JP5270278B2 - Method for manufacturing piezoelectric element - Google Patents

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Description

本発明は、所定のパターンを有する圧電体膜を備えた圧電素子とその製造方法、及びこれ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 piezoelectric element including a piezoelectric film having a predetermined pattern, a manufacturing method thereof, and a liquid discharge apparatus including the piezoelectric element.

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体膜と、圧電体膜に対して所定方向に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)等のペロブスカイト構造を有する複合酸化物が知られている。圧電体膜は、連続膜ではなく、互いに機械的に分離された複数の凸部からなるパターンで形成することで伸縮がスムーズに起こり、より大きな変位量が得られるとされている。   An actuator in which a piezoelectric element including a piezoelectric film having piezoelectricity 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 in a predetermined direction is mounted on an ink jet recording head Etc. are used. As a piezoelectric material, a composite oxide having a perovskite structure such as lead zirconate titanate (PZT) is known. The piezoelectric film is not a continuous film, but is formed by a pattern composed of a plurality of convex portions mechanically separated from each other, so that expansion and contraction occur smoothly and a larger displacement amount is obtained.

圧電体膜は、所望の歪変位量を得るため、例えば1〜5μm程度の厚みで形成される。この厚みはnmオーダーの電極(例えば厚み200nm)等に比して厚いものである。特許文献1等に記載されているように、従来、圧電体膜は一般にドライエッチングによりパターニングされている。   The piezoelectric film is formed with a thickness of about 1 to 5 μm, for example, in order to obtain a desired strain displacement. This thickness is thicker than a nanometer-order electrode (for example, a thickness of 200 nm). As described in Patent Document 1 and the like, conventionally, a piezoelectric film is generally patterned by dry etching.

ドライエッチングは異方性エッチングとして知られる。しかしながら、PZT等はエッチングされにくい材料であり、しかもnmオーダーの電極等に比して厚いため、圧電体膜のドライエッチングは電極等に比して難しい。そのため、圧電体膜をドライエッチングしても完全な異方性エッチングにはならず、形成される凸部の側面はテーパ状となる傾向にある。   Dry etching is known as anisotropic etching. However, PZT or the like is a material that is difficult to be etched, and is thicker than an electrode of the order of nm, so that dry etching of the piezoelectric film is more difficult than an electrode or the like. Therefore, even if the piezoelectric film is dry-etched, it does not become completely anisotropic etching, and the side surface of the formed convex portion tends to be tapered.

インクジェット式記録ヘッドでは、より一層の高画質化のため、圧電体膜をなす複数の凸部の圧電特性の均一性がより高レベルで求められるようになってきている。しかしながら、側面形状がテーパ状となるドライエッチングでは、複数の凸部の側面の角度を高精度に合わせることが難しく、今後は、凸部の形状のばらつきによる圧電特性のばらつきが画質に与える影響が無視できなくなる可能性がある。凸部の側面形状の精度を考慮すれば、凸部の側面形状が安定的に略垂直形状となることが好ましい。   In the ink jet recording head, the uniformity of the piezoelectric characteristics of the plurality of convex portions forming the piezoelectric film has been demanded at a higher level for higher image quality. However, in dry etching with a tapered side surface, it is difficult to adjust the angle of the side surfaces of the multiple convex portions with high accuracy, and in the future, variations in the piezoelectric characteristics due to variations in the shape of the convex portions will affect the image quality. There is a possibility that it cannot be ignored. Considering the accuracy of the side surface shape of the convex portion, it is preferable that the side surface shape of the convex portion is stably a substantially vertical shape.

PZT等の圧電体膜は、上記の如く、材料特性と厚みのためにドライエッチングが難しいことから、パターニングに時間を要するという問題も有している。また、ドライエッチングは、真空プロセスを要するため装置が高く、製造コストもかかる。   A piezoelectric film such as PZT has a problem that it takes time for patterning because dry etching is difficult due to material characteristics and thickness as described above. Also, since dry etching requires a vacuum process, the apparatus is expensive and the manufacturing cost is high.

誘電体膜のパターニング方法としては、
基板に所定のパターンのマスクを密着させた状態で蒸着を行うことで、所定のパターンの誘電体膜を形成するマスク法(特許文献2等)、
及び、レジストパターンを形成した基板上に誘電体膜を成膜し、その後レジストパターンを除去することで、レジストパターン上に位置する誘電体膜部分をレジストパターンと共に除去して、誘電体膜をパターニングするリフトオフ法(特許文献3,4等)が知られている。
特表2003-532289号公報 特開平9-125228号公報 特開2000-164575号公報 特開2005-3737号公報
As a dielectric film patterning method,
A mask method for forming a dielectric film having a predetermined pattern by performing vapor deposition in a state where a mask having a predetermined pattern is in close contact with the substrate (Patent Document 2, etc.),
And, by forming a dielectric film on the substrate on which the resist pattern is formed, and then removing the resist pattern, the dielectric film portion located on the resist pattern is removed together with the resist pattern, and the dielectric film is patterned. A lift-off method (Patent Documents 3 and 4) is known.
Special Table 2003-532289 JP-A-9-125228 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-164575 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-3737

マスク法では、マスク遮蔽部分の周辺において蒸着粒子のエネルギーが変化しやすく、パターンエッジ部分の膜質が変化してしまう恐れがある。特に多元素系酸化物の場合はその傾向が顕著である。   In the mask method, the energy of the vapor deposition particles tends to change around the mask shielding part, and the film quality at the pattern edge part may change. This tendency is particularly remarkable in the case of multi-element oxides.

リフトオフ法ではレジストパターンを形成した基板に成膜するため、レジストの耐熱温度以上での成膜には適用できない。そのため、500〜600℃程度の成膜温度が必要なPZT等の成膜には適用できない。   Since the lift-off method forms a film on a substrate on which a resist pattern is formed, it cannot be applied to film formation at a temperature higher than the heat resistance temperature of the resist. Therefore, it cannot be applied to film formation of PZT or the like that requires a film formation temperature of about 500 to 600 ° C.

レジストパターンの代わりに、より耐熱温度の高い犠牲層を用いてリフトオフを行うことが考えられる。しかしながら、リフトオフ法をμmオーダーと厚い圧電体膜のパターニングにそのまま適用しても、圧電体膜の厚みが厚く、犠牲層の除去及びその上に位置する圧電体膜の不要部分の除去が難しい。また、互いに繋がった圧電体膜の不要部分と必要部分とを引き剥がして不要部分を除去するため、凸部の側面の平滑性が不良となりやすく、パターン欠損が生じることもあり、形状精度の良好なパターンを得ることは難しい。   It is conceivable to perform lift-off using a sacrificial layer having a higher heat resistance temperature instead of the resist pattern. However, even if the lift-off method is directly applied to patterning of a thick piezoelectric film of the order of μm, the thickness of the piezoelectric film is large, and it is difficult to remove the sacrificial layer and unnecessary portions of the piezoelectric film located thereon. In addition, the unnecessary portions of the piezoelectric film connected to each other are peeled off to remove the unnecessary portions, so that the smoothness of the side surfaces of the convex portions tends to be poor, pattern defects may occur, and the shape accuracy is good. It is difficult to get a good pattern.

選択成長によるパターニングは上記の欠点を克服しているが、成膜チャンバ内において良好膜と脆弱膜とが同時に成長するため、脆弱膜によるコンタミネーションが生じる恐れがある。   Patterning by selective growth overcomes the above-mentioned drawbacks, but a good film and a fragile film grow at the same time in the film forming chamber, which may cause contamination by the fragile film.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高価な装置を要することなく低コストに圧電体膜を容易にパターニングすることができ、圧電体膜のパターンの形状精度が良く、成膜時のコンタミネーションの問題がない新規な圧電体膜のパターニング技術を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記パターニング技術を用いた圧電素子の製造方法、及び該製造方法により製造された圧電素子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 can easily pattern a piezoelectric film at a low cost without requiring an expensive apparatus, and has good shape accuracy of the pattern of the piezoelectric film. An object of the present invention is to provide a novel patterning technique for a piezoelectric film that does not have the problem of contamination.
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a piezoelectric element using the patterning technique and a piezoelectric element manufactured by the manufacturing method.

