JP2020053620A - Solution for forming ferroelectric thin film, ferroelectric thin film, piezoelectric element, liquid discharge head, liquid discharge unit, liquid discharge device, and piezoelectric device - Google Patents

Solution for forming ferroelectric thin film, ferroelectric thin film, piezoelectric element, liquid discharge head, liquid discharge unit, liquid discharge device, and piezoelectric device Download PDF

Info

Publication number
JP2020053620A
JP2020053620A JP2018183498A JP2018183498A JP2020053620A JP 2020053620 A JP2020053620 A JP 2020053620A JP 2018183498 A JP2018183498 A JP 2018183498A JP 2018183498 A JP2018183498 A JP 2018183498A JP 2020053620 A JP2020053620 A JP 2020053620A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
ferroelectric thin
liquid discharge
solution
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018183498A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7176329B2 (en
Inventor
拓磨 平林
Takuma HIRABAYASHI
拓磨 平林
三村 忠士
Tadashi Mimura
忠士 三村
上田 恵司
Keiji Ueda
恵司 上田
光 下福
Hikari Shimofuku
光 下福
尚弥 近藤
Naoya Kondo
尚弥 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2018183498A priority Critical patent/JP7176329B2/en
Publication of JP2020053620A publication Critical patent/JP2020053620A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7176329B2 publication Critical patent/JP7176329B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

To provide a solution for forming a ferroelectric thin film, which can obtain a ferroelectric thin film having good piezoelectric characteristics without variation.SOLUTION: A solution for forming a ferroelectric thin film includes lead, zirconium, and titanium, and in a case in which degreasing treatment and crystallization treatment are performed sequentially, when the mass of a processed material 1 after the degreasing treatment is mass A, and the mass of the processed material 2 after the crystallization treatment is mass B, the reduction rate defined by the following equation (1) is 5.0% or more and 6.5% or less. The reduction rate={(mass A-mass B)/mass A}×100(%) (1)SELECTED DRAWING: Figure 15

Description

本発明は、強誘電体薄膜形成用溶液、強誘電体薄膜、圧電素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体吐出装置および圧電装置に関する。   The present invention relates to a solution for forming a ferroelectric thin film, a ferroelectric thin film, a piezoelectric element, a liquid ejection head, a liquid ejection unit, a liquid ejection device, and a piezoelectric device.

インクを吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子で変形させることで圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させるインクジェット記録ヘッドには、バルク形状の圧電素子を、印加する電界方向に伸長収縮させ、振動板を前後に圧して変形させる方式と、薄膜形状の圧電素子を、印加する電界方向に対して垂直方向に伸長収縮させ、振動板をたわませて変形させる方式の2種類の圧電アクチェーターが既に知られている。   A part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging ink is constituted by a diaphragm, and the diaphragm is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in the pressure generating chamber to discharge ink from the nozzle opening. In the recording head, a bulk-shaped piezoelectric element is expanded and contracted in the direction of the applied electric field, and the diaphragm is deformed by pressing the diaphragm back and forth. Two types of piezoelectric actuators of a type that expands and contracts and deforms a diaphragm by bending it are already known.

前記した圧電アクチュエータとして用いられる圧電体材料として、ペロブスカイト型の強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)材料がよく知られている。このPZT材料は、他の材料と比較して極めて良好な圧電性並びに強誘電性を有すると共に、利用可能な温度範囲が広い特徴を有することから、圧電アクチュエータのみならず、強誘電性を生かした電子デバイスなどの幅広い分野に応用されている。   As a piezoelectric material used as the above-described piezoelectric actuator, a lead zirconate titanate (PZT) material which is a perovskite-type ferroelectric substance is well known. This PZT material has extremely good piezoelectricity and ferroelectricity as compared with other materials, and has a feature that the usable temperature range is wide, so not only the piezoelectric actuator but also the ferroelectricity was utilized. It is applied to a wide range of fields such as electronic devices.

前記したPZT材料を使用して、特に薄膜形状の圧電アクチュエータを製作する場合、下部電極を成膜したシリコンウェハ上に、各種成膜方法、例えばゾルゲル法、スパッタ法、CVD法などの多くの手法にて通常1〜3μmの厚さのPZT膜を成膜した後、さらに多数の公知技術が知られているSi-MEMSプロセス加工が、前記PZT膜に加えられることによって、圧電アクチュエータを製作する。そして、さらに他の構成部品と組み合わせることによって、インクジェットヘッド等の各種アプリケーションに利用されている。   Using the PZT material described above, particularly when manufacturing a piezoelectric actuator in the form of a thin film, various methods such as a sol-gel method, a sputtering method, and a CVD method are formed on a silicon wafer on which a lower electrode is formed. After a PZT film having a thickness of 1 to 3 μm is formed, a piezoelectric actuator is manufactured by applying a Si-MEMS process, for which a number of known techniques are known, to the PZT film. Then, by being combined with other components, it is used for various applications such as an ink jet head.

前記成膜方法のうち、中でもゾルゲル法はPZTの前駆体溶液となる金属のアルコキシド溶液を混合した前駆体溶液を、スピンコートやディップコートによってシリコンウェハ上に塗布し、乾燥、脱脂、結晶化といった加熱プロセスを経てPZT膜を成膜する方法である(例えば特許文献1参照)。この方法では金属アルコキシドを原子レベルで分散させることができるため、組成不均一が発生しにくいことや1000℃以下の低温焼結が可能となるというメリットがある。一方で、乾燥、脱脂、結晶化といった加熱プロセス中では、溶媒の除去、残留有機物の除去、結晶化、鉛抜けといった様々な現象が発生し、液、加熱温度、雰囲気などの様々な要因がPZT膜の結晶性、配向性、電気特性などへ密接に関係している。脱脂までの工程が不十分な状態で結晶化を行うと、結晶化工程中に有機成分の脱離が発生し、空孔やクラックの発生へと繋がる。また結晶化温度によっても影響を受け、低い結晶化温度では圧電性を示さないパイロクロア相の発現が確認されている。またそれ以上の結晶化温度においても、温度によって正方晶比(c/a)が変化するなど結晶性への影響が報告されている。   Among the film forming methods, among them, the sol-gel method is to apply a precursor solution obtained by mixing a metal alkoxide solution to be a PZT precursor solution on a silicon wafer by spin coating or dip coating, and then dry, degrease, and crystallize. This is a method of forming a PZT film through a heating process (see, for example, Patent Document 1). In this method, since the metal alkoxide can be dispersed at the atomic level, there are advantages in that non-uniform composition hardly occurs and sintering at a low temperature of 1000 ° C. or less is possible. On the other hand, during the heating process such as drying, degreasing, and crystallization, various phenomena such as solvent removal, residual organic matter removal, crystallization, and lead loss occur, and various factors such as liquid, heating temperature, and atmosphere cause PZT. It is closely related to the crystallinity, orientation, electrical characteristics, etc. of the film. If crystallization is performed in a state where the steps up to degreasing are insufficient, elimination of organic components occurs during the crystallization step, which leads to generation of pores and cracks. It is also affected by the crystallization temperature, and the occurrence of a pyrochlore phase that does not exhibit piezoelectricity at a low crystallization temperature has been confirmed. At higher crystallization temperatures, effects on crystallinity such as a change in the tetragonal ratio (c / a) depending on the temperature have been reported.

また加熱プロセス中の鉛抜けは、成膜後のPZT膜の組成ずれの原因となる。一般的にPZTはMPB組成(Morphotropic Phase Boundary)と呼ばれるPbZr0.53Ti0.47O3で示される組成比でもっとも高い圧電特性を示すことが知られている。しかし鉛は蒸気圧が高く、加熱プロセス中で揮発していくため(鉛抜けと呼ばれる)、最終的に生成した膜で組成ずれを発生しやすい。そのため一般的には組成中にMPB組成以上のPbを含有させることで、組成ずれを防いでいる。 In addition, lead loss during the heating process causes a composition deviation of the PZT film after film formation. In general, it is known that PZT exhibits the highest piezoelectric characteristics at a composition ratio represented by PbZr 0.53 Ti 0.47 O 3 called MPB composition (Morphotropic Phase Boundary). However, lead has a high vapor pressure and volatilizes during the heating process (called lead loss), so that a composition deviation tends to occur in the finally formed film. Therefore, in general, the composition deviation is prevented by including Pb in the composition more than the MPB composition.

一般的にPZT膜の管理方法としては、X線回折、元素分析、電気特性などを指標とする方法が知られている。
例えば特許文献2には、好ましいアクチュエータ性能を出現するPZT膜結晶のX線回折強度プロファイルが開示されている。特許文献2は本出願人によって開示されたものであり、少なくとも第一電極、圧電体、第二電極が順次積層され、駆動信号に応じた電圧を該第一電極と該第二電極との間に印加して該圧電体を変形させる電気機械変換素子において、前記圧電体は、(100)面及び/又は(001)面に優先配向されたペロブスカイト型構造を有する複合酸化物で構成され、X線回折のθ−2θ法による測定で得られた回折強度のピークのうち(200)面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置(2θ)で測定される(200)面及び/又は(002)面に対応するロッキングカーブ中に回折強度の落ち込み部分を有することを特徴とする電気機械変換素子を開示している。このような素子は、圧電体における圧電効果による変形(歪変位)を大きくして、駆動対象である変位板をより大きく変位させることが可能となることが確認されている。
また特許文献3には、前記した結晶性状のPZT膜結晶を成膜・製作するための下部電極構成・構造が開示されている。
In general, as a method for managing a PZT film, a method using X-ray diffraction, elemental analysis, electric characteristics, and the like as indexes is known.
For example, Patent Document 2 discloses an X-ray diffraction intensity profile of a PZT film crystal exhibiting preferable actuator performance. Patent Document 2 is disclosed by the present applicant. At least a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode are sequentially laminated, and a voltage corresponding to a drive signal is applied between the first electrode and the second electrode. In the electromechanical conversion element that deforms the piezoelectric body by applying a pressure to the piezoelectric element, the piezoelectric body is made of a composite oxide having a perovskite structure preferentially oriented in the (100) plane and / or the (001) plane; The (200) plane measured at the position (2θ) where the diffraction intensity is the maximum in the peak of the diffraction intensity corresponding to the (200) plane among the peaks of the diffraction intensity obtained by the measurement by the θ-2θ method of the line diffraction. And / or an electromechanical transducer characterized in that a rocking curve corresponding to the (002) plane has a portion where the diffraction intensity falls. It has been confirmed that such an element can increase the deformation (strain displacement) of the piezoelectric body due to the piezoelectric effect, and can displace the displacement plate to be driven more largely.
Patent Document 3 discloses a lower electrode configuration / structure for forming and manufacturing the above-mentioned crystalline PZT film crystal.

しかし、上述のX線回折や電気特性評価といったPZT膜特性の確認方法では、PZT膜の性能をダイレクトに評価できる一方で、評価するまでに成膜や電極の形成等を繰り返し行うため、非常に数多くの工程が必要となるという問題点がある。一方で不良が発生した場合は、加熱プロセス中の温度、雰囲気、時間といった様々な要因を調べる必要があり、たとえ前駆体溶液に原因があったとしても、その原因に到達するまでには過度の試行錯誤を必要としていた。   However, in the method for confirming the characteristics of the PZT film such as the X-ray diffraction and the electrical characteristics evaluation described above, while the performance of the PZT film can be directly evaluated, the film formation and the formation of the electrodes are repeatedly performed until the evaluation is performed. There is a problem that many steps are required. On the other hand, if a defect occurs, it is necessary to investigate various factors such as temperature, atmosphere, and time during the heating process, and even if there is a cause in the precursor solution, excessive It needed trial and error.

一方、前記特許文献2に開示された結晶性状を有するPZT膜を得るために、成膜手法としてゾルゲル法を採用し、各成膜プロセスの条件を設定し、所望の結晶性状・膜品質を有するPZT膜が得られたことを確認した上で、その条件でさらに繰り返し成膜操作を行なうと、得られるPZT膜の圧電特性が変動するという問題点が見出された。本発明者らは、この品質ばらつきの問題について詳細に調査を進めたところ、加熱プロセス中の雰囲気、温度、前駆体溶液中の組成に相違がないことが確認された。一方で、成膜されたPZT膜において良好な圧電特性を示すものと、そうでないものに関して二次イオン質量分析法(SIMS)や示差‐熱重量分析法(Tg-DTA)による分析をおこなったところ、PZT膜中に含まれるPb量に差異があることが分かった。これらの結果よりPZT膜中に残存するPb量の変動が圧電特性のばらつきの原因であることが判明した。   On the other hand, in order to obtain a PZT film having a crystalline property disclosed in Patent Document 2, a sol-gel method is adopted as a film forming technique, conditions of each film forming process are set, and a desired crystal property and film quality are obtained. After confirming that the PZT film was obtained, it was found that if the film formation operation was further repeated under the conditions, the piezoelectric characteristics of the obtained PZT film fluctuated. The present inventors conducted detailed investigations on the problem of the quality variation, and as a result, it was confirmed that there was no difference in the atmosphere, temperature, and composition in the precursor solution during the heating process. On the other hand, when PZT films with good piezoelectric properties and those without them were analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) or differential thermogravimetric analysis (Tg-DTA) It was found that there was a difference in the amount of Pb contained in the PZT film. From these results, it was found that the variation in the amount of Pb remaining in the PZT film was the cause of the variation in the piezoelectric characteristics.

