JP6156068B2 - 圧電体薄膜素子及びインクジェット記録ヘッド、並びにインクジェット式画像形成装置 - Google Patents
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Description
本実施例では、基板と、該基板上に設けられた振動板と、該振動板上に設けられ少なくとも白金またはイリジウムの金属膜を含む下部電極と、該下部電極上に設けられ多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜上に設けられた上部電極とを備えた圧電体薄膜素子である。そして、本実施例の圧電体薄膜素子においては、前記下部電極は、前記振動板上に形成された酸化チタン膜の上部に設けられ、前記酸化チタン膜の上に形成された白金またはイリジウムの金属膜と、前記白金またはイリジウムの金属膜の上に形成された導電性酸化物とからなり、前記白金またはイリジウムの金属膜は、150nm以上で250nm以下の厚みを有し、かつ結晶の平均粒径が250nm以上の空穴等のない緻密な膜で形成されている。
Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として、(Pb1-X、Ba)(Zr、 Ti)O3、(Pb1-X、Sr)(Zr、 Ti)O3、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
白金の金属膜は250nm以下で150nm以上の厚みを持ち、平均粒径250nm以上の空穴等のない緻密な膜を形成した。図5(a)は、その白金の金属膜をSEM(走査型電子顕微鏡)で撮影したときのもので、(b)は(a)の拡大図である。
実験例1で製作したサンプルに対して、断面を形成してその組成観察を行った。その結果、PZTのPbの拡散は下部電極方向に対して、マッピング測定の結果、検出されなかった。
実験例1のサンプルに対して、TiO2の成膜まで終了させ、そのサンプルの粒径を測定した。その結果を下地の振動板の構成は異なるが、参考として公知例と比較し、表1に示す。Ptの下地となるTiO2の粒径は平均粒径で77.5nmであった。この走査電子顕微鏡写真を図4に示す。
作製した圧電体薄膜素子10を用いて、図3に示すようなインクジェット記録ヘッド40を作製し、インクの吐出評価を行った。粘度を5cpに調整したインクを用いて、単純Push波形により−10〜−30Vの印加電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、全てどのノズル孔32から吐出できていることを確認した。
実験例1と同様にしてPtの膜厚のみを160nm(実験例5)、170nm(実験例6)、180nm(実験例7)として、空穴の有無を確認した。その結果を表2に示す。
この実験例は、殆ど実験例1と同じであるが、一部をPZT(100)向けに変更した。本実施例においては、実験例1と同様、白金の金属膜は250nm以下で150nm以上の厚みを有し、平均粒径250nm以上の空穴等のない緻密な膜を形成した。
PZT(100)を形成する際に、PZTの配向性制御層として、Tiの極薄膜を形成し、さらにRTA酸化により酸化チタン膜とするが、その再現性及び効果に関して確認を行った。
実験例2と同様に、実験例8〜10と同じ構造の圧電体素子を用いてインクジェット記録ヘッドを用いて、画像形成装置を製作した。その結果、実験例4と同様の結果が得られた。
実験例1で、Ptの成膜時の条件として、膜厚140nm、成膜温度575℃にて同様に素子を形成した。その時の、Pt成膜後の表面から見た粒径は、実験例1と同様に評価し、平均粒径で210nmであった。走査型電子顕微鏡の画像を図5(c)及び(d)に示す。
比較例1のサンプルに対して、実験例2に対応する断面を形成して、その組成観察を行った。その結果、PZTのPbの拡散が下部電極方向に対して起きていることがマッピング測定の結果確認された。その結果を図7に示す。
実験例1と同様にしてPtの膜厚のみを130nmとして、空穴の有無を確認した。結果を上記表2に示す。
この比較例は、PZT(100)配向で配向率80%未満の場合を示している。本比較例では、Pt上に積層して成膜されるTiの厚みを8.0nmに変えている。それ以外は実験例1と同様にして圧電体薄膜素子を形成し、その圧電体薄膜素子の特性を評価した。その評価結果を表4に示す。
この比較例も、比較例4と同様、PZT(100)配向で配向率80%未満の場合を示している。
本比較例では、Pt上に積層して成膜されるTiの厚みを2.0nmに変えている。それ以外は実験例1の場合と同様にして圧電体薄膜素子を形成し、その圧電体薄膜素子の特性を評価した。その評価結果を表4に示す。
実験例1の範囲外となる空穴のある条件のPt膜(130nm、575℃成膜)上に実験例8と同様にして、Ti5nmを成膜後、同RTAの条件により熱酸化してTiO2膜を形成した後、PZTを形成した。そのPZTの結晶性は、実験例8と同じ値は得られず、PZT(100)の配向率が約50%であった。さらに、素子化した後にリーク量を測定したところ、そのリーク量は10-5A/cm-2台であり、通常のサンプルに対して2桁大きな値であった。
次に、図3に示したインクジェット記録ヘッド40を搭載したインクジェット式画像形成装置の一例について、図9及び図10を参照して説明する。なお、図9は同インクジェット式画像形成装置の斜視図、図10は同インクジェット式画像形成装置の機構部の構成を示す断面図である。
