JP6142586B2 - Method for manufacturing piezoelectric film, method for manufacturing piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、圧電膜の製造方法、圧電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a process for producing a piezoelectric film, it relates to the production how the piezoelectric element.
従来、圧電材料は電気信号と変位又は圧力とを変換する特性を有することから、センサやアクチュエータ等を含む各種デバイスに使用されている。圧電材料としては、例えば、PZTが使用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric material has a characteristic of converting an electric signal and displacement or pressure, so that it is used in various devices including sensors and actuators. For example, PZT is used as the piezoelectric material.
圧電膜であるPZT結晶膜の作製手法としては、ゾルゲル法(CSD法)、スパッタリング法、CVD法等が用いられている。特に、ゾルゲル法は、他の方法に比べると、多元系酸化物を設計通りの組成で、低コストで広い面積に均一に被覆するメリットを有するため、非常に有効な成膜法として広く採用されている。 A sol-gel method (CSD method), a sputtering method, a CVD method, or the like is used as a method for producing a PZT crystal film that is a piezoelectric film. In particular, the sol-gel method is widely adopted as a very effective film formation method because it has the advantage of uniformly covering a large area at a low cost with a composition as designed with a multi-component oxide compared to other methods. ing.
ところで、PZT結晶膜を作製するためには、例えば、基板上に形成した結晶化していないPZT膜を電気炉やRTA(Rapid Thermal Annealing)装置等で外部加熱することにより、600℃以上一定時間以上のアニーリング処理を行う。アニーリング処理の際には、基板全体が加熱されることを回避するため、例えば、PZT膜のみにレーザを照射することにより結晶化する。 By the way, in order to fabricate a PZT crystal film, for example, an uncrystallized PZT film formed on a substrate is externally heated with an electric furnace, an RTA (Rapid Thermal Annealing) device, or the like, so that the temperature is 600 ° C. or higher for a certain time or longer. Annealing process is performed. In the annealing process, in order to avoid heating the entire substrate, for example, crystallization is performed by irradiating only the PZT film with a laser.
このような方法の一例として、スパッタリング法で形成したアモルファス状のPZT膜を、XeClパルスレーザーを照射することにより結晶化することが開示されている(例えば、特許文献1参照)。結晶されたPZT膜は、主に(111)面である。 As an example of such a method, it is disclosed that an amorphous PZT film formed by a sputtering method is crystallized by irradiating a XeCl pulse laser (see, for example, Patent Document 1). The crystallized PZT film is mainly the (111) plane.
又、他の例として、ゾルゲル法でLNO/Si基板上に結晶化していないPZT膜を形成し、500℃で加熱しながらパルス発振エキシマレーザを照射してPZT(100)膜を形成することが開示されている(例えば、非特許文献1参照)。 As another example, an uncrystallized PZT film is formed on an LNO / Si substrate by a sol-gel method, and a PZT (100) film is formed by irradiation with a pulsed excimer laser while heating at 500 ° C. (For example, refer nonpatent literature 1).
更に、他の例として、Pt/Ti/石英基板上にゾルゲル法で塗布された結晶化していないPZT膜を120℃で5分間、350℃で30分間加熱処理する。その後、連続波グリーンレーザ照射によりPZT(100)膜を形成することが開示されている(例えば、非特許文献2参照)。 As another example, a non-crystallized PZT film coated on a Pt / Ti / quartz substrate by a sol-gel method is heat-treated at 120 ° C. for 5 minutes and at 350 ° C. for 30 minutes. Thereafter, it is disclosed that a PZT (100) film is formed by continuous wave green laser irradiation (see, for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら、非特許文献1や非特許文献2に示されている主配向方向が(100)方向のPZT膜は、変位量は大きいが圧電定数が電場強度により大きく変わるため、デバイスに応用する場合、安定性及び制御性の面で課題がある。
However, the PZT film having the main orientation direction (100) shown in Non-Patent
一方、特許文献1では、スパッタリング法で形成したアモルファス状のPZTを、XeClパルスレーザーを照射することにより主配向方向が(111)方向のPZT膜を結晶化している。主配向方向が(111)方向のPZT膜は、安定性及び制御性に優れている。しかし、ゾルゲル液を用いる場合には、基板、塗布膜のアモルファス化条件等によって、形成される結晶膜の配向性や結晶質が異なり、結晶化されたPZT膜の主配向方向が常に(111)方向になるとは限らない。
On the other hand, in
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ゾルゲル液を用いた主配向方向が(111)方向の圧電膜の製造方法等を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of said point, and makes it a subject to provide the manufacturing method etc. of the piezoelectric film whose main orientation direction using a sol-gel liquid is a (111) direction.
