JP6720973B2 - Piezoelectric element, inkjet head, inkjet printer, and method for manufacturing piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、支持基板側から、下部電極、圧電薄膜、上部電極をこの順で有する圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、インクジェットプリンタと、上記圧電素子の製造方法とに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric element having a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode in this order from a supporting substrate side, an inkjet head including the piezoelectric element, an inkjet printer, and a method for manufacturing the piezoelectric element. is there.
近年、駆動素子やセンサなどに応用するための機械電気変換素子として、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)などの圧電体が用いられている。このような圧電体は、シリコン(Si)等の基板上に薄膜として形成することで、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子へ応用が期待されている。In recent years, piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (Pb(Zr,Ti)O 3 ) have been used as electromechanical conversion elements for application to drive elements and sensors. Such a piezoelectric body is expected to be applied to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element by being formed as a thin film on a substrate such as silicon (Si).
MEMS素子の製造においては、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工を適用できるため、素子の小型化や高密度化が可能となる。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ウェハ上に素子を高密度に一括で作製することにより、素子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。 In the manufacture of the MEMS device, high-precision processing using a semiconductor process technology such as photolithography can be applied, so that the device can be downsized and the density can be increased. In particular, by collectively fabricating the elements on a relatively large Si wafer having a diameter of 6 inches or 8 inches at a high density, the cost can be significantly reduced as compared with the single-wafer manufacturing in which the elements are individually manufactured. it can.
また、圧電体の薄膜化やデバイスのMEMS化により、機械電気の変換効率が向上することで、センサの感度や駆動素子の特性が向上するといった新たな付加価値も生み出されている。例えば、熱センサでは、MEMS化による熱コンダクタンス低減により、測定感度を上げることが可能となり、プリンター用のインクジェットヘッドでは、ノズルの高密度化による高精細パターニングが可能となる。 In addition, the thinning of the piezoelectric body and the use of MEMS in the device have improved the conversion efficiency of mechanical electricity, which has created new added values such as the sensitivity of the sensor and the characteristics of the driving element. For example, in a thermal sensor, it is possible to increase the measurement sensitivity by reducing the thermal conductance by using MEMS, and in an inkjet head for a printer, it is possible to perform high-definition patterning by increasing the density of nozzles.
圧電体薄膜(以下、圧電薄膜とも称する)の材料としては、PZTと呼ばれる鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、酸素(O)からなる結晶を用いることが多い。PZTは、図10に示すペロブスカイト型構造となるときに良好な圧電効果を発現するため、ペロブスカイト単相にする必要がある。ここで、ペロブスカイト型構造とは、理想的には立方晶系の単位格子を有し、立方晶の各頂点(Aサイト)に配置される金属(例えばPb)、体心(Bサイト)に配置される金属(例えばZrまたはTi)、立方晶の各面心に配置される酸素Oとから構成されるABO3型の結晶構造のことである。ペロブスカイト構造の結晶には、立方晶が歪んだ正方晶、斜方晶、菱面体晶等も含まれるものとする。As a material of the piezoelectric thin film (hereinafter also referred to as a piezoelectric thin film), a crystal called PZT made of lead (Pb), zirconium (Zr), titanium (Ti), and oxygen (O) is often used. Since PZT exhibits a good piezoelectric effect when it has the perovskite structure shown in FIG. 10, it is necessary to use a perovskite single phase. Here, the perovskite structure ideally has a cubic unit cell and is arranged at a metal (for example, Pb) arranged at each apex (A site) of the cubic crystal, and at a body center (B site). It is an ABO 3 type crystal structure composed of a metal (for example, Zr or Ti) to be formed and oxygen O arranged in each face center of a cubic crystal. Crystals having a perovskite structure include tetragonal crystals in which cubic crystals are distorted, orthorhombic crystals, rhombohedral crystals, and the like.
一方、圧電薄膜の結晶性が悪く、パイロクロア構造の結晶や非晶質な領域が増えてしまうと、圧電特性は低くなる。このため、圧電薄膜の下地(例えば電極層)の結晶性や圧電薄膜の成膜条件は、圧電特性を向上させる上で非常に重要となる。 On the other hand, if the crystallinity of the piezoelectric thin film is poor and the number of crystals or amorphous regions having a pyrochlore structure increases, the piezoelectric characteristics will deteriorate. Therefore, the crystallinity of the base of the piezoelectric thin film (for example, the electrode layer) and the film forming conditions of the piezoelectric thin film are very important for improving the piezoelectric characteristics.