11 基体(Si基板)
12 成膜振動板(振動板)
13 下部電極
14 圧電体膜(電気−機械変換膜)
15 上部電極
16 保護膜(パシベーション膜)
17 電極密着層(酸化チタン膜)
18 下部電極層(金属膜)
19 導電性酸化物層(導電性酸化物)
20 導電性酸化物層
21 上部電極層
31 キャビティ
32 ノズル孔
33 ノズル板
40 インクジェット記録ヘッド
81 インクジェット式画像形成装置
94 インクジェット式記録ヘッド(記録ヘッド)
Claims (13)
- 基板と、該基板上に設けられた振動板と、該振動板上に設けられ少なくとも白金またはイリジウムの金属膜を含む下部電極と、該下部電極上に設けられ多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜上に設けられた上部電極とを備えた圧電体薄膜素子であって、
前記下部電極は、前記振動板上に形成された酸化チタン膜の上部に設けられ、
前記酸化チタン膜の上に形成された白金またはイリジウムの金属膜を含み、
前記白金またはイリジウムの金属膜は、150nm以上で250nm以下の厚みを有し、かつ結晶の平均粒径が250nm以上であり、かつ空穴のない緻密な膜で形成されていることを特徴とする圧電体薄膜素子。 - 前記白金またはイリジウムの金属膜の上に導電性酸化物を有し、前記導電性酸化物は、ルテニウム酸ストロンチウムSRO(SrRuO3)であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体薄膜素子。
- 前記圧電体膜は、PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3、ここでx=0.52近傍)のMPB(Morphotropic Phase Boundary)組成であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体薄膜素子。
- 前記酸化チタン膜はTiO 2 膜であり、前記TiO 2 膜の上面に前記金属膜が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電体薄膜素子。
- 前記振動板上に形成された前記酸化チタン膜は、6.0nm以上で11.1nm以下の厚みを有し、かつ結晶の平均粒径が77.5nmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電体薄膜素子。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電体薄膜素子が設けられたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
- 請求項6に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェット式画像形成装置。
- 基板上に振動板と、前記振動板上に設けられ少なくとも白金またはイリジウムの金属膜を含んで構成された下部電極と、前記下部電極上に設けられ多結晶体からなる圧電体膜と、前記圧電体膜上に設けられた上部電極とを有する圧電体薄膜素子であって、
前記下部電極は、前記振動板上に形成された酸化チタン膜の上部に形成され、
前記白金またはイリジウムの金属膜は、150nm以上の厚みを持ち、かつ平均粒径250nm以上であり、かつ空穴のない緻密な膜であり、
前記下部電極上に形成された圧電体膜が(100)優先配向であることを特徴とする圧電体薄膜素子。 - XRDで得られた(111)(100)(110)各配向のピークの総和を1としたときのそれぞれの配向比率ρが、
ρ = I (h k l) / Σ I (h k l)
ここで、分母:(111)(100)(110)各ピーク強度の総和
分子:(100)配向のピーク強度
で求められる場合、
前記圧電体膜の(100)配向成分が、配向率90%以上であることを特徴とする請求項8に記載の圧電体薄膜素子。 - 前記圧電体膜は、PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3、ここでx=0.52近傍)のMPB(Morphotropic Phase Boundary)組成であることを特徴とする請求項8に記載の圧電体薄膜素子。
- 請求項8〜10のいずれか一項に記載の圧電体薄膜素子が設けられたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
- 請求項11に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェット式画像形成装置。
- 基板上に振動板と、前記振動板上に設けられ少なくとも白金またはイリジウムの金属膜を含んで構成された下部電極と、前記下部電極上に設けられ多結晶体からなる圧電体膜と、前記圧電体膜上に設けられた上部電極とを有し、前記下部電極が前記振動板上に形成された酸化チタン膜の上部に形成された圧電体薄膜素子を製造する際に、
下部電極上に薄層の酸化チタンを形成後に前記圧電体膜を形成することで、前記白金またはイリジウムの金属膜として、150nm以上の厚みを持ち、かつ平均粒径250nm以上であり、かつ空穴のない緻密な膜を形成することを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
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