本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に下部電極と単数又は複数の凸部からなる所定のパターンを有する圧電体膜と上部電極とが順次形成され、前記下部電極と前記上部電極との間に電界が印加されて駆動される圧電素子の製造方法において、
前記下部電極が形成された前記基板上に、パターニングされていないベタ圧電体膜を成膜する工程(A)と、
前記ベタ圧電体膜上に、前記ベタ圧電体膜の不要部分に対応したパターンを有し、前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去するための除去用電極を形成する工程(B)と、
前記下部電極と前記除去用電極との間に電界を印加して、前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分にクラックを発生させる工程(C)と、
前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去する工程(D)とを有することを特徴とするものである。
In the piezoelectric element manufacturing method of the present invention, a lower electrode, a piezoelectric film having a predetermined pattern composed of one or a plurality of convex portions, and an upper electrode are sequentially formed on a substrate, and the lower electrode and the upper electrode are In the method of manufacturing a piezoelectric element that is driven by applying an electric field therebetween,
Forming a non-patterned solid piezoelectric film on the substrate on which the lower electrode is formed (A);
A step (B) of forming a removal electrode for removing an unnecessary portion of the solid piezoelectric film having a pattern corresponding to the unnecessary portion of the solid piezoelectric film on the solid piezoelectric film;
Applying an electric field between the lower electrode and the removal electrode to generate a crack in unnecessary portions of the removal electrode and the solid piezoelectric film (C);
And (D) removing unnecessary portions of the removal electrode and the solid piezoelectric film.

工程(B)において、前記除去用電極と同時に、前記所定のパターンを有する圧電体膜に対応したパターンを有し、前記除去用電極とは非導通の前記上部電極を形成することが好ましい。
工程(D)後に、前記所定のパターンを有する圧電体膜に対応したパターンを有する前記上部電極を形成する工程(E)をさらに有する構成としてもよい。
In the step (B), it is preferable to form the upper electrode having a pattern corresponding to the piezoelectric film having the predetermined pattern at the same time as the removing electrode and being non-conductive with the removing electrode.
After the step (D), it may be configured to further include a step (E) of forming the upper electrode having a pattern corresponding to the piezoelectric film having the predetermined pattern.

工程(A)において、前記ベタ圧電体膜として、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を成膜することが好ましい。
工程(A)において、前記ベタ圧電体膜として、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜を成膜することが好ましい。
柱状構造膜からなる圧電体膜は、結晶構造を有していてもアモルファス構造を有していても構わないが、結晶構造を有することが好ましい。
In the step (A), it is preferable to form a columnar structure film composed of a number of columnar bodies extending in a non-parallel direction with respect to the substrate surface of the substrate as the solid piezoelectric film.
In the step (A), it is preferable to form a zone I columnar structure film in the Thornton zone model as the solid piezoelectric film.
The piezoelectric film made of a columnar structure film may have a crystal structure or an amorphous structure, but preferably has a crystal structure.

工程(A)において、表面粗さRa≧200Åの前記ベタ圧電体膜を成膜することが好ましい。
本明細書において、「表面粗さRa」はAFMによりタッピングモードにて2μm×2μmの範囲をスキャンして測定するものとする。
工程(A)において、気相法により前記ベタ圧電体膜を成膜することが好ましい。
In the step (A), it is preferable to form the solid piezoelectric film having a surface roughness Ra ≧ 200 mm.
In this specification, the “surface roughness Ra” is measured by scanning a range of 2 μm × 2 μm in the tapping mode by AFM.
In the step (A), the solid piezoelectric film is preferably formed by a vapor phase method.

本発明の第1の圧電素子は、基板上に下部電極と単数又は複数の凸部からなる所定のパターンを有する圧電体膜と上部電極とが順次形成され、前記下部電極と前記上部電極との間に電界が印加されて駆動される圧電素子において、
前記下部電極が形成された前記基板上に、パターニングされていないベタ圧電体膜を成膜する工程(A)と、
前記ベタ圧電体膜上に、前記ベタ圧電体膜の不要部分に対応したパターンを有し、前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去するための除去用電極を形成する工程(B)と、
前記下部電極と前記除去用電極との間に電界を印加して、前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分にクラックを発生させる工程(C)と、
前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去する工程(D)とを有する製造方法により製造されたものであることを特徴とするものである。
In the first piezoelectric element of the present invention, a lower electrode, a piezoelectric film having a predetermined pattern including one or a plurality of convex portions, and an upper electrode are sequentially formed on a substrate, and the lower electrode and the upper electrode In a piezoelectric element that is driven with an electric field applied between,
Forming a non-patterned solid piezoelectric film on the substrate on which the lower electrode is formed (A);
A step (B) of forming a removal electrode for removing an unnecessary portion of the solid piezoelectric film having a pattern corresponding to the unnecessary portion of the solid piezoelectric film on the solid piezoelectric film;
Applying an electric field between the lower electrode and the removal electrode to generate a crack in unnecessary portions of the removal electrode and the solid piezoelectric film (C);
It is manufactured by the manufacturing method which has the process (D) which removes the unnecessary part of the said electrode for removal and the said solid piezoelectric material film, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の第1の圧電素子において、前記圧電体膜は、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であることが好ましい。
本発明の第1の圧電素子において、前記圧電体膜は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜であることが好ましい。
本発明の第1の圧電素子において、前記圧電体膜は、表面粗さRa≧200Åであることが好ましい。
In the first piezoelectric element of the present invention, it is preferable that the piezoelectric film is a columnar structure film including a large number of columnar bodies extending in a non-parallel direction with respect to the substrate surface of the substrate.
In the first piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric film is preferably a zone I columnar structure film in a Thornton zone model.
In the first piezoelectric element of the present invention, it is preferable that the piezoelectric film has a surface roughness Ra ≧ 200 mm.

本発明の第2の圧電素子は、基板上に下部電極と単数又は複数の凸部からなる所定のパターンを有する圧電体膜と上部電極とが順次形成され、前記下部電極と前記上部電極との間に電界が印加されて駆動される圧電素子において、
前記圧電体膜は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜からなることを特徴とするものである。
In the second piezoelectric element of the present invention, a lower electrode, a piezoelectric film having a predetermined pattern including one or a plurality of convex portions, and an upper electrode are sequentially formed on a substrate, and the lower electrode and the upper electrode In a piezoelectric element that is driven with an electric field applied between,
The piezoelectric film is a zone I columnar structure film in a Thornton zone model.

本発明の第1,第2の圧電素子において、前記圧電体膜は、下記一般式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。
一般式ABO・・・(P)
(A:Aサイトの元素であり、Pb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む。
O:酸素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
本明細書において、「主成分」は80モル%以上の成分と定義する。
In the first and second piezoelectric elements of the present invention, it is preferable that the piezoelectric film is mainly composed of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P).
General formula ABO 3 (P)
(A: Element of A site, including at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and lanthanide elements.
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf , And at least one element selected from the group consisting of Al.
O: oxygen.
The molar ratio of the A site element, the B site element, and the oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
In the present specification, “main component” is defined as a component of 80 mol% or more.

本発明の液体吐出装置は、上記の本発明の第1又は第2の圧電素子と、該圧電素子に隣接して設けられた液体吐出部材とを備え、該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電体膜に対する前記電界の印加に応じて該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口とを有することを特徴とするものである。   A liquid ejection apparatus of the present invention includes the first or second piezoelectric element of the present invention and a liquid ejection member provided adjacent to the piezoelectric element, and the liquid ejection member stores liquid. And a liquid discharge port through which the liquid is discharged from the liquid storage chamber in response to application of the electric field to the piezoelectric film.