しかし、成膜プロセスおよびSIMSによる分析を繰り返し行うというPZT膜の管理方法は、コスト、時間、分析の高度性等の観点から、現実的に不可能である。   However, a PZT film management method of repeatedly performing the film formation process and the analysis by SIMS is practically impossible from the viewpoints of cost, time, and advanced analysis.

したがって本発明の目的は、良好な圧電特性を有する強誘電体薄膜をばらつきなく得ることのできる、強誘電体薄膜形成用溶液を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solution for forming a ferroelectric thin film, which can obtain a ferroelectric thin film having good piezoelectric characteristics without variation.

上記課題は、下記構成1)により解決される。
1)強誘電体薄膜を形成するための強誘電体薄膜形成用溶液であって、
前記強誘電体薄膜形成用溶液は、鉛とジルコニウムとチタンとを含み、
前記強誘電体薄膜形成用溶液を加熱して脱脂処理および結晶化処理を順次行った際、
前記脱脂処理した後の処理物1の質量を質量Aとし、前記結晶化処理した後の処理物2の質量を質量Bとしたときに、下記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下である、
ことを特徴とする強誘電体薄膜形成用溶液。
減少率 = {(質量A−質量B)/質量A} × 100(%) 式(1)
The above problem is solved by the following configuration 1).
1) A solution for forming a ferroelectric thin film for forming a ferroelectric thin film,
The ferroelectric thin film forming solution contains lead, zirconium and titanium,
When heating the solution for forming a ferroelectric thin film and sequentially performing a degreasing process and a crystallization process,
When the mass of the treated material 1 after the degreasing treatment is represented by mass A and the mass of the treated material 2 after the crystallization treatment is represented by mass B, the reduction rate defined by the following formula (1) is 5 0.0% or more and 6.5% or less,
A solution for forming a ferroelectric thin film, comprising:
Reduction rate = {(mass A−mass B) / mass A} × 100 (%) Formula (1)

本発明によれば、良好な圧電特性を有する強誘電体薄膜をばらつきなく得ることのできる、強誘電体薄膜形成用溶液が提供される。   According to the present invention, there is provided a solution for forming a ferroelectric thin film, which can obtain a ferroelectric thin film having good piezoelectric characteristics without variation.

本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を模式的に示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view schematically illustrating an example of the liquid ejection head according to the invention. 本発明に係る圧電素子の一例の断面模式図である。It is a cross section of an example of a piezoelectric element concerning the present invention. 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例の断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of a liquid ejection head according to the present invention. 本発明に係る液体を吐出する装置の一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view illustrating an example of an apparatus for discharging a liquid according to the present invention. 本発明に係る液体を吐出する装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the apparatus which discharges the liquid which concerns on this invention. 本発明に係る液体吐出ユニットの一例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a liquid ejection unit according to the present invention. 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic view illustrating another example of the liquid ejection unit according to the present invention. 本発明の強誘電体薄膜形成用溶液(前駆体溶液)の調製手順を説明するためのフロー図である。FIG. 3 is a flowchart for explaining a procedure for preparing a solution (precursor solution) for forming a ferroelectric thin film of the present invention. 実施例で用いた液体吐出ヘッドを説明するための概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a liquid ejection head used in an example. 実施例におけるPZT膜中のPbの量をSIMSで分析した結果である。It is the result of analyzing the amount of Pb in the PZT film in the example by SIMS. 実施例におけるPZT膜中のZrの量をSIMSで分析した結果である。5 is a result of analyzing the amount of Zr in the PZT film in Example by SIMS. 実施例におけるPZT膜中のTiの量をSIMSで分析した結果である。4 is a result of analyzing the amount of Ti in the PZT film in the example by SIMS. 実施例における前駆体溶液のTg-DTA分析の結果を示す図である。FIG. 3 is a view showing the result of Tg-DTA analysis of a precursor solution in an example. 実施例における前駆体溶液を異なる温度で処理した場合のFT−IR分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of FT-IR analysis when the precursor solution in an Example is processed at different temperature. 実施例の良品および不良品における、前駆体溶液の減少率と振動板の変位との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the reduction rate of the precursor solution and the displacement of the diaphragm in non-defective products and non-defective products of Examples.

以下、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態では、強誘電体薄膜としてPZT膜を用いた場合について説明する。
まず、下記の説明で示される一連の化学反応式を記載する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In the following embodiments, a case where a PZT film is used as a ferroelectric thin film will be described.
First, a series of chemical reaction formulas shown in the following description will be described.

(1) 酢酸鉛の脱水
Pb(OOCCH3)2・3H2O → Pb(OOCCH3)2 + 3H2O↑
(酢酸鉛三水和物) (酢酸鉛) ((脱離)結晶水)

(2)酢酸鉛酢酸基と2-メトキシエタノール(のアルコール基)との置換反応
Pb(OOCCH3)2 + 2CH3O-CH2CH2OH
(2-メトキシエタノール)
→ CH3-COO-Pb-OCH2CH2OCH3 + CH3CO-OCH2CH2-OCH3 + H2O
(酢酸鉛-2-メトキシエチル) (酢酸-2-メトキシエチル)

(3)ジルコニウムプロポキシドと2-メトキシエタノールとのアルコール交換反応
Zr[O-(CH2)2CH3]4 + 4CH3O-CH2CH2OH
(ジルコニウム n-プロポキシド)
→ Zr [-OCH2CH2OCH3]4 + 4CH3(CH2)2OH
(ジルコニウム2-メトキシエトキシド) (n-プロパノール)

(4)チタニウム i-プロポキシドと2-メトキシエタノールとのアルコール交換反応
Ti[O-(CH2)2CH3]4 + 4CH3O-CH2CH2OH
(チタニウム i-プロポキシド)
→ Zr [-OCH2CH2OCH3]4 + 4(CH3)2CHOH
(チタニウム2-メトキシエトキシド) (i-プロパノール)

(5)酢酸n-プロピルを形成するエステル反応
CH3COOH + CH3(CH2)2OH → CH3COO(CH2)2CH3 + H2O
(酢酸n-プロピル)

(6)酢酸i-プロピルを形成するエステル反応
CH3COOH + CH3(CH2)2OH → CH3COOCH(CH3)2 + H2O
(酢酸i-プロピル)
(1) Dehydration of lead acetate
Pb (OOCCH 3 ) 2・ 3H 2 O → Pb (OOCCH 3 ) 2 + 3H 2 O ↑
(Lead acetate trihydrate) (lead acetate) ((desorption) water of crystallization)

(2) Substitution reaction between lead acetate acetate group and (alcohol group of) 2-methoxyethanol
Pb (OOCCH 3 ) 2 + 2CH 3 O-CH 2 CH 2 OH
(2-methoxyethanol)
→ CH 3 -COO-Pb-OCH 2 CH 2 OCH 3 + CH 3 CO-OCH 2 CH 2 -OCH 3 + H 2 O
(Lead-2-methoxyethyl acetate) (2-methoxyethyl acetate)

(3) Alcohol exchange reaction between zirconium propoxide and 2-methoxyethanol
Zr [O- (CH 2 ) 2 CH 3 ] 4 + 4CH 3 O-CH 2 CH 2 OH
(Zirconium n-propoxide)
→ Zr [-OCH 2 CH 2 OCH 3 ] 4 + 4CH 3 (CH 2 ) 2 OH
(Zirconium 2-methoxyethoxide) (n-propanol)

(4) Alcohol exchange reaction between titanium i-propoxide and 2-methoxyethanol
Ti [O- (CH 2 ) 2 CH 3 ] 4 + 4CH 3 O-CH 2 CH 2 OH
(Titanium i-propoxide)
→ Zr [-OCH 2 CH 2 OCH 3 ] 4 + 4 (CH 3 ) 2 CHOH
(Titanium 2-methoxyethoxide) (i-propanol)

(5) ester reaction to form n-propyl acetate
CH 3 COOH + CH 3 (CH 2 ) 2 OH → CH 3 COO (CH 2 ) 2 CH 3 + H 2 O
(N-propyl acetate)

(6) Ester reaction to form i-propyl acetate
CH 3 COOH + CH 3 (CH 2 ) 2 OH → CH 3 COOCH (CH 3 ) 2 + H 2 O
(I-propyl acetate)

従来のゾルゲル法にてPZT膜を得るのに用いる強誘電体薄膜形成用溶液(以下、前駆体溶液と呼ぶことがある)を得るのに公知な手法は、出発材料として酢酸鉛三水和物、ジルコニウムプロポキシド、チタニウムイソプロポキシド、共通溶媒として2-メトキシエタノールを採用する手法である(例えば非特許文献1:M.Sayer, G Yi, M Sedlar “Comparative Sol-Gel Processing of PZT Thin Films”, Integrated Ferroelectrics, 7, 1995, pp.247-258参照)。
前記手法では初めに、酢酸鉛三水和物の結晶粉末を狙いの化学量論比に合わせて秤量、共通溶媒の2-メトキシエタノールに溶解させた上、さらに加熱して結晶水を脱離させた(脱水工程)後、狙いの化学量論比に合わせて秤量したジルコニウムプロポキシド、チタニウムイソプロポキシドを加えてさらに所定時間加熱して得た溶液を、室温まで冷却した後に計量し、所望の濃度になるように共通溶媒を追加すると共に、所定の安定剤を加えることによって所望のPZT組成の前駆体溶液を得る。
A known method for obtaining a ferroelectric thin film forming solution (hereinafter sometimes referred to as a precursor solution) used for obtaining a PZT film by a conventional sol-gel method is to use lead acetate trihydrate as a starting material. , Zirconium propoxide, titanium isopropoxide, and 2-methoxyethanol as a common solvent (for example, Non-Patent Document 1: M. Sayer, G Yi, M Sedlar “Comparative Sol-Gel Processing of PZT Thin Films”) , Integrated Ferroelectrics, 7, 1995, pp. 247-258).
In the above method, first, the crystalline powder of lead acetate trihydrate was weighed in accordance with the target stoichiometric ratio, dissolved in 2-methoxyethanol as a common solvent, and further heated to desorb water of crystallization. After (dehydration step), a solution obtained by adding zirconium propoxide and titanium isopropoxide weighed in accordance with a target stoichiometric ratio and further heating for a predetermined time is cooled to room temperature, weighed, and weighed. A common solvent is added so as to have a concentration, and a predetermined stabilizer is added to obtain a precursor solution having a desired PZT composition.

前記した前駆体溶液の合成プロセスにおいて、前半の脱水工程では、酢酸鉛三水和物の結晶水を脱離させて共通溶媒とともに反応系外に取り出す(化学反応式(1))「脱水」とともに、化学反応式(2)に示す、鉛元素と結合した2つの酢酸基の一つが溶媒の2-メトキシエタノールのアルコール基と入れ替わると同時に、鉛元素から離れた酢酸基が2-メトキシエタノールとエステル反応を生じている(非特許文献2:Sangeeta D. Ramamurithi and David A.Payne “Structural Investigations of Prehydrolyzed Precursors Used in the Sol-Gel Processing of Lead Titanate”, J.Am.Ceram.Soc., 73(8), 1990, pp.2547-51参照)。   In the precursor solution synthesis process described above, in the first half dehydration step, water of crystallization of lead acetate trihydrate is desorbed and taken out of the reaction system together with the common solvent (chemical reaction formula (1)) together with "dehydration" As shown in chemical reaction formula (2), one of the two acetic acid groups bonded to the lead element is replaced with the alcohol group of 2-methoxyethanol as the solvent, and at the same time, the acetic acid group separated from the lead element is 2-methoxyethanol and ester. (Non-Patent Document 2: Sangeeta D. Ramamurithi and David A. Payne “Structural Investigations of Prehydrolyzed Precursors Used in the Sol-Gel Processing of Lead Titanate”, J. Am. Ceram. Soc., 73 (8 ), 1990, pp. 2547-51).

また、ジルコニウムプロポキシド、チタニウムイソプロポキシドを加えた前駆体溶液合成反応の後半では、もともとジルコニウム並びにチタンと結合していた(低級)アルコール基が、(より沸点が高い)溶媒の2-メトキシエタノールのアルコール基と入れ替わり(いわゆる「アルコール交換反応」)、それらジルコニウム並びにチタンから離れた低級アルコールを共通溶媒とともに反応系外に取り出すとともに、ジルコニウム並びにチタンから離れた低級アルコールと鉛元素から離れた酢酸基との間でエステル反応が生じている(化学反応式(3)〜(6))。   In the latter half of the precursor solution synthesis reaction to which zirconium propoxide and titanium isopropoxide were added, the (lower) alcohol group originally bonded to zirconium and titanium was replaced with 2-methoxyethanol (higher boiling point) solvent. (The so-called “alcohol exchange reaction”), taking out the lower alcohols away from zirconium and titanium together with the common solvent to the outside of the reaction system, and lower alcohols away from zirconium and titanium and the acetic acid groups away from lead element. And an ester reaction occurs (chemical reaction formulas (3) to (6)).