本圧電膜の製造方法は、鉛(Pb)とチタン(Ti)とジルコニウム(Zr)とを含む複合酸化物を主成分とする圧電膜の製造方法であって、被処理体上にゾルゲル液から塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜を熱処理してアモルファス膜を形成する工程と、前記アモルファス膜を熱処理して結晶化し、前記圧電膜を形成する工程と、を有し、前記アモルファス膜を形成する工程では、前記塗布膜を280℃以下の温度で熱処理し、前記圧電膜を形成する工程では、前記アモルファス膜を透過するレーザ光を前記アモルファス膜を介して前記被処理体に照射して前記被処理体を加熱し、前記被処理体の熱を前記アモルファス膜に伝えて前記アモルファス膜を結晶化することを要件とする。 The method for manufacturing a piezoelectric film is a method for manufacturing a piezoelectric film mainly composed of a composite oxide containing lead (Pb), titanium (Ti), and zirconium (Zr). A step of forming a coating film; a step of heat-treating the coating film to form an amorphous film; and a step of heat-treating the amorphous film to crystallize to form the piezoelectric film. In the forming step, the coating film is heat-treated at a temperature of 280 ° C. or lower, and in the step of forming the piezoelectric film, a laser beam that passes through the amorphous film is irradiated to the object to be processed through the amorphous film. It is a requirement to heat the object to be processed and to transfer the heat of the object to be processed to the amorphous film to crystallize the amorphous film .
開示の技術によれば、ゾルゲル液を用いた主配向方向が(111)方向の圧電膜の製造方法等を提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a method for manufacturing a piezoelectric film using a sol-gel solution whose main orientation direction is the (111) direction.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
まず、圧電膜の製造方法について説明する。本実施の形態に係る圧電膜は、鉛(Pb)とチタン(Ti)とジルコニウム(Zr)とを含む複合酸化物を主成分としている。
<First Embodiment>
First, a method for manufacturing a piezoelectric film will be described. The piezoelectric film according to the present embodiment includes a composite oxide containing lead (Pb), titanium (Ti), and zirconium (Zr) as a main component.
図1は、第1の実施の形態に係る圧電膜の製造方法を説明するための図である。まず、図1(a)に示す工程では、PZT(111)圧電膜を形成するための下地基板を準備する。下地基板としては、例えば、シリコン基板11(Si基板)上に、シリコン酸化膜12(SiO2膜)、酸化チタン膜13(TiOx膜)、及び白金膜14(Pt膜)が順次積層された積層体を用いることができる。 FIG. 1 is a diagram for explaining a method of manufacturing a piezoelectric film according to the first embodiment. First, in the step shown in FIG. 1A, a base substrate for forming a PZT (111) piezoelectric film is prepared. As the base substrate, for example, a silicon substrate 11 (Si substrate), a silicon oxide film 12 (SiO 2 film), a titanium oxide film 13 (TiOx film), and a platinum film 14 (Pt film) are sequentially stacked. The body can be used.
シリコン基板11の厚さは、例えば、650μm程度とすることができる。シリコン酸化膜12の厚さは、例えば、600nm程度とすることができる。酸化チタン膜13の厚さは、例えば、50nm程度とすることができる。白金膜14の厚さは、例えば、100nm程度とすることができる。
The thickness of the
次に、図1(b)に示す工程では、白金膜14上にアモルファスPZT膜15を形成する。具体的には、まず、例えば、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物を出発材料に使用し、共通溶媒(主溶媒)としてメトキシエタノール(例えば、2−メトキシエタノール)に溶解させて均一溶媒を作製する。この均一溶媒をPZTゾルゲル液又はPZT前駆体溶液と称する。なお、共通溶媒(主溶媒)として、1−ブタノールや2−ブトキシエタノール等を用いることも可能である。
Next, in the step shown in FIG. 1B, an
PZTゾルゲル液の複合酸化物固体分濃度は、例えば、0.1〜0.5モル/リットルとすることができる。なお、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物の混合量は、所望のPZTの組成(PbZrO3とPbTiO3の比率)に応じて、当業者が適宜選択できるものである。例えば、前述のPZT(53/47)を用いることができる。 The composite oxide solid content concentration of the PZT sol-gel solution can be set to 0.1 to 0.5 mol / liter, for example. The mixing amount of lead acetate, zirconium alkoxide compound, and titanium alkoxide compound can be appropriately selected by those skilled in the art according to the desired composition of PZT (ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 ). For example, the aforementioned PZT (53/47) can be used.