本発明によれば、高価な装置を要することなく低コストに圧電体膜を容易にパターニングすることができ、圧電体膜のパターンの形状精度が良く、成膜時のコンタミネーションの問題がない新規な圧電体膜のパターニング技術を提供することができる。
本発明によれば、上記パターニング技術を用いた圧電素子の製造方法、及び該製造方法により製造された圧電素子を提供することができる。
According to the present invention, a piezoelectric film can be easily patterned at low cost without requiring an expensive apparatus, the shape accuracy of the pattern of the piezoelectric film is good, and there is no problem of contamination during film formation. It is possible to provide a patterning technique for a piezoelectric film.
According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a piezoelectric element using the patterning technique and a piezoelectric element manufactured by the manufacturing method.

「圧電素子、インクジェット式記録ヘッド」
図面を参照して、本発明に係る一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1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, inkjet recording head"
With reference to the drawings, a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and the structure of an ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) including the piezoelectric element will be described. FIG. 1 is a sectional view (a sectional view in the thickness direction of a piezoelectric element) of an 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1は、基板10上に、下部電極20と圧電体膜30と上部電極40とが順次積層された素子であり、本発明の圧電素子の製造方法により製造されたものである。圧電素子1は、圧電体膜30に対して下部電極20と上部電極40とにより厚み方向に電界が印加されて駆動される。   The piezoelectric element 1 of the present embodiment is an element in which a lower electrode 20, a piezoelectric film 30, and an upper electrode 40 are sequentially laminated on a substrate 10, and is manufactured by the method for manufacturing a piezoelectric element of the present invention. is there. The piezoelectric element 1 is driven by applying an electric field in the thickness direction to the piezoelectric film 30 by the lower electrode 20 and the upper electrode 40.

本実施形態では、互いに機械的に分離された複数の凸部31からなる圧電体膜30が形成されている。より詳しくは、下部電極20は基板10の略全面に形成されており、この上にライン状の凸部31がストライプ状に配列したパターンの圧電体膜30が形成され、各凸部31の上に上部電極40が形成されている。圧電体膜30をなす凸部31の形状や個数、ピッチなど、圧電体膜30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。例えば、圧電体膜30は単数の凸部31からなるものでもよい。   In the present embodiment, a piezoelectric film 30 composed of a plurality of convex portions 31 mechanically separated from each other is formed. More specifically, the lower electrode 20 is formed on substantially the entire surface of the substrate 10, and a piezoelectric film 30 having a pattern in which line-shaped convex portions 31 are arranged in a stripe shape is formed on the lower electrode 20. An upper electrode 40 is formed on the substrate. The pattern of the piezoelectric film 30 such as the shape, the number, and the pitch of the convex portions 31 forming the piezoelectric film 30 is not limited to that shown in the figure, and is appropriately designed. For example, the piezoelectric film 30 may be composed of a single convex portion 31.

基板10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,SiC,及びSrTiO等の基板が挙げられる。基材10としては、シリコン基板上にSiO膜とSi活性層とが順次積層されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。 The substrate 10 is not particularly limited, and examples thereof include substrates such as silicon, glass, stainless steel (SUS), yttrium stabilized zirconia (YSZ), alumina, sapphire, SiC, and SrTiO 3 . As the base material 10, a laminated substrate such as an SOI substrate in which a SiO 2 film and a Si active layer are sequentially laminated on a silicon substrate may be used.

下部電極20の組成は特に制限なく、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40の組成は特に制限なく、下部電極20で例示した材料,Al,Ta,Cr,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。下部電極20と上部電極40の厚みは特に制限なく、50〜500nmであることが好ましい。 The composition of the lower electrode 20 is not particularly limited, and examples thereof include metals such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3 , and combinations thereof. The composition of the upper electrode 40 is not particularly limited, and examples thereof include materials exemplified for the lower electrode 20, electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof. The thickness of the lower electrode 20 and the upper electrode 40 is not particularly limited and is preferably 50 to 500 nm.

圧電体膜30の組成は特に制限なく、下記一般式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。
一般式ABO・・・(P)
(A:Aサイトの元素であり、Pb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む。
O:酸素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
The composition of the piezoelectric film 30 is not particularly limited, and it is preferable that the main component is one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P).
General formula ABO 3 (P)
(A: Element of A site, including at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and lanthanide elements.
B: Element of B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Mg, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, Ni, Hf , And at least one element selected from the group consisting of Al.
O: oxygen.
The molar ratio of the A site element, the B site element, and the oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio 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、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、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、及びこれらの混晶系が挙げられる。
As the perovskite oxide represented by the general formula (P),
Lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium niobate titanate titanate, lead niobium zirconium titanate titanate, titanium titanate zinc niobate Lead-containing compounds such as lead acid, and mixed crystal systems thereof;
Examples thereof include lead-free compounds such as barium titanate, barium strontium titanate, bismuth sodium titanate, bismuth potassium titanate, sodium niobate, potassium niobate, lithium niobate, and mixed crystal systems thereof.

電気特性がより良好となることから、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物は、Mg,Ca,Sr,Ba,Bi,Nb,Ta,W,及びLn(=ランタニド元素(La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,及びLu))等の金属イオンを、1種又は2種以上含むものであることが好ましい。   Since the electrical characteristics become better, the perovskite oxide represented by the general formula (P) is composed of Mg, Ca, Sr, Ba, Bi, Nb, Ta, W, and Ln (= lanthanide element (La , Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu)).

圧電体膜30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。この厚みは、nmオーダーの電極20、40(好ましくは厚み50〜500nm)に比して大きいものである。   The film thickness of the piezoelectric film 30 is not particularly limited, and is usually 1 μm or more, for example, 1 to 5 μm. This thickness is larger than that of the electrodes 20 and 40 in the order of nm (preferably 50 to 500 nm).

本実施形態において、圧電体膜30のパターニングが容易でパターン形状精度が良好なことから、圧電体膜30は基板10の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜からなることが好ましい(図6(a)の断面SEM写真を参照)。柱状構造膜からなる圧電体膜30においては、凸部31の側面31Sに露出した多数の柱状体は柱状体の界面できれいに切れた構造となる。圧電体膜30は、柱状構造膜からなる圧電体膜30を形成しやすいことから、結晶性を有することが好ましい。圧電体膜30は、柱状構造膜からなる圧電体膜30を形成することができれば、アモルファス構造でも構わない。   In this embodiment, since the piezoelectric film 30 is easily patterned and the pattern shape accuracy is good, the piezoelectric film 30 is a columnar structure film composed of a number of columnar bodies extending in a non-parallel direction with respect to the substrate surface of the substrate 10. (Refer to a cross-sectional SEM photograph in FIG. 6A). In the piezoelectric film 30 formed of a columnar structure film, a large number of columnar bodies exposed on the side surface 31S of the convex portion 31 have a structure that is cleanly cut at the interface of the columnar bodies. The piezoelectric film 30 preferably has crystallinity because the piezoelectric film 30 made of a columnar structure film can be easily formed. The piezoelectric film 30 may have an amorphous structure as long as the piezoelectric film 30 made of a columnar structure film can be formed.

圧電体膜30をなす多数の柱状体の平均柱径は特に制限なく、30nm〜1μmが好ましい。柱状体の平均柱径が過小では、圧電体として充分な結晶成長が起こらない、所望の圧電性能が得られないなどの恐れがある。柱状体の平均柱径が過大では、パターニング後の形状精度が低下するなどの恐れがある。
本明細書において、「柱状体の平均柱径」は断面SEM像を観察し、ランダムに選んだ計10個の柱状体の柱径の平均値により求めるものとする。
The average column diameter of many columnar bodies forming the piezoelectric film 30 is not particularly limited, and is preferably 30 nm to 1 μm. If the average column diameter of the columnar body is too small, there is a possibility that sufficient crystal growth as a piezoelectric body does not occur, or desired piezoelectric performance cannot be obtained. If the average column diameter of the columnar body is excessive, the shape accuracy after patterning may decrease.
In this specification, “average column diameter of columnar bodies” is determined by observing a cross-sectional SEM image and calculating the average value of the column diameters of a total of 10 columnar bodies selected at random.