上述のように、成膜されたPZT膜において良好な圧電特性を示すものと、そうでないものに関して二次イオン質量分析法(SIMS)や示差‐熱重量分析法(Tg-DTA)による分析をおこなったところ、PZT膜中に含まれるPb量に差異があることが分かった。さらに本発明者らは検討を行った結果、結晶化処理の際の加熱によって液中の分子の結合状態や配位状態が変動し、鉛の抜け易さに差異が生じ、結果的にPZT膜中の組成比が変動していたと推測された。したがって、本発明者らは、前記前駆体溶液の合成プロセスについて、多数の前駆体溶液の合成バッチに対して詳細な解析(NMR測定)を行った結果、前記化学反応式(1)〜(6)に示した反応の進捗度合い、特に化学反応式(2)に示す、鉛元素と結合した2つの酢酸基の一つが溶媒の2-メトキシエタノールのアルコール基と入れ替わる反応の進捗度合いが合成バッチ間で比較的大きく変動していることが明らかになった。そして、化学反応式(2)の進捗度合いが低いと認められる前駆体溶液中には、酢酸鉛の形態で残留する鉛元素の比率が比較的高いこと、残留酢酸鉛の多い前駆体溶液を熱分析に掛けると、分析中の重量減少比が小さいこと、さらにこのような前駆体溶液を使用して成膜したPZT膜中には、鉛元素が過剰に残留し、その結晶性状・膜特性は所望の品質よりも劣ることが確認された。
以上から、前駆体溶液を加熱して脱脂処理および結晶化処理を順次行った際、結晶化処理前後の処理物の質量の減少率を測定することで、前駆体溶液としての鉛の抜けやすさを規定することができ、結果として、本発明によれば、良好な圧電特性を有する強誘電体薄膜をばらつきなく得ることができる。
As described above, PZT films with good piezoelectric properties and those with poor piezoelectric properties were analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and differential thermogravimetric analysis (Tg-DTA). As a result, it was found that there was a difference in the amount of Pb contained in the PZT film. The present inventors further studied and found that the heating during the crystallization treatment changed the bonding state and coordination state of the molecules in the liquid, resulting in a difference in the ease with which lead could escape, and as a result, the PZT film It was presumed that the composition ratio in the composition had fluctuated. Therefore, the present inventors performed detailed analysis (NMR measurement) on a large number of precursor solution synthesis batches in the precursor solution synthesis process, and as a result, the chemical reaction formulas (1) to (6). ), Especially the reaction progress in which one of the two acetic acid groups bonded to the lead element is replaced with the alcohol group of 2-methoxyethanol as the solvent shown in chemical reaction formula (2). It was found that the fluctuations were relatively large. In addition, the precursor solution in which the degree of progress of the chemical reaction formula (2) is recognized to be low is relatively high in the ratio of the lead element remaining in the form of lead acetate. According to the analysis, the weight loss ratio during the analysis was small, and further, in the PZT film formed using such a precursor solution, an excessive amount of lead element remained, and its crystallinity and film characteristics were It was confirmed that it was inferior to the desired quality.
From the above, when the precursor solution was heated and the degreasing process and the crystallization process were sequentially performed, by measuring the rate of decrease in the mass of the processed product before and after the crystallization process, the ease with which lead as a precursor solution escaped was measured. As a result, according to the present invention, a ferroelectric thin film having good piezoelectric characteristics can be obtained without variation.

前記知見から、本発明の強誘電体薄膜形成用溶液(前駆体溶液)は、鉛とジルコニウムとチタンとを含み、前記前駆体溶液を加熱して脱脂処理および結晶化処理を順次行った際、前記脱脂処理した後の処理物1の質量を質量Aとし、前記結晶化処理した後の処理物2の質量を質量Bとしたときに、下記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下であることを特徴とする。
減少率 = {(質量A−質量B)/質量A} × 100(%) 式(1)
From the above knowledge, the solution for forming a ferroelectric thin film of the present invention (precursor solution) contains lead, zirconium and titanium, and when the precursor solution is heated to sequentially perform a degreasing treatment and a crystallization treatment, When the mass of the treated material 1 after the degreasing treatment is represented by mass A and the mass of the treated material 2 after the crystallization treatment is represented by mass B, the reduction rate defined by the following formula (1) is 5 0.0% or more and 6.5% or less.
Reduction rate = {(mass A−mass B) / mass A} × 100 (%) Formula (1)

典型的には、前記脱脂処理を300℃で行い、前記前駆体溶液の質量減少の変動率が30分間にわたり0.05%以下となる時点で前記脱脂処理を終了させ、その状態から昇温速度10℃/分で700℃まで昇温させ結晶化処理を行い、得られた前駆体溶液の前記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下であることが好ましい。
つまり、前駆体溶液の質量減少の変動率が一定の値に落ち着くまで300℃で脱脂処理を行い、脱脂処理の終了と同時に結晶化処理のために速度10℃/分で昇温を行う。そして、前駆体溶液が700℃まで達した時点(この時点では、前駆体溶液は粉末状になっている)で結晶化処理を終了する。
Typically, the degreasing treatment is performed at 300 ° C., and the degreasing treatment is terminated when the variation rate of the mass reduction of the precursor solution becomes 0.05% or less over 30 minutes, and the temperature rising rate is changed from the state. The temperature is raised to 700 ° C. at a rate of 10 ° C./min to perform a crystallization treatment, and the reduction rate of the obtained precursor solution defined by the formula (1) is 5.0% or more and 6.5% or less. Is preferred.
That is, the degreasing treatment is performed at 300 ° C. until the fluctuation rate of the mass decrease of the precursor solution reaches a constant value, and the temperature is increased at a rate of 10 ° C./min for the crystallization treatment simultaneously with the completion of the degreasing treatment. Then, when the precursor solution reaches 700 ° C. (at this point, the precursor solution is in the form of a powder), the crystallization process ends.

さらに本発明者らの検討によれば、良好な圧電特性を有する強誘電体薄膜をばらつきなく得ることのできる前駆体溶液とするためには、過剰に加えた鉛量と前記減少率との関係を特定するのが有効であることを見い出した。具体的には、下記式(2)を満たすことが好ましい。
{17.86/(207.2×α+323.5)}×100≦減少率(%)≦{22.32/(207.2×α+323.5)}×100 式(2)
式(2)中、αは強誘電体薄膜の目的とする鉛量に対して過剰に加えた鉛量(mol%)である。
Further, according to the study of the present inventors, in order to obtain a ferroelectric thin film having good piezoelectric properties as a precursor solution that can be obtained without variation, the relationship between the amount of lead added excessively and the reduction rate is considered. Has been found to be effective. Specifically, it is preferable to satisfy the following expression (2).
{17.86 / (207.2 × α + 323.5)} × 100 ≦ reduction rate (%) ≦ {22.32 / (207.2 × α + 323.5)} × 100 Equation (2)
In the formula (2), α is the amount of lead (mol%) added excessively to the desired amount of lead in the ferroelectric thin film.

図8は、本発明の強誘電体薄膜形成用溶液(前駆体溶液)の調製手順を説明するためのフロー図である。
まず、前記のように、酢酸鉛三水和物の結晶粉末を狙いの化学量論比に合わせて秤量し、共通溶媒の2-メトキシエタノールを加え、酢酸鉛三水和物を溶解させる(S1)。
FIG. 8 is a flow chart for explaining a procedure for preparing a solution (precursor solution) for forming a ferroelectric thin film of the present invention.
First, as described above, the crystal powder of lead acetate trihydrate is weighed in accordance with a target stoichiometric ratio, and 2-methoxyethanol as a common solvent is added to dissolve lead acetate trihydrate (S1). ).

なお、前駆体溶液は前記MPB組成以上のPbを含有させることで、組成ずれを防いでいる。例えば、Pbは、狙いの化学量論比に対し、例えば5〜25mol%、好ましくは10〜11mol%過剰に前駆体溶液に加えている。   The precursor solution contains Pb having a composition equal to or higher than the MPB composition to prevent composition deviation. For example, Pb is added to the precursor solution in excess of, for example, 5 to 25 mol%, preferably 10 to 11 mol%, relative to a target stoichiometric ratio.

次いで、得られた溶液に対し、反応雰囲気、溶液温度(例えば125℃〜135℃)および反応時間(例えば8時間〜24時間)を制御しながら、加熱し、結晶水を脱離させ、酢酸鉛三水和物を脱水すると同時に、酢酸鉛酢酸基と2-メトキシエタノール(のアルコール基)との置換反応を行う(S2)。このとき、溶液を還流させ、留出物(溶媒、結晶水、エステル)を回収する。   Next, the obtained solution is heated while controlling the reaction atmosphere, the solution temperature (for example, 125 ° C. to 135 ° C.) and the reaction time (for example, 8 hours to 24 hours) to remove water of crystallization, and lead acetate is added. At the same time as dehydration of the trihydrate, a substitution reaction between a lead acetate acetate group and (alcohol group of) 2-methoxyethanol is performed (S2). At this time, the solution is refluxed, and a distillate (solvent, water of crystallization, ester) is recovered.

次に、狙いの化学量論比に合わせてジルコニウムプロポキシドおよびチタニウムイソプロポキシドを秤量し、前記溶液に投入する(S3)。   Next, zirconium propoxide and titanium isopropoxide are weighed in accordance with a target stoichiometric ratio, and are added to the solution (S3).

続いて、反応雰囲気、溶液温度(例えば125℃〜132℃)および反応時間(例えば6時間〜16時間)を制御しながら、加熱し、ジルコニウムプロポキシドと2-メトキシエタノールとのアルコール交換反応およびチタニウム i-プロポキシドと2-メトキシエタノールとのアルコール交換反応を行う(S4)。このとき、溶液を還流させ、留出物(溶媒、結晶水、エステル)を回収する。   Subsequently, the mixture is heated while controlling the reaction atmosphere, the solution temperature (for example, 125 ° C. to 132 ° C.) and the reaction time (for example, 6 hours to 16 hours), and the alcohol exchange reaction between zirconium propoxide and 2-methoxyethanol and titanium An alcohol exchange reaction between i-propoxide and 2-methoxyethanol is performed (S4). At this time, the solution is refluxed, and a distillate (solvent, water of crystallization, ester) is recovered.

次に、2-メトキシエタノールと安定剤として酢酸を投入し、所望のPZT組成の前駆体溶液を得る(S5)。得られた前駆体溶液は、必要に応じてフィルタリング、封入を行う。   Next, 2-methoxyethanol and acetic acid are added as a stabilizer to obtain a precursor solution having a desired PZT composition (S5). The obtained precursor solution is subjected to filtering and sealing as necessary.

続いて、前駆体溶液は、例えば下記で説明する配向性制御層のような下地上に塗布し、脱脂処理および結晶化処理を行う。該塗布は1回であることもできるが、塗布、脱脂処理および結晶化処理を複数回繰り返してもよい。
脱脂処理条件としては、加熱温度は例えば80〜160℃、好ましくは110〜130℃、脱脂時間は例えば1分〜10分、好ましくは2分〜4分である。
結晶化処理条件としては、加熱温度は例えば650〜750℃、好ましくは680〜710℃、結晶化時間は例えば1分〜10分、好ましくは2分〜4分である。
Subsequently, the precursor solution is applied on an underlayer such as an orientation control layer described below, and then subjected to a degreasing treatment and a crystallization treatment. The coating may be performed once, but the coating, the degreasing treatment and the crystallization treatment may be repeated plural times.
As the degreasing treatment conditions, the heating temperature is, for example, 80 to 160 ° C, preferably 110 to 130 ° C, and the degreasing time is, for example, 1 minute to 10 minutes, preferably 2 minutes to 4 minutes.
As the crystallization conditions, the heating temperature is, for example, 650 to 750 ° C, preferably 680 to 710 ° C, and the crystallization time is, for example, 1 minute to 10 minutes, preferably 2 minutes to 4 minutes.

続いて、前記式(1)に基づき、結晶化処理前後の前駆体溶液の質量から減少率を算出する。式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下であれば、前記MPB組成またはそれに近いPZT膜をばらつきなく得ることができる。   Subsequently, the reduction rate is calculated from the mass of the precursor solution before and after the crystallization treatment based on the above formula (1). If the reduction rate defined by the equation (1) is 5.0% or more and 6.5% or less, the above-mentioned MPB composition or a PZT film close to the MPB composition can be obtained without variation.

PZT膜は、PbZrXTi(1-X)O3(0.40<x≦0.60)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体薄膜が好ましく、PbZr0.53Ti0.47O3で示されるMPB組成を有するものが最適である。 The PZT film is preferably a ferroelectric thin film of a perovskite crystal represented by PbZr X Ti (1-X) O 3 (0.40 <x ≦ 0.60), and has an MPB composition represented by PbZr 0.53 Ti 0.47 O 3 Is optimal.

