JP5449970B2 - Piezoelectric film forming method, piezoelectric element, liquid ejection device, and piezoelectric ultrasonic transducer - Google Patents
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Description
本発明は、スパッタリング法により鉛含有ペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜を成膜する方法、及び該成膜方法により成膜された圧電体膜を用いた圧電素子、液体吐出装置、及び圧電型超音波振動子に関するものである。 The present invention relates to a method of forming a piezoelectric film containing a lead-containing perovskite oxide by a sputtering method, a piezoelectric element using the piezoelectric film formed by the film forming method, a liquid ejection apparatus, and a piezoelectric type The present invention relates to an ultrasonic transducer.
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と、圧電体に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドや圧電型超音波振動子に搭載される圧電アクチュエータ等の用途に使用されている。インクジェット式記録ヘッドにおいて、高精細且つ高速な印刷を実現するためには圧電素子の高密度化が必要である。そのため、圧電素子の薄型化が検討されており、それに使用される圧電体の形態としては、加工精度の関係から、薄膜が好ましい。 A piezoelectric element having a piezoelectric material having a piezoelectric property that expands and contracts as the electric field application intensity increases and decreases and an electrode that applies an electric field to the piezoelectric material are mounted on an ink jet recording head or a piezoelectric ultrasonic transducer. It is used for applications such as piezoelectric actuators. In an ink jet recording head, it is necessary to increase the density of piezoelectric elements in order to realize high-definition and high-speed printing. Therefore, thinning of the piezoelectric element has been studied, and a thin film is preferable as a form of the piezoelectric body used for the piezoelectric element in view of processing accuracy.
また、高精細な印刷には、更にインクとして高粘度なインクを使用する必要がある。高粘度のインクを吐出可能とするためには、圧電素子にはより高い圧電性能が要求される。圧電体薄膜(以下、圧電体膜とする。)において高い圧電性能を有する材料としては、ジルコンチタン酸鉛(PZT)等の鉛含有ペロブスカイト型酸化物が広く用いられている。 In addition, for high-definition printing, it is necessary to use a highly viscous ink as the ink. In order to be able to eject high viscosity ink, the piezoelectric element is required to have higher piezoelectric performance. As a material having high piezoelectric performance in a piezoelectric thin film (hereinafter referred to as a piezoelectric film), lead-containing perovskite oxides such as lead zirconate titanate (PZT) are widely used.
この鉛含有ペロブスカイト型酸化物を圧電体膜の材料とした場合、圧電性能が高いものの、その駆動耐久性が鉛の組成によって大きく左右されることが知られている。鉛は、駆動時に繰り返し電圧が印加されることによりイオンマイグレーションを生じやすい元素であるため、圧電体膜中に過剰な鉛が含まれると、鉛のイオンマイグレーションが起こりやすく、異常放電等の圧電素子の耐久性を低下させる現象を生じやすくなる。 When this lead-containing perovskite oxide is used as a material for a piezoelectric film, it is known that the driving durability is greatly influenced by the lead composition, although the piezoelectric performance is high. Since lead is an element that easily causes ion migration when voltage is repeatedly applied during driving, if excessive lead is contained in the piezoelectric film, lead ion migration is likely to occur, and piezoelectric elements such as abnormal discharge It tends to cause a phenomenon that lowers the durability.
鉛含有ペロブスカイト型酸化物を、成膜プロセスが容易なスパッタリング法により成膜する場合、結晶性の良好なペロブスカイト型酸化物を成膜するためには、ターゲットの鉛量を過剰にする必要があることが知られており、供給される鉛量を減らすと、ペロブスカイト型の結晶成長に優先して圧電性を持たないパイロクロア相が成長しやすくなってしまう。従って、鉛量が少なく、且つ、良好なペロブスカイト型の結晶性を有する圧電体膜を成膜する方法が求められている。 When forming a lead-containing perovskite oxide by a sputtering method that facilitates the film formation process, it is necessary to make the amount of lead in the target excessive in order to form a perovskite oxide with good crystallinity. It is known that if the amount of lead supplied is reduced, a pyrochlore phase having no piezoelectricity is likely to grow in preference to perovskite crystal growth. Therefore, there is a demand for a method for forming a piezoelectric film having a small amount of lead and having good perovskite crystallinity.
特許文献1には、鉛のBサイト元素に対するモル比が0.8〜1.0であり、良好な圧電特性を有する鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜が開示されている。また、特許文献2には、鉛組成を電極近傍と中央部とで変化させることにより、PZT系圧電体膜を備えた強誘電体キャパシタの耐久性を向上させた誘電体素子が開示されている。特許文献2では、スパッタリング法において鉛量を制御する方法として、組成の異なる複数のターゲットを導入する方法、及び成膜中のガス圧や高周波パワーを変化させる方法を用いることが記載されている。
Patent Document 1 discloses a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide having a molar ratio of lead to a B-site element of 0.8 to 1.0 and having good piezoelectric characteristics.
特許文献1には、鉛とBサイト元素とのモル比が0.8〜1.0である鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜をスパッタリング法により成膜することが好ましいことが記載されているが、スパッタリング法の成膜条件は一切記載されておらず、どのようにして得られるのかが不明である。 Patent Document 1 describes that a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide having a molar ratio of lead to B-site element of 0.8 to 1.0 is preferably formed by a sputtering method. However, the film forming conditions of the sputtering method are not described at all, and it is unclear how to obtain them.
また、特許文献2には、組成の異なる複数のターゲットを導入する方法、及び成膜中のガス圧力を変化させる方法により、鉛のBサイト元素に対するモル比を1.2から1.0まで変化させられることが記載されているが、いずれの方法によっても鉛のBサイト元素に対するモル比を1.0より小さい組成で結晶性の良好なペロブスカイト型酸化物膜が得られるかどうかは不明である。特に、組成の異なる複数のターゲットを導入する方法は、スパッタチャンバーが複数必要となるため装置構成も複雑である。
In
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法により、圧電特性に優れ、且つ、耐久性の優れた鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を簡易に成膜する方法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 provides a method for easily forming a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide having excellent piezoelectric characteristics and durability by a sputtering method. It is intended to do.
本発明はまた、耐久性の優れた圧電素子及びそれを備えた液体吐出装置、及び圧電型超音波振動子を提供することを目的とするものである。 Another object of the present invention is to provide a piezoelectric element having excellent durability, a liquid ejection apparatus including the piezoelectric element, and a piezoelectric ultrasonic transducer.
本発明者らは、スパッタリング法により鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜を成膜する際に、基板電位が高いほど成膜される膜中の鉛組成が多くなること、そして、成膜初期においてペロブスカイト型の結晶成長をするに充分な鉛量を供給可能な基板電位で成膜し、その後、その膜を下地として、鉛組成が少なくなるような基板電位にて成膜することで、鉛組成が少ないにもかかわらず、パイロクロア相の少ないペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電膜を成膜できることを見いだした。 When forming a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide (which may contain unavoidable impurities) by sputtering, the present inventors have found that the lead composition in the film formed becomes higher as the substrate potential is higher. The substrate potential is increased at a substrate potential capable of supplying a lead amount sufficient for perovskite-type crystal growth in the initial stage of film formation, and then the lead composition is reduced with the film as a base. It was found that a piezoelectric film having a perovskite-type crystal structure with a small pyrochlore phase can be formed by forming a film with the above method.
すなわち、本発明の成膜方法は、スパッタリング法により1種又は複数種の鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)を基板上に成膜する方法であって、成膜途中で、前記基板の電位を第1の基板電位Vsub1から、前記圧電体膜の鉛組成を所望の組成とするように第2の基板電位Vsub2に変更することを特徴とするものである。 That is, the film forming method of the present invention is a method in which a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more lead-containing perovskite oxides is formed on a substrate by sputtering. In the course of film formation, the substrate potential is changed from the first substrate potential Vsub1 to the second substrate potential Vsub2 so that the lead composition of the piezoelectric film becomes a desired composition. Is.
本発明の成膜方法は、前記圧電体膜が、チタン酸ジルコン酸鉛を含む1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)場合(PZT系圧電体膜)に好ましく適用することができる。 In the film forming method of the present invention, the piezoelectric film is made of one or more perovskite oxides containing lead zirconate titanate (may contain unavoidable impurities) (PZT piezoelectric). The film can be preferably applied.
