JP3887977B2

JP3887977B2 - Piezoelectric thin film element, ink jet recording head, ink jet printer, and method of manufacturing piezoelectric thin film element

Info

Publication number: JP3887977B2
Application number: JP33934398A
Authority: JP
Inventors: 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000164947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動子、フィルター、圧電トランス、遅延回路等に使用される圧電体薄膜素子の製造技術に係わり、特に、単体の反強誘電体膜を下部電極上に成膜する技術に係わる。また、オンデマンド型インクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源に好適な圧電体薄膜素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源として圧電体薄膜素子が用いられている。特開平１０−５２０７１号公報に記載されているように、この圧電体薄膜素子には電界印加により弾性的変形を生じる材料が用いられており、例えば、逆圧電効果を有する圧電材料、電歪効果を利用する電歪材料、反強誘電体材料の電界誘起強制相転移を利用する相転移材料等が知られている。この中でも上記相転移材料（例えば、ジルコン酸鉛）は圧電材料と比較して発生応力が大きく、巨大歪みが生じるため、インクジェット式記録ヘッドのインク吐出駆動源として好適である。反強誘電体材料を圧電体薄膜素子に使用することで、インクジェット式記録ヘッドの高集積化に伴う、電圧―圧力変換素子としての圧電体薄膜素子に要求される駆動能力を備えることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来では、強誘電体材料を用いて圧電体薄膜素子を製造する場合、下部電極と強誘電体膜間の密着力を高めるために下部電極と強誘電体膜のそれぞれにチタンを混入する必要があった。例えば、下部電極を基板側からＴｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ｔｉ（５ｎｍ）として成膜し、強誘電体膜としてＰｂＺｒ_xＴｉ_1-xＯ₃（ｘ＞０．７）をＭＯＤ法（Metal Organic Decomposition Process）で成膜すると、約６００℃の熱処理工程時に強誘電体膜が下部電極から剥離する現象を観察することができた。同じく、下部電極上にＰｂＺｒＯ₃をＭＯＤ法で成膜すると、約５００℃の熱処理工程時において反強誘電体膜が下部電極から剥離することが確認できた。これは、強誘電体膜又は反強誘電体膜中に含有されているチタンの量が少ないか、或いは、チタンが含有されていないために下部電極との密着力が低下することが原因であると考えられる。
【０００４】
しかしながら、駆動特性に優れた圧電体薄膜素子を製造するためには、できるだけ単体に近い（チタンが含有されていない）反強誘電体膜を下部電極上に成膜することが望ましい。また、均一な膜を成膜するためにはゾル・ゲル法やＭＯＤ法で成膜することが好ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、下部電極上に単体の反強誘電体膜を成膜することができる圧電体薄膜素子の製造方法、この方法により得られる圧電体薄膜素子、この圧電体薄膜素子をインク吐出駆動源としたインクジェット式記録ヘッド及びインクジェットプリンタを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる圧電体薄膜素子は、上部電極と下部電極に挟まれる反強誘電体膜を備える圧電体薄膜素子であって、下部電極と反強誘電体膜の間にジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする薄膜（密着層）を備える。この密着層は下部電極と反強誘電体膜を強力に密着させる働きを有するとともに、単体の反強誘電体膜の成膜を可能にする。
【０００７】
特に、密着層の組成をＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3（０．５≦ｘ≦０．７）とすることで、密着層上に単体の（チタンを含有していない）反強誘電体膜を成膜しても反強誘電体膜が密着層から剥離することがない。また、密着層の結晶構造は反強誘電体膜の結晶構造と整合性があるため、密着層として優れた特性を有する。この密着層の厚みは薄い方が好ましく、具体的には、２０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲が好ましい。また、反強誘電体膜の組成は、ＰｂＺｒＯ3又はｘＰｂＺｒＯ3−ｙＰｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3（０＜ｙ≦０．５、ｘ＋ｙ＝１）である。
【０００８】
本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドは、加圧室を備える加圧室基板にインク吐出駆動源を配置したインクジェット式記録ヘッドであって、インク吐出駆動源を請求項１又は請求項２に記載の圧電体薄膜素子としたものである。本発明の圧電体薄膜素子はチタンを含まない単体の反強誘電体膜を備えるため、圧電特性に優れており、圧電体薄膜素子を小型化することが可能である。このため、本発明の圧電体薄膜素子をインク吐出駆動源とすることでインクジェット式記録ヘッドの高集積化が可能になる。
【０００９】
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、入力される印字データに応じて記録用紙に選択的にインク滴を吐出して文字或いは所望の画像を得るインクジェットプリンタのインク吐出駆動源に用いることができる。本発明のインクジェットプリンタは、印字用の用紙を送る用紙送り機構と、所定の印字データに基づいて上記用紙上に吐出するインクの吐出タイミングを決定する制御部と、上記用紙上を走査し、上記タイミングでインクを吐出する請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載のインクジェット式記録ヘッドとを備える。本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドは微少のインクノズルを高集積化することが可能であるため、本発明のインクジェットプリンタは高精細な印字を可能にする。
【００１０】
本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、上部電極と下部電極に挟まれる反強誘電体膜を備える圧電体薄膜素子を製造する方法であって、下部電極と反強誘電体膜の間にジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする薄膜（密着層）を成膜する工程を備える。この密着層の存在により、単体の反強誘電体膜を成膜することができる。特に、ゾル・ゲル法又はＭＯＤ法でこの反強誘電体膜を成膜することで組成が均一な反強誘電体膜を成膜することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本実施の形態について図１乃至図８を参照して説明する。
