JP2017069544A - Substrate for piezoelectric material film formation, manufacturing method thereof, piezoelectric material substrate, and liquid discharge head - Google Patents

Substrate for piezoelectric material film formation, manufacturing method thereof, piezoelectric material substrate, and liquid discharge head Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for piezoelectric material film formation for supporting a piezoelectric material thin film which is high in piezoelectric material film's (100) plane orientation degree.SOLUTION: Used is a substrate for piezoelectric material film formation which comprises at least, an underlying base layer including SiOor SiN in its surface, an intermediate layer including at least one of Ti and TiO, on the underlying base layer, and an electrode layer including Pt on the intermediate layer. In the substrate, Ti is not detected on the surface of the electrode layer according to the element quantitative analysis. Otherwise, the substrate further comprises an orientation control layer including Pb, O and Ti as its constituent atoms on a stack of the underlying base layer, the intermediate layer, and the electrode layer; in the surface of the orientation control layer, of Pb, O and Ti elements, Ti accounts for 14.88 atom% or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電体成膜用基板およびその製造方法、圧電体基板、ならびに液体吐出ヘッドに関する。   The present invention relates to a piezoelectric film forming substrate and a manufacturing method thereof, a piezoelectric substrate, and a liquid discharge head.

圧電体成膜用基板において下地基板と圧電体素子の下部電極の密着性を向上させるため、その層間にTi中間層を有する層構成がしばしば取られる(特許文献1参照)。   In order to improve the adhesion between the base substrate and the lower electrode of the piezoelectric element in the piezoelectric film forming substrate, a layer structure having a Ti intermediate layer between the layers is often taken (see Patent Document 1).

また、圧電体素子の圧電特性を向上させるため、圧電体薄膜、特にPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の(100)配向度を向上させることが提案されている。特許文献2には下部電極層と圧電体薄膜層間に、Ti核100%膜を3〜7nm有している層構成を開示している。また、非特許文献1では下部電極層と圧電体薄膜層との間に配向を制御するPbTiO層を有しており、そのPbO量が豊富(TiO量が欠乏)な組成で圧電層が(100)面配向優位になるとの示唆を開示している。PbTiO層については特許文献1にも、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の下地としてPbTiO層の原料化合物(前駆体)を塗布、乾燥し、その上にPZTの原料化合物を塗布、乾燥し、最後に焼成することが開示されている。 In order to improve the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element, it has been proposed to improve the degree of (100) orientation of the piezoelectric thin film, particularly PZT (lead zirconate titanate). Patent Document 2 discloses a layer structure having a 3% to 7 nm Ti nucleus 100% film between a lower electrode layer and a piezoelectric thin film layer. Further, Non-Patent Document 1 has a PbTiO 3 layer for controlling orientation between the lower electrode layer and the piezoelectric thin film layer, and the piezoelectric layer has a composition with abundant PbO content (deficient in TiO 2 content). The suggestion that (100) plane orientation predominates is disclosed. Regarding the PbTiO 3 layer, also in Patent Document 1, a PbTiO 3 layer raw material compound (precursor) is applied and dried as a base of PZT (lead zirconate titanate), and then a PZT raw material compound is applied and dried. Finally, firing is disclosed.

特開平10−126204号公報JP-A-10-126204 特開2003−298136号公報(特許第3956134号)JP 2003-298136 A (Patent No. 3956134)

P. Muralt, J.Appl.Phys. 100, 051605 (2006)P. Muralt, J.M. Appl. Phys. 100, 051605 (2006)

上記特許文献2および非特許文献1では、高い(100)配向度を有する圧電体薄膜が得られることが開示されている。しかし、特許文献2ではZrO膜上に少なくともIr層を有する下部電極を形成し、その上にTi核100%膜を形成するもので、本発明で提供する層構成とは異なっている。 Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose that a piezoelectric thin film having a high (100) orientation degree can be obtained. However, in Patent Document 2, a lower electrode having at least an Ir layer is formed on a ZrO 2 film, and a 100% Ti nucleus film is formed thereon, which is different from the layer configuration provided in the present invention.

特許文献1や非特許文献1のようなPbTiO層の形成は、下地電極層から下の構成を無視できる可能性がある。しかしながら、PbTiO層の形成条件、特に特許文献1のようなPbTiO前駆体上に圧電体薄膜を形成する場合、非特許文献1に示唆されるPbO量が豊富な組成であっても、圧電体薄膜の(100)配向度が十分に向上しない場合があることを本発明者らは見出した。 The formation of the PbTiO 3 layer as in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 may ignore the configuration below the base electrode layer. However, when forming a piezoelectric thin film on a PbTiO 3 layer formation condition, particularly on a PbTiO 3 precursor as in Patent Document 1, even if the PbO amount suggested in Non-Patent Document 1 is abundant, The present inventors have found that the (100) orientation degree of the body thin film may not be sufficiently improved.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。つまり、本発明は、圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高く、ひいては高い圧電特性を備える圧電体素子を提供できる圧電体成膜用基板およびその製造方法を提供する。また本発明は、該圧電体成膜用基板を用いた圧電体基板、ならびに該圧電体基板を含む圧電体素子を備えた液体吐出ヘッドを提供する。   The present invention has been made in view of the above problems. That is, the present invention provides a piezoelectric film forming substrate and a method for manufacturing the same, which can provide a piezoelectric element having a high (100) plane orientation ratio of the piezoelectric thin film and thus high piezoelectric characteristics. The present invention also provides a piezoelectric substrate using the piezoelectric film-forming substrate, and a liquid discharge head including a piezoelectric element including the piezoelectric substrate.

一実施形態は、
少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層と
を有し、
前記電極層の膜厚が、40nm以上1000nm以下であり、且つ該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されないことを特徴とする圧電体成膜用基板に関する。
One embodiment is:
A base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
An intermediate layer including at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer, and an electrode layer including Pt on the intermediate layer;
The present invention relates to a piezoelectric film forming substrate, wherein the electrode layer has a thickness of 40 nm or more and 1000 nm or less, and Ti is not detected on the surface of the electrode layer by elemental quantitative analysis.

他の実施形態は、
少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層と、
該電極層上の配向制御層と
を有し、
該配向制御層はPb、OおよびTiを含み、該配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下であることを特徴とする圧電体成膜用基板に関する。
Other embodiments are:
A base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
An intermediate layer including at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer; an electrode layer including Pt on the intermediate layer;
An orientation control layer on the electrode layer,
The orientation control layer contains Pb, O, and Ti, and the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less. About.

他の実施形態は、
圧電体成膜用の基板の製造方法であって、
少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層上にTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層を形成する工程と、
該中間層上にPtを含む電極層を形成する工程と、
該電極の表面にPb、O、Tiを含む配向制御層を形成する工程と
を少なくとも含み、
該配向制御層を形成する工程時に前記圧電体用基板にかかる温度T(℃)と時間t(分)が下記式(1)を満たすことを特徴とする製造方法に関する。
Other embodiments are:
A method for manufacturing a substrate for piezoelectric film formation,
Forming an intermediate layer containing at least one of Ti and TiO 2 on a base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
Forming an electrode layer containing Pt on the intermediate layer;
Forming an orientation control layer containing Pb, O, Ti on the surface of the electrode,
The present invention relates to a manufacturing method characterized in that a temperature T (° C.) and a time t (minute) applied to the piezoelectric substrate during the step of forming the orientation control layer satisfy the following formula (1).

Figure 2017069544
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
Figure 2017069544
(However, 50 ≦ T ≦ 450, 0 <t <30)

上記実施形態の圧電体成膜用基板を用いることで、圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高く、ひいては高い圧電特性を備える圧電体基板を提供できる。また、この圧電体基板を用いることで優れた吐出液滴性能を有する液体吐出ヘッドを提供する。   By using the piezoelectric film formation substrate of the above embodiment, a piezoelectric substrate having a high (100) orientation ratio of the piezoelectric thin film and thus high piezoelectric characteristics can be provided. In addition, a liquid discharge head having excellent discharge droplet performance is provided by using this piezoelectric substrate.

一実施形態の圧電体薄膜を示す縦断面模式図である。It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram which shows the piezoelectric material thin film of one Embodiment. 一実施形態の圧電体薄膜を示す縦断面模式図である。It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram which shows the piezoelectric material thin film of one Embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a liquid discharge head according to an embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的斜視断面図である。It is a typical perspective sectional view showing a liquid discharge head of one embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing a liquid discharge head of one embodiment. 実施例1における基板の(5)の位置におけるX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern in the position of (5) of the board | substrate in Example 1. FIG. 実施例および比較例における基板上のX線回折測定箇所を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the X-ray-diffraction measurement location on the board | substrate in an Example and a comparative example. (a)は実施例1の圧電体成膜用基板のPt電極表面での全結合エネルギー領域に対するXPSスペクトルを示す図、(b)は該スペクトルのTi2p軌道領域を示す拡大図である。(A) is a figure which shows the XPS spectrum with respect to the whole bond energy area | region in the Pt electrode surface of the piezoelectric material film-forming board | substrate of Example 1, (b) is an enlarged view which shows the Ti2p orbital area | region of this spectrum. 比較例1の圧電体成膜用基板のPt電極表面でのTi2p軌道領域に対するXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum with respect to the Ti2p orbital area | region in the Pt electrode surface of the piezoelectric material film-forming board | substrate of the comparative example 1. FIG. 圧電体成膜用基板の配向制御層表面でのTi量比に対する、その上に積層したPZT圧電体薄膜の(100)面配向度を示す図である。It is a figure which shows the (100) plane orientation degree of the PZT piezoelectric thin film laminated | stacked on it with respect to Ti amount ratio in the orientation control layer surface of the board | substrate for piezoelectric film formation.

以下に、本発明の実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるわけではない。
ここで圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高いと、高い圧電特性を引き起こす機構について説明する。ゾルゲル法により形成され圧電体薄膜の結晶配向は、(100)面の配向割合が他の面の配向((111)面、(110)面等)の配向に比べて高くなるほど、分極モーメントの方向が圧電体の変形方向に近づく。従って、(100)面の配向割合が多い圧電体薄膜ほど変形量が大きくなり、液体吐出ヘッドなどのアクチュエーターとして好適に用いることができる。
Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments.
Here, a mechanism that causes high piezoelectric characteristics when the orientation ratio of the (100) plane of the piezoelectric thin film is high will be described. The crystal orientation of the piezoelectric thin film formed by the sol-gel method is such that the direction of the polarization moment increases as the orientation ratio of the (100) plane becomes higher than the orientation of other planes ((111) plane, (110) plane, etc.). Approaches the deformation direction of the piezoelectric body. Accordingly, the piezoelectric thin film having a larger orientation ratio of the (100) plane has a larger deformation amount and can be suitably used as an actuator such as a liquid discharge head.

1.圧電体成膜用基板
図1、2は、一実施形態の圧電体成膜用基板の縦断面模式図である。図1は下地基板層1、中間層2、電極層3の積層からなる第1の実施形態に係る圧電体成膜用基板を示している。また、図2の縦断面模式図は、図1の構成の圧電体成膜用基板に配向制御層4を積層した第2の実施形態に係る圧電体成膜用基板を示している。
1. Piezoelectric Film-Forming Substrate FIGS. 1 and 2 are schematic longitudinal sectional views of a piezoelectric film-forming substrate according to an embodiment. FIG. 1 shows a piezoelectric film forming substrate according to the first embodiment, which is composed of a laminate of a base substrate layer 1, an intermediate layer 2, and an electrode layer 3. 2 schematically illustrates a piezoelectric film-forming substrate according to the second embodiment in which the orientation control layer 4 is laminated on the piezoelectric film-forming substrate having the configuration shown in FIG.

