as lead zirconate titanate (PZT). This piezoelectric film is a Mn-doped PZT piezoelectric film, a Mn-doped PNbZT piezoelectric film, a Mn-doped PLaZT piezoelectric film, or the like. In this specification, these piezoelectric films are called PZT-based piezoelectric films. This Mn-doped PZT piezoelectric film is formed by the CSD method and is made of a Mn-doped composite oxide. When the total number of moles of Zr and Ti in this composite oxide is 1 mole, the molar ratio of Mn is in the range of 0.01 to 0.045, and this PZT-based piezoelectric film has a (100) plane or Crystal orientation is preferentially performed on the (001) plane, and the film thickness is 0.8 to 3 μm. The preferential orientation refers to a state in which an arbitrary peak intensity is relatively higher than other peak intensities as compared with a bulk X-ray diffraction pattern.

Mnをドープしない、ゾルゲル法等の湿式塗工法で成膜したPZT系膜の場合、成膜直後は圧電特性を示さず、分極処理が必要である。一方、Mnをドープし、(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向された膜では、たて軸が分極量であって、よこ軸が電界である分極−電界特性のヒステリシスループが正電界側にシフトするインプリント現象を有し、膜全体として成膜直後から分極方向が上向きに揃った膜になる。また、このような膜では、Mnドープによるインプリント現象により分極の安定性に優れるとともに、圧電特性が低下せず、圧電体としてより好適な膜になる。膜が(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向されない場合には、インプリント現象が起きず、自発分極現象が発現しない。また膜厚が0.8μm未満では十分な変位量が得られない不具合があり、3μmを超えると成膜に時間を有し生産性が低下する不具合がある。好ましい膜厚は1〜2μmである。   In the case of a PZT-based film formed by a wet coating method such as a sol-gel method that does not dope Mn, piezoelectric properties are not exhibited immediately after the film formation, and a polarization treatment is necessary. On the other hand, in a film doped with Mn and preferentially crystallized in the (100) plane or (001) plane, the vertical axis is the amount of polarization and the horizontal axis is an electric field. Has an imprint phenomenon that shifts to the positive electric field side, and the film as a whole becomes a film whose polarization direction is aligned upward immediately after film formation. In addition, such a film has excellent polarization stability due to the imprint phenomenon caused by Mn doping, and does not deteriorate the piezoelectric characteristics, so that the film is more suitable as a piezoelectric body. If the film is not preferentially crystallized in the (100) plane or the (001) plane, the imprint phenomenon does not occur and the spontaneous polarization phenomenon does not occur. Further, when the film thickness is less than 0.8 μm, there is a problem that a sufficient amount of displacement cannot be obtained, and when it exceeds 3 μm, there is a problem that the film formation takes time and productivity is lowered. A preferred film thickness is 1 to 2 μm.

MnドープのPZT系圧電体膜では、下記の式(1)に示す分極−電界特性のヒステリシスループのずれDが少なくとも8.8kV/cmであることが好ましい。ずれDが8.8kV/cm未満である場合には、十分に分極状態が揃っておらず十分な圧電特性が発現しない。またずれDは大きい方が好ましいが、現実的に達成し得るヒステリシスループのずれは22kV/cmである。図1の実線で示すヒステリシスループは、本発明のMnをドープしたPZT系圧電体膜のものであり、図1の破線で示すヒステリシスループは、MnをドープしないPZT系圧電体膜のものである。図1において、E は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの正側の電界値の絶対値であり、E は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの負側の電界値の絶対値である。
D = E − [(E + E )/2] (1)
In the Mn-doped PZT type piezoelectric film, it is preferable that the deviation D of the hysteresis loop of the polarization-electric field characteristic shown in the following formula (1) is at least 8.8 kV / cm. When the deviation D is less than 8.8 kV / cm, the polarization state is not sufficiently aligned and sufficient piezoelectric characteristics are not exhibited. The deviation D is preferably large, but the hysteresis loop deviation that can be achieved in practice is 22 kV / cm. The hysteresis loop indicated by the solid line in FIG. 1 is that of the PZT-based piezoelectric film doped with Mn of the present invention, and the hysteresis loop indicated by the broken line in FIG. 1 is that of the PZT-based piezoelectric film not doped with Mn. . In FIG. 1, E C + is an absolute value of the electric field value on the positive side from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2 , and E C is from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2. Is the absolute value of the electric field value on the negative side.
D = E C + - [( E C + + E C -) / 2] (1)

〔MnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物〕
MnドープのPZT系圧電体膜を形成するための組成物は、PZT系前駆体、主たる溶媒としてのジオール、液粘度調整剤としてのポリビニルピロリドン等を含む。組成物中に含まれるPZT系前駆体は、形成後のPZT系圧電体膜において上記複合酸化物等を構成するための原料であり、上記複合酸化物中のZrとTiの合計モル数を1モルとするとき、Mnのモル比が0.01〜0.045の範囲にある。Mnのモル比が0.01未満では、形成後のPZT系圧電体膜においてインプリント現象は起きず、自発分極現象が発現しない。また0.045を超えると、圧電体膜の圧電特性が低下する。
[Mn-doped PZT-based piezoelectric film forming composition]
The composition for forming the Mn-doped PZT-based piezoelectric film includes a PZT-based precursor, a diol as a main solvent, polyvinylpyrrolidone as a liquid viscosity modifier, and the like. The PZT-based precursor contained in the composition is a raw material for constituting the composite oxide and the like in the formed PZT-based piezoelectric film, and the total number of moles of Zr and Ti in the composite oxide is 1 When molar, the molar ratio of Mn is in the range of 0.01 to 0.045. When the molar ratio of Mn is less than 0.01, the imprint phenomenon does not occur in the formed PZT-based piezoelectric film, and the spontaneous polarization phenomenon does not occur. If it exceeds 0.045, the piezoelectric properties of the piezoelectric film are deteriorated.

より具体的には、PZT系圧電体膜形成用組成物がPMnZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が(1.00〜1.20):(0.01〜0.045):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)を満たし、かつZrとTiの金属原子比の合計割合が1となる割合で含まれる。これにより、形成後の圧電体膜において、上記PZT圧電体膜の一般式をPbMnZrTi1−yで示すとき、一般式中のx、y及びzが0.01≦x≦0.045、0.40≦y≦0.55及び0.95≦z≦1.10を満たす所望の組成に制御することができる。 More specifically, when the PZT-based piezoelectric film-forming composition is a PMnZT piezoelectric film-forming composition, the metal atomic ratio (Pb: Mn: Zr: Ti) in the composition is (1.00 to 1.00). 1.20): (0.01 to 0.045): (0.40 to 0.55): (0.45 to 0.60) is satisfied, and the total ratio of the metal atomic ratio of Zr and Ti is 1. It is included in the ratio. Thereby, in the piezoelectric film after formation, when the general formula of the PZT piezoelectric film is represented by Pb z Mn x Zr y Ti 1-y O 3 , x, y, and z in the general formula are 0.01 ≦ It can be controlled to a desired composition satisfying x ≦ 0.045, 0.40 ≦ y ≦ 0.55 and 0.95 ≦ z ≦ 1.10.

PZT系圧電体膜形成用組成物がPMnNbZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:Mn:Nb:Zr:Ti)が(1.00〜1.20):(0.01〜0.045):(0.01〜0.045):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)を満たし、かつZrとTiとMnとNbの金属原子比の合計割合が1となる割合で含まれる。これにより、形成後の圧電体膜において、上記PNbZT圧電体膜の一般式をPbMnNb1−xZrTi1−yで示すとき、一般式中のx、y及びzが0.01≦x≦0.045、0.40≦y≦0.55及び0.95≦z≦1.10を満たす所望の組成に制御することができる。 When the PZT-based piezoelectric film-forming composition is a PMnNbZT piezoelectric film-forming composition, the metal atomic ratio (Pb: Mn: Nb: Zr: Ti) in the composition is (1.00-1.20) : (0.01 to 0.045): (0.01 to 0.045): (0.40 to 0.55): (0.45 to 0.60) and Zr, Ti and Mn The total proportion of Nb metal atom ratios is included at a rate of 1. Thereby, in the formed piezoelectric film, when the general formula of the PNbZT piezoelectric film is represented by Pb z Mn x Nb 1-x Zr y Ti 1-y O 3 , x, y, and z in the general formula are The composition can be controlled so as to satisfy 0.01 ≦ x ≦ 0.045, 0.40 ≦ y ≦ 0.55, and 0.95 ≦ z ≦ 1.10.

PZT系圧電体膜形成用組成物がPMnLaZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:La:Mn:Zr:Ti)が(1.00〜1.20):(0.01〜0.05):(0.01〜0.045):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)を満たし、かつPbとLaの金属原子比の合計割合が1となる割合で含まれる。これにより、形成後の圧電体膜において、上記PLaZT圧電体膜の一般式をPbLaMnZrTi1−yで示すとき、一般式中のx、y、z及びtが0.01≦x≦0.045、0.40≦y≦0.55、0.01≦t≦0.05及び1.00≦z≦1.20を満たす所望の組成に制御することができる。 When the PZT-based piezoelectric film-forming composition is a PMnLaZT piezoelectric film-forming composition, the metal atomic ratio (Pb: La: Mn: Zr: Ti) in the composition is (1.00-1.20) : (0.01 to 0.05): (0.01 to 0.045): (0.40 to 0.55): (0.45 to 0.60), and metal atoms of Pb and La The total ratio is included at a ratio of 1. Thus, in the piezoelectric film after forming, when referring to the general formula of the PLaZT piezoelectric film with Pb z La t Mn x Zr y Ti 1-y O 3, x in the general formula, y, is z and t It can be controlled to a desired composition satisfying 0.01 ≦ x ≦ 0.045, 0.40 ≦ y ≦ 0.55, 0.01 ≦ t ≦ 0.05, and 1.00 ≦ z ≦ 1.20. .

