JP4226647B2 - Piezoelectric film, method for forming the same, and piezoelectric element - Google Patents

Piezoelectric film, method for forming the same, and piezoelectric element Download PDF

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本発明は、プラズマを用いる気相成長法により成膜する圧電膜の成膜方法、及び該成膜方法を用いて成膜された圧電膜、該圧電膜を用いた圧電素子、並びに該圧電素子を備えた液体吐出装置に関するものである。   The present invention relates to a method for forming a piezoelectric film formed by a vapor phase growth method using plasma, a piezoelectric film formed using the film forming method, a piezoelectric element using the piezoelectric film, and the piezoelectric element. The present invention relates to a liquid ejection apparatus including

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系等のペロブスカイト型酸化物が知られている。   A piezoelectric element having a piezoelectric film having a piezoelectric property that expands and contracts as the electric field application intensity increases and decreases, and an electrode that applies an electric field to the piezoelectric film is used as an actuator mounted on an ink jet recording head. Yes. As a piezoelectric material, a perovskite oxide such as lead zirconate titanate (PZT) is known.

圧電膜は、スパッタリング法等の気相成長法により成膜することができる。PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、高温成膜するとPb抜けが起こりやすくなる。そのため、Pb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が良好に成長し、かつPb抜けが起こりにくい成膜条件を求める必要がある。   The piezoelectric film can be formed by a vapor phase growth method such as a sputtering method. In a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, Pb detachment tends to occur when the film is formed at a high temperature. For this reason, in a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide, it is necessary to obtain film forming conditions in which a perovskite crystal with a small pyrochlore phase grows well and Pb detachment does not easily occur.

例えば、非特許文献1では、成膜温度以外の条件を固定し、成膜温度を振ることで、圧電膜の好適な成膜条件が求められている。非特許文献1に記載の図3には、PbTiO膜では、概ね成膜温度500℃以下でパイロクロア相構造となり、概ね成膜温度550〜700℃でペロブスカイト結晶が成長し、概ね成膜温度700℃以上で非晶質構造となることが示されている。 For example, in Non-Patent Document 1, a suitable film forming condition for a piezoelectric film is required by fixing conditions other than the film forming temperature and changing the film forming temperature. In FIG. 3 described in Non-Patent Document 1, the PbTiO 3 film has a pyrochlore phase structure at a film formation temperature of about 500 ° C. or less, and a perovskite crystal grows at a film formation temperature of about 550 to 700 ° C. It is shown that an amorphous structure is obtained at a temperature of 0 ° C. or higher.

特許文献1では、PZT膜において、成膜圧力と膜中のPb量との関係、及び成膜温度と膜中のPb量との関係が求められている(特許文献1の図1及び図2を参照)。特許文献1では、成膜圧力は1〜100mTorrが好ましく、成膜温度は600〜700℃が好ましいことが記載されている(特許文献1の請求項2,5を参照)。
特開平6-49638号公報 セラミックス21(1986)119
In Patent Document 1, in the PZT film, the relationship between the film forming pressure and the Pb amount in the film and the relationship between the film forming temperature and the Pb amount in the film are required (FIGS. 1 and 2 of Patent Document 1). See). Patent Document 1 describes that the film forming pressure is preferably 1 to 100 mTorr, and the film forming temperature is preferably 600 to 700 ° C. (see claims 2 and 5 of Patent Document 1).
JP-A-6-49638 Ceramics 21 (1986) 119

非特許文献1及び特許文献1に記載されているように、従来、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜では、成膜温度550〜700℃の条件が好ましいとされている。しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、420〜480℃程度でもパイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が成長し、良好な圧電特性を示す圧電膜が得られることが分かった。より低温で成膜できることはPb抜けを抑制することができ、好ましい。   As described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, conventionally, a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT is preferably formed at a film forming temperature of 550 to 700 ° C. However, as a result of studies by the present inventors, it has been found that a perovskite crystal having a small pyrochlore phase grows even at about 420 to 480 ° C., and a piezoelectric film having good piezoelectric characteristics can be obtained. It is preferable that the film can be formed at a lower temperature because Pb loss can be suppressed.

Pbの含有/非含有に関係なく、成膜温度が高くなると、基板と圧電膜との熱膨張係数差に起因して、成膜中又は成膜後の降温過程等において圧電膜に応力がかかり、膜にクラック等が発生する恐れがあるので、より低温で成膜できることは好ましい。より低温で成膜できれば、ガラス基板などの比較的耐熱性が低い基板を用いることができるなど、基板選択の幅も広がり、好ましい。   Regardless of whether Pb is contained or not, when the film forming temperature is increased, stress is applied to the piezoelectric film during or after film formation due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the piezoelectric film. It is preferable that the film can be formed at a lower temperature because cracks or the like may occur in the film. If the film can be formed at a lower temperature, a substrate having a relatively low heat resistance such as a glass substrate can be used.

圧電膜の成膜においては、温度と圧力以外にも何らかのファクターが効いており、膜特性に対して影響を与えるファクターが好適な範囲内にあるときに、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶が成長すると考えられる。   In the formation of piezoelectric films, factors other than temperature and pressure are effective, and perovskite crystals with little pyrochlore phase are expected to grow when factors that affect film properties are within the preferred range. It is done.

特開2005−350735号公報には、基板に対向するターゲットから叩き出された金属原子を用いたスパッタリングによって酸化物薄膜を成膜する酸化物薄膜の制作方法において、ターゲットの構成金属原子の平均自由行程が、基板−ターゲット間距離より長くなるように成膜条件を制御する方法が開示されており、成膜後にある温度以上で後焼成することによって酸化物薄膜を特定の方位に優先配向できることが記載されている(段落0010を参照)。   Japanese Patent Laid-Open No. 2005-350735 discloses a method for producing an oxide thin film in which an oxide thin film is formed by sputtering using metal atoms knocked out from a target facing a substrate. A method for controlling film formation conditions so that the process is longer than the distance between the substrate and the target is disclosed, and the oxide thin film can be preferentially oriented in a specific orientation by post-baking at a temperature higher than a certain temperature after film formation. (See paragraph 0010).

しかしながら、成膜は基板非加熱で行われている上に基板―ターゲット間距離も160mmと長いため成膜速度が非常に遅く、更に後工程での熱処理等も必要なことから、製造効率上実用的でない(段落0036〜0041を参照)。従って、特開2005−350735号公報に記載の発明は、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な膜を安定的に効率よく成膜することが可能な成膜方法を提供するという本発明の課題を解決するものではない。成膜速度が遅すぎると、良質な結晶を成長させることが難しくなる。   However, the film formation is performed without heating the substrate, and the distance between the substrate and the target is as long as 160 mm, so the film formation speed is very slow and further heat treatment in the subsequent process is necessary. Not relevant (see paragraphs 0036-0041). Therefore, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-350735 provides a film forming method capable of stably and efficiently forming a high-quality film by a vapor phase growth method using plasma such as a sputtering method. The problem of the present invention is not solved. If the film formation rate is too slow, it becomes difficult to grow high-quality crystals.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法において、膜特性に対して影響を与える成膜条件のファクターを明らかにし、これによって、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な圧電膜を安定的に効率よく成膜することが可能な圧電膜の成膜方法を提供することを目的とするものである。
本発明は特に、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能な圧電膜の成膜方法、及び該成膜方法により成膜された圧電膜を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the vapor phase growth method using plasma such as sputtering, the factors of the film formation conditions that affect the film characteristics are clarified, and thereby the sputtering method and the like are clarified. It is an object of the present invention to provide a method for forming a piezoelectric film capable of stably and efficiently forming a high-quality piezoelectric film by a vapor phase growth method using plasma.
In particular, an object of the present invention is to provide a method for forming a piezoelectric film capable of stably growing a perovskite crystal having a small pyrochlore phase, and a piezoelectric film formed by the film forming method. is there.

本発明は特に、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜方法において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能な圧電膜の成膜方法、及び該成膜方法により成膜された圧電膜を提供することを目的とするものである。   In particular, the present invention can stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and stably suppress Pb loss in a method for forming a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT. It is an object of the present invention to provide a method for forming a piezoelectric film that can be used, and a piezoelectric film formed by the film forming method.