次に、本発明の強誘電体薄膜、圧電素子、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体吐出装置および圧電装置について説明する。
本発明の強誘電体薄膜は、強誘電体薄膜形成用溶液を用いて形成される。
本発明の圧電素子は、本発明の強誘電体薄膜の上面と下面に夫々電極を設けてなる。
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル孔に連通する加圧液室を有する流路形成基板と、前記加圧液室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、前記振動板上に、本発明の圧電素子と、を備える。
本発明の液体吐出ユニットは、本発明の液体吐出ヘッドを備える。
本発明の液体吐出装置は、本発明の液体吐出ヘッドまたは液体吐出ユニットを備える。
本発明の圧電素子は、本発明の圧電素子を備える。
Next, the ferroelectric thin film, the piezoelectric element, the liquid discharge head, the liquid discharge unit, the liquid discharge device, and the piezoelectric device of the present invention will be described.
The ferroelectric thin film of the present invention is formed using a solution for forming a ferroelectric thin film.
The piezoelectric element of the present invention is provided with electrodes on the upper and lower surfaces of the ferroelectric thin film of the present invention, respectively.
The liquid discharge head according to the present invention includes a nozzle substrate having a nozzle hole for discharging liquid, a flow path forming substrate having a pressurized liquid chamber communicating with the nozzle hole, and at least one wall of the pressurized liquid chamber. And a piezoelectric element of the present invention on the diaphragm.
A liquid discharge unit according to the present invention includes the liquid discharge head according to the present invention.
A liquid discharge apparatus according to the present invention includes the liquid discharge head or the liquid discharge unit according to the present invention.
The piezoelectric element of the present invention includes the piezoelectric element of the present invention.

まず、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態における分解斜視図を図1に示す。
図1には、ノズル孔79、ノズル基板80、加圧液室70(キャビティーなどとも称される)、流路形成基板71、共通液室72、振動板11(成膜振動板などとも称される)、圧電体薄膜素子73が図示されている。また、アクチュエーター部逃げ74Aを有するサブフレーム76が図示されている。
First, FIG. 1 shows an exploded perspective view of an embodiment of a liquid ejection head according to the present invention.
FIG. 1 shows a nozzle hole 79, a nozzle substrate 80, a pressurized liquid chamber 70 (also referred to as a cavity), a flow path forming substrate 71, a common liquid chamber 72, and a vibration plate 11 (also referred to as a film forming vibration plate or the like). ), And the piezoelectric thin film element 73 is shown. Also, a subframe 76 having an actuator part escape 74A is shown.

本実施形態の液体吐出ヘッドは、圧電体薄膜素子73を複数個搭載し、複数の加圧液室70を有している。また、本実施形態の液体吐出ヘッドには、複数の加圧液室70にそれぞれ連通した共通液室72が設けられている。   The liquid discharge head of the present embodiment has a plurality of piezoelectric thin film elements 73 mounted thereon and a plurality of pressurized liquid chambers 70. In addition, the liquid ejection head of the present embodiment is provided with a common liquid chamber 72 that communicates with each of the plurality of pressurized liquid chambers 70.

流路形成基板71には加圧液室70、共通液室72が形成されており、圧電体薄膜素子73が入り込み、駆動できるように設けられたアクチュエーター部逃げ74Aを有するサブフレーム76が接合される。また、サブフレーム76にはインク流路74Bが設けられ、このインク流路74Bは、サブフレーム76を流路形成基板71に接合させたとき、共通液室72に連結される。   A pressurized liquid chamber 70 and a common liquid chamber 72 are formed in the flow path forming substrate 71, and a sub-frame 76 having an actuator escape 74A provided so that the piezoelectric thin film element 73 can enter and be driven is joined. You. In addition, an ink flow path 74B is provided in the sub frame 76, and the ink flow path 74B is connected to the common liquid chamber 72 when the sub frame 76 is joined to the flow path forming substrate 71.

また、流路形成基板71には、複数個のノズル孔79を有するノズル基板80が接合され、ノズル基板80と流路形成基板71を接合させると、各ノズル孔79は加圧液室70にそれぞれ対応した位置に配置される。本発明の強誘電体薄膜(以下、PZT膜積層構造体と言う)を有する圧電体薄膜素子73により加圧液室70に圧力が発生し、ノズル孔79から液体が吐出される。   A nozzle substrate 80 having a plurality of nozzle holes 79 is joined to the flow path forming substrate 71. When the nozzle substrate 80 and the flow path forming substrate 71 are joined, each nozzle hole 79 is They are arranged at corresponding positions. The pressure is generated in the pressurized liquid chamber 70 by the piezoelectric thin film element 73 having the ferroelectric thin film (hereinafter, referred to as a PZT film laminated structure) of the present invention, and the liquid is discharged from the nozzle hole 79.

本発明に係るPZT膜積層構造体の一実施形態について、図2を用いて説明する。また、本実施形態のPZT膜積層構造体を有する液体吐出ヘッドについて、図3を用いて説明する。図2及び図3は断面を模式的に示している。
図2には基板10、振動板11、下地膜20(密着層21、下部電極22、配向性制御層23)、圧電体膜30(PZT膜)、上部電極40(導電性酸化物層41、上部電極層42)、保護層50が図示されている。また、図3には、ノズル孔79、ノズル基板80、加圧液室70が図示されている。各構成を説明する。
One embodiment of the PZT film laminated structure according to the present invention will be described with reference to FIG. Further, a liquid ejection head having the PZT film laminated structure of the present embodiment will be described with reference to FIG. 2 and 3 schematically show cross sections.
FIG. 2 shows a substrate 10, a vibration plate 11, a base film 20 (adhesion layer 21, lower electrode 22, orientation control layer 23), piezoelectric film 30 (PZT film), upper electrode 40 (conductive oxide layer 41, The upper electrode layer 42) and the protective layer 50 are illustrated. FIG. 3 shows a nozzle hole 79, a nozzle substrate 80, and a pressurized liquid chamber 70. Each configuration will be described.

<基板>
基板10としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)の3種が挙げられ、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されている。本実施形態においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を使用している。
<Substrate>
As the substrate 10, a silicon single crystal substrate is preferably used, and preferably has a thickness of 100 to 600 μm. As the plane orientation, there are three kinds, (100), (110), and (111), and (100) and (111) are widely used in the semiconductor industry. In this embodiment, a single crystal substrate having a (100) plane orientation is mainly used.

また、図3に示すような加圧液室70を作製する場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工するが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。   When the pressurized liquid chamber 70 as shown in FIG. 3 is formed, a silicon single crystal substrate is processed by using etching. In this case, anisotropic etching is generally used. It is.

異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。
従って、面方位(100)では約54.74°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができる。本実施形態としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。ただし、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用することが好ましい。
Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate varies with the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane.
Accordingly, a structure having an inclination of about 54.74 ° can be manufactured in the plane orientation (100), while a deep groove can be formed in the plane orientation (110). Can be higher. In the present embodiment, it is also possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, since it is mentioned that SiO 2 as a mask material is also etched, it is preferable to use this area with care.

<振動板>
振動板11としては、図3に示すように圧電体膜30によって発生した力を受けて、振動板11が変形変位して、加圧液室70のインク滴を吐出させる。そのため、振動板11としては所定の強度を有するものであることが好ましい。
なお、振動板11は単一の材料で構成してもよいし、複数の材料で複数の膜を積層して構成してもよい。
<Vibration plate>
As shown in FIG. 3, the diaphragm 11 is deformed and displaced by the force generated by the piezoelectric film 30 as shown in FIG. Therefore, it is preferable that the diaphragm 11 has a predetermined strength.
The diaphragm 11 may be formed of a single material, or may be formed by stacking a plurality of films of a plurality of materials.

振動板11の形成方法は、スパッタ法、スパッタ法と熱酸化法の組み合わせ、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等が挙げられる。本実施形態では、積層する場合は、LPCVD(Low Pressure CVD)法により作製したものを用いている。LPCVD法で成膜された膜で構成された振動板においては、半導体、MEMSデバイスで一般的に従来から適用されている膜であり、加工もしやすいことから、新たなプロセス課題を持ち込まないため好ましい。また、SOI(Silicon on Insulator)等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板が得られる。   Examples of the method for forming the vibration plate 11 include a sputtering method, a combination of a sputtering method and a thermal oxidation method, and a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. In the present embodiment, when the layers are stacked, those manufactured by the LPCVD (Low Pressure CVD) method are used. A diaphragm made of a film formed by the LPCVD method is a film generally applied to semiconductors and MEMS devices from the past, and is easy to process. Therefore, it is preferable because it does not introduce a new process problem. . Further, a stable diaphragm can be obtained without using an expensive substrate such as an SOI (Silicon on Insulator).

振動板11の表面粗さとしては、算術平均粗さで4nm以下が好ましい。この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなることがある。
振動板11の材料としては、ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜やその組み合わせ等が挙げられる。
The surface roughness of the diaphragm 11 is preferably 4 nm or less in arithmetic average roughness. If it exceeds this range, the PZT film formed thereafter has a very poor dielectric breakdown voltage, and may easily leak.
Examples of the material of the diaphragm 11 include polysilicon, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a combination thereof.

振動板11における一例を説明する。
まず、(100)の面方位を持つシリコン単結晶基板に振動板構成膜として、例えばLPCVD法(あるいは熱処理製膜法で)でシリコン酸化膜(例えば厚さ200nm)を成膜し、その後ポリシリコン膜(例えば厚さ500nm)を成膜する。ポリシリコン層の厚さが0.1〜3μm、表面粗さが算術平均粗さで5nm以下であることが望ましい。次に振動板構成膜として、LPCVD法でシリコン窒化膜を成膜する。
An example of the diaphragm 11 will be described.
First, a silicon oxide film (for example, with a thickness of 200 nm) is formed on a silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation as a diaphragm constituting film by, for example, an LPCVD method (or a heat treatment film forming method), and then a polysilicon film is formed. A film (for example, 500 nm thick) is formed. It is desirable that the thickness of the polysilicon layer is 0.1 to 3 μm and the surface roughness is 5 nm or less in arithmetic average roughness. Next, a silicon nitride film is formed as a diaphragm constituent film by an LPCVD method.

<下地膜>
次に、振動板11上に形成される下地膜20について説明する。図示されているように、密着層21、下部電極22、配向性制御層23は下地膜20を形成し、配向性制御層23は圧電体膜30の結晶性を左右するとなるため特に重要である。
<Undercoat>
Next, the base film 20 formed on the diaphragm 11 will be described. As shown, the adhesion layer 21, the lower electrode 22, and the orientation control layer 23 form a base film 20, and the orientation control layer 23 is particularly important because it affects the crystallinity of the piezoelectric film 30. .

密着層21は必ずしも積層される必要があるわけではないが、下部電極22に白金(Pt)等を使用する場合には、振動板11との密着性を考慮し、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等からなる密着層21を積層することが好ましい。密着層21の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。 The adhesion layer 21 does not necessarily need to be laminated, but when platinum (Pt) or the like is used for the lower electrode 22, the adhesion to the diaphragm 11 is taken into consideration, and Ti, TiO 2 , Ta, It is preferable to laminate an adhesion layer 21 made of Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 or the like. As a method for forming the adhesion layer 21, a vacuum film formation such as a sputtering method or a vacuum deposition is generally used.

下地膜20の膜厚としては、20〜500nmが好ましく、100〜300nmがさらに好ましい。
密着層21の膜厚としては、50〜90nmが好ましい。
下部電極22の膜厚としては、140〜200nmが好ましい。
配向性制御層23の膜厚としては、5〜10nmが好ましい。
The thickness of the base film 20 is preferably 20 to 500 nm, more preferably 100 to 300 nm.
The thickness of the adhesion layer 21 is preferably 50 to 90 nm.
The thickness of the lower electrode 22 is preferably 140 to 200 nm.
The thickness of the orientation control layer 23 is preferably 5 to 10 nm.

また、下部電極22の材料としては、(111)配向性が高いPtが好ましく、X線回折によりPtの結晶性を評価したときに、そのピーク強度の高いPt膜が得られる。   As a material of the lower electrode 22, Pt having a high (111) orientation is preferable, and a Pt film having a high peak intensity can be obtained when the crystallinity of the Pt is evaluated by X-ray diffraction.

下部電極22上に配向性制御層23を成膜する。配向性制御層としては、酸化チタン又はチタン酸鉛が好ましい。酸化チタン膜は、その上に積層するゾルゲル液のPZTとの反応を生じ、TiリッチなPZT膜を生成することができるため、好ましい。Tiリッチな膜はPZT(100)の結晶源として働き、さらに積層するPZT膜の(100)又は(001)主配向を形成できる。   An orientation control layer 23 is formed on the lower electrode 22. As the orientation control layer, titanium oxide or lead titanate is preferable. The titanium oxide film is preferable because it can react with PZT of the sol-gel liquid laminated thereon and generate a Ti-rich PZT film. The Ti-rich film serves as a crystal source of PZT (100), and can form a (100) or (001) main orientation of the PZT film to be laminated.

配向性制御層23としては、酸化チタン膜でなくとも、直接チタン酸鉛であってよい。チタン酸鉛は直接的にPZT(100)の結晶源として働き、さらに積層するPZT膜の(100)又は(001)主配向を形成できるため、好ましい。   The orientation control layer 23 may not be a titanium oxide film but may be a direct lead titanate. Lead titanate is preferable because it directly functions as a crystal source of PZT (100) and can form the (100) or (001) main orientation of the stacked PZT film.

<PZT膜>
次に、本実施形態に係る圧電体膜30(PZT膜)について説明する。
圧電体膜30は、本発明の強誘電体薄膜形成用溶液から作製することができる。
<PZT film>
Next, the piezoelectric film 30 (PZT film) according to the present embodiment will be described.
The piezoelectric film 30 can be made from the solution for forming a ferroelectric thin film of the present invention.

