JP4276276B2 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents
圧電素子の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4276276B2 JP4276276B2 JP2007233017A JP2007233017A JP4276276B2 JP 4276276 B2 JP4276276 B2 JP 4276276B2 JP 2007233017 A JP2007233017 A JP 2007233017A JP 2007233017 A JP2007233017 A JP 2007233017A JP 4276276 B2 JP4276276 B2 JP 4276276B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- film
- electrode
- piezoelectric element
- piezoelectric film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 29
- HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N lead oxide Chemical compound [O-2].[Pb+2] HTUMBQDCCIXGCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 31
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910000464 lead oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 170
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 34
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 32
- YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N oxolead Chemical compound [Pb]=O YEXPOXQUZXUXJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 20
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 11
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 5
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009681 x-ray fluorescence measurement Methods 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 IrO 2 Chemical class 0.000 description 2
- 241000877463 Lanio Species 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004121 SrRuO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N dioxolead Chemical compound O=[Pb]=O YADSGOSSYOOKMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 1
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 1
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
- B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1607—Production of print heads with piezoelectric elements
- B41J2/161—Production of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
- B41J2/1646—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2047—Membrane type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
- H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/42—Piezoelectric device making
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
ここで、圧電体膜をスパッタ法等の気相成長法で製造すると、パイロクロア層ができやすいという問題がある。パイロクロア層が多い圧電体膜は、圧電特性及び耐久性が低くなるため、圧電素子としての性能が低くなる。また、パイロクロア層とペロブスカイトが混在すると、パイロクロア層が形成される位置、分散等により圧電特性が変化する。そのため、スパッタ法で圧電膜を作製する圧電素子は性能にバラツキが発生し、再現性が低いという問題もある。
また、本発明の他の目的は、圧電特性及び耐久性が高い圧電素子を用いた液滴の吐出性能が高く、高画質な画像を記録することができる液滴吐出ヘッドを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、気相成長法を用いて、圧電特性、耐久性の高い圧電素子を、再現性を高く製造することができる圧電阻止の製造方法を提供することにある。