PZT系前駆体は、Pb、Mn、Zr及びTiの各金属原子、Pb、Mn、Nb、Zr及びTiの各金属原子、又はPb、Mn、La、Zr及びTiの各金属原子に、有機基がその酸素又は窒素原子を介して結合している化合物が好適である。例えば、金属アルコキシド、金属ジオール錯体、金属トリオール錯体、金属カルボン酸塩、金属β−ジケトネート錯体、金属β−ジケトエステル錯体、金属β−イミノケト錯体、及び金属アミノ錯体からなる群より選ばれた1種又は2種以上が例示される。特に好適な化合物は、金属アルコキシド、その部分加水分解物、有機酸塩である。   The PZT-based precursor has an organic group on each metal atom of Pb, Mn, Zr and Ti, each metal atom of Pb, Mn, Nb, Zr and Ti, or each metal atom of Pb, Mn, La, Zr and Ti. A compound in which is bonded via its oxygen or nitrogen atom is preferred. For example, one kind selected from the group consisting of metal alkoxide, metal diol complex, metal triol complex, metal carboxylate, metal β-diketonate complex, metal β-diketoester complex, metal β-iminoketo complex, and metal amino complex Or 2 or more types are illustrated. Particularly suitable compounds are metal alkoxides, partial hydrolysates thereof, and organic acid salts.

具体的には、Pb化合物としては、酢酸鉛:Pb(OAc)等の酢酸塩や、鉛ジイソプロポキシド:Pb(OiPr)等のアルコキシドが挙げられる。またMn化合物としては、2−エチルヘキサン酸マンガン、ナフテン酸マンガン、酢酸マンガン等の有機酸塩や、アセチルアセトンマンガン等の金属β−ジケトネート錯体が挙げられる。またTi化合物としては、チタンテトラエトキシド:Ti(OEt)、チタンテトライソプロポキシド:Ti(OiPr)、チタンテトラn−ブトキシド:Ti(OnBu)、チタンテトライソブトキシド:Ti(OiBu)、チタンテトラt−ブトキシド:Ti(OtBu)、チタンジメトキシジイソプロポキシド:Ti(OMe)(OiPr)等のアルコキシドが挙げられる。またZr化合物としては、上記Ti化合物と同様のアルコキシド類が好ましい。更にNb化合物としては、ニオブペンタエトキシド、2−エチルヘキサン酸ニオブ等のアルコキシドや有機金属酸塩が挙げられ、La化合物としては、酢酸ランタン1.5水和物等の有機金属酸塩が挙げられる。金属アルコキシドはそのまま使用してもよいが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用してもよい。 Specifically, examples of the Pb compound include acetates such as lead acetate: Pb (OAc) 2 and alkoxides such as lead diisopropoxide: Pb (OiPr) 2 . Examples of the Mn compound include organic acid salts such as manganese 2-ethylhexanoate, manganese naphthenate and manganese acetate, and metal β-diketonate complexes such as acetylacetone manganese. Further, as the Ti compound, titanium tetraethoxide: Ti (OEt) 4 , titanium tetraisopropoxide: Ti (OiPr) 4 , titanium tetra n-butoxide: Ti (OnBu) 4 , titanium tetraisobutoxide: Ti (OiBu) 4 , alkoxides such as titanium tetra-t-butoxide: Ti (OtBu) 4 and titanium dimethoxydiisopropoxide: Ti (OMe) 2 (OiPr) 2 . Moreover, as a Zr compound, the alkoxides similar to the said Ti compound are preferable. Further, examples of the Nb compound include alkoxides and organometallic acid salts such as niobium pentaethoxide and niobium 2-ethylhexanoate, and examples of the La compound include organic metal acid salts such as lanthanum acetate hemihydrate. It is done. Although the metal alkoxide may be used as it is, a partially hydrolyzed product thereof may be used in order to promote decomposition.

上記Pb化合物、Mn化合物、Ti化合物及びZr化合物、又はNb化合物若しくはLa化合物は、上述の所望の金属原子比を与えるような割合で組成物中に含まれる。ここで、組成物中のMnの割合を上記範囲になるよう制御する理由は、組成物中のMnの割合が下限値未満では、成膜後の膜組成を示す上記一般式中のxが下限値未満となり、前述したように、形成後のPZT系圧電体膜においてインプリント現象は起きず、自発分極現象が発現しない。一方、組成物中のMnの割合が上限値を超えると、成膜後の膜組成を示す上記一般式中のxが上限値を越え、前述したように圧電体膜の圧電特性が低下するからである。また、組成物中のZr、Tiの割合を上記範囲になるよう制御する理由は、組成物中のZr、Tiの割合が上記範囲から外れると、成膜後の膜組成を示す上記一般式中のyが上述の所望の範囲から外れ、圧電体膜の圧電定数を十分に向上させることができないからである。また、組成物中のPbの割合を上記範囲になるよう制御する理由は、組成物中のPbの割合が下限値未満では、成膜後の膜組成を示す上記一般式中のzが下限値未満となり、膜中にパイロクロア相が多量に含まれてしまい、圧電特性等の電気特性を著しく低下させるからである。一方、組成物中のPbの割合が上限値を越えると、成膜後の膜組成を示す上記一般式中のzが上限値を越え、焼成後の膜中に多量にPbOが残留し、リーク電流が増大して膜の電気的信頼性が低下するからである。即ち、膜中に過剰な鉛が残りやすくなり、リーク特性や絶縁特性を劣化させるからである。   The Pb compound, Mn compound, Ti compound and Zr compound, or Nb compound or La compound are contained in the composition in such a ratio as to give the desired metal atom ratio. Here, the reason for controlling the Mn ratio in the composition to be in the above range is that if the Mn ratio in the composition is less than the lower limit, x in the above general formula indicating the film composition after film formation is the lower limit. As described above, the imprint phenomenon does not occur in the PZT piezoelectric film after formation, and the spontaneous polarization phenomenon does not occur. On the other hand, if the ratio of Mn in the composition exceeds the upper limit, x in the above general formula indicating the film composition after film formation exceeds the upper limit, and as described above, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film deteriorate. It is. The reason for controlling the ratio of Zr and Ti in the composition to be in the above range is that if the ratio of Zr and Ti in the composition is out of the above range, This is because y of y is out of the above desired range and the piezoelectric constant of the piezoelectric film cannot be sufficiently improved. Moreover, the reason for controlling the ratio of Pb in the composition to be in the above range is that if the ratio of Pb in the composition is less than the lower limit, z in the above general formula indicating the film composition after film formation is the lower limit. This is because a large amount of pyrochlore phase is contained in the film, and electrical characteristics such as piezoelectric characteristics are remarkably deteriorated. On the other hand, if the ratio of Pb in the composition exceeds the upper limit value, z in the above general formula indicating the film composition after film formation exceeds the upper limit value, and a large amount of PbO remains in the film after baking. This is because the current increases and the electrical reliability of the film decreases. That is, excess lead tends to remain in the film, and the leak characteristics and insulation characteristics are deteriorated.

なお、PZT系圧電体膜形成用組成物がPZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)は、上述の範囲のうち、(1.05〜1.15):(0.02〜0.042):(0.45〜0.55):(0.45〜0.55)を満たし、かつZrとTiの金属原子比の合計割合が1となる割合とするのが好ましい。   When the composition for forming a PZT-based piezoelectric film is a composition for forming a PZT piezoelectric film, the metal atomic ratio (Pb: Mn: Zr: Ti) in the composition is (1 .05 to 1.15): (0.02 to 0.042): (0.45 to 0.55): (0.45 to 0.55) and the sum of the metal atomic ratios of Zr and Ti The ratio is preferably set to 1.

PZT系圧電体膜形成用組成物がPNbZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:Mn:Nb:Zr:Ti)が(1.00〜1.20):(0.01〜0.045):(0.01〜0.045):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)を満たし、かつZrとTiとMnとNbの金属原子比の合計割合が1とするのが好ましい。   When the PZT-based piezoelectric film-forming composition is a PNbZT piezoelectric film-forming composition, the metal atomic ratio (Pb: Mn: Nb: Zr: Ti) in the composition is (1.00-1.20) : (0.01 to 0.045): (0.01 to 0.045): (0.40 to 0.55): (0.45 to 0.60) and Zr, Ti and Mn It is preferable that the total ratio of the metal atom ratio of Nb is 1.

PZT系圧電体膜形成用組成物がPLaZT圧電体膜形成用組成物である場合、組成物中の金属原子比(Pb:La:Mn:Zr:Ti)が(1.00〜1.20):(0.01〜0.045):(0.01〜0.045):(0.40〜0.55):(0.45〜0.60)を満たし、かつPbとLaの金属原子比の合計割合が1となる割合とすることが好ましい。なお、本明細書において、圧電定数の大小(高低)とは、圧電定数の絶対値の大小(高低)をいう。   When the PZT-based piezoelectric film forming composition is a PLaZT piezoelectric film forming composition, the metal atomic ratio (Pb: La: Mn: Zr: Ti) in the composition is (1.00 to 1.20). : (0.01 to 0.045): (0.01 to 0.045): (0.40 to 0.55): (0.45 to 0.60), and metal atoms of Pb and La It is preferable to set the ratio so that the total ratio is 1. In the present specification, the magnitude (high and low) of the piezoelectric constant means the magnitude (high and low) of the absolute value of the piezoelectric constant.