また、前記圧電体膜が、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)ものである場合は、前記第1の基板電位Vsub1にて前記ペロブスカイト型酸化物よりPb組成aが多いペロブスカイト型酸化物の結晶核を形成する工程(A)と、前記圧電体膜の組成が下記一般式(P)のPb組成となるように前記第2の基板電位(Vsub2)を設定して前記圧電体膜を成膜する工程(B)とを順次実施して成膜することが好ましい。工程(A)において、Vsub1は、下記式(1)を満足することがより好ましく、下記式(2)を満足することが更に好ましい。また更に、下記式(3)及び(4)を満足することが好ましい。
一般式PbaBbO3・・・(P)
(式中、BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。bは1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)
−10≦Vsub1(V) ・・・(1)、
−10≦Vsub1(V)≦25・・・(2)
(式中、Vsub1は第1の基板電位)
−20<Vsub2(V)<5 ・・・(3)、
450℃<T(℃)<600℃ ・・・(4)
(式中、Vsub2は第2の基板電位、Tは前記工程(A)及び(B)における前記基板温度である)
In the case where the piezoelectric film is made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the following general formula (P), Forming a crystal nucleus of a perovskite type oxide having a Pb composition a greater than that of the perovskite type oxide at a substrate potential Vsub1, and a composition of the piezoelectric film having a Pb composition of the following general formula (P): Preferably, the second substrate potential (Vsub2) is set so that the step (B) of forming the piezoelectric film is sequentially performed. In the step (A), Vsub1 preferably satisfies the following formula (1), and more preferably satisfies the following formula (2). Furthermore, it is preferable that the following expressions (3) and (4) are satisfied.
General formula Pb a B b O 3 (P)
(Wherein B is an element of the B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and At least one element selected from the group consisting of Ni, O is oxygen, a is a value smaller than 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken, and b is a perovskite type although 1.0 is standard. It may deviate within the range that can take the structure.)
−10 ≦ Vsub1 (V) (1),
−10 ≦ Vsub1 (V) ≦ 25 (2)
(Where Vsub1 is the first substrate potential)
−20 <Vsub2 (V) <5 (3),
450 ° C. <T (° C.) <600 ° C. (4)
(Where Vsub2 is the second substrate potential, and T is the substrate temperature in steps (A) and (B)).
本発明の圧電素子は、上記本発明の成膜方法により成膜された圧電体膜と、該圧電体膜に対して電界を印加する電極とを備えたものである。 The piezoelectric element of the present invention includes a piezoelectric film formed by the film forming method of the present invention and an electrode for applying an electric field to the piezoelectric film.
また、本発明の液体吐出装置は、上記本発明の圧電素子と、該圧電素子に一体的にまたは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、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ものである。 The liquid ejection apparatus of the present invention includes the piezoelectric element of the present invention and a liquid ejection member provided integrally or adjacent to the piezoelectric element, and the liquid ejection member stores liquid. The liquid storage chamber and a liquid discharge port through which the liquid is discharged from the liquid storage chamber.
また、本発明の圧電型超音波振動子は、上記本発明の圧電素子と、前記電極に交流電流を印加する交流電源と、前記圧電体の伸縮により振動する振動板とを備えたものである。 A piezoelectric ultrasonic transducer according to the present invention includes the piezoelectric element according to the present invention, an AC power source that applies an AC current to the electrode, and a diaphragm that vibrates by expansion and contraction of the piezoelectric body. .
本発明では、鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜を基板上に成膜する際に、スパッタリング法において成膜途中で、基板の電位を第1の基板電位Vsub1から、前記圧電体膜の鉛組成を所望の組成とするように第2の基板電位Vsub2に変更して成膜する。かかる成膜方法によれば、成膜初期においてペロブスカイト型の結晶成長をするに充分な鉛量を供給可能な基板電位で成膜し、その後、その膜を下地として鉛組成が少なくなるような基板電位に変更して成膜するため、鉛組成が少ないにもかかわらず、パイロクロア相の少ないペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電膜を成膜できる。 In the present invention, when a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide (which may contain inevitable impurities) is formed on a substrate, the potential of the substrate is changed to the first substrate potential during the film formation in the sputtering method. The film is formed by changing the lead composition of the piezoelectric film from Vsub1 to the second substrate potential Vsub2 so as to have a desired composition. According to such a film forming method, a substrate is formed at a substrate potential capable of supplying a lead amount sufficient for perovskite crystal growth in the initial stage of film formation, and then the lead composition is reduced with the film as a base. Since the film is formed by changing the potential, a piezoelectric film having a perovskite crystal structure with a small pyrochlore phase can be formed even though the lead composition is small.
本発明によれば、スパッタリング法において、基板電位を成膜途中で変更するだけで、鉛組成が少ないペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜することができるので、異常放電等の駆動耐久性を低下させる要因となる鉛のイオンマイグレーションを抑制し、圧電特性に優れ、且つ、駆動耐久性に優れた鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を簡易に成膜することができる。 According to the present invention, in the sputtering method, it is possible to form a piezoelectric film made of a perovskite oxide having a low lead composition simply by changing the substrate potential during film formation. It is possible to easily form a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide that suppresses the ion migration of lead, which is a cause of lowering the lead, and has excellent piezoelectric characteristics and driving durability.
「圧電体膜の成膜方法」
本発明の成膜方法は、スパッタリング法により1種又は複数種の鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい。)を基板上に成膜する方法であって、成膜途中で、基板の電位を第1の基板電位Vsub1から、圧電体膜の鉛組成を所望の組成とするように第2の基板電位Vsub2に変更することを特徴とするものである。
"Method for forming piezoelectric film"
The film forming method of the present invention is a method of forming a piezoelectric film (which may contain inevitable impurities) made of one or more lead-containing perovskite oxides on a substrate by sputtering. In the course of film formation, the substrate potential is changed from the first substrate potential Vsub1 to the second substrate potential Vsub2 so that the lead composition of the piezoelectric film becomes a desired composition.
「背景技術」の項において述べたように、鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、圧電性能が高いものの、駆動時に繰り返し電圧が印加されることにより鉛のイオンマイグレーションを生じて、異常放電等の圧電素子の耐久性を低下させる現象を生じやすくなる(後記比較例1,2)。従って、圧電体膜中の鉛量は少ない方が好ましいが、一方で、成膜時に供給される鉛量を減らすと、ペロブスカイト型の結晶成長に優先して圧電性を持たないパイロクロア相が成長しやすくなってしまう(後記比較例3,4を参照)。 As described in the “Background Art” section, the piezoelectric film made of lead-containing perovskite oxide has high piezoelectric performance, but it causes abnormal ion migration of lead due to repeated application of voltage during driving. A phenomenon that lowers the durability of the piezoelectric element such as electric discharge is likely to occur (Comparative Examples 1 and 2 described later). Therefore, it is preferable that the amount of lead in the piezoelectric film is small. On the other hand, if the amount of lead supplied during film formation is reduced, a pyrochlore phase that does not have piezoelectricity grows in preference to perovskite crystal growth. This becomes easy (see Comparative Examples 3 and 4 below).
本発明の成膜方法は、スパッタリング法による鉛含有ペロブスカイト型酸化物の成膜では、基板電位が高いほど鉛組成が多くなることを見出し、基板電位を成膜途中で変更するだけの簡易な方法により、鉛組成が少ないにも拘わらず、パイロクロア相の少ないペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を成膜可能であることを見出したものである。 The film forming method of the present invention is a simple method in which, in the film formation of lead-containing perovskite oxides by sputtering, the lead composition increases as the substrate potential increases, and the substrate potential is simply changed during the film formation. Thus, it has been found that a piezoelectric film made of a perovskite oxide having a small pyrochlore phase can be formed even though the lead composition is small.