【００１２】
（インクジェットプリンタの構成）
図１にインクジェットプリンタの構成を示す。インクジェットプリンタは、主にインクジェット式記録ヘッド１００、本体１０２、トレイ１０３を備えて構成されている。インクジェット式記録ヘッド１００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジ１０１を備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。また、必要に応じてライトシアン、ライトマゼンダのインクカートリッジを備えることもできる。このインクジェットプリンタがプリンタサーバ機能を有している場合には、ネットワーク（ＬＡＮ）に接続している各クライアントからの印刷指示を整理しながら印刷をする。クライアントから送信される印字データはプリンタ内臓のメモリに格納される。このメモリはプリントイメージの格納、イメージ作成のためのワークエリア、データのバッファリング等に用いられる。ＣＰＵはメモリから印字データを読み出し、メモリの所定アドレスにプリントイメージを展開する。インクジェット式記録ヘッド１００は、ヘッド駆動機構１０８を介して用紙１０９上を横方向に走査され、ＣＰＵから供給される印字タイミングでインクを吐出する。本体１０２は、インクジェット式記録ヘッド１００のインクの目詰まりを防止するためのキャップ１０７、クリーナ１０６を備える。印刷の停止時にはキャップ１０７でインクジェット式記録ヘッド１００をこの位置に載せてキャッピングする。また、印刷中におけるインクの乾燥・目詰まり等を防止するために、インクジェット式記録ヘッド１００は本体１０２の端側に移動し、クリーナ１０６でインクを拭き取る。本体１０２は背面にトレイ１０３を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）１０５を備え、用紙１０９を自動的に送り出し、正面の排出口１０４から用紙１０９を排紙する。
【００１３】
（インクジェット式記録ヘッドの構造）
図２にインクジェット式記録ヘッドの全体構成の斜視図を示す。ここではインクの共通通路が加圧室基板内に設けられるタイプを示す。同図に示すように、インクジェット式記録ヘッドは加圧室基板１、ノズルプレート２及び基体３から構成される。加圧室基板１はシリコン単結晶基板をエッチング加工等された後、各々に分離される。加圧室基板１には複数の短冊状の加圧室１０が設けられ、全ての加圧室１０にインクを供給するための共通通路１２を備える。加圧室１０の間は側壁１１により隔てられている。加圧室基板１の基体３側には本発明に係わる圧電体薄膜素子が設けられている。また、各圧電体薄膜素子からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板４に収束され、基体３の外部回路と接続される。ノズルプレート２は加圧室基板１に貼り合わされる。ノズルプレート２における加圧室１０の対応する位置にはインク滴を吐出するためのノズル２１が形成されている。基体３はプラスチック、金属等の鋼体であり、加圧室基板１の取付台となる。
【００１４】
図４（Ｇ）は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドにおける主要部の断面図である。この図は加圧室の長手方向に直角な面で当該主要部を切断した断面形状を示している。同図中、図２と同一構造については同一記号で示し、その説明を省略する。シリコン単結晶基板から構成される加圧室基板１上には振動板１３を介して圧電体薄膜素子５が形成されている。圧電体薄膜素子５は上部電極と下部電極に挟まれた反強誘電体膜を備えるとともに、下部電極と反強誘電体膜間の密着力を高める密着層を備える。この圧電体薄膜素子５に所望の電圧を印加することで、反強誘電体膜が体積変化を起こし、振動板１３を介して加圧室１０内のインクを加圧する。すると、加圧室１０内に充填されているインクはノズル２１から吐出し、所定の記録紙に付着することで印字等が可能になる。
【００１５】
（インクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程）
図３、図４を参照してインクジェット式記録ヘッドの主要部の製造工程を説明する。
【００１６】
振動板及び下部電極成膜工程（図３（Ａ））
所定の大きさと厚さ（例えば、直径１５０ｍｍ、厚さ６００μｍ）のシリコン単結晶基板１上にその全面に熱酸化法により二酸化珪素からなる振動板１３を成膜する。この振動板１３はシリコン単結晶基板１と下部電極間の絶縁膜としても機能する。但し、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよく、さらに、振動板自体をなくして後述するように下部電極に振動板の役割を兼ねてもよい。次いで、この振動板１３上に下部電極１４を成膜する。下部電極１４はスパッタ法により、振動板側からチタンを２０ｎｍ、白金を２００ｎｍ順次積層することで成膜する。
【００１７】
密着層成膜工程（同図（Ｂ））
ゾル・ゲル法又はＭＯＤ法により、下部電極１４上に密着層１５を成膜する。密着層１５の組成は、例えば、ＰｂＺｒ_xＴｉ_1-xＯ₃とする。ここで、ｘの値は、０．５≦ｘ≦０．７の範囲とする。ｘ≦０．７とする理由は既述した通りであるから、０．５≦ｘとする理由を次に述べる。図５乃至図８は密着層１５の反射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを表したものである。縦軸は反射Ｘ線の強度［ｃｐｓ］、横軸は２θ［ｄｅｇ］である。図５はＺｒ／Ｔｉ＝３５／６５（ｘ＝０．３５）の場合を示しており、ピーク２，３が［１０１］、［１１０］配向の結晶構造の存在を表している。図６はＺｒ／Ｔｉ＝４５／５５（ｘ＝０．４５）の場合を表しており、ピーク２，３が［１０１］、［１１０］配向の結晶構造の存在を表している。図７はＺｒ／Ｔｉ＝５５／４５（ｘ＝０．５５）の場合、図８はＺｒ／Ｔｉ＝６５／３５（ｘ＝０．６５）の場合を示している。これらの測定結果から、密着層１５中のＺｒの量が少ない（ｘの値が０．５より小さい）と、密着層１５が正方晶系になると考えられる。この正方晶系のａ軸（格子定数）は、ＰｂＺｒＯ₃（ＰｂＺｒＯ₃は結晶系が菱面体系である）の格子定数に比べて小さすぎるため、密着層１５の結晶構造が反強誘電体膜１６の結晶構造と適合せず、好ましくない。従がって、ｘの値の範囲は、０．５≦ｘ≦０．７が好ましい。
【００１８】
次に、密着層１５の成膜法を述べる。ゾルを調整するために、２−ｎブトキシエタノールを溶媒とし、ジエタノールアミンとポリエチレングリコールを添加剤として用いる。さらに溶質として、酢酸鉛三水和物（Ｐｂ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・３Ｈ₂Ｏ）、チタニウムイソプロポキシド（Ｔｉ（ＯＣ₃Ｈ₇）₄）、ジルコニウムアセチルアセテート（Ｚｒ（ＣＨ₃ＣＯＣＨＣＯＣＨ₃）₄）を用いる。これらの溶媒の量は、０．５≦ｘ≦０．７の範囲になるように調整する。ゾルを調整後、１０００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍで下部電極１４上にスピンコートし、膜厚を２０ｎｍ乃至１００ｎｍに調整する。ゾルを塗布後、１８０℃で乾燥させ、ＲＴＡ処理（Rapid Thermal Annealing）を６５０℃で５分（又は９００℃で１分）行う。以上の工程を経て密着層１５が結晶化する。この密着層１５は、チタンを適量含んでいるので、下部電極１４と反強誘電体膜１６の間に介在し、両者を密着させる働きを有する。また、密着層１５の結晶構造と反強誘電体膜１６の結晶構造との不整合は少ないため、密着層として好適な特性を有する。このため、後述する反強誘電体膜１６の成膜工程でチタンを含まない単体の反強誘電体膜１６をゾル・ゲル法又はＭＯＤ法で成膜しても反強誘電体膜１６が剥離することはない。