また、前記圧電体膜は、気相成長法によって形成されたPbxByOzを主成分とし、前記第2の電極との接触面から、前記第1の電極の方向に100nm離れた部分をXRD測定によって測定した場合のペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが0.2以上であることが好ましい。
ここで、第2の形態において、前記圧電体膜は、気相成長法によって形成されたPbxByOzを主成分とし、前記第2の電極との接触面から、前記第1の電極の方向に100nm離れた部分をXRD測定によって測定した場合のペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが0.2以上であることが好ましい。
ここで、第3の態様において、前記第2の電極の表面に成膜するPbOは、厚さが1nm以上10nm以下であることが好ましい。
本発明の第1の態様の第2の形態によれば、第2の電極側の界面付近も同様の組成とすることで、界面付近でのPbの欠損を防止でき、界面付近もパイロクロア層が少ない圧電体膜とすることができ、圧電特性および耐久性を高くすることができる。
本発明の第1の態様の第3の形態によれば、界面付近でもっとも発生しやすいパイロクロア層の割合を一定以下とすることで、パイロクロア層の少ない圧電体膜とすることができる。また、界面付近のパイロクロア層を少なくすることで、圧電体膜と第2の電極との間でのリーク電流を少なくすることができる。これにより、圧電特性および耐久性を高くすることができる。
図1に示すインクジェットヘッド10は、圧電素子12と、圧電素子12を支持する基板14とを有する。
ここで、図1に示すように、インクジェットヘッド10は、複数の圧電素子12が一定間隔で基板14上に配置されており、1つの圧電素子12とその圧電素子12に対応する基板14部分が1つの吐出部を構成している。この各吐出部は同様の構成であるので、以下では、代表して1つの吐出部を構成する1つの圧電素子12とその圧電素子12に対応する基板14の各部について説明する。
ここで、下部電極20は、種々の材料で作製することができ、例えば、Au,Pt及びIr等の金属、IrO2,RuO2,LaNiO3及びSrRuO3等の金属酸化物及びこれらの組み合わせで作製することができる。
この点について、本発明者らが鋭意検討した結果、下部電極側の界面付近の配向、組成により圧電特性及び耐久性が変化することを知見した。
より具体的には、界面付近でPbが欠損し、または、パイロクロア層が多いと圧電定数が低く、また耐久性も低くなることを知見した。
ここで、ペロブスカイトピークは、XRD測定によって検出されたペロブスカイトに起因する全てのピークを足し合わせたものであり、パイロクロアピークは、XRD測定によって検出されたパイロクロア層に起因する全てのピークを足し合わせたものである。
また、中心部分とは、下部電極と圧電体膜の接触面から圧電体膜側(つまり上部電極側)に圧電体膜の厚みの1/2離れた地点である。
具体的には、圧電体膜18の下部電極20との接触面(つまり、界面)から上部電極16側に100nm離れた部分のPbxByOzのx/yを、0.8以上とすることで、界面付近でのPbの欠損により、圧電定数が低くなることを防止でき、圧電定数を一定以上とすることができる。また、x/yを、1.6以下とすることで、界面付近のPbが過剰となり界面でPbがメタル状態となり、下部電極との間でリーク電流が増大することを防止できる。これにより、圧電定数を高くすることができる。また、界面でのリーク電流の増大が防止できることで、部分的に過剰な負荷が生じることも防止できるため、圧電素子としての耐久性も高くすることができる。
また、界面付近でのx/yを0.8以上1.6以下とし、PbとBサイトの元素との量を一定割合とすることで、パイロクロア層を少なく、かつ、ペロブスカイト構造の結晶を多くすることができる。
以上より、上記範囲内とすることで、圧電定数を高くすることができ、耐久性も高くすることができる。
また、圧電体膜18は、下部電極20との接触面(つまり、界面)から上部電極16側に100nm離れた部分のPbxByOzのx/yが、1.0以上1.4以下であることがより好ましい。
この圧電素子12は、圧電体膜18を挟んでいる上部電極16と下部電極20とで、圧電体膜18に電圧を印加する。圧電体膜18は、上部電極16及び下部電極20から電圧が印加されることで伸縮する。
基板14は、圧電素子12を支持する支持板22と、圧電素子12の振動を伝達する振動板24と、インクを貯留し、振動板24の振動により、インク液滴を吐出するインクノズル26とを有する。基板14は、圧電素子12側から支持板22、振動板24、インクノズル26の順で積層されている。
この支持板22には、シリコン、ガラス、ステンレス、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、サファイア、シリコンカーバイト等の種々の材料で作製した板状部材を用いることができる。また、支持板22として、シリコン基板上にSiO 2 膜とSi活性層とを順次積層させたSIO基板等の積層基板を用いてもよい。
インク室28は、所定量のインクが貯留された空間であり、圧電素子12に対向する位置に配置されている。このインク室28の圧電素子12とは反対側の面には、1つのインク吐出口30が形成されている。
インク室28は、圧電素子12側の面が振動板24で形成されており、振動板24が振動すると容積が変化する。これにより、圧電素子12に電圧が印加されることで振動板24が振動し、インク室28の容積が小さくなると、インク吐出口からインク液滴が吐出される。
なお、インク室28には、図示しないインク供給手段と接続されており、インク吐出口30からインク液滴が吐出されると、インク室28にインクが補充される。このようにして、インク室28は、一定量のインクが貯留されている。
インクジェットヘッド10は、基本的に以上の構成である。
まず、インクジェットヘッド10の下部電極20は、複数の圧電素子に共通であり、一定の電圧が印加、若しくは接地されている。
この状態で、画像信号に応じて、上部電極16に電圧が印加されると、圧電体膜18に印加される電圧が変化するため、圧電体膜18が変形する。
インク室28の容積が小さくなると、インク室28内部に貯留されているインクの圧が高くなり、インク吐出口30からインク液滴が吐出される。