本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討を行い、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなる圧電膜を成膜する圧電膜の成膜方法においては、成膜される圧電膜の特性が、成膜温度Ts(℃)と、基板とターゲットとの離間距離(以下、基板―ターゲット間距離とする。)D(mm)のファクターに大きく依存し、これらファクターを好適化することにより、良質な圧電膜を成膜できることを見出し、本発明を完成した。   The present inventor has intensively studied to solve the above-described problems, and a target having a composition corresponding to the composition of a film to be deposited and a substrate are arranged to face each other, and the target is obtained by vapor phase growth using plasma such as sputtering. In the method of forming a piezoelectric film in which a piezoelectric film made of the target constituent element is formed on the substrate, the characteristics of the piezoelectric film to be formed are determined by the film forming temperature Ts (° C.). And a separation distance between the substrate and the target (hereinafter referred to as a substrate-target distance) D (mm) greatly depends on the factors, and by optimizing these factors, a high-quality piezoelectric film can be formed. The headline and the present invention were completed.

本発明の第1の圧電膜の成膜方法は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いるスパッタリング法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなり、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電膜を成膜する方法において、
前記ターゲットとして該ターゲットの組成のうち、Pb以外の元素の組成が、成膜する前記圧電膜の組成と略同一であり、且つ、Pbの組成が、前記成膜中に脱離するPbを含む前記圧電膜の組成と略同一であるターゲットを用い、
下記式(1)及び(2)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とするものである。
一般式A・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
30≦D(mm)≦80・・・(2)
(式(1)及び(2)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
In the first piezoelectric film forming method of the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of the film to be formed is placed opposite to the substrate, and the constituent elements of the target are released by a sputtering method using plasma, A piezoelectric film made of the target constituent element and made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P) (may contain inevitable impurities) is formed on the substrate. In the way to
Among the compositions of the target as the target, the composition of elements other than Pb is substantially the same as the composition of the piezoelectric film to be deposited, and the composition of Pb includes Pb that is desorbed during the deposition. Using a target that is substantially the same as the composition of the piezoelectric film,
The film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (1) and (2).
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
30 ≦ D (mm) ≦ 80 (2)
(In formulas (1) and (2), Ts (° C.) is the film forming temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)

本明細書において、「ターゲットの組成のうち、Pb以外の元素の組成が、成膜する前記圧電膜の組成と略同一」とは、酸素を含むターゲット組成と成膜する膜のPb以外の元素の組成が同一組成を有するターゲットの意であるが、圧電膜の製造過程による不可避組成変化により組成に誤差が生じることを考慮し、「略同一組成」としたものである。
Pb元素については、スパッタリング特性上揮発しやすいことが知られている。従って、ターゲットにおいて、Pb元素の組成はスパッタリング成膜中に揮発等により膜中から脱離されるPb元素を含む圧電膜の組成と略同一組成とする。
本明細書において、「成膜温度Ts(℃)」は、成膜を行う基板の中心温度を意味するものとする。
本明細書において、「基板―ターゲット間距離」とは、ターゲット側の基板面における中心と、ターゲットとを、ターゲットに対して垂直となるように結んだ距離と定義する。複数のターゲットを用いて同時に成膜を行う場合は、それぞれの基板―ターゲット間距離の平均値とする。
In this specification, “the composition of elements other than Pb in the composition of the target is substantially the same as the composition of the piezoelectric film to be deposited” refers to an element other than Pb of the target composition containing oxygen and the film to be deposited. Is a target that has the same composition, but is considered to be “substantially the same composition” in consideration of an error in the composition caused by an unavoidable change in composition during the manufacturing process of the piezoelectric film .
About Pb element, it is known on the sputtering characteristic that it will volatilize easily. Therefore, in the target, the composition of the Pb element is set to be substantially the same as the composition of the piezoelectric film containing the Pb element that is desorbed from the film by volatilization or the like during the sputtering film formation.
In this specification, “film formation temperature Ts (° C.)” means the center temperature of the substrate on which film formation is performed.
In this specification, the “substrate-target distance” is defined as a distance obtained by connecting the center of the substrate surface on the target side and the target so as to be perpendicular to the target. When film formation is performed simultaneously using a plurality of targets, the average value of the distance between each substrate and the target is used.

また、本発明の第2の圧電膜の成膜方法は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いるスパッタリング法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなり、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電膜を成膜する方法において、
前記ターゲットとして該ターゲットの組成のうち、Pb以外の元素の組成が、成膜する前記圧電膜の組成と略同一であり、且つ、Pbの組成が、前記成膜中に脱離するPbを含む前記圧電膜の組成と略同一であるターゲットを用い、
下記式(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とするものである。
一般式A・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
500≦Ts(℃)≦525・・・(3)、
60≦D(mm)≦75・・・(4)
(式(3)及び(4)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
Further, in the second piezoelectric film forming method of the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of the film to be formed and a substrate are arranged to face each other, and the constituent elements of the target are released by sputtering using plasma. A piezoelectric film made of a constituent element of the target on the substrate and made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P) (may contain inevitable impurities). In the method of forming a film,
Among the compositions of the target as the target, the composition of elements other than Pb is substantially the same as the composition of the piezoelectric film to be deposited, and the composition of Pb includes Pb that is desorbed during the deposition. Using a target that is substantially the same as the composition of the piezoelectric film,
The film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (3) and (4).
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
500 ≦ Ts (° C.) ≦ 525 (3),
60 ≦ D (mm) ≦ 75 (4)
(In formulas (3) and (4), Ts (° C.) is the film forming temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)

第1の圧電膜の成膜方法において、下記式(5)を更に充足する範囲で成膜条件を決定することが好ましい。
40≦D(mm)≦75・・・(5)
(式(5)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
本発明において、0.5μm/h以上の成膜速度で成膜を実施することが好ましい。
In the first method for forming a piezoelectric film, it is preferable to determine film forming conditions within a range that further satisfies the following formula (5).
40 ≦ D (mm) ≦ 75 (5)
(In Formula (5), Ts (° C.) is the film formation temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)
In the present invention, it is preferable to perform film formation at a film formation rate of 0.5 μm / h or more.

本発明の圧電膜の成膜方法は、下記一般式(P−1)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電膜に適用することができる。
Pb(Zrb1Tib2b3)O・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a=1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The piezoelectric film forming method of the present invention is applied to a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the following general formula (P-1). can do.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)

本発明は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により、ターゲットの構成元素を放出させて基板上にターゲットの構成元素からなる圧電膜を成膜する圧電膜の成膜方法において、成膜温度Ts(℃)、及び、基板−ターゲット間距離D(mm)の2つのファクターが膜特性及び成膜速度に対して影響を与えることを明らかにしたものである。   In the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of a film to be formed is placed opposite to the substrate, and constituent elements of the target are released by a vapor phase growth method using plasma such as a sputtering method. In the piezoelectric film forming method for forming a piezoelectric film composed of constituent elements, two factors of the film forming temperature Ts (° C.) and the substrate-target distance D (mm) depend on the film characteristics and the film forming speed. It has been clarified that it has an influence.

本発明の圧電膜の成膜方法によれば、膜特性に対して影響を与える上記2つのファクターと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定する構成としているので、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な圧電膜を安定的に効率よく成膜することができる。   According to the piezoelectric film forming method of the present invention, the film forming conditions are determined based on the relationship between the above two factors that affect the film characteristics and the characteristics of the film to be formed. A high-quality piezoelectric film can be stably and efficiently formed by a vapor phase growth method using plasma such as sputtering.

また、本発明によれば、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能となる。本発明によれば、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能となる。   Further, according to the present invention, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase in the formation of a piezoelectric film made of a perovskite oxide. According to the present invention, in the formation of a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and to stably suppress Pb loss. Is possible.

「成膜方法」
本発明の圧電膜の成膜方法は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いる気相成長法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなる圧電膜を成膜する圧電膜の成膜方法において、
下記式(1)及び(2)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とするものである。
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
30≦D(mm)≦80・・・(2)
"Film formation method"
In the method for forming a piezoelectric film of the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of a film to be formed and a substrate are arranged to face each other, and constituent elements of the target are released by a vapor phase growth method using plasma, In the method of forming a piezoelectric film, which forms a piezoelectric film made of the constituent elements of the target on a substrate,
The film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (1) and (2).
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
30 ≦ D (mm) ≦ 80 (2)

また、本発明の圧電膜の成膜方法は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いる気相成長法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなる圧電膜を成膜する圧電膜の成膜方法において、
下記式(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とするものである。
500≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
30≦D(mm)≦100・・・(4)
In addition, in the method for forming a piezoelectric film according to the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of a film to be formed and a substrate are arranged to face each other, and constituent elements of the target are released by a vapor phase growth method using plasma. In the method of forming a piezoelectric film for forming a piezoelectric film made of a constituent element of the target on the substrate,
The film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (3) and (4).
500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
30 ≦ D (mm) ≦ 100 (4)

本発明の圧電膜の成膜方法を適用可能な気相成長法としては、スパッタリング法が挙げられる。   As a vapor phase growth method to which the method for forming a piezoelectric film of the present invention can be applied, a sputtering method is exemplified.