組成物100質量%中に占める上記PZT系前駆体の濃度は、酸化物濃度で17〜35質量%である。PZT系前駆体の濃度をこの範囲に限定したのは、下限値未満では十分な膜厚を得ることができず、一方、上限値を超えるとクラックが発生しやすくなるからである。このうち、組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度は、酸化物濃度で20〜25質量%とするのが好ましい。なお、組成物中に占めるPZT系前駆体の濃度における酸化物濃度とは、組成物に含まれる全ての金属原子が目的の酸化物になったと仮定して算出した、組成物100質量%に占める金属酸化物の濃度をいう。   The concentration of the PZT precursor in 100% by mass of the composition is 17 to 35% by mass in terms of oxide concentration. The reason why the concentration of the PZT precursor is limited to this range is that a sufficient film thickness cannot be obtained if the concentration is less than the lower limit value, whereas cracks are likely to occur if the upper limit value is exceeded. Among these, it is preferable that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions is 20-25 mass% in an oxide density | concentration. In addition, the oxide concentration in the concentration of the PZT-based precursor in the composition occupies 100% by mass of the composition calculated on the assumption that all metal atoms contained in the composition have become the target oxide. The concentration of metal oxide.

組成物中に含まれる主たる溶媒のジオールは、プロピレングリコール、エチレングリコール又は1,3―プロパンジオール等が挙げられる。このうち、プロピレングリコール又はエチレングリコールが好ましい。ジオールを溶媒成分とすることにより、組成物の保存安定性を高めることができる。   Examples of the main solvent diol contained in the composition include propylene glycol, ethylene glycol, and 1,3-propanediol. Of these, propylene glycol or ethylene glycol is preferred. By using diol as a solvent component, the storage stability of the composition can be enhanced.

組成物100質量%中の上記ジオールの割合は、16〜56質量%である。ジオールの割合をこの範囲に限定したのは、下限値未満では沈殿が生成する不具合が生じ、一方、上限値を超えると厚膜化したときにボイド(マイクロポア)が生じやすくなるからである。このうち、ジオールの割合は、28〜42質量%とするのが好ましい。   The ratio of the said diol in 100 mass% of compositions is 16-56 mass%. The reason why the ratio of the diol is limited to this range is that if it is less than the lower limit value, a problem that precipitates are generated occurs. On the other hand, if it exceeds the upper limit value, voids (micropores) are easily generated when the film is thickened. Among these, it is preferable that the ratio of diol shall be 28-42 mass%.

また、他の溶媒として、カルボン酸、アルコール(例えば、エタノールや1−ブタノール、ジオール以外の多価アルコール)、エステル、ケトン類(例えば、アセトン、メチルエチルケトン)、エーテル類(例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル)、シクロアルカン類(例えば、シクロヘキサン、シクロヘキサノール)、芳香族系(例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン)、その他テトラヒドロフラン等が挙げられ、ジオールにこれらの1種又は2種以上を更に添加させた混合溶媒とすることもできる。   Other solvents include carboxylic acids, alcohols (for example, polyhydric alcohols other than ethanol, 1-butanol and diol), esters, ketones (for example, acetone, methyl ethyl ketone), ethers (for example, dimethyl ether, diethyl ether). , Cycloalkanes (for example, cyclohexane, cyclohexanol), aromatics (for example, benzene, toluene, xylene), other tetrahydrofuran, etc., and mixed solvents in which one or more of these are further added to a diol It can also be.

カルボン酸としては、具体的には、n−酪酸、α−メチル酪酸、i−吉草酸、2−エチル酪酸、2,2−ジメチル酪酸、3,3−ジメチル酪酸、2,3−ジメチル酪酸、3−メチルペンタン酸、4−メチルペンタン酸、2−エチルペンタン酸、3−エチルペンタン酸、2,2−ジメチルペンタン酸、3,3−ジメチルペンタン酸、2,3−ジメチルペンタン酸、2−エチルヘキサン酸、3−エチルヘキサン酸を用いるのが好ましい。   Specific examples of the carboxylic acid include n-butyric acid, α-methylbutyric acid, i-valeric acid, 2-ethylbutyric acid, 2,2-dimethylbutyric acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 2,3-dimethylbutyric acid, 3-methylpentanoic acid, 4-methylpentanoic acid, 2-ethylpentanoic acid, 3-ethylpentanoic acid, 2,2-dimethylpentanoic acid, 3,3-dimethylpentanoic acid, 2,3-dimethylpentanoic acid, 2- It is preferable to use ethylhexanoic acid or 3-ethylhexanoic acid.

また、エステルとしては、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸tert−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸n−アミル、酢酸sec−アミル、酢酸tert−アミル、酢酸イソアミルを用いるのが好ましく、アルコールとしては、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソ−ブチルアルコール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、2−メトキシエタノールを用いるのが好適である。   As the ester, ethyl acetate, propyl acetate, n-butyl acetate, sec-butyl acetate, tert-butyl acetate, isobutyl acetate, n-amyl acetate, sec-amyl acetate, tert-amyl acetate, isoamyl acetate are used. As the alcohol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, iso-butyl alcohol, 1-pentanol, 2-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 2-methoxy It is preferred to use ethanol.

また、組成物中に含まれる液粘度調整剤は、形成後の圧電体膜のクラックの抑制効果が大きい。この液粘度調整剤としては、高分子化合物であるポリビニルピロリドン(PVP)が相対粘度を調整するのに好適である。本発明の組成物に含まれるポリビニルピロリドンのk値は、30〜90であることが好ましい。上記ポリビニルピロリドンの割合が上記PZT系前駆体1モルに対してモノマー換算で0.005〜0.25モルである。   Moreover, the liquid viscosity modifier contained in the composition has a large effect of suppressing cracks in the formed piezoelectric film. As this liquid viscosity adjusting agent, polyvinylpyrrolidone (PVP) which is a polymer compound is suitable for adjusting the relative viscosity. It is preferable that k value of polyvinylpyrrolidone contained in the composition of this invention is 30-90. The ratio of the polyvinyl pyrrolidone is 0.005 to 0.25 mol in terms of monomer with respect to 1 mol of the PZT precursor.

また、本発明の組成物中には、炭素数6以上12以下の直鎖状モノアルコールを添加することが好ましく、その添加割合は組成物100質量%中に0.6〜10質量%であることが好ましい。組成物中に適量の直鎖状モノアルコールを含ませると、仮焼時に効果的に有機物を膜外に放出可能なゲル膜を形成でき、膜厚が100nmを超えても緻密で高特性のMnドープのPZT系圧電体膜が得られる。   Moreover, in the composition of this invention, it is preferable to add C6-C12 linear monoalcohol, and the addition ratio is 0.6-10 mass% in 100 mass% of compositions. It is preferable. When an appropriate amount of linear monoalcohol is included in the composition, a gel film capable of effectively releasing organic substances out of the film at the time of calcination can be formed, and even if the film thickness exceeds 100 nm, the fine and high characteristic Mn A doped PZT piezoelectric film is obtained.

また、上記成分以外に、必要に応じて安定化剤として、β−ジケトン類(例えば、アセチルアセトン、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン、ジピバロイルメタン、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等)、β−ケトン酸類(例えば、アセト酢酸、プロピオニル酢酸、ベンゾイル酢酸等)、β−ケトエステル類(例えば、上記ケトン酸のメチル、プロピル、ブチル等の低級アルキルエステル類)、オキシ酸類(例えば、乳酸、グリコール酸、α−オキシ酪酸、サリチル酸等)、上記オキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類(例えば、ジアセトンアルコール、アセトイン等)、ジオール、トリオール、高級カルボン酸、アルカノールアミン類(例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン)、多価アミン等を、(安定化剤分子数)/(金属原子数)で0.2〜3程度添加してもよい。このうち、安定化剤としてはβ−ジケトン類のアセチルアセトンが好ましい。   In addition to the above components, β-diketones (for example, acetylacetone, heptafluorobutanoylpivaloylmethane, dipivaloylmethane, trifluoroacetylacetone, benzoylacetone, etc.), β Ketone acids (for example, acetoacetic acid, propionylacetic acid, benzoylacetic acid, etc.), β-ketoesters (for example, lower alkyl esters of the above ketone acids such as methyl, propyl, butyl, etc.), oxyacids (for example, lactic acid, glycolic acid) , Α-oxybutyric acid, salicylic acid, etc.), lower alkyl esters of the above oxyacids, oxyketones (eg, diacetone alcohol, acetoin, etc.), diols, triols, higher carboxylic acids, alkanolamines (eg, diethanolamine, triethanol) Amine, monoeta Ruamin), a polyvalent amine or the like may be added from 0.2 to 3 approximately at (stabilizer number of molecules) / (number of metal atoms). Of these, β-diketone acetylacetone is preferred as the stabilizer.