従って、本発明の成膜方法はスパッタリング法であれば特に制限されず適用可能である。スパッタリング法としては、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットを基板と対向配置させて成膜する通常のスパッタリング法や、反応性スパッタリング法等が挙げられるが、装置構成の簡易性を考慮すると、本発明の成膜方法は、通常のスパッタリング法に適用することが好ましい。 Therefore, the film forming method of the present invention is not particularly limited as long as it is a sputtering method, and can be applied. Examples of the sputtering method include a normal sputtering method in which a target having a composition corresponding to the composition of the film to be formed is disposed opposite to the substrate, a reactive sputtering method, etc., but considering the simplicity of the apparatus configuration. Then, it is preferable to apply the film forming method of the present invention to a normal sputtering method.
ここで、成膜する膜の組成に応じた組成のターゲット組成とは、成膜中の逆スパッタ等により膜表面から蒸気圧の高い元素が抜けやすい性質等を考慮した組成を意味する。 Here, the target composition having a composition corresponding to the composition of the film to be formed means a composition in consideration of the property that elements having a high vapor pressure easily escape from the film surface by reverse sputtering or the like during film formation.
本発明は鉛含有ペロブスカイト型酸化物を成膜するものであり、鉛は蒸気圧が高く成膜された膜表面から抜けやすいことが一般に知られている。例えば、「真空ハンドブック」((株)アルバック編、オーム社発行)の表8.1.7には、Arイオン300evの条件において、PZTのスパッタ率は、Pb=0.75、Zr=0.48,Ti=0.65であることが記載されている。逆スパッタは、スパッタされやすい元素ほど生じやすい。 The present invention forms a lead-containing perovskite oxide, and it is generally known that lead has a high vapor pressure and can easily escape from the film surface. For example, Table 8.1.7 of “Vacuum Handbook” (published by ULVAC, Inc., published by Ohm) shows that the sputtering rate of PZT is Pb = 0.75, Zr = 0. 48, Ti = 0.65. Reverse sputtering is more likely to occur for elements that are more easily sputtered.
逆スパッタを考慮すると、鉛含有ペロブスカイト型酸化物の成膜において、ターゲットの鉛組成は、成膜する膜組成よりも多くすることが好ましい。 In consideration of reverse sputtering, it is preferable that the lead composition of the target is larger than the film composition to be formed in the formation of the lead-containing perovskite oxide.
図1に示す通常のスパッタリング装置の構成例について説明する。図1AはRFスパッタリング装置の概略断面図であり、図1Bは成膜中の様子を模式的に示す図である。 A configuration example of the normal sputtering apparatus shown in FIG. 1 will be described. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an RF sputtering apparatus, and FIG. 1B is a diagram schematically showing a state during film formation.
RFスパッタリング装置200は、内部に、基板Bが装着されると共に、装着された基板Bを所定温度に加熱することが可能なヒータ211と、プラズマを発生させるプラズマ電極(カソード電極)212とが備えられた真空容器210から概略構成されている。ヒータ211とプラズマ電極212とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極212上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットTが装着されるようになっている。プラズマ電極212は高周波電源213に接続されている。
The
真空容器210には、真空容器210内に成膜に必要なガスGを導入するガス導入管214と、真空容器210内のガスの排気Vを行うガス排出管215とが取り付けられている。ガスGとしては、Ar、又はAr/O2混合ガス等が使用される。図1(b)に模式的に示すように、プラズマ電極212の放電により真空容器210内に導入されたガスGがプラズマ化され、Arイオン等のプラスイオンIpが生成する。生成したプラスイオンIpはターゲットTをスパッタする。プラスイオンIpにスパッタされたターゲットTの構成元素Tpは、ターゲットから放出され中性あるいはイオン化された状態で基板Bに蒸着される。図中、符号Pがプラズマ空間を示している。
A
プラズマ空間において、通常、基板Bは絶縁体であり、かつ、電気的にアースから絶縁されている。したがって、基板Bはフローティング状態にあり、その電位(Vsub)はフローティング電位となる。ターゲットTと基板Bとの間にあるターゲットの構成元素Tpは、プラズマ空間Pの電位と基板Bの電位(Vsub)との電位差の加速電圧分の運動エネルギーを持って、成膜中の基板Bに衝突すると考えられる。 In the plasma space, the substrate B is usually an insulator and is electrically insulated from the ground. Therefore, the substrate B is in a floating state, and its potential (Vsub) becomes a floating potential. The target constituent element Tp between the target T and the substrate B has a kinetic energy corresponding to the acceleration voltage of the potential difference between the potential of the plasma space P and the potential of the substrate B (Vsub), and the substrate B being formed It is thought that it will collide with.
つまり、基板Bの電位Vsubが低いほど、ターゲットの構成元素Tpの運動エネルギーが大きくなることから、基板電位Vsubを低くすることにより、逆スパッタも生じやすくなると考えられる。すなわち、基板電位Vsubを下げることにより、成膜された膜表面からの鉛が抜けやすくなり、成膜される膜中の鉛組成を少なくすることができる。 In other words, the lower the potential Vsub of the substrate B, the greater the kinetic energy of the constituent element Tp of the target. Therefore, it is considered that reverse sputtering is likely to occur by lowering the substrate potential Vsub. That is, by reducing the substrate potential Vsub, lead from the formed film surface can be easily removed, and the lead composition in the formed film can be reduced.
従って、本発明では、劣化の原因となる膜中過剰Pbを減らすために基板電位Vsubを成膜途中において適切な範囲にする。Vsubの変更方法としては特に制限されないが、基板Bにバイアス印加して変更してもよいし、基板とターゲットとの間にアースを設置するなどしても変更することができる。また、基板やチャンバ壁のインピーダンスを変更することによっても、基板電位を効果的に変化させることができる。 Therefore, in the present invention, the substrate potential Vsub is set to an appropriate range during the film formation in order to reduce excess Pb in the film that causes deterioration. The method for changing Vsub is not particularly limited, but may be changed by applying a bias to the substrate B, or may be changed by installing a ground between the substrate and the target. Also, the substrate potential can be effectively changed by changing the impedance of the substrate and the chamber wall.
スパッタリング法において、成膜される膜の特性を左右するファクターとしては、成膜温度、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の種類、基板の表面エネルギー、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電極、基板/ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度及び電子密度、プラズマ中の活性種密度及び活性種の寿命等が考えられる。 In the sputtering method, factors that affect the characteristics of the film to be formed include the film formation temperature, the type of substrate, the type of substrate if there is a film previously formed on the substrate, the surface energy of the substrate, and the film formation pressure. The oxygen amount in the atmospheric gas, the input electrode, the substrate / target distance, the electron temperature and electron density in the plasma, the active species density in the plasma and the lifetime of the active species are considered.
本発明者は多々ある成膜ファクターの中で、ペロブスカイト型の結晶成長に重要なファクターとして下地の結晶構造の重要性に着目し、同一元素からなるペロブスカイト型酸化物層、少なくともペロブスカイト型酸化物の結晶核が形成されていれば、その上に成膜される膜組成が必ずしもペロブスカイト型酸化物の結晶を成長しうる膜組成でなくてもペロブスカイト型の結晶成長が可能であることを見出した。更に、鉛組成は基板電位Vsubを変化させることにより制御できることを組み合わせることにより、成膜途中で基板電位を変化させるという簡易な方法で通常ペロブスカイト構造を取り得ない、鉛組成が少ない鉛含有ペロブスカイト型酸化物を成膜可能とする本発明に至った。 The present inventor pays attention to the importance of the underlying crystal structure as an important factor for the growth of the perovskite type crystal among many film formation factors, and the perovskite type oxide layer composed of the same element, at least of the perovskite type oxide. It has been found that if a crystal nucleus is formed, a perovskite-type crystal growth is possible even if the film composition formed thereon is not necessarily a film composition capable of growing a perovskite-type oxide crystal. Furthermore, by combining that the lead composition can be controlled by changing the substrate potential Vsub, a simple method of changing the substrate potential in the middle of the film formation does not allow a normal perovskite structure, and a lead-containing perovskite type oxidation with a low lead composition. The present invention has been made to enable the formation of an object.
後記実施例に示されるように、成膜初期の第1の基板電位Vsub1と、その後の第2の基板電位Vsub2とを好適化することにより、鉛組成が少ない良質なペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を成膜できる。 As shown in the examples described later, by optimizing the first substrate potential Vsub1 at the initial stage of film formation and the second substrate potential Vsub2 after that, a piezoelectric material made of a high-quality perovskite oxide with a low lead composition is used. A body film can be formed.