圧電体膜30は、スパッタ法もしくはゾルゲル法を用いてスピンコーターにより作製することができる。その場合は、パターニングが必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。   The piezoelectric film 30 can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a sol-gel method. In that case, patterning is required, so that a desired pattern is obtained by photolithographic etching or the like.

本発明においては、特にゾルゲル法であることが好ましく、ゾルゲル法によりPZT膜を形成する場合、PZT膜の前駆体溶液を配向性制御層23に塗布し、焼成することにより形成する。PZT膜は1層であってもよいが、塗布及び焼成を繰り返して形成することが好ましい。すなわち、前駆体溶液の塗布及び焼成を複数繰り返す工程を行ってPZT膜を形成する。この場合、前駆体溶液の塗布及び焼成を複数繰り返す工程を行い、この工程の後、さらに加熱し、PZT膜を形成することが好ましい。   In the present invention, a sol-gel method is particularly preferable. When a PZT film is formed by a sol-gel method, a PZT film precursor solution is applied to the orientation control layer 23 and baked. The PZT film may be a single layer, but is preferably formed by repeating coating and firing. That is, a step of repeating the application and baking of the precursor solution a plurality of times is performed to form a PZT film. In this case, it is preferable to perform a step of repeating the application and baking of the precursor solution a plurality of times, and after this step, further heat to form a PZT film.

これは、2段階の焼成とも称される。ゾルゲル液のスピンコート後の焼成として、有機成分を放出させるための加熱(1段階目)と膜を結晶化させるためのより高温での加熱(2段階目)の2段階焼成を行うことが好ましい。1段階目の加熱はスピンコート毎に実施し、2層目、3層目と同様の1段階目の加熱をした後に、3層まとめて2段階目のより高温の焼成を行う。   This is also referred to as two-stage firing. As the firing after the spin coating of the sol-gel liquid, it is preferable to perform a two-stage firing of heating for releasing organic components (first stage) and heating at a higher temperature for crystallizing the film (second stage). . The first-stage heating is performed for each spin coating. After the first-stage heating similar to the second-layer and third-layer heating, the three-layer baking is performed at the second-stage higher temperature.

PZTをゾルゲル法により作製する場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液を作製できる。
金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。
前記アルコキシドとしては、メトキシエトキシドであることが好ましく、前駆体溶液は、酢酸鉛と、Tiのメトキシエトキシドと、Zrのメトキシエトキシドとを含むことが好ましい。
When PZT is prepared by a sol-gel method, a PZT precursor solution can be prepared by using a lead acetate, zirconium alkoxide, or titanium alkoxide compound as a starting material and dissolving it in methoxyethanol as a common solvent to obtain a homogeneous solution.
Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by atmospheric moisture, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid, or diethanolamine may be added to the precursor solution.
The alkoxide is preferably methoxy ethoxide, and the precursor solution preferably contains lead acetate, methoxy ethoxide of Ti, and methoxy ethoxide of Zr.

下地の全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことでPZT膜が得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体溶液の濃度を調整することが好ましい。   When a PZT film is obtained over the entire surface of the base, a PZT film is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating, and performing each heat treatment of solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Since the transformation from a coating film to a crystallized film involves volume shrinkage, it is preferable to adjust the concentration of the precursor solution so as to obtain a film thickness of 100 nm or less in a single step in order to obtain a crack-free film. .

PZT膜の膜厚としては0.5〜5μmが好ましく、さらに好ましくは1μm〜2μmである。上記範囲より小さいと十分な変位を発生することができなくなり、上記範囲より大きいと何層も積層させていく場合、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。   The thickness of the PZT film is preferably 0.5 to 5 μm, and more preferably 1 to 2 μm. If it is smaller than the above range, a sufficient displacement cannot be generated, and if it is larger than the above range, when multiple layers are stacked, the number of steps increases and the process time becomes longer.

<上部電極>
本実施形態の上部電極40は導電性酸化物層41と上部電極層42から構成されている。上部電極としては特に制限はなく、Al、Cuなどの一般に半導体プロセスで用いられる材料及びその組み合わせが挙げられる。また、導電性酸化物層41、上部電極層42は特に制限されるものではないが、導電性酸化物層41としては、PZTとの密着性がよく、同じペロブスカイト系の構造を持つSRO(SrRuO3)が好ましく、上部電極層42としては、Ptが好ましい。
また、導電性酸化物層41の厚みとしては、35〜50nmが好ましい。
また、上部電極層42の厚みとしては、100〜150nmが好ましい。
<Upper electrode>
The upper electrode 40 of the present embodiment includes a conductive oxide layer 41 and an upper electrode layer 42. The upper electrode is not particularly limited, and examples thereof include materials generally used in a semiconductor process, such as Al and Cu, and combinations thereof. The conductive oxide layer 41 and the upper electrode layer 42 are not particularly limited. However, the conductive oxide layer 41 has good adhesion to PZT and has the same perovskite structure as SRO (SrRuO3). ) Is preferable, and Pt is preferable as the upper electrode layer 42.
The thickness of the conductive oxide layer 41 is preferably 35 to 50 nm.
The thickness of the upper electrode layer 42 is preferably 100 to 150 nm.

<保護層>
保護層50の材料としては、酸化アルミニウム、酸化タンタル等が挙げられる。
保護層50の厚みとしては、40〜70nmが好ましい。
保護層50としては、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法により形成することができる。
<Protective layer>
Examples of the material of the protective layer 50 include aluminum oxide and tantalum oxide.
The thickness of the protective layer 50 is preferably 40 to 70 nm.
The protective layer 50 can be formed by, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method.

(液体吐出装置、液体吐出ユニット)
次に、本発明に係る液体吐出装置の一例について図4及び図5を参照して説明する。図4は同装置の要部平面説明図、図5は同装置の要部側面説明図である。
(Liquid discharge device, liquid discharge unit)
Next, an example of the liquid ejection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory plan view of an essential part of the device, and FIG. 5 is an explanatory side view of an essential part of the device.

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。   This device is a serial type device, and the carriage 403 reciprocates in the main scanning direction by the main scanning moving mechanism 493. The main scanning movement mechanism 493 includes a guide member 401, a main scanning motor 405, a timing belt 408, and the like. The guide member 401 is bridged between the left and right side plates 491A and 491B, and movably holds the carriage 403. The carriage 403 is reciprocated in the main scanning direction by the main scanning motor 405 via a timing belt 408 spanned between the driving pulley 406 and the driven pulley 407.

このキャリッジ403には、本発明に係る液体吐出ヘッド404及びヘッドタンク441を一体にした液体吐出ユニット440を搭載している。液体吐出ユニット440の液体吐出ヘッド404は、例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド404は、複数のノズル11からなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。   On the carriage 403, a liquid discharge unit 440 in which the liquid discharge head 404 and the head tank 441 according to the present invention are integrated is mounted. The liquid discharge head 404 of the liquid discharge unit 440 discharges, for example, liquid of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (K). The liquid ejection head 404 has a nozzle row composed of a plurality of nozzles 11 arranged in a sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction, and is mounted with the ejection direction facing downward.

液体吐出ヘッド404の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド404に供給するための供給機構494により、ヘッドタンク441には、液体カートリッジ450に貯留されている液体が供給される。   The liquid stored in the liquid cartridge 450 is supplied to the head tank 441 by a supply mechanism 494 for supplying the liquid stored outside the liquid discharge head 404 to the liquid discharge head 404.

供給機構494は、液体カートリッジ450を装着する充填部であるカートリッジホルダ451、チューブ456、送液ポンプを含む送液ユニット452等で構成される。液体カートリッジ450はカートリッジホルダ451に着脱可能に装着される。ヘッドタンク441には、チューブ456を介して送液ユニット452によって、液体カートリッジ450から液体が送液される。   The supply mechanism 494 includes a cartridge holder 451, which is a filling section for mounting the liquid cartridge 450, a tube 456, a liquid sending unit 452 including a liquid sending pump, and the like. The liquid cartridge 450 is detachably mounted on the cartridge holder 451. The liquid is sent from the liquid cartridge 450 to the head tank 441 by the liquid sending unit 452 via the tube 456.

この装置は、用紙410を搬送するための搬送機構495を備えている。搬送機構495は、搬送手段である搬送ベルト412、搬送ベルト412を駆動するための副走査モータ416を含む。   This apparatus includes a transport mechanism 495 for transporting the sheet 410. The transport mechanism 495 includes a transport belt 412 as transport means, and a sub-scanning motor 416 for driving the transport belt 412.

搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド404に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト412は、無端状ベルトであり、搬送ローラ413と、テンションローラ414との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。   The transport belt 412 attracts the paper 410 and transports the paper 410 at a position facing the liquid ejection head 404. The transport belt 412 is an endless belt, and is stretched between a transport roller 413 and a tension roller 414. Suction can be performed by electrostatic suction or air suction.

そして、搬送ベルト412は、副走査モータ416によってタイミングベルト417及びタイミングプーリ418を介して搬送ローラ413が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。   The transport belt 412 is rotated in the sub-scanning direction by rotating the transport roller 413 via the timing belt 417 and the timing pulley 418 by the sub-scanning motor 416.

さらに、キャリッジ403の主走査方向の一方側には搬送ベルト412の側方に液体吐出ヘッド404の維持回復を行う維持回復機構420が配置されている。   Further, on one side of the carriage 403 in the main scanning direction, a maintenance and recovery mechanism 420 for maintaining and recovering the liquid ejection head 404 is arranged on the side of the transport belt 412.

維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド404のノズル面(ノズル11が形成された面)をキャッピングするキャップ部材421、ノズル面を払拭するワイパ部材422などで構成されている。   The maintenance and recovery mechanism 420 includes, for example, a cap member 421 for capping the nozzle surface (the surface on which the nozzle 11 is formed) of the liquid ejection head 404, a wiper member 422 for wiping the nozzle surface, and the like.

主走査移動機構493、供給機構494、維持回復機構420、搬送機構495は、側板491A,491B、背板491Cを含む筐体に取り付けられている。   The main scanning movement mechanism 493, the supply mechanism 494, the maintenance and recovery mechanism 420, and the transport mechanism 495 are attached to a housing including side plates 491A and 491B and a back plate 491C.

このように構成したこの装置においては、用紙410が搬送ベルト412上に給紙されて吸着され、搬送ベルト412の周回移動によって用紙410が副走査方向に搬送される。   In this apparatus configured as described above, the paper 410 is fed onto the transport belt 412 and is adsorbed, and the paper 410 is transported in the sub-scanning direction by the orbital movement of the transport belt 412.

そこで、キャリッジ403を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド404を駆動することにより、停止している用紙410に液体を吐出して画像を形成する。   Therefore, by driving the liquid discharge head 404 according to the image signal while moving the carriage 403 in the main scanning direction, the liquid is discharged onto the stopped paper 410 to form an image.

このように、この装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。   As described above, since this apparatus includes the liquid ejection head according to the present invention, a high-quality image can be stably formed.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図6を参照して説明する。図6は同ユニットの要部平面説明図である。   Next, another example of the liquid ejection unit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an explanatory plan view of a main part of the unit.

この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド404で構成されている。   The liquid discharge unit includes a housing portion including side plates 491A and 491B and a back plate 491C, a main scanning moving mechanism 493, a carriage 403, It comprises a discharge head 404.

なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。   In addition, a liquid discharge unit in which at least one of the above-described maintenance and recovery mechanism 420 and the supply mechanism 494 is further attached to, for example, the side plate 491B of the liquid discharge unit may be configured.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図7を参照して説明する。図7は同ユニットの正面説明図である。   Next, still another example of the liquid ejection unit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an explanatory front view of the unit.

この液体吐出ユニットは、流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド404と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。   The liquid discharge unit includes a liquid discharge head 404 to which a flow path component 444 is attached, and a tube 456 connected to the flow path component 444.

なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。また、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド404と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。   The flow path component 444 is disposed inside the cover 442. A head tank 441 may be included instead of the flow path component 444. Further, a connector 443 for making an electrical connection with the liquid ejection head 404 is provided above the flow path component 444.

本発明において、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。   In the present invention, the “liquid ejection device” is a device that includes a liquid ejection head or a liquid ejection unit, and drives the liquid ejection head to eject liquid. The device that discharges a liquid includes not only a device that can discharge a liquid to which a liquid can be attached, but also a device that discharges a liquid into the air or into the liquid.

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。   The “device for discharging liquid” may include a unit for feeding, transporting, and discharging paper to which liquid can be attached, as well as a pre-processing device and a post-processing device.

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。   For example, as a "device for ejecting liquid", an image forming apparatus that ejects ink to form an image on paper, and a powder is formed in layers to form a three-dimensional object (three-dimensional object) There is a three-dimensional modeling device (three-dimensional modeling device) that discharges a modeling liquid to the formed powder layer.

また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。   Further, the “device for discharging liquid” is not limited to a device in which a significant image such as a character or a graphic is visualized by the discharged liquid. For example, those that form a pattern or the like that has no meaning in itself, and those that form a three-dimensional image are also included.