図1に基づいて、スパッタリング装置を例として、プラズマを用いる成膜装置の構成例について説明する。図1(a)はRFスパッタリング装置の概略断面図であり、図1(b)は成膜中の様子を模式的に示す図である。   Based on FIG. 1, a configuration example of a film forming apparatus using plasma will be described by taking a sputtering apparatus as an example. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an RF sputtering apparatus, and FIG. 1B is a diagram schematically showing a state during film formation.

RFスパッタリング装置1は、内部に、基板Bが装着されると共に、装着された基板Bを所定温度に加熱することが可能なヒータ11と、プラズマを発生させるプラズマ電極(カソード電極)12とが備えられた真空容器10から概略構成されている。ヒータ11とプラズマ電極12とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極12上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットTが装着されるようになっている。プラズマ電極12は高周波電源13に接続されている。基板BとターゲットTとの離間距離(基板―ターゲット間距離)はD(mm)である。   The RF sputtering apparatus 1 includes a heater 11 capable of heating the mounted substrate B to a predetermined temperature and a plasma electrode (cathode electrode) 12 for generating plasma. The vacuum vessel 10 is generally configured. The heater 11 and the plasma electrode 12 are spaced apart so as to face each other, and a target T having a composition corresponding to the composition of the film formed on the plasma electrode 12 is mounted. The plasma electrode 12 is connected to a high frequency power supply 13. The separation distance (substrate-target distance) between the substrate B and the target T is D (mm).

真空容器10には、真空容器10内に成膜に必要なガスGを導入するガス導入管14と、真空容器10内のガスの排気Vを行うガス排出管15とが取り付けられている。ガスGとしては、Ar、又はAr/O混合ガス等が使用される。図1(b)に模式的に示すように、プラズマ電極12の放電により真空容器10内に導入されたガスGがプラズマ化され、Arイオン等のプラスイオンIpが生成する。生成したプラスイオンIpはターゲットTをスパッタする。プラスイオンIpにスパッタされたターゲットTの構成元素Tpは、ターゲットから放出され中性あるいはイオン化された状態で基板Bに蒸着される。図中、符号Pがプラズマ空間を示している。 A gas introduction pipe 14 for introducing a gas G required for film formation into the vacuum container 10 and a gas discharge pipe 15 for exhausting the gas V in the vacuum container 10 are attached to the vacuum container 10. As the gas G, Ar, Ar / O 2 mixed gas, or the like is used. As schematically shown in FIG. 1B, the gas G introduced into the vacuum vessel 10 by the discharge of the plasma electrode 12 is turned into plasma, and positive ions Ip such as Ar ions are generated. The generated positive ions Ip sputter the target T. The constituent element Tp of the target T sputtered by the positive ions Ip is emitted from the target and deposited on the substrate B in a neutral or ionized state. In the figure, the symbol P indicates the plasma space.

ターゲットTと基板Bとの間にあるターゲットの構成元素Tpは、プラズマ空間Pの電位と基板Bの電位との電位差の加速電圧分の運動エネルギーを持って、成膜中の基板Bに衝突すると考えられる。   When the target element Tp between the target T and the substrate B collides with the substrate B during film formation with kinetic energy corresponding to the acceleration voltage of the potential difference between the potential of the plasma space P and the potential of the substrate B. Conceivable.

プラズマを用いる気相成長法において、成膜される膜の特性を左右するファクターとしては、成膜温度、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、基板の表面エネルギー、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電極、基板−ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度及び電子密度、プラズマ中の活性種密度及び活性種の寿命等が考えられる。   In the vapor phase growth method using plasma, the factors that influence the characteristics of the film to be formed include the film forming temperature, the type of the substrate, the composition of the substrate if there is a film previously formed on the substrate, and the surface of the substrate. The energy, the deposition pressure, the amount of oxygen in the atmospheric gas, the input electrode, the substrate-target distance, the electron temperature and electron density in the plasma, the active species density in the plasma and the lifetime of the active species can be considered.

本発明者は多々ある成膜ファクターの中で、成膜される膜の特性は、成膜温度Tsと基板−ターゲット間距離D(mm)との2つのファクターに大きく依存することを見出し、これらファクターを好適化することにより、良質な圧電膜を効率よく成膜できることを見出した。すなわち、成膜温度Tsを横軸にし、基板−ターゲット間距離Dを縦軸にして、圧電膜の特性をプロットすると、ある範囲内において良質な圧電膜を成膜できることを見出した(図11を参照)。   The present inventor has found that, among many film formation factors, the characteristics of the film to be formed greatly depend on two factors, the film formation temperature Ts and the substrate-target distance D (mm). It has been found that by optimizing the factor, a high-quality piezoelectric film can be efficiently formed. That is, when the characteristics of the piezoelectric film are plotted with the film formation temperature Ts as the horizontal axis and the substrate-target distance D as the vertical axis, it has been found that a good quality piezoelectric film can be formed within a certain range (see FIG. 11). reference).

本発明の圧電膜の成膜方法が適用可能な圧電膜としては、特に制限なく、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜等が挙げられる。圧電膜は、不可避不純物を含んでいてもよい。
一般式A・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The piezoelectric film to which the method for forming a piezoelectric film of the present invention is applicable is not particularly limited, and examples thereof include a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P). . The piezoelectric film may contain inevitable impurities.
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. )

上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及び、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。圧電膜は、これら上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。   Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, zirconium magnesium niobate Lead-containing compounds such as lead titanate, lead nickel niobate and zirconium titanate, and non-lead-containing compounds such as barium titanate, sodium bismuth titanate, potassium bismuth titanate, sodium niobate, potassium niobate, lithium niobate Is mentioned. The piezoelectric film may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P).

本発明は、下記一般式(P−1)で表されるPZT又はそのBサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Pb(Zrb1Tib2b3)O・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a=1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The present invention is preferably applicable to PZT represented by the following general formula (P-1) or a B site substitution system thereof, and mixed crystal systems thereof.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)

上記一般式(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、d=0のときチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であり、d>0のとき、PZTのBサイトの一部をV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素であるXで置換した酸化物である。
Xは、VA族、VB族、VIA族、及びVIB族のいずれの金属元素でもよく、V,Nb,Ta,Cr,Mo,及びWからなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。
The perovskite oxide represented by the general formula (P-1) is lead zirconate titanate (PZT) when d = 0, and when d> 0, part of the B site of PZT is group V. And an oxide substituted with X which is at least one metal element selected from the group of elements of group VI.
X may be any metal element of Group VA, Group VB, Group VIA, and Group VIB, and is preferably at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W. .

本発明者は、上記一般式(P)又は(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、上記式(1)を充足しないTs(℃)<400の成膜条件では、成膜温度が低すぎてペロブスカイト結晶が良好に成長せず、パイロクロア相がメインの膜が成膜されることを見出している。   When the present inventor forms a piezoelectric film made of the perovskite oxide represented by the general formula (P) or (P-1), Ts (° C.) <400, which does not satisfy the formula (1). It has been found that under the film formation conditions, the film formation temperature is too low and the perovskite crystal does not grow well, and a main film with a pyrochlore phase is formed.

本発明者はさらに、上記一般式(P)又は(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、上記式(1)を充足する400≦Ts(℃)≦500の条件では、基板−ターゲット間距離D(mm)が上記式(2)を充足する範囲で、また上記式(3)を充足する500≦Ts(℃)≦600の条件では、基板−ターゲット間距離D(mm)が上記式(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することができ、結晶構造及び膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に成膜することができることを見出している(図11を参照)。   Furthermore, when the present inventors form a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the general formula (P) or (P-1), 400 ≦ Ts (° C.) that satisfies the above formula (1). Under the condition of ≦ 500, the substrate-target distance D (mm) is within the range satisfying the above formula (2), and under the condition of 500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 where the above formula (3) is satisfied, the substrate − By determining the film forming conditions within a range where the distance D (mm) between the targets satisfies the above formula (4), it is possible to stably grow a perovskite crystal with a small pyrochlore phase, and to stably eliminate Pb. It has been found that a high-quality piezoelectric film that can be suppressed and has a good crystal structure and film composition can be stably formed (see FIG. 11).