柱状構造膜に関しては、成膜時の基板温度及び成膜圧力と生成される柱状体の形状や柱径との関係、及び柱状体の分類について、研究がなされている。かかる研究は、蒸着膜ではMovchan and Demchishin,Phys.Met.Mettallogr.,28,83(1969)に詳細に記載されており、スパッタ膜ではThonton,J.Vac.Sci.Technol.,11,666(1974)に詳細に記載されている。   With regard to the columnar structure film, studies have been made on the relationship between the substrate temperature and film formation pressure during film formation and the shape and column diameter of the generated columnar body, and the classification of the columnar body. Such studies are described in detail in Movchan and Demchishin, Phys. Met. Mettlelogr., 28, 83 (1969) for deposited films and Thonton, J. Vac. Sci. Technol., 11, 666 (1974) for sputtered films. Are described in detail.

Thornton zone modelのzone Tの柱状構造膜は、グレイン成長が抑制された繊維状の緻密な膜である(図9(b)の表面SEM写真を参照)。Thornton zone modelのzone Iの柱状構造膜は、グレイン成長が促進され、グレイン間の間隙が多い膜である(図6(b)の表面SEM写真を参照)。
従来は、グレイン成長が抑制された緻密な膜が良いとされており、zone Iの柱状構造膜を積極的に用いることはなされていない。従来の常識とは異なり、本実施形態において、圧電体膜30はThornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜であることが好ましい。
The columnar structure film of zone T of the Thornton zone model is a fibrous dense film in which grain growth is suppressed (see the surface SEM photograph in FIG. 9B). The columnar structure film of zone I of the Thornton zone model is a film in which grain growth is promoted and there are many gaps between grains (see the surface SEM photograph in FIG. 6B).
Conventionally, a dense film in which grain growth is suppressed is considered good, and a zone I columnar structure film has not been actively used. Unlike conventional common sense, in the present embodiment, the piezoelectric film 30 is preferably a zone I columnar structure film in the Thornton zone model.

圧電体膜30の表面粗さRaは特に制限されない。グレイン成長は表面粗さRaの悪化を招く。すなわち、グレイン成長が促進されたThornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜は、zone Tの柱状構造膜に比較して、表面粗さRaが大きいものとなる。従来、圧電体膜は緻密で表面平滑性が高いことが好ましいとされている。従来の常識とは異なり、本実施形態において、圧電体膜30の表面粗さRa≧200Åであることが好ましい(表1を参照)。   The surface roughness Ra of the piezoelectric film 30 is not particularly limited. Grain growth leads to deterioration of the surface roughness Ra. That is, the zone I columnar structure film in the Thornton zone model in which the grain growth is promoted has a larger surface roughness Ra than the zone T columnar structure film. Conventionally, a piezoelectric film is preferably dense and has high surface smoothness. Unlike the conventional common sense, in this embodiment, it is preferable that the surface roughness Ra ≧ 200 mm of the piezoelectric film 30 (see Table 1).

圧電体膜30の凸部31の側面31Sは、基板10の基板面に対して略垂直方向若しくはそれに近いことが好ましい。具体的には、基板10の基板面に対する圧電体膜30の凸部31の側面31Sの角度θは特に制限なく、凸部31の側面31Sのパターン形状精度を考慮すれば、90±30°の範囲内にあることが好ましく、90±10°の範囲内にあることが特に好ましい。本発明の製造方法では、凸部31の側面31Sの角度θを安定的に上記範囲内とすることができる。   It is preferable that the side surface 31S of the convex portion 31 of the piezoelectric film 30 is substantially perpendicular to or close to the substrate surface of the substrate 10. Specifically, the angle θ of the side surface 31S of the convex portion 31 of the piezoelectric film 30 with respect to the substrate surface of the substrate 10 is not particularly limited, and is 90 ± 30 ° considering the pattern shape accuracy of the side surface 31S of the convex portion 31. It is preferably within the range, and particularly preferably within the range of 90 ± 10 °. In the manufacturing method of the present invention, the angle θ of the side surface 31S of the convex portion 31 can be stably within the above range.

圧電アクチュエータ2は、圧電素子1の基板10の裏面に、圧電体膜30の伸縮により振動する振動板50が取り付けられたものである。圧電アクチュエータ2には、圧電素子1の駆動を制御する駆動回路等の制御手段(図示略)も備えられている。   In the piezoelectric actuator 2, a vibration plate 50 that vibrates due to expansion and contraction of the piezoelectric film 30 is attached to the back surface of the substrate 10 of the piezoelectric element 1. The piezoelectric actuator 2 is also provided with control means (not shown) such as a drive circuit for controlling the driving of the piezoelectric element 1.

インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)3は、概略、圧電アクチュエータ2の裏面に、インクが貯留されるインク室(液体貯留室)61及びインク室61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)62を有するインクノズル(液体貯留吐出部材)60が取り付けられたものである。インクジェット式記録ヘッド3では、圧電素子1に印加する電界強度を増減させて圧電素子1を伸縮させ、これによってインク室61からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。   The ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) 3 generally includes an ink chamber (liquid storing chamber) 61 in which ink is stored on the back surface of the piezoelectric actuator 2 and an ink discharging port (in which ink is discharged from the ink chamber 61 to the outside). An ink nozzle (liquid storage and discharge member) 60 having a liquid discharge port 62 is attached. In the ink jet recording head 3, the electric field strength applied to the piezoelectric element 1 is increased / decreased to expand / contract the piezoelectric element 1, thereby controlling the ejection of ink from the ink chamber 61 and the ejection amount.

基板10とは独立した部材の振動板50及びインクノズル60を取り付ける代わりに、基板10の一部を振動板50及びインクノズル60に加工してもよい。例えば、基板10がSOI基板等の積層基板からなる場合には、基板10を裏面側からエッチングしてインク室61を形成し、基板自体の加工により振動板50とインクノズル60とを形成することができる。
本実施形態の圧電素子1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。
Instead of attaching the vibration plate 50 and the ink nozzle 60 which are members independent of the substrate 10, a part of the substrate 10 may be processed into the vibration plate 50 and the ink nozzle 60. For example, when the substrate 10 is made of a laminated substrate such as an SOI substrate, the substrate 10 is etched from the back side to form the ink chamber 61, and the vibration plate 50 and the ink nozzle 60 are formed by processing the substrate itself. Can do.
The piezoelectric element 1 and the ink jet recording head 3 of the present embodiment are configured as described above.

「製造方法」
図2を参照して、圧電素子1及びインクジェット式記録ヘッド3の製造方法について説明する。図2は工程図であり、図1に対応した断面図である。
"Production method"
With reference to FIG. 2, the manufacturing method of the piezoelectric element 1 and the ink jet recording head 3 will be described. FIG. 2 is a process diagram and is a cross-sectional view corresponding to FIG.

(工程(A))
はじめに、図2(a)に示す如く、公知の気相法等により基板10上の略全面に下部電極20を成膜し、この基板上にパターニングされていないベタ圧電体膜30Pを成膜する。ベタ圧電体膜30Pの成膜方法は特に制限なく、スパッタ法、MOCVD法、プラズマCVD法、PLD(パルスレーザデポジッション)法、及び放電プラズマ焼結法等の気相法;ゾルゲル法及び有機金属分解法等の液相法;及びエアロゾルデポジション法等が挙げられる。圧電体膜30の厚みは、通常1μm以上、例えば1〜5μmである。
(Process (A))
First, as shown in FIG. 2A, the lower electrode 20 is formed on the substantially entire surface of the substrate 10 by a known vapor phase method or the like, and the unpatterned solid piezoelectric film 30P is formed on the substrate. . The method for forming the solid piezoelectric film 30P is not particularly limited, and gas phase methods such as sputtering, MOCVD, plasma CVD, PLD (pulse laser deposition), and discharge plasma sintering; sol-gel method and organometallic Liquid phase methods such as decomposition methods; and aerosol deposition methods. The thickness of the piezoelectric film 30 is usually 1 μm or more, for example, 1 to 5 μm.

ベタ圧電体膜30Pとして、基板10の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を成膜することが好ましい。本実施形態では、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜からなり、表面粗さRa≧200Åであるベタ圧電体膜30Pを成膜することが特に好ましい。   As the solid piezoelectric film 30 </ b> P, it is preferable to form a columnar structure film including a large number of columnar bodies extending in a non-parallel direction with respect to the substrate surface of the substrate 10. In the present embodiment, it is particularly preferable to form a solid piezoelectric film 30P made of a zone I columnar structure film in the Thornton zone model and having a surface roughness Ra ≧ 200 mm.