〔MnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物の製造方法〕
続いて、本発明のMnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物の製造方法について説明する。先ず、上述したPb化合物等のPZT系前駆体をそれぞれ用意し、これらを上記所望の金属原子比を与える割合になるように秤量する。秤量した上記PZT系前駆体とジオールとを反応容器内に投入して混合し、好ましくは窒素雰囲気中、130〜175℃の温度で0.5〜3時間還流し反応させることで合成液を調製する。還流後は、常圧蒸留や減圧蒸留の方法により、脱溶媒させておくのが好ましい。また、アセチルアセトン等の安定化剤を添加する場合は、上述のPZT系前駆体、ジオールを反応容器内に投入する際、これらとともに投入して混合する。或いは、脱溶媒後の合成液にこれらを添加し、窒素雰囲気中、130〜175℃の温度で0.5〜5時間還流を行うのが好ましい。その後、室温下で放冷することにより、合成液を室温(25℃程度)まで冷却させる。冷却後、ジオール以外の溶媒を添加することにより、合成液中に含まれるPZT系前駆体の濃度を所望の濃度に調整する。PZT系前駆体、ジオールの使用量は、最終的に得られる組成物100質量%のPZT系前駆体の濃度が酸化物濃度で17〜35質量%、ジオールの濃度が16〜56質量%となるように調整する。
[Method for producing Mn-doped PZT-based piezoelectric film forming composition]
Next, a method for producing the Mn-doped PZT piezoelectric film-forming composition of the present invention will be described. First, PZT-based precursors such as the Pb compound described above are prepared, and these are weighed so as to have a ratio that gives the desired metal atomic ratio. The above-mentioned weighed PZT precursor and diol are put into a reaction vessel and mixed, and a synthetic solution is preferably prepared by refluxing and reacting at a temperature of 130 to 175 ° C. for 0.5 to 3 hours in a nitrogen atmosphere. To do. After the reflux, it is preferable to remove the solvent by a method of atmospheric distillation or vacuum distillation. Moreover, when adding stabilizers, such as acetylacetone, when inject | pouring the above-mentioned PZT type | system | group precursor and diol in a reaction container, it introduces and mixes with these. Alternatively, it is preferable to add these to the synthesis solution after desolvation and perform reflux at a temperature of 130 to 175 ° C. for 0.5 to 5 hours in a nitrogen atmosphere. Then, the synthetic liquid is cooled to room temperature (about 25 ° C.) by allowing to cool at room temperature. After cooling, by adding a solvent other than the diol, the concentration of the PZT precursor contained in the synthesis solution is adjusted to a desired concentration. The amount of the PZT precursor and diol used is such that the concentration of the PZT precursor in the finally obtained composition of 100% by mass is 17 to 35% by mass in terms of oxide concentration, and the concentration of diol is 16 to 56% by mass. Adjust as follows.

冷却後の合成液に、好ましくは直鎖状モノアルコールを添加してゾルゲル液を調製する。直鎖状モノアルコールを添加する場合は、冷却後の合成液に、上述のジオール以外の溶媒を添加する際、これらを併せて添加してゾルゲル液を調製する。   A sol-gel solution is preferably prepared by adding linear monoalcohol to the cooled synthesis solution. When adding linear monoalcohol, when adding solvents other than the above-mentioned diol to the synthetic liquid after cooling, these are added together to prepare a sol-gel liquid.

そして、上記ゾルゲル液に、PZT系前駆体1モルに対する割合がモノマー換算で0.005〜0.25モルとなる量のポリビニルピロリドンを添加し、撹拌することで均一に分散させる。これにより、本発明のMnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物が得られる。   And the polyvinyl pyrrolidone of the quantity from which the ratio with respect to 1 mol of PZT type | system | group precursors is 0.005-0.25 mol in monomer conversion is added to the said sol-gel liquid, and it is made to disperse | distribute uniformly by stirring. As a result, the Mn-doped PZT-based piezoelectric film forming composition of the present invention is obtained.

なお、組成物の調製後、濾過処理等によってパーティクルを除去して、粒径0.5μm以上(特に0.3μm以上とりわけ0.2μm以上)のパーティクルの個数が組成物1ミリリットル当たり50個以下とするのが好ましい。組成物中の粒径0.5μm以上のパーティクルの個数が組成物1ミリリットル当たり50個を超えると、長期保存安定性が劣るものとなる。この組成物中の粒径0.5μm以上のパーティクルの個数は少ない程好ましく、特に組成物1ミリリットル当たり30個以下であることが好ましい。   After the preparation of the composition, the particles are removed by filtration or the like, and the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more (particularly 0.3 μm or more, especially 0.2 μm or more) is 50 or less per milliliter of the composition. It is preferable to do this. If the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more in the composition exceeds 50 particles per milliliter of the composition, the long-term storage stability becomes poor. The number of particles having a particle size of 0.5 μm or more in the composition is preferably as small as possible, and particularly preferably 30 or less per milliliter of the composition.

〔MnドープのPZT系圧電体膜の形成方法〕
次に、本発明のMnドープのPZT系圧電体膜の形成方法について説明する。この形成方法は、ゾルゲル法による圧電体膜の形成方法であり、原料溶液に、上述のMnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物を使用する。
[Method of forming Mn-doped PZT-based piezoelectric film]
Next, a method for forming the Mn-doped PZT piezoelectric film of the present invention will be described. This forming method is a method of forming a piezoelectric film by a sol-gel method, and uses the above-described composition for forming a PZT-based piezoelectric film of Mn dope as a raw material solution.

先ず、上記MnドープのPZT系圧電体膜形成用組成物を基板上に塗布し、所望の厚さを有する塗膜(ゲル膜)を形成する。塗布法については、特に限定されないが、スピンコート、ディップコート、LSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法又は静電スプレー法等が挙げられる。圧電体膜を形成する基板には、下部電極が形成されたシリコン基板やサファイア基板等の耐熱性基板が用いられる。基板上に形成する下部電極は、Pt、TiO、Ir、Ru等の導電性を有し、かつ圧電体膜と反応しない材料により形成される。例えば、下部電極を基板側から順にTiO膜及びPt膜の2層構造にすることができる。更に基板としてシリコン基板を用いる場合には、この基板表面にSiO膜を形成することができる。 First, the Mn-doped PZT-based piezoelectric film forming composition is applied on a substrate to form a coating film (gel film) having a desired thickness. The coating method is not particularly limited, and examples thereof include spin coating, dip coating, LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition) method, and electrostatic spraying method. As the substrate on which the piezoelectric film is formed, a heat resistant substrate such as a silicon substrate or a sapphire substrate on which a lower electrode is formed is used. The lower electrode formed on the substrate is formed of a material that has conductivity such as Pt, TiO x , Ir, and Ru and does not react with the piezoelectric film. For example, the lower electrode can have a two-layer structure of a TiO X film and a Pt film in order from the substrate side. Further, when a silicon substrate is used as the substrate, an SiO 2 film can be formed on the substrate surface.

また、圧電体膜を形成する下部電極上には、圧電体膜を形成する前に、(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向が制御された配向制御膜を形成しておくことが望ましい。これは、MnドープのPZT系圧電体膜を(100)面又は(001)面に強く配向させることにより、成膜直後から分極方向が揃った膜に形成できるからである。配向制御膜としては、(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向が制御されたLNO膜(LaNiO膜)、PZT膜、SrTiO膜等が挙げられる。 Further, on the lower electrode on which the piezoelectric film is formed, an orientation control film in which the crystal orientation is preferentially controlled is formed on the (100) plane or the (001) plane before the piezoelectric film is formed. It is desirable. This is because a Mn-doped PZT-based piezoelectric film can be formed into a film having a uniform polarization direction immediately after film formation by strongly orienting it to the (100) plane or (001) plane. Examples of the orientation control film include an LNO film (LaNiO 3 film), a PZT film, and a SrTiO 3 film whose crystal orientation is controlled preferentially on the (100) plane or the (001) plane.

なお、配向制御層の優先的な結晶配向を(100)面にする方法としては、例えば、特許文献1に記載された結晶面が(111)軸方向に配向した下部電極を有する基板のこの下部電極上に、強誘電体薄膜形成用組成物を塗布、仮焼、焼成して配向制御層を形成するときに、上記下部電極上に結晶粒径制御層を形成しておき、この結晶粒径制御層の上に上記強誘電体薄膜形成用組成物の塗布量を上記配向制御層の結晶化後の層厚が35nm〜150nmの範囲内になるように設定し、かつ上記仮焼時の温度を150℃〜200℃又は285℃〜315℃の範囲内にする方法(以下、第1の方法という。)が挙げられる。   As a method of setting the preferential crystal orientation of the orientation control layer to the (100) plane, for example, this lower portion of the substrate having the lower electrode in which the crystal plane described in Patent Document 1 is oriented in the (111) axis direction. When a composition for forming a ferroelectric thin film is applied, calcined, and fired on an electrode to form an orientation control layer, a crystal grain size control layer is formed on the lower electrode. The coating amount of the composition for forming a ferroelectric thin film on the control layer is set so that the layer thickness after crystallization of the orientation control layer is in the range of 35 nm to 150 nm, and the temperature during the calcination Can be included in the range of 150 ° C. to 200 ° C. or 285 ° C. to 315 ° C. (hereinafter referred to as the first method).

また、配向制御層の優先的な結晶配向を(110)面にする方法としては、例えば、特許文献2に記載された結晶面が(111)軸方向に配向した下部電極を有する基板のこの下部電極上に、強誘電体薄膜形成用組成物を塗布、仮焼、焼成して配向制御層を形成するときに、上記下部電極上に結晶粒径制御層を形成しておき、この結晶粒径制御層の上に上記強誘電体薄膜形成用組成物の塗布量を上記配向制御層の結晶化後の層厚が5nm〜30nmの範囲内になるように設定し、かつ上記仮焼時の温度を180℃〜300℃の範囲内にする方法(以下、第2の方法という。)が挙げられる。   Further, as a method of setting the preferential crystal orientation of the orientation control layer to the (110) plane, for example, this lower portion of the substrate having the lower electrode in which the crystal plane described in Patent Document 2 is oriented in the (111) axis direction. When a composition for forming a ferroelectric thin film is applied, calcined, and fired on an electrode to form an orientation control layer, a crystal grain size control layer is formed on the lower electrode. The application amount of the composition for forming a ferroelectric thin film on the control layer is set so that the layer thickness after crystallization of the orientation control layer is in the range of 5 nm to 30 nm, and the temperature during the calcination Can be included in the range of 180 ° C. to 300 ° C. (hereinafter referred to as the second method).