PZTのスパッタ成膜において、高温成膜するとPb抜けが起こりやすくなることが知られている(「背景技術」に挙げた特許文献1の図2等を参照)。本発明者は、Pb抜けが、成膜温度以外に基板−ターゲット間距離にも依存することを見出している。PZTの構成元素であるPb,Zr,及びTiの中で、Pbが最もスパッタ率が大きく、スパッタされやすい。例えば、「真空ハンドブック」((株)アルバック編、オーム社発行)の表8.1.7には、Arイオン300evの条件におけるスパッタ率は、Pb=0.75、Zr=0.48,Ti=0.65であることが記載されている。スパッタされやすいということは、スパッタされた原子が基板面に付着した後に、再スパッタされやすいということである。基板−ターゲット間距離は、近いほど再スパッタ率が高くなり、Pb抜けが生じやすくなると考えられる。このことは、PZT以外のPb含有ペロブスカイト型酸化物でも、同様である。また、スパッタリング法以外のプラズマを用いる気相成長法でも同様である。   In sputter deposition of PZT, it is known that Pb loss tends to occur when the film is formed at a high temperature (see FIG. 2 of Patent Document 1 listed in “Background Art”). The present inventor has found that the Pb loss depends not only on the film forming temperature but also on the substrate-target distance. Of Pb, Zr, and Ti, which are constituent elements of PZT, Pb has the largest sputtering rate and is easily sputtered. For example, in Table 8.1.7 of “Vacuum Handbook” (published by ULVAC, Inc., published by Ohm), the sputtering rate under the conditions of Ar ion 300 ev is Pb = 0.75, Zr = 0.48, Ti = 0.65. Easily sputtered means that the sputtered atoms are likely to be re-sputtered after adhering to the substrate surface. It is considered that the shorter the substrate-target distance is, the higher the resputtering rate is, and Pb loss is likely to occur. The same applies to Pb-containing perovskite oxides other than PZT. The same applies to vapor phase growth methods using plasma other than sputtering.

成膜温度Tsが過小であり、かつ基板−ターゲット間距離Dが過大の条件では、ペロブスカイト結晶を良好に成長させることができない傾向にある。また、成膜温度Tsが過大であり、かつ基板−ターゲット間距離Dが過小の条件では、Pb抜けが生じやすくなる傾向にある。
すなわち、上記式(1)を充足する400≦Ts(℃)≦500の条件では、成膜温度Tsが相対的に低い条件のときには、ペロブスカイト結晶を良好に成長させるために基板−ターゲット間距離Dを相対的に短くする必要があり、成膜温度Tsが相対的に高い条件のときには、Pb抜けを抑制するために基板−ターゲット間距離Dを相対的に長くする必要がある。これを表したのが、上記式(2)である。上記(3)式を充足する500≦Ts(℃)≦600においては、成膜温度が比較的高温領域であるため、基板−ターゲット間距離Dの範囲は上限値が大きくなるが、傾向は同様である。
When the film formation temperature Ts is excessively low and the substrate-target distance D is excessively large, the perovskite crystal tends not to grow well. Further, when the film formation temperature Ts is excessive and the substrate-target distance D is excessively small, Pb loss tends to occur.
That is, under the condition of 400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 that satisfies the above formula (1), when the film formation temperature Ts is relatively low, in order to grow the perovskite crystal satisfactorily, the substrate-target distance D When the film formation temperature Ts is relatively high, the substrate-target distance D needs to be relatively long in order to suppress Pb loss. This is represented by the above formula (2). In the case of 500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 that satisfies the above expression (3), since the film forming temperature is a relatively high temperature region, the upper limit of the range of the substrate-target distance D increases, but the tendency is the same. It is.

成膜速度は、製造効率上速い方が好ましく、0.5μm/h以上が好ましく、1.0μm/h以上がより好ましい。図5に示されるように、基板−ターゲット間距離Dが短い方が成膜速度が速くなる。図5は、RFスパッタリング装置1を用いてPZT膜を成膜した場合の、成膜速度と基板−ターゲット間距離Dとの関係を示した図である。図5において、成膜温度Ts=525℃、ターゲット投入電力(rf電力)=2.5W/cmである。実施例1に示されるように、本発明によれば、成膜速度が1.0μm/h以上の高速成膜条件においても良質の膜を成膜することが可能である。 The film formation rate is preferably higher in terms of production efficiency, preferably 0.5 μm / h or more, and more preferably 1.0 μm / h or more. As shown in FIG. 5, the shorter the substrate-target distance D, the faster the film formation rate. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the film formation speed and the substrate-target distance D when a PZT film is formed using the RF sputtering apparatus 1. In FIG. 5, the film formation temperature Ts = 525 ° C. and the target input power (rf power) = 2.5 W / cm 2 . As shown in Example 1, according to the present invention, it is possible to form a high-quality film even under high-speed film forming conditions where the film forming speed is 1.0 μm / h or more.

基板−ターゲット間距離Dによっては、成膜速度が0.5μm/h未満となる場合があり得る。かかる場合には、ターゲット投入電力等を、成膜速度が0.5μm/h以上となるように、調整することが好ましい。   Depending on the substrate-target distance D, the deposition rate may be less than 0.5 μm / h. In such a case, it is preferable to adjust the target input power or the like so that the deposition rate is 0.5 μm / h or more.

基板−ターゲット間距離Dは短い方が成膜速度が速いため好ましく、400≦Ts(℃)≦500の範囲では80mm以下、500≦Ts(℃)≦600の範囲では100mm以下が好ましいが、30mm未満ではプラズマ状態が不安定となるため、膜質の良好な成膜ができない恐れがある。より膜質の高い圧電膜を安定的成膜するためには、400≦Ts(℃)≦500の範囲、及び500≦Ts(℃)≦600の範囲のいずれにおいても、基板−ターゲット間距離Dは、50≦D(mm)≦70であることが好ましい。   A shorter substrate-target distance D is preferable because the film formation rate is faster, and is preferably 80 mm or less in the range of 400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500, and preferably 100 mm or less in the range of 500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600, but 30 mm If it is less than 1, the plasma state becomes unstable, and there is a possibility that film formation with good film quality cannot be performed. In order to stably form a piezoelectric film having a higher film quality, the substrate-target distance D is set to be either 400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 or 500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600. 50 ≦ D (mm) ≦ 70 is preferable.

「発明が解決しようとする課題」において、特開2005−350735号公報に記載の成膜方法は、成膜が基板非加熱で行われている上に基板―ターゲット間距離も160mmと長いため成膜速度が非常に遅く、更に後工程での熱処理(後焼成)等も必要なことから、製造効率上実用的でないことを述べた。成膜速度が遅すぎると、良好な結晶成長が難しく、この方法においても、成膜速度が遅いために、スパッタリングにより成膜された膜は結晶化されておらず、後焼成によって結晶化されている。   In “Problems to be Solved by the Invention”, the film forming method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-350735 is formed because the film formation is performed without heating the substrate and the distance between the substrate and the target is as long as 160 mm. He stated that the film speed is very slow and further heat treatment (post-baking) in the post-process is necessary, so that it is not practical in terms of production efficiency. If the film formation rate is too slow, it is difficult to achieve good crystal growth. In this method, too, the film formation rate is low, so that the film formed by sputtering is not crystallized and is crystallized by post-baking. Yes.

上記のように、本発明において、基板―ターゲット間距離Dは、良質な圧電膜を製造効率良く、すなわち、速い成膜速度で、かつ安定的に成膜するために100mm以下としている。つまり、本発明の基板―ターゲット間距離Dは、特開2005−350735号公報に記載の成膜方法の対象としている基板−ターゲット間距離に比して短く、従って、本発明によれば、後焼成等の処理を要さずに良質の圧電膜を成膜することができる。   As described above, in the present invention, the substrate-target distance D is set to 100 mm or less in order to form a high-quality piezoelectric film with high production efficiency, that is, at a high film formation speed and stably. That is, the substrate-target distance D of the present invention is shorter than the substrate-target distance that is the subject of the film forming method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-350735. A high-quality piezoelectric film can be formed without requiring treatment such as firing.