第1の基板電位Vsub1は、ペロブスカイト型の結晶成長をするに充分な鉛量を供給可能な基板電位である。成膜初期の島状成長期においては、成膜されたペロブスカイト型酸化物の表面積が大きいために、より鉛が抜けやすい。従って、Vsub1は、その抜けやすさを考慮して鉛供給量が多くなるように設定されることが好ましい。 The first substrate potential Vsub1 is a substrate potential capable of supplying a sufficient amount of lead for perovskite crystal growth. In the island growth phase at the initial stage of film formation, lead is more easily removed because the surface area of the formed perovskite oxide is large. Therefore, it is preferable that Vsub1 is set so that the amount of lead supply increases in consideration of the ease of removal.
Vsub1からVsub2に変更するタイミングは、Vsub1における成膜により、少なくともペロブスカイト型酸化物の結晶核が形成されていれば特に制限されないが、膜組成の均質化を考慮すると、できるだけVsub1による成膜時間は短い方が好ましい。Vsub2での成膜において良好な結晶性のペロブスカイト型酸化物を成膜可能とするためには、Vsub1において圧電体膜が1層形成されていればよく、圧電体膜の膜厚は、150nm程度が好ましい。 The timing for changing from Vsub1 to Vsub2 is not particularly limited as long as at least crystal nuclei of the perovskite oxide are formed by the film formation in Vsub1, but considering the homogenization of the film composition, the film formation time by Vsub1 is as long as possible. The shorter one is preferable. In order to make it possible to form a highly crystalline perovskite oxide in the film formation with Vsub2, it is only necessary that one piezoelectric film is formed in Vsub1, and the film thickness of the piezoelectric film is about 150 nm. Is preferred.
本発明の成膜方法は、1種又は複数種の鉛含有ペロブスカイト型酸化物の成膜に好ましく適用でき、チタン酸ジルコン酸鉛を含む1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物(PZT系ペロブスカイト型酸化物)の成膜により好ましく適用することができる。 The film forming method of the present invention can be preferably applied to film formation of one or more kinds of lead-containing perovskite oxides, and one or more kinds of perovskite oxides (PZT-based perovskite type) containing lead zirconate titanate. (Oxide) can be preferably applied.
本発明者は、下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい。)圧電体膜を成膜する場合は、第1の基板電位Vsub1にてペロブスカイト型酸化物の結晶核を形成する工程(A)と、圧電体膜の組成が下記一般式(P)のPb組成となるように第2の基板電位(Vsub2)を設定して圧電体膜を成膜する工程(B)とを順次実施して成膜することが好ましいことを見出している。
一般式PbaBbO3・・・(P)
(式中、BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。bは1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)
In the case of forming a piezoelectric film made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the following general formula (P), The step (A) of forming crystal nuclei of the perovskite oxide at the substrate potential Vsub1 of the second substrate potential and the second substrate potential (Vsub2) so that the composition of the piezoelectric film becomes the Pb composition of the following general formula (P) It has been found that it is preferable to perform the step (B) of setting and forming the piezoelectric film in sequence to form the film.
General formula Pb a B b O 3 (P)
(Wherein B is an element of the B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and At least one element selected from the group consisting of Ni, O is oxygen, a is a value smaller than 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken, and b is a perovskite type although 1.0 is standard. It may deviate within the range that can take the structure.)
工程(A)において、Vsub1は、下記式(1)を満足することがより好ましく、下記式(2)を満足することが更に好ましい。
−10≦Vsub1(V) ・・・(1)、
−10≦Vsub1(V)≦25・・・(2)
(式中、Vsub1は第1の基板電位)
In the step (A), Vsub1 preferably satisfies the following formula (1), and more preferably satisfies the following formula (2).
−10 ≦ Vsub1 (V) (1),
−10 ≦ Vsub1 (V) ≦ 25 (2)
(Where Vsub1 is the first substrate potential)
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、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。 Examples of the perovskite oxide represented by the general formula (P) include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, and lead niobate zirconium titanate. The piezoelectric film may be a mixed crystal system of perovskite oxides represented by the above general formula (P).
本発明は、特に、下記一般式(P−1)で表されるPZT又はそのBサイト置換系、及びこれらの混晶系に好ましく適用できる。
Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。b1+b3+b3は1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)
The present invention is particularly preferably applicable to PZT represented by the following general formula (P-1) or a B site substitution system thereof and mixed crystal systems thereof.
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In Formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of Group V and Group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, where a is The value is less than 1.0 within the range where the perovskite type structure can be taken, and b1 + b3 + b3 is 1.0 as a standard, but may be deviated within the range where the perovskite type structure can be taken.
上記一般式(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、b3=0のときチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であり、b3>0のとき、PZTのBサイトの一部をV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素であるXで置換した酸化物である。
Xは、VA族、VB族、VIA族、及びVIB族のいずれの金属元素でもよく、V,Nb,Ta,Cr,Mo,及びWからなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。
The perovskite oxide represented by the general formula (P-1) is lead zirconate titanate (PZT) when b3 = 0, and when b3> 0, part of the B site of PZT is group V. And an oxide substituted with X which is at least one metal element selected from the group of elements of group VI.
X may be any metal element of Group VA, Group VB, Group VIA, and Group VIB, and is preferably at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W. .
上記一般式(P)及び(P−1)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)を成膜する場合、まず、上記式(1)を満足する第1の基板電位にてペロブスカイト型酸化物の結晶核を形成する(工程(A))。 When forming a film made of a perovskite oxide represented by the general formulas (P) and (P-1) (which may include inevitable impurities), first, the first substrate that satisfies the above formula (1) Crystal nuclei of the perovskite oxide are formed at a potential (step (A)).
工程(A)において、ターゲット組成は逆スパッタによる鉛抜けを考慮したターゲット組成とし、上記式(1)を満足する基板電位Vsub1にて成膜する。上記式(1)は、その下地層がペロブスカイト型の結晶性を有していてもいなくても、良好な結晶性を有する鉛含有ペロブスカイト型酸化物の結晶核を提供可能な基板電位条件である。 In step (A), the target composition is set to a target composition that takes into account lead loss due to reverse sputtering, and is formed at a substrate potential Vsub1 that satisfies the above formula (1). The above formula (1) is a substrate potential condition that can provide crystal nuclei of lead-containing perovskite oxides having good crystallinity, regardless of whether the underlying layer has perovskite crystallinity. .
後工程(B)では、鉛組成が1.0より少なくなる条件でペロブスカイト型酸化物を成膜する。工程(B)においてペロブスカイト型結晶が得られるかどうかは、工程(A)で結晶核が形成されているかどうかで決まる。従って、工程(A)においては、ペロブスカイト型結晶核を形成するに十分な鉛を提供することが重要である。 In the post-process (B), a perovskite oxide is formed under the condition that the lead composition is less than 1.0. Whether or not a perovskite crystal is obtained in step (B) depends on whether or not crystal nuclei are formed in step (A). Therefore, in step (A), it is important to provide enough lead to form perovskite crystal nuclei.
基板電位以外のその他の成膜条件は、良好なペロブスカイト型の結晶成長が可能となるように、当業者の技術常識範囲で設定することができる(後記実施例を参照)。例えば、基板―ターゲット間距離は30〜80mm、基板温度は400℃〜800℃の範囲内であることが好ましい。 Other film forming conditions other than the substrate potential can be set within the technical common sense of those skilled in the art so that good perovskite-type crystal growth is possible (see the examples described later). For example, the substrate-target distance is preferably 30 to 80 mm, and the substrate temperature is preferably in the range of 400 ° C to 800 ° C.
工程(A)の実施時間は、工程(B)において、鉛組成が少なくなる条件でペロブスカイト型の結晶成長を行うために充分な結晶核を形成することができていれば特に制限されないが、既に述べたように、膜組成の均質化の点で、その実施時間は短い方が好ましい。後記実施例1及び2では、約5分程度工程(A)を実施することにより、膜厚150nm程度の圧電体膜が成膜され、工程(B)において良好な結晶性を有するペロブスカイト型酸化物の成膜を可能にしている。 The implementation time of the step (A) is not particularly limited as long as sufficient crystal nuclei can be formed to perform perovskite type crystal growth under the condition that the lead composition is reduced in the step (B). As described above, it is preferable that the execution time is short in terms of homogenization of the film composition. In Examples 1 and 2 described later, the step (A) is carried out for about 5 minutes to form a piezoelectric film having a film thickness of about 150 nm, and the perovskite oxide having good crystallinity in the step (B). It is possible to form a film.