【００１９】
反強誘電体膜成膜工程（同図（Ｃ））
次いで、密着層１５上に反強誘電体膜１６を成膜する。反強誘電体膜１６は、均一な膜を成膜するためにゾル・ゲル法又はＭＯＤ法で成膜する。反強誘電体膜１６の組成は、例えば、ＰｂＺｒＯ₃とする。ゾルを調整するために、２−ｎブトキシエタノールを溶媒とし、ジエタノールアミンとポリエチレングリコールを添加剤として用いる。さらに溶質として、酢酸鉛三水和物、ジルコニウムアセチルアセテートを用いる。ゾルを調整後、１０００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍで密着層１５上にスピンコートし、膜厚を５００ｎｍ乃至１５００ｎｍに調整する。スピンコートの回数は５回乃至２０回に分けて行う。ゾルを塗布する都度に、１８０℃の温度環境下で１０分間乾燥させ、最後にＲＴＡ処理を６５０℃で５分（又は８００℃で１分）行う。以上の工程を経て反強誘電体膜１６が結晶化する。本工程で成膜される反強誘電体膜１６は、下部電極１４との密着力を向上させるためのチタンを混入する必要がないため、単体の反強誘電体膜１６を成膜することができる。また、ゾル・ゲル法又はＭＯＤ法で成膜するため、組成を均一にすることができる。尚、反強誘電体膜１６の他の組成としては、ｘＰｂＺｒＯ₃−ｙＰｂ（Ｎｉ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃（０＜ｙ≦０．５、ｘ＋ｙ＝１）が適用できる。
【００２０】
上部電極成膜工程（同図（Ｄ）
反強誘電体膜１６上に上部電極１７を成膜する。この工程では、例えば、白金（１００ｎｍ）又はイリジウム（５０ｎｍ）をスパッタ法により成膜する。
【００２１】
薄膜エッチング工程（図４（Ｅ））
加圧室が形成されるべき位置に合わせて、上部電極１７上にスピンナー法、スプレー法等の適当な方法で均一な膜厚を有するレジストを塗布し、露光・現像してレジスト（図示せず）を形成する。このレジストをマスクとして、上部電極１７、反強誘電体膜１６、密着層１５及び下部電極１４を所定の分離形状にドライエッチングし、各加圧室に対応する圧電体薄膜素子５を形成する。この工程は、選択性のあるガスを適宜選択して行う。
【００２２】
加圧室形成工程（同図（Ｆ））
本工程では、シリコン単結晶基板１をエッチングして加圧室１０を形成する。まず、加圧室１０が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスク（図示せず）を施し、平行平板型反応性イオンエッチング、誘導結合型方式、エレクトロンサイクロトロン共鳴方式、ヘリコン波励起方式、マグネトロン方式、プラズマエッチング方式、イオンビームエッチング方式等のドライエッチングで加圧室１０を形成する。エッチング条件は、ガス種類、ガス圧、ガス流量、バイアス電圧等を考慮して適宜設定することでエッチング形状を矩形や、テーパ形状等にすることができる。エッチングされずに残った部分は側壁１１となる。以上の工程を経て製造されたシリコン単結晶基板１は加圧室基板となる。
【００２３】
ノズルプレート接合工程（同図（Ｇ））
エッチング後のシリコン単結晶基板１に樹脂等を用いてノズルプレート２を接合する。このとき、各ノズル２１が加圧室１０の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。ノズルプレート２を接合したシリコン単結晶基板１を基体３に取り付ければ、インクジェット式記録ヘッドが完成する。
【００２４】
（作用）
以上、説明したように、本実施の形態によれば、下部電極上に密着層を介して反強誘電体膜を成膜する工程であるため、反強誘電体膜にチタンを混入する必要がない。このため、単体の反強誘電体膜を成膜することができ、圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を提供することができる。特に、反強誘電体膜は結晶中に互いに反対方向の自発分極が存在し、これらが打ち消し合って結晶全体として自発分極が０になる性質を有していることから、圧電体薄膜素子をアクチュエータとして用いると、非連続的な（急峻な）応答を示し、応答特性に優れたアクチュエータを提供することができる。
【００２５】
また、反強誘電体膜が相転移を生じ、変位が飽和する電圧以上に印加電圧を設定することで、印加電圧の変動（環境温度、回路抵抗、電源電圧変動等）に対するアクチュエータの変位の変動を抑制することができる。また、反強誘電体膜をゾル・ゲル法又はＭＯＤ法で成膜することで組成が均一な反強誘電体膜を成膜することが可能となる。また、反強誘電体膜を用いた圧電体薄膜素子は圧電特性に優れているため、圧電体薄膜素子の小型化が可能になり、インクジェット式記録ヘッドの高集積化に適している。従がって、インクジェット式記録ヘッドの解像度を高め、高精細な印字を可能にすることができる。
【００２６】
尚、本実施の形態の圧電体薄膜素子は、フィルタ、遅延線、リードセレクタ、音叉発振子、音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤホン、圧電マイクロフォン、ＳＡＷフィルタ、ＲＦモジュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプラ、圧電加速度計、圧電スピーカとして用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の圧電体薄膜素子によれば、下部電極と反強誘電体膜の間にジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする薄膜を備えることで、反強誘電体膜を下部電極に密着させることができるとともに、単体の反強誘電体膜を成膜することができる。このため、圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を提供することができる。
【００２８】
本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電特性に優れた本発明の圧電体薄膜素子をインク吐出駆動源としているため、インクジェット式記録ヘッドの小型化、高集積化を実現することができる。また、本発明のインクジェットプリンタによれば、高精細な印字を可能にすることができる。
【００２９】
本発明の圧電体薄膜素子の製造方法によれば、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする薄膜上に反強誘電体膜を成膜することで、単体の反強誘電体膜を成膜することができる。特に、ゾル・ゲル法又はＭＯＤ法で反強誘電体膜を製造するため、組成が均一な反強誘電体膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットプリンタの構成図である。