なお、PZTとは、鉛(Pb)とチタン(Ti)とジルコニウム(Zr)とを含む複合酸化物である。より詳しくは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体であり、PbZrO3とPbTiO3の比率によって、PZTの特性が異なる。例えば、PbZrO3とPbTiO3の比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O3、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。 Note that PZT is a composite oxide containing lead (Pb), titanium (Ti), and zirconium (Zr). More specifically, it is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics of PZT differ depending on the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 . For example, the ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 is 53:47, and the chemical formula indicates Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O 3 , PZT generally indicated as PZT (53/47), etc. Can be used.
次に、例えば、スピンコート法等により、被処理体である白金膜14上にPZTゾルゲル液を塗布して塗布膜を形成する。そして、塗布膜を例えば120℃程度のホットプレートで1分間程度熱処理する。その後、更に、メトキシエタノールの沸点温度(124℃)以上280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)のホットプレートで1〜10分間程度熱処理することにより、塗布膜が熱分解され、白金膜14上にアモルファスPZT膜15が形成される。アモルファスPZT膜15の膜厚は、例えば、30〜80nm程度とすることができる。
Next, a PZT sol-gel solution is applied onto the
なお、本実施の形態で用いたPZTゾルゲル液の塗布膜の熱分解可能な温度は主溶媒であるメトキシエタノールの沸点124℃以上である。そこで、本実施の形態では、124℃以上280℃以下の温度で熱処理することによりアモルファスPZT膜15を形成する。アモルファスPZT膜15を形成する際に、塗布膜を280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)で熱処理することの技術的意義については後述する。
The temperature at which the coating film of the PZT sol-gel solution used in the present embodiment can be thermally decomposed is 124 ° C. or higher at the boiling point of methoxyethanol, which is the main solvent. Therefore, in this embodiment, the
主溶媒がメトキシエタノール以外のゾルゲル液を使用する場合も、塗布膜の熱処理温度は、その主溶媒の沸点以上280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)である。例えば、1−ブタノールが主溶媒であると、塗布膜の処理温度は1−ブタノールの沸点である117℃以上280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)である。2−ブトキシエタノールが主溶媒であると、塗布膜の処理温度は2−ブトキシエタノールの沸点である171℃以上280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)である。 Even when a sol-gel liquid other than methoxyethanol is used as the main solvent, the heat treatment temperature of the coating film is a temperature not lower than the boiling point of the main solvent and not higher than 280 ° C. (preferably a temperature not higher than 250 ° C.). For example, when 1-butanol is the main solvent, the treatment temperature of the coating film is 117 ° C. or higher and 280 ° C. or lower (preferably 250 ° C. or lower), which is the boiling point of 1-butanol. When 2-butoxyethanol is the main solvent, the treatment temperature of the coating film is a temperature of 171 ° C. or higher and 280 ° C. or lower (preferably a temperature of 250 ° C. or lower) which is the boiling point of 2-butoxyethanol.