工程(A)の終了後、上記式(2)を満足する第2の基板電位にて圧電体膜を成膜する(工程(B))。工程(B)では、上記一般式(P)における鉛組成aを1.0よりも少なくすることができればよいが、上記したように、圧電体膜の駆動時における鉛のイオンマイグレーションをできるだけ抑制して圧電体膜の耐久性をより高くしつつも、良好な圧電性能を有する組成とすることが好ましい。 After completion of the step (A), a piezoelectric film is formed at a second substrate potential that satisfies the above formula (2) (step (B)). In the step (B), it is sufficient that the lead composition a in the general formula (P) can be reduced to less than 1.0, but as described above, lead ion migration during driving of the piezoelectric film is suppressed as much as possible. Thus, it is preferable to have a composition having good piezoelectric performance while further enhancing the durability of the piezoelectric film.
これに対し、上記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を成膜する場合、途中で基板電位を下げずに良好な結晶性を有する鉛含有ペロブスカイト型酸化物を成膜するには、鉛量を化学量論組成であるa=1.0より少し過剰となる条件で成膜することが一般的である。しかしながら比較例1,2に示されるように、鉛量が過剰な圧電体膜は、圧電特性は良好であるものの、駆動耐久性は低いものとなる。 On the other hand, when a piezoelectric film made of the perovskite oxide represented by the general formula (P) is formed, a lead-containing perovskite oxide having good crystallinity without lowering the substrate potential in the middle is used. In order to form a film, it is common to form the film under conditions where the amount of lead is slightly larger than the stoichiometric composition a = 1.0. However, as shown in Comparative Examples 1 and 2, a piezoelectric film with an excessive amount of lead has good piezoelectric characteristics but low driving durability.
上記一般式(P−1)で表されるPZT又はそのBサイト置換系、及びこれらの混晶系であるペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜においては、P−Eヒステリシスの抗電界がプラス方向に偏った強誘電性を示し、マイナス電圧印加時に高い圧電定数が得られる一方、プラス電圧駆動においては圧電定数が低く、連続駆動による変位低下を生じやすいとされている(後記比較例2)。現在の汎用の駆動ドライバのICがプラス駆動用であることを考慮すると、圧電体膜はプラス電圧駆動により高い圧電性能を有することが好ましい。 In a piezoelectric film composed of PZT represented by the general formula (P-1) or a B site substitution system thereof and a perovskite oxide that is a mixed crystal system thereof (which may contain inevitable impurities), P- E Hysteresis coercive field shows ferroelectricity biased in the positive direction, and a high piezoelectric constant is obtained when a negative voltage is applied. On the other hand, a positive voltage drive has a low piezoelectric constant and is likely to cause a decrease in displacement due to continuous drive. (Comparative Example 2 described later). Considering that the current general-purpose drive driver IC is for positive drive, the piezoelectric film preferably has high piezoelectric performance by positive voltage drive.
一方、後記実施例1及び2の圧電体膜では、プラス電圧印加及びマイナス電圧印加時の圧電定数がほぼ同じであり、且つd31(pm/V)=200という高い圧電性能を有していることが確認されている。 On the other hand, the piezoelectric films of Examples 1 and 2 to be described later have substantially the same piezoelectric constant when a plus voltage is applied and when a minus voltage is applied, and have a high piezoelectric performance of d31 (pm / V) = 200. Has been confirmed.
従って、本発明の成膜方法によれば、高い駆動耐久性に加え、プラス電圧駆動において高い圧電性能を備えたPZT系ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を成膜することができる。 Therefore, according to the film forming method of the present invention, it is possible to form a piezoelectric film made of a PZT-based perovskite oxide having high piezoelectric performance in plus voltage driving in addition to high driving durability.
本発明では、鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜を基板上に成膜する際に、スパッタリング法において成膜途中で、基板の電位を第1の基板電位Vsub1から、前記圧電体膜の鉛組成を所望の組成とするように第2の基板電位Vsub2に変更して成膜する。かかる成膜方法によれば、成膜初期においてペロブスカイト型の結晶成長をするに充分な鉛量を供給可能な基板電位で成膜し、その後、その膜を下地として鉛組成が少なくなるような基板電位に変更して成膜するため、鉛組成が少ないにもかかわらず、パイロクロア相の少ないペロブスカイト型の結晶構造を有する圧電体膜を成膜できる。 In the present invention, when a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide (which may contain inevitable impurities) is formed on a substrate, the potential of the substrate is changed to the first substrate potential during the film formation in the sputtering method. The film is formed by changing the lead composition of the piezoelectric film from Vsub1 to the second substrate potential Vsub2 so as to have a desired composition. According to such a film forming method, a substrate is formed at a substrate potential capable of supplying a lead amount sufficient for perovskite crystal growth in the initial stage of film formation, and then the lead composition is reduced with the film as a base. Since the film is formed by changing the potential, it is possible to form a piezoelectric film having a perovskite crystal structure with a small pyrochlore phase despite a small lead composition.
本発明によれば、スパッタリング法において、基板電位を成膜途中で変更するだけで、鉛組成が少ないペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜することができるので、異常放電等の駆動耐久性を低下させる要因となる鉛のイオンマイグレーションを抑制し、圧電特性に優れ、且つ、駆動耐久性の優れた鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を簡易に成膜することができる。 According to the present invention, in the sputtering method, it is possible to form a piezoelectric film made of a perovskite oxide having a low lead composition simply by changing the substrate potential during film formation. It is possible to easily form a piezoelectric film made of a lead-containing perovskite oxide that suppresses the ion migration of lead, which is a cause of lowering, and has excellent piezoelectric characteristics and excellent driving durability.
「圧電素子及びインクジェット式記録ヘッド」
図2を参照して、本発明に係る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2はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図(圧電素子の膜厚方向の断面図)である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
"Piezoelectric element and inkjet recording head"
With reference to FIG. 2, the structure of a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention and an ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) including the piezoelectric element will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the ink jet recording head (cross-sectional view in the film thickness direction of the piezoelectric element). 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、圧電体膜30に対して下部電極20と上部電極40とにより膜厚方向に電界が印加されるようになっている。
The piezoelectric element 1 of the present embodiment is an element in which a
圧電体膜30としては、上記本発明の圧電体膜の成膜方法により成膜された鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜であれば特に制限されないが、下記式(1)を満足する条件で成膜された、下記一般式(P)又は(P−1)で表される鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜であることが好ましい。
一般式PbaBbO3・・・(P)、
(式中、BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。bは1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)、
Pba(Zrb1Tib2Xb3)O3・・・(P−1)
(式(P−1)中、XはV族及びVI族の元素群より選ばれた少なくとも1種の金属元素である。a>0、b1>0、b2>0、b3≧0。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。b1+b3+b3は1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。)
−10≦Vsub1(V) ・・・(1)
(式中、Vsub1は第1の基板電位である。)
The
General formula Pb a B b O 3 (P),
(Wherein B is an element of the B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and At least one element selected from the group consisting of Ni, O is oxygen, a is a value smaller than 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken, and b is a perovskite type although 1.0 is standard. It may deviate within the range where the structure can be taken).
Pb a (Zr b1 Ti b2 X b3 ) O 3 (P-1)
(In Formula (P-1), X is at least one metal element selected from the group of elements of Group V and Group VI. A> 0, b1> 0, b2> 0, b3 ≧ 0, where a is The value is less than 1.0 within the range where the perovskite type structure can be taken, and b1 + b3 + b3 is 1.0 as a standard, but may be deviated within the range where the perovskite type structure can be taken.
−10 ≦ Vsub1 (V) (1)
(In the formula, Vsub1 is the first substrate potential.)