本発明は、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により、ターゲットの構成元素を放出させて基板上にターゲットの構成元素からなる圧電膜を成膜する圧電膜の成膜方法において、成膜温度Ts(℃)、及び、基板−ターゲット間距離D(mm)の2つのファクターが膜特性及び成膜速度に対して影響を与えることを明らかにしたものである。   In the present invention, a target having a composition corresponding to the composition of a film to be formed is placed opposite to the substrate, and constituent elements of the target are released by a vapor phase growth method using plasma such as a sputtering method. In the piezoelectric film forming method for forming a piezoelectric film composed of constituent elements, two factors of the film forming temperature Ts (° C.) and the substrate-target distance D (mm) depend on the film characteristics and the film forming speed. It has been clarified that it has an influence.

本発明の圧電膜の成膜方法によれば、膜特性に対して影響を与える上記2つのファクターと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定する構成としているので、スパッタリング法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な圧電膜を安定的に、効率よく成膜することができる。
本発明の圧電膜の成膜方法を採用することで、装置条件が変わっても良質な圧電膜を成膜できる条件を容易に見出すことができ、良質な圧電膜を安定的に成膜することができる。
According to the piezoelectric film forming method of the present invention, the film forming conditions are determined based on the relationship between the above two factors that affect the film characteristics and the characteristics of the film to be formed. A good-quality piezoelectric film can be stably and efficiently formed by vapor phase growth using plasma such as sputtering.
By adopting the method for forming a piezoelectric film of the present invention, it is possible to easily find a condition for forming a high-quality piezoelectric film even if the apparatus conditions change, and to stably form a high-quality piezoelectric film. Can do.

本発明によれば、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能となる。本発明によれば、PZT等のPb含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase in the formation of a piezoelectric film made of a perovskite oxide. According to the present invention, in the formation of a piezoelectric film made of a Pb-containing perovskite oxide such as PZT, it is possible to stably grow a perovskite crystal having a small pyrochlore phase and to stably suppress Pb loss. Is possible.

「圧電膜」
上記の本発明の圧電膜の成膜方法を適用することで、以下の本発明の圧電膜を提供することができる。
すなわち、本発明の圧電膜は、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)において、
成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いて、前記ターゲットの構成元素を放出させ、該ターゲットの構成元素からなる膜を成膜する気相成長法により成膜されたものであり、
かつ、下記式(1)及び(2)、又は(3)及び(4)を充足する成膜条件で成膜されたものであることを特徴とするものである。
一般式A・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
30≦D(mm)≦80・・・(2)
"Piezoelectric film"
The following piezoelectric film of the present invention can be provided by applying the above-described method for forming a piezoelectric film of the present invention.
That is, the piezoelectric film of the present invention is a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P).
A vapor phase growth method in which a target having a composition corresponding to the composition of a film to be deposited is placed opposite to the substrate, a constituent element of the target is released using plasma, and a film made of the constituent element of the target is formed. The film was formed by
And it is what was formed on the film-forming conditions which satisfy | fill following formula (1) and (2) or (3) and (4), It is characterized by the above-mentioned.
General formula A a B b O 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
30 ≦ D (mm) ≦ 80 (2)

また、本発明の圧電膜は、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)において、
プラズマを用いる気相成長法により圧電膜を成膜する成膜方法であって、
プラズマ用いて、前記圧電膜の組成に応じた組成の材料からなるターゲットから、該ターゲットの構成元素を放出させて、前記ターゲットと対向配置された基板に前記ターゲットの構成元素からなる前記圧電膜を成膜する成膜方法によって成膜されたものであり、
下記式(3)及び(4)を充足する条件で成膜されたものであることを特徴とするものである。
一般式A・・・(P)、
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
500≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
30≦D(mm)≦100・・・(4)
Moreover, the piezoelectric film of the present invention is a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P).
A film forming method for forming a piezoelectric film by a vapor phase growth method using plasma,
Using the plasma, the constituent element of the target is released from the target made of the material according to the composition of the piezoelectric film, and the piezoelectric film made of the constituent element of the target is placed on the substrate arranged opposite to the target. The film is formed by a film forming method for forming a film,
The film is formed under the conditions satisfying the following formulas (3) and (4).
General formula A a B b O 3 (P),
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
30 ≦ D (mm) ≦ 100 (4)

本発明は、下記一般式(P−1)で表されるPZT又はそのBサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Pb(Zrb1Tib2b3)O・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a=1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The present invention is preferably applicable to PZT represented by the following general formula (P-1) or a B site substitution system thereof, and mixed crystal systems thereof.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)

本発明によれば、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶構造を有し、しかもPb抜けが抑制され、結晶構造及び膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に提供することができる。   According to the present invention, it is possible to stably provide a high-quality piezoelectric film having a perovskite crystal structure with a small pyrochlore phase, suppressing Pb loss, and having a good crystal structure and film composition.

本発明によれば、1.0≦aであるPb抜けのない組成の圧電膜を提供することができ、1.0<aであるPbリッチな組成の圧電膜を提供することもできる。aの上限は特に制限なく、本発明者は、1.0≦a≦1.3であれば、圧電性能が良好な圧電膜が得られることを見出している。   According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric film having a composition with no Pb loss and 1.0 ≦ a, and it is also possible to provide a piezoelectric film having a Pb-rich composition with 1.0 <a. The upper limit of a is not particularly limited, and the present inventor has found that a piezoelectric film having good piezoelectric performance can be obtained when 1.0 ≦ a ≦ 1.3.

「圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド」
図2を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の構造について説明する。図2はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
"Piezoelectric element and inkjet recording head"
With reference to FIG. 2, the structure of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and an ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) including the same will be described. FIG. 2 is a sectional view (a sectional view in the thickness direction of the piezoelectric element) of the ink jet recording head. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.

本実施形態の圧電素子2は、基板20上に、下部電極30と圧電膜40と上部電極50とが順次積層された素子であり、圧電膜40に対して、下部電極30と上部電極50とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。   The piezoelectric element 2 according to the present embodiment is an element in which a lower electrode 30, a piezoelectric film 40, and an upper electrode 50 are sequentially stacked on a substrate 20, and the lower electrode 30, the upper electrode 50, and the piezoelectric film 40 are stacked. Thus, an electric field is applied in the thickness direction.

下部電極30は基板20の略全面に形成されており、この上に図示手前側から奥側に延びるライン状の凸部41がストライプ状に配列したパターンの圧電膜40が形成され、各凸部41の上に上部電極50が形成されている。   The lower electrode 30 is formed on substantially the entire surface of the substrate 20, and a piezoelectric film 40 having a pattern in which line-shaped convex portions 41 extending from the front side to the rear side in the drawing are arranged in a stripe shape is formed thereon. An upper electrode 50 is formed on 41.

圧電膜40のパターンは図示するものに限定されず、適宜設計される。また、圧電膜40は連続膜でも構わない。但し、圧電膜40は、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部41からなるパターンで形成することで、個々の凸部41の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。   The pattern of the piezoelectric film 40 is not limited to that shown in the figure, and is designed as appropriate. The piezoelectric film 40 may be a continuous film. However, the piezoelectric film 40 is not a continuous film, but formed by a pattern composed of a plurality of protrusions 41 separated from each other, so that the expansion and contraction of the individual protrusions 41 occurs smoothly, so that a larger displacement amount can be obtained. preferable.

基板20としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス(SUS)、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板20としては、シリコン基板の表面にSiO酸化膜が形成されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。 The substrate 20 is not particularly limited, and examples thereof include silicon, glass, stainless steel (SUS), yttrium-stabilized zirconia (YSZ), alumina, sapphire, silicon carbide and the like. As the substrate 20, a laminated substrate such as an SOI substrate in which a SiO 2 oxide film is formed on the surface of a silicon substrate may be used.

下部電極30の主成分としては特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO,RuO,LaNiO,及びSrRuO等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
上部電極50の主成分としては特に制限なく、下部電極30で例示した材料、Al,Ta,Cr,及びCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。
The main component of the lower electrode 30 is not particularly limited, and examples thereof include metals or metal oxides such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3 , and combinations thereof.
The main component of the upper electrode 50 is not particularly limited, and examples thereof include materials exemplified for the lower electrode 30, electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof. .

圧電膜40は、上記の本発明の圧電膜の成膜方法により成膜された膜である。圧電膜40は、好ましくは、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜である。   The piezoelectric film 40 is a film formed by the above-described piezoelectric film forming method of the present invention. The piezoelectric film 40 is preferably a piezoelectric film made of a perovskite oxide represented by the general formula (P).