【図２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【図４】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【図５】Ｚｒ／Ｔｉ＝３５／６５のときの密着層の反射Ｘ線回折スペクトルである。
【図６】Ｚｒ／Ｔｉ＝４５／５５のときの密着層の反射Ｘ線回折スペクトルである。
【図７】Ｚｒ／Ｔｉ＝５５／４５のときの密着層の反射Ｘ線回折スペクトルである。
【図８】Ｚｒ／Ｔｉ＝６５／３５のときの密着層の反射Ｘ線回折スペクトルである。
【符号の説明】
１加圧室基板
２ノズルプレート
３基体
４配線基板
５圧電体薄膜素子
１０加圧室
１１側壁
１２共通流路
１３振動板
１４下部電極
１５密着層
１６反強誘電体膜
１７上部電極
２１ノズル
１００インクジェット式記録ヘッド
１０１インクカートリッジ
１０２本体
１０３トレイ
１０４排紙口
１０５オートシートフィーダ
１０６クリーナ
１０７キャップ
１０８ヘッド駆動機構
１０９用紙[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing technique of a piezoelectric thin film element used for a vibrator, a filter, a piezoelectric transformer, a delay circuit, and the like, and more particularly to a technique of forming a single antiferroelectric film on a lower electrode. The present invention also relates to a piezoelectric thin film element suitable for an ink discharge drive source of an on-demand type ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric thin film element is used as an ink discharge drive source for an ink jet recording head. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-52071, the piezoelectric thin film element uses a material that elastically deforms when an electric field is applied. For example, a piezoelectric material having an inverse piezoelectric effect, an electrostrictive effect, etc. There are known electrostrictive materials that use ED, phase transition materials that use electric field induced forced phase transition of antiferroelectric materials, and the like. Among these, the phase transition material (for example, lead zirconate) generates a large stress compared to the piezoelectric material and causes a huge distortion, and thus is suitable as an ink discharge driving source for an ink jet recording head. By using the antiferroelectric material for the piezoelectric thin film element, it is possible to provide the driving capability required for the piezoelectric thin film element as the voltage-pressure conversion element accompanying the high integration of the ink jet recording head.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, when a piezoelectric thin film element is manufactured using a ferroelectric material, titanium is mixed into each of the lower electrode and the ferroelectric film in order to increase the adhesion between the lower electrode and the ferroelectric film. There was a need. For example, the lower electrode is formed as Ti (20 nm) / Pt (200 nm) / Ti (5 nm) from the substrate side, and PbZr _x Ti _1-x O ₃ (x> 0.7) is used as the ferroelectric film by the MOD method. When the film was formed by (Metal Organic Decomposition Process), it was possible to observe the phenomenon that the ferroelectric film peeled off from the lower electrode during the heat treatment process at about 600 ° C. Similarly, when PbZrO ₃ was formed on the lower electrode by the MOD method, it was confirmed that the antiferroelectric film was peeled off from the lower electrode during the heat treatment process at about 500 ° C. This is because the amount of titanium contained in the ferroelectric film or antiferroelectric film is small, or the adhesion with the lower electrode is reduced because titanium is not contained. it is conceivable that.