また、MEMS駆動素子として圧電薄膜を用いる場合、必要な変位発生力を満たすために、Siなどの基板上に圧電体を1〜10μmの厚みで成膜しなければならない。圧電薄膜を基板上に成膜する方法としては、CVD法(Chemical Vapor Deposition )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での成長法が知られており、成膜方法に応じてペロブスカイト単相の膜を得るための条件を見い出すことが重要となる。 Further, when a piezoelectric thin film is used as the MEMS driving element, the piezoelectric body must be formed in a thickness of 1 to 10 μm on a substrate such as Si in order to satisfy the necessary displacement generating force. As a method for forming a piezoelectric thin film on a substrate, a chemical film forming method such as a CVD method (Chemical Vapor Deposition), a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, and a liquid phase growth such as a sol-gel method The method is known, and it is important to find the conditions for obtaining a perovskite single-phase film according to the film forming method.
圧電体のMEMS素子への適用において重要となる特性として、機械電気変換特性の一つである圧電定数がある。圧電定数が高いほど、入力電圧に対して効率よく駆動することができるため、圧電体の圧電定数を増大させることが開発課題となっている。仕様にもよるが、例えば高粘度インクを使用したり、高速射出を可能とするインクジェットヘッドの場合、圧電定数|d31|の値が150pm/V以上であることが要求され、更なる用途の拡大のためには、300pm/V以上の値が求められる。また、超音波用途では、圧電定数|d31|として400〜500pm/Vといった値が必要となる。A piezoelectric constant, which is one of the electromechanical conversion characteristics, is an important characteristic when the piezoelectric body is applied to a MEMS element. The higher the piezoelectric constant, the more efficiently it can be driven with respect to the input voltage. Therefore, increasing the piezoelectric constant of the piezoelectric body has been a development task. Depending on the specifications, for example, in the case of an inkjet head that uses high-viscosity ink or enables high-speed ejection, it is required that the value of the piezoelectric constant |d 31 | be 150 pm/V or more, and further application A value of 300 pm/V or more is required for expansion. Further, in ultrasonic applications, a value such as 400 to 500 pm/V is required as the piezoelectric constant |d 31 |.
高い圧電定数を得ることができる圧電材料としては、バルク(厚みは数百μm以上)では、リラクサ系の単結晶材料がある。上記単結晶材料を用いた場合、d33=1500〜2000pm/V(d31はd33の約半分の値と考えてもよい)といった非常に高い圧電定数が得られることが確認されている。上記のリラクサ系の単結晶材料としては、例えばPMN−PTがある。PMN−PTは、Pb、マグネシウム(Mg)、ニオブ(Nb)を含むペロブスカイト化合物と、PbおよびTiを含むペロブスカイト化合物(チタン酸鉛)との固溶体である。As a piezoelectric material capable of obtaining a high piezoelectric constant, there is a relaxer-type single crystal material in bulk (thickness is several hundred μm or more). It has been confirmed that when the above single crystal material is used, a very high piezoelectric constant such as d 33 =1500 to 2000 pm/V (d 31 may be considered to be about half the value of d 33 ) is obtained. Examples of the relaxor-based single crystal material include PMN-PT. PMN-PT is a solid solution of a perovskite compound containing Pb, magnesium (Mg) and niobium (Nb) and a perovskite compound containing Pb and Ti (lead titanate).
このようなバルクで用いられているリラクサ系の単結晶材料を薄膜に適用することも可能である。例えば非特許文献1では、酸化マグネシウム(MgO)からなる単結晶基板(MgO基板)上に、PMN−PTをヘテロエピタキシャル成長させて、単結晶の圧電薄膜(PMN−PT層)を形成する例が報告されている。ただし、非特許文献1では、デバイスを構成するために、MgO基板とPMN−PT層との間に白金からなる電極層(Pt層)を形成し、さらにPMN−PT層の結晶配向性を制御するためのバッファ層(シード層)として、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3;SRO)からなる層を、Pt層とPMN−PT層との間に形成している。It is also possible to apply the relaxer-based single crystal material used in such a bulk to the thin film. For example, Non-Patent Document 1 reports an example in which PMN-PT is heteroepitaxially grown on a single crystal substrate (MgO substrate) made of magnesium oxide (MgO) to form a single crystal piezoelectric thin film (PMN-PT layer). Has been done. However, in Non-Patent Document 1, in order to form a device, an electrode layer (Pt layer) made of platinum is formed between an MgO substrate and a PMN-PT layer, and the crystal orientation of the PMN-PT layer is controlled. As a buffer layer (seed layer) for this purpose, a layer made of strontium ruthenate (SrRuO 3 ; SRO) is formed between the Pt layer and the PMN-PT layer.