下部電極30と上部電極50の厚みは特に制限なく、例えば200nm程度である。圧電膜40の膜厚は特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば1〜5μmである。   The thickness of the lower electrode 30 and the upper electrode 50 is not particularly limited and is, for example, about 200 nm. The film thickness of the piezoelectric film 40 is not particularly limited, and is usually 1 μm or more, for example, 1 to 5 μm.

インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)3は、概略、上記構成の圧電素子2の基板20の下面に、振動板60を介して、インクが貯留されるインク室(液体貯留室)71及びインク室71から外部にインクが吐出されるインク吐出口(液体吐出口)72を有するインクノズル(液体貯留吐出部材)70が取り付けられたものである。インク室71は、圧電膜40の凸部41の数及びパターンに対応して、複数設けられている。   The ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) 3 generally includes an ink chamber (liquid storing chamber) 71 in which ink is stored via a vibration plate 60 and an ink chamber on the lower surface of the substrate 20 of the piezoelectric element 2 configured as described above. An ink nozzle (liquid storage and discharge member) 70 having an ink discharge port (liquid discharge port) 72 through which ink is discharged from 71 to the outside is attached. A plurality of ink chambers 71 are provided corresponding to the number and pattern of the convex portions 41 of the piezoelectric film 40.

インクジェット式記録ヘッド3では、圧電素子2の凸部41に印加する電界強度を凸部41ごとに増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室71からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。   In the ink jet recording head 3, the electric field strength applied to the convex portion 41 of the piezoelectric element 2 is increased / decreased for each convex portion 41 to expand / contract, thereby controlling the ejection of ink from the ink chamber 71 and the ejection amount. Is called.

本実施形態の圧電素子2及びインクジェット式記録ヘッド3は、以上のように構成されている。   The piezoelectric element 2 and the ink jet recording head 3 of the present embodiment are configured as described above.

「インクジェット式記録装置」
図3及び図4を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図3は装置全体図であり、図4は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 3 and FIG. 4, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head 3 of the above embodiment will be described. 3 is an overall view of the apparatus, and FIG. 4 is a partial top view.

図示するインクジェット式記録装置100は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)3K,3C,3M,3Yを有する印字部102と、各ヘッド3K,3C,3M,3Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部114と、記録紙116を供給する給紙部118と、記録紙116のカールを除去するデカール処理部120と、印字部102のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙116の平面性を保持しながら記録紙116を搬送する吸着ベルト搬送部122と、印字部102による印字結果を読み取る印字検出部124と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部126とから概略構成されている。   The illustrated ink jet recording apparatus 100 includes a printing unit 102 having a plurality of ink jet recording heads (hereinafter simply referred to as “heads”) 3K, 3C, 3M, and 3Y provided for each ink color, and each head 3K, An ink storage / loading unit 114 that stores ink to be supplied to 3C, 3M, and 3Y, a paper feeding unit 118 that supplies recording paper 116, a decurling unit 120 that removes curling of the recording paper 116, and a printing unit An adsorption belt conveyance unit 122 that conveys the recording paper 116 while maintaining the flatness of the recording paper 116, and a print detection unit that reads a printing result by the printing unit 102. 124 and a paper discharge unit 126 that discharges printed recording paper (printed matter) to the outside.

印字部102をなすヘッド3K,3C,3M,3Yが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3である。   The heads 3K, 3C, 3M, and 3Y that form the printing unit 102 are the ink jet recording heads 3 of the above-described embodiment.

デカール処理部120では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム130により記録紙116に熱が与えられて、デカール処理が実施される。   In the decurling unit 120, heat is applied to the recording paper 116 by the heating drum 130 in the direction opposite to the curl direction, and the decurling process is performed.

ロール紙を使用する装置では、図4のように、デカール処理部120の後段に裁断用のカッター128が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター128は、記録紙116の搬送路幅以上の長さを有する固定刃128Aと、該固定刃128Aに沿って移動する丸刃128Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃128Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃128Bが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター128は不要である。   In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 4, a cutter 128 is provided at the subsequent stage of the decurling unit 120, and the roll paper is cut into a desired size by this cutter. The cutter 128 includes a fixed blade 128A having a length equal to or larger than the conveyance path width of the recording paper 116, and a round blade 128B that moves along the fixed blade 128A. The fixed blade 128A is provided on the back side of the print. The round blade 128B is arranged on the print surface side with the conveyance path interposed therebetween. In an apparatus using cut paper, the cutter 128 is unnecessary.

デカール処理され、カットされた記録紙116は、吸着ベルト搬送部122へと送られる。吸着ベルト搬送部122は、ローラ131、132間に無端状のベルト133が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する部分が水平面(フラット面)となるよう構成されている。   The decurled and cut recording paper 116 is sent to the suction belt conveyance unit 122. The suction belt conveyance unit 122 has a structure in which an endless belt 133 is wound between rollers 131 and 132, and at least portions facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the printing detection unit 124 are horizontal ( Flat surface).

ベルト133は、記録紙116の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(図示略)が形成されている。ローラ131、132間に掛け渡されたベルト133の内側において印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ134が設けられており、この吸着チャンバ134をファン135で吸引して負圧にすることによってベルト133上の記録紙116が吸着保持される。   The belt 133 has a width that is wider than the width of the recording paper 116, and a plurality of suction holes (not shown) are formed on the belt surface. An adsorption chamber 134 is provided at a position facing the nozzle surface of the printing unit 102 and the sensor surface of the print detection unit 124 inside the belt 133 that is stretched between the rollers 131 and 132. The recording paper 116 on the belt 133 is sucked and held by suctioning at 135 to make a negative pressure.

ベルト133が巻かれているローラ131、132の少なくとも一方にモータ(図示略)の動力が伝達されることにより、ベルト133は図4上の時計回り方向に駆動され、ベルト133上に保持された記録紙116は図4の左から右へと搬送される。   When the power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the rollers 131 and 132 around which the belt 133 is wound, the belt 133 is driven in the clockwise direction in FIG. 4 and is held on the belt 133. The recording paper 116 is conveyed from left to right in FIG.

縁無しプリント等を印字するとベルト133上にもインクが付着するので、ベルト133の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部136が設けられている。   Since ink adheres to the belt 133 when a borderless print or the like is printed, the belt cleaning unit 136 is provided at a predetermined position outside the belt 133 (an appropriate position other than the print region).

吸着ベルト搬送部122により形成される用紙搬送路上において印字部102の上流側に、加熱ファン140が設けられている。加熱ファン140は、印字前の記録紙116に加熱空気を吹き付け、記録紙116を加熱する。印字直前に記録紙116を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。   A heating fan 140 is provided on the upstream side of the printing unit 102 on the paper conveyance path formed by the suction belt conveyance unit 122. The heating fan 140 heats the recording paper 116 by blowing heated air onto the recording paper 116 before printing. Heating the recording paper 116 immediately before printing makes it easier for the ink to dry after landing.

印字部102は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図4を参照)。各印字ヘッド3K,3C,3M,3Yは、インクジェット式記録装置100が対象とする最大サイズの記録紙116の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。   The printing unit 102 is a so-called full line type head in which line type heads having a length corresponding to the maximum paper width are arranged in a direction orthogonal to the paper feed direction (main scanning direction) (see FIG. 4). Each of the print heads 3K, 3C, 3M, and 3Y is a line-type head in which a plurality of ink discharge ports (nozzles) are arranged over a length exceeding at least one side of the maximum-size recording paper 116 targeted by the ink jet recording apparatus 100. It is configured.

記録紙116の送り方向に沿って上流側から、黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応したヘッド3K,3C,3M,3Yが配置されている。記録紙116を搬送しつつ各ヘッド3K,3C,3M,3Yからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙116上にカラー画像が記録される。   Heads 3K, 3C, 3M, and 3Y corresponding to the respective color inks are arranged in the order of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) from the upstream side along the feeding direction of the recording paper 116. ing. A color image is recorded on the recording paper 116 by ejecting the color ink from each of the heads 3K, 3C, 3M, 3Y while conveying the recording paper 116.

印字検出部124は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。   The print detection unit 124 includes a line sensor that images the droplet ejection result of the print unit 102 and detects ejection defects such as nozzle clogging from the droplet ejection image read by the line sensor.

印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。   A post-drying unit 142 including a heating fan or the like for drying the printed image surface is provided at the subsequent stage of the print detection unit 124. Since it is preferable to avoid contact with the printing surface until the ink after printing is dried, a method of blowing hot air is preferred.