ベタ圧電体膜30Pをなす多数の柱状体の平均柱径は特に制限なく、30nm〜1μmが好ましい。柱状体の平均柱径が過小では、圧電体として充分な結晶成長が起こらない、所望の圧電性能が得られないなどの恐れがある。柱状体の平均柱径が過大では、パターニング後の形状精度が低下するなどの恐れがある。   The average column diameter of many columnar bodies forming the solid piezoelectric film 30P is not particularly limited, and is preferably 30 nm to 1 μm. If the average column diameter of the columnar body is too small, there is a possibility that sufficient crystal growth as a piezoelectric body does not occur, or desired piezoelectric performance cannot be obtained. If the average column diameter of the columnar body is excessive, the shape accuracy after patterning may decrease.

柱状体の成長方向は特に制限なく、基板10の基板面に対して略垂直方向若しくはそれに近いことが好ましい。具体的には、基板10の基板面に対する柱状体の成長方向は90±30°の範囲内にあることが好ましく、90±10°の範囲内にあることが特に好ましい。
結晶配向性を有するベタ圧電体膜30Pを成膜することが好ましい。例えば、(100)方向に結晶配向性を有するベタ圧電体膜30Pを成膜することができる。
The growth direction of the columnar body is not particularly limited, and is preferably substantially perpendicular to the substrate surface of the substrate 10 or close to it. Specifically, the growth direction of the columnar body with respect to the substrate surface of the substrate 10 is preferably within a range of 90 ± 30 °, and particularly preferably within a range of 90 ± 10 °.
It is preferable to form a solid piezoelectric film 30P having crystal orientation. For example, a solid piezoelectric film 30P having crystal orientation in the (100) direction can be formed.

柱状構造膜を成膜しやすいことから、ベタ圧電体膜30Pの成膜方法としては、スパッタ法、MOCVD法、プラズマCVD法、PLD(パルスレーザデポジッション)法、及び放電プラズマ焼結法等の気相法が好ましい。
組成に応じて、基板温度、成膜圧力、及びプラズマ条件等の成膜条件を調整することで、所望の平均柱径の柱状体を所望の方向に成長させることができる。成膜温度は、多数の柱状体からなるベタ圧電体膜30Pを安定的に成膜できる温度に設定され、例えば、PZT、及びPZTのAサイト及び/又はBサイトの一部を他の元素で置換したPZT系では500〜600℃が好ましい。
Since the columnar structure film can be easily formed, the solid piezoelectric film 30P can be formed by sputtering, MOCVD, plasma CVD, PLD (pulse laser deposition), discharge plasma sintering, or the like. A gas phase method is preferred.
A columnar body having a desired average column diameter can be grown in a desired direction by adjusting the film formation conditions such as the substrate temperature, the film formation pressure, and the plasma conditions according to the composition. The film formation temperature is set to a temperature at which a solid piezoelectric film 30P composed of a large number of columnar bodies can be stably formed. For example, PZT and a part of the A site and / or B site of PZT are made of other elements. In the substituted PZT system, 500 to 600 ° C. is preferable.

(工程(B))
次いで、図2(b)に示す如く、ベタ圧電体膜30P上に、所定のパターンを有する圧電体膜30に対応したパターンの上部電極40と、ベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nに対応したパターンを有し、ベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nを除去するための除去用電極41とを形成する。
(Process (B))
Next, as shown in FIG. 2B, the upper electrode 40 having a pattern corresponding to the piezoelectric film 30 having a predetermined pattern and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P are formed on the solid piezoelectric film 30P. A removal electrode 41 having a pattern and for removing the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P is formed.

この工程においては、上部電極40と除去用電極41との間に間隙を設けて、上部電極40と除去用電極41とを非導通とする必要がある。除去用電極41と同時に上部電極40を形成するこの方法では、図3に示す後記方法よりも工程数を少なくすることができ、好ましい。   In this step, it is necessary to provide a gap between the upper electrode 40 and the removal electrode 41 so that the upper electrode 40 and the removal electrode 41 are not conductive. This method of forming the upper electrode 40 simultaneously with the removing electrode 41 is preferable because the number of steps can be reduced as compared to the method described later shown in FIG.

上部電極40と除去用電極41との成膜方法は特に制限なく、公知の気相法が好ましい。除去用電極41の組成は特に制限なく、上部電極40と同様の組成が挙げられる。除去用電極41は上部電極40と同一組成でもよいし、異なる組成でもよい。上部電極40と除去用電極41とを同一組成とすることで、これらを同時に形成することができ、好ましい。   The film formation method of the upper electrode 40 and the removal electrode 41 is not particularly limited, and a known gas phase method is preferable. The composition of the removal electrode 41 is not particularly limited, and the same composition as that of the upper electrode 40 can be used. The removal electrode 41 may have the same composition as the upper electrode 40 or a different composition. It is preferable that the upper electrode 40 and the removal electrode 41 have the same composition, which can be formed simultaneously.

(工程(C))
次いで、図2(c)に示す如く、下部電極20と上部電極40との間に電界を印加せず、下部電極20と除去用電極41との間に選択的に電界を印加して、除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nにクラックを発生させる(図7(b)を参照)。例えば、除去用電極41にのみプローブ42を接触させることで、下部電極20と除去用電極41との間に選択的に電界を印加することができる。
下部電極20と除去用電極41との間の電界印加によってベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nが伸縮して、ベタ圧電体膜30Pの不要部分30N及びその上に位置する除去用電極41にストレスがかかり、クラックが発生すると考えられる。
(Process (C))
Next, as shown in FIG. 2 (c), an electric field is not applied between the lower electrode 20 and the upper electrode 40, but an electric field is selectively applied between the lower electrode 20 and the removal electrode 41 to remove it. Cracks are generated in the electrode 41 and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P (see FIG. 7B). For example, an electric field can be selectively applied between the lower electrode 20 and the removal electrode 41 by bringing the probe 42 into contact only with the removal electrode 41.
By applying an electric field between the lower electrode 20 and the removal electrode 41, the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P expands and contracts, and stress is applied to the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P and the removal electrode 41 located thereon. It is considered that cracks are generated.

本発明者は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜からなり、表面粗さRa≧200Åのベタ圧電体膜30Pにおいて、クラックが発生しやすいことを見出している。Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜は、グレイン成長が促進されたグレイン間の間隙が多い膜構造であるので(図6(b)の表面SEM写真を参照)、電界印加によって脆弱な間隙部分を基点として下部電極20の表面まで到達するクラックが入りやすいと考えられる。Thornton zone modelにおけるzone Tの柱状構造膜は、グレイン間の間隙がなくグレイン間の密着性が良好な緻密な膜構造であるので(図9(b)の表面SEM写真を参照)、電界を印加してもクラックが入りにくいと考えられる。   The present inventor has found that cracks are likely to occur in a solid piezoelectric film 30P made of a zone I columnar structure film in the Thornton zone model and having a surface roughness Ra ≧ 200 mm. The columnar structure film of zone I in the Thornton zone model is a film structure in which the grain growth is promoted and there are many gaps between grains (see the surface SEM photograph in FIG. 6B). It is considered that cracks that reach the surface of the lower electrode 20 from the base point are likely to occur. The columnar structure film of zone T in the Thornton zone model has a dense film structure with no gap between grains and good adhesion between grains (refer to the surface SEM photograph in FIG. 9B), so an electric field is applied. However, it is thought that cracks are difficult to enter.