ところが、非特許文献1の手法でPMN−PT層を形成しても、圧電定数d33としては194pC/N(≒194pm/V)、圧電定数|d31|としては104pC/N(≒104pm/V)程度の低い値しか得られていない。これは、非特許文献1の手法では、PMN−PTは、Pt層およびSRO層を介してMgOの結晶性(格子定数や配向性など)を引き継ぐ形でエピタキシャル成長するため、ペロブスカイト単相で成長しにくく、パイロクロア相が形成されやすくなるためと考えられる。However, even if the PMN-PT layer is formed by the method of Non-Patent Document 1, the piezoelectric constant d 33 is 194 pC/N (≈194 pm/V) and the piezoelectric constant |d 31 | is 104 pC/N (≈104 pm/ Only a value as low as V) is obtained. This is because, in the method of Non-Patent Document 1, PMN-PT grows epitaxially in a form in which the crystallinity (lattice constant, orientation, etc.) of MgO is inherited through the Pt layer and the SRO layer, and therefore grows in a perovskite single phase. This is considered to be because it is difficult to form the pyrochlore phase.
リラクサ系の単結晶材料を用いた場合でさえ、圧電定数として上記のような低い値しか得られていないため、リラクサ系の単結晶材料の代わりに、単結晶のPZTや、単結晶のPZTに添加物(例えばNb)を添加したものを用いた場合は、上記の値よりもさらに低い圧電定数しか得られないことが推測される。 Even when a relaxer-based single crystal material is used, only a low value as described above is obtained as the piezoelectric constant. Therefore, instead of the relaxer-based single crystal material, a single crystal PZT or a single crystal PZT is used. It is presumed that when an additive (for example, Nb) is used, only a piezoelectric constant lower than the above value can be obtained.
したがって、単結晶の圧電薄膜を用いた構成でも、圧電特性を十分に向上させることができる圧電素子を実現することが望まれるが、現在、そのような圧電素子は提案されていない。 Therefore, it is desired to realize a piezoelectric element capable of sufficiently improving piezoelectric characteristics even with a structure using a single crystal piezoelectric thin film, but such a piezoelectric element has not been proposed at present.
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、単結晶の圧電薄膜を用いた構成で、圧電特性を十分に向上させることができる圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、インクジェットプリンタと、上記圧電素子の製造方法とを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is a piezoelectric element having a configuration using a single crystal piezoelectric thin film and capable of sufficiently improving piezoelectric characteristics, and a piezoelectric element thereof. It is an object of the present invention to provide an inkjet head including the above, an inkjet printer, and a method for manufacturing the piezoelectric element.
本発明の一側面に係る圧電素子は、支持基板側から、下部電極、ペロブスカイト型構造の単結晶膜、上部電極をこの順で有し、前記単結晶膜は、前記支持基板側から、ペロブスカイト型構造の単結晶シード層と、ペロブスカイト型構造の単結晶圧電薄膜とを有し、前記単結晶膜は、前記支持基板とは異なる結晶性を有している。 A piezoelectric element according to one aspect of the present invention has a lower electrode, a single crystal film having a perovskite structure, and an upper electrode in this order from the supporting substrate side, and the single crystal film is a perovskite type from the supporting substrate side. It has a single crystal seed layer having a structure and a single crystal piezoelectric thin film having a perovskite structure, and the single crystal film has a crystallinity different from that of the supporting substrate.