上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。   The above-mentioned "thing to which a liquid can be attached" means a thing to which a liquid can be attached at least temporarily, such as a thing which is attached and fixed, a thing which is attached and penetrates, and the like. Specific examples include recording media such as paper, recording paper, recording paper, film, and cloth; electronic components such as electronic substrates and piezoelectric elements; powder layers (powder layers); organ models; and media such as inspection cells. Yes, unless otherwise specified, includes everything to which a liquid adheres.

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。   The material of the above-mentioned "thing to which the liquid can be attached" may be paper, thread, fiber, cloth, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, etc. as long as the liquid can be attached even temporarily.

また、「液体」は、インク、処理液、DNA試料、レジスト、パターン材料、結着剤、造形液、又は、アミノ酸、たんぱく質、カルシウムを含む溶液及び分散液なども含まれる。   The “liquid” also includes inks, processing liquids, DNA samples, resists, pattern materials, binders, modeling liquids, or solutions and dispersions containing amino acids, proteins, and calcium.

また、「液体吐出装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。   Further, the “liquid ejection device” includes a device in which the liquid ejection head and the device to which the liquid can adhere are relatively moved, but the invention is not limited to this. Specific examples include a serial device that moves the liquid ejection head, a line device that does not move the liquid ejection head, and the like.

また、「液体吐出装置」としては他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。   In addition, as the “liquid ejection device”, there are also a treatment liquid application device that ejects a treatment liquid onto the paper in order to apply the treatment liquid to the surface of the paper for the purpose of modifying the surface of the paper, etc. There is an injection granulating apparatus that granulates fine particles of raw materials by spraying a composition liquid dispersed therein through a nozzle.

「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。   The “liquid discharge unit” is a unit in which functional components and mechanisms are integrated with a liquid discharge head, and is an assembly of components related to liquid discharge. For example, the “liquid ejection unit” includes a combination of at least one of a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance and recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism with a liquid ejection head.

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。   Here, the term “integration” means, for example, a case where the liquid ejection head and the functional component or mechanism are fixed to each other by fastening, bonding, engagement, or the like, or a case where one is movably held with respect to the other. Including. Further, the liquid ejection head, the functional component, and the mechanism may be configured to be detachable from each other.

例えば、液体吐出ユニットとして、図5で示した液体吐出ユニット440のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。   For example, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a head tank are integrated as in a liquid discharge unit 440 shown in FIG. In some cases, the liquid ejection head and the head tank are integrated with each other by a tube or the like. Here, a unit including a filter can be added between the head tank and the liquid discharge head of these liquid discharge units.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。   There is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head and a carriage are integrated.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、図6で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。   Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head in which a liquid ejection head is movably held by a guide member constituting a part of a scanning movement mechanism, and the liquid ejection head and the scanning movement mechanism are integrated. As shown in FIG. 6, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head, a carriage, and a main scanning moving mechanism are integrated.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。   Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head in which a cap member, which is a part of a maintenance and recovery mechanism, is fixed to a carriage to which a liquid discharge head is attached, and the liquid discharge head, the carriage, and the maintenance and recovery mechanism are integrated. .

また、液体吐出ユニットとして、図7で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。   Also, as shown in FIG. 7, there is a liquid discharge unit in which a tube is connected to a liquid discharge head to which a head tank or a flow path component is attached, and a liquid discharge head and a supply mechanism are integrated. .

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。   The main scanning movement mechanism includes a guide member alone. The supply mechanism also includes a tube unit and a loading unit alone.

また、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、上記実施形態で説明したような圧電アクチュエーター(積層型圧電素子を使用するものでもよい。)以外にも、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエーター、振動板と対向電極からなる静電アクチュエーターなどを使用するものでもよい。   Further, the "liquid ejection head" is not limited to the pressure generating means used. For example, in addition to the piezoelectric actuator described in the above embodiment (a laminated piezoelectric element may be used), a thermal actuator using an electrothermal conversion element such as a heating resistor, a diaphragm and a counter electrode are provided. An actuator using an electrostatic actuator or the like may be used.

また、本発明の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。   In the terms of the present invention, image formation, recording, printing, printing, printing, modeling, and the like are all synonyms.

本発明の圧電装置は、本発明の圧電素子を備えることを特徴とし、上記の液体吐出ヘッド、液体吐出ユニットおよび液体吐出装置以外にも、アクチュエータ、センサ、スピーカ、超音波モータ、光学機器、振動装置、撮像装置等が挙げられる。   The piezoelectric device of the present invention includes the piezoelectric element of the present invention, and includes an actuator, a sensor, a speaker, an ultrasonic motor, an optical device, a vibration device, in addition to the above-described liquid ejection head, liquid ejection unit, and liquid ejection device. Device, an imaging device, and the like.

以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されない。なお、以下の実施例は、強誘電体薄膜としてPZT膜を用いた例である。   Hereinafter, the present invention will be further described with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples. The following embodiment is an example in which a PZT film is used as a ferroelectric thin film.

(前駆体溶液の合成)
本実施例ではゾルゲル法を利用したPb、Zr、Tiからなる前駆体溶液について説明するが、一般的に特性向上のために、V、Nb、Ta、Sb、Mo、W、K、Na、Li、Bi、La、Ba等のその他の元素を添加することもできる。前記その他の元素は、例えば、PZT膜中、例えば0〜20モル%含むことができる。
(Synthesis of precursor solution)
In this embodiment, a precursor solution composed of Pb, Zr, and Ti using a sol-gel method will be described.In general, for improving the characteristics, V, Nb, Ta, Sb, Mo, W, K, Na, and Li are used. , Bi, La, Ba, and other elements can also be added. The other elements can be contained, for example, in the PZT film in an amount of, for example, 0 to 20 mol%.

前記化学反応式(1)〜(6)および図8に記載のフローに基づいて前駆体溶液を合成した。
出発材料としては、酢酸鉛三水和物Pb(CHCOO)・3HO、ジルコニウムテトラノルマルプロポキシドZr(OCHCHCH、チタニウムテトライソプロポキシドTi[OCH(CHを用いた。
これらの出発材料を用いて、Pb(Zr0.53Ti0.47)O、一般的にはPZT(53/47)と称されるジルコン酸チタン酸鉛の化学量論組成となるように合成を行った。一般的にPZTのような鉛を含む複合酸化物を作製する場合には、熱処理中の鉛抜けを想定し、上述のように出発材料に化学量論組成に比べて5〜25mol%程度Pbを過剰に加えることが一般的である。本実施の形態1では鉛量が10mol%過剰になる組成、即ちPb1.10(Zr0.53Ti0.47)Oとなるように各出発材料を秤量した。
秤量後、まず酢酸鉛三水和物を2−メトキシエタノールCHOCHCHOHに溶解した後、溶媒の沸点にて加熱・還流し、水和物の脱水および酢酸鉛のアルコール交換処理を行った。
続いて脱水・アルコ−ル交換処理した前記酢酸鉛の2−メトキシエタノール溶液に対し、ジルコニウムテトラノルマルプロポキシドおよびチタニウムテトライソプロポキシドを投入して加熱・還流し、アルコール交換反応、重縮合反応を進行させた。溶媒沸点に達した後の保持時間は12時間とする。最後に安定剤として微量の酢酸CHCOOHを添加した。
A precursor solution was synthesized based on the chemical reaction formulas (1) to (6) and the flow shown in FIG.
As starting materials, lead acetate trihydrate Pb (CH 3 COO) 2 .3H 2 O, zirconium tetranormal propoxide Zr (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , titanium tetraisopropoxide Ti [OCH (CH 3 2 ) 4 was used.
Using these starting materials, a stoichiometric composition of Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 , commonly referred to as PZT (53/47), of lead zirconate titanate is used. Synthesis was performed. Generally, when producing a lead-containing composite oxide such as PZT, lead is supposed to be removed during the heat treatment, and Pb is added to the starting material by about 5 to 25 mol% as compared with the stoichiometric composition as described above. It is common to add in excess. In the first embodiment, the starting materials were weighed so that the composition was such that the lead content was 10 mol% excess, that is, Pb 1.10 (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 .
After weighing, first, lead acetate trihydrate is dissolved in 2 -methoxyethanol CH 3 OCH 2 CH 2 OH, and the mixture is heated and refluxed at the boiling point of the solvent to perform dehydration of the hydrate and alcohol exchange of lead acetate. went.
Subsequently, zirconium tetranormal propoxide and titanium tetraisopropoxide are added to a 2-methoxyethanol solution of the lead acetate subjected to the dehydration / alcohol exchange treatment, and the mixture is heated and refluxed to carry out an alcohol exchange reaction and a polycondensation reaction. Let it go. The retention time after reaching the solvent boiling point is 12 hours. Finally, a trace amount of acetic acid CH 3 COOH was added as a stabilizer.

ここで、本実施例で用いた液体吐出ヘッドについて説明する。図9は、本実施例で用いた液体吐出ヘッドを説明するための概略断面図である。
液体吐出ヘッドは第1電極205、第2電極207、アクチュエータ206、振動板202、基板201、基板内側壁に囲まれた圧力室204、吐出穴を有する圧力封止板203より形成されている。
基板201の材料としては、(100)の面方位を持つシリコン単結晶基板を用いた。
振動板202はアクチュエータ206としてのPZT膜によって発生した力を受け、変形変位して圧力室のインク滴を吐出させるため、所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては上述の材料のほか、Si、SiO、SiをCVD法により作製したものが挙げられる。また振動板202は、PZT膜の使用を考慮すると、線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6の線膨張係数を有する材料が好ましく、さらには7×10−6〜9×10−6の線膨張係数を有する材料がより好ましい。さらに振動板202は引張応力あるいは圧縮応力を持つ複数の膜をLPCVDにより積層させることで構築されていることが望ましい。その理由は、単層膜の場合SOIウェハが挙げられるが、その場合ウェハコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとした時に任意の膜応力に設定できない。一方、積層振動板の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板の剛性と膜応力を所望の値に設定する自由度を得ることができるため、振動板全体の剛性および応力の制御を、積層化とその膜厚、並びに積層構成の組み合わせで実現できる。したがって、圧電素子(電極層、強誘電体層)の材料、膜厚に適時対応でき、圧電素子の焼成温度による振動板の剛性、応力の変動が少なく安定した振動板が得られることから、液滴吐出特性を高精度にでき、かつ安定した液体吐出ヘッドを実現できる。
Here, the liquid ejection head used in this embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic sectional view for explaining the liquid ejection head used in this embodiment.
The liquid discharge head includes a first electrode 205, a second electrode 207, an actuator 206, a vibration plate 202, a substrate 201, a pressure chamber 204 surrounded by an inner wall of the substrate, and a pressure sealing plate 203 having discharge holes.
As a material of the substrate 201, a silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation was used.
The vibration plate 202 preferably has a predetermined strength in order to receive a force generated by the PZT film as the actuator 206 and to deform and displace and eject ink droplets in the pressure chamber. Examples of the material include, in addition to the above-described materials, Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 produced by a CVD method. Also, considering the use of a PZT film, diaphragm 202 has a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 as a linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K). Is preferable, and a material having a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 is more preferable. Further, it is desirable that the diaphragm 202 is constructed by stacking a plurality of films having a tensile stress or a compressive stress by LPCVD. The reason is that an SOI wafer is used in the case of a single-layer film, but in that case, the wafer cost is very high, and it is not possible to set an arbitrary film stress when trying to make the bending rigidity uniform. On the other hand, in the case of a laminated diaphragm, by optimizing the laminated structure, it is possible to obtain a degree of freedom to set the rigidity and the film stress of the diaphragm to desired values, and thus to control the rigidity and stress of the entire diaphragm. Can be realized by a combination of lamination, its film thickness, and lamination structure. Accordingly, the material and film thickness of the piezoelectric element (electrode layer, ferroelectric layer) can be appropriately adjusted, and a stable diaphragm with little fluctuation in the rigidity and stress of the diaphragm due to the firing temperature of the piezoelectric element can be obtained. The droplet ejection characteristics can be made highly accurate, and a stable liquid ejection head can be realized.

第1電極205は金属材料、密着層および導電性酸化物層からなり、金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウム、白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜等も使用することができる。白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等の上に白金を積層することが好ましい。第1電極205の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的であり、膜厚としては、0.05〜1μmが好ましく、0.1〜0.5μmがさらに好ましい。また白金は、その結晶性として(111)配向を有していることが好ましい。そのために第1電極205としては、(111)配向性が高い白金選択することが好ましい。また、PZT膜の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、第1電極205とPZT膜との間には、ルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を介在させることが好ましく、本実施例ではこの形態を採用した。 The first electrode 205 is composed of a metal material, an adhesion layer, and a conductive oxide layer. As the metal material, platinum having high heat resistance and low reactivity has been used, but a sufficient barrier against lead has been used. In some cases, it may not be said that the alloy has a property, and platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and alloy films thereof can also be used. When platinum is used, it is preferable to laminate platinum on Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5, or the like because adhesion to a base (particularly, SiO 2 ) is poor. As a method for forming the first electrode 205, a vacuum film formation such as a sputtering method or a vacuum deposition is generally used, and the thickness is preferably 0.05 to 1 μm, more preferably 0.1 to 0.5 μm. Platinum preferably has a (111) orientation as its crystallinity. Therefore, it is preferable to select platinum having high (111) orientation as the first electrode 205. Further, due to concerns about the fatigue characteristics over time of the displacement of the PZT film, a conductive oxide such as strontium ruthenate is preferably interposed between the first electrode 205 and the PZT film. The form was adopted.