[0004]
However, in order to manufacture a piezoelectric thin film element having excellent driving characteristics, it is desirable to form an antiferroelectric film as close to a single body (containing no titanium) as possible on the lower electrode. In order to form a uniform film, it is preferable to form the film by a sol-gel method or a MOD method.
[0005]
Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing a piezoelectric thin film element capable of forming a single antiferroelectric film on a lower electrode, a piezoelectric thin film element obtained by this method, and ink ejection of this piezoelectric thin film element. It is an object to provide an ink jet recording head and an ink jet printer as drive sources.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A piezoelectric thin film element according to the present invention is a piezoelectric thin film element having an antiferroelectric film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, wherein lead zirconate titanate is interposed between the lower electrode and the antiferroelectric film. A thin film (adhesion layer) as a main component is provided. This adhesion layer has a function of strongly adhering the lower electrode and the antiferroelectric film, and enables formation of a single antiferroelectric film.
[0007]
In particular, by setting the composition of the adhesion layer to PbZrxTi1-xO3 (0.5 ≦ x ≦ 0.7), a single (without titanium) antiferroelectric film is formed on the adhesion layer. However, the antiferroelectric film does not peel from the adhesion layer. Further, since the crystal structure of the adhesion layer is consistent with the crystal structure of the antiferroelectric film, the adhesion layer has excellent characteristics as the adhesion layer. The thickness of the adhesion layer is preferably thin, and specifically, the range of 20 nm to 100 nm is preferable. The composition of the antiferroelectric film is PbZrO3 or xPbZrO3-yPb (Ni1 / 3Nb2 / 3) O3 (0 <y≤0.5, x + y = 1).
[0008]
An ink jet recording head according to the present invention is an ink jet recording head in which an ink discharge driving source is arranged on a pressure chamber substrate including a pressure chamber, and the ink discharge driving source is defined in claim 1 or 2. This is a piezoelectric thin film element. Since the piezoelectric thin film element of the present invention includes a single antiferroelectric film that does not contain titanium, the piezoelectric thin film element is excellent in piezoelectric characteristics, and the piezoelectric thin film element can be miniaturized. For this reason, by using the piezoelectric thin film element of the present invention as an ink ejection drive source, it is possible to achieve high integration of the ink jet recording head.
[0009]
The ink jet recording head of the present invention can be used as an ink discharge driving source of an ink jet printer that obtains characters or a desired image by selectively discharging ink droplets onto recording paper according to input print data. An ink jet printer according to the present invention includes a paper feed mechanism that feeds paper for printing, a control unit that determines the ejection timing of ink ejected on the paper based on predetermined print data, and scans the paper for the timing. The inkjet recording head according to any one of claims 1 to 5, which discharges ink. Since the ink jet recording head according to the present invention can highly integrate minute ink nozzles, the ink jet printer of the present invention enables high-definition printing.
[0010]
An ink jet recording head manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a piezoelectric thin film element having an antiferroelectric film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and is provided between the lower electrode and the antiferroelectric film. A step of forming a thin film (adhesion layer) mainly composed of lead zirconate titanate. Due to the presence of the adhesion layer, a single antiferroelectric film can be formed. In particular, an antiferroelectric film having a uniform composition can be formed by forming this antiferroelectric film by the sol-gel method or the MOD method.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
This embodiment will be described with reference to FIGS.
[0012]
(Inkjet printer configuration)
FIG. 1 shows the configuration of an ink jet printer. The ink jet printer mainly includes an ink jet recording head 100, a main body 102, and a tray 103. The ink jet recording head 100 includes a total of four ink cartridges 101 of yellow, magenta, cyan, and black, and is configured to be capable of full color printing. Further, if necessary, ink cartridges of light cyan and light magenta can be provided. When this ink jet printer has a printer server function, printing is performed while arranging print instructions from clients connected to the network (LAN). Print data transmitted from the client is stored in a memory built in the printer. This memory is used for print image storage, work area for image creation, data buffering, and the like. The CPU reads the print data from the memory and develops the print image at a predetermined address in the memory. The ink jet recording head 100 is scanned in the horizontal direction on the paper 109 via the head drive mechanism 108 and ejects ink at the printing timing supplied from the CPU. The main body 102 includes a cap 107 and a cleaner 106 for preventing clogging of ink in the ink jet recording head 100. When printing is stopped, the ink-jet recording head 100 is placed on this position by the cap 107 and capped. Further, in order to prevent the ink from drying and clogging during printing, the ink jet recording head 100 moves to the end side of the main body 102 and wipes the ink with the cleaner 106. The main body 102 includes a tray 103 on the back surface and an auto sheet feeder (automatic continuous paper feeding mechanism) 105 inside the main body 102, and automatically feeds the paper 109 and discharges the paper 109 from the front discharge port 104.