単結晶シード層と単結晶圧電薄膜とを含む単結晶膜は、支持基板とは異なる結晶性を有しているため、単結晶シード層をペロブスカイト単相で確実に実現できるととともに、その単結晶シード層上に、単結晶圧電薄膜をペロブスカイト単相で確実に実現することができる。したがって、単結晶圧電薄膜を用いた構成で、圧電特性を十分に向上させることができる。 Since the single crystal film including the single crystal seed layer and the single crystal piezoelectric thin film has crystallinity different from that of the supporting substrate, the single crystal seed layer can be reliably realized by the perovskite single phase, and the single crystal A single crystal piezoelectric thin film can be surely realized on the seed layer with a perovskite single phase. Therefore, the piezoelectric characteristics can be sufficiently improved with the configuration using the single crystal piezoelectric thin film.
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。なお、本明細書において、数値範囲をA〜Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this specification, when the numerical range is described as A to B, the numerical range includes the lower limit A and the upper limit B.
〔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 showing a schematic configuration of the inkjet printer 1 of the present embodiment. The inkjet printer 1 is a so-called line head type inkjet recording device in which the
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 inkjet printer 1 includes the
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
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 pay-
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-up roll 4 is taken out from 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
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 onto 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。この場合、インクジェットヘッドは、キャリッジ等の構造体に支持された状態で、記録媒体の幅方向に移動する。また、記録媒体としては、長尺状のもの以外にも、予め所定の大きさ(形状)に裁断されたシート状のものを用いてもよい。 The inkjet 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 in which an inkjet head is moved in a direction orthogonal to the transport direction while the recording medium is transported to eject ink to form an image. In this case, the inkjet head moves in the width direction of the recording medium while being supported by a structure such as a carriage. Further, as the recording medium, other than the long one, a sheet-like one which is cut into a predetermined size (shape) in advance may be used.
〔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2Aは、インクジェットヘッド21の概略の構成を示す平面図であり、図2Bは、その平面図におけるA−A’線矢視断面図である。[Structure of inkjet head]
Next, the configuration of the above-described
インクジェットヘッド21は、複数の圧力室22a(開口部)を有する支持基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、単結晶膜25、上部電極26をこの順で有している。
The
支持基板22は、厚さが例えば100〜300μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板で構成されている。支持基板22は、厚さ750μm程度のSi基板を研磨処理によって厚さ100〜300μm程度に調整したものであるが、支持基板22の厚さは、適用するデバイスに応じて適宜調整されればよい。支持基板22における圧力室22aの上壁(圧力室22aよりも単結晶膜側に位置する壁)は、従動膜となる振動板22bを構成しており、単結晶膜25(特に後述する圧電薄膜28)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。なお、支持基板22は、酸化膜を介して2枚のSi基板を接合したSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されてもよい。
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、支持基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。なお、熱酸化膜23は、必要に応じて設けられればよい。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
単結晶膜25は、ペロブスカイト型構造の単結晶の膜で構成されており、各圧力室22aに対応して設けられている。この単結晶膜25は、支持基板22側から、ペロブスカイト型構造の単結晶のシード層27と、ペロブスカイト型構造の単結晶の圧電薄膜28とを有して構成されている。シード層27は、圧電薄膜28の結晶配向性を制御するための配向制御層(バッファ層)である。シード層27の厚さは、例えば1μm以下に設定されている。これは、圧電アクチュエータ21aの後述する製造過程において、シード層27の形成を容易に行うためである。一方、圧電薄膜28の厚さは、1μm以上10μm以下に設定されている。これにより、インクジェットヘッド21でのインク吐出に必要な変位発生力を確実に確保することができる。なお、単結晶膜25の詳細については後述する。
The
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、単結晶膜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との間で単結晶膜25を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Pt層の代わりに、金(Au)からなる層を形成してもよい。
The
下部電極24および上部電極26は、駆動回路29と接続されており、単結晶膜25(特に圧電薄膜28)は、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。