下地基板層1は少なくともSiOまたはSiNを表面に含むが、その他の材料としてはその上に形成する各層の形成過程で実施され得る熱処理において変形、溶融しない材料が好ましい。また、下地基板層1は表面が平滑であり、熱処理時の元素の拡散も防止でき、かつ機械的強度も十分であることが好ましい。また、本実施形態により得られる圧電体基板を用いて液体吐出ヘッドを製造する際には、下地基板層1が圧力室を形成するための圧力室基板を兼ねていても良い。例えば、このような目的では、下地基板層1の材料はシリコン(Si)等からなる半導体基板やタングステン(W)や耐熱ステンレス(SUS)等の金属基板を好ましく用いることができるが、ジルコニアやアルミナ、シリカなどのセラミック基板を用いても構わない。また、これらの基板材料を複数種類、組み合わせても良いし、積層して多層構成として用いても良い。これらの材料の表面にSiOまたはSiNを形成して下地基板層1とする。例えば、Si基板を酸化又は窒化して表面をSiOまたはSiNを含む層に改質することができる。 The underlying substrate layer 1 includes at least SiO 2 or SiN on the surface, but other materials are preferably materials that do not deform or melt in the heat treatment that can be performed in the formation process of each layer formed thereon. Further, it is preferable that the base substrate layer 1 has a smooth surface, can prevent diffusion of elements during heat treatment, and has sufficient mechanical strength. Moreover, when manufacturing a liquid discharge head using the piezoelectric substrate obtained by this embodiment, the base substrate layer 1 may also serve as a pressure chamber substrate for forming a pressure chamber. For example, for such purposes, the material of the base substrate layer 1 can be preferably a semiconductor substrate made of silicon (Si) or the like, or a metal substrate such as tungsten (W) or heat-resistant stainless steel (SUS), but zirconia or alumina. A ceramic substrate such as silica may be used. A plurality of these substrate materials may be combined, or may be laminated to form a multilayer structure. SiO 2 or SiN is formed on the surface of these materials to form the base substrate layer 1. For example, the Si substrate can be oxidized or nitrided to modify the surface to a layer containing SiO 2 or SiN.

中間層2は、下地基板層1と電極層3の密着性を向上するために挿入する層である。このため、中間層2の材料としてはTiおよびTiOの少なくとも一方を含む。Ti層とTiO層の積層とすることもできる。また、中間層2は2nm以上50nm以下の層厚である事が好ましい。なぜならば、中間層2の層厚が2nm以上であれば、密着性を発現するための十分な層厚が確保でき、50nm以下であれば、材料の無駄な消費を抑制できる。 The intermediate layer 2 is a layer inserted in order to improve the adhesion between the base substrate layer 1 and the electrode layer 3. For this reason, the material of the intermediate layer 2 includes at least one of Ti and TiO 2 . A Ti layer and a TiO 2 layer may be laminated. The intermediate layer 2 preferably has a layer thickness of 2 nm or more and 50 nm or less. This is because if the layer thickness of the intermediate layer 2 is 2 nm or more, a sufficient layer thickness for exhibiting adhesion can be secured, and if it is 50 nm or less, wasteful consumption of materials can be suppressed.

電極層3の材料は、Ptを含む圧電体素子に通常用いるものであれば良く、例えば、Pt金属膜やPtを含む酸化膜、さらにはTi、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni等の金属、およびこれらの酸化物を含んでいてもよい。電極層3は、1層からなるものであっても、あるいはこれらの2層以上を積層したものであっても良い。これらの金属、酸化物は、基板上にゾルゲル法などにより塗布、焼成して形成しても良いし、スパッタ、蒸着などにより形成しても良い。また、所望の形状にパターニングして用いても良い。電極層3は40nm以上1000nm以下の層厚を有する事が好ましい。第1の実施形態では、熱履歴の比較的少ないスパッタ法が好適である。   The material of the electrode layer 3 may be any material that is usually used for a piezoelectric element containing Pt. For example, a Pt metal film or an oxide film containing Pt, Ti, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Metals such as Al, Fe, Cr, Ni, and oxides thereof may be included. The electrode layer 3 may be composed of a single layer or may be a laminate of two or more of these layers. These metals and oxides may be formed by applying and baking on a substrate by a sol-gel method or the like, or may be formed by sputtering or vapor deposition. Moreover, you may pattern and use it for a desired shape. The electrode layer 3 preferably has a layer thickness of 40 nm or more and 1000 nm or less. In the first embodiment, a sputtering method with a relatively small thermal history is suitable.

スパッタされた表面の数原子層はイオンによって乱され、照射イオンの残留や非結晶層の形成が起こるため、これらを除去、安定化するために、スパッタリング後に熱処理を行う事がある。この熱処理はスパッタ装置内で行ってもよく、スパッタ装置から取り出して行ってもよい。   Several atomic layers on the sputtered surface are disturbed by ions, and irradiation ions remain and amorphous layers are formed. Therefore, in order to remove and stabilize these, heat treatment may be performed after sputtering. This heat treatment may be performed in the sputtering apparatus or may be performed after being taken out from the sputtering apparatus.

このような層構成の圧電体成膜用基板上に圧電体薄膜を形成すると、熱処理条件によって圧電体薄膜の(100)面の配向度がばらつくという現象が観測された。この原因について圧電体薄膜成膜前の圧電体成膜用基板上、すなわち、電極層3の表面状態を検討したところ、電極表面にTiの存在が確認された時に配向度が低下し、Tiの存在が確認されない場合には高い配向度が得られることを見出した。従来、圧電体薄膜の(100)面配向度が高くなる圧電体成膜用基板のTiに対する詳細構成はこれまで未解明あった。   When a piezoelectric thin film was formed on a piezoelectric film forming substrate having such a layer structure, a phenomenon was observed in which the degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film varied depending on the heat treatment conditions. Regarding this cause, when the surface state of the electrode film 3 on the piezoelectric film forming substrate before the piezoelectric thin film film formation was examined, when the presence of Ti on the electrode surface was confirmed, the degree of orientation decreased, It has been found that a high degree of orientation can be obtained when the presence is not confirmed. Conventionally, the detailed structure with respect to Ti of the piezoelectric film-forming substrate in which the (100) plane orientation degree of the piezoelectric thin film is high has not been elucidated.

したがって、本発明の第1の実施形態に係る圧電体成膜用基板は、少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層とを有し、該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されないことを特徴とする。 Therefore, the piezoelectric film formation substrate according to the first embodiment of the present invention includes a base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface and an intermediate containing at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer. And an electrode layer containing Pt on the intermediate layer, and Ti is not detected on the surface of the electrode layer by elemental quantitative analysis.

Ti層からのTi移動(マイグレーション)を抑制するため、Ti層表面を不動態化することが知られている。しかしながら、Ptスパッタリング後の熱処理の温度や時間によっては僅かながらもTiマイグレーションが起こる。したがって、本実施形態では電極層形成時や電極層形成後の熱処理の温度や時間を制御することによってTiマイグレーションを抑制する条件を選定する。このような熱処理条件の選定は実験的に行うことができる。例えば、電極層をスパッタ法で形成する場合のスパッタリング後の熱処理としては、280℃以下の温度であることが好ましい。また、残留照射イオンの除去や結晶化などのスパッタリング後の熱処理の目的を達成するためには、100℃以上であることが好ましく、150℃以上がより好ましい。また、熱処理時間は温度条件によって異なるが、5分以下が好ましく、1分程度でもスパッタリング後の熱処理の目的を達成することができる。   In order to suppress Ti migration (migration) from the Ti layer, it is known to passivate the surface of the Ti layer. However, Ti migration occurs slightly depending on the temperature and time of the heat treatment after Pt sputtering. Therefore, in the present embodiment, conditions for suppressing Ti migration are selected by controlling the temperature and time of heat treatment at the time of electrode layer formation and after electrode layer formation. Selection of such heat treatment conditions can be performed experimentally. For example, the heat treatment after sputtering when the electrode layer is formed by sputtering is preferably a temperature of 280 ° C. or lower. Further, in order to achieve the purpose of heat treatment after sputtering such as removal of residual irradiation ions and crystallization, the temperature is preferably 100 ° C. or higher, and more preferably 150 ° C. or higher. Moreover, although heat processing time changes with temperature conditions, 5 minutes or less are preferable and the objective of the heat processing after sputtering can be achieved even if it is about 1 minute.

配向制御層4は、その上部に積層する圧電体薄膜層の配向を制御する層であり、Pb、OおよびTiを構成原子として含む。配向制御層4の材料は特に限定されないが、少なくともPbおよび、若しくはTiを含む有機金属酸化物が含まれることが好ましい。特にPbとTiの複合有機金属酸化物であることがより好ましい。この配向制御層4は、上部にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を圧電体薄膜として積層する場合、成膜時の温度負荷でPbが下部へ拡散することを抑制する効果も果たす。更に、下方にある中間層のTiが温度負荷により上部の圧電体薄膜層内へ拡散する事を抑制する効果も併せ持つ。   The orientation control layer 4 is a layer that controls the orientation of the piezoelectric thin film layer laminated thereon, and includes Pb, O, and Ti as constituent atoms. The material of the orientation control layer 4 is not particularly limited, but it is preferable that an organometallic oxide containing at least Pb and / or Ti is included. In particular, a composite organometallic oxide of Pb and Ti is more preferable. The orientation control layer 4 also has an effect of suppressing diffusion of Pb to the lower part due to a temperature load during film formation when lead zirconate titanate (PZT) is laminated as a piezoelectric thin film on the upper part. Further, it has an effect of suppressing diffusion of Ti in the lower intermediate layer into the upper piezoelectric thin film layer due to temperature load.

配向制御層4の製法としては、有機金属気相成長法(MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法)、ゾルゲル法などを挙げることができる。中でもゾルゲル法はもっとも安価、簡便に配向制御層を成膜できる点で好ましい。ゾルゲル法ではまず、原料となる各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、またはその部分重縮合性化合物(配向制御層材料)を含有する塗工液を調製する。調製された塗工液を基板上に塗工し、その塗工液を乾燥して形成する。   Examples of the method for manufacturing the orientation control layer 4 include metal organic chemical vapor deposition (MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method), sol-gel method, and the like. Among them, the sol-gel method is preferable because it is the cheapest and can easily form an orientation control layer. In the sol-gel method, first, a coating solution containing a hydrolyzable compound of each component metal as a raw material, a partially hydrolyzable compound thereof, or a partially polycondensable compound thereof (orientation control layer material) is prepared. The prepared coating solution is applied onto a substrate, and the coating solution is dried to form.