まず、本発明の圧電素子の製造に用いる装置の一例について説明する。
図2は、本発明の圧電素子の製造方法に用いるスパッタリング装置の一実施形態の概略構成を示す断面図である。
真空容器52は、鉄、ステンレス、アルミニウム等で形成される気密性の高い容器である。真空容器52としては、スパッタリング装置で利用される種々の真空容器(真空チャンバ、ベルジャー、真空槽)を用いることができる。
ここで、基礎部Bは、下部電極20が形成されていれば、特に限定はなく、例えば、下部電極20を形成した支持板22でもよく、支持板22、振動板24及びインクノズル26が形成された基板14でもよく、下部電極20のみでもよく、下部電極20を一時的に板部材に保持させた構成の部材でもよい。
まず、支持部54に基礎部Bを装着し、プラズマ電極56の装着部にターゲットTを装着する。その後、ガス排出管60から真空容器52内の空気を排出しつつ、ガス導入管58から真空容器52内にガスを導入し、真空容器52内にガスを充満させた状態にする。
その後、高周波電源62からプラズマ電極56に電圧を印加し、プラズマ電極56から放電を発生させる。プラズマ電極56で放電を発生させると、真空容器内のガスがプラズマ化され、ガスのプラスイオンが生成される。生成されたプラスイオンは、ターゲットTをスパッタする。スパッタされたターゲットTの構成元素は、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礎部Bに蒸着される。
スパッタリング装置50は、このようにして基礎部Bに膜を形成する。
図3は、圧電素子の製造工程を示すフロー図である。
具体的には、スパッタリング装置50を用いて、基礎部Bとして、下部電極20が形成された支持板22を配置し、ターゲットとしてPbO焼成体を配置する。そして、上述したように、真空容器52内に所定のガスを充満させ、プラズマ放電を発生させることにより、基礎部Bの下部電極20上にPbO膜を形成する。
具体的には、スパッタリング装置50を用いて、基礎部Bとして、下部電極20上にPbO膜が形成された支持板22を配置し、ターゲットとしてPZT焼成体を配置する。そして、上述したように、真空容器52内に所定のガスを充満させ、プラズマ放電を発生させることにより、基礎部Bの下部電極20上にPZTを成膜する。
ここで、PbO膜は、微小な厚みであるため、PZTの成膜時に、成膜されるPZTに吸収される。つまり、PZTの成膜後は、下部電極上にPZTのみが形成された状態となる。このようにして下部電極20上に形成されたPZTが、圧電体膜18となる。
以上のようにして圧電素子を製造する。
以上より、上述した圧電特性が高く、耐久性が高い圧電素子を作製することができる。また、圧電体膜の下部電極側の界面付近のパイロクロア層の量が少なくでき、また、Pbの欠損を少なくすることができるため、圧電特性が高く、耐久性が高い圧電素子を再現性を高く製造することができる。
また、PbO膜の厚みを2nm以上5nm以下とすることで上記効果をより好適に得ることができる。
また、本実施形態では、圧電体膜として、圧電特性が高く、比較的安価であり、作製がよういであるため、Bサイトの元素としてZr及びTiを有するPZTの圧電体膜を形成する場合として説明したが、これに限定されず、上述したPbxByOzを主成分とする圧電体膜を作製する場合も同様に、PbOaの膜を形成した後にPbxByOzを気相成長法により作製することで、上記効果を得ることができる。
支持体としてSOI基板を用い、スパッタ法により、SOI基板上に下部電極を作製した。具体的には、SOI基板を350℃に加熱した状態で、SOI基板上に、Tiを10nm蒸着し、さらにIrを300nm蒸着することで、下部電極を作製した。
次に、上述したスパッタリング装置50内に下部電極を作製したSOI基板を載置し、ターゲットとしてPbO焼成体を載置する。その後、真空容器内に、空気を排気しつつ、ガスとしてArを導入し、全圧0.3PaのAr雰囲気とし、さらに、SOI基板を450℃に加熱する。上記条件で、スパッタ法により、下部電極上に10nmのPbOを成膜した。
次に、ターゲットをPb1.3((Zr0.52Ti0.48)0.9Nb0.10)O3に変更し、さらに、ガスをAr+1%O2の混合ガス(つまり、Arが100に対してO2が1の割合で混合されたガス)に変更し、真空容器内を混合ガス雰囲気とした。さらに、プラズマ電位の差を30eV、rfパワーを500Wとした。上記条件でスパッタ法により、下部電極上に4μmのPZTを成膜、圧電体膜を作製した。
次に、膜厚100nm地点におけるXRDの測定した結果を図4に示す。ここで、図4は、膜厚100nm地点におけるXRDの測定した結果を示すグラフであり、縦軸を強度[cps]とし、横軸を2Θ[°]とした。
図4に示すように、膜厚100nm地点の圧電体膜は、ペロブスカイト(100)配向、ペロブスカイト(111)配向、ペロブスカイト(200)配向とパイロクロア層とが混在していることがわかる。なお、図4に示すように、膜厚100nm地点におけるXRD測定の測定結果では、下部電極のIrが検出されているが、下部電極のIrを検出しているものであり、圧電体膜の配向ではないので無視することができる。
さらに、図4に示す測定結果から算出したペロブスカイトピーク/パイロクロアピークは、6.3であった。
算出結果を図5に示す。図5は、膜厚とPb量/(Zr+Ti+Nb)量との関係を示すグラフであり、縦軸をPb量/(Zr+Ti+Nb)量とし、横軸を膜厚[nm]とした。
図5に示すように、下部電極側の界面付近においてもPbの比率が高いことが分かる。
また、膜厚100nm地点(以下「A点」ともいう。)のPb量/(Zr+Ti+Nb)量)と、圧電体膜の中心部つまり膜厚2μm地点(以下「B点」ともいう。)のPb量/(Zr+Ti+Nb)量)との比、つまり、(A点におけるPb量/(Zr+Ti+Nb)量)/(B点(膜厚2000nm地点)におけるPb量/(Zr+Ti+Nb)量)(以下、単に「A点/B点」とする。)は、1.1であった。