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。
The
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。また、圧電体膜30は連続膜でも構わない。但し、圧電体膜30は、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部31からなるパターンで形成することで、個々の凸部31の伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。
The pattern of the
基板10としては特に制限なく、シリコン,酸化シリコン,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SrTiO3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SiO2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
下部電極20の組成は特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO2,RuO2,LaNiO3,及びSrRuO3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
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
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。インク室61は、圧電体膜30の凸部31の数及びパターンに対応して、複数設けられている。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
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。
Instead of attaching the
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。本実施形態おいて、圧電体膜30として上記本発明の成膜方法により成膜された鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜を用いている。従って、本実施形態によれば、圧電特性が良好で、且つ、駆動耐久性に優れた圧電素子1及びインクジェット式記録ヘッド3を提供することができる。
The piezoelectric element 1 and the ink
更に、上記式(1)及び(2)を満足する条件で成膜された、上記一般式(P)又は(P−1)で表される鉛含有ペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでもよい)圧電体膜30を用いた場合は、プラス電圧駆動により高い圧電性能を有し、且つ、駆動耐久性に優れた圧電素子1及びインクジェット式記録ヘッド3を提供することができる。
Furthermore, the lead-containing perovskite oxide represented by the above general formula (P) or (P-1) formed under the conditions satisfying the above formulas (1) and (2) (including inevitable impurities) When the
「インクジェット式記録装置」
図3及び図4を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図3は装置全体図であり、図4は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 3 and FIG. 4, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink
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
Each of the
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3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
In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 3, a
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
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
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3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3の左から右へと搬送される。
When the power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the
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。
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。
Since ink adheres to the
A
印字部102は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図4を参照)。各印字ヘッド3K,3C,3M,3Yは、インクジェット式記録装置100が対象とする最大サイズの記録紙116の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
The
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。
印字検出部124は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
The
印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
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
A heating /
こうして得られたプリント物は、排紙部126から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置100では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部126A、126Bへと送るために排紙経路を切り替える選別手段(図示略)が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
The printed matter obtained in this manner is outputted from the
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the
The ink
「圧電型超音波振動子(超音波トランスデューサ)」
図5を参照して、本発明に係る一実施形態の圧電型超音波振動子の構造について説明する。図5は圧電型超音波振動子の要部断面図である。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 ultrasonic transducer (ultrasonic transducer)"
With reference to FIG. 5, the structure of a piezoelectric ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the piezoelectric ultrasonic transducer. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.
本実施形態の圧電型超音波振動子5は、裏面側からリアクティブイオンエッチング(RIE)加工されて、空洞部81と振動板82と振動板82を支える支持部83とが一体形成されたオープンプール構造のSOI基板80と、この基板上に形成された圧電素子4と、圧電素子4の電極71、73に高周波交流電流を印加するRf電源(高周波交流電源)90とから概略構成されている。圧電素子4は、基板80側から下部電極71と圧電体膜72と上部電極73との積層構造を有している。
The piezoelectric
下部電極71及び上部電極73の組成や厚みは、図1の圧電素子1の下部電極20及び上部電極40と同様である。圧電体膜72は、本発明の柱状構造膜により構成されている。
The composition and thickness of the
圧電素子4の電極71、73に超音波領域の電気交流信号が印加されると、印加された電気交流信号と同じ周波数で圧電素子4に撓み振動が生じ、振動板82は圧電素子4と一体となって撓み振動する。このとき、振動板82は支持部83により周縁部が支持された状態で振動することにより、振動板82の圧電素子4と反対側から、印加された電気交流信号と同じ周波数の超音波が放射される。
When an electrical AC signal in the ultrasonic region is applied to the
本実施形態の圧電型超音波振動子5は、以上のように構成されている。本実施形態によれば、耐電圧に優れ駆動耐久性に優れた圧電型超音波振動子5を提供することができる。
本実施形態の圧電型超音波振動子5は、超音波モータ等に使用できる。
本実施形態の圧電型超音波振動子5はまた、特定周波数の超音波を発生し、対象物より反響して戻ってきた超音波を検知するセンサ等として使用でき、超音波探触子等に使用できる。対象物より反響して戻ってきた超音波を受けて振動板82が振動すれば、その応力に応じて圧電体膜72が変位し、圧電素子4にはその変位量に応じた電圧が生じる。これを検出することで、対象物の形状等を検出することができる。
The piezoelectric
The piezoelectric
The piezoelectric
(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
(実施例1)
図1に示したスパッタリング装置を用い、真空度0.5Pa、Ar/O2混合雰囲気(O2体積分率2.5%)の条件下で、直径120mmのPb1.3Zr0.52Ti0.48O3焼結体のターゲットを用いて、PZTからなる圧電膜の成膜を行った。基板温度は475℃とした。
Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
Example 1
Pb 1.3 Zr 0.52 Ti having a diameter of 120 mm under the conditions of a vacuum of 0.5 Pa and an Ar / O 2 mixed atmosphere (O 2 volume fraction 2.5%) using the sputtering apparatus shown in FIG. A piezoelectric film made of PZT was formed using a 0.48 O 3 sintered target. The substrate temperature was 475 ° C.
成膜基板として、Siウエハ上に20nm厚のTi密着層と150nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。基板―ターゲット間距離は60mmとした。 As a film formation substrate, a substrate with an electrode was prepared in which a 20 nm thick Ti adhesion layer and a 150 nm thick Ir lower electrode were sequentially laminated on a Si wafer. The distance between the substrate and the target was 60 mm.
本装置においては、基板を電気的に浮遊状態とし、そこに複数の可変キャパシタを含むLCR回路を接続してある。このLCR回路を用いて基板を含む系のインピーダンスを変化させ、基板電位Vsub(V)を制御した。図6Aに示されるように、成膜開始時から5分間の基板電位Vsub1を25Vとし、5分経過後の基板電位Vsub2を−15Vとなるように設定した。 In this apparatus, an LCR circuit including a plurality of variable capacitors is connected to an electrically floating substrate. Using this LCR circuit, the impedance of the system including the substrate was changed to control the substrate potential Vsub (V). As shown in FIG. 6A, the substrate potential Vsub1 for 5 minutes from the start of film formation was set to 25V, and the substrate potential Vsub2 after 5 minutes was set to −15V.
得られた膜のX線回折(XRD)パターンを図6Bに示す。図6Bに示されるように、得られた膜は(100)優先配向のペロブスカイト型の結晶性を有することが確認された。 The X-ray diffraction (XRD) pattern of the obtained film is shown in FIG. 6B. As shown in FIG. 6B, it was confirmed that the obtained film had a perovskite crystallinity of (100) preferential orientation.
また、得られた膜をXRF(蛍光X線分析)による組成分析を実施した結果、Pb0.88Zr0.52Ti0.48O3であることが確認された。 As a result of the resulting film was carried out composition analysis by XRF (fluorescent X-ray analysis), it was confirmed that the Pb 0.88 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .
更に、圧電体膜上に30nm厚のTi密着層及び150nm厚のPt上部電極をスパッタリング法にて形成した。圧電体膜の30kHz,20Vのピークトゥピーク矩形波を用いた駆動耐久性試験を実施した。駆動耐久性の評価は、駆動部(圧電体膜部分)のキャパシタンスCpを測定することにより行い、Cp値が急激に落ち込んだ時を絶縁破壊と判断した。その結果、3100億サイクルにおいて駆動部のキャパシタンスが急激に落ち込み、絶縁破壊した。 Further, a 30 nm thick Ti adhesion layer and a 150 nm thick Pt upper electrode were formed on the piezoelectric film by a sputtering method. A driving durability test using a 30 kHz, 20 V peak-to-peak rectangular wave of the piezoelectric film was performed. The drive durability was evaluated by measuring the capacitance Cp of the drive unit (piezoelectric film portion), and when the Cp value suddenly dropped, it was determined as dielectric breakdown. As a result, in 310 billion cycles, the capacitance of the driving unit suddenly dropped and breakdown occurred.