次に、図1(c)に示す工程では、アモルファスPZT膜15を熱処理して結晶化し、圧電膜であるPZT膜16を形成する。具体的には、例えば、アモルファスPZT膜15が形成された下地基板をステージ500上に載置し、ステージ500を移動させながら、レーザ照射装置600からアモルファスPZT膜15にレーザ光600xを照射する。
Next, in the process shown in FIG. 1C, the
なお、ステージ500は、例えば、XYステージであり、レーザ照射装置600との相対的な位置関係を変えることが可能に構成されている。又、レーザ照射装置600は、例えば、波長980nm付近の連続発振レーザ光であるレーザ光600xを照射可能な装置である。レーザ光600xのスポット形状は、例えば、略長方形とすることができる。
Note that the
波長980nm付近のレーザ光600xは、アモルファスPZT膜15には殆ど吸収されないため、アモルファスPZT膜15の下層である白金膜14に到達する。一方、白金膜14は、波長980nm付近の吸収係数が非常に大きく、およそ7×105cm−1である。又、例えば、膜厚100nmの白金膜14において、波長980nm付近の光の透過率は1%以下である。従って、白金膜14に照射された波長980nm付近のレーザ光600xの光エネルギーは殆ど白金膜14に吸収される。
The
白金膜14に吸収されたレーザ光600xの光エネルギーは、熱に変わって白金膜14を加熱する。白金膜14の熱は、白金膜14上に形成されているアモルファスPZT膜15に伝わり(拡散し)、アモルファスPZT膜15が結晶化されPZT膜16となる。PZT膜16の膜厚は、例えば、30〜80nm程度とすることができる。なお、図1(b)及び図1(c)に示す工程を繰り返し実行することにより、膜厚30〜80nm程度の結晶化されたPZT膜16を複数層積層することができる。
The light energy of the
一般的に、アモルファスPZT膜の結晶化温度は約600℃〜850℃であり、白金の融点(1768℃)よりかなり低い。従って、白金膜14に入射するレーザ光600xのエネルギー密度及び照射時間の制御によって、白金膜14にダメージを与えることなく、アモルファスPZT膜15を加熱して結晶化できる。レーザ光600xのエネルギー密度は、例えば、100〜1000W/cm2程度とすることができる。レーザ光600xの照射時間は、例えば、1ms〜200ms程度とすることができる。
In general, the crystallization temperature of an amorphous PZT film is about 600 ° C. to 850 ° C., which is considerably lower than the melting point of platinum (1768 ° C.). Therefore, the
ここで、図1(b)に示す工程において、アモルファスPZT膜15を形成する際に、塗布膜を280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)で熱処理することの技術的意義について、実験結果に基づいて説明する。
Here, in the process shown in FIG. 1B, when forming the
まず、図1(b)及び図1(c)に示す工程を3回繰り返し実行することにより、結晶化された3層のPZT膜を複数種類作製した。具体的には、図1(b)に示す工程でアモルファスPZT膜15を形成する際に塗布膜を熱処理する温度(熱分解温度)を200℃から450℃の範囲の所定温度とした。
First, by repeating the steps shown in FIGS. 1B and 1C three times, a plurality of crystallized three-layer PZT films were produced. Specifically, the temperature (thermal decomposition temperature) for heat-treating the coating film when forming the
そして、塗布膜を所定温度で熱処理して形成したアモルファスPZT膜15を図1(c)に示す工程で結晶化する工程を3回繰り返し実行することにより、結晶化された3層のPZT膜を複数種類作製した。なお、1つのPZT膜において、所定温度は3回とも同一温度である。その後、作製した複数種類のPZT膜(3層)の各々について、X線回折を行った。但し、3層のPZT膜を作製したのは一例であり、更に多層のPZT膜を積層してもよい。
Then, the
図2は、PZT膜のX線回折結果を例示する図である。なお、図2の縦軸は(111)ロットゲーリングファクタ(Lotgering Factor)、横軸は熱分解温度(熱処理温度)である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an X-ray diffraction result of the PZT film. In FIG. 2, the vertical axis represents (111) Lotgering Factor, and the horizontal axis represents the thermal decomposition temperature (heat treatment temperature).
ここで、ロットゲーリングファクタとは、X線回折で得られた各配向のピーク強度の総和を1とした時の各配向の比率を表し、分母を各配向のピーク強度の総和とし、分子を任意の配向のピーク強度とした場合の平均配向度である。本実施の形態では、分子を(111)配向としている。ここでは、分子を(111)配向とした場合のロットゲーリングファクタを、(111)ロットゲーリングファクタと称する。 Here, the Lotgering factor represents the ratio of each orientation when the sum of the peak intensities of each orientation obtained by X-ray diffraction is 1, the denominator is the sum of the peak intensities of each orientation, and the numerator is arbitrary. It is an average orientation degree when it is set as the peak intensity of orientation. In the present embodiment, the molecules are (111) oriented. Here, the Lotgering factor when the molecule is in the (111) orientation is referred to as (111) Lotgering factor.