下部電極20と除去用電極41との間に印加する電圧は、除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nにクラックを発生させることができるレベルであれば特に制限されない。例えば3〜4μm厚の圧電体膜に対して、駆動電圧は通常20〜30V程度である。本発明者は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜からなり、表面粗さRa≧200Åのベタ圧電体膜30Pでは、例えば3〜4μm厚のベタ圧電体膜に対して40〜60V程度の電圧を印加することにより、除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nにクラックが発生することを確認している(後記実施例1〜3を参照)。   The voltage applied between the lower electrode 20 and the removal electrode 41 is not particularly limited as long as it is a level that can generate a crack in the removal electrode 41 and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P. For example, for a piezoelectric film having a thickness of 3 to 4 μm, the drive voltage is usually about 20 to 30V. The inventor is composed of a zone I columnar structure film in the Thornton zone model, and in the case of a solid piezoelectric film 30P having a surface roughness Ra ≧ 200 mm, for example, about 40 to 60 V with respect to a solid piezoelectric film having a thickness of 3 to 4 μm. It has been confirmed that a crack is generated in the unnecessary portion 30N of the removal electrode 41 and the solid piezoelectric film 30P by applying a voltage (see Examples 1 to 3 below).

(工程(D))
次いで、図2(d)に示す如く、除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nを除去する。除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nにはクラックが形成されているので、除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nを選択的に容易に除去することができる。この工程後に、複数の凸部31からなる所定のパターンの圧電体膜30が形成される。
(Process (D))
Next, as shown in FIG. 2D, the removal electrode 41 and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P are removed. Since cracks are formed in the unnecessary portion 30N of the removal electrode 41 and the solid piezoelectric film 30P, the unnecessary portion 30N of the removal electrode 41 and the solid piezoelectric film 30P can be selectively removed easily. After this step, a piezoelectric film 30 having a predetermined pattern composed of a plurality of convex portions 31 is formed.

除去方法としては例えば、ウエットエッチングが挙げられる。除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nのクラック内にエッチング液が容易に浸み込むので、ウエットエッチングにより除去用電極41及びベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nを選択的に容易に除去することができる。その他の除去方法としては例えば、超音波洗浄、及び粘着テープを用いた剥離等が挙げられる。ベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nの除去は、ベタ圧電体膜30Pの厚みによらず、短時間に実施できる。   An example of the removing method is wet etching. Since the etchant easily penetrates into the cracks of the removal electrode 41 and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P, the removal electrode 41 and the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P are easily and selectively selected by wet etching. Can be removed. Examples of other removal methods include ultrasonic cleaning and peeling using an adhesive tape. The removal of the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P can be performed in a short time regardless of the thickness of the solid piezoelectric film 30P.

本実施形態では、柱状構造膜からなるベタ圧電体膜30Pを形成することが好ましいことを述べた。隣接する柱状体同士は互いに機械的に分離されやすいので、柱状構造膜からなるベタ圧電体膜30Pの不要部分30Nが除去される際には、柱状体の界面で良好に分離することができる。したがって、圧電体膜30の凸部の側面31Sに露出した多数の柱状体は該柱状体の界面できれいに切れたものとなり、凸部の側面31Sは平滑性が良好なものとなる。   In the present embodiment, it has been described that it is preferable to form the solid piezoelectric film 30P made of a columnar structure film. Since adjacent columnar bodies are easily mechanically separated from each other, when the unnecessary portion 30N of the solid piezoelectric film 30P made of a columnar structure film is removed, it can be satisfactorily separated at the interface of the columnar bodies. Therefore, many columnar bodies exposed on the side surface 31S of the convex portion of the piezoelectric film 30 are cut off cleanly at the interface of the columnar body, and the side surface 31S of the convex portion has good smoothness.

ベタ圧電体膜30をなす柱状体の成長方向は、基板10の基板面に対して略垂直方向若しくはそれに近いことが好ましいことを述べた。具体的には、基板10の基板面に対する柱状体の成長方向は90±30°の範囲内にあることが好ましく、90±10°の範囲内にあることが特に好ましいことを述べた。   It has been described that the growth direction of the columnar body forming the solid piezoelectric film 30 is preferably substantially perpendicular to or close to the substrate surface of the substrate 10. Specifically, it has been described that the growth direction of the columnar body with respect to the substrate surface of the substrate 10 is preferably within a range of 90 ± 30 °, and particularly preferably within a range of 90 ± 10 °.

柱状体の成長方向がかかる範囲にあれば、圧電体膜30の凸部31の側面31Sを、基板10の基板面に対して略垂直方向若しくはそれに近くすることができる。具体的には、圧電体膜30の凸部31の側面31Sの角度θを安定的に、基板10の基板面に対して90±30°の範囲内、好ましくは90±10°の範囲内にすることができる。   If the growth direction of the columnar body is within such a range, the side surface 31S of the convex portion 31 of the piezoelectric film 30 can be made substantially perpendicular to or close to the substrate surface of the substrate 10. Specifically, the angle θ of the side surface 31S of the convex portion 31 of the piezoelectric film 30 is stably within a range of 90 ± 30 ° with respect to the substrate surface of the substrate 10, and preferably within a range of 90 ± 10 °. can do.

以上のようにして、圧電素子1が製造される。圧電素子1に振動板50及びインク貯留吐出部材60を取り付けることにより(図示略)、インクジェット式記録ヘッド3が製造される。   The piezoelectric element 1 is manufactured as described above. The ink jet recording head 3 is manufactured by attaching the diaphragm 50 and the ink storing and discharging member 60 to the piezoelectric element 1 (not shown).

図3(a)〜(e)に示すように、工程(B)において上部電極40を形成せずに除去用電極41のみを形成し(図3(b))、工程(C)及び工程(D)を実施した後(図3(c)及び図3(d))、上部電極40を形成する工程(E)(図3(e))を実施してもよい。   As shown in FIGS. 3A to 3E, only the removal electrode 41 is formed without forming the upper electrode 40 in the step (B) (FIG. 3B), and the steps (C) and ( After performing D) (FIGS. 3C and 3D), the step (E) of forming the upper electrode 40 (FIG. 3E) may be performed.

以上説明したように、本実施形態によれば、ドライエッチングのように高価な装置を要することなく低コストに圧電体膜30を容易にパターニングすることができる。本実施形態によれば、圧電体膜30のパターンの形状精度が良く、選択成長のように成膜時のコンタミネーションの問題なく、圧電体膜30をパターニングすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the piezoelectric film 30 can be easily patterned at low cost without requiring an expensive apparatus such as dry etching. According to this embodiment, the shape accuracy of the pattern of the piezoelectric film 30 is good, and the piezoelectric film 30 can be patterned without the problem of contamination during film formation as in selective growth.

「インクジェット式記録装置」
図4及び図5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4は装置全体図であり、図5は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 4 and FIG. 5, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head 3 of the above embodiment will be described. 4 is an overall view of the apparatus, and FIG. 5 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。
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 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.
Each of the heads 3K, 3C, 3M, and 3Y forming the printing unit 102 is the ink jet recording head 3 of the above 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。
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 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.
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。
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。
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.
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5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 (main scanning direction) perpendicular to the paper feed direction (see FIG. 5). 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。
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ほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
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.
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。   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.

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。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
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。   Examples and comparative examples according to the present invention will be described.

(実施例1)
Si基板上にスパッタ法により、基板温度350℃の条件で10nm厚のTi膜と150nm厚のIr下部電極とを順次成膜した。得られた基板上に、スパッタ法により2μm厚のベタPZT膜(ベタ圧電体膜)を成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
スパッタ装置:Rfスパッタリング装置、
ターゲット組成:Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)O
基板温度:550℃、
成膜圧力:1.0Pa、
成膜パワー密度:4.3W/cm
成膜ガス:Ar/O=100/1(モル比)。
Example 1
A 10 nm thick Ti film and a 150 nm thick Ir lower electrode were sequentially formed on a Si substrate by sputtering under the condition of a substrate temperature of 350 ° C. A solid PZT film (solid piezoelectric film) having a thickness of 2 μm was formed on the obtained substrate by sputtering. The film forming conditions were as follows.
Sputtering device: Rf sputtering device,
Target composition: Pb 1.3 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 ,
Substrate temperature: 550 ° C.
Deposition pressure: 1.0 Pa
Deposition power density: 4.3 W / cm 2
Deposition gas: Ar / O 2 = 100/1 (molar ratio).