この第1電極205上に上記作成した前駆体溶液を単結晶シリコン基板等の基板上にスピンコート法を利用して塗布した後、溶媒の除去、脱脂処理および結晶化処理を順次行った。通常一層当たりの塗布の厚さは厚すぎるとクラックの原因となるため、100nm以下が望ましい。この一層あたりのプロセスを所望の膜厚となるまで繰り返し行う。また、結晶化処理を毎回行わず、塗布数回に一回実施するなどし、クラック発生を防止してもよい。   After applying the precursor solution prepared above on the first electrode 205 on a substrate such as a single crystal silicon substrate by using a spin coating method, solvent removal, degreasing treatment and crystallization treatment were sequentially performed. Usually, if the coating thickness per layer is too large, it will cause cracks. This process for one layer is repeated until a desired film thickness is obtained. Further, the occurrence of cracks may be prevented by, for example, performing the crystallization process once every several times without performing the crystallization process.

本実施例では、溶媒の除去を120℃で行い、脱脂処理は、300℃の条件で行った。また結晶化処理は、700℃の条件を採用し、スピンコート塗布を3回行う毎にRTA装置による結晶化処理を実施した。なお、スピンコート塗布、溶媒の除去および脱脂処理を3回行い、その後に結晶化処理を行った後のRZT膜の膜厚は、240nmであった。この工程を計10回(30層)実施し、約2.0μmのPZT膜を得た。   In this example, the solvent was removed at 120 ° C., and the degreasing treatment was performed at 300 ° C. The crystallization treatment was performed under the condition of 700 ° C., and the crystallization treatment was performed by the RTA apparatus every time spin coating was performed three times. The thickness of the RZT film after performing spin coating, removing the solvent, and performing the degreasing treatment three times, and then performing the crystallization treatment, was 240 nm. This process was performed a total of 10 times (30 layers) to obtain a PZT film of about 2.0 μm.

第2電極207も第1電極205と同様に白金などの金属材料を用い、白金とPZT膜との間にルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を積層させて構成される。   Similarly to the first electrode 205, the second electrode 207 is formed by using a metal material such as platinum and laminating a conductive oxide such as strontium ruthenate between platinum and the PZT film.

次に圧力室204を形成するために、アルカリ溶液(KOH溶液、あるいはTMHA溶液)で異方性ウェットエッチングをおこない、短手方向の幅が60μmとなる圧力室を形成し、図9に示されるような液体吐出ヘッドを作製した。   Next, in order to form the pressure chamber 204, anisotropic wet etching is performed with an alkali solution (KOH solution or TMHA solution) to form a pressure chamber having a width in the lateral direction of 60 μm, as shown in FIG. Such a liquid discharge head was manufactured.

上記液体吐出ヘッドのうち、所望の液滴吐出速度を満たすもの(良品)と満たさないもの(不良品)について、各種膜厚のPZT膜中のPb、Zr、Tiの量をSIMSにて分析した。その結果を図10〜12に示す。SIMS分析の結果より、とくに図10の結果より、良品ではPZT膜中に残留するPbの量が不良品対して少ないことが分かる。また、図11〜12に示すように、PZT膜中のZr、Tiの量は、良品、不良品間で差がないことが分かる。なお、前駆体溶液中の元素濃度や工程中のプロセス等は、各液体吐出ヘッド間で変更していない。以上のことから、上述のNMR測定の結果と同様に、前記化学反応式(1)〜(6)に示した反応の進捗度合い、特に化学反応式(2)に示す、鉛元素と結合した2つの酢酸基の一つが溶媒の2-メトキシエタノールのアルコール基と入れ替わる反応の進捗度によって、PZT膜中の鉛量が変化し、これが原因となって液体吐出ヘッドの良品および不良品が生じるものと推測された。   Of the above liquid discharge heads, those satisfying the desired droplet discharge speed (good) and those not satisfying (defective) were analyzed by SIMS for the amounts of Pb, Zr, and Ti in the PZT films of various thicknesses. . The results are shown in FIGS. From the results of the SIMS analysis, it can be seen from the results of FIG. 10 in particular that the amount of Pb remaining in the PZT film is smaller in the non-defective product than in the defective product. Further, as shown in FIGS. 11 to 12, it can be seen that the amounts of Zr and Ti in the PZT film do not differ between good and defective products. In addition, the element concentration in the precursor solution, the process in the process, and the like are not changed between the liquid discharge heads. From the above, similarly to the result of the above-mentioned NMR measurement, the degree of progress of the reaction shown in the chemical reaction formulas (1) to (6), particularly, 2% bound to the lead element shown in the chemical reaction formula (2), According to the progress of the reaction in which one of the two acetic acid groups is replaced with the alcohol group of 2-methoxyethanol as a solvent, the amount of lead in the PZT film changes, which may cause non-defective and defective liquid ejection heads. Was guessed.

次にこれらの結果を受け、液滴吐出速度の異なる液体吐出ヘッドに使用した各種前駆体溶液のTg-DTAを実施した。Tg-DTAの温度プロファイルと重量減少を図13(a)および(b)に示す。Tg-DTAの温度プロファイルは一定の昇温レートで加熱していく中での示差熱や重量変化を観測するのが一般的である。しかし本実施例では、高温領域における鉛抜けによる重量減少のみの観測を目的とするので、有機物が分解する温度よりも高く、かつ結晶化が始まる温度よりも低い領域において前駆体溶液を十分に安定化させる必要がある。本実施例では300℃にて脱脂処理を行い、有機物の分解が十分に完了したうえで、結晶化処理の温度領域まで加熱されるように2段階の温度プロファイルを用いた。しかし前駆体溶液の種類によっては、この温度プロファイルが最適な形態ではない場合もあるため、適宜示差熱なども参考にして、最適な温度プロファイルを設定するのが好ましい。図13に示す結果では、初期のゆっくりな重量減少から300℃近傍で急激な重量減少が生じている。またこの時に示差熱においても吸熱反応を示していることから有機物の分解が起きていると推測される。その後300℃に到達後も徐々に重量減少が進行していき、100分を超えた辺りから安定した重量となる。すなわち、前駆体溶液の初期の重量に対する重量減少の度合いが30分以上にわたり0.05%以下となっている。その後450℃付近まで重量減少が見られないことからも、十分に有機物が分解していることが伺える。   Next, based on these results, Tg-DTA of various precursor solutions used for liquid ejection heads having different droplet ejection speeds was performed. The temperature profile and weight loss of Tg-DTA are shown in FIGS. 13 (a) and (b). In general, the temperature profile of Tg-DTA is to observe the differential heat and the weight change during heating at a constant heating rate. However, in this example, since the purpose is to observe only the weight loss due to lead loss in the high-temperature region, the precursor solution is sufficiently stable in a region higher than the temperature at which organic substances decompose and lower than the temperature at which crystallization starts. Need to be converted. In this example, a two-stage temperature profile was used so that the degreasing treatment was performed at 300 ° C., and after the decomposition of the organic matter was sufficiently completed, the material was heated to the temperature range of the crystallization treatment. However, depending on the type of the precursor solution, this temperature profile may not be in an optimal form. Therefore, it is preferable to set an optimal temperature profile by appropriately referring to differential heat. In the result shown in FIG. 13, a sharp weight loss occurs at around 300 ° C. from an initial slow weight loss. At this time, since the endothermic reaction is shown also in the differential heat, it is presumed that the organic matter is decomposed. Thereafter, even after the temperature reaches 300 ° C., the weight decreases gradually, and the weight becomes stable after about 100 minutes. That is, the degree of weight reduction with respect to the initial weight of the precursor solution is 0.05% or less over 30 minutes or more. Thereafter, no weight loss was observed up to around 450 ° C., which indicates that the organic matter was sufficiently decomposed.

図14は、異なる温度で処理した前駆体液のFT−IR分析の結果を示すチャートである。図14から、有機物特有の水酸基を現す3500cm-1近辺のピークは300℃から400℃の間を境に消失しており、ほとんどの有機物は300℃前後で分解していることが分かる。さらに450℃を超えた付近で、急激な発熱と共に重量減少が発生することが分かった。急激な発熱を示していることから、燃焼や結晶化が進行していることが推測される。またTgを測定したところ、一度重量が微増した後に重量減少が進行していることからも、酸素との結合による燃焼反応が進行していることが分かる。脱脂処理後の加熱の際に、吸着水や残存水酸基の脱離と共に、鉛の揮発も発生していると推測される。 FIG. 14 is a chart showing the results of FT-IR analysis of the precursor liquids processed at different temperatures. From FIG. 14, it can be seen that the peak around 3500 cm −1 representing a hydroxyl group peculiar to an organic substance disappears between 300 ° C. and 400 ° C., and most of the organic substance is decomposed at about 300 ° C. Further, it was found that a weight loss occurs with a rapid heat generation around 450 ° C. The rapid heat generation indicates that combustion and crystallization are progressing. Further, when Tg was measured, it was found that the combustion reaction due to the bonding with oxygen was progressing from the fact that the weight decreased once after the weight was slightly increased. It is presumed that at the time of heating after the degreasing treatment, the volatilization of lead has occurred along with the desorption of the adsorbed water and the remaining hydroxyl groups.

以上の知見から、本発明者らは鋭意研究をさらに重ねた結果、脱脂処理を300℃で行い、前駆体溶液の質量減少の変動率が30分間にわたり0.05%以下となる時点で前記脱脂処理を終了させ、その状態から昇温速度10℃/分で700℃まで昇温させ結晶化処理を行ったときに、得られた前駆体溶液の前記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下である場合に、本発明の効果がさらに良好に奏されることが判明した。
この形態において、所望の液滴吐出速度を満たすもの(良品)と満たさないもの(不良品)のについて、前駆体溶液の前記式(1)で定義される減少率は、良品が5.0〜6.5%の範囲であり、不良品は、当該範囲外である結果となった。
Based on the above findings, the present inventors have further conducted intensive studies. As a result, the degreasing treatment was performed at 300 ° C., and when the variation rate of the mass reduction of the precursor solution became 0.05% or less over 30 minutes, the degreasing was performed. When the treatment is completed and the temperature is raised from this state to 700 ° C. at a rate of 10 ° C./min to perform crystallization, the reduction rate of the obtained precursor solution defined by the above formula (1) is reduced. It was found that the effect of the present invention was further favorably exhibited when the content was 5.0% or more and 6.5% or less.
In this embodiment, the reduction rate of the precursor solution between the one satisfying the desired droplet discharge speed (non-defective product) and the one not satisfying the desired droplet discharge rate (defective product) is defined as 5.0 to 5.0 for the non-defective product. The result was 6.5%, and the defective product was out of the range.

図15は、前記良品および不良品における、前駆体溶液の前記式(1)で定義される減少率と振動板の変位との関係を示すグラフである。図15において、変位量は相対的に表され、所望の変位の基準値を1.00とした。前駆体溶液は合計4つであり、そのうちの3つは良品を形成し、1つは不良品となった。4つの前駆体溶液について。それぞれ変位量を3回繰り返して調べた。その結果、図15に示すように前駆体溶液の前記式(1)で定義される減少率が5.0%以上6.5%以下である場合に良品が形成され、この範囲を外れた該溶液は、不良品(変位量相対値=0.94以下)となった。また、該減少率と変位量とは良好な相関関係が確認された。この結果は良品、不良品におけるPZT膜中の残存Pb量の傾向とも一致しており、鉛の抜けやすさが変位特性に影響していることが分かった。以上のように前駆体溶液中におけるプロセス中の該減少率を規定することで、アクチュエータの変位特性をより正確に管理することができる。   FIG. 15 is a graph showing the relationship between the reduction rate of the precursor solution defined by the formula (1) and the displacement of the diaphragm in the non-defective product and the defective product. In FIG. 15, the displacement amount is relatively expressed, and the reference value of the desired displacement is set to 1.00. There were a total of four precursor solutions, three of which formed non-defective products and one of which was defective. For four precursor solutions. Each displacement was examined three times. As a result, when the reduction rate of the precursor solution defined by the formula (1) is 5.0% or more and 6.5% or less as shown in FIG. 15, a non-defective product is formed. The solution was a defective product (displacement relative value = 0.94 or less). Further, a good correlation was confirmed between the reduction rate and the displacement amount. This result is consistent with the tendency of the amount of residual Pb in the PZT film in the non-defective product and the defective product, and it was found that the ease of lead removal affects the displacement characteristics. As described above, the displacement characteristics of the actuator can be more accurately managed by defining the reduction rate during the process in the precursor solution.