配向制御層材料を生成する原料としては、有機金属化合物を挙げることができる。例えば、鉛またはチタンのアルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体などの金属錯体が代表例である。金属錯体についてはアミン錯体をはじめとして、各種の他の錯体を利用できる。β−ジケトン錯体を形成するためのβ−ジケトンとしては、アセチルアセトン(=2,4−ペンタンジオン)、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン(=1−(ヘプタフルオロプロピル)−4,4−ジメチル−1,3−ペンタンジオン)、ジピバロイルメタン(=2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン)、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等を挙げることができる。   Examples of the raw material for generating the orientation control layer material include an organometallic compound. For example, metal complexes such as lead or titanium alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes are typical examples. Regarding the metal complex, various other complexes including amine complexes can be used. Examples of the β-diketone for forming the β-diketone complex include acetylacetone (= 2,4-pentanedione), heptafluorobutanoylpivaloylmethane (= 1- (heptafluoropropyl) -4,4-dimethyl- 1,3-pentanedione), dipivaloylmethane (= 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione), trifluoroacetylacetone, benzoylacetone and the like.

鉛化合物としては、酢酸鉛等の有機酸塩およびジイソプロポキシ鉛等の有機金属アルコキシドを挙げることができる。チタン化合物としては、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラtert−ブトキシチタン、ジメトキシジイソプロポキシチタン等の有機金属アルコキシドが好ましいが、有機酸塩または有機金属錯体も使用できる。   Examples of the lead compound include organic acid salts such as lead acetate and organometallic alkoxides such as diisopropoxy lead. The titanium compound is preferably an organometallic alkoxide such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetra-n-butoxytitanium, tetraisobutoxytitanium, tetratert-butoxytitanium, dimethoxydiisopropoxytitanium, etc. Metal complexes can also be used.

塗工液は、上記のような各原料有機金属化合物を適当な有機溶剤に溶解または分散させて、例えば、加熱処理し、さらに加水分解して、配向制御層材料であるチタン酸鉛の前駆体化合物、例えばPbとTiの複合有機金属酸化物を含有するものを調製する。複合有機金属酸化物は、Pbを含有する有機物、Tiを含有する有機物を含む。配向制御層材料におけるPbとTiとの割合は、Pb/Tiが1/1以上1.8/1以下が好ましく、1.2/1以上1.5/1以下であることがより好ましい。   The coating liquid is a precursor of lead titanate, which is an orientation control layer material, by dissolving or dispersing each of the raw material organometallic compounds as described above in an appropriate organic solvent, for example, heat treatment, and further hydrolysis. A compound, such as one containing a complex organometallic oxide of Pb and Ti, is prepared. The composite organometallic oxide includes an organic substance containing Pb and an organic substance containing Ti. As for the ratio of Pb and Ti in the orientation control layer material, Pb / Ti is preferably 1/1 or higher and 1.8 / 1 or lower, and more preferably 1.2 / 1 or higher and 1.5 / 1 or lower.

また、塗工液の調製に用いる有機溶剤は分散性、塗布性を考慮して、公知の各種溶剤から適宜、選択される。塗工液の調製に用いる有機溶剤としては、メタノール、エタノール、n−ブタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のセロソルブ系、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン系などのアミド系溶剤、アセトニトリル等のニトリル系溶剤を挙げることができる。これらの中では、アルコール系溶剤を用いるのが好ましい。   Moreover, the organic solvent used for the preparation of the coating liquid is appropriately selected from known various solvents in consideration of dispersibility and coatability. Examples of the organic solvent used for preparing the coating solution include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-butanol, n-propanol, and isopropanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, and the like. Amide solvents such as cellosolve, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone, and nitrile solvents such as acetonitrile. Among these, it is preferable to use an alcohol solvent.

塗工液中の有機溶剤の量は特に制限されないが、金属固形分濃度が15質量%以上30質量%以下となるように有機溶剤の量を調整するのが好ましい。   The amount of the organic solvent in the coating liquid is not particularly limited, but it is preferable to adjust the amount of the organic solvent so that the metal solid content concentration is 15% by mass or more and 30% by mass or less.

塗工液の塗工方法としては、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコートなど公知の塗工方法を用いることができる。また、基板上に塗工液を塗工する際、基板の塗工液を塗工する面は水平方向(鉛直方向に直交する方向)に配置されていることが好ましい。これにより、均一な膜厚および配向制御層材料の均一な分布を有する塗工層を得ることができる。塗工液は1回だけ塗工しても、複数回、塗工しても良い。   As a coating method of the coating liquid, a known coating method such as spin coating, dip coating, bar coating, spray coating, or the like can be used. Moreover, when coating a coating liquid on a board | substrate, it is preferable that the surface which coats the coating liquid of a board | substrate is arrange | positioned in the horizontal direction (direction orthogonal to a perpendicular direction). Thereby, a coating layer having a uniform film thickness and a uniform distribution of the orientation control layer material can be obtained. The coating solution may be applied only once or a plurality of times.

塗工層の形成工程の後の乾燥工程では、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、配向制御層を得る。この工程は使用する有機溶剤に適した乾燥温度であればよく、通常、50℃以上の温度であり、100℃以上の温度で行うことが好ましい。また、乾燥温度は450℃以下であり、300℃以下であることが好ましい。また、乾燥時間は30分未満であることが好ましい。特に本実施形態では後述する式(1)を満足する条件で実施される。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、または基板を乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源と直接、接触させることにより行うことができる。これらの中でも、加熱温度の均一性の点から、基板の裏面から加熱するホットプレートが好ましい。   In the drying step after the coating layer forming step, the organic solvent is evaporated from the coating layer in a windless environment to obtain an orientation control layer. This step may be any drying temperature suitable for the organic solvent to be used, and is usually a temperature of 50 ° C. or higher, and is preferably performed at a temperature of 100 ° C. or higher. The drying temperature is 450 ° C. or lower, and preferably 300 ° C. or lower. The drying time is preferably less than 30 minutes. In particular, in the present embodiment, the process is performed under a condition that satisfies a formula (1) described later. This step is performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tubular furnace, electric furnace, or by directly contacting the substrate with a heat source such as a dryer, hot plate, tubular furnace, electric furnace or the like. Can do. Among these, the hot plate heated from the back surface of a board | substrate is preferable from the point of the uniformity of heating temperature.

配向制御層(乾燥塗工層)の形成工程は、基板の塗工液を塗工した面(塗工面)が無風環境下となるように行う。具体的には、塗工面に温風、熱風の給気を行う給気口、あるいは排気を行うための排気口を設けない。また、給気口および排気口を設ける場合には、基板上で気化した有機溶剤や熱風の流れが生じないようにする。これにより、基板上の塗工液を塗工した面上、20cmの位置で気体の流速が0.05m/s以下となるようにする。   The formation process of the orientation control layer (dry coating layer) is performed so that the surface (coating surface) coated with the coating liquid of the substrate is in a windless environment. Specifically, an air supply port for supplying warm air or hot air or an exhaust port for exhausting air is not provided on the coating surface. Further, when the air supply port and the exhaust port are provided, the flow of the organic solvent vaporized or hot air on the substrate is prevented. As a result, the gas flow rate is set to 0.05 m / s or less at a position of 20 cm on the surface of the substrate coated with the coating liquid.

このように乾燥した後の配向制御層4の膜厚は、10nm以上100nm以下が好ましい。10nm以上であれば、上記の配向を制御する効果と拡散を抑制する効果が十分に得られ、100nm以下であれば、圧電体薄膜の特性に悪影響を及ぼすことがない。   The film thickness of the orientation control layer 4 after drying in this way is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If it is 10 nm or more, the effect of controlling the orientation and the effect of suppressing diffusion are sufficiently obtained, and if it is 100 nm or less, the characteristics of the piezoelectric thin film are not adversely affected.

本発明者らの検討によれば、配向制御層を形成するための乾燥条件によって配向制御層の表面状態が変わり、同じ組成比の原料を用いたとしてもその上に形成する圧電体薄膜の(100)面の配向度が変わることを見出した。特に配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下で圧電体薄膜の(100)面の高い配向度が得られることを見出した。配向制御層の表面のTi元素比は14.8原子%以下であることがより好ましい。   According to the study by the present inventors, the surface state of the orientation control layer changes depending on the drying conditions for forming the orientation control layer, and even if a raw material having the same composition ratio is used, It has been found that the degree of orientation of the (100) plane changes. In particular, it has been found that when the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less, a high degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film can be obtained. The Ti element ratio on the surface of the orientation control layer is more preferably 14.8 atomic% or less.

したがって、本発明の第2の実施形態に係る圧電体成膜用基板は、少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層と、該電極層上の配向制御層とを有し、該配向制御層はPb、OおよびTiを含み、該配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下であることを特徴とする。 Therefore, the piezoelectric film-forming substrate according to the second embodiment of the present invention includes a base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface, and an intermediate containing at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer. A layer, an electrode layer containing Pt on the intermediate layer, and an orientation control layer on the electrode layer, the orientation control layer containing Pb, O and Ti, and Pb on the surface of the orientation control layer , O, Ti in Ti element is 14.88 atomic% or less.

また、第2の実施形態に係る圧電体成膜用基板の製造方法は、少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層上にTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層を形成する工程と、該中間層上にPtを含む電極層を形成する工程と、該電極の表面にPbとTiを含む配向制御層を形成する工程とを少なくとも含み、該配向制御層を形成する工程時に前記圧電体用基板にかかる温度T(℃)と時間t(分)が下記式(1)を満たすことを特徴とする製造方法に関する。 The method for manufacturing a piezoelectric film-forming substrate according to the second embodiment includes a step of forming an intermediate layer including at least one of Ti and TiO 2 on a base substrate layer including at least SiO 2 or SiN on the surface. And at least a step of forming an electrode layer containing Pt on the intermediate layer and a step of forming an orientation control layer containing Pb and Ti on the surface of the electrode. The present invention relates to a manufacturing method characterized in that a temperature T (° C.) and a time t (minute) applied to a body substrate satisfy the following formula (1).

Figure 2017069544
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
上記式(1)を満足することで配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiを14.88原子%以下とすることができる。
Figure 2017069544
(However, 50 ≦ T ≦ 450, 0 <t <30)
By satisfying the above formula (1), the Ti in the Pb, O and Ti elements on the surface of the orientation control layer can be reduced to 14.88 atomic% or less.

2.圧電体基板
次に、本発明の第3の実施形態に係る圧電体基板について説明する。本実施形態の圧電体基板は、図1に示す電極層3上、または図2に示す配向制御層4上に圧電体薄膜を形成したものである。なお、配向制御層は圧電体薄膜の焼成時にチタン酸鉛となり、圧電体薄膜の一部として機能する。圧電体基板には、圧電体薄膜を介して電極層3(下部電極ともいう)に対向する電極(上部電極ともいう)を設けることで圧電体素子となる。圧電体素子は圧電効果により圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する素子となるが、本発明では特に電圧を力に変換する素子(アクチュエーター)として使用することが好ましい。上部電極は圧電体薄膜の全面に形成してもよく、一部に形成してもよい。また、上部電極は圧電体基板に一体として形成してもよく、着脱可能としてもよい。上部電極の材料は、圧電体薄膜に電圧を印加できる導電材料であれば特に制限なく使用でき、下部電極の材料と同様の材料を使用することができる。
また、圧電体基板上には、圧電体素子の上下電極への各配線層を形成してもよく、例えば、下部電極材料を用いて下部電極と同層に各配線層を形成することができる。この場合、上部電極はスルーホールや引き出し電極等を介して配線層に接続できる。
2. Piezoelectric Substrate Next, a piezoelectric substrate according to a third embodiment of the present invention will be described. The piezoelectric substrate of this embodiment is obtained by forming a piezoelectric thin film on the electrode layer 3 shown in FIG. 1 or the orientation control layer 4 shown in FIG. The orientation control layer becomes lead titanate when the piezoelectric thin film is fired, and functions as a part of the piezoelectric thin film. The piezoelectric substrate is provided with an electrode (also referred to as an upper electrode) facing the electrode layer 3 (also referred to as a lower electrode) via a piezoelectric thin film. Piezoelectric elements are elements that convert the force applied to the piezoelectric body due to the piezoelectric effect into voltage, or elements that convert voltage into force, but in the present invention, they are used as elements (actuators) that convert voltage into force. Is preferred. The upper electrode may be formed on the entire surface of the piezoelectric thin film or a part thereof. The upper electrode may be formed integrally with the piezoelectric substrate, or may be detachable. The material of the upper electrode can be used without particular limitation as long as it is a conductive material that can apply a voltage to the piezoelectric thin film, and the same material as the material of the lower electrode can be used.
Moreover, each wiring layer to the upper and lower electrodes of the piezoelectric element may be formed on the piezoelectric substrate. For example, each wiring layer can be formed in the same layer as the lower electrode by using a lower electrode material. . In this case, the upper electrode can be connected to the wiring layer through a through hole, a lead electrode, or the like.