[0013]
(Inkjet recording head structure)
FIG. 2 is a perspective view of the overall configuration of the ink jet recording head. Here, a type in which a common ink passage is provided in the pressure chamber substrate is shown. As shown in the figure, the ink jet recording head includes a pressurizing chamber substrate 1, a nozzle plate 2, and a base 3. The pressurizing chamber substrate 1 is separated into each of the silicon single crystal substrates after etching. The pressurizing chamber substrate 1 is provided with a plurality of strip-shaped pressurizing chambers 10 and includes a common passage 12 for supplying ink to all the pressurizing chambers 10. The pressurizing chambers 10 are separated by side walls 11. A piezoelectric thin film element according to the present invention is provided on the substrate 3 side of the pressurizing chamber substrate 1. Further, the wiring from each piezoelectric thin film element is converged on the wiring substrate 4 which is a flexible cable and connected to an external circuit of the base 3. The nozzle plate 2 is bonded to the pressurizing chamber substrate 1. A nozzle 21 for ejecting ink droplets is formed at a position corresponding to the pressurizing chamber 10 in the nozzle plate 2. The base 3 is a steel body such as plastic or metal and serves as a mounting base for the pressurizing chamber substrate 1.
[0014]
FIG. 4G is a cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head of the present embodiment. This figure shows a cross-sectional shape of the main part cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the pressurizing chamber. In the figure, the same structure as that of FIG. 2 is indicated by the same symbol, and the description thereof is omitted. A piezoelectric thin film element 5 is formed on a pressurizing chamber substrate 1 composed of a silicon single crystal substrate via a vibration plate 13. The piezoelectric thin film element 5 includes an antiferroelectric film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and an adhesion layer that enhances the adhesion between the lower electrode and the antiferroelectric film. By applying a desired voltage to the piezoelectric thin film element 5, the antiferroelectric film undergoes a volume change and pressurizes the ink in the pressurizing chamber 10 through the vibration plate 13. Then, the ink filled in the pressurizing chamber 10 is ejected from the nozzle 21 and attached to a predetermined recording paper, thereby enabling printing or the like.
[0015]
(Manufacturing process of main part of ink jet recording head)
The manufacturing process of the main part of the ink jet recording head will be described with reference to FIGS.
[0016]
Diaphragm and lower electrode deposition process (FIG. 3A)
A vibration plate 13 made of silicon dioxide is formed on the entire surface of a silicon single crystal substrate 1 having a predetermined size and thickness (for example, a diameter of 150 mm and a thickness of 600 μm) by thermal oxidation. The diaphragm 13 also functions as an insulating film between the silicon single crystal substrate 1 and the lower electrode. However, the film is not limited to the silicon dioxide film, and may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film. Further, the diaphragm itself may be eliminated and the lower electrode may also serve as a diaphragm as will be described later. Good. Next, the lower electrode 14 is formed on the vibration plate 13. The lower electrode 14 is formed by sequentially depositing 20 nm of titanium and 200 nm of platinum from the diaphragm side by sputtering.
[0017]
Adhesion layer deposition process (Fig. (B))
An adhesion layer 15 is formed on the lower electrode 14 by a sol-gel method or a MOD method. The composition of the adhesion layer 15 is, for example, PbZr _x Ti _1-x O ₃ . Here, the value of x is in a range of 0.5 ≦ x ≦ 0.7. The reason why x ≦ 0.7 is as described above. The reason why 0.5 ≦ x will be described next. 5 to 8 show reflection X-ray diffraction (XRD) spectra of the adhesion layer 15. The vertical axis represents the intensity of reflected X-rays [cps], and the horizontal axis represents 2θ [deg]. FIG. 5 shows the case of Zr / Ti = 35/65 (x = 0.35), and peaks 2 and 3 represent the presence of a crystal structure with [101] and [110] orientations. FIG. 6 represents the case of Zr / Ti = 45/55 (x = 0.45), and peaks 2 and 3 represent the presence of a crystal structure with [101] and [110] orientations. FIG. 7 shows the case of Zr / Ti = 55/45 (x = 0.55), and FIG. 8 shows the case of Zr / Ti = 65/35 (x = 0.65). From these measurement results, it is considered that when the amount of Zr in the adhesion layer 15 is small (the value of x is smaller than 0.5), the adhesion layer 15 becomes tetragonal. Since the tetragonal a-axis (lattice constant) is too small compared to the lattice constant of PbZrO ₃ (PbZrO ₃ is a rhombohedral system), the crystal structure of the adhesion layer 15 is antiferroelectric film. It is not preferable because it is not compatible with the crystal structure of 16. Accordingly, the value range of x is preferably 0.5 ≦ x ≦ 0.7.