後乾燥部142の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部144が設けられている。加熱・加圧部144では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ145で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。   A heating / pressurizing unit 144 is provided downstream of the post-drying unit 142 in order to control the glossiness of the image surface. The heating / pressurizing unit 144 presses the image surface with a pressure roller 145 having a predetermined surface irregularity shape while heating the image surface, and transfers the irregular shape to the image surface.

こうして得られたプリント物は、排紙部126から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置100では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部126A、126Bへと送るために排紙経路を切り替える選別手段(図示略)が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット式記録装置100は、以上のように構成されている。
The printed matter obtained in this manner is outputted from the paper output unit 126. It is preferable that the original image to be printed (printed target image) and the test print are discharged separately. In the ink jet recording apparatus 100, there is provided sorting means (not shown) for switching the paper discharge path in order to select the print product of the main image and the print product of the test print and send them to the discharge units 126A and 126B. It has been.
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the cutter 148 may be provided to separate the test print portion.
The ink jet recording apparatus 100 is configured as described above.

(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
(実施例1)
図1に示したスパッタリング装置を用い、真空度0.5Pa、Ar/O混合雰囲気(O体積分率2.5%)の条件下で、Pb1.3Zr0.52Ti0.48のターゲットを用いて、PZT又はNbドープPZTからなる圧電膜の成膜を行った。以降、NbドープPZTは「Nb−PZT膜」と略記する。
Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
Example 1
Pb 1.3 Zr 0.52 Ti 0.48 under the conditions of a vacuum of 0.5 Pa and an Ar / O 2 mixed atmosphere (O 2 volume fraction 2.5%) using the sputtering apparatus shown in FIG. A piezoelectric film made of PZT or Nb-doped PZT was formed using an O 3 target. Hereinafter, Nb-doped PZT is abbreviated as “Nb-PZT film”.

成膜基板として、Siウエハ上に30μm厚のTi密着層と150nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。   As a film formation substrate, a substrate with an electrode was prepared in which a 30 μm thick Ti adhesion layer and a 150 nm thick Ir lower electrode were sequentially laminated on a Si wafer.

成膜温度Tsを525℃とし、ターゲットに2.5W/cmのrf電力を印加し、基板−ターゲット間距離D(mm)=40,60,80,100,120mmの条件で成膜を行った。基板−ターゲット間距離D=60mmではNb−PZT膜を成膜し、それ以外のDにおいてはPZT膜を成膜した。 Film formation temperature Ts is set to 525 ° C., rf power of 2.5 W / cm 2 is applied to the target, and film formation is performed under conditions of substrate-target distance D (mm) = 40, 60, 80, 100, 120 mm. It was. An Nb-PZT film was formed at a substrate-target distance D = 60 mm, and a PZT film was formed at other distances D.

ターゲットに同じ電力が印加されていても、基板―ターゲット間距離Dが近いほど成膜速度が速くなる。成膜温度Ts=525℃とし、ターゲットへの印加電力(rf電力)を2.5W/cmとした時の基板―ターゲット間距離Dと成膜速度との関係を図5に示す。図5によれば、例えば基板―ターゲット間距離D(mm)=60の時の成膜速度は1.0μm/hである。 Even when the same power is applied to the target, the deposition rate increases as the substrate-target distance D decreases. FIG. 5 shows the relationship between the substrate-target distance D and the deposition rate when the deposition temperature Ts = 525 ° C. and the power applied to the target (rf power) is 2.5 W / cm 2 . According to FIG. 5, for example, the film formation speed when the substrate-target distance D (mm) = 60 is 1.0 μm / h.

得られた膜について、X線回折(XRD)測定を実施した。得られた主な膜のXRDパターンを図6〜図10に示す。
図6〜図10に示すように、成膜温度Ts=525℃の条件では、基板−ターゲット間距離D=40mm〜100mmの範囲内において、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が得られた。図5に対応させると、成膜速度0.5μm/h〜1.2μm/hであり、良好な製造効率でペロブスカイト結晶が得られていることになる。
X-ray diffraction (XRD) measurement was performed on the obtained film. The XRD patterns of the main films obtained are shown in FIGS.
As shown in FIGS. 6 to 10, perovskite crystals having crystal orientation were obtained in the range of the substrate-target distance D = 40 mm to 100 mm under the condition of the film formation temperature Ts = 525 ° C. Corresponding to FIG. 5, the deposition rate is 0.5 μm / h to 1.2 μm / h, and the perovskite crystal is obtained with good production efficiency.

基板−ターゲット間距離D=120mm(図10参照)では、パイロクロア相がメインの膜が得られたので、「×」と判定した。この場合は、基板―ターゲット間距離Dが長すぎて、成膜速度が遅くなり、ペロブスカイト成長が十分にできなかったと考えられる。基板−ターゲット間距離D=100mm(図9参照)では、同一条件で調製した他のサンプルではパイロクロア相が見られたため、「▲」と判定した。基板−ターゲット間距離D=40mm(図6参照)の場合も、同様にパイロクロア相が見られるため、「▲」と判定した。基板−ターゲット間距離D=60mm及び75mmにおいて、良好な結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が安定的に得られたので、「●」と判定した(図7及び図8参照)。   When the substrate-target distance D = 120 mm (see FIG. 10), a film having a pyrochlore phase as a main film was obtained. In this case, it is considered that the substrate-target distance D was too long, the film formation rate was slow, and the perovskite growth could not be sufficiently performed. At the substrate-target distance D = 100 mm (see FIG. 9), the pyrochlore phase was observed in the other samples prepared under the same conditions, and therefore, “▲” was determined. In the case where the substrate-target distance D = 40 mm (see FIG. 6), a pyrochlore phase was similarly observed, and therefore, “▲” was determined. Since perovskite crystals having good crystal orientation were stably obtained at the substrate-target distances D = 60 mm and 75 mm, it was determined as “●” (see FIGS. 7 and 8).

図7に示される圧電膜(D=60mm,Nb−PZT膜)について、XRFによる組成分析を実施した。その結果、図7に示される圧電膜の、Pbのモル量とBサイト元素の合計モル量(Zr+Ti+Nb)との比は、Pb/(Zr+Ti+Nb)=1.02であり、Pb抜けのないNb−PZT膜であることが確認された。   The composition analysis by XRF was performed on the piezoelectric film (D = 60 mm, Nb-PZT film) shown in FIG. As a result, the ratio of the molar amount of Pb and the total molar amount of the B site element (Zr + Ti + Nb) in the piezoelectric film shown in FIG. 7 is Pb / (Zr + Ti + Nb) = 1.02, and Nb− without Pb missing. It was confirmed to be a PZT film.

このNb−PZT膜について、圧電膜上にPt上部電極をスパッタリング法にて100nm厚で形成し、圧電膜の圧電定数d31を片持ち梁法により測定した。基板―ターゲット間距離D=60mmで成膜したものは((100)配向)、圧電定数d31は250pm/Vと高く、良好であった。 This Nb-PZT film, a Pt upper electrode was formed with 100nm thickness by sputtering on the piezoelectric film, and the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric film was measured by a cantilever technique. Films deposited with a substrate-target distance D = 60 mm ((100) orientation) were good, with a high piezoelectric constant d 31 of 250 pm / V.

図9に示される若干のパイロクロア相を含むPZT膜について(D=100mm)、同様に圧電定数d31の測定を行ったところ、d31=110pm/Vであった。 For the PZT film containing a slight pyrochlore phase shown in FIG. 9 (D = 100 mm), the piezoelectric constant d 31 was measured in the same manner, and d 31 = 110 pm / V.

(実施例2)
成膜温度Ts=420℃、基板−ターゲット間距離D=60mmとし、その他の条件は実施例1と同様にしてPZT膜を成膜した。
この条件では、僅かにパイロクロア相を含むものの、(100)配向の、良好な結晶配向性を有するペロブスカイト結晶が得られた。
(Example 2)
A PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that the film formation temperature Ts = 420 ° C. and the substrate-target distance D = 60 mm.
Under this condition, a perovskite crystal having a good crystal orientation with (100) orientation was obtained although it contained a slight pyrochlore phase.