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29による電圧の印加により、下部電極24と上部電極26との間に電位差を付与すると、単結晶膜25の圧電薄膜28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(支持基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電薄膜28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 potential difference is applied between 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 the ink is stored in the
本実施形態では、後述するように、単結晶圧電薄膜28を用いた構成で、圧電特性を十分に向上させることができることから、高粘度のインクを使用したり、インクの高速射出が可能なインクジェットヘッド21を実現できるとともに、記録媒体上に高速で高画質の描画が可能な、高性能のインクジェットプリンタ1を実現することができる。
In the present embodiment, as will be described later, the configuration using the single crystal piezoelectric
〔単結晶膜の詳細について〕
次に、上述した単結晶膜25の詳細について説明する。単結晶膜25に含まれるシード層27を構成する単結晶材料としては、リラクサ系の単結晶材料や、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3;STO)を用いることができる。[Details of single crystal film]
Next, details of the
ここで、リラクサとは、誘電率の最大値を示す温度が周波数とともに高温へ移動し、さらに誘電率の最大値が低下する性質(Dielectric relaxation ;誘電緩和)を示す強誘電体材料の総称であり、一般には、鉛を含む複合ペロブスカイト化合物、すなわち、Pb(B1,B2)O3で示される組成式を持つ材料を指す。なお、B1は、マグネシウム(Mg)や亜鉛(Zn)などの2価の陽イオン、または3価の陽イオンとなる元素であり、B2は、ニオブ(Nb)などの5価の陽イオン、または6価の陽イオンとなる元素である。リラクサ系とは、リラクサ単体、リラクサとリラクサとの固溶体、リラクサと他のペロブスカイト化合物との固溶体、をまとめて指す。Here, the relaxor is a general term for ferroelectric materials that exhibit the property (Dielectric relaxation) in which the temperature at which the maximum value of the dielectric constant moves to high temperature with frequency and the maximum value of the dielectric constant further decreases. Generally, it refers to a composite perovskite compound containing lead, that is, a material having a composition formula represented by Pb(B 1 , B 2 )O 3 . B 1 is an element that becomes a divalent cation such as magnesium (Mg) or zinc (Zn), or a trivalent cation, and B 2 is a pentavalent cation such as niobium (Nb). , Or an element that becomes a hexavalent cation. The relaxor system collectively refers to a relaxor simple substance, a solid solution of the relaxor and the relaxor, and a solid solution of the relaxor and another perovskite compound.
リラクサ系の単結晶材料の具体例としては、例えば前述したPMN−PTのほか、PINO−PMNO、PIMNT、PZNT、PMNT、PSNTが挙げられる。PINO−PMNOは、Pb、インジウム(In)、Nbを含むペロブスカイト化合物(Pb(In1/2Nb1/2)O3;PIN)と、Pb、Mg、Nbを含むペロブスカイト化合物(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3;PMN)との固溶体である。PIMNTは、PINと、PMNと、PbおよびTiを含むペロブスカイト化合物(チタン酸鉛;PbTiO3、PT)との固溶体である。Specific examples of the relaxor-based single crystal material include, for example, PMN-PT described above, PINO-PMNO, PIMNT, PZNT, PMNT, and PSNT. PINO-PMNO is a perovskite compound containing Pb, indium (In) and Nb (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 ; PIN) and a perovskite compound containing Pb, Mg and Nb (Pb(Mg 1 It is a solid solution with /3 Nb 2/3 )O 3 ; PMN). PIMNT is a solid solution of PIN, PMN, and a perovskite compound containing Pb and Ti (lead titanate; PbTiO 3 , PT).
PZNTは、Pb、Zn、Nbを含むペロブスカイト化合物(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3;PZN)と、PTとの固溶体であり、特に、PZNが85〜95モル%に対して、PTが15〜5モル%の割合で含まれたものである。PMNTは、PMNとPTとの固溶体であり、特に、PMNが70モル%に対して、PTが30モル%の割合で含まれたものである。PSNTは、Pb、スカンジウム(Sc)、Nbを含むペロブスカイト化合物(Pb(Sc1/2Nb1/2)O3;PSN)と、PTとの固溶体であり、特に、PSNが58〜67モル%に対して、PTが42〜33モル%の割合で含まれたものである。PZNT is a solid solution of a perovskite compound containing Pb, Zn, and Nb (Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 ; PZN) and PT, and in particular, PZN is 85 to 95 mol%. , PT is contained in a proportion of 15 to 5 mol %. PMNT is a solid solution of PMN and PT, and in particular, contains PT in an amount of 30 mol% with respect to 70 mol% of PMN. Psnt is a solid solution of perovskite compound containing Pb, scandium (Sc), and Nb (Pb(Sc 1/2 Nb 1/2 )O 3 ; PSN) and PT, and particularly, PSN is 58 to 67 mol %. On the other hand, PT was contained in a ratio of 42 to 33 mol %.