[0018]
Next, a method for forming the adhesion layer 15 will be described. In order to prepare the sol, 2-n butoxyethanol is used as a solvent, and diethanolamine and polyethylene glycol are used as additives. Furthermore, lead acetate trihydrate (Pb (CH ₃ COO) ₂ .3H ₂ O), titanium isopropoxide (Ti (OC ₃ H ₇ ) ₄ ), zirconium acetyl acetate (Zr (CH ₃ COCHCOCH ₃ ) as solutes ₄ ) is used. The amount of these solvents is adjusted to be in the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.7. After adjusting the sol, spin coating is performed on the lower electrode 14 at 1000 rpm to 2000 rpm, and the film thickness is adjusted to 20 nm to 100 nm. After applying the sol, it is dried at 180 ° C., and RTA treatment (Rapid Thermal Annealing) is performed at 650 ° C. for 5 minutes (or 900 ° C. for 1 minute). The adhesion layer 15 is crystallized through the above steps. Since the adhesion layer 15 contains an appropriate amount of titanium, the adhesion layer 15 is interposed between the lower electrode 14 and the antiferroelectric film 16 and has a function of bringing them into close contact with each other. Further, since there are few mismatches between the crystal structure of the adhesion layer 15 and the crystal structure of the antiferroelectric film 16, the adhesion layer 15 has characteristics suitable as an adhesion layer. Therefore, the antiferroelectric film 16 is peeled off even if a single antiferroelectric film 16 not containing titanium is formed by the sol-gel method or the MOD method in the film forming step of the antiferroelectric film 16 described later. Never do.
[0019]
Antiferroelectric film deposition process ((C) in the figure)
Next, an antiferroelectric film 16 is formed on the adhesion layer 15. The antiferroelectric film 16 is formed by a sol-gel method or a MOD method in order to form a uniform film. The composition of the antiferroelectric film 16 is, for example, PbZrO ₃ . In order to prepare the sol, 2-n butoxyethanol is used as a solvent, and diethanolamine and polyethylene glycol are used as additives. Furthermore, lead acetate trihydrate and zirconium acetyl acetate are used as solutes. After adjusting the sol, spin coating is performed on the adhesion layer 15 at 1000 rpm to 2000 rpm, and the film thickness is adjusted to 500 nm to 1500 nm. The number of spin coating is divided into 5 to 20 times. Each time the sol is applied, it is dried for 10 minutes under a temperature environment of 180 ° C., and finally RTA treatment is performed at 650 ° C. for 5 minutes (or 800 ° C. for 1 minute). The antiferroelectric film 16 is crystallized through the above steps. Since the antiferroelectric film 16 formed in this step does not need to be mixed with titanium for improving the adhesion with the lower electrode 14, it is possible to form a single antiferroelectric film 16. it can. Further, since the film is formed by the sol-gel method or the MOD method, the composition can be made uniform. As another composition of the antiferroelectric film 16, xPbZrO ₃ —yPb (Ni _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ (0 <y ≦ 0.5, x + y = 1) can be applied.
[0020]
Upper electrode film formation process (D)
An upper electrode 17 is formed on the antiferroelectric film 16. In this step, for example, platinum (100 nm) or iridium (50 nm) is formed by sputtering.
[0021]
Thin film etching process (Fig. 4E)
A resist having a uniform film thickness is applied on the upper electrode 17 by an appropriate method such as a spinner method or a spray method in accordance with the position where the pressurizing chamber is to be formed, and is exposed and developed to form a resist (not shown). ). Using this resist as a mask, the upper electrode 17, the antiferroelectric film 16, the adhesion layer 15 and the lower electrode 14 are dry-etched into a predetermined separation shape to form the piezoelectric thin film element 5 corresponding to each pressure chamber. This step is performed by appropriately selecting a selective gas.
[0022]
Pressurization chamber formation process (Fig. (F))
In this step, the silicon single crystal substrate 1 is etched to form the pressurizing chamber 10. First, an etching mask (not shown) is applied in accordance with the position where the pressurizing chamber 10 is to be formed, parallel plate type reactive ion etching, inductively coupled method, electron cyclotron resonance method, helicon wave excitation method, magnetron method. The pressurizing chamber 10 is formed by dry etching such as plasma etching or ion beam etching. Etching conditions can be set to a rectangular shape, a tapered shape, or the like by appropriately setting in consideration of the gas type, gas pressure, gas flow rate, bias voltage, and the like. The portion that remains without being etched becomes the side wall 11. The silicon single crystal substrate 1 manufactured through the above steps becomes a pressure chamber substrate.
[0023]
Nozzle plate joining process (Fig. (G))
The nozzle plate 2 is bonded to the etched silicon single crystal substrate 1 using a resin or the like. At this time, alignment is performed so that each nozzle 21 is arranged corresponding to each space of the pressurizing chamber 10. If the silicon single crystal substrate 1 to which the nozzle plate 2 is bonded is attached to the base 3, an ink jet recording head is completed.
[0024]
(Function)
As described above, according to the present embodiment, since the antiferroelectric film is formed on the lower electrode through the adhesion layer, it is necessary to mix titanium into the antiferroelectric film. Absent. Therefore, a single antiferroelectric film can be formed, and a piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics can be provided. In particular, the antiferroelectric film has spontaneous polarization in opposite directions in the crystal and cancels each other, so that the spontaneous polarization becomes 0 as the whole crystal. When used as an actuator, it is possible to provide an actuator exhibiting a discontinuous (steep) response and having excellent response characteristics.