図2に示すように、塗布膜を熱処理してアモルファスPZT膜15を形成する際の温度(熱分解温度)を280℃以下とした場合には、その後結晶化されたPZT膜の(111)ロットゲーリングファクタは0.5以上(50%以上)である。つまり、結晶化されたPZT膜の主配向方向は(111)方向である。なお、本願において、『主配向方向が(111)方向』とは、(111)ロットゲーリングファクタが50%以上であることを指す。
As shown in FIG. 2, when the temperature (thermal decomposition temperature) when the
又、塗布膜を熱処理してアモルファスPZT膜15を形成する際の温度(熱分解温度)を250℃以下とした場合には、その後結晶化されたPZT膜の(111)ロットゲーリングファクタは0.9以上(90%以上)となり、更に好ましい。つまり、結晶化されたPZT膜の(111)配向度が強くなり、更に好ましい。
When the temperature (thermal decomposition temperature) when forming the
このように、第1の実施の形態では、ゾルゲル液から形成された塗布膜を280℃以下の温度(好ましくは250℃以下の温度)で熱処理してアモルファス膜を形成し、更にアモルファス膜にレーザ光を照射して局部加熱する。これにより、主配向方向が(111)方向の圧電膜(PZT結晶膜)を作製できる。配向方向が(111)方向の圧電膜(PZT結晶膜)は制御しやすい特性を有するため、センサやアクチュエータ等に適用すると好適であり、特に精密制御が行われる微小デバイスに適用すると好適である。 As described above, in the first embodiment, the coating film formed from the sol-gel liquid is heat-treated at a temperature of 280 ° C. or lower (preferably a temperature of 250 ° C. or lower) to form an amorphous film, and further the laser is applied to the amorphous film. Irradiate light and heat locally. Thereby, a piezoelectric film (PZT crystal film) having a main orientation direction of (111) can be produced. A piezoelectric film (PZT crystal film) having an orientation direction of (111) has an easily controllable characteristic, so that it is suitable to be applied to a sensor, an actuator, or the like, and particularly suitable to a micro device in which precise control is performed.
又、アモルファスPZT膜は局部加熱され、加熱処理が不要な他の部材(他の構造や素子等)まで加熱されないので、熱的なダメージや熱応力による寸法精度のずれ等が生じ難く、デバイスの性能低下を回避できる。この点でも、加熱処理が不要な構造や素子等を有するデバイスであるセンサやアクチュエータ等に適用すると好適であり、特に精密制御が行われる微小デバイスに適用すると好適である。 In addition, since the amorphous PZT film is locally heated and is not heated to other members (other structures, elements, etc.) that do not require heat treatment, it is difficult to cause dimensional accuracy shift due to thermal damage or thermal stress. Performance degradation can be avoided. Also in this respect, it is preferable to apply to a sensor, an actuator, or the like, which is a device having a structure, element, or the like that does not require heat treatment, and particularly to a micro device in which precise control is performed.
又、直接基板上の所定の位置を狙ってレーザ光を走査することにより、任意の圧電膜のパターンを形成できる点でも好適である。 Further, it is also preferable in that an arbitrary piezoelectric film pattern can be formed by directly scanning a laser beam with a predetermined position on the substrate.
なお、上記説明では、アモルファスPZT膜15に連続発振のレーザ光600xを照射したが、連続発振のレーザ光600xに代えて、パルス発振のレーザ光を照射してもよい。又、レーザ光600xの波長は、980nm付近以外としても構わない。
In the above description, the
又、上記説明では、圧電材料としてPZTを用いたが、Pb(Zrx、Ti1−x)O3を主成分として、La、Nb、Mn、Fe、Ca、Gd、Sr、Geのうち少なくとも1つを含む圧電材料を用いてもよい。又、上記説明では、下地基板の表面を白金膜14としたが、白金膜14に代えて、例えば、Ir、Rh、Ru、Pd、Tiのうち少なくとも1つの金属を含む金属膜又金属酸化物膜を用いても構わない。又、上記説明では、PZT膜16を白金膜14上に直接形成したが、PZT膜16と白金膜14との間に酸化膜シード層等を設けてもよい。
In the above description, PZT is used as the piezoelectric material, but Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 is the main component, and at least of La, Nb, Mn, Fe, Ca, Gd, Sr, and Ge. A piezoelectric material including one may be used. In the above description, the surface of the base substrate is the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、圧電素子の例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example of a piezoelectric element is shown. In the second embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments is omitted.
