JP6311718B2 - Method for manufacturing piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に、第1の電極、圧電薄膜、第2の電極をこの順で成膜した圧電アクチュエータおよびその製造方法と、上記圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention includes a piezoelectric actuator in which a first electrode, a piezoelectric thin film, and a second electrode are formed in this order on a substrate, a manufacturing method thereof, an ink jet head including the piezoelectric actuator, and an ink jet head. And an inkjet printer.
従来から、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形などによるもの)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an ink jet printer including an ink jet head having a plurality of channels for discharging liquid ink is known. By controlling the ejection of ink while moving the inkjet head relative to a recording medium such as paper or cloth, a two-dimensional image can be output to the recording medium. The ink can be ejected by using an actuator (such as piezoelectric, electrostatic, or thermal deformation) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years.
圧電式のアクチュエータには、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体(圧電薄膜)を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴を大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度(小液滴で良い)で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。 Piezoelectric actuators include those using a bulk piezoelectric body and those using a thin film piezoelectric body (piezoelectric thin film). Since the former has a large output, large droplets can be discharged, but it is large and expensive. On the other hand, since the latter has a small output, the droplet cannot be enlarged, but it is small and low in cost. In order to realize a small, low-cost printer with high resolution (small droplets may be sufficient), it can be said that it is suitable to configure an actuator using a piezoelectric thin film.
圧電薄膜の材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)と呼ばれる鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、酸素(O)からなるペロブスカイト構造の結晶を用いることが多い。圧電薄膜を用いた圧電アクチュエータでは、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相成長、などの成膜プロセスを用いて、基板上に圧電薄膜を形成する。圧電材料の結晶化には高温が必要となるため、基板にはシリコン(Si)が良く用いられる。 As a material of the piezoelectric thin film, a crystal having a perovskite structure made of lead (Pb), zirconium (Zr), titanium (Ti), and oxygen (O) called PZT (lead zirconate titanate) is often used. For piezoelectric actuators using piezoelectric thin films, film deposition processes such as chemical deposition methods such as CVD (Chemical Vapor Deposition), physical methods such as sputtering and ion plating, and liquid phase growth such as sol-gel methods. Is used to form a piezoelectric thin film on the substrate. Since high temperature is required for crystallization of the piezoelectric material, silicon (Si) is often used for the substrate.
上記の基板を、フォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いて高精度に加工することにより、圧電アクチュエータを作製することができる。特に、直径6インチや直径8インチといった比較的大きなSiウェハ上に圧電薄膜等を成膜して、圧電アクチュエータを高密度で一括して作製することにより、圧電アクチュエータを個別に製造する枚葉製造に比べて、コストを大幅に低減することができる。 A piezoelectric actuator can be manufactured by processing the above substrate with high accuracy using a semiconductor process technology such as photolithography. In particular, single-wafer manufacturing, in which a piezoelectric actuator is individually manufactured by forming a piezoelectric thin film or the like on a relatively large Si wafer having a diameter of 6 inches or 8 inches and manufacturing the piezoelectric actuators at a high density in a batch. Compared with the above, the cost can be greatly reduced.
ところで、スパッタ法等の成膜法でSi基板上に形成した圧電薄膜は、成膜条件の工夫により、1軸配向膜と呼ばれる柱状の多結晶の膜となる。ここで、1軸配向膜とは、結晶のある方向が基板面に垂直となるように優先的に配向した膜を言う。例えば、結晶の(100)方向が基板面に垂直となるように配向している膜は、(100)配向膜と呼ばれ、(111)方向が基板面に垂直となるように配向している膜は、(111)配向膜と呼ばれる。このような1軸配向膜は、分極方向が揃いやすいため、高い圧電特性を得ることができる。 By the way, a piezoelectric thin film formed on a Si substrate by a film forming method such as a sputtering method becomes a columnar polycrystalline film called a uniaxially oriented film by devising film forming conditions. Here, the uniaxially oriented film refers to a film that is preferentially oriented so that a certain crystal direction is perpendicular to the substrate surface. For example, a film oriented so that the (100) direction of the crystal is perpendicular to the substrate surface is called a (100) oriented film, and oriented so that the (111) direction is perpendicular to the substrate surface. The film is called a (111) orientation film. Such a uniaxially oriented film easily obtains high piezoelectric characteristics because the polarization directions are easily aligned.
このような1軸配向膜を成膜する技術は、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1では、スパッタ法によって圧電薄膜を適切な成膜条件(スパッタ条件)で成膜することにより、成膜後の時点で膜の分極方向が上向き(下部電極から上部電極に向かう方向)に揃った、分極処理が不要な1軸配向膜を成膜するようにしている。なお、一般的に、スパッタ法やゾルゲル法によって、分極方向は上向きになる。特に、圧電特性を向上させるために圧電薄膜に添加物を入れることで、分極方向は上向きとなりやすい。 A technique for forming such a uniaxially oriented film is disclosed in Patent Document 1, for example. In Patent Document 1, a piezoelectric thin film is formed by a sputtering method under an appropriate film formation condition (sputtering condition), so that the polarization direction of the film is upward (in the direction from the lower electrode to the upper electrode) after the film formation. A uniform uniaxial alignment film that does not require polarization treatment is formed. In general, the polarization direction is upward by sputtering or sol-gel method. In particular, by adding an additive to the piezoelectric thin film in order to improve the piezoelectric characteristics, the polarization direction tends to be upward.
図9は、特許文献1の圧電アクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。なお、図中の実線の矢印は、膜の分極方向を示す。上記圧電アクチュエータにおいては、シリコンからなる基板101上に、白金(Pt)からなる下部電極102、PZTからなる圧電薄膜103、Ptからなる上部電極104がこの順で成膜されている。このように圧電薄膜103の分極方向が上向きに揃った圧電アクチュエータでは、圧電薄膜103の成膜時に生じる酸素欠陥Pが、圧電薄膜103における上部電極104との界面側の領域よりも下部電極102との界面側の領域に多く偏在する。これは、圧電薄膜103のPZTを構成するPbの蒸気圧が低いため、PZTの成膜初期において、成膜時の高温でPbが蒸発し、そのPb(イオンの状態では正イオン)の蒸発に引きずられてPZTを構成する酸素(イオンの状態では負イオン)が抜けやすくなるためである。また、下部電極102と圧電薄膜103とは異種材料であるために、圧電薄膜103の成膜初期においては、下部電極102上に圧電薄膜103が所望の組成比で成膜されにくいというのも理由として考えられる。
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the piezoelectric actuator of Patent Document 1. As shown in FIG. In addition, the solid line arrow in a figure shows the polarization direction of a film | membrane. In the piezoelectric actuator, a
上記の酸素欠陥Pは、圧電薄膜103の結晶の中を比較的低いエネルギーで移動することができ、結晶表面付近で大気中の水分と反応してリークによる絶縁破壊を引き起こしたり、結晶内部で分極ドメインを固定化して圧電特性の低下を引き起こしたりすることが知られている。
The oxygen defect P can move in the crystal of the piezoelectric
特許文献1のように、成膜時に分極方向が上向きに揃った圧電薄膜103を含む圧電アクチュエータを使用する際に、下部電極102をコモン電極とする一般的な駆動方法では、上部電極104に負の電界を印加する必要がある。このような電界を印加すると、圧電薄膜103の結晶内で相対的に正の電荷を持つ酸素欠陥Pは、上部電極104に印加される負の電界に引き付けられ、下部電極102との界面側の領域から結晶中を移動して上部電極104側に向かう。酸素欠陥Pが圧電薄膜103と上部電極104との界面付近に到達すると、それまでは正常に駆動していた電界を印加しても、酸素欠陥Pが原因でリークが生じて絶縁破壊を引き起こしてしまい、アクチュエータの信頼性が低下してしまう。
As in Patent Document 1, when using a piezoelectric actuator including the piezoelectric
このような酸素欠陥の移動を抑えるためには、上部電極に正の電界を印加して圧電アクチュエータを駆動する方法が考えられる。そのためには、圧電薄膜の分極方向が下向き(上部電極から下部電極に向かう方向)となるように、分極方向を反転させる分極反転処理を行うことが必要となる。 In order to suppress such movement of oxygen vacancies, a method of driving a piezoelectric actuator by applying a positive electric field to the upper electrode can be considered. For this purpose, it is necessary to perform polarization reversal processing for reversing the polarization direction so that the polarization direction of the piezoelectric thin film is downward (the direction from the upper electrode toward the lower electrode).
この点、特許文献2には、駆動回路や電源コストの低減等が目的ではあるが(酸素欠陥の移動抑制が目的ではないが)、1軸配向の圧電薄膜の分極方向を反転させる技術が開示されている。これによると、分極反転処理には、抗電界が0V以下になるほどの高温で電界を印加することが、大きな変位量を得る点で好ましく、具体的には、キュリー温度が350℃の膜に対して250℃以上の高温で電界を印加することが必要とされている。
In this regard,
ところが、分極反転処理時に、圧電薄膜に対して上記のように高温の状態で電界を印加すると、圧電薄膜における下部電極との界面側の領域に存在していた酸素欠陥が、高温による熱エネルギーによって結晶中に拡散してしまう。その結果、リークによる絶縁破壊が生じやすくなったり、結晶内部で分極ドメインを固定化して圧電特性が低下する。なお、リークによる絶縁破壊は、耐電圧の低下のみならず、変位量の経時的な低下を招き、信頼性の低下につながる。 However, when an electric field is applied to the piezoelectric thin film at a high temperature as described above during the polarization reversal process, oxygen defects existing in the region on the interface side with the lower electrode in the piezoelectric thin film are caused by the thermal energy due to the high temperature. It diffuses into the crystal. As a result, dielectric breakdown due to leakage is likely to occur, or the polarization domain is fixed inside the crystal and the piezoelectric characteristics are deteriorated. Note that the dielectric breakdown due to leakage causes not only a decrease in withstand voltage but also a decrease in displacement over time, leading to a decrease in reliability.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、分極反転を行う際の条件や膜中の酸素欠陥の分布を適切に設定することにより、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる圧電アクチュエータの製造方法と、その圧電アクチュエータと、その圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to reduce the reliability by appropriately setting the conditions for performing polarization inversion and the distribution of oxygen defects in the film. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a piezoelectric actuator capable of suppressing a decrease in piezoelectric characteristics, the piezoelectric actuator, an ink jet head provided with the piezoelectric actuator, and an ink jet printer provided with the ink jet head.
本発明の一側面に係る圧電アクチュエータは、基板上に、第1の電極、圧電薄膜、第2の電極をこの順で積層した圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜において、結晶中の酸素欠陥が、前記第2の電極との界面側の領域よりも前記第1の電極との界面側の領域に多く存在しており、前記圧電薄膜の分極方向が、前記第2の電極から前記第1の電極に向かう方向である。 A piezoelectric actuator according to one aspect of the present invention is a piezoelectric actuator in which a first electrode, a piezoelectric thin film, and a second electrode are stacked in this order on a substrate, and in the piezoelectric thin film, oxygen defects in a crystal are present. More than in the region on the interface side with the first electrode than in the region on the interface side with the second electrode, and the polarization direction of the piezoelectric thin film is changed from the second electrode to the first electrode. The direction is toward the electrode.
また、本発明の他の側面に係る圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に第1の電極を成膜する第1の工程と、前記第1の電極上に圧電薄膜を成膜する第2の工程と、前記圧電薄膜上に第2の電極を成膜する第3の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第2の電極の成膜後、前記第1の電極から前記第2の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第4の工程をさらに有し、前記第4の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の1/2以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第2の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第1の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う。 The piezoelectric actuator manufacturing method according to another aspect of the present invention includes a first step of forming a first electrode on a substrate and a second step of forming a piezoelectric thin film on the first electrode. A piezoelectric actuator manufacturing method comprising: a step of forming a second electrode on the piezoelectric thin film, wherein the first electrode is formed after the formation of the second electrode. The piezoelectric thin film formed so as to have a polarization direction in the direction toward the second electrode further includes a fourth step of performing a polarization reversal process for reversing the polarization direction. In the fourth step, the piezoelectric thin film By applying an electric field larger than the coercive electric field to the second electrode at a temperature equal to or less than ½ of the Curie temperature of the thin film, oxygen defects in the crystal in the piezoelectric thin film are removed from the first electrode. The polarization inversion process is performed while confined in the region on the interface side.
上記の圧電アクチュエータの構成および製造方法によれば、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる。 According to the configuration and manufacturing method of the above piezoelectric actuator, it is possible to suppress a decrease in reliability and a decrease in piezoelectric characteristics.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔インクジェットプリンタの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。[Configuration of inkjet printer]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an inkjet printer 1 according to the present embodiment. The ink jet printer 1 is a so-called line head type ink jet recording apparatus in which an
インクジェットプリンタ1は、上記のインクジェットヘッド部2と、繰り出しロール3と、巻き取りロール4と、2つのバックロール5・5と、中間タンク6と、送液ポンプ7と、貯留タンク8と、定着機構9とを備えている。
The ink jet printer 1 includes an ink
インクジェットヘッド部2は、インクジェットヘッド21から記録媒体Pに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成(描画)を行うものであり、一方のバックロール5の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド21の詳細については後述する。
The ink
繰り出しロール3、巻き取りロール4および各バックロール5は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール3は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Pを、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール3は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Pを図1のX方向へ繰り出して搬送する。
The
巻き取りロール4は、繰り出しロール3より繰り出されて、インクジェットヘッド部2によってインクが吐出された記録媒体Pを周面に巻き取る。
The take-
各バックロール5は、繰り出しロール3と巻き取りロール4との間に配設されている。記録媒体Pの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール5は、繰り出しロール3によって繰り出された記録媒体Pを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール5は、インクジェットヘッド部2との対向位置から巻き取りロール4に向けて、記録媒体Pを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
Each
中間タンク6は、貯留タンク8より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク6は、複数のインクチューブ10と接続され、各インクジェットヘッド21におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド21にインクを供給する。
The intermediate tank 6 temporarily stores the ink supplied from the
送液ポンプ7は、貯留タンク8に貯留されたインクを中間タンク6に供給するものであり、供給管11の途中に配設されている。貯留タンク8に貯留されたインクは、送液ポンプ7によって汲み上げられ、供給管11を介して中間タンク6に供給される。
The liquid feed pump 7 supplies the ink stored in the
定着機構9は、インクジェットヘッド部2によって記録媒体Pに吐出されたインクを当該記録媒体Pに定着させる。この定着機構9は、吐出されたインクを記録媒体Pに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにUV(紫外線)を照射することによりインクを硬化させるためのUVランプ等で構成されている。
The fixing mechanism 9 fixes the ink ejected to the recording medium P by the
上記の構成において、繰り出しロール3から繰り出される記録媒体Pは、バックロール5により、インクジェットヘッド部2との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部2から記録媒体Pに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Pに吐出されたインクは定着機構9によって定着され、インク定着後の記録媒体Pが巻き取りロール4によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ1では、インクジェットヘッド部2を静止させた状態で、記録媒体Pを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Pに画像が形成される。
In the above configuration, the recording medium P fed from the feeding
なお、インクジェットプリンタ1は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。 The ink jet printer 1 may be configured to form an image on a recording medium by a serial head method. The serial head method is a method of forming an image by ejecting ink by moving an inkjet head in a direction orthogonal to the transport direction while transporting a recording medium.
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2は、インクジェットヘッド21のアクチュエータ21a(圧電アクチュエータ)の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるA−A’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図3は、図2のアクチュエータ21aにノズル基板31を接合してなるインクジェットヘッド21の断面図である。[Configuration of inkjet head]
Next, the configuration of the
インクジェットヘッド21は、複数の圧力室22a(開口部)を有する基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24(第1の電極)、圧電薄膜25、上部電極26(第2の電極)をこの順で有している。
The
基板22は、厚さが例えば300〜500μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。なお、図2では、基板22をSOI基板で構成した場合を示している。SOI基板は、酸化膜を介して2枚のSi基板を接合したものである。基板22における圧力室22aの上壁は、従動膜となる振動板22bを構成しており、圧電薄膜25の駆動(伸縮)に伴って変位(振動)し、圧力室22a内のインクに圧力を付与する。
The
熱酸化膜23は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。The
下部電極24は、複数の圧力室22aに共通して設けられるコモン電極であり、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜23とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。
The
圧電薄膜25は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)で構成されており、各圧力室22aに対応して設けられている。PZTは、PTO(PbTiO3;チタン酸鉛)とPZO(PbZrO3;ジルコン酸鉛)との固溶体である。圧電薄膜25の膜厚は、例えば1〜10μm、好適には3〜5μm等である。The piezoelectric
上部電極26は、各圧力室22aに対応して設けられる個別電極であり、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電薄膜25とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。上部電極26は、下部電極24との間で圧電薄膜25を挟むように設けられている。
The
下部電極24、圧電薄膜25および上部電極26は、圧力室22a内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子27を構成している。この薄膜圧電素子27は、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。インクジェットヘッド21は、薄膜圧電素子27および圧力室22aを縦横に並べることにより形成される。
The
圧力室22aの振動板22bとは反対側には、ノズル基板31が接合されている。ノズル基板31には、圧力室22aに収容されるインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔(ノズル孔)31aが形成されている。圧力室22aには、中間タンク6より供給されるインクが収容される。
A
上記の構成において、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に電圧を印加すると、圧電薄膜25が、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向(基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電薄膜25と振動板22bとの長さの違いにより、振動板22bに曲率が生じ、振動板22bが厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。
In the above configuration, when a voltage is applied from the
したがって、圧力室22a内にインクを収容しておけば、上述した振動板22bの振動により、圧力室22a内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室22a内のインクが吐出孔31aからインク滴として外部に吐出される。
Therefore, if ink is accommodated in the
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド21の製造方法について以下に説明する。図4は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。[Inkjet head manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the
まず、基板22を用意する。基板22としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜22eを介して2枚のSi基板22c・22dが接合されたSOI構造のものを用いている。
First, the
基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板22c・22dの表面にSiO2からなる熱酸化膜23a・23bをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜23a上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極24を形成する。The
続いて、基板22を600℃程度に再加熱し、変位膜となるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の層25aをスパッタ法で成膜する。ここで、図5は、XRD(X線回折)の2θ/θ測定の結果を示している。なお、図5の縦軸の強度(回折強度、反射強度)は、1秒間あたりのX線の計数率(cps;count per second)で示しており、1.E+nは、1×10+nを示している。得られたPZTの層25aは、図5のグラフより、(100)配向の1軸配向膜となっていることがわかる。この層25aは、成膜後の分極方向が上向き(下部電極24の成膜側から上部電極26の成膜側に向かう方向)となるような成膜条件(成膜温度等)で成膜される。Subsequently, the
次に、基板22に感光性樹脂41をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂41の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜25の形状を転写する。その後、感光性樹脂41をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層25aの形状を加工し、圧電薄膜25とする。
Next, a
次に、圧電薄膜25を覆うように下部電極24上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層26aを形成する。続いて、層26a上に感光性樹脂42をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂42の不要な部分を除去し、形成する上部電極26の形状を転写する。その後、感光性樹脂42をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層26aの形状を加工し、上部電極26を形成する。
Next, a titanium layer and a platinum layer are sequentially formed by sputtering on the
次に、基板22の裏面(熱酸化膜23b側)に感光性樹脂43をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂43の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室22aの形状を転写する。そして、感光性樹脂43をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板22の除去加工を行い、圧力室22aを形成してアクチュエータ21aとする。
Next, a
その後、アクチュエータ21aの基板22と、吐出孔31aを有するノズル基板31とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド21が完成する。なお、吐出孔31aに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜12bを除去して、基板22と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板31とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに3者(基板22、中間ガラス、ノズル基板31)を接合することができる。
Thereafter, the
以上のことから、圧電アクチュエータ21aは、基板22上に第1の電極としての下部電極24を成膜する工程(第1の工程)と、下部電極24上に圧電薄膜25を成膜する工程(第2の工程)と、圧電薄膜25上に第2の電極としての上部電極24を成膜する工程(第3の工程)とを経て製造されていると言える。
From the above, the
なお、下部電極24を構成する電極材料は、上述したPtに限定されるわけではなく、その他にも、例えばAu(金)、Ir(イリジウム)、IrO2(酸化イリジウム)、RuO2(酸化ルテニウム)、LaNiO3(ニッケル酸ランタン)、SrRuO3(ルテニウム酸ストロンチウム)等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。The electrode material constituting the
また、図6に示すように、下部電極24と圧電薄膜25との間に、PLT(チタン酸ランタン鉛)、LaNiO3またはSrRuO3からなる配向制御層29(シード層)を設けるようにしてもよい。Further, as shown in FIG. 6, an orientation control layer 29 (seed layer) made of PLT (lead lanthanum titanate), LaNiO 3 or SrRuO 3 may be provided between the
また、圧電薄膜25を構成する材料は、上述したPZTに限定されるわけではなく、その他にも、例えばPZTにLa(ランタン)や、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)を添加したもの、BaTiO3(チタン酸バリウム)、LiTaO3(タンタル酸リチウム)、Pb(Mg,Nb)O3、Pb(Ni,Nb)O3、PbTiO3等の酸化物やこれらの組み合わせが考えられる。The material constituting the piezoelectric
〔分極反転処理について〕
次に、上記のようにして製造されるインクジェットヘッド(またはアクチュエータ)に対する分極反転処理について説明する。本実施形態では、上部電極26の成膜後、上向き(下部電極24から上部電極26に向かう方向)に分極方向を持つように成膜された圧電薄膜25の上記分極方向を反転させる分極反転処理を行う(第4の工程)。つまり、圧電薄膜25の成膜後の時点では上向きとなっている分極方向を、下向き(上部電極26から下部電極24に向かう方向)となるように分極反転させる分極反転処理を行う。[About polarization reversal processing]
Next, the polarization inversion process for the inkjet head (or actuator) manufactured as described above will be described. In the present embodiment, after the film formation of the
図7は、本実施形態の圧電アクチュエータ21aの概略の構成を模式的に示す断面図である。なお、図7における実線の矢印は、圧電薄膜25の分極反転処理後の分極方向を示している。本実施形態では、圧電薄膜25の分極反転を、圧電薄膜25のキュリー温度の1/2以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を上部電極26に印加することにより行う。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the
分極反転処理時の温度を、圧電薄膜25のキュリー温度の1/2以下の温度とすることにより、図7に示すように、圧電薄膜25の膜中で下部電極24側に多く偏在する酸素欠陥Pの、熱による上部電極26側への拡散が抑制される。そして、この状態で、抗電界よりも大きい正の電界を上部電極26に印加することにより、膜中の酸素欠陥Pを下部電極24との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転を行うことができる。これにより、上部電極26との界面側の領域でのリークによる絶縁破壊や、結晶内部での分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、絶縁破壊による耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて、信頼性を向上させることができるとともに、分極ドメインの固定による圧電特性の低下を抑えることができる。
By setting the temperature at the time of polarization reversal to a temperature that is 1/2 or less of the Curie temperature of the piezoelectric
このように、本実施形態の分極反転処理では、圧電薄膜25の結晶中の酸素欠陥Pを、上部電極26との界面側の領域よりも下部電極24との界面側の領域に多く偏在させたまま、分極反転を行うことができることから、そのような分極反転処理が施された圧電アクチュエータ21aは、以下のように表現することができる。
As described above, in the polarization inversion process of this embodiment, the oxygen defects P in the crystal of the piezoelectric
すなわち、本実施形態の圧電アクチュエータ21aは、図7に示すように、基板22上に、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26をこの順で積層した構成であって、圧電薄膜25において結晶中の酸素欠陥Pが、上部電極26との界面側の領域よりも下部電極24との界面側の領域に相対的に多く存在しており、圧電薄膜25の分極方向が下向き、つまり、上部電極26から下部電極24に向かう方向である。この構成では、圧電薄膜25の酸素欠陥Pが下部電極24側に多く存在しており(酸素欠陥Pの上部電極26側への拡散が抑えられており)、駆動時においても、上部電極26に正の電界を印加する駆動を行って、膜中の酸素欠陥の下部電極24側から上部電極26側への移動を抑えることができるため、酸素欠陥Pの拡散に起因するリークによる絶縁破壊や分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて信頼性を向上させ、かつ、圧電特性の低下を抑えた圧電アクチュエータ21aを実現することができる。
That is, as shown in FIG. 7, the
上記のように、圧電薄膜25の結晶中の酸素欠陥Pが、上部電極26との界面側の領域よりも下部電極24との界面側の領域に多く存在しているか否かは、例えばTEM−EDSによる圧電薄膜25の断面の解析によって調べることができる。TEMは、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope)のことであり、EDSは、エネルギー分散型X線分光(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)のことである。すなわち、TEM−EDSは、電子線を試料に照射したときに放射されるX線のエネルギーを分析することにより、電子線照射領域の組成を解析する手法である。したがって、この手法を用いることにより、圧電薄膜25の膜厚方向の組成を解析して、酸素欠陥Pの偏在状態を調べることができる。ここで、上記した各界面側の領域とは、例えば圧電薄膜25の厚さ方向の長さに対して1%以内の範囲(領域)をそれぞれ指す。
As described above, whether or not there are more oxygen defects P in the crystal of the piezoelectric
次に、分極反転処理を種々の条件(温度、電圧)で行い、各処理条件で得られる圧電特性および信頼性(絶縁破壊の耐電圧、変位量の経時変化)について調べた。 Next, the polarization inversion process was performed under various conditions (temperature, voltage), and the piezoelectric characteristics and reliability (dielectric withstand voltage of dielectric breakdown, change in displacement over time) obtained under each process condition were examined.
圧電特性については、アクチュエータの変位量をレーザードップラー振動計により測定し、圧電定数d31に換算して調べた。耐電圧については、I−V特性(電流−電圧特性)において、リーク電流が急激に1桁以上大きくなる点の電圧を絶縁破壊の耐電圧とした。変位量の経時変化については、ヘッドにインク吐出パルスを100億回印加する前後でのアクチュエータの変位量の低下の割合で示した。そして、以下の基準に基づき、アクチュエータを総合的に評価した。なお、圧電薄膜はPZT膜であり、その厚さは5μmとした。The piezoelectric characteristics, the displacement amount of the actuator was measured by a laser Doppler vibrometer was examined in terms of the piezoelectric constant d 31. With respect to the withstand voltage, the voltage at the point where the leak current suddenly increases by one digit or more in the IV characteristics (current-voltage characteristics) was defined as the withstand voltage of dielectric breakdown. The change over time in the amount of displacement is shown as the rate of decrease in the amount of displacement of the actuator before and after the ink ejection pulse was applied 10 billion times to the head. The actuator was comprehensively evaluated based on the following criteria. The piezoelectric thin film was a PZT film, and its thickness was 5 μm.
(評価基準)
◎:圧電定数d31の絶対値が160pm/V以上であり、耐電圧が70V以上であり、経時変化が5%以下である。
○:圧電定数d31の絶対値が160pm/V以上であり、耐電圧が70V以上であり、経時変化が10%以下である。
×:圧電定数d31の絶対値が160pm/V未満であり、耐電圧が70V未満であり、経時変化が10%よりも大きい。(Evaluation criteria)
A: The absolute value of the piezoelectric constant d 31 is 160 pm / V or more, the withstand voltage is 70 V or more, and the change with time is 5% or less.
◯: The absolute value of the piezoelectric constant d 31 is 160 pm / V or more, the withstand voltage is 70 V or more, and the change with time is 10% or less.
X: The absolute value of the piezoelectric constant d 31 is less than 160 pm / V, the withstand voltage is less than 70 V, and the change with time is greater than 10%.
表1は、分極反転処理時の温度(分極温度)、電界(分極電圧)、圧電特性、耐電圧、変位量の経時変化および総合評価をまとめて示したものである。なお、分極電圧は、下部電極を基準として上部電極に印加する電圧を示す。表1において、分極方向(分極反転処理後の分極方向)は、下向き(上部電極から下部電極に向かう方向)を‘+’で示し、上向き(下部電極から上部電極に向かう方向)を‘−’で示している。また、評価が◎または○のものを本発明の実施例と位置付け、評価が×のものを比較例と位置付けている。 Table 1 shows a summary of temperature (polarization temperature), electric field (polarization voltage), piezoelectric characteristics, withstand voltage, change over time in displacement and comprehensive evaluation during polarization reversal processing. The polarization voltage indicates a voltage applied to the upper electrode with reference to the lower electrode. In Table 1, the polarization direction (the polarization direction after the polarization inversion process) indicates downward (direction from the upper electrode to the lower electrode) by “+”, and upward (direction from the lower electrode to the upper electrode) by “−”. Is shown. Also, those with an evaluation of ◎ or ◯ are positioned as examples of the present invention, and those with an evaluation of × are positioned as comparative examples.
表1の結果より、分極温度が、圧電薄膜のキュリー温度である360℃の1/2以下の180℃以下で、分極電圧が、抗電界(25V)よりも大きい30V以上であるときに、圧電特性、耐電圧、変位量の経時変化の全てについて目標値を達成しており、圧電特性が高く、信頼性の高いアクチュエータが得られていることがわかる。なお、抗電界は、圧電薄膜がPZTの場合、5kV/mmであることから、PZTの厚さ5μmで換算すると、25Vとなる。 From the results in Table 1, when the polarization temperature is 180 ° C. or less which is 1/2 or less of 360 ° C. which is the Curie temperature of the piezoelectric thin film, and the polarization voltage is 30 V or more which is larger than the coercive electric field (25V), It can be seen that the target values are achieved for all the characteristics, withstand voltage, and displacement over time, and an actuator having high piezoelectric characteristics and high reliability is obtained. Since the coercive electric field is 5 kV / mm when the piezoelectric thin film is PZT, the coercive electric field is 25 V when converted to a PZT thickness of 5 μm.
〔エージング処理について〕
上述の分極反転処理(第4の工程)の後、圧電薄膜の特性を安定させるためのエージング処理(第5の工程)を行ってもよい。このようなエージング処理としては、下部電極および上部電極をショートさせて所定時間放置する処理であってもよいし、分極反転処理と同バイアスのパルス波形を上部電極に印加する処理であってもよい。エージング処理を行うことにより、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和して、圧電薄膜の特性を安定させることができる。[Aging process]
After the above-described polarization inversion process (fourth process), an aging process (fifth process) for stabilizing the characteristics of the piezoelectric thin film may be performed. Such an aging process may be a process of shorting the lower electrode and the upper electrode and leaving them for a predetermined time, or a process of applying a pulse waveform of the same bias as that of the polarization inversion process to the upper electrode. . By performing the aging process, it is possible to relax the stress and distortion caused by the polarization inversion process and stabilize the characteristics of the piezoelectric thin film.
図8は、分極反転処理した圧電アクチュエータに対して、エージング処理を行った場合と行わなかった場合とにおいて、ヘッドにインク吐出パルスを100億回印加する過程での変位量の経時変化を示している。図中、太い実線は、分極反転処理した実施例2の圧電アクチュエータに対して、電界を印加しない状態で下部電極および上部電極をショートさせ、分極温度と同じ100℃のままで24時間放置することでエージング処理を行った後の変位量の経時変化を示し、太い破線は、実施例2の圧電アクチュエータに対して上記のエージング処理を行わなかった場合(実施例2そのもの)の変位量の経時変化を示している。また、図中、細い実線は、分極反転処理した実施例1の圧電アクチュエータに対して、分極温度と同じ80℃のままで、分極反転処理と同バイアスの(同じ正極性ユニポーラの)三角波を上部電極に1億パルス印加することでエージング処理を行った後の変位量の経時変化を示し、細い破線は、実施例1の圧電アクチュエータに対して上記のエージング処理を行わなかった場合(実施例1そのもの)の変位量の経時変化を示している。
FIG. 8 shows the change over time in the amount of displacement during the process of applying the ink ejection pulse to the
図8より、分極反転処理の後にエージング処理を行った場合、変位量の経時変化(変位量の低下の割合)がほぼ3%に抑えられており、エージング処理を行わなかった場合に比べて変位量の経時的な低下がさらに抑えられていることがわかる。なお、エージング処理の際の温度は、上記の例では分極温度と同じ温度としているが、分極温度よりも低い温度でエージング処理を行えば、エージング処理なしの場合よりも変位量の低下が抑えられる(変位量の低下の割合が3%と10%との間に抑えられる)ことがわかった。また、圧電特性および耐電圧については、エージング処理の有無でほとんど変化しないことがわかった。 From FIG. 8, when the aging process is performed after the polarization reversal process, the change over time in the displacement amount (ratio of the decrease in the displacement amount) is suppressed to approximately 3%, which is a displacement compared to the case where the aging process is not performed. It can be seen that the decrease in the amount over time is further suppressed. Note that the temperature during the aging process is the same as the polarization temperature in the above example, but if the aging process is performed at a temperature lower than the polarization temperature, a decrease in the displacement amount can be suppressed as compared with the case without the aging process. (It has been found that the rate of decrease in displacement is suppressed between 3% and 10%). In addition, it was found that the piezoelectric characteristics and the withstand voltage hardly change with or without the aging treatment.
以上のように、圧電アクチュエータに対して分極反転処理後、分極温度以下の温度でエージング処理を行うことにより、圧電特性の低下や耐電圧の低下を招くことなく、変位量の経時的な低下をさらに抑えて、信頼性をさらに向上させることができる。これは、分極温度以下の温度でエージング処理を行うことで、エージング処理における圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥の熱による拡散を抑制しながら、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和できるためと考えられる。また、エージング処理として、上部電極および下部電極をショートさせて所定時間放置したり、分極反転処理と同バイアスのパルス波形を上部電極に印加することにより、エージング処理によって信頼性を向上させる上記の効果を確実に得ることができる。 As described above, after the polarization inversion process is performed on the piezoelectric actuator, the aging process is performed at a temperature equal to or lower than the polarization temperature, thereby reducing the displacement amount with time without causing a decrease in piezoelectric characteristics or a decrease in withstand voltage. Furthermore, the reliability can be further improved. This is because aging treatment at a temperature lower than the polarization temperature can alleviate stress and strain caused by polarization reversal treatment while suppressing diffusion of oxygen defects in the crystal of the piezoelectric thin film in the aging treatment due to heat. It is done. In addition, as the aging process, the upper electrode and the lower electrode are short-circuited and left for a predetermined time, or the pulse waveform having the same bias as that of the polarization inversion process is applied to the upper electrode, thereby improving the reliability by the aging process. Can be definitely obtained.
なお、エージング時間は、上記の例では24時間としているが、これよりも長い48時間、60時間等でも上記と同様の結果が得られることがわかった。したがって、エージング時間は、24時間には限定されない。また、エージング処理を行うときの印加パルス数は、上記の例では1億としているが、これ以上のパルス数でも上記と同様の結果が得られることがわかった。したがって、印加パルス数は、1億には限定されない。 The aging time is 24 hours in the above example, but it has been found that the same result as above can be obtained even when the aging time is longer than 48 hours, 60 hours, or the like. Therefore, the aging time is not limited to 24 hours. In addition, the number of applied pulses when performing the aging process is 100 million in the above example, but it has been found that the same result as above can be obtained even with a number of pulses larger than this. Therefore, the number of applied pulses is not limited to 100 million.
なお、エージング処理を行うときの印加パルスは、上記の例では三角波としているが、波形はこれに限定されず、正弦波、方形波、台形波などの他の波形であってもよい。また、パルス間隔も一定の周期(周波数)には限定されず、パルス間隔を変化させながらパルスを印加してもよい。 The applied pulse when performing the aging process is a triangular wave in the above example, but the waveform is not limited to this, and may be another waveform such as a sine wave, a square wave, or a trapezoidal wave. Further, the pulse interval is not limited to a fixed period (frequency), and pulses may be applied while changing the pulse interval.
以上で説明した本実施形態の圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電アクチュエータの製造方法は、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。 The piezoelectric actuator, the ink jet head, the ink jet printer, and the manufacturing method of the piezoelectric actuator according to the present embodiment described above can be expressed as follows, thereby producing the following effects.
本実施形態の圧電アクチュエータは、基板上に、第1の電極、圧電薄膜、第2の電極をこの順で積層した圧電アクチュエータであって、前記圧電薄膜において結晶中の酸素欠陥が、前記第2の電極との界面側の領域よりも前記第1の電極との界面側の領域に多く存在しており、前記圧電薄膜の分極方向が、前記第2の電極から前記第1の電極に向かう方向である。 The piezoelectric actuator of this embodiment is a piezoelectric actuator in which a first electrode, a piezoelectric thin film, and a second electrode are laminated in this order on a substrate, and oxygen defects in the crystal in the piezoelectric thin film have the second defect. More in the region on the interface side with the first electrode than in the region on the interface side with the electrode, and the polarization direction of the piezoelectric thin film is a direction from the second electrode toward the first electrode It is.
この構成では、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥が、第2の電極との界面側よりも第1の電極との界面側に多く存在し、第2の電極との界面側の領域への酸素欠陥の拡散が抑えられている。また、圧電薄膜の分極方向が下向き(第2の電極から第1の電極に向かう方向)であるので、駆動時には、第2の電極に正の電界を印加する駆動を行って、膜中の酸素欠陥の第1の電極から第2の電極側への移動を抑えることができる。これにより、酸素欠陥の拡散に起因するリークによる絶縁破壊や分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、信頼性の低下を抑え、かつ、圧電特性の低下を抑えた圧電アクチュエータを実現することができる。 In this configuration, there are more oxygen defects in the crystal of the piezoelectric thin film on the interface side with the first electrode than on the interface side with the second electrode, and oxygen in the region on the interface side with the second electrode is present. Defect diffusion is suppressed. In addition, since the polarization direction of the piezoelectric thin film is downward (the direction from the second electrode toward the first electrode), at the time of driving, driving to apply a positive electric field to the second electrode is performed, and oxygen in the film is The movement of the defect from the first electrode to the second electrode side can be suppressed. As a result, it is possible to suppress dielectric breakdown and polarization domain fixation due to leakage due to diffusion of oxygen defects. As a result, it is possible to realize a piezoelectric actuator that suppresses a decrease in reliability and suppresses a decrease in piezoelectric characteristics.
上記の圧電アクチュエータにおいて、前記各界面側の領域は、前記圧電薄膜の厚さ方向の長さに対して1%以内の範囲を考えることができる。 In the above piezoelectric actuator, the region on each interface side can be considered within a range of 1% or less with respect to the length in the thickness direction of the piezoelectric thin film.
上記の圧電アクチュエータは、前記第1の電極と前記圧電薄膜との間に設けられ、PLT、LaNiO3、SrRuO3のいずれかからなる配向制御層を含んでいてもよい。この場合、配向制御層により、圧電薄膜の結晶性および配向性を向上させて、圧電特性をさらに向上させることが可能となる。The piezoelectric actuator may include an orientation control layer provided between the first electrode and the piezoelectric thin film and made of any one of PLT, LaNiO 3 , and SrRuO 3 . In this case, the orientation control layer can improve the crystallinity and orientation of the piezoelectric thin film, thereby further improving the piezoelectric characteristics.
本実施形態のインクジェットヘッドは、上記の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている。これにより、信頼性の高い、高性能なインクジェットヘッドを実現することができる。 The ink jet head of this embodiment includes the above-described piezoelectric actuator and a nozzle substrate having a nozzle hole for ejecting ink accommodated in an opening formed in the substrate of the piezoelectric actuator to the outside. Thereby, a highly reliable and high performance ink jet head can be realized.
本実施形態のインクジェットプリンタは、上記のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる構成である。これにより、信頼性の高い、高性能なインクジェットプリンタを実現することができる。 The ink jet printer of this embodiment includes the above ink jet head, and is configured to eject ink from the ink jet head toward a recording medium. Thereby, a highly reliable and high performance ink jet printer can be realized.
本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法は、基板上に第1の電極を成膜する第1の工程と、前記第1の電極上に圧電薄膜を成膜する第2の工程と、前記圧電薄膜上に第2の電極を成膜する第3の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第2の電極の成膜後、前記第1の電極から前記第2の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第4の工程をさらに有し、前記第4の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の1/2以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第2の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第1の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う。 The piezoelectric actuator manufacturing method of the present embodiment includes a first step of forming a first electrode on a substrate, a second step of forming a piezoelectric thin film on the first electrode, and the piezoelectric thin film. A method of manufacturing a piezoelectric actuator having a third step of forming a second electrode thereon, the direction from the first electrode toward the second electrode after the formation of the second electrode The piezoelectric thin film formed so as to have a polarization direction in the piezoelectric thin film further includes a fourth step of performing a polarization reversal process for reversing the polarization direction. In the fourth step, the piezoelectric thin film has a Curie temperature of 1 By applying an electric field larger than the coercive electric field to the second electrode at a temperature of / 2 or less, oxygen defects in the crystal in the piezoelectric thin film are confined in a region on the interface side with the first electrode. The polarization inversion process is performed as it is.
分極反転を、圧電薄膜のキュリー温度の1/2以下の温度で行うことにより、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥の熱による拡散が抑制される。この状態で、抗電界よりも大きい電界を第2の電極に印加することにより、圧電薄膜の結晶中の酸素欠陥を、第2の電極との界面側の領域よりも第1の電極との界面側の領域に多く閉じ込めたまま分極反転を行うことができる。これにより、第2の電極との界面側の領域でのリークによる絶縁破壊や、結晶内部での分極ドメインの固定を抑えることができる。その結果、絶縁破壊による耐電圧の低下および変位量の経時的な低下を抑えて、信頼性の低下を抑えることができるとともに、分極ドメインの固定による圧電特性の低下を抑えることができる。つまり、分極反転を行っても、信頼性の低下および圧電特性の低下を抑えることができる。 By performing the polarization inversion at a temperature that is ½ or less of the Curie temperature of the piezoelectric thin film, diffusion of oxygen defects in the crystal of the piezoelectric thin film due to heat is suppressed. In this state, by applying an electric field larger than the coercive electric field to the second electrode, oxygen defects in the crystal of the piezoelectric thin film are caused to move to the interface with the first electrode rather than the region closer to the interface with the second electrode. The polarization inversion can be performed while being confined in a large amount in the side region. Thereby, dielectric breakdown due to leakage in the region on the interface side with the second electrode and fixation of the polarization domain inside the crystal can be suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in withstand voltage due to dielectric breakdown and a decrease in displacement over time, thereby suppressing a decrease in reliability, and it is possible to suppress a decrease in piezoelectric characteristics due to fixing of a polarization domain. That is, even if polarization inversion is performed, it is possible to suppress a decrease in reliability and a decrease in piezoelectric characteristics.
上記圧電アクチュエータの製造方法は、前記分極反転処理の後に、前記圧電薄膜の特性を安定させるためのエージング処理を行う第5の工程をさらに有し、前記エージング処理を、前記第4の工程における分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行うことが望ましい。 The method for manufacturing a piezoelectric actuator further includes a fifth step of performing an aging process for stabilizing the characteristics of the piezoelectric thin film after the polarization reversal process, and the aging process is performed by the polarization in the fourth process. It is desirable to carry out at a temperature equal to or lower than the temperature at the time of inversion processing.
分極反転処理後にエージング処理を行うことにより、分極反転処理によって生じる応力や歪みを緩和して、圧電薄膜の特性を安定させることができる。しかも、このエージング処理を、分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行うことにより、結晶中の酸素欠陥の熱による拡散を抑制しながら、応力や歪みを緩和することができる。その結果、圧電薄膜の特性がさらに安定し、変位量の経時的な低下をさらに抑えて信頼性を向上させることができる。 By performing the aging process after the polarization reversal process, the stress and strain generated by the polarization reversal process can be relaxed and the characteristics of the piezoelectric thin film can be stabilized. In addition, by performing this aging treatment at a temperature equal to or lower than the temperature at the time of polarization reversal treatment, it is possible to reduce stress and strain while suppressing diffusion of oxygen defects in the crystal due to heat. As a result, the characteristics of the piezoelectric thin film are further stabilized, and it is possible to further improve the reliability by further suppressing the temporal decrease in the amount of displacement.
前記エージング処理は、前記第1の電極および前記第2の電極をショートさせて所定時間放置する処理であってもよい。また、前記エージング処理は、前記第4の工程での分極反転処理と同バイアスのパルス波形を前記第2の電極に印加する処理であってもよい。このようなエージング処理により、変位量の経時的な低下をさらに抑えて信頼性を向上させるという上記の効果を確実に得ることができる。 The aging treatment may be a treatment in which the first electrode and the second electrode are short-circuited and left for a predetermined time. Further, the aging process may be a process of applying a pulse waveform having the same bias as that of the polarization inversion process in the fourth step to the second electrode. By such an aging process, it is possible to surely obtain the above-described effect of further improving the reliability by further suppressing the temporal decrease of the displacement amount.
本発明は、例えばインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに適用される圧電アクチュエータおよびその製造に利用可能である。 The present invention can be used for a piezoelectric actuator applied to, for example, an ink jet head and an ink jet printer, and its manufacture.
1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
21a アクチュエータ(圧電アクチュエータ)
22 基板
22a 圧力室(開口部)
24 下部電極(第1の電極)
25 圧電薄膜
26 上部電極(第2の電極)
29 配向制御層
31 ノズル基板
31a 吐出孔(ノズル孔)1
22
24 Lower electrode (first electrode)
25 Piezoelectric
29
Claims (4)
前記第1の電極上に圧電薄膜を成膜する第2の工程と、A second step of forming a piezoelectric thin film on the first electrode;
前記圧電薄膜上に第2の電極を成膜する第3の工程とを有する圧電アクチュエータの製造方法であって、A piezoelectric actuator manufacturing method comprising: a third step of forming a second electrode on the piezoelectric thin film,
前記第2の電極の成膜後、前記第1の電極から前記第2の電極に向かう方向に分極方向を持つように成膜された前記圧電薄膜の前記分極方向を反転させる分極反転処理を行う第4の工程をさらに有し、After film formation of the second electrode, a polarization inversion process is performed to invert the polarization direction of the piezoelectric thin film formed so as to have a polarization direction in a direction from the first electrode toward the second electrode. And further comprising a fourth step,
前記第4の工程では、前記圧電薄膜のキュリー温度の1/2以下の温度で、抗電界よりも大きい電界を前記第2の電極に印加することにより、前記圧電薄膜中の結晶中にある酸素欠陥を前記第1の電極との界面側の領域に閉じ込めたまま分極反転処理を行う圧電アクチュエータの製造方法。In the fourth step, an oxygen electric field larger than a coercive electric field is applied to the second electrode at a temperature equal to or lower than a Curie temperature of the piezoelectric thin film, whereby oxygen in the crystal in the piezoelectric thin film is present. A method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein a polarization inversion process is performed while a defect is confined in a region on the interface side with the first electrode.
前記エージング処理を、前記第4の工程における分極反転処理時の温度と同じ温度以下で行う請求項1に記載の圧電アクチュエータの製造方法。The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the aging process is performed at a temperature equal to or lower than a temperature at the time of the polarization inversion process in the fourth step.
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