得られたベタPZT膜のXRF分析を実施したところ、組成はPb1.1(Zr0.52Ti0.48)Oであった。
得られたベタPZT膜のXRD分析を実施したところ、ペロブスカイト構造を有する(100)配向膜であった。XRDパターンを図10に示す。
When the XRF analysis of the obtained solid PZT film was conducted, the composition was Pb 1.1 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 .
When the XRD analysis of the obtained solid PZT film was carried out, it was a (100) oriented film having a perovskite structure. The XRD pattern is shown in FIG.

得られたベタPZT膜の断面SEM写真及び表面SEM写真を図6(a)及び図6(b)に各々示す。図6(a)に示すように、得られたベタPZT膜は、基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であり、その平均柱径は0.3μmであった。図6(b)に示すように、得られたベタPZT膜は多数のグレインからなり、グレイン間に間隙が見られた。個々のグレインは多数の柱状体からなっており、グレイン自身も基板面に対して略垂直方向に延びた構造体であった。得られたベタPZT膜は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜であった。AFMによりベタPZT膜の表面粗さRaを求めたところ、200Åであった。   A cross-sectional SEM photograph and a surface SEM photograph of the obtained solid PZT film are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), respectively. As shown in FIG. 6A, the obtained solid PZT film is a columnar structure film composed of a number of columnar bodies extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface, and the average column diameter is 0.3 μm. It was. As shown in FIG. 6B, the obtained solid PZT film was composed of a large number of grains, and gaps were observed between the grains. Each grain is composed of a large number of columnar bodies, and the grains themselves are structures extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. The obtained solid PZT film was a zone I columnar structure film in the Thornton zone model. When the surface roughness Ra of the solid PZT film was determined by AFM, it was 200 mm.

上記ベタPZT膜上に、クラリアント社製のレジスト「AZ9245」を用いて、後記除去用電極の反転パターンのレジストパターンを10μm厚で形成した。このレジストパターン上にPt/Ti膜(Pt:150nm厚/Ti:50nm厚)を蒸着した。その後、この基板をアセトンに浸して、リフトオフ法によりレジストパターン及びPt/Ti膜のレジストパターン上に位置する部分を除去した。以上のようにして、複数の200μmφのドットと複数の100μmφのドットからなるドットパターンのPt/Ti除去用電極を形成した。   On the solid PZT film, a resist pattern “AZ9245” manufactured by Clariant Co., Ltd. was used to form a resist pattern of a reverse pattern of an electrode for removal described later with a thickness of 10 μm. A Pt / Ti film (Pt: 150 nm thickness / Ti: 50 nm thickness) was deposited on the resist pattern. Thereafter, this substrate was immersed in acetone, and the portion located on the resist pattern and the resist pattern of the Pt / Ti film was removed by a lift-off method. As described above, a Pt / Ti removal electrode having a dot pattern composed of a plurality of 200 μmφ dots and a plurality of 100 μmφ dots was formed.

次いで、各除去用電極にプローブを接触させて、下部電極とすべての除去用電極との間に各々60Vの電圧を印加した。光学顕微鏡により表面観察を行ったところ、すべての除去用電極にクラックが見られた。除去用電極上に粘着テープを付着させて剥離したところ、除去用電極とベタPZT膜の除去用電極の下に位置する部分のみが選択的に剥離され、除去用電極の反転パターンのPZT圧電体膜が得られた。
下部電極と除去用電極との間に電界を印加する前、下部電極と除去用電極との間に電界を印加した後、及びテープ剥離を実施した後の光学顕微鏡写真を各々図7(a)〜図7(c)に示す。
Next, a probe was brought into contact with each removal electrode, and a voltage of 60 V was applied between the lower electrode and all the removal electrodes. When the surface was observed with an optical microscope, cracks were found in all the removal electrodes. When the adhesive tape is peeled off on the electrode for removal, only the portion located under the electrode for removal and the removal electrode of the solid PZT film is selectively peeled off, and the PZT piezoelectric body having a reverse pattern of the removal electrode A membrane was obtained.
FIG. 7A shows optical micrographs after applying an electric field between the lower electrode and the removing electrode, after applying an electric field between the lower electrode and the removing electrode, and after tape peeling, respectively. -Shown in FIG.

パターニング後のPZT膜の斜視SEM像を観察したところ、凸部の側面は基板面に対して略垂直方向であり、パターンの形状精度が良好であった。また、凸部の側面に露出した多数の柱状体は柱状体の界面できれいに切れており、凸部の側面は平滑性が良好であった。斜視SEM写真を図8に示す。
最後に、PZT膜上にPt/Ti上部電極(Pt:150nm厚/Ti:50nm厚)を蒸着して、本発明の圧電素子を得た。
When a perspective SEM image of the PZT film after patterning was observed, the side surfaces of the convex portions were substantially perpendicular to the substrate surface, and the pattern shape accuracy was good. In addition, a large number of columnar bodies exposed on the side surfaces of the convex portions were cut cleanly at the interface of the columnar bodies, and the side surfaces of the convex portions had good smoothness. A perspective SEM photograph is shown in FIG.
Finally, a Pt / Ti upper electrode (Pt: 150 nm thickness / Ti: 50 nm thickness) was deposited on the PZT film to obtain the piezoelectric element of the present invention.

(実施例2,3)
ベタPZT膜を成膜する際の基板温度及び成膜圧力を表1に示す条件とした以外は実施例1と同様にして、本発明の圧電素子を得た。
実施例1と同様にXRD分析を実施したところ、得られたベタPZT膜はいずれもペロブスカイト構造を有する(100)配向膜であった。XRDパターンを図10に示す。
実施例1と同様にSEM観察を実施したところ、得られたベタPZT膜は、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜であり、得られたベタPZT膜は多数のグレインからなり、グレイン間に間隙が見られた。ベタPZT膜の表面粗さRaを表1に示す。
(Examples 2 and 3)
A piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature and the film forming pressure when forming the solid PZT film were set to the conditions shown in Table 1.
When XRD analysis was performed in the same manner as in Example 1, the obtained solid PZT films were all (100) oriented films having a perovskite structure. The XRD pattern is shown in FIG.
When SEM observation was carried out in the same manner as in Example 1, the obtained solid PZT film was a zone I columnar structure film in the Thornton zone model, and the obtained solid PZT film was composed of a number of grains, and between the grains. A gap was seen. Table 1 shows the surface roughness Ra of the solid PZT film.

いずれの例においても、実施例1と同様にPZT膜のパターニングを実施できた。パターニング後のPZT膜の断面SEM像を観察したところ、いずれの例においても実施例1と同様に、凸部の側面は基板面に対して略垂直方向であり、パターンの形状精度が良好であった。また、凸部の側面に露出した多数の柱状体は柱状体の界面できれいに切れており、凸部の側面は平滑性が良好であった。   In any example, the PZT film could be patterned in the same manner as in Example 1. When a cross-sectional SEM image of the PZT film after patterning was observed, the side surfaces of the convex portions were in a direction substantially perpendicular to the substrate surface in each example as in Example 1, and the pattern shape accuracy was good. It was. In addition, a large number of columnar bodies exposed on the side surfaces of the convex portions were cut cleanly at the interface of the columnar bodies, and the side surfaces of the convex portions had good smoothness.

(比較例1,2)
ベタPZT膜を成膜する際の基板温度及び成膜圧力を表1に示す条件とした以外は実施例1と同様にして、3.3μm厚のベタPZT膜の成膜を実施した。
実施例1と同様にXRD分析を実施したところ、得られたベタPZT膜はいずれもペロブスカイト構造を有する(100)配向膜であった。XRDパターンを図10に示す。
得られたベタPZT膜の断面SEM写真及び表面SEM写真を図9(a)及び図9(b)に各々示す。得られたベタPZT膜は、基板面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であり、その平均柱径は0.3μmであった。
(Comparative Examples 1 and 2)
A solid PZT film having a thickness of 3.3 μm was formed in the same manner as in Example 1 except that the substrate temperature and the film formation pressure when forming the solid PZT film were changed to the conditions shown in Table 1.
When XRD analysis was performed in the same manner as in Example 1, the obtained solid PZT films were all (100) oriented films having a perovskite structure. The XRD pattern is shown in FIG.
A cross-sectional SEM photograph and a surface SEM photograph of the obtained solid PZT film are shown in FIGS. 9A and 9B, respectively. The obtained solid PZT film was a columnar structure film composed of a number of columnar bodies extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface, and the average column diameter was 0.3 μm.