測定及び算出した結果、実施例2は、圧電定数d31が、240pm/Vであり、膜厚100nmにおけるペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが、0.2であり、A点/B点が、0.7であった。
次に、実施例3は、圧電定数d31が、250pm/Vであり、膜厚100nmにおけるペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが、0.1であり、A点/B点が、0.9であった。
次に、実施例4は、圧電定数d31が、250pm/Vであり、膜厚100nmにおけるペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが、8.2であり、A点/B点が、1.3であった。
次に、実施例5は、圧電定数d31が、240pm/Vであり、膜厚100nmにおけるペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが、5.2であり、A点/B点が、1.5であった。
比較例1では、以下の方法で圧電素子を作製した。
支持体としてSOI基板を用い、スパッタ法により、SOI基板上に下部電極を作製した。具体的には、SOI基板を350℃に加熱した状態で、SOI基板上に、Tiを10nm蒸着し、さらにIrを300nm蒸着することで、下部電極を作製した。
次に、上述したスパッタリング装置50内に下部電極を作製したSOI基板を載置し、ターゲットとしてPb1.3((Zr0.52Ti0.48)0.9Nb0.10)O3を載置する。その後、真空容器内に、空気を排気しつつ、ガスとしてAr+1%O2の混合ガスを導入し、全圧0.3Paの混合ガス雰囲気とし、さらに、SOI基板を450℃に加熱する。さらに、プラズマ電位の差を30eV、rfパワーを500Wとした。上記条件で、スパッタ法により、下部電極上に4μmのPZTを成膜、圧電体膜を作製した。
算出した結果、本比較例も、膜厚4μm地点、つまり、圧電体膜の表面では、完全にペロブスカイト(100)配向であった。
次に、膜厚100nm地点におけるXRDの測定した結果を図6に示す。ここで、図6は、膜厚100nm地点におけるXRDの測定した結果を示すグラフであり、縦軸を強度[cps]とし、横軸を2Θ[°]とした。
図6に示すように、膜厚100nm地点の圧電体膜は、パイロクロア層が多く、ペロブスカイトが少ないことが分かる。なお、本比較例も、下部電極のIrが検出されているが、圧電体膜の配向ではないので無視することができる。
図6示す測定結果から算出したペロブスカイトピーク/パイロクロアピークは、0.2であった。
算出結果を図7に示す。図7は、膜厚とPb量/(Zr+Ti+Nb)量との関係を示すグラフであり、縦軸をPb量/(Zr+Ti+Nb)量とし、横軸を膜厚[nm]とした。
図7に示すように、比較例では、下部電極側の下面でPbの欠損が発生し、Pbの量が少なくなっていることがわかる。
さらに、A点/B点は、0.5であった。
比較例2では、以下の方法で圧電素子を作製した。
支持体としてSOI基板を用い、スパッタ法により、SOI基板上に下部電極を作製した。具体的には、SOI基板を350℃に加熱した状態で、SOI基板上に、Tiを10nm蒸着し、さらにIrを300nm蒸着することで、下部電極を作製した。
次に、上述した実施例1と同様の条件でスパッタ法により、下部電極上に15nmのPbOを成膜した。
次に、上述したスパッタリング装置50内に下部電極を作製したSOI基板を載置し、ターゲットとしてPb1.3((Zr0.52Ti0.48)0.9Nb0.10)O3を載置する。その後、真空容器内に、空気を排気しつつ、ガスとしてAr+1%O2の混合ガスを導入し、全圧0.3Paの混合ガス雰囲気とし、さらに、SOI基板を450℃に加熱する。さらに、プラズマ電位の差を30eV、rfパワーを500Wとした。上記条件でスパッタ法により、PbO層を成膜した下部電極上に4μmのPZTを成膜、圧電体膜を作製した。
算出した結果、膜厚4μm地点におけるPb量/(Zr+Ti+Nb)量は、1.1であり、膜厚100nm地点におけるPb量/(Zr+Ti+Nb)量は、2.0であった。このように本比較例の場合は、下部電極側の界面付近でPbが過剰に存在していることが分かる。
さらに、膜厚100nmにおけるペロブスカイトピーク/パイロクロアピークは、0.1であり、A点/B点は、1.8であった。
また、A点/B点を0.7以上1.5以下とすることでも、圧電定数を高くすることができることがわかる。
さらに、ペロブスカイトピーク/パイロクロアピークを0.2以上とすることでも、圧電定数を高くすることができることがわかる。
また、実施例1〜5及び比較例2に示すようにPbO層を1nm以上10nm以下とすることで、圧電定数の高い圧電体膜を形成でき、かつ圧電体膜と下部電極との密着性を高くできることがわかる。
また、PbO層を形成してからPZTを形成して圧電体膜を作製することにより、気相成長法で圧電体膜を製造する場合でも、下部電極側の界面付近で、Pbが欠損することを防止でき、界面付近でも一定割合のPbを保持できることがわかる。
また、膜厚100nm地点つまり界面付近でのパイロクロア層を少なく、さらに、界面付近と中心部でのPbの量との割合が一定範囲の圧電体膜を作製できることもわかる。
以上より本発明の効果は明らかである。
12 圧電素子
14 基板
16 上部電極
18 圧電体膜
20 下部電極
22 支持板
24 振動板
26 インクノズル
28 インク室
30 インク吐出口
50 スパッタリング装置
52 真空容器
54 支持部
56 プラズマ電極
58 ガス導入管
60 ガス排出管
62 高周波電源
Claims (6)
- 第1の電極と圧電体膜と第2の電極が積層された圧電素子の製造方法であって、
前記第2の電極の表面に気相成長法で酸化鉛を成膜し、
前記酸化鉛を成膜した表面上に気相成長法でPbx/yBO3を主成分として成膜して、圧電体膜を形成し、