基板上に前述した組成物を塗膜を形成した後、この塗膜を仮焼し、更に焼成して結晶化させる。仮焼は、ホットプレート又は急速加熱処理(RTA)等を用いて、所定の条件で行う。仮焼は、溶媒を除去するとともに金属化合物を熱分解又は加水分解して複合酸化物に転化させるために行うことから、空気中、酸化雰囲気中、又は含水蒸気雰囲気中で行うのが望ましい。空気中での加熱でも、加水分解に必要な水分は空気中の湿気により十分に確保される。なお、仮焼前に、特に低沸点溶媒や吸着した水分子を除去するため、ホットプレート等を用いて70〜90℃の温度で、0.5〜5分間低温加熱(乾燥)を行ってもよい。   After a coating film is formed on the substrate, the coating film is calcined and further baked to be crystallized. The calcination is performed under a predetermined condition using a hot plate or a rapid heating process (RTA). The calcination is performed in order to remove the solvent and to convert the metal compound into a composite oxide by thermal decomposition or hydrolysis, and is therefore preferably performed in air, in an oxidizing atmosphere, or in a steam-containing atmosphere. Even in heating in the air, the moisture required for hydrolysis is sufficiently secured by the humidity in the air. In addition, in order to remove a low boiling point solvent and adsorbed water molecules before calcining, low temperature heating (drying) may be performed at a temperature of 70 to 90 ° C. for 0.5 to 5 minutes using a hot plate or the like. Good.

仮焼は、好ましくは250〜300℃に2〜5分間保持することにより行うが、溶媒等を十分に除去し、ボイドやクラックの抑制効果をより高めるため、或いは膜構造の緻密化を促進させる理由から、加熱保持温度を変更させた二段仮焼により行うことが好ましい。二段仮焼を行う場合、一段目は250〜300℃に3〜10分間保持する仮焼とし、二段目は400〜500℃に3〜10分間保持する仮焼とする。   The calcination is preferably performed by holding at 250 to 300 ° C. for 2 to 5 minutes. However, in order to sufficiently remove the solvent and the like, and to further increase the effect of suppressing voids and cracks, or to promote the densification of the film structure For the reason, it is preferable to carry out by two-stage calcination in which the heating and holding temperature is changed. When performing the two-stage calcination, the first stage is calcination held at 250 to 300 ° C. for 3 to 10 minutes, and the second stage is calcination held at 400 to 500 ° C. for 3 to 10 minutes.

組成物の塗布から仮焼までの工程は、所望の膜厚になるように、仮焼までの工程を複数回繰り返して、最後に一括で焼成を行うこともできる。一方、原料溶液に、上述した本発明の組成物等を使用すれば、成膜時に発生する膜収縮由来の応力を抑制できること等から、ボイドやクラックを発生させることなく、1回の塗布で200nmまでの範囲の厚い膜を形成できる。そのため、上記繰り返し行う工程数を少なくできる。   In the process from application of the composition to calcination, the process up to calcination can be repeated a plurality of times so that the desired film thickness is obtained, and finally baking can be performed collectively. On the other hand, if the composition of the present invention described above is used as a raw material solution, stress due to film shrinkage that occurs during film formation can be suppressed. Therefore, 200 nm can be applied by one application without generating voids or cracks. A thick film up to this range can be formed. Therefore, the number of steps to be repeated can be reduced.

焼成は、仮焼後の塗膜を結晶化温度以上の温度で熱処理して結晶化させるための工程であり、これにより圧電体膜が得られる。この結晶化工程の焼成雰囲気はO2、N2、Ar又はH2等或いはこれらの混合ガス等が好適である。焼成は、600〜700℃で1〜5分間程度行われる。焼成は、急速加熱処理(RTA)で行ってもよい。急速加熱処理(RTA)で焼成する場合、その昇温速度を2.5〜100℃/秒とすることが好ましい。   Firing is a step for crystallizing the calcined coating by heat treatment at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature, whereby a piezoelectric film is obtained. The firing atmosphere in this crystallization step is preferably O 2, N 2, Ar, H 2, or a mixed gas thereof. Firing is performed at 600 to 700 ° C. for about 1 to 5 minutes. Firing may be performed by rapid heat treatment (RTA). When firing by rapid heating treatment (RTA), the rate of temperature rise is preferably 2.5 to 100 ° C./second.

以上の工程により、MnドープのPZT系圧電体膜が得られる。この圧電体膜は、Mnをドープすることにより、圧電定数を向上することができるので、より大きな変位を得ることができるとともに、誘電率を低くすることができるので、センサとして使用する場合、利得が大きくなる。これは、添加されたMnがZr若しくはTiを置換し、酸素欠損を生じさせたことが主要因であると考えられる。また、図1に示すように、ヒステリシス曲線が大きく正側にシフトしており、成膜直後から上向きに分極方向が揃っている。このような膜は、分極処理後、リフロー工程での熱処理よって脱分極してしまうといった不具合が起こりにくく、分極の安定性に優れるため、負側で電界を印加することで安定してデバイスを作動させることができる。   Through the above steps, a Mn-doped PZT-based piezoelectric film can be obtained. This piezoelectric film can improve the piezoelectric constant by doping Mn, so that a larger displacement can be obtained and the dielectric constant can be lowered. Becomes larger. It is considered that this is mainly because the added Mn substituted Zr or Ti to cause oxygen deficiency. Further, as shown in FIG. 1, the hysteresis curve is greatly shifted to the positive side, and the polarization direction is aligned upward immediately after the film formation. Such a film is less prone to depolarization due to heat treatment in the reflow process after polarization treatment, and has excellent polarization stability. Therefore, the device operates stably by applying an electric field on the negative side. Can be made.

そのため、この膜は、圧電体として利用できる。具体的には、図2に示すように、圧電体膜11の両面にそれぞれ配置された電極12,13間に直流電圧14を印加する前から、圧電体膜11中の各分子11aが分極した状態に保たれる(図2(a))。そして、図2(b)に示すように、圧電体膜11の両面にそれぞれ配置された電極12,13間に電圧を印加すると、圧電体膜11が電圧を印加した方向に伸び、この電圧をゼロにすると、電圧を印加した方向に伸びた圧電体膜11が縮んで元に戻るので(図2(a))、圧電素子等に適用できる。   Therefore, this film can be used as a piezoelectric body. Specifically, as shown in FIG. 2, each molecule 11 a in the piezoelectric film 11 is polarized before the DC voltage 14 is applied between the electrodes 12 and 13 disposed on both surfaces of the piezoelectric film 11. The state is maintained (FIG. 2A). As shown in FIG. 2B, when a voltage is applied between the electrodes 12 and 13 disposed on both surfaces of the piezoelectric film 11, the piezoelectric film 11 extends in the direction in which the voltage is applied, and this voltage is applied. When zero, the piezoelectric film 11 extending in the direction in which the voltage is applied contracts and returns to its original state (FIG. 2A), and can be applied to a piezoelectric element or the like.

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。   Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.

<実施例1>
先ず、反応容器に酢酸鉛三水和物(Pb源)とプロピレングリコール(ジオール)とを入れ、窒素雰囲気中、150℃の温度で1時間還流した後、この反応容器にチタンテトライソプロポキシド(Ti源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)、2−エチルヘキサン酸マンガン(Mn源)及びアセチルアセトン(安定化剤)を更に加え、窒素雰囲気中、150℃の温度で1時間還流して反応させることにより、合成液を調製した。ここで、上記酢酸鉛三水和物(Pb源)、2−エチルヘキサン酸マンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体は、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.11:0.01:0.52:0.48になるように秤量した。またプロピレングリコール(ジオール)は、調製後の組成物100質量%に対して37質量%となるように添加し、アセチルアセトン(安定化剤)は調製後の組成物に含まれるPZT系前駆体1モルに対して2モルとなる割合で添加した。次いで上記合成液100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で35質量%になるように減圧蒸留を行って不要な溶媒を除去した。ここで、合成液中に占めるPZT系前駆体の濃度における酸化物濃度とは、合成液に含まれる全ての金属原子が目的の酸化物になったと仮定して算出した、合成液100質量%に占める金属酸化物の濃度(酸化物換算値)をいう。
<Example 1>
First, lead acetate trihydrate (Pb source) and propylene glycol (diol) were placed in a reaction vessel, refluxed at a temperature of 150 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then titanium tetraisopropoxide ( (Ti source), zirconium tetrabutoxide (Zr source), manganese 2-ethylhexanoate (Mn source), and acetylacetone (stabilizer) are further added and refluxed at a temperature of 150 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thus, a synthesis solution was prepared. Here, the lead acetate trihydrate (Pb source), manganese 2-ethylhexanoate (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) PZT precursors are The metal atomic ratio (Pb: Mn: Zr: Ti) in the liquid was weighed so as to be 1.11: 0.01: 0.52: 0.48. Propylene glycol (diol) is added to 37% by mass with respect to 100% by mass of the prepared composition, and acetylacetone (stabilizer) is 1 mol of PZT precursor contained in the prepared composition. Was added at a ratio of 2 moles. Then, unnecessary solvent was removed by distillation under reduced pressure so that the concentration of the PZT precursor in 100% by mass of the synthetic solution was 35% by mass in terms of oxide concentration. Here, the oxide concentration in the concentration of the PZT-based precursor in the synthesis solution is calculated assuming that all metal atoms contained in the synthesis solution are the target oxide, and is 100% by mass of the synthesis solution. It refers to the concentration of metal oxide (oxide conversion value).