圧電体薄膜の材料は特に限定されないが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含むことが好ましい。PZTとしては、一般式Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)で表されるペロブスカイト型結晶が好ましい。ZrとTiの組成を上記の範囲にすることで、高い圧電性を有するペロブスカイト結晶を得ることができる。
なお、圧電体薄膜中に、Pb、Zr、Ti以外の微量の元素をドーピングしても良い。ドーピングを行う場合にドーパントとして用いることのできる元素の具体的な例としてはLa、Ca、Sr、Ba、Sn、Th、Y、Sm、Ce、Bi、Sb、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Si、Ge、Sc、Mg、Mn等の元素を挙げることができる。添加量は、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)の0.1質量%から2質量%が好ましい。
The material of the piezoelectric thin film is not particularly limited, but preferably includes lead zirconate titanate (PZT). PZT is preferably a perovskite crystal represented by the general formula Pb (1.00 to 1.20) (Zr x Ti 1-x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6). By setting the composition of Zr and Ti within the above range, a perovskite crystal having high piezoelectricity can be obtained.
Note that a trace amount of elements other than Pb, Zr, and Ti may be doped in the piezoelectric thin film. Specific examples of elements that can be used as dopants when doping include La, Ca, Sr, Ba, Sn, Th, Y, Sm, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, Cr , Co, Ni, Fe, Cu, Si, Ge, Sc, Mg, and Mn. Addition amount, Pb (1.00~1.20) (Zr x Ti 1-x) O 3 2 wt% 0.1 wt% (x is 0.4-0.6) are preferred.

この圧電体薄膜の製法としては、スパッタリング法、有機金属気相成長法(MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法)、ゾルゲル法などを挙げることができる。中でもゾルゲル法はもっとも安価、簡便に圧電体薄膜を成膜できる点で好ましい。ゾルゲル法ではまず、原料となる各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、またはその部分重縮合性化合物(圧電体前駆体)を含有する塗工液を調製する。ドーピング元素もこれらの元素を含む化合物を塗工液の調製時に添加すればよい。調製された塗工液を基板上に塗工し、その塗工液を乾燥して塗工層を形成する。この後、空気中で、この塗工層を加熱し、さらにその結晶化温度以上で焼成して結晶化させることにより圧電体の薄膜を成膜する。
ゾルゲル法に類似の方法として、有機金属分解法(MOD(Metal Organic Deposition)法)がある。MOD法では、圧電体前駆体として、熱分解性の有機金属化合物(金属錯体および金属有機酸塩)、たとえば、金属のβ−ジケトン錯体やカルボン酸塩を含有する塗工液を基板上に塗工する。次に、例えば、空気中あるいは酸素中で塗工液を加熱して、塗工液中の溶媒の蒸発および有機金属化合物の熱分解を生じさせ、更にこれの結晶化温度以上での焼成により結晶化させて圧電体薄膜を成膜する方法である。
本明細書では、上記のゾルゲル法、MOD法、およびこれらを組み合わせた方法をあわせて「ゾルゲル法」と称する。
Examples of the method for manufacturing the piezoelectric thin film include a sputtering method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method), and a sol-gel method. Of these, the sol-gel method is preferred because it is the cheapest and can easily form a piezoelectric thin film. In the sol-gel method, first, a coating liquid containing a hydrolyzable compound of each component metal as a raw material, a partially hydrolyzable compound thereof, or a partially polycondensable compound thereof (piezoelectric precursor) is prepared. As the doping element, a compound containing these elements may be added at the time of preparing the coating solution. The prepared coating liquid is applied onto a substrate, and the coating liquid is dried to form a coating layer. Thereafter, the coating layer is heated in air, and further baked at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature to be crystallized, thereby forming a piezoelectric thin film.
As a method similar to the sol-gel method, there is an organometallic decomposition method (MOD (Metal Organic Deposition) method). In the MOD method, a coating liquid containing a thermally decomposable organometallic compound (metal complex and metal organic acid salt), for example, a metal β-diketone complex or a carboxylate, is applied on the substrate as a piezoelectric precursor. Work. Next, for example, the coating liquid is heated in the air or in oxygen to cause evaporation of the solvent in the coating liquid and thermal decomposition of the organometallic compound, and further, by calcination at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. In this method, a piezoelectric thin film is formed.
In the present specification, the above-described sol-gel method, MOD method, and a combination thereof are collectively referred to as “sol-gel method”.

3.圧電体薄膜の製造方法
次に、本実施形態の圧電体薄膜の製造方法について以下に説明する。本実施形態の製造方法は、塗工層の形成工程と、乾燥塗工層の形成工程と、乾燥塗工層の加熱工程を有する。以下、各工程について説明する。
なお、本明細書において、「塗工層」とは、有機溶剤が蒸発する前の、基板上に塗工された塗工液により構成される層を表す。また、「乾燥塗工層」とは、有機溶剤が蒸発後の塗工層を表す。
3. Next, a method for manufacturing a piezoelectric thin film according to the present embodiment will be described. The manufacturing method of this embodiment has the formation process of a coating layer, the formation process of a dry coating layer, and the heating process of a dry coating layer. Hereinafter, each step will be described.
In the present specification, the “coating layer” refers to a layer composed of a coating solution coated on a substrate before the organic solvent evaporates. The “dry coating layer” represents the coating layer after the organic solvent has evaporated.

(1)塗工層の形成工程
塗工層の形成工程では、圧電体薄膜成膜用基板上に有機溶剤と圧電体前駆体を含む塗工液を塗工する。このようにして、有機溶剤と圧電体前駆体とを含む塗工層が形成された基板を用意する。圧電体前駆体の例としては、各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、その部分重縮合性化合物、熱分解性化合物、またはこれらの化合物の原料を挙げることができる。これらの化合物を生成する原料としては、有機金属化合物を挙げることができる。例えば、上記金属のアルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体などの金属錯体が代表例である。金属錯体についてはアミン錯体をはじめとして、各種の他の錯体を利用できる。β−ジケトン錯体を形成するためのβ−ジケトンとしては、アセチルアセトン(=2,4−ペンタンジオン)、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン(=1−(ヘプタフルオロプロピル)−4,4−ジメチル−1,3−ペンタンジオン)、ジピバロイルメタン(=2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン)、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等を挙げることができる。
(1) Coating layer forming step In the coating layer forming step, a coating liquid containing an organic solvent and a piezoelectric precursor is applied onto the piezoelectric thin film forming substrate. Thus, the board | substrate with which the coating layer containing an organic solvent and a piezoelectric material precursor was formed is prepared. Examples of the piezoelectric precursor include hydrolyzable compounds of respective component metals, partially hydrolyzable compounds thereof, partially polycondensable compounds, thermally decomposable compounds, or raw materials for these compounds. Examples of raw materials for producing these compounds include organometallic compounds. For example, metal complexes such as the above metal alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes are typical examples. Regarding the metal complex, various other complexes including amine complexes can be used. Examples of the β-diketone for forming the β-diketone complex include acetylacetone (= 2,4-pentanedione), heptafluorobutanoylpivaloylmethane (= 1- (heptafluoropropyl) -4,4-dimethyl- 1,3-pentanedione), dipivaloylmethane (= 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione), trifluoroacetylacetone, benzoylacetone and the like.

原料として好適な有機金属化合物の具体例を示すと、鉛化合物としては、酢酸鉛等の有機酸塩およびジイソプロポキシ鉛等の有機金属アルコキシドを挙げることができる。チタン化合物としては、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラtert−ブトキシチタン、ジメトキシジイソプロポキシチタン等の有機金属アルコキシドが好ましいが、有機酸塩または有機金属錯体も使用できる。ジルコニウム化合物については、上記鉛化合物やチタン化合物と同様にジルコニウムの有機金属アルコキシド、有機酸塩、有機金属錯体が使用できる。他の金属化合物についても上記と同様のものを使用できるが、これらに限定されるものではない。また、上記金属化合物は組み合わせて用いても良い。なお、有機金属化合物は、上述したような1種類の金属を含有する化合物の他に、2種以上の成分金属を含有する複合化した有機金属化合物であっても良い。   Specific examples of organometallic compounds suitable as raw materials include organic acid salts such as lead acetate and organometallic alkoxides such as diisopropoxy lead as lead compounds. The titanium compound is preferably an organometallic alkoxide such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetra-n-butoxytitanium, tetraisobutoxytitanium, tetratert-butoxytitanium, dimethoxydiisopropoxytitanium, etc. Metal complexes can also be used. As for the zirconium compound, zirconium organometallic alkoxides, organic acid salts, and organometallic complexes can be used in the same manner as the lead compounds and titanium compounds. Although the same thing as the above can be used also about another metal compound, it is not limited to these. Further, the above metal compounds may be used in combination. The organometallic compound may be a complex organometallic compound containing two or more component metals in addition to the compound containing one kind of metal as described above.

塗工液は、上記のような各原料有機金属化合物を適当な有機溶剤に溶解または分散させて、例えば、加熱処理し、さらに加水分解して、圧電体前駆体である複合有機金属酸化物(2種以上の成分金属を含有する)を含有するものを調製する。   The coating liquid is prepared by dissolving or dispersing each of the raw material organometallic compounds as described above in a suitable organic solvent, for example, heat-treating, and further hydrolyzing to form a composite organometallic oxide (piezoelectric precursor) ( Containing two or more component metals).

また、塗工液の調製に用いる有機溶剤は分散性、塗布性を考慮して、公知の各種溶剤から適宜、選択される。塗工液の調製に用いる有機溶剤としては、メタノール、エタノール、n−ブタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のセロソルブ系、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン系などのアミド系溶剤、アセトニトリル等のニトリル系溶剤を挙げることができる。これらの中では、アルコール系溶剤を用いるのが好ましい。
塗工液中の有機溶剤の量は特に制限されないが、金属固形分濃度が15質量%以上30質量%以下となるように有機溶剤の量を調整するのが好ましい。塗工液中の有機溶剤の量がこれらの範囲内であることによって、1回の塗工における圧電体薄膜の層厚を150nm以上400nm以下とすることが容易となる。
Moreover, the organic solvent used for the preparation of the coating liquid is appropriately selected from known various solvents in consideration of dispersibility and coatability. Examples of the organic solvent used for preparing the coating solution include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-butanol, n-propanol, and isopropanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, and the like. Amide solvents such as cellosolve, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone, and nitrile solvents such as acetonitrile. Among these, it is preferable to use an alcohol solvent.
The amount of the organic solvent in the coating liquid is not particularly limited, but it is preferable to adjust the amount of the organic solvent so that the metal solid content concentration is 15% by mass or more and 30% by mass or less. When the amount of the organic solvent in the coating liquid is within these ranges, the layer thickness of the piezoelectric thin film in one coating can be easily set to 150 nm or more and 400 nm or less.