前記圧電体膜は、前記第2の電極との接触面から、前記第1の電極の方向に100nm離れた部分のx/yが、0.8以上1.6以下であり、前記Pbx/yBO3は、前記Bとして少なくともTiおよびZrを含むチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 前記第2の電極の表面に成膜する前記酸化鉛は、厚さが1nm以上10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記酸化鉛は、PbO、PbO2およびPb2O3のいずれかを含むものであることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電素子の製造方法。
- 前記Pbx/yBO3は、前記Bとして、TiおよびZrに加え、さらに、Nbが添加されているニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であ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素子の製造方法。
- 前記圧電体膜は、気相成長法によって形成された前記Pbx/yBO3を主成分とし、前記第2の電極との接触面から、前記第1の電極の方向に100nm離れた部分のx/yが、中心部分のx/yの0.7倍以上1.5倍以下であ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素子の製造方法。
- 前記圧電体膜は、気相成長法によって形成された前記Pbx/yBO3を主成分とし、前記第2の電極との接触面から、前記第1の電極の方向に100nm離れた部分をXRD測定によって測定した場合のペロブスカイトピーク/パイロクロアピークが0.2以上である請求項1〜5のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007233017A JP4276276B2 (ja) | 2007-09-07 | 2007-09-07 | 圧電素子の製造方法 |
EP08015566.6A EP2034535B1 (en) | 2007-09-07 | 2008-09-03 | Piezoelectric device, liquid droplet ejecting head using the same, and process for producing the same |
US12/204,690 US20090066188A1 (en) | 2007-09-07 | 2008-09-04 | Piezoelectric device, liquid droplet ejecting head using the same, and process for producing the same |
CNA2008102134912A CN101383395A (zh) | 2007-09-07 | 2008-09-08 | 压电元件及使用该压电元件的液滴喷出头、以及压电元件的制造方法 |
US12/938,695 US20110041304A1 (en) | 2007-09-07 | 2010-11-03 | Piezoelectric device, liquid droplet ejecting head using the same, and process for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007233017A JP4276276B2 (ja) | 2007-09-07 | 2007-09-07 | 圧電素子の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009065049A JP2009065049A (ja) | 2009-03-26 |
JP4276276B2 true JP4276276B2 (ja) | 2009-06-10 |
Family
ID=40130939
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007233017A Active JP4276276B2 (ja) | 2007-09-07 | 2007-09-07 | 圧電素子の製造方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US20090066188A1 (ja) |
EP (1) | EP2034535B1 (ja) |
JP (1) | JP4276276B2 (ja) |
CN (1) | CN101383395A (ja) |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4452752B2 (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-21 | 富士フイルム株式会社 | 鉛含有圧電膜およびその作製方法、鉛含有圧電膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置 |
JP5621964B2 (ja) * | 2009-11-02 | 2014-11-12 | セイコーエプソン株式会社 | 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子並びに超音波デバイス |
JP5556182B2 (ja) * | 2010-01-05 | 2014-07-23 | セイコーエプソン株式会社 | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 |
CN101805183B (zh) * | 2010-03-02 | 2013-02-06 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种低温烧结Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3陶瓷粉体及其制备 |
KR101573665B1 (ko) * | 2010-10-06 | 2015-12-01 | 가부시키가이샤 알박 | 유전체 성막 장치 및 유전체 성막 방법 |
JP5636433B2 (ja) * | 2010-10-06 | 2014-12-03 | 株式会社アルバック | 誘電体薄膜の成膜方法 |