単結晶膜25に含まれる圧電薄膜28は、シード層27と同じ上記のリラクサ系の単結晶材料や、Pb、Zr、Tiを含む膜で構成される。Pb、Zr、Tiを含む膜には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のほか、PZTにLaやNbなどの添加物を添加したものも含まれる。
The piezoelectric
上記のシード層27および圧電薄膜28を含む単結晶膜25は、支持基板22とは異なる結晶性を有している。ここで、支持基板22は、上述したようにSi基板、またはSi基板を含むSOI基板で構成される。Siはダイヤモンド構造と呼ばれる結晶構造(図4参照)を持ち、その格子定数は0.54nm程度である。これに対して、単結晶膜25(シード層27、圧電薄膜28)の結晶構造は、上述したようにペロブスカイト型構造であり、例えば、圧電薄膜28の構成材料であるPZTにおいては、その格子定数は、正方晶で0.39nm程度、菱面体晶で0.41nm程度であり、シード層27を構成するPb含有のリラクサ系の単結晶材料やSTOについても、PZTと同等の値である。
The
単結晶膜25および支持基板22はどちらも単結晶であるが、互いに結晶性(格子定数)が異なっているため、単結晶膜25は、支持基板22上にエピタキシャル成長によって成膜されたものではないと言える。実際には、単結晶膜25は、単結晶の圧電体基板の一部を支持基板22上に貼り合わせることによって形成されており(詳細は後述する)、これによって、単結晶膜25と支持基板22とで異なる結晶性が実現されている。
Both the
このように、単結晶膜25は、支持基板22と結晶性が異なっており、支持基板22の結晶性の影響を受けずに形成されているので、シード層27および圧電薄膜28を両方とも、パイロクロア相をほとんど含まない、ペロブスカイト単相で構成することができる。単結晶の圧電薄膜28がペロブスカイト単相であるため、圧電定数d31として、例えば絶対値で200pm/Vを超える値を実現することが可能となり、圧電特性を十分に向上させることができる。また、単結晶の圧電薄膜28は、ペロブスカイト型構造の単結晶のシード層27の上に形成されるため、その単結晶のシード層27の結晶性(ペロブスカイト型構造)に倣う形で単結晶の圧電薄膜28を形成でき、ペロブスカイト単相の圧電薄膜28を容易にかつ確実に実現することができる。As described above, the
また、単結晶のシード層27は、リラクサ系材料またはSTOで構成されるので、そのようなシード層27上に、ペロブスカイト単相の単結晶の圧電薄膜28を形成して、圧電特性を確実に向上させることができる。
Since the single
また、単結晶の圧電薄膜28は、リラクサ系材料、PZT、またはPZTに添加物を加えたもので構成されるので、高い圧電特性を容易に実現することができる。特に、リラクサ系材料を用いて単結晶の圧電薄膜28を構成することにより、高い圧電特性を確実に実現することができる。
Further, since the single crystal piezoelectric
以下、単結晶膜25および支持基板22の結晶性の相違について、説明を補足しておく。図3は、単結晶強誘電体(単結晶圧電材料)の代表的な結晶構造(結晶系)を模式的に示している。単結晶膜25(シード層27、圧電薄膜28)は、同図に示す3つの結晶構造のいずれか、つまり、菱面体晶(ロンボヘドラル構造)、斜方晶(オーソロンビック構造)、正方晶(テトラゴナル構造)のいずれかで揃っており、これによって単結晶の膜が構成されている。
Hereinafter, the description will be supplemented with respect to the difference in crystallinity between the
ここで、菱面体晶は、結晶軸の長さが全て同じであり(a=b=c)、軸角が全て90°でない結晶系(α=β=γ≠90°)を指す。斜方晶は、結晶軸の長さが全て異なり(a≠b≠c)、軸角が全て90°である結晶系(α=β=γ=90°)を指す。正方晶は、2つの結晶軸の長さが同じで(a=b≠c)、軸角が全て90°である結晶系(α=β=γ=90°)を指す。 Here, the rhombohedral crystal refers to a crystal system (α=β=γ≠90°) in which all the crystal axes have the same length (a=b=c) and the axial angles are not all 90°. The orthorhombic crystal refers to a crystal system (α=β=γ=90°) in which all crystal axes have different lengths (a≠b≠c) and all axial angles are 90°. A tetragonal crystal refers to a crystal system in which two crystal axes have the same length (a=b≠c) and all axial angles are 90° (α=β=γ=90°).