複数の有機金属化合物を用いる場合における、塗工液中の各有機金属化合物の割合は、製造予定の圧電体薄膜の材料、例えば、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)の組成比とほぼ同じ割合とするのが良い。なお、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)からなる圧電体薄膜を形成する場合、一般に鉛化合物は揮発性が高く、後述する熱処理工程中に、蒸発によって鉛の欠損が起こることがある。このため、この欠損を見越して、鉛をやや過剰に、例えば、組成比上、必要な鉛の量に対して2モル%以上40モル%以下、過剰に鉛を存在させても良い。鉛の欠損の程度は、鉛化合物の種類や成膜条件によって異なり、実験により求めることができる。 In the case of using a plurality of organometallic compounds, the ratio of each organometallic compound in the coating liquid is the material of the piezoelectric thin film to be manufactured, for example, Pb (1.00-1.20) (Zr x Ti 1- It is preferable that the composition ratio is approximately the same as the composition ratio of x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6). In the case of forming a piezoelectric thin film made of Pb (1.00~1.20) (Zr x Ti 1-x) O 3 (x is 0.4-0.6), generally lead compounds volatile High, lead deficiency may occur due to evaporation during the heat treatment process described later. Therefore, in anticipation of this deficiency, lead may be present in a slightly excessive amount, for example, 2 mol% or more and 40 mol% or less in excess of the required amount of lead in terms of composition ratio. The degree of lead deficiency varies depending on the type of lead compound and the film forming conditions, and can be determined by experiment.

塗工液中には、安定化剤として、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(以下、「DBU」と表すことがある)、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノン−5−エン(以下、「DBN」と表すことがある)、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(以下、「DABCO」と表すことがある)を添加できる。また、他の安定化剤として従来から用いられている、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)、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)、これらのケトン酸のエチル、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)、これらの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)、α−アミノ酸類(例えば、グリシン、アラニン等)、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)等を併用しても良い。   In the coating solution, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene (hereinafter sometimes referred to as “DBU”), 1,5-diazabicyclo [4.3 as stabilizers. 0.0] non-5-ene (hereinafter sometimes referred to as “DBN”), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (hereinafter sometimes referred to as “DABCO”). Further, β-diketones (for example, acetylacetone, heptafluorobutanoylpivaloylmethane, dipivaloylmethane, trifluoroacetylacetone, benzoylacetone, etc.), ketonic acids, which have been conventionally used as other stabilizers (For example, acetoacetic acid, propionylacetic acid, benzoylacetic acid, etc.), lower alkyl esters of these ketone acids such as ethyl, propyl, butyl, etc., oxyacids (for example, lactic acid, glycolic acid, α-oxybutyric acid, salicylic acid, etc.), Lower alkyl esters of these oxyacids, oxyketones (eg, diacetone alcohol, acetoin, etc.), α-amino acids (eg, glycine, alanine, etc.), alkanolamines (eg, diethanolamine, triethanolamine, monoethanol) Amine) etc. It may be use.

塗工液中の安定化剤の量は、金属原子の総モル数に対し、0.05倍モル以上5倍モル以下であることが好ましく、0.1倍モル以上1.5倍モル以下であることがより好ましい。   The amount of the stabilizer in the coating solution is preferably 0.05 to 5 times the total moles of metal atoms, preferably 0.1 to 1.5 times the mole. More preferably.

塗工工程では例えば、表面に電極を有する基板の電極上に塗工液を塗工する。塗工液の塗工方法としては、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコートなど公知の塗工方法を用いることができる。また、基板上に塗工液を塗工する際、基板の塗工液を塗工する面は水平方向(鉛直方向に直交する方向)に配置されていることが好ましい。これにより、均一な膜厚および圧電体前駆体の均一な分布を有する塗工層を得ることができる。塗工液は1回だけ塗工しても、複数回、塗工しても良い。
1回の塗工液の塗工により得られた圧電体薄膜(製造後の圧電体薄膜)の膜厚は特に限定されないが、150nm以上400nm以下が好ましい。圧電体薄膜の膜厚が150nm以上であることにより、少ない塗工回数で優れた圧電特性を有する圧電体薄膜を製造することができる。また、圧電体薄膜の膜厚が400nm以下であることにより、層厚方向のエピタキシャルな結晶成長を効果的に行わせることができる。
In the coating process, for example, a coating solution is applied onto the electrode of a substrate having an electrode on the surface. As a coating method of the coating liquid, a known coating method such as spin coating, dip coating, bar coating, spray coating, or the like can be used. Moreover, when coating a coating liquid on a board | substrate, it is preferable that the surface which coats the coating liquid of a board | substrate is arrange | positioned in the horizontal direction (direction orthogonal to a perpendicular direction). Thereby, a coating layer having a uniform film thickness and a uniform distribution of the piezoelectric precursor can be obtained. The coating solution may be applied only once or a plurality of times.
The film thickness of the piezoelectric thin film (piezoelectric thin film after manufacture) obtained by applying the coating liquid once is not particularly limited, but is preferably 150 nm or more and 400 nm or less. When the film thickness of the piezoelectric thin film is 150 nm or more, a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics can be manufactured with a small number of coatings. Moreover, when the film thickness of the piezoelectric thin film is 400 nm or less, epitaxial crystal growth in the layer thickness direction can be effectively performed.

圧電体薄膜の膜厚は、塗工液中の圧電体前駆体の濃度と塗工条件を変化させることで、制御することが可能であり、この条件は実験より求めることができる。例えば、2000rpmのスピンコート法で、固形分濃度が20質量%以上25質量%以下の塗工液を塗工し、塗工液の乾燥および圧電体前駆体の熱処理を行う。これにより、一回の塗工ごとに200nm以上330nm以下の膜厚の圧電体薄膜を形成できる。最終的に形成される圧電体(配向制御層を含む)の膜厚は、4μm以下とすることが好ましい。   The film thickness of the piezoelectric thin film can be controlled by changing the concentration of the piezoelectric precursor in the coating liquid and the coating conditions, and these conditions can be obtained by experiments. For example, a coating liquid having a solid content concentration of 20% by mass or more and 25% by mass or less is applied by spin coating at 2000 rpm, and the coating liquid is dried and the piezoelectric precursor is heat-treated. Thereby, a piezoelectric thin film having a thickness of 200 nm or more and 330 nm or less can be formed for each coating. The film thickness of the finally formed piezoelectric body (including the orientation control layer) is preferably 4 μm or less.

(2)乾燥塗工層の形成工程
塗工層の形成工程の後の乾燥塗工層の形成工程では、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、圧電体前駆体を含む乾燥塗工層を得る。この工程は使用する有機溶剤に適した乾燥温度であればよく、通常、50℃以上の温度であり、100℃以上450℃以下の温度で行うことが好ましい。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、または基板を乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源と直接、接触させることにより行うことができる。これらの中でも、加熱温度の均一性の点から、基板の裏面から加熱するホットプレートが好ましい。
乾燥塗工層の形成工程は、基板の塗工液を塗工した面(塗工面)が無風環境下となるように行う。具体的には、塗工面に温風、熱風の給気を行う給気口、あるいは排気を行うための排気口を設けない。また、給気口および排気口を設ける場合には、基板上で有機溶剤や熱風の流れが生じないようにする。これにより、基板上の塗工液を塗工した面上、20cmの位置で気体の流速が0.05m/s以下となるようにする。
(2) Dry coating layer forming step In the dry coating layer forming step after the coating layer forming step, the organic solvent is evaporated from the coating layer in a windless environment to dry the piezoelectric precursor. A coating layer is obtained. This step may be any drying temperature suitable for the organic solvent to be used, and is usually a temperature of 50 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. This step is performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tubular furnace, electric furnace, or by directly contacting the substrate with a heat source such as a dryer, hot plate, tubular furnace, electric furnace or the like. Can do. Among these, the hot plate heated from the back surface of a board | substrate is preferable from the point of the uniformity of heating temperature.
The formation process of the dry coating layer is performed so that the surface (coated surface) coated with the coating liquid of the substrate is in a windless environment. Specifically, an air supply port for supplying warm air or hot air or an exhaust port for exhausting air is not provided on the coating surface. In addition, when the air supply port and the exhaust port are provided, the flow of the organic solvent or hot air is prevented from occurring on the substrate. As a result, the gas flow rate is set to 0.05 m / s or less at a position of 20 cm on the surface of the substrate coated with the coating liquid.

(3)乾燥塗工層の加熱工程
乾燥塗工層の形成後、乾燥塗工層の加熱工程では、乾燥塗工層を加熱して、乾燥塗工層に含まれる圧電体前駆体から圧電体の薄膜を形成する。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、またはこれらの熱源を基板に接触させることにより行うことができる。この際、加熱は、500℃以上800℃以下で行うことが好ましい。乾燥塗工層の加熱工程は複数回に分けて行っても良いし、1回だけでも良い。好ましくは、仮焼成により乾燥塗工層を加熱し、さらにその結晶化温度以上で焼成して結晶化させることにより、圧電体薄膜を成膜するのが良い。
(3) Drying coating layer heating step After the drying coating layer is formed, in the drying coating layer heating step, the drying coating layer is heated to convert the piezoelectric precursor from the piezoelectric precursor contained in the drying coating layer. The thin film is formed. This step can be performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tubular furnace, electric furnace, or bringing these heat sources into contact with the substrate. At this time, the heating is preferably performed at 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The heating process of the dry coating layer may be performed in a plurality of times or only once. Preferably, the piezoelectric thin film is formed by heating the dried coating layer by temporary baking and further baking and crystallizing at a temperature higher than the crystallization temperature.

4.圧電体薄膜の製造装置
圧電体薄膜の製造装置は、塗工手段、乾燥手段、加熱手段を有する。塗工手段は、基板上に、有機溶剤と圧電体前駆体とを含む塗工液を塗工して、塗工層を形成することが可能となっている。基板は、載置部に載置されるようになっている。乾燥手段は、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、圧電体前駆体を含む乾燥塗工層を得ることが可能となっている。加熱手段は、乾燥塗工層を加熱して、乾燥塗工層に含まれる圧電体前駆体から圧電体薄膜を形成することが可能となっている。
4). Piezoelectric thin film manufacturing apparatus The piezoelectric thin film manufacturing apparatus includes a coating unit, a drying unit, and a heating unit. The coating means can apply a coating liquid containing an organic solvent and a piezoelectric precursor on the substrate to form a coating layer. The substrate is placed on the placement unit. The drying means can evaporate the organic solvent from the coating layer in a windless environment to obtain a dry coating layer containing the piezoelectric precursor. The heating means can heat the dry coating layer to form a piezoelectric thin film from the piezoelectric precursor contained in the dry coating layer.