次いで、合成液を室温で放冷することにより25℃まで冷却した。この合成液に1−オクタノール(炭素数8の直鎖状モノアルコール)とエタノール(溶媒)とを添加することにより、ゾルゲル液100質量%中に占める上記PZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で25質量%であるゾルゲル液を得た。なお、ゾルゲル液中に占めるPZT系前駆体の濃度における酸化物濃度とは、ゾルゲル液に含まれる全ての金属原子が目的の酸化物になったと仮定して算出した、ゾルゲル液100質量%に占める金属酸化物の濃度(酸化物換算値)をいう。   Subsequently, the synthetic liquid was cooled to 25 ° C. by allowing to cool at room temperature. By adding 1-octanol (C8 linear monoalcohol) and ethanol (solvent) to this synthetic solution, the concentration of the PZT-based precursor in 100% by mass of the sol-gel solution is reduced to the oxide concentration. A sol-gel solution of 25% by mass was obtained. The oxide concentration in the concentration of the PZT precursor in the sol-gel liquid is 100% by mass of the sol-gel liquid calculated on the assumption that all metal atoms contained in the sol-gel liquid have become the target oxide. It refers to the concentration of metal oxide (oxide equivalent value).

次に、上記ゾルゲル液に、ポリビニルピロリドン(PVP:k値=30)を上記PZT系前駆体1モルに対してモノマー換算で0.025モルとなるように添加し、室温(25℃)で24時間撹拌することにより、組成物を得た。この組成物は、市販の0.05μm孔径のメンブランフィルタを使用し、シリンジで圧送して濾過することにより粒径0.5μm以上のパーティクル個数がそれぞれ溶液1ミリリットル当たり1個であった。また、上記組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度は、酸化物濃度(酸化物換算値)で17質量%であった。なお、組成物中に占めるPZT系前駆体の濃度における酸化物濃度とは、組成物に含まれる全ての金属原子が目的の酸化物になったと仮定して算出した、組成物100質量%に占める金属酸化物の濃度(酸化物換算値)をいう。また、1−オクタノール(炭素数8の直鎖状モノアルコール)は、上記組成物100質量%に対して4質量%含まれていた。更に、プロピレングリコール(ジオール)は、上記組成物100質量%に対して37質量%含まれていた。   Next, polyvinyl pyrrolidone (PVP: k value = 30) is added to the sol-gel solution so as to be 0.025 mol in terms of monomer with respect to 1 mol of the PZT precursor, and is added at room temperature (25 ° C.). The composition was obtained by stirring for a period of time. This composition used a commercially available membrane filter having a pore size of 0.05 μm, and was pressure-fed with a syringe and filtered, whereby the number of particles having a particle size of 0.5 μm or more was 1 per 1 ml of the solution. Moreover, the density | concentration of the PZT type precursor which occupies in the said composition 100 mass% was 17 mass% in the oxide density | concentration (oxide conversion value). In addition, the oxide concentration in the concentration of the PZT-based precursor in the composition occupies 100% by mass of the composition calculated on the assumption that all metal atoms contained in the composition have become the target oxide. It refers to the concentration of metal oxide (oxide equivalent value). Moreover, 1 mass% of 1-octanol (C8 linear monoalcohol) was contained with respect to 100 mass% of the said composition. Furthermore, 37 mass% of propylene glycol (diol) was contained with respect to 100 mass% of the composition.

一方、SiO膜、TiO膜及びPt膜が下から上に向ってこの順に積層されかつこのPt膜の上に、前述した第1の方法により(100)面の配向度が96%である配向制御層となるPZT膜が形成されたシリコン基板を用意した。各膜厚は、SiO膜が500nm、TiO膜が20nm及びPt膜が100nmであった。また配向制御層の膜厚は60nmであり、シリコン基板は直径が4インチであった。このシリコン基板をスピンコータ上にセットした後、得られた組成物1000μLを上記シリコン基板の配向制御層上に滴下し、1800rpmの回転速度で60秒間スピンコートを行うことにより、上記配向制御層上に塗膜(ゲル膜)を形成した。 On the other hand, a SiO 2 film, a TiO x film and a Pt film are laminated in this order from the bottom to the top, and the orientation degree of the (100) plane is 96% on the Pt film by the first method described above. A silicon substrate on which a PZT film serving as an orientation control layer was formed was prepared. Each film thickness is, SiO 2 film is 500 nm, TiO 2 film is 20nm and a Pt film was 100 nm. The orientation control layer had a thickness of 60 nm, and the silicon substrate had a diameter of 4 inches. After setting this silicon substrate on a spin coater, 1000 μL of the obtained composition was dropped on the orientation control layer of the silicon substrate, and spin coating was performed at a rotational speed of 1800 rpm for 60 seconds, whereby the orientation control layer was formed. A coating film (gel film) was formed.

この塗膜(ゲル膜)が形成されたシリコン基板を、ホットプレートを用いて、75℃の温度で1分間加熱保持(乾燥)することにより、低沸点溶媒や水を除去した。その後、300℃のホットプレートで5分間加熱保持(一段目の仮焼)することにより、ゲル膜を加熱分解した。更に別のホットプレートを用いて、450℃の温度で5分間加熱保持(二段目の仮焼)することにより、ゲル膜中に残存する有機物や吸着水を除去した。このようにして厚さ200nmの仮焼膜(MnドープのPZTアモルファス膜)を得た。この厚さ200nmは後述する焼成後の厚さである。   The silicon substrate on which this coating film (gel film) was formed was heated and held (dried) at a temperature of 75 ° C. for 1 minute using a hot plate to remove the low boiling point solvent and water. Thereafter, the gel film was thermally decomposed by heating and holding (first-stage calcination) for 5 minutes on a 300 ° C. hot plate. Furthermore, the organic substance and adsorption water which remain | survive in a gel film were removed by heating-maintaining for 5 minutes at the temperature of 450 degreeC using another hotplate (2nd stage calcination). In this way, a calcined film (Mn-doped PZT amorphous film) having a thickness of 200 nm was obtained. This thickness of 200 nm is the thickness after firing described later.

上記と同様の操作を2回繰り返すことにより、厚さ400nmの仮焼膜を得た。この厚さ400nmは後述する焼成後の厚さである。更に、上記厚さ400nmの仮焼膜が形成されたシリコン基板を、急速加熱処理(RTA)により酸素雰囲気中で700℃に1分間保持することにより、焼成した。このときの昇温速度は10℃/秒であった。このような組成物の塗布、塗膜の仮焼、焼成からなる一連の操作を3回繰り返し行って、Pt膜(下部電極)上の配向制御層上にMnドープのPZT系圧電体膜を形成した。また、蛍光X線分析により形成後の圧電体膜の組成を測定したところ、圧電体膜は、Pb1.01Mn0.01Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。なお、実施例1及び以下の実施例2〜11、比較例1〜4において、成膜後の膜中においてPbの減少がみられたが、これは焼成等の成膜中にPb源が蒸発したことによるものである。 By repeating the same operation twice as above, a calcined film having a thickness of 400 nm was obtained. This thickness of 400 nm is the thickness after firing described later. Further, the silicon substrate on which the 400 nm-thick calcined film was formed was baked by being held at 700 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere by rapid heating treatment (RTA). The temperature rising rate at this time was 10 ° C./second. The MZ-doped PZT-based piezoelectric film is formed on the orientation control layer on the Pt film (lower electrode) by repeating a series of operations including application of the composition, calcination of the coating film, and baking three times. did. The measured composition of the piezoelectric film after forming the fluorescent X-ray analysis, the piezoelectric film was film composition represented by Pb1.01Mn0.01Zr 0.52 Ti 0.48 O 3. In Example 1, the following Examples 2 to 11, and Comparative Examples 1 to 4, a decrease in Pb was observed in the film after film formation. This is because the Pb source evaporated during film formation such as firing. It is because of having done.

<実施例2>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにナフテン酸マンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、ナフテン酸マンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.12:0.02:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同じ(100)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Example 2>
Manganese naphthenate was used in place of manganese 2-ethylhexanoate as the Mn source. PZT precursors of lead acetate trihydrate (Pb source), manganese naphthenate (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) Weighing so that (Pb: Mn: Zr: Ti) was 1.12: 0.02: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1. The same (100) plane orientation as in Example 1 was applied on the PZT orientation control layer having a 96% orientation degree in the same manner as in Example 1. A piezoelectric film was formed by repeating calcination and firing. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<実施例3>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりに酢酸マンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、酢酸マンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.14:0.042:0.55:0.45になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)面の配向度が96%の配向制御層上にPZT圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、本実施例においては積層数が5層となるため、最後の1層は200nm厚さで焼成を行った。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.03Mn0.042Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Example 3>
Manganese acetate was used in place of manganese 2-ethylhexanoate as the Mn source. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), manganese acetate (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.14: 0.042: 0.55: 0.45. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A PZT piezoelectric film was formed on the orientation control layer having a (100) plane orientation of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. In this example, since the number of stacked layers is five, the last layer was fired at a thickness of 200 nm. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.03 Mn 0.042 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<実施例4>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.12:0.02:0.45:0.55になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)面の配向度が96%の配向制御層上にPZT配向制御層を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Zr0.45Ti0.55で示される組成の膜であった。
<Example 4>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so that 1.12: 0.02: 0.45: 0.55. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A PZT orientation control layer was formed on the orientation control layer having a (100) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Zr 0.45 Ti 0.55 O 3 .

<実施例5>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.12:0.02:0.60:0.40になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Zr0.60Ti0.40で示される組成の膜であった。
<Example 5>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.12: 0.02: 0.60: 0.40. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the PZT orientation control layer having a (100) plane orientation of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Zr 0.60 Ti 0.40 O 3 .