10 基板
11 振動板
20 下地膜
21 密着層
22 下部電極
23 配向性制御層
30 圧電体膜
40 上部電極
41 導電性酸化物層
42 上部電極層
50 保護層
70 加圧液室
71 流路形成基板
72 共通液室
73 アクチュエーター部
74A アクチュエーター部逃げ
74B インク流路
75 流体抵抗
76 サブフレーム
79 ノズル孔
80 ノズル基板
201 基板
202 振動板
203 圧力封止板
204 圧力室
205 第1電極
206 アクチュエータ
207 第2電極
401 ガイド部材
403 キャリッジ
404 液体吐出ヘッド
405 主走査モータ
406 駆動プーリ
407 従動プーリ
408 タイミングベルト
410 用紙
412 搬送ベルト
413 搬送ローラ
414 テンションローラ
421 キャップ部材
422 ワイパ部材
440 液体吐出ユニット
441 ヘッドタンク
442 カバー
443 コネクタ
444 流路部品
450 液体カートリッジ
451 カートリッジホルダ
452 送液ユニット
456 チューブ
491A、491B 側板
491C 背板
493 主走査移動機構
494 供給機構
495 搬送機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 Vibration plate 20 Base film 21 Adhesion layer 22 Lower electrode 23 Orientation control layer 30 Piezoelectric film 40 Upper electrode 41 Conductive oxide layer 42 Upper electrode layer 50 Protective layer 70 Pressurized liquid chamber 71 Flow path forming substrate 72 Common liquid chamber 73 Actuator section 74A Actuator section escape 74B Ink flow path 75 Fluid resistance 76 Subframe 79 Nozzle hole 80 Nozzle substrate 201 Substrate 202 Vibrating plate 203 Pressure sealing plate 204 Pressure chamber 205 First electrode 206 Actuator 207 Second electrode 401 Guide member 403 Carriage 404 Liquid discharge head 405 Main scanning motor 406 Drive pulley 407 Driven pulley 408 Timing belt 410 Paper 412 Transport belt 413 Transport roller 414 Tension roller 421 Cap member 422 Wiper member 440 Liquid discharge unit 44 Head tank 442 cover 443 connector 444 the channel part 450 liquid cartridge 451 cartridge holder 452 liquid-feeding unit 456 tubes 491A, 491B plate 491C backplate 493 main scan movement mechanism 494 supplying mechanism 495 transporting mechanism

特開2015−207725号公報JP 2015-207725 A 特開2017−157773号公報JP 2017-157773 A 特許第6156068号公報Japanese Patent No. 6156068

Claims (10)

強誘電体薄膜を形成するための強誘電体薄膜形成用溶液であって、
前記強誘電体薄膜形成用溶液は、鉛とジルコニウムとチタンとを含み、
前記強誘電体薄膜形成用溶液を加熱して脱脂処理および結晶化処理を順次行った際、
前記脱脂処理した後の処理物1の質量を質量Aとし、前記結晶化処理した後の処理物2の質量を質量Bとしたときに、下記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下である、
ことを特徴とする強誘電体薄膜形成用溶液。
減少率 = {(質量A−質量B)/質量A} × 100(%) 式(1)
A ferroelectric thin film forming solution for forming a ferroelectric thin film,
The ferroelectric thin film forming solution contains lead, zirconium and titanium,
When heating the solution for forming a ferroelectric thin film and sequentially performing a degreasing process and a crystallization process,
When the mass of the treated material 1 after the degreasing treatment is represented by mass A and the mass of the treated material 2 after the crystallization treatment is represented by mass B, the reduction rate defined by the following formula (1) is 5 0.0% or more and 6.5% or less,
A solution for forming a ferroelectric thin film, comprising:
Reduction rate = {(mass A−mass B) / mass A} × 100 (%) Formula (1)
前記強誘電体薄膜形成用溶液の前記脱脂処理を300℃で行い、前記強誘電体薄膜形成用溶液の質量減少の変動率が30分間にわたり0.05%以下となる時点で前記脱脂処理を終了させ、その状態から昇温速度10℃/分で700℃まで昇温させ結晶化処理を行い、得られた強誘電体薄膜形成用溶液の前記式(1)で定義される減少率が、5.0%以上6.5%以下であることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体薄膜形成用溶液。   The degreasing process of the ferroelectric thin film forming solution is performed at 300 ° C., and the degreasing process is completed when the rate of change in mass decrease of the ferroelectric thin film forming solution becomes 0.05% or less over 30 minutes. From this state, the temperature was raised to 700 ° C. at a rate of 10 ° C./min to perform crystallization treatment, and the decrease rate of the obtained ferroelectric thin film forming solution defined by the above formula (1) was 5%. 2. The solution for forming a ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the content is not less than 0.0% and not more than 6.5%. 前記減少率が、下記式(2)で表されることを特徴とする請求項1または2に記載の強誘電体薄膜形成用溶液。
{17.86/(207.2×α+323.5)}×100≦減少率(%)≦{22.32/(207.2×α+323.5)}×100 式(2)
式(2)中、αは強誘電体薄膜の目的とする鉛量に対して過剰に加えた鉛量(mol%)である。
3. The solution for forming a ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the decrease rate is represented by the following equation (2).
{17.86 / (207.2 × α + 323.5)} × 100 ≦ reduction rate (%) ≦ {22.32 / (207.2 × α + 323.5)} × 100 Equation (2)
In the formula (2), α is the amount of lead (mol%) added excessively to the desired amount of lead in the ferroelectric thin film.
V、Nb、Ta、Sb、Mo、W、K、Na、Li、Bi、LaおよびBaからなる群から選択された1種以上をさらに添加してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の強誘電体薄膜形成用溶液。   V, Nb, Ta, Sb, Mo, W, K, Na, Li, Bi, La and Ba, wherein one or more selected from the group consisting of further added, characterized in that it is further added. The solution for forming a ferroelectric thin film according to any one of the above. 請求項1〜4のいずれかに記載の強誘電体薄膜形成用溶液を用いて形成されたことを特徴とする強誘電体薄膜。   A ferroelectric thin film formed using the solution for forming a ferroelectric thin film according to claim 1. 請求項5に記載の強誘電体薄膜の上面と下面に夫々電極を設けてなることを特徴とする圧電素子。   A piezoelectric element comprising electrodes provided on an upper surface and a lower surface of the ferroelectric thin film according to claim 5, respectively. 液体を吐出するノズル孔を有するノズル基板と、
前記ノズル孔に連通する加圧液室を有する流路形成基板と、
前記加圧液室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、
前記振動板上に、請求項6に記載の圧電素子と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
A nozzle substrate having a nozzle hole for discharging liquid,
A flow path forming substrate having a pressurized liquid chamber communicating with the nozzle hole,
A diaphragm constituting at least one wall of the pressurized liquid chamber,
A liquid discharge head comprising: the piezoelectric element according to claim 6 on the vibration plate.
請求項7に記載の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする液体吐出ユニット。   A liquid discharge unit comprising the liquid discharge head according to claim 7. 請求項7に記載の液体吐出ヘッドまたは請求項8に記載の液体吐出ユニットを備えることを特徴とする液体吐出装置。   A liquid discharge apparatus comprising the liquid discharge head according to claim 7 or the liquid discharge unit according to claim 8. 請求項6に記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電装置。   A piezoelectric device comprising the piezoelectric element according to claim 6.
JP2018183498A 2018-09-28 2018-09-28 Method for forming ferroelectric thin film and method for manufacturing piezoelectric element and liquid ejection head Active JP7176329B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018183498A JP7176329B2 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Method for forming ferroelectric thin film and method for manufacturing piezoelectric element and liquid ejection head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018183498A JP7176329B2 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Method for forming ferroelectric thin film and method for manufacturing piezoelectric element and liquid ejection head

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020053620A true JP2020053620A (en) 2020-04-02
JP7176329B2 JP7176329B2 (en) 2022-11-22

Family

ID=69997757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018183498A Active JP7176329B2 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Method for forming ferroelectric thin film and method for manufacturing piezoelectric element and liquid ejection head

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7176329B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021141232A (en) * 2020-03-06 2021-09-16 株式会社リコー Piezoelectric material and liquid discharge head

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06326270A (en) * 1993-05-14 1994-11-25 Texas Instr Japan Ltd Capacitor, electrode structure, and semiconductor memory
JPH1081016A (en) * 1995-09-19 1998-03-31 Seiko Epson Corp Piezoelectric body thin film element and manufacture thereof, and ink jet recording head employing piezoelectric body thin film element
JP2000124514A (en) * 1998-10-15 2000-04-28 Citizen Watch Co Ltd Manufacture of ferroelectric element
JP2001135876A (en) * 1999-11-02 2001-05-18 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric or ferrodielectric thin film
JP2005126274A (en) * 2003-10-23 2005-05-19 Nippon Soda Co Ltd Manufacturing method of metal oxide sol solution, crystalline complex metal oxide sol and metal oxide film
JP2012178506A (en) * 2011-02-28 2012-09-13 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric element
JP2012235005A (en) * 2011-05-06 2012-11-29 Seiko Epson Corp Precursor solution of piezoelectric film and manufacturing method of piezoelectric element
JP2013251490A (en) * 2012-06-04 2013-12-12 Yuutekku:Kk Ferroelectric crystal film, electronic component, method for manufacturing ferroelectric crystal film, and device for manufacturing ferroelectric crystal film

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06326270A (en) * 1993-05-14 1994-11-25 Texas Instr Japan Ltd Capacitor, electrode structure, and semiconductor memory
JPH1081016A (en) * 1995-09-19 1998-03-31 Seiko Epson Corp Piezoelectric body thin film element and manufacture thereof, and ink jet recording head employing piezoelectric body thin film element
JP2000124514A (en) * 1998-10-15 2000-04-28 Citizen Watch Co Ltd Manufacture of ferroelectric element
JP2001135876A (en) * 1999-11-02 2001-05-18 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric or ferrodielectric thin film
JP2005126274A (en) * 2003-10-23 2005-05-19 Nippon Soda Co Ltd Manufacturing method of metal oxide sol solution, crystalline complex metal oxide sol and metal oxide film
JP2012178506A (en) * 2011-02-28 2012-09-13 Seiko Epson Corp Manufacturing method of piezoelectric element
JP2012235005A (en) * 2011-05-06 2012-11-29 Seiko Epson Corp Precursor solution of piezoelectric film and manufacturing method of piezoelectric element
JP2013251490A (en) * 2012-06-04 2013-12-12 Yuutekku:Kk Ferroelectric crystal film, electronic component, method for manufacturing ferroelectric crystal film, and device for manufacturing ferroelectric crystal film

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021141232A (en) * 2020-03-06 2021-09-16 株式会社リコー Piezoelectric material and liquid discharge head
JP7424113B2 (en) 2020-03-06 2024-01-30 株式会社リコー Piezoelectric body and liquid ejection head

Also Published As

Publication number Publication date
JP7176329B2 (en) 2022-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5892406B2 (en) Electromechanical transducer, droplet discharge head, and droplet discharge device
JP5811728B2 (en) ELECTRO-MACHINE CONVERSION ELEMENT, DROPLET DISCHARGE HEAD, DROPLET DISCHARGE DEVICE, AND IMAGE FORMING DEVICE
US9950524B2 (en) PZT-film laminated structure, liquid discharge head, liquid discharge device, liquid discharge apparatus, and method of making PZT-film laminated structure
US9902151B2 (en) Liquid ejection head, liquid ejection unit, and liquid ejection device
US9537085B2 (en) Fabrication method of electromechanical transducer film, fabrication method of electromechanical transducer element, electromechanical transducer element, liquid ejection head, and image forming apparatus
JP6939214B2 (en) Electrical-mechanical conversion element, liquid discharge head and liquid discharge device
US10556431B2 (en) Electromechanical transducer element, liquid discharge head, liquid discharge device, and liquid discharge apparatus
JP2015079935A (en) Piezoelectric actuator and droplet discharge head, and image forming apparatus
US8678563B2 (en) Liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and piezoelectric element
US9925768B2 (en) Liquid discharge head, liquid discharge device, and liquid discharge apparatus
JP6658296B2 (en) Discharge drive device, liquid discharge head, liquid discharge unit, device for discharging liquid
US10596581B2 (en) Actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and liquid discharge apparatus
JP7176329B2 (en) Method for forming ferroelectric thin film and method for manufacturing piezoelectric element and liquid ejection head
US11801676B2 (en) Liquid discharge head, liquid discharge device, liquid discharge apparatus
JP7351106B2 (en) Electromechanical transducer element, liquid ejection head, liquid ejection unit, liquid ejection device, and piezoelectric device
US8376527B2 (en) Liquid ejecting head and liquid ejecting apparatus
US10150293B2 (en) Electromechanical transducer element, method for producing electromechanical transducer element, liquid ejecting head, liquid ejecting unit, and apparatus for ejecting liquid
US20210086515A1 (en) Electromechanical transducer element, liquid discharge head, liquid discharge device, liquid discharge apparatus, and method of making electromechanical transducer element
JP6287188B2 (en) Piezoelectric actuator, method for manufacturing piezoelectric actuator, droplet discharge head, liquid cartridge, and image forming apparatus
US10843464B2 (en) Electromechanical transducer element, liquid discharge head, liquid discharge apparatus
JP2014157850A (en) Electromechanical conversion element, droplet discharge head, and image forming apparatus
JP2015005554A (en) Electromechanical conversion element, droplet discharge head, droplet discharge device, imaging device, and method for manufacturing electromechanical conversion element
JP7424113B2 (en) Piezoelectric body and liquid ejection head
JP5998537B2 (en) Electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, and droplet discharge apparatus
JP6119288B2 (en) Method for forming ferroelectric film

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210712

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220623

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220628

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220823

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221011

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221024

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7176329

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151