(実施例1及び2の結果のまとめ)
図11に、実施例1及び2のすべてのサンプル及びその他の条件で成膜したサンプルについて、成膜温度Tsを横軸にし、基板―ターゲット間距離Dを縦軸にして、XRD測定結果をプロットした
図11には、PZT膜又はNb−PZT膜においては、下記式(1)及び(2)、又は(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することで、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもPb抜けを安定的に抑制することができ、結晶構造及び膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に成膜できることが示されている。
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
30≦D(mm)≦80・・・(2)、
500≦Ts(℃)≦600・・・(3)、
30≦D(mm)≦100・・・(4)
(Summary of results of Examples 1 and 2)
FIG. 11 plots XRD measurement results for all samples of Examples 1 and 2 and samples formed under other conditions, with the deposition temperature Ts on the horizontal axis and the substrate-target distance D on the vertical axis. In FIG. 11, in the PZT film or the Nb-PZT film, the film formation conditions are determined within a range satisfying the following formulas (1) and (2), or (3) and (4). As a result, it is shown that a perovskite crystal with a small amount of Pb can be stably grown, Pb loss can be stably suppressed, and a high-quality piezoelectric film having a good crystal structure and film composition can be stably formed. Yes.
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
30 ≦ D (mm) ≦ 80 (2),
500 ≦ Ts (° C.) ≦ 600 (3),
30 ≦ D (mm) ≦ 100 (4)

本発明の圧電膜の成膜方法は、プラズマを用いる気相成長法により膜を成膜する場合に適用することができ、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ(FRAM)、及び圧力センサ等に用いられる圧電膜等の成膜に適用することができる。   The method for forming a piezoelectric film of the present invention can be applied to a case where a film is formed by a vapor phase growth method using plasma, and is applied to an ink jet recording head, a ferroelectric memory (FRAM), a pressure sensor, and the like. It can be applied to the film formation of a piezoelectric film or the like used.

(a)はRFスパッタリング装置の概略断面図、(b)は成膜中の様子を模式的に示す図(A) is a schematic sectional view of an RF sputtering apparatus, (b) is a diagram schematically showing a state during film formation. 本発明に係る実施形態の圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the piezoelectric element of embodiment which concerns on this invention, and an inkjet recording head (liquid discharge apparatus) 図2のインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)を備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図2 is a diagram illustrating a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head (liquid ejection apparatus) of FIG. 図3のインクジェット式記録装置の部分上面図Partial top view of the ink jet recording apparatus of FIG. 実施例1における、基板―ターゲット間距離と成膜速度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the substrate-target distance and the film-forming speed | velocity in Example 1. 実施例1で得られた主な圧電膜のXRDパターンXRD pattern of main piezoelectric film obtained in Example 1 実施例1で得られた主な圧電膜のXRDパターンXRD pattern of main piezoelectric film obtained in Example 1 実施例1で得られた主な圧電膜のXRDパターンXRD pattern of main piezoelectric film obtained in Example 1 実施例1で得られた主な圧電膜のXRDパターンXRD pattern of main piezoelectric film obtained in Example 1 実施例1で得られた主な圧電膜のXRDパターンXRD pattern of main piezoelectric film obtained in Example 1 実施例1及び2のすべてのサンプル及びその他のサンプルについて、成膜温度Tsを横軸にし、基板―ターゲット間距離Dを縦軸にして、XRD測定結果をプロットした図FIG. 5 is a graph in which XRD measurement results are plotted for all the samples of Examples 1 and 2 and other samples, with the film-forming temperature Ts as the horizontal axis and the substrate-target distance D as the vertical axis.

符号の説明Explanation of symbols

1 RFスパッタリング装置(成膜装置)
2 圧電素子
3、3K,3C,3M,3Y インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
20 基板
30、50 電極
40 圧電膜
70 インクノズル(液体貯留吐出部材)
71 インク室(液体貯留室)
72 インク吐出口(液体吐出口)
100 インクジェット式記録装置
1 RF sputtering equipment (film deposition equipment)
2 Piezoelectric element 3, 3K, 3C, 3M, 3Y Inkjet recording head (liquid ejection device)
20 Substrate 30, 50 Electrode 40 Piezoelectric film 70 Ink nozzle (liquid storage and discharge member)
71 Ink chamber (liquid storage chamber)
72 Ink ejection port (liquid ejection port)
100 Inkjet recording device

Claims (5)

成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いるスパッタリング法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなり、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電膜を成膜する方法において、
前記ターゲットとして該ターゲットの組成のうち、Pb以外の元素の組成が、成膜する前記圧電膜の組成と略同一であり、且つ、Pbの組成が、前記成膜中に脱離するPbを含む前記圧電膜の組成と略同一であるターゲットを用い、
下記式(1)及び(2)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とする圧電膜の成膜方法。
一般式A・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
30≦D(mm)≦80・・・(2)
(式(1)及び(2)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
A target having a composition corresponding to the composition of the film to be deposited is placed opposite to the substrate, the constituent elements of the target are released by a sputtering method using plasma, and the constituent elements of the target are formed on the substrate. In a method of forming a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the formula (P):
Among the compositions of the target as the target, the composition of elements other than Pb is substantially the same as the composition of the piezoelectric film to be deposited, and the composition of Pb includes Pb that is desorbed during the deposition. Using a target that is substantially the same as the composition of the piezoelectric film,
A method for forming a piezoelectric film, wherein film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (1) and (2).
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
30 ≦ D (mm) ≦ 80 (2)
(In formulas (1) and (2), Ts (° C.) is the film forming temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)
成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットと基板とを対向配置させ、プラズマを用いるスパッタリング法により、前記ターゲットの構成元素を放出させ、前記基板上に前記ターゲットの構成元素からなり、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電膜を成膜する方法において、
前記ターゲットとして該ターゲットの組成のうち、Pb以外の元素の組成が、成膜する前記圧電膜の組成と略同一であり、且つ、Pbの組成が、前記成膜中に脱離するPbを含む前記圧電膜の組成と略同一であるターゲットを用い、
下記式(3)及び(4)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とする圧電膜の成膜方法。
一般式A・・・(P)
(式中、A:Aサイト元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素原子、
aが1.0であり、かつbが1.0である場合が標準であるが、aとbはペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)、
500≦Ts(℃)≦525・・・(3)、
60≦D(mm)≦75・・・(4)
(式(3)及び(4)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
A target having a composition corresponding to the composition of the film to be deposited is placed opposite to the substrate, the constituent elements of the target are released by a sputtering method using plasma, and the constituent elements of the target are formed on the substrate. In a method of forming a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the formula (P):
Among the compositions of the target as the target, the composition of elements other than Pb is substantially the same as the composition of the piezoelectric film to be deposited, and the composition of Pb includes Pb that is desorbed during the deposition. Using a target that is substantially the same as the composition of the piezoelectric film,
A method for forming a piezoelectric film, wherein film forming conditions are determined within a range satisfying the following expressions (3) and (4):
General formula A a B b O 3 (P)
(In the formula, A: an A site element and at least one element including Pb,
B: Element of B site, from the group consisting of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected,
O: oxygen atom,
Although it is standard that a is 1.0 and b is 1.0, a and b may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken. ),
500 ≦ Ts (° C.) ≦ 525 (3),
60 ≦ D (mm) ≦ 75 (4)
(In formulas (3) and (4), Ts (° C.) is the film forming temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)
下記式(1)及び(5)を充足する範囲で成膜条件を決定することを特徴とする請求項1に記載の圧電膜の成膜方法。
400≦Ts(℃)≦500・・・(1)、
40≦D(mm)≦75・・・(5)
(式(1)及び(5)中、Ts(℃)は成膜温度、D(mm)は基板とターゲットとの離間距離である。)
2. The method for forming a piezoelectric film according to claim 1, wherein film forming conditions are determined within a range satisfying the following formulas (1) and (5).
400 ≦ Ts (° C.) ≦ 500 (1),
40 ≦ D (mm) ≦ 75 (5)
(In formulas (1) and (5), Ts (° C.) is the film forming temperature, and D (mm) is the distance between the substrate and the target.)
0.5μm/h以上の成膜速度で成膜を実施することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電膜の成膜方法。   The method for forming a piezoelectric film according to claim 1, wherein the film formation is performed at a film formation rate of 0.5 μm / h or more. 前記1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物が、下記式(P−1)で表されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧電膜の成膜方法。
Pb(Zrb1Tib2b3)O・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。a=1.0であり、かつb1+b2+b3=1.0である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1.0からずれてもよい。)
The method for forming a piezoelectric film according to claim 1, wherein the one or more perovskite oxides are represented by the following formula (P-1).
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of group V and group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, a = 1.0 and b1 + b2 + b3 = 1.0 is standard, but these values may deviate from 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken.)
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