<実施例6>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.12:0.02:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また前述した第1の方法により(100)面の配向度が76%の配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Example 6>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.12: 0.02: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. Further, a piezoelectric film was formed on the orientation control layer having a (100) plane orientation degree of 76% by the first method described above. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<比較例1>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.15:0.005:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同じ(100)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.005Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Comparative Example 1>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.15: 0.005: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and the same (100) plane orientation as in Example 1 was applied on the PZT orientation control layer having a 96% orientation degree in the same manner as in Example 1, A piezoelectric film was formed by repeating firing and firing. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.005 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<比較例2>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.12:0.02:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)面の配向度が90%の配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を行い圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.01Mn0.02Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Comparative example 2>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.12: 0.02: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the orientation control layer having a (100) plane orientation of 90%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and applied, calcined, and baked in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.01 Mn 0.02 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<比較例3>
Mn源として2−エチルヘキサン酸マンガンの代わりにアセチルアセトンマンガンを使用した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.11:0.02:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また前述した第2の方法により(110)/(101)面の配向度が90%であり(100)/(001)面の配向度が0%の配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Comparative Example 3>
As the Mn source, acetylacetone manganese was used instead of manganese 2-ethylhexanoate. Each PZT-based precursor of lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) is added to a metal atomic ratio ( Pb: Mn: Zr: Ti) was weighed so as to be 1.11: 0.02: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. In addition, a piezoelectric film was formed on the orientation control layer having an orientation degree of (110) / (101) plane of 90% and an orientation degree of (100) / (001) plane of 0% by the second method described above. . Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<比較例4>
実施例4と同じPb源、Mn源、Zr源、Ti源の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Zr:Ti)が1.15:0.05:0.45:0.55になるように秤量した。これ以外は実施例4と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.06Mn0.05Zr0.45Ti0.55で示される組成の膜であった。
<Comparative example 4>
The same PbT, Mn, Zr, and Ti source PZT precursors as in Example 4 had a metal atomic ratio (Pb: Mn: Zr: Ti) in the liquid of 1.15: 0.05: 0. Weighed to 45: 0.55. Except for this, a composition was prepared in the same manner as in Example 4, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.06 Mn 0.05 Zr 0.45 Ti 0.55 O 3 .

<実施例7>
実施例1と同様の手法で組成物を合成した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ニオブペンタエトキシド(Nb源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Nb:Zr:Ti)が1.14:0.02:0.01:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)/(001)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Nb0.01Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Example 7>
A composition was synthesized in the same manner as in Example 1. Lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), niobium pentaethoxide (Nb source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) PZT precursors Was weighed so that the metal atomic ratio (Pb: Mn: Nb: Zr: Ti) in the liquid was 1.14: 0.02: 0.01: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the PZT orientation control layer having a (100) / (001) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Nb 0.01 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<実施例8>
実施例1と同様の手法で組成物を合成した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、ニオブペンタエトキシド(Nb源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:Mn:Nb:Zr:Ti)が1.14:0.02:0.01:0.40:0.60になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)/(001)面の配向度が96%の配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.02Mn0.02Nb0.01Zr0.40Ti0.60で示される組成の膜であった。
<Example 8>
A composition was synthesized in the same manner as in Example 1. Lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), niobium pentaethoxide (Nb source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) PZT precursors Were weighed so that the metal atomic ratio (Pb: Mn: Nb: Zr: Ti) in the liquid was 1.14: 0.02: 0.01: 0.40: 0.60. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the orientation control layer having a (100) / (001) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.02 Mn 0.02 Nb 0.01 Zr 0.40 Ti 0.60 O 3 .

<実施例9>
実施例1と同様の手法で組成物を合成した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、酢酸ランタン1.5水和物(La源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:La:Mn:Zr:Ti)が1.14:0.01:0.02:0.55:0.45になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)/(001)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.01La0.01Mn0.02Zr0.55Ti0.45で示される組成の膜であった。
<Example 9>
A composition was synthesized in the same manner as in Example 1. Lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), lanthanum acetate hemihydrate (La source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) The PZT-based precursor was weighed so that the metal atomic ratio (Pb: La: Mn: Zr: Ti) in the liquid was 1.14: 0.01: 0.02: 0.55: 0.45. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the PZT orientation control layer having a (100) / (001) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.01 La 0.01 Mn 0.02 Zr 0.55 Ti 0.45 O 3 .

<実施例10>
実施例1と同様の手法で組成物を合成した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、酢酸ランタン1.5水和物(La源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:La:Mn:Zr:Ti)が1.15:0.02:0.02:0.50:0.50になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)/(001)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.011La0.02Mn0.02Zr0.50Ti0.50で示される組成の膜であった。
<Example 10>
A composition was synthesized in the same manner as in Example 1. Lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), lanthanum acetate hemihydrate (La source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) The PZT precursor was weighed so that the metal atomic ratio (Pb: La: Mn: Zr: Ti) in the liquid was 1.15: 0.02: 0.02: 0.50: 0.50. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the PZT orientation control layer having a (100) / (001) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.011 La 0.02 Mn 0.02 Zr 0.50 Ti 0.50 O 3 .

<実施例11>
実施例1と同様の手法で組成物を合成した。酢酸鉛三水和物(Pb源)、アセチルアセトンマンガン(Mn源)、酢酸ランタン1.5水和物(La源)、ジルコニウムテトラブトキシド(Zr源)及びチタンテトライソプロポキシド(Ti源)の各PZT系前駆体を、液中の金属原子比(Pb:La:Mn:Zr:Ti)が1.14:0.01:0.02:0.52:0.48になるように秤量した。組成物100質量%中に占めるPZT系前駆体の濃度が、酸化物濃度で、25質量%になるように調整した。また(100)/(001)面の配向度が96%のPZT配向制御層上に圧電体膜を形成した。前記以外は、実施例1と同様にして組成物を調製し、実施例1と同様の手法で塗布、仮焼、焼成を繰り返すことにより圧電体膜を形成した。なお、形成後の圧電体膜は、Pb1.01La0.01Mn0.02Zr0.52Ti0.48で示される組成の膜であった。
<Example 11>
A composition was synthesized in the same manner as in Example 1. Lead acetate trihydrate (Pb source), acetylacetone manganese (Mn source), lanthanum acetate hemihydrate (La source), zirconium tetrabutoxide (Zr source) and titanium tetraisopropoxide (Ti source) The PZT-based precursor was weighed so that the metal atomic ratio (Pb: La: Mn: Zr: Ti) in the liquid was 1.14: 0.01: 0.02: 0.52: 0.48. It adjusted so that the density | concentration of the PZT type | system | group precursor which occupies in 100 mass% of compositions might be 25 mass% with an oxide density | concentration. A piezoelectric film was formed on the PZT orientation control layer having a (100) / (001) plane orientation degree of 96%. Except for the above, a composition was prepared in the same manner as in Example 1, and coating, calcination, and firing were repeated in the same manner as in Example 1 to form a piezoelectric film. The formed piezoelectric film was a film having a composition represented by Pb 1.01 La 0.01 Mn 0.02 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .

<比較試験及び評価>
実施例1〜11及び比較例1〜4で形成した圧電体膜について、膜厚、配向制御層の配向度、圧電定数、圧電体膜の配向度及び分極−電界特性のヒステリシスループのずれ(以下、単に「ヒステリシスのずれ」という。)をそれぞれ評価した。実施例1〜11及び比較例1〜4で形成した圧電体膜の組成と膜厚の結果を表1に示す。また配向制御層の配向度、圧電定数、圧電体膜の配向度及びヒステリシスのずれの結果を以下の表2に示す。
<Comparison test and evaluation>
Regarding the piezoelectric films formed in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 4, the film thickness, the degree of orientation of the orientation control layer, the piezoelectric constant, the degree of orientation of the piezoelectric film, and the deviation of the hysteresis loop of the polarization-electric field characteristics (hereinafter referred to as the following) , Simply referred to as “hysteresis deviation”). Table 1 shows the composition and film thickness results of the piezoelectric films formed in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 4. Table 2 below shows the results of orientation degree of the orientation control layer, piezoelectric constant, orientation degree of the piezoelectric film, and hysteresis shift.

(i) 圧電体膜の膜厚:圧電体膜の断面の厚さ(総厚)を、SEM(日立社製:S4300)により測定した。   (i) Film thickness of piezoelectric film: The thickness (total thickness) of the cross section of the piezoelectric film was measured by SEM (manufactured by Hitachi, Ltd .: S4300).

(ii) 圧電定数:圧電体膜の圧電定数d33をaix ACCT社製DBLIにより測定した。具体的には、後述する「(iv) ヒステリシスのずれ(シフト量)」を測定する方法と同様の方法によりキャパシタ構造を形成し、25V印加時の膜の変位量を測定し、その傾きを圧電定数d33とした。   (ii) Piezoelectric constant: The piezoelectric constant d33 of the piezoelectric film was measured by DBLI manufactured by aix ACCT. Specifically, a capacitor structure is formed by a method similar to the method of measuring “(iv) hysteresis shift (shift amount)” described later, the amount of displacement of the film when 25 V is applied is measured, and the inclination is piezoelectric. Constant d33.