次に、SOI基板上に、同様の構成及び成膜条件により上下電極及びPZT膜を成膜し、更に基板を加工してダイアフラム構造の圧電素子を作製した。次いで、得られた圧電素子に正および負の電圧を加え、その変位を、レーザードップラー振動計(小野測器製)を用いて測定した。この変位をもとにANSYSによってd31を算出した。プラス電圧駆動における圧電定数をd31(+)、マイナス電圧駆動における圧電定数をd31(−)とする。圧電定数d31(+)は、Voff=10V,Vpp=20V・1kHzとなるsin波を、d31(−)はVoff=−10Vとして測定した。その結果、d31(+)、d31(−)共に200pm/Vと高い圧電特性を示した。 Next, upper and lower electrodes and a PZT film were formed on the SOI substrate with the same configuration and film formation conditions, and the substrate was further processed to manufacture a piezoelectric element having a diaphragm structure. Next, positive and negative voltages were applied to the obtained piezoelectric element, and the displacement was measured using a laser Doppler vibrometer (manufactured by Ono Sokki). Based on this displacement, d31 was calculated by ANSYS. The piezoelectric constant in the plus voltage drive is d31 (+), and the piezoelectric constant in the minus voltage drive is d31 (−). The piezoelectric constant d31 (+) was measured as a sin wave with Voff = 10V and Vpp = 20V · 1 kHz, and d31 (−) was measured as Voff = −10V. As a result, both d31 (+) and d31 (−) showed high piezoelectric characteristics of 200 pm / V.
(実施例2)
図7Aに示されるように、第2の基板電位Vsub2を−5Vとした以外は実施例1と同様にしてPZT膜の成膜を行った。得られた膜のXRDパターンを図7Bに示す。
(Example 2)
As shown in FIG. 7A, a PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that the second substrate potential Vsub2 was set to −5V. The XRD pattern of the obtained film is shown in FIG. 7B.
図7Bに示されるように、得られた膜は(100)優先配向のペロブスカイト型の結晶性を有することが確認された。 As shown in FIG. 7B, it was confirmed that the obtained film had a perovskite crystallinity of (100) preferential orientation.
また、得られた膜をXRF(蛍光X線分析)による組成分析を実施した結果、Pb0.97Zr0.52Ti0.48O3であることが確認された。 As a result of the resulting film was carried out composition analysis by XRF (fluorescent X-ray analysis), it was confirmed that the Pb 0.97 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .
更に、実施例1と同様にして駆動耐久性試験を実施したところ、6000億サイクル駆動しても絶縁破壊はみられなかった。 Further, when a driving durability test was conducted in the same manner as in Example 1, no dielectric breakdown was observed even after driving for 600 billion cycles.
また,実施例1と同様にしてダイアフラム構造とした場合の圧電特性の評価を行った。その結果、実施例1と同様、d31(+)、d31(−)共に200pm/Vと高い圧電特性を示した。 In addition, the piezoelectric characteristics in the case of the diaphragm structure were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, like Example 1, both d31 (+) and d31 (−) showed high piezoelectric characteristics of 200 pm / V.
(実施例3)
Vsub1及びVsub2を変化させ、基板温度を475℃、及び500℃それぞれの場合において、実施例1と同様にしてPZTからなる圧電膜の成膜を行った。得られた複数の膜について、Vsub1とVsub2に対するPZT膜の膜質を評価した結果を図8A及び図8Bに示す。図8A,Bにおいて、図中の記号の意味は以下のとおりである。
×…パイロクロア構造が50%以上混入、
*…ペロブスカイト構造が主であり、耐久性が300億dot以下、
○…ペロブスカイト構造が主であり、かつ耐久性が1000億dot以上。
(Example 3)
A piezoelectric film made of PZT was formed in the same manner as in Example 1 in the case where Vsub1 and Vsub2 were changed and the substrate temperatures were 475 ° C. and 500 ° C., respectively. FIG. 8A and FIG. 8B show the results of evaluating the quality of the PZT film with respect to Vsub1 and Vsub2 with respect to the plurality of obtained films. In FIGS. 8A and 8B, the meanings of the symbols in the figure are as follows.
X: Pyrochlore structure is mixed by 50% or more,
* ... Perovskite structure is the main, durability is 30 billion dots or less,
○… The main structure is perovskite and durability is 100 billion dots or more.
図8A,Bにおける*及び○の膜のXRFによる組成分析を行ったところ、*膜は、上記一般式(P−1)においてPb組成aはすべてa>1.05であり、また、○膜は、すべてPb<1.0であった。 When the composition analysis by XRF of the films of * and ◯ in FIGS. 8A and 8B was performed, the films * were all in the above general formula (P-1) and the Pb composition a was a> 1.05. Were all Pb <1.0.
Vsub1は初期のペロブスカイト核を作る役割なので、温度(ペロブスカイトができる範囲内)・Vsub2によらず−10V以上でないとペロブスカイト構造が成長しない。これを満たした上でVsub2を制御することで、膜中Pb量を1.0以下に抑え、高い耐久性を実現できていることが分かる。 Since Vsub1 plays a role of forming an initial perovskite nucleus, the perovskite structure does not grow unless it is −10 V or higher regardless of the temperature (within a range where perovskite can be formed) and Vsub2. It is understood that by controlling Vsub2 after satisfying this, the amount of Pb in the film is suppressed to 1.0 or less and high durability can be realized.
また、Pb量は成膜温度とも相関があることが知られている。図8AとBとを比較することにより、成膜温度が変化すると適切なVsub2の範囲も変化することが確認できる。ターゲットのPb組成と膜中Pb量とも密接な関係がある。従って、たとえばターゲットPb組成が多いものを用いた場合、膜中Pb量も増加するので、適切なVsub2の値は低下する。逆にターゲット中Pb組成が少ないものを用いた場合は、Vsub2の値を大きくしなければならない。 Further, it is known that the Pb amount has a correlation with the film forming temperature. By comparing FIGS. 8A and 8B, it can be confirmed that the appropriate Vsub2 range also changes as the film formation temperature changes. There is a close relationship between the Pb composition of the target and the amount of Pb in the film. Therefore, for example, when a target having a large composition of Pb is used, the amount of Pb in the film also increases, so that the appropriate value of Vsub2 decreases. On the other hand, when a target having a small Pb composition is used, the value of Vsub2 must be increased.
(比較例1)
基板電位を15Vとし、成膜途中で変更せずに一定とした以外は実施例1と同様にしてPZT膜の成膜を行った。得られた膜のXRDパターンを図8に示す。図8に示されるように、得られた膜は(100)優先配向のペロブスカイト型の結晶性を有することが確認された。
(Comparative Example 1)
A PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that the substrate potential was set to 15 V and was kept constant without being changed during the film formation. The XRD pattern of the obtained film is shown in FIG. As shown in FIG. 8, it was confirmed that the obtained film had a perovskite crystallinity of (100) preferential orientation.
また、得られた膜をXRF(蛍光X線分析)による組成分析を実施した結果、Pb1.04Zr0.52Ti0.48O3であることが確認された。 As a result of the resulting film was carried out composition analysis by XRF (fluorescent X-ray analysis), it was confirmed that the Pb 1.04 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .
更に、実施例1と同様にして駆動耐久性試験を実施したところ、400億サイクル駆動したところで絶縁破壊が起こり、圧電特性が劣化した。 Further, when a driving durability test was performed in the same manner as in Example 1, dielectric breakdown occurred when driven by 40 billion cycles, and the piezoelectric characteristics deteriorated.
また,実施例1と同様にしてダイアフラム構造とした場合の圧電特性の評価を行った。その結果、マイナス電圧印加時の圧電定数d31(−)は250pm/Vと高い圧電特性を示したが、d31(+)は60pm/Vと、d31(−)の4分の1にも満たない値であった。 In addition, the piezoelectric characteristics in the case of the diaphragm structure were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the piezoelectric constant d31 (−) at the time of applying a negative voltage showed a high piezoelectric characteristic of 250 pm / V, but d31 (+) was 60 pm / V, which is less than a quarter of d31 (−). Value.
(比較例2)
基板電位を25Vとし、成膜途中で変更せずに一定とした以外は実施例1と同様にしてPZT膜の成膜を行った。得られた膜のXRDを測定した結果、(100)優先配向のペロブスカイト型の結晶性を有することが確認された(図示略)。
(Comparative Example 2)
A PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that the substrate potential was set to 25 V and was kept constant without being changed during the film formation. As a result of measuring the XRD of the obtained film, it was confirmed that the film had perovskite crystallinity of (100) preferential orientation (not shown).