5.配向評価法
次に、圧電体薄膜の(100)面の配向の評価方法について説明する。圧電体薄膜の(100)面の配向状態は、結晶薄膜について一般に用いられる、波長にCu Kα線を用いた2θ/θ法によるX線回折測定における回折ピークの検出角度と強度から容易に確認できる。例えば、図6に示すように、本実施形態の圧電体薄膜から得られた回折チャートでは、(100)面は22°付近にピーク強度を有し、(110)面は31°付近に、(111)面は38°付近にそれぞれピーク強度を有する。(100)面のピーク強度を(100)面、(110)面、(111)面の各ピーク強度の和で除することによって、(100)面の強度の割合を求めることができる。
良好な圧電性が得られることから、(100)面、(110)面、および(111)面の各ピーク強度の和に対する(100)面の強度の割合は、基板の各部において80%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。また、基板の主面と圧電体薄膜の(100)面は平行にあるのが好ましい。
5. Orientation Evaluation Method Next, a method for evaluating the orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film will be described. The orientation state of the (100) plane of the piezoelectric thin film can be easily confirmed from the detection angle and intensity of the diffraction peak in the X-ray diffraction measurement by the 2θ / θ method, which is generally used for the crystal thin film and uses Cu Kα ray as the wavelength. . For example, as shown in FIG. 6, in the diffraction chart obtained from the piezoelectric thin film of this embodiment, the (100) plane has a peak intensity around 22 °, the (110) plane near 31 °, The (111) plane has a peak intensity around 38 °. By dividing the peak intensity of the (100) plane by the sum of the peak intensities of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane, the intensity ratio of the (100) plane can be obtained.
Since good piezoelectricity can be obtained, the ratio of the intensity of the (100) plane to the sum of the peak intensity of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane is 80% or more in each part of the substrate. Preferably, 90% or more is more preferable. The main surface of the substrate and the (100) surface of the piezoelectric thin film are preferably parallel to each other.

6.元素定量分析法
次に、薄膜表面の元素定量分析方法について説明する。本発明ではアルバックファイ株式会社製Auantera SXMのX線光電子分光(XPS)分析装置を用いており、解析用ソフトウェア(MultiPak Version9.3.0.3)を使用し、特開平7−35711号公報に記載のある相対感度係数法を用いて元素量(原子%)を算出している。
(測定条件)
X線源:単色化AlKα
X線出力:25W15kV
X線ビーム径:100μm
光電子取り出し角:45°
なお、薄膜表面の元素定量分析方法としては、XPSに限定するものではなく、XPS以外に例えば蛍光X線(XRF)分析や高周波グロー放電発光表面分析(GDS)等の分析手法を用いることが出来る。
6). Elemental Quantitative Analysis Next, an elemental quantitative analysis method on the thin film surface will be described. In the present invention, an Auranta SXM X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyzer manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used, and analysis software (MultiPak Version 9.3.0.3) is used. The element amount (atomic%) is calculated using the relative sensitivity coefficient method described.
(Measurement condition)
X-ray source: Monochromatic AlKα
X-ray output: 25W15kV
X-ray beam diameter: 100 μm
Photoelectron extraction angle: 45 °
The element quantitative analysis method on the surface of the thin film is not limited to XPS. In addition to XPS, an analysis method such as fluorescent X-ray (XRF) analysis or high-frequency glow discharge emission surface analysis (GDS) can be used. .

本明細書において、「元素定量分析法によるTiが検出されないこと」とは、例えば、XPSで結合エネルギーが450nm以上470nm未満の領域にTi2pピークが検出されないことを意味する。また、「配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下である」とは、例えば、XPSによる元素定量分析によって得られたTiの元素量をPb、O、Tiの元素量の総和で除した値が14.88%以下であることを意味する。ここで配向制御層の表面におけるTiの元素量はXPSのTi2p軌道に相当するスペクトルから、Pbの元素量はPb4f軌道に相当するスペクトルから、Oの元素量はO1s軌道に相当するスペクトルから算出する事が出来る。   In the present specification, “the Ti is not detected by the elemental quantitative analysis method” means that, for example, the Ti2p peak is not detected in a region where the binding energy is 450 nm or more and less than 470 nm by XPS. In addition, “the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less” means, for example, that the element amount of Ti obtained by elemental quantitative analysis by XPS is Pb, It means that the value divided by the sum of the element amounts of O and Ti is 14.88% or less. Here, the elemental amount of Ti on the surface of the orientation control layer is calculated from a spectrum corresponding to the XPS Ti2p orbital, the elemental amount of Pb is calculated from the spectrum corresponding to the Pb4f orbital, and the elemental amount of O is calculated from the spectrum corresponding to the O1s orbital. I can do it.

7.液体吐出ヘッド
図3〜図5は、圧電体基板を用いた、一実施形態による液体吐出ヘッドを示すものである。この液体吐出ヘッドMは、液体吐出ヘッド用基板21と、複数の液体吐出口22と、複数の圧力室23と、各圧力室23にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエーター25とから構成されている。各圧力室23はそれぞれ、各液体吐出口22に対応して設けられ、液体吐出口22に連通している。アクチュエーター25はその振動により、圧力室23内のインクの容積変化を生じさせて、液体吐出口22からインクなどの液滴を吐出させる。液体吐出口22は、ノズルプレート24に所定の間隔をもって形成され、圧力室23は液体吐出ヘッド用基板21に、液体吐出口22にそれぞれ対応するように並列して形成されている。なお、本実施形態では、液体吐出口22がアクチュエーター25による圧力発生面の対向面に設けられているが、アクチュエーター25による圧力発生面の対向面以外に設けることもできる。各アクチュエーター25は、振動板26と圧電体素子30で構成され、圧電体素子30は圧電体薄膜27と一対の電極(下部電極28および上部電極29)とから構成されている。液体吐出ヘッド用基板21の上面には各圧力室23にそれぞれ対応した開口部21Aが形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエーター25が配置されている。図5では開口部に振動板26が露出する構成を示しているが、アクチュエーター25で発生する振動によって圧力室23内の液体に液体吐出口22からの吐出が可能であれば、吐出液体吐出ヘッド用基板21の一部が残っていても良い。なお、図3では説明のために、ノズルプレート24を液体吐出ヘッド用基板21から分離展開した状態を示しており、実際にはノズルプレート24は図4に示すように液体吐出ヘッド用基板21に接合されている。
振動板26の材料は特に限定されないが、上記下地基板層の材料として例示したSiなどの半導体、金属、金属酸化物、ガラスなどが好ましい。液体吐出ヘッド用基板21と振動板26は接合や接着により形成されても良いし、液体吐出ヘッド用基板21上に振動板26を直接、形成しても良い。また、振動板26を設けずに下部電極28および圧電体薄膜30を液体吐出ヘッド用基板21に直接、形成しても良い。その場合、
7). Liquid Discharge Head FIGS. 3 to 5 show a liquid discharge head according to an embodiment using a piezoelectric substrate. The liquid discharge head M includes a liquid discharge head substrate 21, a plurality of liquid discharge ports 22, a plurality of pressure chambers 23, and an actuator 25 disposed so as to correspond to each pressure chamber 23. ing. Each pressure chamber 23 is provided corresponding to each liquid discharge port 22 and communicates with the liquid discharge port 22. The actuator 25 causes the ink volume in the pressure chamber 23 to change due to the vibration, and ejects droplets such as ink from the liquid ejection port 22. The liquid discharge ports 22 are formed in the nozzle plate 24 with a predetermined interval, and the pressure chambers 23 are formed in parallel on the liquid discharge head substrate 21 so as to correspond to the liquid discharge ports 22 respectively. In the present embodiment, the liquid discharge port 22 is provided on the surface facing the pressure generation surface by the actuator 25, but may be provided on a surface other than the surface facing the pressure generation surface by the actuator 25. Each actuator 25 includes a diaphragm 26 and a piezoelectric element 30, and the piezoelectric element 30 includes a piezoelectric thin film 27 and a pair of electrodes (a lower electrode 28 and an upper electrode 29). Openings 21A corresponding to the respective pressure chambers 23 are formed on the upper surface of the liquid discharge head substrate 21, and the actuators 25 are arranged so as to close the openings. FIG. 5 shows a configuration in which the diaphragm 26 is exposed at the opening. However, if the liquid in the pressure chamber 23 can be discharged from the liquid discharge port 22 by the vibration generated by the actuator 25, the discharge liquid discharge head is used. A part of the substrate 21 may remain. 3 shows a state in which the nozzle plate 24 is separated and developed from the liquid discharge head substrate 21 for the sake of explanation. Actually, the nozzle plate 24 is placed on the liquid discharge head substrate 21 as shown in FIG. It is joined.
The material of the diaphragm 26 is not particularly limited, but a semiconductor such as Si exemplified as the material of the base substrate layer, metal, metal oxide, glass, or the like is preferable. The liquid discharge head substrate 21 and the vibration plate 26 may be formed by bonding or adhesion, or the vibration plate 26 may be directly formed on the liquid discharge head substrate 21. Further, the lower electrode 28 and the piezoelectric thin film 30 may be formed directly on the liquid discharge head substrate 21 without providing the diaphragm 26. In that case,

本発明を適用したアクチュエーターでは、振動板26が下地基板に相当し、表面にSiOまたはSiNを含む下地基板層2が形成され、下地基板層上に中間層3が形成される。中間層が導電性を有する場合、下部電極28の一部を構成することとなる。また、配向制御層を下部電極上に形成し、その上に圧電体薄膜を形成する場合、圧電体薄膜形成の最終段階で配向制御層も焼成されて圧電体薄膜の一部を構成することとなる。 In the actuator to which the present invention is applied, the diaphragm 26 corresponds to a base substrate, the base substrate layer 2 containing SiO 2 or SiN is formed on the surface, and the intermediate layer 3 is formed on the base substrate layer. When the intermediate layer has conductivity, a part of the lower electrode 28 is formed. Further, when the orientation control layer is formed on the lower electrode and the piezoelectric thin film is formed thereon, the orientation control layer is also baked at the final stage of the piezoelectric thin film formation to constitute a part of the piezoelectric thin film. Become.

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)塗工液の製造)
圧電体薄膜を形成するための塗工液として、金属組成がPb/Zr/Ti=1.2/0.52/0.48で表されるPZT塗工液を以下の通りに調製した。
酢酸鉛水和物1.2molを加熱で脱水し、これに安定化剤として1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン1.2molおよび1−メトキシ−2−プロパノール(9.0mol)を混合し加熱撹拌することで反応させる。その後、テトラn−ブトキシジルコニウム0.52mol、テトライソプロポキシチタン0.48molを加えて更に加熱し反応させ、金属化合物を互いに複合化させた。次に、水(5.0mol)、エタノール(5.0mol)を添加し、加水分解反応を行い、有機金属酸化物からなる圧電体前駆体を得た。その際、酢酸(3.8mol)とアセチルアセトン(0.6mol)を加えた。その後、沸点100℃以下の溶媒をロータリーエバポレーターで完全に取り除き、ジエチレングリコールモノエチルエーテル(有機溶剤)を添加して上記組成式に換算した金属酸化物の濃度が23質量%になるように濃度を調節し、PZT塗工液を調製した。
(Production of lead zirconate titanate (PZT) coating solution)
As a coating liquid for forming a piezoelectric thin film, a PZT coating liquid having a metal composition represented by Pb / Zr / Ti = 1.2 / 0.52 / 0.48 was prepared as follows.
1.2 mol of lead acetate hydrate was dehydrated by heating, and 1.2 mol of 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene and 1-methoxy-2-propanol (9. 0 mol) is mixed and reacted by heating and stirring. Thereafter, 0.52 mol of tetra-n-butoxyzirconium and 0.48 mol of tetraisopropoxytitanium were added and further heated and reacted to complex the metal compounds with each other. Next, water (5.0 mol) and ethanol (5.0 mol) were added and a hydrolysis reaction was performed to obtain a piezoelectric precursor made of an organometallic oxide. At that time, acetic acid (3.8 mol) and acetylacetone (0.6 mol) were added. Thereafter, the solvent with a boiling point of 100 ° C. or less is completely removed with a rotary evaporator, and diethylene glycol monoethyl ether (organic solvent) is added to adjust the concentration so that the concentration of the metal oxide converted to the above composition formula becomes 23% by mass. A PZT coating solution was prepared.