CN101941840B (zh) * | 2010-10-09 | 2012-08-22 | 天津大学 | 制备铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷的b位氧化物前驱体方法 |
JP5836755B2 (ja) * | 2011-10-04 | 2015-12-24 | 富士フイルム株式会社 | 圧電体素子及び液体吐出ヘッド |
JP5836754B2 (ja) | 2011-10-04 | 2015-12-24 | 富士フイルム株式会社 | 圧電体素子及びその製造方法 |
JP5988494B2 (ja) * | 2013-02-04 | 2016-09-07 | 富士フイルム株式会社 | 角速度センサ及びその製造方法 |
JP6274308B2 (ja) * | 2014-04-23 | 2018-02-07 | コニカミノルタ株式会社 | 圧電素子、圧電素子の製造方法、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ |
EP3605625B1 (en) * | 2017-03-31 | 2021-04-28 | FUJIFILM Corporation | Piezoelectric body membrane, piezoelectric element, and piezoelectric element manufacturing method |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3182909B2 (ja) | 1991-09-25 | 2001-07-03 | セイコーエプソン株式会社 | 強誘電体キャパシタの製造方法及び強誘電体メモリ装置の製造方法 |
EP0747976B1 (en) * | 1994-12-27 | 2000-06-07 | Seiko Epson Corporation | Thin-film piezoelectric element, process for preparing the same, and ink jet recording head made by using said element |
US6340621B1 (en) * | 1996-10-30 | 2002-01-22 | The Research Foundation Of State University Of New York | Thin film capacitor and method of manufacture |
US5938612A (en) * | 1997-05-05 | 1999-08-17 | Creare Inc. | Multilayer ultrasonic transducer array including very thin layer of transducer elements |
US6333066B1 (en) * | 1997-11-21 | 2001-12-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for forming PZT thin film using seed layer |
JP3202006B2 (ja) | 1999-04-15 | 2001-08-27 | 松下電器産業株式会社 | 圧電素子及びその製造方法並びにそれを用いたインクジェットヘッド及びその製造方法 |
JP3791614B2 (ja) * | 2002-10-24 | 2006-06-28 | セイコーエプソン株式会社 | 強誘電体膜、強誘電体メモリ装置、圧電素子、半導体素子、圧電アクチュエータ、液体噴射ヘッド及びプリンタ |
JP2005101512A (ja) | 2002-10-24 | 2005-04-14 | Seiko Epson Corp | 強誘電体膜、強誘電体メモリ、圧電素子、半導体素子、液体噴射ヘッド、プリンタ及び強誘電体膜の製造方法 |
US7718042B2 (en) * | 2004-03-12 | 2010-05-18 | Oc Oerlikon Balzers Ag | Method for manufacturing sputter-coated substrates, magnetron source and sputtering chamber with such source |
US7312558B2 (en) * | 2004-04-02 | 2007-12-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, and ink jet recording apparatus |
JP2007045129A (ja) * | 2005-08-12 | 2007-02-22 | Seiko Epson Corp | 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 |
JP2007314368A (ja) * | 2006-05-25 | 2007-12-06 | Fujifilm Corp | ペロブスカイト型酸化物、強誘電素子、圧電アクチュエータ、及び液体吐出装置 |
JP4317888B2 (ja) * | 2007-08-31 | 2009-08-19 | 富士フイルム株式会社 | スパッタ方法およびスパッタ装置 |
-
2007
- 2007-09-07 JP JP2007233017A patent/JP4276276B2/ja active Active
-
2008
- 2008-09-03 EP EP08015566.6A patent/EP2034535B1/en active Active
- 2008-09-04 US US12/204,690 patent/US20090066188A1/en not_active Abandoned
- 2008-09-08 CN CNA2008102134912A patent/CN101383395A/zh active Pending
-
2010