図3は、第2の実施の形態に係る圧電素子を例示する断面図である。図3を参照するに、第2の実施の形態に係る圧電素子1において、シリコン基板11(Si基板)上に、シリコン酸化膜12(SiO2膜)、酸化チタン膜13(TiOx膜)、白金膜14(Pt膜)、PZT膜16、及び白金膜17(Pt膜)が順次積層されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a piezoelectric element according to the second embodiment. Referring to FIG. 3, in the
シリコン基板11(Si基板)、シリコン酸化膜12(SiO2膜)、酸化チタン膜13(TiOx膜)、白金膜14(Pt膜)、及びPZT膜16については、第1の実施の形態で説明した通りである。圧電素子1において、白金膜14は下部電極として機能し、白金膜17は上部電極として機能する。
The silicon substrate 11 (Si substrate), silicon oxide film 12 (SiO 2 film), titanium oxide film 13 (TiOx film), platinum film 14 (Pt film), and
なお、PZT膜16は、第1の実施の形態で説明した工程で膜厚約150nmに形成されている。つまり、PZT膜16は、ゾルゲル液から形成された塗布膜を280℃以下の温度で熱処理してアモルファス膜を形成し、更にアモルファス膜にレーザ光を照射して局部加熱する工程を必要数繰り返すことにより、膜厚約150nmに形成されている。又、PZT膜16は、所定形状にパターンニングされている。
The
上部電極として機能する白金膜17は、PZT膜16上に、例えば、スパッタリング法等により形成できる。白金膜17の膜厚は、例えば、100nm程度とすることができる。なお、白金膜14は本発明に係る第1の電極膜の代表的な一例であり、白金膜17は本発明に係る第2の電極膜の代表的な一例である。
The
次に、圧電素子1の電気特性、電気−機械変換能(圧電定数)の評価を行った。まず、X線解析により、圧電素子1のPZT膜16の主配向方向が(111)方向であることを確認した。又、電気機械変換膜の比誘電率が1200、誘電損失が0.078、残留分極が61μC/cm2、抗電界が207.6kV/cmであった。これは、従来の製造工程で作製した圧電素子と同等の特性である。なお、図4は、第2の実施の形態に係る圧電素子のP−Eヒステリシス曲線を例示するグラフである。又、AFM(原子間力顕微鏡)で測定したPZT膜16の圧電定数d33も、従来の製造工程で作製したPZT膜と同等の値であることを確認した。
Next, the electrical characteristics and electromechanical conversion ability (piezoelectric constant) of the
このように、第2の実施の形態では、第1の実施の形態で説明した工程で製造された圧電膜を有する圧電素子について、従来の製造工程で作製した圧電素子と同等の特性が得られることが確認された。 Thus, in the second embodiment, the piezoelectric element having the piezoelectric film manufactured in the process described in the first embodiment can obtain the same characteristics as the piezoelectric element manufactured in the conventional manufacturing process. It was confirmed.
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、圧電素子を用いた液滴吐出ヘッドの例を示す。なお、第3の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, an example of a droplet discharge head using a piezoelectric element is shown. In the third embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments is omitted.