[実施例1]
直径6インチ(15cm)のシリコン基板の表面に、下地基板層1として熱酸化によりシリカ(SiO)層を500nm設け、さらにスパッタリングにより、中間層2としてTiを50nm、電極層3としてPtを200nm、形成して本実施例で用いる圧電体成膜用基板とした(図1参照)。スパッタリング後のアニールとして、以下の方法で熱処理を行った。
上記の圧電体成膜用基板を、150℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは150℃±1℃)上に、1分間載せ、基板の加熱を行った。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。
[Example 1]
A silica (SiO 2 ) layer having a thickness of 500 nm is provided as a base substrate layer 1 by thermal oxidation on the surface of a silicon substrate having a diameter of 6 inches (15 cm). Further, by sputtering, Ti is 50 nm as an intermediate layer 2 and Pt is 200 nm as an electrode layer 3. And formed into a piezoelectric film forming substrate used in this example (see FIG. 1). As annealing after sputtering, heat treatment was performed by the following method.
The above piezoelectric film-forming substrate is placed on a hot plate heated to 150 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by As One Co., Ltd., temperature unevenness of the board surface is 150 ° C. ± 1 ° C.) for 1 minute, and the substrate Was heated. At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate or the like was provided.

[実施例2、比較例1〜3]
実施例1において、ホットプレートの盤面温度と加熱時間を表1に示す条件に変更する以外は、同様の工程で圧電体成膜用基板を作製した。
[Example 2, Comparative Examples 1-3]
In Example 1, a piezoelectric film-forming substrate was produced in the same process except that the surface temperature of the hot plate and the heating time were changed to the conditions shown in Table 1.

実施例1〜2および比較例1〜3で作製した圧電体成膜用基板上を以下の通り評価した。圧電体成膜用基板を、図7のように9枚に分割し、それぞれの圧電体成膜用基板のPt電極表面のTi検出と検出する場合はその量比を、XPS分析にて測定した。ここでTi量比は、Ti2p軌道に相当するピークから算出する原子%をPt4f軌道に相当するピークから算出する原子%とTi2p軌道に相当するピークから算出する原子%の和で除することで算出でき、XPSの三回測定平均の値である。図7において、(5)は基板の中心から半径3cmまでの部分、(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)、(9)は基板の中心から半径が3cm以上6cm以下の部分を測定した。その結果を表1に示す。また、実施例1の全結合エネルギー領域におけるXPSスペクトルを図8(a)に、Ti2pピークが非検出であったTi2p領域(450nmから470nm)のみのXPSスペクトルを図8(b)に示す。さらに、比較例1で作製した圧電体成膜用基板のTi2pピークが検出されたXPSスペクトルを図9に示す。   The piezoelectric film-forming substrates prepared in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 were evaluated as follows. The piezoelectric film formation substrate was divided into nine pieces as shown in FIG. 7, and when detecting and detecting Ti on the surface of the Pt electrode of each piezoelectric film formation substrate, the quantitative ratio was measured by XPS analysis. . Here, the Ti amount ratio is calculated by dividing the atomic% calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbit by the sum of the atomic% calculated from the peak corresponding to the Pt4f orbit and the atomic% calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbital. Yes, it is the value of the average of three measurements of XPS. In FIG. 7, (5) is a portion from the center of the substrate to a radius of 3 cm, (1), (2), (3), (4), (6), (7), (8), (9) are A portion having a radius of 3 cm or more and 6 cm or less from the center of the substrate was measured. The results are shown in Table 1. Further, FIG. 8A shows the XPS spectrum in the entire binding energy region of Example 1, and FIG. 8B shows the XPS spectrum of only the Ti2p region (450 nm to 470 nm) where the Ti2p peak was not detected. Furthermore, FIG. 9 shows an XPS spectrum in which the Ti2p peak of the piezoelectric film-forming substrate produced in Comparative Example 1 was detected.

次に、前述のようにして調製したPZT塗工液を、スピンコーター(4000rpm15秒)により基板のPt面に塗工した(塗工層の形成工程)。次に、280℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製 「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは280℃±1℃)を準備した。このホットプレート上に、PZT塗工液を塗工した基板を5分間載せ、PZT塗工液中の有機溶剤を蒸発させた(乾燥塗工層の形成工程)。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。上記の圧電体成膜用基板を650℃の電気炉に10分間入れて、圧電体前駆体を、Pb1.2(Zr0.52Ti0.48)Oからなる圧電体薄膜とした。なお、上記の650℃の電気炉で10分間の熱処理工程が、乾燥塗工層の加熱工程に相当する。その後、それぞれの圧電体薄膜のX線回折(2θ/θ法)をX線回折装置(株式会社リガク製 RINT2100)で測定した。図6は、実施例1の(5)のX線回折パターンを示したものであるが、図中40°付近に見られるピークは基板に設けたPtの(111)面のピークである。 Next, the PZT coating solution prepared as described above was applied to the Pt surface of the substrate using a spin coater (4000 rpm for 15 seconds) (coating layer forming step). Next, a hot plate heated to 280 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by AS ONE Co., Ltd., temperature unevenness on the panel surface was 280 ° C. ± 1 ° C.) was prepared. A substrate coated with the PZT coating solution was placed on the hot plate for 5 minutes, and the organic solvent in the PZT coating solution was evaporated (dry coating layer forming step). At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate or the like was provided. The piezoelectric film-forming substrate was placed in an electric furnace at 650 ° C. for 10 minutes, and the piezoelectric precursor was a piezoelectric thin film made of Pb 1.2 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 . The heat treatment step for 10 minutes in the electric furnace at 650 ° C. corresponds to the heating step for the dry coating layer. Thereafter, X-ray diffraction (2θ / θ method) of each piezoelectric thin film was measured with an X-ray diffractometer (RINT2100 manufactured by Rigaku Corporation). FIG. 6 shows the X-ray diffraction pattern of (5) of Example 1, and the peak seen in the vicinity of 40 ° is the peak of the (111) plane of Pt provided on the substrate.

図6より、圧電体薄膜の(100)面のピーク強度値を、(100)面、(110)面、(111)面のピーク強度値の和で除して(100)面の強度の割合(配向度)とした。44°付近に見られる(200)面のピークは、(100)面と等価な結晶面であるため、(100)面の強度の割合には含めない。実施例1、2、比較例1〜3の(100)面における配向度を表1に示す。   From FIG. 6, the peak intensity value of the (100) plane of the piezoelectric thin film is divided by the sum of the peak intensity values of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane. (Orientation degree). The peak of the (200) plane seen near 44 ° is a crystal plane equivalent to the (100) plane and is not included in the ratio of the intensity of the (100) plane. Table 1 shows the degree of orientation in the (100) plane of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 2017069544
Figure 2017069544

表1に示すように、Pt電極上にTiが検出されない場合、90%以上の高い(100)面配向度が得られることが明らかとなった。特に圧電体薄膜の配向を制御する層の形成無しに高い(100)面配向度の圧電体薄膜の形成が可能となった。   As shown in Table 1, it was revealed that when Ti is not detected on the Pt electrode, a high (100) plane orientation degree of 90% or more can be obtained. In particular, it is possible to form a piezoelectric thin film having a high (100) plane orientation without forming a layer for controlling the orientation of the piezoelectric thin film.

[実施例3]
(配向制御層塗工液の製造)
金属組成がPb/Ti=1.2/1.0で表される配向制御層の塗工液を以下の通りに調製した。
酢酸鉛水和物1.2molを加熱で脱水し、これに安定化剤として1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン1.2molおよび1−メトキシ−2−プロパノール(9.0mol)を混合し加熱撹拌することで反応させる。その後、テトライソプロポキシチタン1.0molを加えて更に加熱し反応させ、金属化合物を互いに複合化させた。次に、水(5.0mol)、エタノール(5.0mol)を添加し、加水分解反応を行い、有機金属酸化物からなる配向制御層材料を得た。その際、酢酸(3.8mol)とアセチルアセトン(0.6mol)を加えた。その後、沸点100℃以下の溶媒をロータリーエバポレーターで取り除き、ジエチレングリコールモノエチルエーテル(有機溶剤)を添加して上記金属組成のチタン酸鉛に換算した濃度が1.0質量%になるように固形分濃度を調節し、配向制御層の塗工液を調製した。
[Example 3]
(Manufacture of orientation control layer coating solution)
A coating solution for the orientation control layer having a metal composition represented by Pb / Ti = 1.2 / 1.0 was prepared as follows.
1.2 mol of lead acetate hydrate was dehydrated by heating, and 1.2 mol of 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene and 1-methoxy-2-propanol (9. 0 mol) is mixed and reacted by heating and stirring. Thereafter, 1.0 mol of tetraisopropoxytitanium was added and the mixture was further heated and reacted to complex the metal compounds with each other. Next, water (5.0 mol) and ethanol (5.0 mol) were added and a hydrolysis reaction was performed to obtain an alignment control layer material made of an organometallic oxide. At that time, acetic acid (3.8 mol) and acetylacetone (0.6 mol) were added. Thereafter, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or less is removed with a rotary evaporator, and diethylene glycol monoethyl ether (organic solvent) is added, so that the concentration in terms of lead titanate having the above metal composition is 1.0% by mass. Was adjusted to prepare a coating solution for the orientation control layer.

上記のようにして調製した配向制御層の塗工液を、スピンコーター(2000rpm)により前記圧電体成膜用基板のPt面に15秒間で塗工した(塗工層の形成工程)。次に、130℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製 「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは130℃±1℃)を準備した。このホットプレート上に、塗工液を塗工した基板を1分間載せ、塗工液中の有機溶剤を蒸発させた(乾燥塗工層の形成工程)。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。   The orientation control layer coating solution prepared as described above was applied to the Pt surface of the piezoelectric film-forming substrate for 15 seconds by a spin coater (2000 rpm) (coating layer forming step). Next, a hot plate heated to 130 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by As One Co., Ltd., temperature unevenness on the panel surface was 130 ° C. ± 1 ° C.) was prepared. A substrate coated with the coating solution was placed on the hot plate for 1 minute to evaporate the organic solvent in the coating solution (dry coating layer forming step). At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate or the like was provided.

[実施例4〜11,比較例4〜9]
実施例3において、乾燥塗工層の形成工程を表2に示す乾燥温度、乾燥時間とする以外は同様の工程で圧電体成膜用基板を作製した。
[Examples 4 to 11, Comparative Examples 4 to 9]
In Example 3, a piezoelectric film-forming substrate was produced in the same process except that the formation process of the dry coating layer was set to the drying temperature and the drying time shown in Table 2.