(iii) 配向度:X線回折(XRD)装置(パナリティカル社製、型式名:Empyrean)を使用し、CuKα線による集中法で測定した。得られた回折結果から、(100)面又は(001)面のピーク強度、(110)面又は(101)面のピーク強度、(111)面のピーク強度をそれぞれ測定し、以下の式(3)を用いて計算することにより、(100)面又は(001)面の配向度(以下の式では「(100)/(001)配向度」と略記する。)を求めた。なお、MPB組成近傍のPZT系薄膜においてはCuKα線では(100)面及び(001)面、(110)面及び(101)面のピークを分離することが困難なためそれぞれ(100)/(001)、(110)/(101)と表記した。
(100)/(001)配向度=(100)/(001)面の強度/{(100)/(001)面の強度+(110)/(101)面の強度+(111)面の強度} (3)
(iii) Orientation degree: Measured by a concentration method using CuKα rays using an X-ray diffraction (XRD) apparatus (manufactured by Panalytica, model name: Empyrean). From the obtained diffraction results, the peak intensity of the (100) plane or (001) plane, the peak intensity of the (110) plane or (101) plane, and the peak intensity of the (111) plane were measured, respectively, and the following formula (3 ) Was used to calculate the degree of orientation of the (100) plane or (001) plane (hereinafter abbreviated as “(100) / (001) degree of orientation”). In the PZT thin film near the MPB composition, it is difficult to separate the peaks of the (100) plane, the (001) plane, the (110) plane, and the (101) plane with CuKα rays. ), (110) / (101).
(100) / (001) degree of orientation = (100) / (001) plane strength / {(100) / (001) plane strength + (110) / (101) plane strength + (111) plane strength } (3)

(iv) ヒステリシスのずれ(シフト量):先ず、圧電体膜の上面に、スパッタ法により200μmφの一対の電極をそれぞれ形成した後、RTAを用いて、酸素雰囲気中で700℃に1分間保持して、ダメージを回復するためのアニーリングを行い、キャパシタ構造を作製した。次にこれらを試験用サンプルとし、TFアナライザー2000により1kHzの周波数で25Vの電圧を印加して圧電体膜の分極量のヒステリシスを測定し、抗電界(Ec)を求めた。更に得られた分極量のヒステリシスのずれDを前述した式(1)から
求めた。
(iv) Hysteresis shift (shift amount): First, a pair of electrodes of 200 μmφ was formed on the upper surface of the piezoelectric film by sputtering, and then held at 700 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using RTA. Then, annealing for recovering the damage was performed to fabricate a capacitor structure. Next, using these as test samples, a voltage of 25 V was applied at a frequency of 1 kHz with a TF analyzer 2000 to measure the hysteresis of the polarization amount of the piezoelectric film, and the coercive electric field (Ec) was obtained. Further, the deviation D of hysteresis of the obtained polarization amount was obtained from the above-described equation (1).

Figure 2016143806
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Figure 2016143806
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(a) 配向度とヒステリシスのずれの関係
表1から明らかなように、実施例1〜11においては成膜後700℃でDRA処理を行ったにもかかわらず少なくとも8.8kV/cmのヒステリシスのずれが発生しており膜中に強い内部バイアスが存在することが確認できた。一方、実施例2、実施例6、比較例3を比較すると(100)/(001)配向度の劣る実施例6、比較例3ではヒステリシスのずれは小さくなった。この結果より、より大きなヒステリシスのずれを得るには高い配向度が必要で有ることが分かった。
(A) Relationship between degree of orientation and hysteresis As shown in Table 1, in Examples 1 to 11, the hysteresis was at least 8.8 kV / cm despite the DRA treatment at 700 ° C. after film formation. Deviation occurred and it was confirmed that a strong internal bias was present in the film. On the other hand, when Example 2, Example 6, and Comparative Example 3 were compared, in Example 6 and Comparative Example 3 in which the degree of (100) / (001) orientation was inferior, the hysteresis shift was small. From this result, it was found that a high degree of orientation is necessary to obtain a larger hysteresis shift.

(b) Mn添加量とヒステリシスのずれの関係
実施例1〜11と比較例1を比較すると膜中のMn含有量がZr、Tiの合計モル数を1とした時に対して0.01未満(比較例1)であると十分なヒステリシスのずれは得られず、Mnの添加量は0.01以上であることが必要であることが分かった。実施例7〜11ではMnとLa、Nbを共ドープしているが、Mnの添加量を0.01以上にすると、実施例1〜6と同様に大きなヒステリシスのずれを有するPMnZT系膜を得ることができた。この結果より、PMnZT膜に他の元素を添加してもヒステリシスのずれが大きく、分極の温度安定性に優れるPMnZT系膜が得られることが分かった。
(b) Relationship between Mn Addition and Hysteresis Deviation When comparing Examples 1 to 11 and Comparative Example 1, the Mn content in the film is less than 0.01 when the total number of moles of Zr and Ti is 1. In Comparative Example 1), it was found that sufficient hysteresis shift was not obtained, and the amount of Mn added was required to be 0.01 or more. In Examples 7 to 11, Mn, La, and Nb are co-doped, but when the amount of Mn added is 0.01 or more, a PMnZT-based film having a large hysteresis shift is obtained as in Examples 1 to 6. I was able to. From this result, it was found that even if other elements were added to the PMnZT film, a hysteresis shift was large and a PMnZT-based film having excellent polarization temperature stability was obtained.

(c) Mn添加量と圧電特性の関係
実施例1〜11と比較例4を比較すると膜中のMn含有量がZr、Tiの合計モル数を1とした時に対して0.045を超える(比較例4)と圧電定数が極端に低下し、圧電体として機能に劣るため、Mnの添加量は0.045以下であることが必要であることが分かった。実施例7〜11ではMnとLa、Nbを共ドープしているが、Mnの添加量を0.0045以下にすると、実施例1〜6と同様に圧電定数は低下せず、圧電体として機能するPMnZT系膜が得られることが分かった。
(c) Relationship between Mn Addition Amount and Piezoelectric Characteristics When comparing Examples 1 to 11 and Comparative Example 4, the Mn content in the film exceeds 0.045 with respect to the total number of moles of Zr and Ti being 1. It was found that the amount of Mn added must be 0.045 or less because the piezoelectric constant of Comparative Example 4) is extremely lowered and the function as a piezoelectric body is poor. In Examples 7 to 11, Mn, La, and Nb are co-doped. However, when the amount of Mn added is 0.0045 or less, the piezoelectric constant does not decrease and functions as a piezoelectric body as in Examples 1 to 6. It was found that a PMnZT-based film was obtained.

(d) 圧電体膜の膜厚と圧電特性の関係
実施例1〜11と比較例2を比較すると圧電体膜の膜厚が0.8μm未満の場合(比較例2)、圧電定数が極端に小さくなり、圧電体として機能に劣るため、圧電体膜の膜厚は0.8μm以上であることが必要であることが分かった。実施例7〜11ではMnとLa、Nbを共ドープしているが、圧電体膜の膜厚を0.8μm以上にすると、実施例1〜6と同様に圧電定数は低下せず、圧電体として機能するPMnZT系膜が得られることが分かった。
(d) Relationship between Piezoelectric Film Thickness and Piezoelectric Characteristics When comparing Examples 1 to 11 and Comparative Example 2, if the piezoelectric film thickness is less than 0.8 μm (Comparative Example 2), the piezoelectric constant is extremely high. It has been found that the film thickness of the piezoelectric film needs to be 0.8 μm or more because it becomes smaller and has a poor function as a piezoelectric body. In Examples 7 to 11, Mn, La, and Nb are co-doped. However, when the film thickness of the piezoelectric film is 0.8 μm or more, the piezoelectric constant does not decrease as in Examples 1 to 6, and the piezoelectric body It was found that a PMnZT-based film functioning as

本発明のMnドープのPZT系圧電体膜は、ジャイロセンサ、赤外線センサ、圧電センサ、インクジェットヘッド、オートフォーカス等に等の複合電子部品における構成材料として好適に使用することができる。   The Mn-doped PZT piezoelectric film of the present invention can be suitably used as a constituent material in composite electronic parts such as a gyro sensor, an infrared sensor, a piezoelectric sensor, an inkjet head, and an autofocus.

Claims (3)

Mnドープの複合酸化物からなるCSD法により形成されたPZT系圧電体膜であって、前記複合酸化物中のZrとTiの合計モル数を1モルとするとき、Mnのモル比が0.01〜0.045の範囲にあり、前記PZT系圧電体膜が(100)面又は(001)面に優先的に結晶配向され、膜厚が0.8〜3μmであることを特徴とするMnドープのPZT系圧電体膜。   A PZT-based piezoelectric film formed by a CSD method made of a Mn-doped composite oxide, wherein the molar ratio of Mn is set to 0.1 when the total number of moles of Zr and Ti in the composite oxide is 1 mole. Mn, wherein the PZT-based piezoelectric film is preferentially crystallized in the (100) plane or the (001) plane and has a thickness of 0.8 to 3 μm. Doped PZT piezoelectric film. X線回折による(100)面又は(001)面の配向度が95%以上である請求項1記載のMnドープのPZT系圧電体膜。   The Mn-doped PZT piezoelectric film according to claim 1, wherein the degree of orientation of the (100) plane or (001) plane by X-ray diffraction is 95% or more. 下記の式(1)で求められる分極−電界特性のヒステリシスループのずれDが少なくとも8.8kV/cmである請求項1又は2記載のMnドープのPZT系圧電体膜。
D = E − [(E + E )/2] (1)
但し、E は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの正側の電界値の絶対値及びE は分極が0μC/cmのときの0kV/cmからの負側の電界値の絶対値をいう。
The Mn-doped PZT-based piezoelectric film according to claim 1 or 2, wherein a deviation D of a hysteresis loop of polarization-electric field characteristics obtained by the following formula (1) is at least 8.8 kV / cm.
D = E C + - [( E C + + E C -) / 2] (1)
Where E C + is the absolute value of the positive electric field value from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2 , and E C is the negative value from 0 kV / cm when the polarization is 0 μC / cm 2 . The absolute value of the electric field value.
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