図5は、第3の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図である。図5を参照するに、液滴吐出ヘッド2は、ノズル板20と、圧力室基板30と、振動板40と、圧電素子50とを有する。ノズル板20には、インク滴を吐出するノズル21が形成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a droplet discharge head according to the third embodiment. Referring to FIG. 5, the
ノズル板20は、例えばNi電鋳等で形成できる。ノズル板20、圧力室基板30、及び振動板40により、ノズル21に連通する圧力室31(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある)が形成されている。振動板40は、インク流路の壁面の一部を形成している。換言すれば、圧力室31は、ノズル21が連通してなり、圧力室基板30(側面を構成)、ノズル板20(下面を構成)、振動板40(上面を構成)で区画されてなる。
The
圧力室31は、例えば、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工することにより作製できる。この場合のエッチングとしては、異方性エッチングを用いると好適である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。その後、ノズル21を有するノズル板20を接合する。なお、図5において、液体供給手段、流路、流体抵抗等についての記述は省略している。
The
圧電素子50は、密着層51と、下部電極52(下部電極膜)と、圧電膜53と、上部電極54(上部電極膜)とを含んで構成され、圧力室31内のインクを加圧する機能を有する。密着層51は、例えばTi、TiO2、TiN、Ta、Ta2O5、Ta3N5等からなる層であり、下部電極52と振動板40との密着性を向上する機能を有する。但し、密着層51は、圧電素子50の必須の構成要素ではない。
The
なお、圧電膜53は、第1の実施の形態で説明した工程で形成されている。つまり、圧電膜53は、ゾルゲル液から形成された塗布膜を280℃以下の温度で熱処理してアモルファス膜を形成し、更にアモルファス膜にレーザ光を照射して局部加熱する工程を必要数繰り返すことにより所定の膜厚に形成されている。
The
圧電素子50において、下部電極52と上部電極54との間に電圧が印加されると、圧電膜53が機械的に変位する。圧電膜53の機械的変位にともなって、振動板40が例えば横方向(d31方向)に変形変位し、圧力室31内のインクを加圧する。これにより、ノズル21からインク滴を吐出させることができる。
In the
なお、図6に示すように、液滴吐出ヘッド2を複数個並設し、液滴吐出ヘッド3を構成することもできる。 As shown in FIG. 6, a plurality of droplet discharge heads 2 can be arranged in parallel to form the droplet discharge head 3.
〈第4の実施の形態〉
第4の実施の形態では、液滴吐出ヘッド3(図6参照)を備えた液滴吐出装置の一例としてインクジェット記録装置を例示する。図7は、インクジェット記録装置を例示する斜視図である。図8は、インクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。
<Fourth embodiment>
In the fourth embodiment, an ink jet recording apparatus is exemplified as an example of a liquid droplet ejection apparatus including the liquid droplet ejection head 3 (see FIG. 6). FIG. 7 is a perspective view illustrating an ink jet recording apparatus. FIG. 8 is a side view illustrating a mechanism unit of the ink jet recording apparatus.
図7及び図8を参照するに、インクジェット記録装置4は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ93、キャリッジ93に搭載した液滴吐出ヘッド3の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド94を収納する。又、インクジェット記録装置4は、インクジェット記録ヘッド94へインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納する。
Referring to FIGS. 7 and 8, the
記録装置本体81の下方部には、多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット84(或いは給紙トレイでもよい)を抜き差し自在に装着することができる。又、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができる。給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
A paper feed cassette 84 (or a paper feed tray) on which a large number of
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持する。キャリッジ93には、インクジェット記録ヘッド94を、複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、インクジェット記録ヘッド94は、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する。又、キャリッジ93は、インクジェット記録ヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。
The
インクカートリッジ95は、上方に大気と連通する図示しない大気口、下方にはインクジェット記録ヘッド94へインクを供給する図示しない供給口を、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有している。多孔質体の毛管力によりインクジェット記録ヘッド94へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。又、インクジェット記録ヘッド94としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドを用いてもよい。
The
キャリッジ93は、用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。タイミングベルト100は、キャリッジ93に固定されている。
The
又、インクジェット記録装置4には、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101、フリクションパッド102、用紙83を案内するガイド部材103、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104を設けている。更に、インクジェット記録装置4には、搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105、搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106を設けている。これにより、給紙カセット84にセットした用紙83を、インクジェット記録ヘッド94の下方側に搬送される。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。
Further, the
用紙ガイド部材である印写受け部材109は、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83をインクジェット記録ヘッド94の下方側で案内する。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設けている。更に、用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。
The printing receiving member 109 which is a paper guide member guides the
画像記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じてインクジェット記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。
During image recording, the
キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェット記録ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を有する。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有する。キャリッジ93は、印字待機中に回復装置117側に移動されてキャッピング手段でインクジェット記録ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。又、記録途中等に、記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
A
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェット記録ヘッド94の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。又、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。更に、吸引されたインクは、本体下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
When ejection failure occurs, the ejection port of the ink
このように、インクジェット記録装置4は、液滴吐出ヘッド3の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド94を搭載している。そのため、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上できる。
As described above, the ink
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
例えば、本実施の形態に係る圧電素子は、前述のように、インクジェット記録装置等において使用する液滴吐出ヘッドの構成部品として用いることができるが、これには限定されない。本実施の形態に係る圧電素子を、例えば、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクター用2軸スキャナ、輸液ポンプ等の構成部品として用いてもよい。 For example, as described above, the piezoelectric element according to the present embodiment can be used as a component of a droplet discharge head used in an inkjet recording apparatus or the like, but is not limited thereto. The piezoelectric element according to the present embodiment may be used as a component such as a micro pump, an ultrasonic motor, an acceleration sensor, a two-axis scanner for a projector, an infusion pump, or the like.