実施例3〜11および比較例4〜9で作製した圧電体成膜用基板上を以下の通り評価した。圧電体成膜用基板を、図7のように9枚に分割し、それぞれの配向制御層表面のTi量比を、XPSを用いて測定した。ここでTi量比(原子%)は、Ti2p軌道に相当するピークから算出する元素量をPb4f軌道に相当するピークから算出する元素量とTi2p軌道に相当するピークから算出する元素量とO1s軌道に相当するピークから算出する元素量の和で除することで算出でき、XPSの三回測定平均の値である。その結果を表2に示す。   The piezoelectric film-forming substrates prepared in Examples 3 to 11 and Comparative Examples 4 to 9 were evaluated as follows. The piezoelectric film-forming substrate was divided into nine pieces as shown in FIG. 7, and the Ti amount ratio of each orientation control layer surface was measured using XPS. Here, the Ti amount ratio (atomic%) is the element amount calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbital, the element amount calculated from the peak corresponding to the Pb4f orbital, the element amount calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbital, and the O1s orbital. It can be calculated by dividing by the sum of the element amounts calculated from the corresponding peak, and is an XPS triplicate average value. The results are shown in Table 2.

次に、それぞれの配向制御層表面に前述のようにして調製したPZT塗工液を、実施例1、2、比較例1〜3と同様に塗工、乾燥し、それぞれの圧電体薄膜のX線回折(2θ/θ法)をX線回折装置(株式会社リガク製 RINT2100)で測定する事で(100)面の配向度を導出した(表2参照)。ここで、ホットプレート上の無風や遮蔽板などの環境は実施例1、2、比較例1〜3と同様である。原子%でのTi量比と前述の手法で導出したPZTの(100)面配向度(%)の関係を図10に示す。配向制御層表面のTi量比が14.88原子%で臨界的にPZTの(100)面配向度が変化しており、14.88原子%以下でPZTの(100)面配向度が高いことが判明した。   Next, the PZT coating solution prepared as described above on the surface of each orientation control layer was applied and dried in the same manner as in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, and the X of each piezoelectric thin film was dried. The degree of orientation of the (100) plane was derived by measuring the line diffraction (2θ / θ method) with an X-ray diffractometer (RINT2100 manufactured by Rigaku Corporation) (see Table 2). Here, the environment, such as no wind on the hot plate and the shielding plate, is the same as in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. FIG. 10 shows the relationship between the Ti amount ratio in atomic% and the (100) plane orientation degree (%) of PZT derived by the above-described method. When the Ti content ratio on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic%, the (100) plane orientation degree of PZT changes critically, and when it is 14.88 atomic% or less, the (100) plane orientation degree of PZT is high. There was found.

Figure 2017069544
Figure 2017069544

(配向制御層の形成時における加熱工程条件)
圧電体薄膜の(100)面配向度は、配向制御層を形成する際の加熱工程条件(乾燥温度と乾燥時間)によって変動し、熱負荷が少ない程(100)面の配向度は向上する(表2参照)。図10および表2から、好ましい配向制御層の乾燥温度T(℃)と乾燥時間t(分)は下記式(1)で定義することができる。
(Heating process conditions when forming the orientation control layer)
The degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film varies depending on the heating process conditions (drying temperature and drying time) when forming the orientation control layer, and the degree of orientation of the (100) plane improves as the thermal load decreases ( (See Table 2). From FIG. 10 and Table 2, the preferable drying temperature T (° C.) and drying time t (minute) of the orientation control layer can be defined by the following formula (1).

Figure 2017069544
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
Figure 2017069544
(However, 50 ≦ T ≦ 450, 0 <t <30)

式(1)は、配向度の実験データ点(T=200,280℃、t=1,5,10分)から、温度に関しては10℃刻み、時間に関しては1分刻みで等差数列と仮定して各温度・時間条件の配向度を算出する。図10に示す配向度の臨界点を85%とし、その境界条件(温度、時間)点を導出する。温度と時間の関係式を
T=A×t^(−B)+C
と選定し、上記で求めた境界条件点とこの関係式の最小二乗法フィッテイングによりA、B,Cの係数を算出して導出した。
Equation (1) is assumed to be an arithmetic sequence in increments of 10 ° C. for temperature and in increments of 1 minute for temperature from experimental data points of orientation degree (T = 200, 280 ° C., t = 1, 5, 10 minutes). The degree of orientation for each temperature and time condition is calculated. The critical point of the degree of orientation shown in FIG. 10 is set to 85%, and the boundary condition (temperature, time) point is derived. The relational expression of temperature and time is T = A × t ^ (− B) + C
Then, the coefficients of A, B, and C were calculated and derived by the least square method fitting of the boundary condition point obtained above and this relational expression.

ここで、圧電体薄膜の高(100)面配向度を示す実施例3〜11の配向制御層の乾燥温度と乾燥時間条件は式(1)を満たしている。比較例4〜8はいずれも式(1)を満たしていない。式(1)を満たすことで配向制御層表面のTi量比を14.88原子%以下にできることが確認された。   Here, the drying temperature and drying time conditions of the orientation control layers of Examples 3 to 11 showing the high (100) plane orientation degree of the piezoelectric thin film satisfy Expression (1). Comparative Examples 4 to 8 do not satisfy the formula (1). It was confirmed that the Ti content ratio on the surface of the orientation control layer can be reduced to 14.88 atomic% or less by satisfying the formula (1).

1 下地基板
2 中間層
3 電極層
4 配向制御層
21 液体吐出ヘッド用基板
21A 開口部
22 インク吐出口
23 圧力室
24 ノズルプレート
25 アクチュエーター
26 振動板
27 圧電体薄膜
28 下部電極
29 上部電極
30 圧電体素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate substrate 2 Intermediate layer 3 Electrode layer 4 Orientation control layer 21 Liquid discharge head substrate 21A Opening 22 Ink discharge port 23 Pressure chamber 24 Nozzle plate 25 Actuator 26 Vibration plate 27 Piezoelectric thin film 28 Lower electrode 29 Upper electrode 30 Piezoelectric body element

Claims (13)

少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層と
を有し、
該電極層の膜厚が、40nm以上1000nm以下であり、且つ該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されないことを特徴とする圧電体成膜用基板。
A base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
An intermediate layer including at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer, and an electrode layer including Pt on the intermediate layer;
A piezoelectric film-forming substrate, wherein the electrode layer has a thickness of 40 nm or more and 1000 nm or less, and Ti is not detected on the surface of the electrode layer by elemental quantitative analysis.
少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層と、
該電極層上の配向制御層と
を有し、
該配向制御層はPb、OおよびTiを含み、該配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下であることを特徴とする圧電体成膜用基板。
A base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
An intermediate layer including at least one of Ti and TiO 2 on the base substrate layer; an electrode layer including Pt on the intermediate layer;
An orientation control layer on the electrode layer,
The orientation control layer contains Pb, O, and Ti, and the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less. .
該配向制御層は、Pbを含有する有機物を含む請求項2記載の圧電体成膜用基板。   The piezoelectric film-forming substrate according to claim 2, wherein the orientation control layer contains an organic substance containing Pb. 該配向制御層は、Tiを含有する有機物を含む請求項3記載の圧電体成膜用基板。   The piezoelectric film-forming substrate according to claim 3, wherein the orientation control layer contains an organic material containing Ti. 前記中間層の膜厚が2nm以上50nm以下、前記電極層の膜厚が40nm以上1000nm以下である請求項1乃至4のいずれか1項記載の圧電体成膜用基板。   5. The piezoelectric film-forming substrate according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 2 nm to 50 nm, and the electrode layer has a thickness of 40 nm to 1000 nm. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電体成膜用基板の表面に圧電体を設けたことを特徴とする圧電体基板。   A piezoelectric substrate, comprising a piezoelectric body provided on a surface of the piezoelectric film-forming substrate according to claim 1. 該圧電体は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)であることを特徴とする請求項6記載の圧電体基板。   The piezoelectric substrate according to claim 6, wherein the piezoelectric body is PZT (lead zirconate titanate). 請求項6または7記載の圧電体基板を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。   A liquid discharge head comprising the piezoelectric substrate according to claim 6. 圧電体成膜用の基板の製造方法であって、
少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層上にTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層を形成する工程と、
該中間層上にPtを含む電極層を形成する工程と、
該電極の表面にPb、O、Tiを含む配向制御層を形成する工程と
を少なくとも含み、
該配向制御層を形成する工程時に前記圧電体用基板にかかる温度T(℃)と時間t(分)が下記式(1)を満たすことを特徴とする製造方法。
Figure 2017069544
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
A method for manufacturing a substrate for piezoelectric film formation,
Forming an intermediate layer containing at least one of Ti and TiO 2 on a base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface;
Forming an electrode layer containing Pt on the intermediate layer;
Forming an orientation control layer containing Pb, O, Ti on the surface of the electrode,
A manufacturing method characterized in that a temperature T (° C.) and a time t (minute) applied to the piezoelectric substrate during the step of forming the orientation control layer satisfy the following formula (1).
Figure 2017069544
(However, 50 ≦ T ≦ 450, 0 <t <30)
前記中間層の膜厚が2nm以上50nm以下、前記電極層の膜厚が40nm以上1000nm以下である請求項19記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 19, wherein the intermediate layer has a thickness of 2 nm to 50 nm, and the electrode layer has a thickness of 40 nm to 1000 nm. 前記配向制御層を形成する工程は、PbおよびTiを含む有機金属酸化物と有機溶剤とを含む塗工液を前記電極上に塗工して塗工層を形成する工程と、該塗工層を乾燥する工程を有し、該乾燥する工程の乾燥温度および乾燥時間が前記式(1)を満足する温度Tと時間tである請求項9または10記載の製造方法。   The step of forming the orientation control layer includes a step of coating a coating liquid containing an organic metal oxide containing Pb and Ti and an organic solvent on the electrode to form a coating layer, and the coating layer The manufacturing method according to claim 9 or 10, wherein a drying temperature and a drying time in the drying step are a temperature T and a time t satisfying the formula (1). 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電体成膜用基板の表面に圧電体前駆体と有機溶剤とを含む塗工液を塗工し、該塗工液を乾燥して塗工層を形成する工程と、該塗工層を乾燥して乾燥塗工層を形成する工程と、該乾燥塗工層を焼成して圧電体の薄膜を形成する工程とを有する圧電体基板の製造方法。   A coating liquid containing a piezoelectric precursor and an organic solvent is applied to the surface of the piezoelectric film-forming substrate according to claim 1, and the coating liquid is dried to be applied. Production of piezoelectric substrate having a step of forming a layer, a step of drying the coating layer to form a dry coating layer, and a step of firing the dry coating layer to form a piezoelectric thin film Method. 前記圧電体前駆体は、Pbを含む有機金属化合物、Zrを含む有機金属化合物およびTiを含む有機金属化合物から調製される熱分解性の複合有機金属酸化物である請求項12に記載の製造方法。   13. The manufacturing method according to claim 12, wherein the piezoelectric precursor is a thermally decomposable composite organometallic oxide prepared from an organometallic compound containing Pb, an organometallic compound containing Zr, and an organometallic compound containing Ti. .
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