また、単結晶膜25は、いずれの結晶系においても、ABO3型のペロブスカイト型構造を実現することができる。例えば、図3で示した各結晶格子の頂点(Aサイト)にPbを配置し、体心(Bサイト)にZrまたはTiを配置し、面心に酸素Oを配置することで、ペロブスカイト型構造のPZTを、菱面体晶、斜方晶、正方晶のそれぞれの結晶系で実現することができる。Further, the
一方、図4は、Siの結晶構造を模式的に示している。Siの結晶構造は、同じ原子からなる2組の面心立方格子を、対角線長をLとして対角線方向に1/4Lだけ互いにずらした、いわゆるダイヤモンド構造である。図3および図4より、支持基板22と単結晶膜25の結晶構造が異なることは明らかである。
On the other hand, FIG. 4 schematically shows the crystal structure of Si. The crystal structure of Si is a so-called diamond structure in which two sets of face-centered cubic lattices composed of the same atoms are displaced from each other by 1/4 L in the diagonal direction with the diagonal length being L. It is clear from FIGS. 3 and 4 that the
したがって、支持基板22として、Siを有する基板、つまり、Si基板またはSOI基板を用いることにより、支持基板22の結晶性(ダイヤモンド構造)と、単結晶膜25の結晶性(ABO3型のペロブスカイト型構造)とを確実に異ならせることができる。また、Si基板またはSOI基板は加工が容易なため、MEMS素子への適用が容易であり、圧電素子としての圧電アクチュエータ21aを安価に得ることができる。Therefore, when a substrate having Si, that is, a Si substrate or an SOI substrate is used as the
〔エンジニアード・ドメイン構造について〕
単結晶膜25の圧電薄膜28は、上述した各結晶構造(菱面体晶、斜方晶、正方晶)において、特にエンジニアード・ドメイン構造を採ることが望ましい。以下、エンジニアード・ドメイン構造について説明する。[About engineered domain structure]
The piezoelectric
図5は、圧電薄膜28の上述した各結晶構造(菱面体晶、斜方晶、正方晶)において、結晶配向と電界の印加方向との関係を模式的に示している。なお、同図では、便宜上、各結晶構造の結晶格子を同じ形状で図示しているが、各結晶格子の形状は、厳密には、図3で示した通りである。 FIG. 5 schematically shows the relationship between the crystal orientation and the direction in which the electric field is applied in each of the above-described crystal structures of the piezoelectric thin film 28 (rhombohedral, orthorhombic, tetragonal). In the figure, for the sake of convenience, the crystal lattices of each crystal structure are shown in the same shape, but the shape of each crystal lattice is exactly as shown in FIG.
PZT等のペロブスカイト型構造の結晶は、電圧無印加時において自発分極Psを持っている。自発分極Psの方向が揃った領域のことを、ここでは分極ドメインと呼ぶ。自発分極Psの取り得る方向は、結晶の単位格子の形により変化し、菱面体晶であれば、<111>方向であり、斜方晶であれば、<110>方向であり、正方晶であれば、<100>方向である。なお、<111>方向は、[111]方向のほか、これと等価な方向(例えば[−111]方向)をまとめて指すものとする。同様に、<110>方向は、[110]方向およびこれと等価な方向をまとめて指し、<100>方向は、[100]方向およびこれと等価な方向をまとめて指すものとする。図5では、自発分極Psの方向を破線で示している。 A crystal having a perovskite structure such as PZT has a spontaneous polarization Ps when no voltage is applied. A region in which the directions of the spontaneous polarization Ps are aligned is called a polarization domain here. The possible directions of the spontaneous polarization Ps vary depending on the shape of the unit cell of the crystal. The rhombohedral crystal has the <111> direction, the orthorhombic crystal has the <110> direction, and the tetragonal crystal has the tetragonal crystal. If there is, it is the <100> direction. Note that the <111> direction refers to the [111] direction and a direction equivalent thereto (for example, the [-111] direction) collectively. Similarly, the <110> direction collectively refers to the [110] direction and its equivalent direction, and the <100> direction collectively refers to the [100] direction and its equivalent direction. In FIG. 5, the direction of the spontaneous polarization Ps is shown by a broken line.