得られたベタPZT膜はグレイン成長が抑制されており、多数のグレインが見られたが、グレイン間に間隙がなくグレイン間の密着性が良い緻密な膜構造であった。得られたベタPZT膜は、Thornton zone modelでのzone Tの柱状構造膜であった。ベタPZT膜の表面粗さRaを表1に示す。比較例1,2ではグレイン成長が抑えられているので、実施例1〜3に比較して表面粗さRaが小さくなっている。   In the obtained solid PZT film, grain growth was suppressed, and a large number of grains were observed. However, there was no gap between grains and the film structure was good with good adhesion between grains. The obtained solid PZT film was a columnar structure film of zone T in the Thornton zone model. Table 1 shows the surface roughness Ra of the solid PZT film. Since the grain growth is suppressed in Comparative Examples 1 and 2, the surface roughness Ra is smaller than in Examples 1 to 3.

実施例1と同様に除去用電極を形成し、下部電極と除去用電極との間に80Vの電圧を印加したところ、除去用電極の外周近傍にのみクラックが見られた。実施例1と同様にテープ剥離を実施したところ、除去用電極とベタPZT膜の除去用電極の下に位置する部分を全く剥離することはできず、PZT膜のパターニングができなかった。   When a removal electrode was formed in the same manner as in Example 1 and a voltage of 80 V was applied between the lower electrode and the removal electrode, cracks were found only in the vicinity of the outer periphery of the removal electrode. When the tape was peeled in the same manner as in Example 1, the portion located under the removal electrode and the removal electrode of the solid PZT film could not be peeled off at all, and the PZT film could not be patterned.

本発明の圧電体素子及びその製造方法は、インクジェット式記録ヘッド,磁気記録再生ヘッド,MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイス,マイクロポンプ,超音波探触子,及び超音波モータ等に搭載される圧電アクチュエータ、及び強誘電体メモリ等の強誘電体素子に好ましく適用できる。   The piezoelectric element and the manufacturing method thereof according to the present invention are mounted on an ink jet recording head, a magnetic recording / reproducing head, a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device, a micro pump, an ultrasonic probe, an ultrasonic motor, and the like. The present invention is preferably applicable to ferroelectric elements such as piezoelectric actuators and ferroelectric memories.

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の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the piezoelectric element of the embodiment which concerns on this invention, and an inkjet recording head (a)〜(d)は、本発明に係る実施形態の圧電素子の製造方法を示す工程図(A)-(d) is process drawing which shows the manufacturing method of the piezoelectric element of embodiment which concerns on this invention. (a)〜(e)は、本発明に係る実施形態の圧電素子のその他の製造方法を示す工程図(A)-(e) is process drawing which shows the other manufacturing method of the piezoelectric element of embodiment which concerns on this invention. 図1のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図1 is a diagram illustrating a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head of FIG. 図4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. (a)は実施例1のベタPZT膜の断面SEM写真、(b)は実施例1のベタPZT膜の表面SEM写真(A) is a cross-sectional SEM photograph of the solid PZT film of Example 1, and (b) is a surface SEM photograph of the solid PZT film of Example 1. (a)は実施例1において下部電極と除去用電極との間に電界を印加する前の光学顕微鏡写真、(b)は実施例1において下部電極と除去用電極との間に電界を印加した後の光学顕微鏡写真、(c)は実施例1においてテープ剥離を実施した後の光学顕微鏡写真(A) is an optical micrograph before applying an electric field between the lower electrode and the removal electrode in Example 1, and (b) is an electric field applied between the lower electrode and the removal electrode in Example 1. Later optical micrograph, (c) is an optical micrograph after tape peeling in Example 1 実施例1のパターニング後の斜視SEM写真Perspective SEM photograph after patterning in Example 1 (a)は比較例1のベタPZT膜の断面SEM写真、(b)は比較例1のベタPZT膜の表面SEM写真(A) is a cross-sectional SEM photograph of the solid PZT film of Comparative Example 1, and (b) is a surface SEM photograph of the solid PZT film of Comparative Example 1. 実施例1,2及び比較例1〜3のXRDパターンXRD patterns of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3

符号の説明Explanation of symbols

1 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)
10 基板
20 下部電極
30 圧電体膜
30P ベタ圧電体膜
30N ベタ圧電体膜の不要部分
31 凸部
31S 凸部の側面
40 上部電極
41 除去用電極
60 インクノズル(液体貯留吐出部材)
61 インク室(液体貯留室)
62 インク吐出口(液体吐出口)
1 Piezoelectric element 3, 3K, 3C, 3M, 3Y Inkjet recording head (liquid ejection device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 20 Lower electrode 30 Piezoelectric film 30P Solid piezoelectric film 30N Unnecessary portion of solid piezoelectric film 31 Convex part 31S Side surface of convex part 40 Upper electrode 41 Removal electrode 60 Ink nozzle (liquid storage and discharge member)
61 Ink chamber (liquid storage chamber)
62 Ink ejection port (liquid ejection port)

Claims (3)

基板上に下部電極と単数又は複数の凸部からなる所定のパターンを有する圧電体膜と上部電極とが順次形成され、前記下部電極と前記上部電極との間に電界が印加されて駆動される圧電素子の製造方法において、
前記下部電極が形成された前記基板上に、パターニングされていないベタ圧電体膜を成膜する工程(A)と、
前記ベタ圧電体膜上に、前記ベタ圧電体膜の不要部分に対応したパターンを有し、前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去するための除去用電極を形成する工程(B)と、
前記下部電極と前記除去用電極との間に電界を印加して、前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分にクラックを発生させる工程(C)と、
前記除去用電極及び前記ベタ圧電体膜の不要部分を除去する工程(D)とを有し、
前記工程(A)において、前記ベタ圧電体膜として、前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる、Thornton zone modelにおけるzone Iの柱状構造膜である、表面粗さ420Å≧Ra≧200ÅのPZT膜を気相法により成膜することを特徴とする圧電素子の製造方法。
A lower electrode, a piezoelectric film having a predetermined pattern consisting of one or a plurality of convex portions, and an upper electrode are sequentially formed on the substrate, and an electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode to be driven. In the manufacturing method of the piezoelectric element,
Forming a non-patterned solid piezoelectric film on the substrate on which the lower electrode is formed (A);
A step (B) of forming a removal electrode for removing an unnecessary portion of the solid piezoelectric film having a pattern corresponding to the unnecessary portion of the solid piezoelectric film on the solid piezoelectric film;
Applying an electric field between the lower electrode and the removal electrode to generate a crack in unnecessary portions of the removal electrode and the solid piezoelectric film (C);
It possesses a step (D) of removing the unnecessary portion of the removed electrode and the solid piezoelectric film,
In the step (A), the solid piezoelectric film is a zone I columnar structure film in the Thornton zone model, which is composed of a number of columnar bodies extending in a non-parallel direction to the substrate surface of the substrate. A method of manufacturing a piezoelectric element, characterized in that a PZT film satisfying 420Å ≧ Ra ≧ 200Å is formed by a vapor phase method.
工程(B)において、前記除去用電極と同時に、前記所定のパターンを有する圧電体膜に対応したパターンを有し、前記除去用電極とは非導通の前記上部電極を形成す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。   In the step (B), the upper electrode which has a pattern corresponding to the piezoelectric film having the predetermined pattern at the same time as the removal electrode and is non-conductive with the removal electrode is formed. The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1. 工程(D)後に、前記所定のパターンを有する圧電体膜に対応したパターンを有する前記上部電極を形成する工程(E)をさらに有す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。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1, further comprising a step (E) of forming the upper electrode having a pattern corresponding to the piezoelectric film having the predetermined pattern after the step (D). .
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