[0025]
In addition, by setting the applied voltage higher than the voltage at which the antiferroelectric film undergoes phase transition and the displacement saturates, fluctuations in actuator displacement with respect to fluctuations in applied voltage (environmental temperature, circuit resistance, power supply voltage fluctuation, etc.) Can be suppressed. Further, an antiferroelectric film having a uniform composition can be formed by forming the antiferroelectric film by a sol-gel method or a MOD method. In addition, since the piezoelectric thin film element using the antiferroelectric film has excellent piezoelectric characteristics, the piezoelectric thin film element can be miniaturized and is suitable for high integration of the ink jet recording head. Accordingly, the resolution of the ink jet recording head can be increased and high-definition printing can be performed.
[0026]
The piezoelectric thin film element of this embodiment includes a filter, a delay line, a lead selector, a tuning fork oscillator, a tuning fork clock, a transceiver, a piezoelectric pickup, a piezoelectric earphone, a piezoelectric microphone, a SAW filter, an RF modulator, a resonator, and a delay element. It can also be used as a multi-strip coupler, a piezoelectric accelerometer, and a piezoelectric speaker.
[0027]
【The invention's effect】
According to the piezoelectric thin film element of the present invention, the antiferroelectric film is adhered to the lower electrode by providing a thin film mainly composed of lead zirconate titanate between the lower electrode and the antiferroelectric film. In addition, a single antiferroelectric film can be formed. For this reason, the piezoelectric thin film element excellent in the piezoelectric characteristic can be provided.
[0028]
According to the ink jet recording head of the present invention, since the piezoelectric thin film element of the present invention having excellent piezoelectric characteristics is used as an ink ejection drive source, the ink jet recording head can be miniaturized and highly integrated. In addition, according to the ink jet printer of the present invention, high-definition printing can be performed.
[0029]
According to the method for manufacturing a piezoelectric thin film element of the present invention, a single antiferroelectric film is formed by forming an antiferroelectric film on a thin film mainly composed of lead zirconate titanate. be able to. In particular, since the antiferroelectric film is manufactured by the sol-gel method or the MOD method, an antiferroelectric film having a uniform composition can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an ink jet printer.
FIG. 2 is an exploded perspective view of an ink jet recording head.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the ink jet recording head of the present embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the ink jet recording head according to the present embodiment.
FIG. 5 is a reflection X-ray diffraction spectrum of the adhesion layer when Zr / Ti = 35/65.
FIG. 6 is a reflection X-ray diffraction spectrum of the adhesion layer when Zr / Ti = 45/55.
FIG. 7 is a reflection X-ray diffraction spectrum of the adhesion layer when Zr / Ti = 55/45.
FIG. 8 is a reflection X-ray diffraction spectrum of the adhesion layer when Zr / Ti = 65/35.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pressurization chamber substrate 2 Nozzle plate 3 Base body 4 Wiring board 5 Piezoelectric thin film element 10 Pressurization chamber 11 Side wall 12 Common flow path 13 Diaphragm 14 Lower electrode 15 Adhesion layer 16 Antiferroelectric film 17 Upper electrode 21 Nozzle 100 Inkjet Type recording head 101 ink cartridge 102 main body 103 tray 104 paper discharge port 105 auto sheet feeder 106 cleaner 107 cap 108 head drive mechanism 109 paper

Claims

A piezoelectric thin film element comprising an antiferroelectric film containing no titanium sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, wherein lead zirconate titanate is mainly used between the lower electrode and the antiferroelectric film. A thin film as a component, and the composition of the thin film is PbZrxTi1-xO3 (wherein the value of x is in the range of 0.5≤x≤0.7), and the composition of the antiferroelectric film Is either PbZrO3 or xPbZrO3-yPb (Ni1 / 3Nb2 / 3) O3 (wherein the value of y is in the range of 0 <y ≦ 0.5 and satisfies the relationship of x + y = 1). A piezoelectric thin film element.

The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the thin film has a thickness in a range of 20 nm to 100 nm.

An ink jet recording head in which an ink ejection driving source is disposed on a pressure chamber substrate having a pressure chamber, wherein the ink ejection driving source is the piezoelectric thin film element according to claim 1 or 2. .

A sheet feeding mechanism that feeds a sheet for printing, a control unit that determines an ejection timing of ink ejected on the sheet based on predetermined print data, and scanning the sheet and ejecting ink at the timing. An ink jet printer comprising the ink jet recording head according to claim 3.

A method of manufacturing a piezoelectric thin film element not containing titanium having an antiferroelectric film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, wherein zirconate titanate is provided between the lower electrode and the antiferroelectric film Comprising a step of forming a thin film containing lead as a main component, and the composition of the thin film is PbZrxTi1-xO3 (wherein the value of x is in the range of 0.5 ≦ x ≦ 0.7), The composition of the antiferroelectric film is PbZrO3 or xPbZrO3-yPb (Ni1 / 3Nb2 / 3) O3 (wherein the value of y is in the range of 0 <y ≦ 0.5, and the relationship of x + y = 1 is established. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element.

6. The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to claim 5, wherein the thin film has a thickness in a range of 20 nm to 100 nm.

The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to claim 5, wherein the antiferroelectric film is formed by a sol-gel method or a MOD method.