また、得られた膜をXRF(蛍光X線分析)による組成分析を実施した結果、Pb1.06Zr0.52Ti0.48O3であることが確認された。 As a result of the resulting film was carried out composition analysis by XRF (fluorescent X-ray analysis), it was confirmed that the Pb 1.06 Zr 0.52 Ti 0.48 O 3 .
更に、実施例1と同様にして駆動耐久性試験を実施したところ、100億サイクル駆動したところで絶縁破壊が起こり、圧電特性が劣化した。 Further, when a driving durability test was performed in the same manner as in Example 1, dielectric breakdown occurred when driven for 10 billion cycles, and the piezoelectric characteristics deteriorated.
(比較例3)
基板電位を−15Vとし、成膜途中で変更せずに一定とした以外は実施例1と同様にしてPZT膜の成膜を行った。得られた膜のXRDパターンを図9に示す。図9に示されるように、得られた膜において、ペロブスカイト構造のピークは検出することはできず、パイロクロア構造をしていることが確認された。
(Comparative Example 3)
A PZT film was formed in the same manner as in Example 1 except that the substrate potential was set to −15 V and was kept constant without being changed during the film formation. The XRD pattern of the obtained film is shown in FIG. As shown in FIG. 9, in the obtained film, the peak of the perovskite structure could not be detected, and it was confirmed that it had a pyrochlore structure.
(比較例4)
基板電位を−5Vとした以外は比較例3と同様にしてPZT膜の成膜を行った。得られた膜のXRDを測定した結果、比較例3と同様、ペロブスカイト構造のピークは検出することはできず、パイロクロア構造をしていることが確認された(図示略)。
(Comparative Example 4)
A PZT film was formed in the same manner as Comparative Example 3 except that the substrate potential was −5V. As a result of measuring the XRD of the obtained film, the peak of the perovskite structure could not be detected as in Comparative Example 3, and it was confirmed that the film had a pyrochlore structure (not shown).
(評価)
表1は、上記実施例及び比較例で得られた結果を纏めたものである。本特許内実施例の基板電位制御方法においては、25V以上の基板電位は実現できなかったが、基板電位が高くなればなるほどPbが取り込まれやすくなり、初期層においてペロブスカイト構造が得られやすくなるので、Vsub1は25V以上でもよい。
(Evaluation)
Table 1 summarizes the results obtained in the above examples and comparative examples. In the substrate potential control method according to the embodiment of the present patent, a substrate potential of 25 V or more could not be realized. However, as the substrate potential becomes higher, Pb is more easily taken in, and a perovskite structure is easily obtained in the initial layer. , Vsub1 may be 25V or more.
表1に示されるように、実施例1及び2では、酸素元素のモル量を3とした時の鉛のモル量が1より小さい組成を有するペロブスカイト型PZT膜が得られており、かかる膜において、200pm/Vという高い圧電特性及び比較例1,2の鉛リッチなPZT膜の駆動耐久性より1桁以上高い駆動耐久性を達成している。 As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, a perovskite PZT film having a composition in which the molar amount of lead when the molar amount of oxygen element is 3 is smaller than 1 is obtained. The piezoelectric durability of 200 pm / V and the driving durability of one digit or more higher than the driving durability of the lead-rich PZT films of Comparative Examples 1 and 2 are achieved.
また、比較例1と2を比較すると、鉛リッチな組成においては、鉛組成が少なくなるにつれて駆動耐久性が高くなり、更に、実施例2の酸素3モルに対するモル量が1.0より小さくなると上記したように、格段に(1桁以上)耐久性が高くなることが認められる。一方、実施例1では更に鉛組成が少なくなっているものの、耐久性及び圧電性能が低下していることも確認される。これは鉛組成が少なくなりすぎることによりパイロクロア相が増加して結晶性が低下したために、圧電特性及び駆動耐久性ともに低下したものと考えられる。 Further, when Comparative Examples 1 and 2 are compared, in the lead-rich composition, the driving durability increases as the lead composition decreases, and further, when the molar amount with respect to 3 mol of oxygen in Example 2 is less than 1.0. As described above, it is recognized that the durability is remarkably increased (one digit or more). On the other hand, in Example 1, although the lead composition is further reduced, it is also confirmed that durability and piezoelectric performance are lowered. This is thought to be because both the piezoelectric properties and the driving durability were lowered because the pyrochlore phase increased and the crystallinity decreased due to the lead composition becoming too small.
更に、比較例のPZT膜ではプラス電圧駆動においては圧電d31定数が低いのに対し、実施例1及び2のPZT膜では、プラス電圧駆動においてもマイナス電圧駆動と同等の高い圧電d31定数が得られている。従って、実施例1及び2のPZT膜は、現在の汎用の駆動ドライバにより駆動可能な高圧電性能かつ高駆動耐久性を有する圧電体膜であることが確認された。
本発明の圧電体膜の成膜方法は、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素子/圧電型超音波振動子/圧電型発電素子等、あるいは強誘電体メモリ等の強誘電体素子に用いられる圧電体膜の成膜に好ましく適用することができる。 The piezoelectric film forming method of the present invention is 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, or the like. The present invention can be preferably applied to the formation of a piezoelectric film used for a ferroelectric element such as a piezoelectric element / piezoelectric ultrasonic transducer / piezoelectric power generation element or the like, or a ferroelectric memory.
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、40 電極
30 圧電体膜(柱状構造膜)
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)
100 インクジェット式記録装置
4 圧電素子
5 圧電型超音波振動子(超音波トランスデューサ)
71、73 電極
72 圧電体膜(柱状構造膜)
82 振動板
90 Rf電源(高周波交流電源)
1
10
60 Ink nozzle (liquid storage and discharge member)
61 Ink chamber (liquid storage chamber)
62 Ink ejection port (liquid ejection port)
100 Inkjet recording device 4
71, 73 Electrode 72 Piezoelectric film (columnar structure film)
82
Claims (6)
第1の基板電位Vsub1にて前記ペロブスカイト型酸化物よりPb組成が多いペロブスカイト型酸化物の結晶核を形成した後、
前記基板の電位を、前記第1の基板電位Vsub1から、前記圧電体膜のPb組成が下記一般式(P)で表される1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物のPb組成となるように、第2の基板電位Vsub2に変更して前記圧電体膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
一般式 PbaBbO3・・・(P)
(式中、BはBサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Oは酸素。aはペロブスカイト型構造を取り得る範囲内で1.0より小さい値である。bは1.0が標準であるがペロブスカイト型構造を取り得る範囲内でずれてもよい。) A piezoelectric film made of one or more perovskite oxides (which may contain inevitable impurities) represented by the following general formula (P) is formed on the substrate by sputtering, and the temperature of the substrate 475 ° C. to 500 ° C.
After forming crystal nuclei of perovskite oxide having a Pb composition higher than that of the perovskite oxide at the first substrate potential Vsub1,
The potential of the substrate, from the first substrate potential Vsub1, as Pb composition of the piezoelectric film is Pb composition of one or more perovskite oxides represented by the following general formula (P) The film forming method is characterized in that the piezoelectric film is formed by changing to the second substrate potential Vsub2.
General formula Pb a B b O 3 (P)
(Wherein B is an element of the B site, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and At least one element selected from the group consisting of Ni, O is oxygen, a is a value smaller than 1.0 within a range where a perovskite structure can be taken, and b is a perovskite type although 1.0 is standard. It may deviate within the range that can take the structure.)
−10≦Vsub1(V) ・・・(1)
(式中、Vsub1は第1の基板電位である。) The film forming method according to claim 1, wherein the first substrate potential Vsub1 satisfies the following formula (1).
−10 ≦ Vsub1 (V) (1)
(In the formula, Vsub1 is the first substrate potential.)
−10≦Vsub1(V)≦25・・・(2) 5. The film forming method according to claim 4, wherein the first substrate potential Vsub1 satisfies the following formula (2).
−10 ≦ Vsub1 (V) ≦ 25 (2)
−20<Vsub2(V)<5 ・・・(3)
(式中、Vsub2は第2の基板電位である) Furthermore, the following formula (3) is satisfied, The film-forming method of Claim 5 characterized by the above-mentioned.
−20 <Vsub2 (V) <5 (3)
(Where Vsub2 is the second substrate potential)
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