- 2010-11-03 US US12/938,695 patent/US20110041304A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2034535A3 (en) | 2013-07-31 |
CN101383395A (zh) | 2009-03-11 |
US20110041304A1 (en) | 2011-02-24 |
EP2034535A2 (en) | 2009-03-11 |
EP2034535B1 (en) | 2016-02-10 |
US20090066188A1 (en) | 2009-03-12 |
JP2009065049A (ja) | 2009-03-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4276276B2 (ja) | 圧電素子の製造方法 | |
JP4361102B2 (ja) | 圧電素子の製造方法 | |
JP4618196B2 (ja) | 圧電体アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッド | |
JP3882946B2 (ja) | 圧電体素子の製造方法 | |
US20180130942A1 (en) | Piezoelectric film and method for manufacturing same | |
US20110215679A1 (en) | Piezoelectric film, piezoelectric device, liquid ejection apparatus, and method of producing piezoelectric film | |
WO2003070641A1 (fr) | Corps piezo-electrique, son procede de fabrication, element piezo-electrique comportant le corps piezo-electrique, tete d'injection, et dispositif d'enregistrement de type a injection | |
US11805700B2 (en) | Laminated substrate having piezoelectric film, element having piezoelectric film and method for manufacturing this laminated substrate | |
US20100039482A1 (en) | Multilayer body, piezoelectric element, and liquid ejecting device | |
JP5370332B2 (ja) | 圧電体素子およびインクジェット式記録ヘッド | |
US20100039481A1 (en) | Film depositing apparatus, a film depositing method, a piezoelectric film, and a liquid ejecting apparatus | |
JP2008041921A (ja) | 圧電薄膜素子およびその製造方法、ならびにインクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置 | |
JP2007112069A (ja) | 液体吐出ヘッド | |
JP5371329B2 (ja) | 圧電素子、および液体吐出装置 | |
US20170186936A1 (en) | Piezoelectric element production method thereof, actuator, and liquid discharge apparatus | |
WO2015174265A1 (ja) | 強誘電体薄膜、圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP2010084160A (ja) | 鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜の成膜方法、圧電素子、および液体吐出装置 | |
US20100090154A1 (en) | Film depositing apparatus, a film depositing method, a piezoelectric film, and a liquid ejecting apparatus | |
WO2018021197A1 (ja) | 圧電体膜、圧電素子および圧電体膜の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081209 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090126 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090224 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090305 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4276276 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120313 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120313 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130313 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130313 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140313 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |