JP6504426B2 - Method of forming an electromechanical conversion member - Google Patents

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Description

本発明は、駆動電圧信号が印加されることで変形する圧電体層などの電気機械変換層を有する電気機械変換部材の形成方法に関するものである。 The present invention relates to a method of forming the electro-mechanical conversion layer Yusuke that electrical-mechanical conversion member such as a piezoelectric layer is deformed by the drive voltage signal is applied.

この種の電気機械変換部材としては、例えば、インクジェット記録装置の液滴吐出装置のノズル孔から加圧液室内の液体を吐出させるために加圧液室を加圧するものが知られている。   As this type of electromechanical conversion member, for example, one that pressurizes a pressurized liquid chamber in order to eject the liquid in the pressurized liquid chamber from a nozzle hole of a droplet ejection device of an ink jet recording apparatus is known.

特許文献1には、チタン酸ジルコン酸鉛(以下「PZT」という。)からなる強誘電体結晶膜(圧電体層)を有する電気機械変換部材の製造方法が開示されている。この製造方法では、基板上に下部電極(第1電極)を形成した上に配向制御層としてSrRuO膜を形成し、その上にPZT膜を形成している。 Patent Document 1 discloses a method of manufacturing an electromechanical transducer having a ferroelectric crystal film (piezoelectric layer) made of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as "PZT"). In this manufacturing method, a lower electrode (first electrode) is formed on a substrate, an SrRuO 3 film is formed as an orientation control layer, and a PZT film is formed thereon.

PZTなどの圧電体層は、その下地層と同じ結晶方向に配向した膜になりやすい。また、圧電体層は、結晶方向がどの方向に揃っているかによって、圧電定数が変わってくる。よって、例えば、結晶方向が(100)に揃った圧電体層を形成したい場合、結晶方向が(111)である下部電極上に圧電体層を直接形成しようとすると、(100)の結晶方向に揃った圧電体層を得ることが難しい。そのため、特許文献1に記載の製造方法では、圧電体層の結晶方向を所望の方向に揃えるために、当該所望の結晶方向をもつSrRuO膜である配向制御層を下地層として下部電極上に形成している。これにより、結晶方向が所望の方向に揃った圧電体層を得ることができる。 Piezoelectric layers such as PZT tend to be films oriented in the same crystal direction as the underlying layer. The piezoelectric constant of the piezoelectric layer changes depending on which direction the crystal direction is aligned with. Therefore, for example, in the case where it is desired to form a piezoelectric layer in which the crystal direction is aligned with (100), if it is intended to directly form the piezoelectric layer on the lower electrode whose crystal direction is (111), It is difficult to obtain a uniform piezoelectric layer. Therefore, in the manufacturing method described in Patent Document 1, in order to align the crystal direction of the piezoelectric layer in a desired direction, an orientation control layer which is a SrRuO 3 film having the desired crystal direction is used as a base layer on the lower electrode. It is formed. Thereby, a piezoelectric layer in which crystal directions are aligned in a desired direction can be obtained.

ところが、配向制御層を形成する場合でも、未だ十分に結晶方向が所望の方向に揃った圧電体層を安定して得ることが難しいという問題がある。この問題は、配向制御層を形成する場合に限らず、圧電体層の狙い結晶方向と同じ結晶方向をもつ下部電極(第1電極)上に圧電体層を直接形成する場合でも同様である。   However, even in the case of forming the orientation control layer, there is still a problem that it is difficult to stably obtain a piezoelectric layer in which the crystal orientation is sufficiently aligned in the desired direction. This problem is not limited to the case of forming the orientation control layer, but is the same as in the case of directly forming the piezoelectric layer on the lower electrode (first electrode) having the same crystal direction as the target crystal direction of the piezoelectric layer.

上述した課題を解決するために、本発明は、振動板層上に、電極密着層、白金電極層、及び、酸化チタンからなる配向制御層を順次形成して、前記配向制御層の上に圧電体層及び上部電極層を順次形成する電気機械変換部材の形成方法において、前記酸化チタンからなる配向制御層を、真空度が8.6×10 −5 [Pa]以上1.0×10 −4 [Pa]以下である環境下でスパッタ法により形成することを特徴とする。 To solve the problems described above, the present invention is the diaphragm layer, the electrode contact layer, a platinum electrode layer, and, by sequentially forming a titanium oxide emissions or Ranaru orientation control layer, on the orientation control layer In the method of forming an electromechanical conversion member, in which the piezoelectric layer and the upper electrode layer are sequentially formed, the orientation control layer made of titanium oxide is formed by using a vacuum degree of 8.6 × 10 −5 [Pa] or more and 1.0 × 10 5 and wherein the formation child by sputtering in an environment at -4 [Pa] or less.

本発明によれば、結晶方向が所望の方向に揃った圧電体層を安定して得ることができるという優れた効果が奏される。   According to the present invention, an excellent effect of stably obtaining a piezoelectric layer in which crystal directions are aligned in a desired direction is exhibited.

実施形態の圧電素子の基本的層構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic layer structure of the piezoelectric element of embodiment. (a)は、SEM観察の結果を示し、図2(b)は、EBSBによる結晶性の解析結果を示し、図2(c)は、正極点図であり、左列に比較例1の結果を示し、右列に実施例1の結果を示したものである。(A) shows the result of SEM observation, FIG. 2 (b) shows the analysis result of crystallinity by EBSB, FIG. 2 (c) is a positive electrode dot diagram, and the left column shows the result of Comparative Example 1 And the results in Example 1 are shown in the right column. (a)は、図2(a)の左列に対応するSEM観察の結果の説明図である。(b)は、図2(b)の左列に対応するEBSBによる結晶性の解析結果の説明図である。(A) is explanatory drawing of the result of SEM observation corresponding to the left row of Fig.2 (a). (B) is explanatory drawing of the analysis result of crystallinity by EBSB corresponding to the left row of FIG.2 (b). (a)は、比較例1における白濁部の粒径分布を示すグラフであり、(b)は、実施例1における白濁部の粒径分布を示すグラフである。(A) is a graph which shows particle size distribution of the white turbidity part in comparative example 1, and (b) is a graph which shows particle size distribution of the white turbidity part in Example 1. FIG. 実施形態の圧電素子を採用した液滴吐出ヘッドの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a droplet discharge head employing the piezoelectric element of the embodiment. 同液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the same droplet discharge head. 同液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置を例示する斜視図である。FIG. 2 is a perspective view illustrating an ink jet recording apparatus provided with the same droplet discharge head. 同インクジェット記録装置を例示する側面図である。It is a side view which illustrates the same ink jet recording device.

以下、本発明に係る電気機械変換部材としての圧電素子を、画像形成装置としてのインクジェット記録装置における液滴吐出装置としての液滴吐出ヘッドに適用した一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which a piezoelectric element as an electromechanical conversion member according to the present invention is applied to a droplet discharge head as a droplet discharge device in an ink jet recording device as an image forming device will be described.

図1は、本実施形態の圧電素子の基本的層構成を示す断面図である。
圧電素子は、基板10上に、振動板層11、下部電極層20、電気機械変換層である圧電体層(圧電体膜)30、上部電極層40、保護層50、層間絶縁層(不図示)、電極配線層(不図示)等を積層することにより形成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic layer configuration of the piezoelectric element of the present embodiment.
The piezoelectric element includes a diaphragm layer 11, a lower electrode layer 20, a piezoelectric layer (piezoelectric film) 30 which is an electromechanical conversion layer, an upper electrode layer 40, a protective layer 50, an interlayer insulating layer (not shown) on a substrate 10. ), And an electrode wiring layer (not shown) or the like.

基板10としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、100[μm]以上600[μm]以下の厚みを持つものが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本実施形態においては、主に(100)の面方位を持つシリコン単結晶基板を使用している。   As the substrate 10, a silicon single crystal substrate is preferably used, and one having a thickness of 100 μm to 600 μm is preferable. There are three kinds of plane orientations such as (100), (110) and (111), but (100) and (111) are widely used generally in the semiconductor industry, and in the present embodiment, they are mainly used. A silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation is used.

エッチング技術を利用してシリコン単結晶基板を加工していく場合、そのエッチング方法としては異方性エッチングを用いることが一般的である。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エッチング方法である。例えば、KOH等のアルカリ溶液に浸漬させる異方性エッチングでは、(111)の結晶方向をもつ場合は、(100)の結晶方向をもつ場合に比べて、約1/400程度のエッチング速度となる。したがって、(100)の結晶方向をもつ場合は、約54.74[°]の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、(110)の結晶方向をもつ場合は、深い溝をほることができ、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。これを考慮すれば、本実施形態では、(110)の結晶方向をもつシリコン単結晶基板を使用することも可能である。   When processing a silicon single crystal substrate using an etching technique, it is general to use anisotropic etching as the etching method. Anisotropic etching is an etching method utilizing the property that etching rates differ with respect to the plane orientation of a crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, an etching rate of about 1/400 is obtained in the case of having the (111) crystal direction as compared with the case of having the (100) crystal direction. . Therefore, in the case of having the (100) crystal orientation, a structure having an inclination of about 54.74 [°] can be produced, whereas in the case of having the (110) crystal orientation, it is necessary to dent the deep groove. It has been found that the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity. Taking this into consideration, in the present embodiment, it is also possible to use a silicon single crystal substrate having a (110) crystal orientation.

次に、本実施形態における圧電素子の製造方法について説明する。
まず、面方位(100)である結晶方向をもつシリコン単結晶基板からなる基板10上に振動板層11を形成する。振動板層11は、圧電体層30の変形によって発生した力を受けて変位可能なものである。振動板層11の形成方法としては、スパッタ法、スパッタ法と熱酸化法との組み合わせ、熱処理製膜法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法などが挙げられる。
Next, a method of manufacturing the piezoelectric element in the present embodiment will be described.
First, the diaphragm layer 11 is formed on a substrate 10 made of a silicon single crystal substrate having a crystal orientation of (100) surface orientation. The diaphragm layer 11 is displaceable by receiving a force generated by the deformation of the piezoelectric layer 30. The method for forming the diaphragm layer 11 includes sputtering, a combination of sputtering and thermal oxidation, heat treatment film forming, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), etc. Be

本実施形態において、振動板層11は、例えば、厚さ200[nm]のシリコン酸化膜をLPCVD法により成膜する。また、シリコン酸化膜の表面粗さは算術平均粗さで5[nm]以下であるのが好ましい。その後、例えば厚さ500[nm]のポリシリコン膜(例えば厚さ500nm)を成膜する。ポリシリコン膜の厚さは0.1〜3[μm]が好ましく、表面粗さは算術平均粗さで5[nm]以下であるのが好ましい。次に、例えば厚さ150[nm]のシリコン窒化膜をLPCVD法により成膜する。これらの膜は必要回数だけ交互に積層され、最終的に振動板層11としての応力バランスが平衡に達するところで止める。ただし、振動板層11の最表面はシリコン酸化膜とする。本実施形態の振動板層11は、複数の膜を積層した複数層構造であるが、単一材料の単層構造であってもよい。   In the present embodiment, for the diaphragm layer 11, for example, a silicon oxide film having a thickness of 200 nm is formed by the LPCVD method. The surface roughness of the silicon oxide film is preferably 5 nm or less in arithmetic average roughness. Thereafter, for example, a polysilicon film (eg, 500 nm thick) having a thickness of 500 nm is formed. The thickness of the polysilicon film is preferably 0.1 to 3 [μm], and the surface roughness is preferably 5 [nm] or less in arithmetic average roughness. Next, for example, a silicon nitride film having a thickness of 150 nm is formed by the LPCVD method. These films are alternately laminated as many times as necessary, and finally, stop when the stress balance as the diaphragm layer 11 reaches equilibrium. However, the outermost surface of the diaphragm layer 11 is a silicon oxide film. The diaphragm layer 11 of the present embodiment has a multi-layer structure in which a plurality of films are stacked, but may be a single-layer structure of a single material.

このようにして形成される振動板層11の表面粗さは、算術平均粗さで4[nm]以下とするのが好ましい。4[nm]よりも大きいと、その後に成膜される圧電体層30等の絶縁耐圧が悪化しやすく、リークが生じやすくなるためである。また、LPCVD法で成膜された膜であれば、半導体、MEMSデバイス等で一般的に従来から適用されており、加工も容易であることから、新たなプロセス課題を持ち込まず、SOI(Silicon on Insulator)等の高価な基板を用いることなく、安定した振動板層11を得ることができる。   The surface roughness of the diaphragm layer 11 thus formed is preferably 4 nm or less in arithmetic average roughness. If the thickness is larger than 4 [nm], the withstand voltage of the piezoelectric layer 30 or the like to be formed subsequently is apt to deteriorate, and leakage tends to occur. Moreover, if it is a film formed into a film by LPCVD method, since it is generally applied conventionally to a semiconductor, a MEMS device, etc. and processing is easy, it will not introduce a new process subject, and SOI (Silicon on) The stable diaphragm layer 11 can be obtained without using an expensive substrate such as Insulator.

次に、振動板層11の上に第1電極としての共通電極であるPt電極22を形成するが、Pt電極22は上述した振動板層11との密着性が悪い。そのため、本実施形態では、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等からなる電極密着層21を、振動板層11上に形成してからPt電極22を形成する。本実施形態のPt電極22は、(111)の結晶方向への配向性が高いものとなっており、X線回折によりPtの結晶性を評価したときにそのピーク強度の高いPt膜が得られている。そのため、(100)あるいは(001)の結晶方向をもつPZTからなる圧電体層30を形成するために、本実施形態では配向制御層23を圧電体層30の下地層として形成する。 Next, although Pt electrode 22 which is a common electrode as a 1st electrode is formed on diaphragm layer 11, Pt electrode 22 has bad adhesion with diaphragm layer 11 mentioned above. Therefore, in the present embodiment, the electrode adhesion layer 21 made of Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5 or the like is formed on the diaphragm layer 11 and then the Pt electrode 22 is formed. The Pt electrode 22 of the present embodiment has high orientation in the (111) crystal direction, and when the crystallinity of Pt is evaluated by X-ray diffraction, a Pt film having a high peak intensity is obtained. ing. Therefore, in order to form the piezoelectric layer 30 made of PZT having a crystal direction of (100) or (001), the orientation control layer 23 is formed as a base layer of the piezoelectric layer 30 in this embodiment.

配向制御層23としては、例えば、酸化チタンで形成することができる。この場合、その上に積層するゾルゲル液のPZTと反応して、TiリッチなPZT膜が生成される、Tiリッチな膜は(100)の結晶方向をもつPZTの結晶源として働き、さらに積層されるPZT膜の(100)または(001)の結晶方向を揃えることができる。配向制御層23は、酸化チタンに限らず、チタン酸鉛などの他の材料で形成することもできる。チタン酸鉛の場合、(100)の結晶方向をもつPZTの結晶源として直接的に働くので、好ましい。   The orientation control layer 23 can be formed of, for example, titanium oxide. In this case, the Ti-rich PZT film is generated by reacting with the PZT of the sol-gel solution stacked thereon, and the Ti-rich film acts as a crystal source of PZT having a (100) crystal direction, and is further stacked. The (100) or (001) crystal orientation of the PZT film can be aligned. The orientation control layer 23 is not limited to titanium oxide, but may be formed of other materials such as lead titanate. Lead titanate is preferable because it directly acts as a crystal source of PZT having a (100) crystal orientation.

また、下部電極層20を構成する電極密着層21、Pt電極22、配向制御層23は、スパッタ法や真空蒸着法等のように、真空度の高い環境下で成膜される。特に、本実施形態においては、真空度が1.0×10-4[Pa]以下である環境下で、スパッタ法により下部電極層20を成膜した。下部電極層20の全体の層厚としては、0.02[μm]以上0.5[μm]以下であるのが好ましく、0.02[μm]以上0.05[μm]以下であるのがさらに好ましい。 The electrode adhesion layer 21, the Pt electrode 22, and the orientation control layer 23 constituting the lower electrode layer 20 are formed in an environment with a high degree of vacuum, such as a sputtering method or a vacuum evaporation method. In particular, in the present embodiment, the lower electrode layer 20 is formed by sputtering under an environment in which the degree of vacuum is 1.0 × 10 −4 [Pa] or less. The total layer thickness of the lower electrode layer 20 is preferably 0.02 μm or more and 0.5 μm or less, and more preferably 0.02 μm or more and 0.05 μm or less. More preferable.

圧電体層30は、鉛とチタンとジルコニウムを含むペロブスカイト型酸化物誘電体で形成されたものが好ましく、本実施形態ではPZTで形成されている。PZTは、ジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸鉛(PbTiO)との固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrOとPbTiOの比率を53:47の割合としたもので、化学式で示すと、Pb(Zr0.53Ti0.47)Oと表記でき、PZT(53/47)と示されることもある。 The piezoelectric layer 30 is preferably formed of a perovskite-type oxide dielectric containing lead, titanium and zirconium, and is formed of PZT in this embodiment. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and has different characteristics depending on the ratio. In general, the composition showing excellent piezoelectric characteristics is a composition in which the ratio of PbZrO 3 to PbTiO 3 is a ratio of 53:47, and it is expressed as Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 in chemical formula. And may be denoted as PZT (53/47).

圧電体層30としては、PZT以外にも、チタン酸バリウムなどが挙げられる。この圧電体層30は、例えば、バリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒に溶解させることで、チタン酸バリウム前駆体溶液を作製して形成することができる。   As the piezoelectric layer 30, barium titanate may be used other than PZT. The piezoelectric layer 30 can be formed, for example, by preparing a barium titanate precursor solution by dissolving it in a common solvent using a barium alkoxide or a titanium alkoxide compound as a starting material.

ペロブスカイト型酸化物誘電体の材料は、一般式ABO3型構造で記述することができ、例えば、A=Pb,Ba,Sr、B=Ti,Zr,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は、(Pb−X,Ba)(Zr,Ti)O、(Pb1−X,Sr)(Zr,Ti)O等となる。これは、AサイトのPbの一部をBaやSrで置換したものを示している。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。 The material of the perovskite type oxide dielectric can be described by the general formula ABO3 type structure, for example, A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, Nb as main components The corresponding composite oxide is applicable. As a specific description, (Pb 1 -X, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb 1-X , Sr) (Zr, Ti) O 3 or the like. This indicates that a part of Pb at the A site is substituted with Ba or Sr. Such substitution is possible if it is a divalent element, and its effect is to reduce the characteristic deterioration due to the evaporation of lead during heat treatment.

圧電体層30の形成方法としては、スパッタ法やゾルゲル法等を用いて作製することができる。圧電体層30の形成にはパターニング処理が必要となるので、フォトリソエッチング等により圧電体層30を所望の形状に形成する。PZTをゾルゲル法により形成する場合、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させて均一溶液にして、PZT前駆体溶液を作製する。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、PZT前駆体溶液には安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量添加してもよい。   The piezoelectric layer 30 can be formed by using a sputtering method, a sol-gel method, or the like. Since the formation of the piezoelectric layer 30 requires a patterning process, the piezoelectric layer 30 is formed into a desired shape by photolithography and the like. When PZT is formed by a sol-gel method, lead acetate, a zirconium alkoxide, and a titanium alkoxide compound are used as starting materials, and dissolved in methoxyethanol as a common solvent to form a uniform solution, thereby preparing a PZT precursor solution. The metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the air, so an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added as a stabilizer to the PZT precursor solution.

基板10の全面にPZT膜を形成する場合には、スピンコートなどの溶液塗布法によりPZT前駆体溶液を塗膜し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで圧電体層30を形成する。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックが生じないように一度の工程で形成される膜厚が100[nm]以下となるように、PZT前駆体溶液の濃度を調整するのが好ましい。   When a PZT film is formed on the entire surface of the substrate 10, a PZT precursor solution is coated by a solution coating method such as spin coating, and the piezoelectric layer is subjected to heat treatment such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. Form 30. Since transformation from a coating film to a crystallized film is accompanied by volume contraction, the concentration of the PZT precursor solution is adjusted so that the film thickness formed in one step is 100 nm or less so as not to cause a crack. It is preferable to adjust.

一方、PZT膜をインクジェット工法により形成する場合には、最初からパターニングされた圧電体層30を得ることができる。表面改質材については、下地層の材料によっても異なるが、酸化物を下地層とする場合は主にシラン化合物を用い、金属を下地層とする場合は主にアルカンチオールを用いることができる。   On the other hand, when the PZT film is formed by the inkjet method, the piezoelectric layer 30 patterned from the beginning can be obtained. The surface modifier may vary depending on the material of the underlayer, but a silane compound is mainly used in the case of using an oxide as the underlayer, and alkanethiol can be mainly used in the case of using a metal as the underlayer.

圧電体層30の層厚は、0.5[μm]以上5[μm]以下であるのが好ましく、1[μm]以上2[μm]以下であるのがさらに好ましい。0.5[μm]未満であると、駆動電圧信号によって十分な変形を発生させることが難しくなり、5[μm]を超えると、積層数が多くなるため、工程数が増え、プロセス時間が長くなる。   The thickness of the piezoelectric layer 30 is preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 2 μm or less. If it is less than 0.5 [μm], it becomes difficult to generate sufficient deformation due to the drive voltage signal, and if it exceeds 5 [μm], the number of layers increases, so the number of steps increases and the process time becomes long Become.

本実施形態においては圧電体層30の配向性(結晶方向が所望の方向に揃っている度合い)は、PZTをゾルゲル法により作製したPZT前駆体溶液を用いてスピンコートにより塗膜して2[μm]のPZT膜を成膜し、X線回折装置を用いて評価する。具体的には、X線回折装置により各結晶方向のピーク強度の総和を1としたときそれぞれの結晶方向の比率(配向度ρ)を、下記の式(1)より算出し、その配向度の高さで評価する。本実施形態において、(100)の結晶方向に高い配向性をもつPZT膜は、配向度ρが、(100)の結晶方向については0.85以上であり、かつ、(110)の結晶方向については0.05以下であるとする。この範囲から外れると、圧電素子を連続駆動した後の変位劣化については十分な特性が得られない。
ρ = I(h k l) / ΣI(h k l)
右辺分母:各結晶方向のピーク強度の総和
右辺分子:対象とする結晶方向のピーク強度
In the present embodiment, the orientation (the degree to which the crystal orientation is aligned with the desired direction) of the piezoelectric layer 30 can be determined by coating the PZT by spin coating using a PZT precursor solution prepared by sol-gel method. [mu] m] is deposited and evaluated using an X-ray diffractometer. Specifically, assuming that the sum of peak intensities in respective crystal directions is 1 using an X-ray diffractometer, the ratio (orientation degree ρ) of the respective crystal directions is calculated from the following equation (1). Evaluate by height. In the present embodiment, a PZT film having high orientation in the (100) crystal direction has an orientation degree ρ of 0.85 or more in the (100) crystal direction, and with respect to the (110) crystal direction. Is less than 0.05. If it is out of this range, sufficient characteristics can not be obtained with respect to displacement deterioration after continuously driving the piezoelectric element.
ρ = I (h k l) / I I (h k l)
Right side denominator: Sum of peak intensities in each crystal direction Right side numerator: Peak intensity in target crystal direction

このような圧電体層30の上には、上部電極層40が形成される。上部電極層40の材料としては、特に制限はなく、Al、Cuなどの一般的な半導体プロセスで用いられる材料およびその組み合わせで形成することができる。本実施形態においては、PZTで構成される圧電体層30との密着性を良好にするため、同じペロブスカイト系の構造を持つSRO(SrRuO)を下敷き層41として形成した後に、Pt電極42を形成した。 An upper electrode layer 40 is formed on such a piezoelectric layer 30. The material of the upper electrode layer 40 is not particularly limited, and can be formed of a material used in a general semiconductor process, such as Al or Cu, and a combination thereof. In this embodiment, the Pt electrode 42 is formed after the SRO (SrRuO 3 ) having the same structure of the perovskite system is formed as the underlying layer 41 in order to improve the adhesion to the piezoelectric layer 30 composed of PZT. It formed.

〔実施例1〕
次に、本実施形態における圧電素子の一実施例(以下、本実施例を「実施例1」という。)について説明する。
実施例1は、シリコン単結晶基板の表面に熱酸化膜を形成した後、CVD法により積層型の振動板層11を形成する。詳細には、基板10となるシリコンウェハに、膜厚600[nm]の熱酸化膜を形成し、その上に、厚さ200[nm]のポリシリコン膜、厚さ100[nm]のシリコン酸化膜、厚さ150[nm]のシリコン窒化膜、厚さ150[nm]のシリコン酸化膜、厚さ150[nm]のシリコン窒化膜、厚さ100[nm]のシリコン酸化膜、厚さ200[nm]のポリシリコン膜、最後に、厚さ600[nm]のシリコン酸化膜を形成して、振動板層11とした。なお、図1においては、振動板層11は一層で示してある。
Example 1
Next, an example of the piezoelectric element in the present embodiment (hereinafter, this example will be referred to as “example 1”) will be described.
In Example 1, after forming a thermal oxide film on the surface of a silicon single crystal substrate, the laminated diaphragm layer 11 is formed by the CVD method. Specifically, a thermal oxide film with a film thickness of 600 nm is formed on a silicon wafer to be the substrate 10, and a polysilicon film with a thickness of 200 nm and a silicon oxide with a thickness of 100 nm are formed thereon. Film, 150 nm thick silicon nitride film, 150 nm thick silicon oxide film, 150 nm thick silicon nitride film, 100 nm thick silicon oxide film, 200 thick Finally, a silicon oxide film with a thickness of 600 nm is formed as a diaphragm layer 11. In FIG. 1, the diaphragm layer 11 is shown as a single layer.

つづいて、このようにして形成した振動板層11の上に、下部電極層20を構成する電極密着層21を成膜する。電極密着層21の形成方法は、スパッタ法でTiの金属膜を形成した後、RTA(Rapid Thermal Anneal)装置により、酸素雰囲気中で酸化処理してTiO膜を形成し、これを電極密着層21とした。Ti金属膜成膜装置は、アルバック社製スパッタリング装置SME−200Eを用いた。電極密着層21の形成条件は、基板温度を150[℃]、DC投入パワーを300[W]、Arガス圧を0.14[Pa]とし、膜厚を50[nm]とした。そして、このTi金属膜に対し、730[℃](昇温速度30[℃/秒])、酸素流量1[sccm]、酸素100[%]の雰囲気で、3分間熱酸化焼成した。焼成後の膜厚は、83〜86[nm]であった。 Subsequently, the electrode adhesion layer 21 constituting the lower electrode layer 20 is formed on the diaphragm layer 11 thus formed. The electrode adhesion layer 21 is formed by forming a metal film of Ti by sputtering, and then performing oxidation treatment in an oxygen atmosphere by an RTA (Rapid Thermal Anneal) apparatus to form a TiO 2 film, which is used as an electrode adhesion layer. It was 21. As a Ti metal film deposition apparatus, a sputtering apparatus SME-200E manufactured by ULVAC, Inc. was used. The conditions for forming the electrode adhesion layer 21 were a substrate temperature of 150 ° C., a DC input power of 300 W, an Ar gas pressure of 0.14 Pa, and a film thickness of 50 nm. Then, the Ti metal film was thermally oxidized and fired for 3 minutes in an atmosphere of 730 [° C.] (heating rate 30 [° C./sec]), oxygen flow rate 1 [sccm] and oxygen 100 [%]. The film thickness after firing was 83 to 86 [nm].

次に、下部電極層20を構成するPt電極22を160[nm]の膜厚で形成した。このPt電極22を成膜する前に、そのプロセス室および搬送室の真空度を1.0×10−4[Pa]とした。プロセス条件は、基板温度を500[℃]、RF投入パワーを500[W]、Arガス圧を0.16[Pa]とした。これにより、Pt電極22は(111)面が膜厚方向に配向したものとなった。 Next, a Pt electrode 22 constituting the lower electrode layer 20 was formed to a thickness of 160 nm. Before depositing the Pt electrode 22, the degree of vacuum of the process chamber and the transfer chamber was set to 1.0 × 10 −4 [Pa]. The process conditions were such that the substrate temperature was 500 ° C., the RF input power was 500 W, and the Ar gas pressure was 0.16 Pa. As a result, the (111) plane of the Pt electrode 22 was oriented in the film thickness direction.

本実施例1において、Pt電極22を160[nm]とした理由は、Pt電極22の成膜温度条件が550[℃]以上である場合、250[nm]を超えた膜厚ではPt電極22の膜自体に白濁が観測されたため、白濁を示さない範囲とするためである。白濁が観測された理由は、表面粗さが大きくなったためと考えられる。本実施形態において、狙いの表面粗さSaが15[nm]以上20[nm]以下としている。Pt電極22に空孔を形成されない値として、膜厚を160[nm]としている。   In the first embodiment, the reason why the Pt electrode 22 is set to 160 nm is that the Pt electrode 22 has a film thickness exceeding 250 nm when the film forming temperature condition of the Pt electrode 22 is 550 ° C. or higher. Since white turbidity was observed in the film itself, it is in the range which does not show white turbidity. The reason why the white turbidity was observed is considered to be that the surface roughness increased. In the present embodiment, the target surface roughness Sa is 15 [nm] or more and 20 [nm] or less. The film thickness is 160 [nm] as a value at which no void is formed in the Pt electrode 22.

次に、下部電極層20を構成する配向制御層23として、Ti膜を5[nm]の膜厚で形成した。その形成条件は、基板温度を150[℃]とし、DC投入パワーを300[W]とし、Arガスをスパッタガスとしてそのガス圧を0.14[Pa]とした。このとき、スパッタ前のプロセス室および搬送室の真空度を1.0×10−4[Pa]とした。Ti成膜後、RTA装置で酸化雰囲気中で熱処理を実施し、酸化チタンとした。このTi金属膜に対し、730[℃](昇温速度30[℃/秒])、酸素流量1[sccm]、酸素100[%]の雰囲気で、1分間熱酸化焼成した。焼成後の膜厚は、8.1〜8.5[nm]であった。この膜厚は、X線回折装置の小角散乱により測定し、フィッティングをして得ている。 Next, as the orientation control layer 23 constituting the lower electrode layer 20, a Ti film was formed with a film thickness of 5 nm. The formation conditions were such that the substrate temperature was 150 [° C.], the DC input power was 300 [W], and Ar gas was a sputtering gas, and the gas pressure was 0.14 [Pa]. At this time, the degree of vacuum of the process chamber and the transfer chamber before sputtering was set to 1.0 × 10 −4 [Pa]. After Ti film formation, heat treatment was performed in an oxidizing atmosphere with an RTA apparatus to obtain titanium oxide. The Ti metal film was thermally oxidized and fired for 1 minute in an atmosphere of 730 [° C.] (heating rate 30 [° C./sec]), oxygen flow rate 1 [sccm] and oxygen 100 [%]. The film thickness after firing was 8.1 to 8.5 [nm]. This film thickness is measured by small angle scattering of an X-ray diffractometer and obtained by fitting.

次に、圧電体層30を形成した。圧電体材料としては、最も一般的なPZT(焼成後Zr/Ti=52/48となる組成、Pb過剰量が15[atomic%])の原材料を選択した。PZTを構成する金属元素Pb、Zr、Tiを成分とするアルコキシドを出発原料として形成した。1層目をスピンコートした後、RTA装置を使用して、温度490[℃]の酸素雰囲気中で5分間焼成した。続いて、2層目、3層目も同様にして固化焼成した後、結晶化のための焼成として、750[℃]の乾燥空気中の雰囲気で3分間焼成した。この3層(M=3)を積層した際の膜厚は250[nm]であった。この3層の積層を同じ手順で繰り返し、全体として膜厚2[μm]の圧電体層30を形成した。   Next, the piezoelectric layer 30 was formed. As a piezoelectric material, the most common raw material of PZT (composition to be Zr / Ti = 52/48 after firing, Pb excess amount is 15 [atomic%]) was selected. The alkoxide which has the metal element Pb, Zr, and Ti which comprise PZT as a component was formed as a starting material. After spin-coating the first layer, it was baked for 5 minutes in an oxygen atmosphere at a temperature of 490 [° C.] using an RTA apparatus. Subsequently, the second and third layers were similarly solidified and fired, and then fired for 3 minutes in an atmosphere of dry air at 750 ° C. as firing for crystallization. The film thickness at the time of laminating these three layers (M = 3) was 250 [nm]. The lamination of these three layers was repeated in the same procedure to form a piezoelectric layer 30 having a film thickness of 2 μm as a whole.

このようにして圧電体層30を形成した後、圧電体層30の評価を行った。
まず、SEM観察を行ったところ、その結晶の平均粒径が0.18[μm]、粒径の分布範囲が0.05〜0.5[μm]であった。このとき、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、白濁は観察されなかった。また、EBSD(Electron Backscatter Diffraction)によりその配向を調べたところ、(100)の結晶方向に高い配向性を示し、正極点図でも良好な結晶性を示していた。このときのX線回折の結果は、(100)の結晶方向についてのピーク強度が150[kcps]以上(150〜200[kcps])であり、(100)の結晶方向についての配向度は92〜95[%]であった。なお、X線回折装置は、ブルカー社製D8 DISCOVERを用いた。
After the piezoelectric layer 30 was formed in this manner, the piezoelectric layer 30 was evaluated.
First, when SEM observation was performed, the average particle diameter of the crystals was 0.18 μm, and the distribution range of the particle diameter was 0.05 to 0.5 μm. At this time, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, the white turbidity was not observed. Moreover, when the orientation was examined by EBSD (Electron Backscatter Diffraction), it showed high orientation in the (100) crystal direction, and showed good crystallinity in the positive electrode dot diagram. The result of X-ray diffraction at this time is that the peak intensity in the crystal direction of (100) is 150 [kcps] or more (150 to 200 [kcps]), and the degree of orientation in the crystal direction of (100) is 92 to It was 95 [%]. In addition, D8 DISCOVER made by Bruker was used for the X-ray-diffraction apparatus.

このようにして圧電体層30を形成した後、上部電極層40を形成する。具体的には、まず、圧電体層30上に、下敷き層41として導電性酸化物層であるSrRuOを40[nm]の厚みで成膜した。その形成条件は、基板温度を550[℃]とし、RF投入パワーを400[W]とし、Oガスを30[%]含有したArガスをスパッタガスとしてそのガス圧を1.6[Pa]とした。さらに、第2電極であるPt電極42を125[nm]の膜厚で形成した。プロセス条件は、基板温度を300[℃]とし、RF投入パワーを500[W]とし、Arガス圧を0.16[Pa]とした。 After the piezoelectric layer 30 is formed in this manner, the upper electrode layer 40 is formed. Specifically, first, SrRuO 3 , which is a conductive oxide layer, was formed to a thickness of 40 [nm] as the underlying layer 41 on the piezoelectric layer 30. The forming conditions are as follows: substrate temperature is 550 [° C.], RF input power is 400 [W], Ar gas containing 30% of O 2 gas is sputtering gas, and the gas pressure is 1.6 [Pa] And Furthermore, a Pt electrode 42, which is a second electrode, was formed to a thickness of 125 nm. Process conditions set the substrate temperature to 300 [° C.], the RF input power to 500 [W], and the Ar gas pressure to 0.16 [Pa].

その後、フォトリソグラフィーの技術を用いてレジストパターンを形成した後、図1に示した形状となるように、積層構造のエッチング及びレジストアッシングを行った。Pt電極42のサイズは、45μm×1mmの短冊状の形状とした。   Then, after forming a resist pattern using the technique of photolithography, etching and resist ashing of laminated structure were performed so that it might become a shape shown in FIG. The size of the Pt electrode 42 was a strip of 45 μm × 1 mm.

その後、圧電素子を保護するための保護層50であるパッシベーション膜を形成し、図示しない層間絶縁層の形成、Pt電極42と配線パターンとの接続形成、配線パターンを保護するパシベーション膜の形成等を行って圧電素子を作製した。   Thereafter, a passivation film, which is a protective layer 50 for protecting the piezoelectric element, is formed, and formation of an interlayer insulating layer not shown, connection between the Pt electrode 42 and the wiring pattern, formation of a passivation film for protecting the wiring pattern, etc. Then, a piezoelectric element was manufactured.

このようにして圧電素子を作製した後、分極処理してから上下電極間のリーク電流の測定を行った。このとき、上部電極層40の側を正の電位とし、下部電極層20の側を負の電位(アース電位)とした。分極処理条件としては、0[V]から3分間でゆっくり電圧を上げて印加電圧を40[V]とし、印加電圧を1分間保持した後、3分間で0[V]までゆっくり電圧を下げるようにした。また、圧電素子のリーク電流量としては、分極処理後の評価で30[V]印加時のリーク電流量が1.8〜2.7×10−7[A/cm−2]となるようにした。このリーク電流量は、圧電素子の機能を果たすのに十分に小さい値である。また、これらの電気特性の結果は、液滴吐出ヘッドとして十分なものである。 After producing the piezoelectric element in this manner, polarization processing was performed, and then the leakage current between the upper and lower electrodes was measured. At this time, the side of the upper electrode layer 40 was set to a positive potential, and the side of the lower electrode layer 20 was set to a negative potential (earth potential). As polarization processing conditions, increase the voltage slowly from 0 [V] in 3 minutes to set the applied voltage to 40 [V], hold the applied voltage for 1 minute, and then slowly reduce the voltage to 0 [V] in 3 minutes I made it. In addition, as the amount of leakage current of the piezoelectric element, the amount of leakage current when 30 [V] is applied is 1.8 to 2.7 × 10 −7 [A / cm −2 ] in the evaluation after polarization processing. did. The amount of leakage current is a value small enough to perform the function of the piezoelectric element. In addition, the result of these electrical characteristics is sufficient as a droplet discharge head.

このようにして作製された圧電素子を本実施形態のインクジェット記録装置に用い、インク充填後にインクの吐出評価を行った。粘度を5[cp]に調整したインクを用いて、単純Push波形をもつ−10[V]〜−30[V]の駆動電圧信号を加えたときの吐出状況を確認したところ、すべてのノズル孔から適切な吐出動作が行われていることが確認された。   The piezoelectric element produced in this manner was used in the ink jet recording apparatus of the present embodiment, and the ink discharge evaluation was performed after the ink was filled. The ink was adjusted to a viscosity of 5 [cp], and when the driving voltage signal of -10 [V] to -30 [V] with a simple Push waveform was applied, all nozzle holes were confirmed. It was confirmed from the results that an appropriate discharge operation was performed.

〔実施例2〕
次に、本実施形態における圧電素子の他の実施例(以下、本実施例を「実施例2」という。)について説明する。
本実施例2は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を9.8×10−5[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成した。本実施例2においても、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、白濁は観察されなかった。
Example 2
Next, another example of the piezoelectric element in the present embodiment (hereinafter, this example will be referred to as “example 2”) will be described.
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the degree of vacuum of the process chamber at the time of forming the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in the first embodiment is 9.8 × 10 −5 [Pa]. The piezoelectric layer 30 was formed under the same conditions. Also in Example 2, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, the white turbidity was not observed.

〔実施例3〕
次に、本実施形態における圧電素子の更に他の実施例(以下、本実施例を「実施例3」という。)について説明する。
本実施例3は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を8.6×10−5[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成した。本実施例3においても、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、白濁は観察されなかった。
[Example 3]
Next, still another example of the piezoelectric element in the present embodiment (hereinafter, this example will be referred to as “example 3”) will be described.
The third embodiment is the same as the first embodiment except that the vacuum degree of the process chamber at the time of forming the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in the first embodiment is 8.6 × 10 −5 [Pa]. The piezoelectric layer 30 was formed under the same conditions. Also in Example 3, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, the white turbidity was not observed.

〔実施例4〕
次に、本実施形態における圧電素子の更に他の実施例(以下、本実施例を「実施例4」という。)について説明する。
本実施例4は、前記実施例1におけるPt電極22の形成時におけるプロセス室の真空度を1.1×10−5[Pa]とし、配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を8.6×10−5[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成した。本実施例4においても、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、白濁は観察されなかった。
Example 4
Next, still another example of the piezoelectric element in the present embodiment (hereinafter, this example will be referred to as “example 4”) will be described.
In the fourth embodiment, the vacuum degree of the process chamber at the time of formation of the Pt electrode 22 in the first embodiment is 1.1 × 10 −5 [Pa], and the vacuum degree of the process chamber at the time of formation of the orientation control layer 23 is The piezoelectric layer 30 was formed under exactly the same conditions as in Example 1 except that the pressure was set to 8.6 × 10 −5 [Pa]. Also in Example 4, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of the strong illuminance, the white turbidity was not observed.

〔実施例5〕
次に、本実施形態における圧電素子の更に他の実施例(以下、本実施例を「実施例5」という。)について説明する。
本実施例5は、配向制御層23をチタン酸鉛(PbTiO)で形成した以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成した。なお、本実施例5における配向制御層23は、ゾルゲル法により1層目を成膜した後、熱酸化は行わずに、140[℃]の溶媒乾燥を3分間行うのみで、その上に2層目と3層目を成膜し、3層まとめて結晶化熱酸化を行った。本実施例5においても、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、白濁は観察されなかった。
[Example 5]
Next, still another example of the piezoelectric element in the present embodiment (hereinafter, this example will be referred to as “example 5”) will be described.
The piezoelectric layer 30 was formed under exactly the same conditions as in Example 1 except that the orientation control layer 23 was formed of lead titanate (PbTiO 3 ). In addition, after forming the first layer by the sol-gel method, the orientation control layer 23 in the present example 5 does not perform thermal oxidation, but only performs solvent drying at 140 [° C.] for 3 minutes. The layers and the third layer were formed, and the three layers were collectively subjected to crystallization thermal oxidation. Also in Example 5, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, the white turbidity was not observed.

〔比較例1〕
次に、上述した各実施例1〜5と比較するための圧電素子の比較例(以下、本比較例を「比較例1」という。)について説明する。
比較例1は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、1.4×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
Comparative Example 1
Next, a comparative example of the piezoelectric element (hereinafter, this comparative example will be referred to as “comparative example 1”) to be compared with the above-described Examples 1 to 5 will be described.
Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the degree of vacuum of the process chamber at the time of formation of the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in Example 1 is 1.4 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed under the same conditions.

比較例1においては、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、明らかな白濁が観察された。この白濁部分の状態をSEM観察し、さらにEBSBによる結晶性の評価を行った。図2(a)は、SEM観察の結果を示し、図2(b)は、EBSBによる結晶性の解析結果を示し、図2(c)は、正極点図である。図2の左列に本比較例1における白濁部の結果を示し、図2の右列に、実施例1の結果(非白濁部)を示す。   In Comparative Example 1, when the presence or absence of white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, clear white turbidity was observed. The state of the white portion was observed by SEM, and the crystallinity was further evaluated by EBSB. Fig.2 (a) shows the result of SEM observation, FIG.2 (b) shows the analysis result of crystallinity by EBSB, FIG.2 (c) is a positive electrode dot figure. The left row of FIG. 2 shows the result of the white turbidity portion in the present comparative example 1, and the right row of FIG. 2 shows the result of the first example (non-white turbidity portion).

図2(a)の左列に示すように、比較例1の白濁部においては結晶粒の境界が不明瞭になっている部分(図3(a)中破線で囲った部分)が多数確認されるのに対し、実施例1の非白濁部においては結晶粒の境界が不明瞭になっている部分は確認されない。   As shown in the left row of FIG. 2 (a), in the white turbidity part of Comparative Example 1, a large number of portions where the boundaries of crystal grains are unclear (portions surrounded by broken lines in FIG. 3 (a)) are confirmed. On the other hand, in the non-white turbidity part of Example 1, the part in which the boundary of the crystal grain is unclear is not confirmed.

また、図2(b)の左列に示すように、結晶粒の境界が不明瞭な部分(図3(b)中破線で囲った部分)は、他の部分と比べ、結晶方向が変わっていた。具体的には、狙いの結晶方向は(001)であるところ、結晶粒の境界が不明瞭な部分の結晶方向は主に(111)となってしまっている。また、結晶方向が揃っていないことは、図2(c)の左列に示す正極点図からも明らかである。結晶方向が揃っている場合、図2(c)の右列に示すように、正極点図が円環状となる。   In addition, as shown in the left column of FIG. 2 (b), in the portion where the boundaries of the crystal grains are unclear (the portion surrounded by the broken line in FIG. 3 (b)), the crystal orientation is changed compared to the other portions. The Specifically, while the target crystal orientation is (001), the crystal orientation of the portion where the crystal grain boundaries are unclear is mainly (111). In addition, it is also apparent from the positive electrode point diagram shown in the left row of FIG. 2C that the crystal directions are not aligned. When the crystal orientations are aligned, as shown in the right column of FIG. 2C, the positive electrode dot diagram becomes annular.

また、比較例1においてX線回折を行ったところ、(100)の結晶方向におけるピーク強度は120[kcps]以下(20〜120[kcps])であり、(100)の結晶方向についての配向度は40〜82%であった。   Moreover, when X-ray diffraction was performed in Comparative Example 1, the peak intensity in the crystal direction of (100) is 120 kcps or less (20 to 120 kcps), and the degree of orientation in the crystal direction of (100) Was 40-82%.

図4(a)は、比較例1における白濁部の粒径分布を示すグラフであり、図4(b)は、実施例1における白濁部の粒径分布を示すグラフである。
比較例1においては、図4(a)に示すように、図平均結晶粒径が0.25[μm]であり、粒径の分布範囲が0.05〜0.85[μm]であり、図4(b)に示す実施例1よりも、結晶粒が大きいものが含まれている。
FIG. 4 (a) is a graph showing the particle size distribution of the white turbidity portion in Comparative Example 1, and FIG. 4 (b) is a graph showing the particle size distribution of the white turbidity portion in Example 1. FIG.
In Comparative Example 1, as shown in FIG. 4A, the figure average crystal grain size is 0.25 μm, and the distribution range of the grain size is 0.05 to 0.85 μm, What contains a crystal grain larger than Example 1 shown in FIG.4 (b) is contained.

〔比較例2〜4〕
次に、圧電素子の他の比較例2〜4について説明する。
比較例2は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、1.3×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
比較例3は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、1.2×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
比較例4は、前記実施例1におけるPt電極22及び配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、1.1×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例1と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
Comparative Examples 2 to 4
Next, other comparative examples 2 to 4 of the piezoelectric element will be described.
Comparative Example 2 is the same as Example 1 except that the degree of vacuum of the process chamber at the time of formation of the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in Example 1 is 1.3 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed under the same conditions.
Comparative Example 3 is the same as Example 1 except that the degree of vacuum of the process chamber at the time of formation of the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in Example 1 is 1.2 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed under the same conditions.
Comparative Example 4 is the same as Example 1 except that the degree of vacuum of the process chamber at the time of formation of the Pt electrode 22 and the orientation control layer 23 in Example 1 is 1.1 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed under the same conditions.

これらの比較例2〜4においても、強い照度のライトの元で圧電体層30の白濁の有無を観察したところ、比較例1と同様、白濁が観察された。ただし、白濁の度合いは、真空度が低いほど(真空状態に近づくほど)、徐々に軽減された。特に、比較例4は、白濁が発生しない例もあったが、約半数の頻度で白濁が発生した。実施例1と比較例4とを比較すると、わずかな圧力の違いで白濁発生に違いが出ている。この違いは、結晶の界面状態が微妙に変化していることが理由として考えられるが、それが界面エネルギーの差であるのかどうかは真空中の状態を調べることができないので明らかではない。   Also in the comparative examples 2 to 4, when the presence or absence of the white turbidity of the piezoelectric layer 30 was observed under the light of strong illuminance, the white turbidity was observed as in the comparative example 1. However, the degree of cloudiness was gradually reduced as the degree of vacuum was lower (closer to the vacuum state). In particular, in Comparative Example 4, there was an example in which white turbidity did not occur, but white turbidity occurred with about half of the frequency. When Example 1 and Comparative Example 4 are compared, a slight difference in pressure causes a difference in occurrence of white turbidity. This difference is considered to be due to a slight change in the interface state of the crystal, but it is not clear whether it is the difference in interface energy because the state in vacuum can not be investigated.

〔比較例5〜7〕
次に、圧電素子の更に他の比較例5〜7について説明する。
比較例5は、前記実施例4における配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、1.5×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例4と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
比較例6は、前記実施例4における配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、2.0×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例4と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
比較例7は、前記実施例4における配向制御層23の形成時におけるプロセス室の真空度を、2.5×10−4[Pa]とした以外は、前記実施例4と全く同一条件で、圧電体層30を形成したものである。
[Comparative Examples 5 to 7]
Next, further comparative examples 5 to 7 of the piezoelectric element will be described.
Comparative Example 5 is the same as Example 4 except that the vacuum degree of the process chamber at the time of forming the orientation control layer 23 in Example 4 is 1.5 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed.
Comparative Example 6 was performed under exactly the same conditions as in Example 4 except that the degree of vacuum in the process chamber at the time of forming the orientation control layer 23 in Example 4 was set to 2.0 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed.
Comparative Example 7 was performed under exactly the same conditions as in Example 4 except that the degree of vacuum in the process chamber at the time of forming the orientation control layer 23 in Example 4 was set to 2.5 × 10 −4 [Pa]. The piezoelectric layer 30 is formed.

下記の表1は、上述した実施例1〜5と比較例1〜7の結果をまとめたものである。
Table 1 below summarizes the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 7 described above.

次に、本実施形態における圧電素子を用いた液滴吐出ヘッドについて説明する。
図5は、本実施形態の圧電素子を採用した液滴吐出ヘッドの断面図である。
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、フォトリソグラフィー技術を用いて、ICP(Inductively Coupled Plasma)エッチングで、基板10の裏面(図1中の下面)から振動板層11の部分まで深堀して、液室部分70を形成する。これにより、流路形成基板としてのアクチュエータ基板71が完成する。このアクチュエータ基板71に、ノズル孔79を有するノズル板80を接合し、駆動回路、インク液供給機構を組み立てて、液滴吐出ヘッドとする。なお、図5中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は省略した。
Next, a droplet discharge head using the piezoelectric element in the present embodiment will be described.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a droplet discharge head employing the piezoelectric element of the present embodiment.
The droplet discharge head according to the present embodiment is a liquid that digs from the back surface (the lower surface in FIG. 1) of the substrate 10 to the portion of the diaphragm layer 11 by ICP (Inductively Coupled Plasma) etching using photolithography technology. The chamber portion 70 is formed. Thus, the actuator substrate 71 as the flow path forming substrate is completed. A nozzle plate 80 having a nozzle hole 79 is joined to the actuator substrate 71, and a drive circuit and an ink liquid supply mechanism are assembled to form a droplet discharge head. In FIG. 5, the description of the liquid supply means, the flow path, and the fluid resistance is omitted.

図6は、液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。
図6では、上側からノズル板80、アクチュエータ基板(流路形成基板)71、共通流路形成基板72を示している。アクチュエータ基板71は、圧電素子の駆動のための駆動回路が搭載されたフレキシブルプリント基板(FPC)73を備えている。また、図6中、共通流路形成基板72は圧電素子保護空間74を有している。
FIG. 6 is an exploded perspective view of the droplet discharge head.
In FIG. 6, the nozzle plate 80, the actuator substrate (channel forming substrate) 71, and the common channel forming substrate 72 are shown from the upper side. The actuator substrate 71 includes a flexible printed circuit (FPC) 73 on which a drive circuit for driving the piezoelectric element is mounted. Further, in FIG. 6, the common flow path forming substrate 72 has a piezoelectric element protection space 74.

次に、本実施形態における液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について、図7及び図8を参照して説明する。
なお、図7はインクジェット記録装置を例示する斜視図であり、図8はインクジェット記録装置を例示する側面図である。
Next, an example of an ink jet recording apparatus equipped with the droplet discharge head according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG.
FIG. 7 is a perspective view illustrating the ink jet recording apparatus, and FIG. 8 is a side view illustrating the ink jet recording apparatus.

このインクジェット記録装置100は、主に、記録装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ101と、キャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッド1からなる記録ヘッド104と、記録ヘッド104へインクを供給するインクカートリッジ102とを含んで構成される印字機構部103を有している。   The inkjet recording apparatus 100 mainly uses a carriage 101 movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body, a recording head 104 including a droplet discharge head 1 mounted on the carriage 101, and the recording head 104 The printing mechanism unit 103 is configured to include an ink cartridge 102 to be supplied.

また、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙Pを積載可能な給紙カセット130を抜き差し自在に装着することができ、また用紙Pを手差しで給紙するための手差しトレイ105を開倒することができ、給紙カセット130或いは手差しトレイ105から給送される用紙Pを取り込み、印字機構部103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106に排紙する。   In the lower part of the apparatus main body, a sheet feeding cassette 130 capable of loading a large number of sheets P can be removably inserted from the front side, and a manual feed tray 105 for manually feeding the sheets P is provided. The sheet P fed from the sheet feeding cassette 130 or the manual feed tray 105 can be opened, and after a required image is recorded by the printing mechanism unit 103, the sheet P is discharged to the sheet discharge tray 106 mounted on the rear side. To paper.

印字機構部103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107と従ガイドロッド108とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ101にはイエロー(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本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1の一例であるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド104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。   The printing mechanism section 103 slidably holds the carriage 101 in the main scanning direction by the main guide rods 107 and the secondary guide rods 108 which are guide members laterally extended on left and right side plates (not shown). A plurality of recording heads 104 each including an inkjet head, which is an example of the droplet discharge head 1 according to the embodiment, which discharges ink droplets of each color of (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). The ink discharge ports (nozzles) are arranged in a direction intersecting the main scanning direction, and the ink droplet discharge direction is mounted downward.

また、キャリッジ101には記録ヘッド104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102を交換可能に装着している。インクカートリッジ102は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド104へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド104へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。   Further, the ink cartridges 102 for supplying the ink of each color to the recording head 104 are exchangeably mounted on the carriage 101. The ink cartridge 102 has an atmosphere port communicating with the atmosphere at the upper side, a supply port for supplying the ink to the recording head 104 at the lower side, and a porous body filled with the ink inside, and the capillary of the porous body The force is used to maintain the ink supplied to the recording head 104 at a slight negative pressure.

ここで、キャリッジ101は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド107に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド108に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ109で回転駆動される駆動プーリ110と従動プーリ111との間にタイミングベルト112を張装し、このタイミングベルト112をキャリッジ101に固定しており、主走査モータ109の正逆回転によりキャリッジ101が往復駆動される。   Here, the carriage 101 is slidably fitted on the main guide rod 107 on the rear side (downstream side in the sheet conveying direction) and slidably mounted on the secondary guide rod 108 on the front side (upstream side in the sheet conveying direction). doing. Then, in order to move and scan the carriage 101 in the main scanning direction, a timing belt 112 is stretched between a drive pulley 110 and a driven pulley 111 driven to rotate by the main scanning motor 109, and the timing belt 112 is mounted on the carriage 101. The carriage 101 is reciprocally driven by the forward and reverse rotation of the main scanning motor 109.

一方、給紙カセット130にセットした用紙Pを記録ヘッド104の下方側に搬送するために、給紙カセット130から用紙Pを分離給装する給紙ローラ113及びフリクションパッド114と、用紙Pを案内するガイド部材115と、給紙された用紙Pを反転させて搬送する搬送ローラ168と、この搬送ローラ116の周面に押し付けられる搬送コロ117及び搬送ローラ116からの用紙Pの送り出し角度を規定する先端コロ110とを設けている。搬送ローラ116は副走査モータ128によってギヤ列を介して回転駆動される。そして、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ116から送り出された用紙Pを記録ヘッド104の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材119を設けている。この印写受け部材119の用紙搬送方向下流側には、用紙Pを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ120、拍車123を設け、さらに用紙Pを排紙トレイ108に送り出す排紙ローラ121及び拍車124と、排紙経路を形成するガイド部材125,126とを配設している。   On the other hand, in order to transport the sheet P set in the sheet feeding cassette 130 to the lower side of the recording head 104, the sheet P is guided by the sheet feeding roller 113 and friction pad 114 for separating and feeding the sheet P from the sheet feeding cassette 130. The guide member 115, the conveyance roller 168 for conveying the fed sheet P by inverting the sheet P, the feed roller 117 pressed against the circumferential surface of the feed roller 116, and the delivery angle of the sheet P from the feed roller 116 are defined. A tip roller 110 is provided. The conveyance roller 116 is rotationally driven by the sub scanning motor 128 via a gear train. A print receiving member 119, which is a sheet guide member for guiding the sheet P fed from the conveyance roller 116 below the recording head 104, is provided corresponding to the movement range of the carriage 101 in the main scanning direction. On the downstream side of the print receiving member 119 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 120 rotationally driven to feed the sheet P in the sheet ejection direction and a spur 123 are provided, and the sheet P is ejected to the sheet ejection tray 108 A roller 121 and a spur 124, and guide members 125 and 126 forming a sheet discharge path are provided.

記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド104を駆動することにより、停止している用紙Pにインクを吐出して1行分を記録し、用紙Pを所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙P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Pを排紙する。   At the time of recording, the recording head 104 is driven according to the image signal while moving the carriage 101 to eject ink onto the stopped sheet P to record one line, and after the sheet P is conveyed by a predetermined amount, the next Record the line of By receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the sheet P has reached the recording area, the recording operation is ended and the sheet P is discharged.

また、キャリッジ101の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド104の吐出不良を回復するための回復装置127を配置している。回復装置127はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ101は印字待機中にはこの回復装置127側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド104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。また、記録途中など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。   Further, at a position outside the recording area on the right side in the moving direction of the carriage 101, a recovery device 127 for recovering the ejection failure of the recording head 104 is disposed. The recovery device 127 has cap means, suction means and cleaning means. The carriage 101 is moved to the recovery device 127 side while waiting for printing and the recording head 104 is capped by the capping means, and the discharge port is kept wet to prevent discharge failure due to ink drying. Further, by discharging the ink not related to the recording in the middle of the recording or the like, the ink viscosity of all the discharge ports is made constant, and the stable discharge performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド104の吐出口(ノズル)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し、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。又、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)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。   If a discharge failure occurs, etc., the discharge port (nozzle) of the recording head 104 is sealed by the capping unit, and bubbles and the like are sucked out together with the ink from the discharge port by the suction unit through the tube. And the like are removed by the cleaning means, and the discharge failure is recovered. Also, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body, and absorbed and held by the ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、インクジェット記録装置100においては、実施例の圧電アクチュエータを採用した液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)1である記録ヘッド104を搭載しているので、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, in the ink jet recording apparatus 100, since the recording head 104 which is the droplet discharge head (ink jet head) 1 employing the piezoelectric actuator of the embodiment is mounted, stable ink droplet discharge characteristics can be obtained. , Improve the image quality.

なお、本実施形態におけるインクジェット記録装置は、インクを吐出する例であるが、吐出する液体は、インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる。
また、本実施形態においては、電気機械変換部材である圧電素子を、インクジェットヘッドのアクチュエータとして用いた例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、光を走査するための偏向ミラーの向きをアクチュエータ基板の振動板層の変位に応じて偏向する偏向ミラーの駆動手段にも適用することができる。また、例えば、強誘電体メモリの圧電素子としても適用できる。強誘電体メモリはFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)と言われ、不揮発性の半導体メモリとして強誘電体膜の分極反転時間が速い(1[ns]以下)ため、DRAM並みの高速動作が期待できる。
Although the ink jet recording apparatus in the present embodiment is an example of ejecting ink, the liquid to be ejected is not limited to ink, and is not particularly limited as long as it becomes liquid when ejected. For example, DNA samples, resists, pattern materials and the like are also included.
Moreover, in this embodiment, although the example which used the piezoelectric element which is an electromechanical conversion member as an actuator of an inkjet head was demonstrated, it is not restricted to this. For example, the present invention can also be applied to drive means of a deflection mirror that deflects the direction of the deflection mirror for scanning light according to the displacement of the diaphragm layer of the actuator substrate. In addition, for example, it can be applied as a piezoelectric element of a ferroelectric memory. A ferroelectric memory is called FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), and as a non-volatile semiconductor memory, the polarization inversion time of a ferroelectric film is fast (1 [ns] or less), so high-speed operation similar to DRAM can be expected.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
基板10上に設けられるPt電極22等の第1電極と、前記第1電極を下地層とするか又は該第1電極上に設けられる配向制御層23を下地層とするかして形成される圧電体層30等の電気機械変換層と、前記電気機械変換層上に設けられるPt電極42等の第2電極とを有する圧電素子等の電気機械変換部材において、前記下地層は、真空度が1.0×10-4[Pa]以下である環境下で形成したものであることを特徴とする。
本発明者は、鋭意研究の結果、圧電体層の下地層を形成するときに混入し得るHO、O、H、CO等の不純物が、所望の方向に揃った圧電体層を安定して得ることができないことに大きく影響していることを見出した。すなわち、スパッタ法等で下地層を形成する際のガス成分が結晶成長を阻害する不純物となると考えられる。特に、HO、Oは、膜成分の金属と反応して化合物を作る可能性があり、所望の方向に揃った圧電体層を安定して得るのに大きな影響を与えるものと考えられる。本態様においては、真空度が1.0×10-4[Pa]以下であるという高い真空状態で下地層を形成することとし、下地層に不純物が含まれるのを抑制している。その結果、不純物の少ない下地層を形成できるので、所望の方向に揃った圧電体層を安定して得ることが可能となる。
What has been described above is an example, and the present invention has unique effects in each of the following modes.
(Aspect A)
A first electrode such as a Pt electrode 22 provided on a substrate 10, and the first electrode as an underlayer or an orientation control layer 23 provided on the first electrode as an underlayer In the electromechanical conversion member such as a piezoelectric element having an electromechanical conversion layer such as a piezoelectric layer 30 and a second electrode such as a Pt electrode 42 provided on the electromechanical conversion layer, the base layer has a degree of vacuum It is characterized in that it is formed under an environment of 1.0 × 10 −4 [Pa] or less.
As a result of intensive studies, the present inventor has found that a piezoelectric layer in which impurities such as H 2 O, O 2 , H 2 and CO 2 which may be mixed when forming an underlayer of a piezoelectric layer are aligned in a desired direction. It has been found that it has a great influence on the inability to obtain stable. That is, it is considered that gas components at the time of forming the underlayer by sputtering or the like become impurities that inhibit crystal growth. In particular, H 2 O and O 2 may react with the metal of the film component to form a compound, which is considered to have a great effect on stably obtaining a piezoelectric layer aligned in a desired direction. . In this embodiment, the underlayer is formed in a high vacuum state of 1.0 × 10 −4 [Pa] or less, and the inclusion of impurities in the underlayer is suppressed. As a result, since an underlayer with few impurities can be formed, it becomes possible to stably obtain a piezoelectric layer aligned in a desired direction.

(態様B)
前記態様Aにおいて、前記基板は、シリコン基板上に、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ポリシリコンからなる振動板層11等の積層振動板層が形成されたものであることを特徴とする。
これによれば、周波数の高い駆動電圧信号でも適切に変位できる振動板層を実現できる。
(Aspect B)
In the embodiment A, the substrate is characterized in that a laminated diaphragm layer such as a diaphragm layer 11 made of silicon nitride, silicon oxide or polysilicon is formed on a silicon substrate.
According to this, it is possible to realize a diaphragm layer which can be appropriately displaced even by a drive voltage signal having a high frequency.

(態様C)
前記態様A又はBにおいて、前記第1電極は、白金又はイリジウムをスパッタ法によって成膜したものであることを特徴とする。
これによれば、ゾルゲル法等による高温処理となるプロセスに対して変化しない第1電極を得ることができる。
(Aspect C)
In the aspect A or B, the first electrode is formed by depositing platinum or iridium by a sputtering method.
According to this, it is possible to obtain the first electrode which does not change with respect to the process of high temperature treatment by the sol-gel method or the like.

(態様D)
前記態様A〜Cのいずれかの態様において、前記電気機械変換層は、少なくとも鉛とチタンとジルコニウムを含むPZT等のペロブスカイト型酸化物誘電体であって、結晶方向が(100)もしくは(001)に優先配向する多結晶体で形成されたものであり、その結晶粒径が0.05[μm]以上0.3[μm]以下の範囲内でかつ平均粒径が0.2[μm]以下であることを特徴とする。
これによれば、電気機械変換層の結晶粒が揃って、電気機械変換層の変形特性のバラツキを低減することができるという優れた効果が奏される。
(Aspect D)
In any of the embodiments A to C, the electromechanical conversion layer is a perovskite type oxide dielectric such as PZT containing at least lead, titanium and zirconium, and the crystal direction is (100) or (001). The crystal grain size is in the range of 0.05 μm or more and 0.3 μm or less and the average grain diameter is 0.2 μm or less. It is characterized by being.
According to this, the excellent effect that the crystal grains of the electromechanical conversion layer are aligned and the variation of the deformation characteristics of the electromechanical conversion layer can be reduced is exhibited.

(態様E)
前記態様Dにおいて、前記配向制御層は、酸化チタン又はチタン酸鉛で形成されたものであることを特徴とする。
配向制御層として酸化チタンを用いた場合、その酸化チタンとその上に処理されるゾルゲル法等によるPZT前駆体液との反応により新たに配向性に寄与する種結晶が生成される。配向性の小さい酸化チタンを配向制御層として用いることで、(100)もしくは(001)に主配向性した電気機械変換層が得られる。また、配向制御層としてチタン酸鉛を用いた場合、そのままで種結晶となり、(100)もしくは(001)に主配向性した電気機械変換層が得られる。
(Aspect E)
The aspect D is characterized in that the orientation control layer is formed of titanium oxide or lead titanate.
When titanium oxide is used as the orientation control layer, a seed crystal which newly contributes to the orientation is generated by the reaction between the titanium oxide and the PZT precursor liquid by the sol-gel method or the like to be treated thereon. By using titanium oxide having a small orientation as the orientation control layer, an electromechanical conversion layer mainly oriented to (100) or (001) can be obtained. In addition, when lead titanate is used as the orientation control layer, a seed crystal is formed as it is, and an electromechanical conversion layer having a main orientation of (100) or (001) is obtained.

(態様F)
インク等の液滴を吐出するノズル孔79等のノズルに連通する液室70と、入力される駆動信号に応じて、前記液室内の液体を加圧可能なように該液室の壁部の一部を変位させる電気機械変換部材とを有する液滴吐出ヘッド等の液滴吐出装置において、前記電気機械変換部材として、前記態様A〜Eのいずれかの態様に係る電気機械変換部材を用いたことを特徴とする。
これによれば、安定した吐出性能を有する液滴吐出装置が得られる。
(Aspect F)
A liquid chamber 70 communicated with a nozzle such as a nozzle hole 79 for discharging a droplet such as ink, and a wall portion of the liquid chamber so that the liquid in the liquid chamber can be pressurized according to an input drive signal. In a droplet discharge apparatus such as a droplet discharge head having an electromechanical conversion member for partially displacing, the electromechanical conversion member according to any one of the aspects A to E is used as the electromechanical conversion member. It is characterized by
According to this, a droplet discharge device having stable discharge performance can be obtained.

(態様G)
液滴吐出装置から液滴を吐出して画像を形成するインクジェット記録装置等の画像形成装置において、前記液滴吐出装置として、前記態様Fに係る液滴吐出装置を用いたことを特徴とする。
これによれば、安定した吐出性能を有する液滴吐出装置を用いて画像を形成することができる。
(Aspect G)
In an image forming apparatus such as an inkjet recording apparatus that forms droplets by discharging droplets from a droplet discharge device, the droplet discharge device according to aspect F is used as the droplet discharge device.
According to this, it is possible to form an image using a droplet discharge device having stable discharge performance.

(態様G)
基板10上にPt電極22等の第1電極を形成した後、該第1電極又は該第1電極上に設けられる配向制御層23である下地層上に圧電体層30等の電気機械変換層を形成し、さらに該電気機械変換層上にPt電極42等の第2電極を形成する圧電素子等の電気機械変換部材の製造方法において、前記下地層を、真空度が1.0×10-4[Pa]以下である環境下で形成することを特徴とする。
これによれば、所望の方向に揃った圧電体層を安定して得ることが可能となる。
(Aspect G)
After forming a first electrode such as a Pt electrode 22 on the substrate 10, an electromechanical conversion layer such as a piezoelectric layer 30 on a base layer which is the first electrode or the orientation control layer 23 provided on the first electrode In the method of manufacturing an electromechanical conversion member such as a piezoelectric element which further forms a second electrode such as a Pt electrode 42 on the electromechanical conversion layer, the base layer has a degree of vacuum of 1.0 × 10 It is characterized in that it is formed under an environment of 4 [Pa] or less.
According to this, it is possible to stably obtain a piezoelectric layer aligned in a desired direction.

1 液滴吐出ヘッド
10 基板
11 振動板層
20 下部電極層
21 電極密着層
22 Pt電極(第1電極)
23 配向制御層
30 圧電体層
40 上部電極層
41 下敷き層
42 Pt電極(第2電極)
50 保護層
70 液室
71 アクチュエータ基板
72 共通流路形成基板
74 圧電素子保護空間
79 ノズル孔
80 ノズル板
100 インクジェット記録装置
101 キャリッジ
102 インクカートリッジ
104 記録ヘッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 droplet discharge head 10 substrate 11 diaphragm layer 20 lower electrode layer 21 electrode adhesion layer 22 Pt electrode (first electrode)
23 Orientation control layer 30 Piezoelectric layer 40 Upper electrode layer 41 Underlay layer 42 Pt electrode (second electrode)
50 Protective Layer 70 Liquid Chamber 71 Actuator Substrate 72 Common Channel Forming Substrate 74 Piezoelectric Element Protective Space 79 Nozzle Hole 80 Nozzle Plate 100 Inkjet Recording Device 101 Carriage 102 Ink Cartridge 104 Recording Head

特開2013−251490号公報JP, 2013-251490, A

Claims (6)

振動板層上に、電極密着層、白金電極層、及び、酸化チタンからなる配向制御層を順次形成して、前記配向制御層の上に圧電体層及び上部電極層を順次形成する電気機械変換部材の形成方法において、
前記酸化チタンからなる配向制御層を、真空度が8.6×10 −5 [Pa]以上1.0×10 −4 [Pa]以下である環境下でスパッタ法により形成することを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。
The diaphragm layer, the electrode contact layer, a platinum electrode layer, and, by sequentially forming a titanium oxide emissions or Ranaru orientation control layer are sequentially formed piezoelectric layer and an upper electrode layer on the orientation control layer electrically In a method of forming a machine conversion member,
The alignment control layer composed of the titanium oxide, and wherein the formation child by sputtering in an environment at a vacuum degree of 8.6 × 10 -5 [Pa] or 1.0 × 10 -4 [Pa] or less Method of forming an electro-mechanical conversion member.
請求項1に記載の電気機械変換部材の形成方法において、  In the method of forming an electromechanical transducer according to claim 1,
前記白金電極層を、真空度が1.0×10  The platinum electrode layer has a degree of vacuum of 1.0 × 10 −4-4 [Pa]以下である環境下でスパッタ法により形成することを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。A method of forming an electro-mechanical conversion member, characterized by forming by sputtering under an environment of [Pa] or less.
請求項2に記載の電気機械変換部材の形成方法において、
前記白金電極層を形成するときの真空度は、1.1×10-5[Pa]以上であることを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。
In the method of forming an electromechanical transducer according to claim 2 ,
A vacuum degree at the time of forming the platinum electrode layer is 1.1 × 10 −5 [Pa] or more.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気機械変換部材の形成方法において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛とチタンとジルコニウムを含むペロブスカイト型酸化物誘電体であって、結晶方向が(100)もしくは(001)に優先配向する多結晶体で形成されたものであり、その結晶粒径が0.05[μm]以上0.3[μm]以下の範囲内でかつ平均粒径が0.2[μm]以下であることを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。
In the method of forming an electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 3,
The piezoelectric layer is a perovskite-type oxide dielectric containing at least lead, titanium and zirconium and is formed of a polycrystal whose crystal orientation is preferentially oriented to (100) or (001), A method of forming an electromechanical transducer, wherein the crystal grain size is in the range of 0.05 μm or more and 0.3 μm or less and the average grain size is 0.2 μm or less.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電気機械変換部材の形成方法において、
前記振動板層は、シリコン基板上に、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ポリシリコンからなる積層振動板層であることを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。
In the method of forming an electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 4,
The method of forming an electromechanical transducer according to claim 1, wherein the diaphragm layer is a laminated diaphragm layer made of silicon nitride, silicon oxide, or polysilicon on a silicon substrate.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電気機械変換部材の形成方法において、
前記電気機械変換部材は、入力される駆動信号に応じて、液滴を吐出するノズルに連通する液室内の液体を加圧可能なように該液室の壁部の一部を変位させる液滴吐出装置の電気機械変換部材として用いられるものであることを特徴とする電気機械変換部材の形成方法。
In the method of forming an electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 5,
The electro-mechanical conversion member displaces a part of a wall portion of the liquid chamber so as to be able to pressurize the liquid in the liquid chamber communicating with the nozzle that discharges the droplet according to the input drive signal. What is claimed is: 1. A method of forming an electro-mechanical transducer member, comprising: using the electro-mechanical transducer member of an ejection device.
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