又、レーザ光の照射以外の方法を用いて、アモルファスPZT膜を結晶化してもよい。例えば、フラッシュランプ等からの光照射により、アモルファスPZT膜を結晶化してもよい。又、オーブン等を用いて、アモルファスPZT膜を結晶化してもよい。 Alternatively, the amorphous PZT film may be crystallized by using a method other than laser light irradiation. For example, the amorphous PZT film may be crystallized by light irradiation from a flash lamp or the like. Alternatively, the amorphous PZT film may be crystallized using an oven or the like.
1 圧電素子
2、3 液滴吐出ヘッド
11 シリコン基板
12 シリコン酸化膜
13 酸化チタン膜
14、17 白金膜
15 アモルファスPZT膜
16 PZT膜
20 ノズル板
21 ノズル
30 圧力室基板
31 圧力室
40 振動板
50 圧電素子
51 密着層
52 下部電極
53 圧電膜
54 上部電極
81 記録装置本体
82 印字機構部
83 用紙
84 給紙カセット
85 手差しトレイ
86 排紙トレイ
91 主ガイドロッド
92 従ガイドロッド
93 キャリッジ
94 インクジェット記録ヘッド
95 インクカートリッジ
97 主走査モータ
98 駆動プーリ
99 従動プーリ
100 タイミングベルト
101 給紙ローラ
102 フリクションパッド
103 ガイド部材
104 搬送ローラ
105 搬送コロ
106 先端コロ
107 副走査モータ
109 印写受け部材
111 搬送コロ
112 拍車
113 排紙ローラ
114 拍車
115、116 ガイド部材
117 回復装置
500 ステージ
600 レーザ照射装置
600x レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (8)
被処理体上にゾルゲル液から塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜を熱処理してアモルファス膜を形成する工程と、
前記アモルファス膜を熱処理して結晶化し、前記圧電膜を形成する工程と、を有し、
前記アモルファス膜を形成する工程では、前記塗布膜を280℃以下の温度で熱処理し、
前記圧電膜を形成する工程では、前記アモルファス膜を透過するレーザ光を前記アモルファス膜を介して前記被処理体に照射して前記被処理体を加熱し、前記被処理体の熱を前記アモルファス膜に伝えて前記アモルファス膜を結晶化することを特徴とする圧電膜の製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric film having as a main component a composite oxide containing lead (Pb), titanium (Ti), and zirconium (Zr),
Forming a coating film from a sol-gel solution on the object to be treated;
Heat-treating the coating film to form an amorphous film;
A step of crystallizing the amorphous film by heat treatment, and forming the piezoelectric film.
In the step of forming the amorphous film, the coating film is heat-treated at a temperature of 280 ° C. or lower ,
In the step of forming the piezoelectric film, a laser beam that passes through the amorphous film is irradiated to the object to be processed through the amorphous film to heat the object to be processed, and heat of the object to be processed is transferred to the amorphous film. And producing the piezoelectric film by crystallizing the amorphous film .
前記圧電膜上に第2の電極膜を形成する工程と、を有し、
前記圧電膜を形成する工程では、請求項1乃至7の何れか一項記載の圧電膜の製造方法により前記圧電膜を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 Forming a piezoelectric film on the first electrode film;
Forming a second electrode film on the piezoelectric film,
Wherein in the step of forming the piezoelectric film, method for manufacturing a piezoelectric element characterized by forming the piezoelectric film by the method of manufacturing a piezoelectric film according to any one of claims 1 to 7.
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