エンジニアード・ドメイン構造とは、分極ドメインの分極方向Psと異なる方向から電界Eを印加することによって、分極ドメインを180°以外で回転させ、これによって圧電歪みを増大させて圧電特性の向上を図り得るドメイン構造を言い、非180°ドメイン構造とも呼ばれる。例えば、菱面体晶の場合、分極方向は<111>方向であるため、電界印加方向を分極方向とは異なる[100]方向または[110]方向とすることにより、分極ドメインの非180°回転を利用して圧電歪みを増大させることができ、これによって圧電特性を向上させることができる。同様に、斜方晶の場合、分極方向は<110>方向であるため、電界印加方向を[100]方向または[111]方向とすることにより、圧電特性を向上させることができる。また、正方晶の場合、分極方向は<100>方向であるため、電界印加方向を[110]方向または[111]方向とすることにより、圧電特性を向上させることができる。 The engineered domain structure means that the electric field E is applied from a direction different from the polarization direction Ps of the polarization domain to rotate the polarization domain other than 180°, thereby increasing the piezoelectric strain and improving the piezoelectric characteristics. The obtained domain structure is also called a non-180° domain structure. For example, in the case of a rhombohedral crystal, the polarization direction is the <111> direction. Therefore, by setting the electric field application direction to the [100] direction or the [110] direction different from the polarization direction, non-180° rotation of the polarization domain is caused. It can be used to increase the piezoelectric strain, which can improve the piezoelectric properties. Similarly, in the case of the orthorhombic crystal, the polarization direction is the <110> direction. Therefore, the piezoelectric characteristics can be improved by setting the electric field application direction to the [100] direction or the [111] direction. Further, in the case of a tetragonal crystal, the polarization direction is the <100> direction. Therefore, the piezoelectric characteristics can be improved by setting the electric field application direction to the [110] direction or the [111] direction.
したがって、圧電薄膜28において、分極方向が、電界印加方向、つまり、下部電極24と上部電極26との対向方向(圧電薄膜28の膜厚方向)と異なる方向となる分極ドメインが生じるように、圧電薄膜28の結晶配向性を制御すれば、エンジニアード・ドメイン構造によって圧電特性を向上させることができる。なお、圧電薄膜28の結晶配向性は、その下地のシード層27の結晶配向性を制御することによって制御できる。つまり、所定の面方位に配向したシード層27を下部電極24上に形成し、その上に圧電薄膜28を成膜することにより、圧電薄膜28の結晶配向性を制御することができる。
Therefore, in the piezoelectric
このように、圧電薄膜28が下部電極24と上部電極26との対向方向(電界印加方向)とは異なる方向に分極している分極ドメインを有していることにより、電界印加時に、分極ドメインの非180°回転を利用して圧電特性を向上させる、エンジニアード・ドメイン構造を実現することができる。
As described above, the piezoelectric
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、上記した単結晶膜25の製法も含めて、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6〜図9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。[Method for manufacturing inkjet head]
Next, a method of manufacturing the
まず、図6に示すように、単結晶の圧電体基板41を用意する。圧電体基板41の一部は、のちにシード層27となるため、圧電体基板41は、シード層27と同じ材料(例えばPZNT)で構成されている。なお、圧電体基板41の厚みは、例えば500〜600μmである。
First, as shown in FIG. 6, a single
続いて、圧電体基板41にイオン注入を行って、圧電体基板41の内部であって、圧電体基板41の表面から例えば500nmの深さ位置に、圧電体基板41を分離するための変質層41b(分離層、イオン注入層)を形成する。イオン注入は、水素、アルゴン、窒素等のガスを用い、これらのガスをイオン化して行う。このときのイオン注入条件は、例えば、注入装置のイオン加速エネルギー;100〜170keV、ドーズ量;1×1016〜1×1018atom/cm3程度である。これにより、圧電体基板41は、支持層41aと、上記の変質層41bと、最外層41cとを順に積層した構成となる。なお、変質層41bの厚みは、例えば数十nmであり、最外層41cの厚みは、例えば上記の500nmである。最外層41cの厚みは、イオン注入による変質層41bの形成およびイオン注入の制御を容易に行う観点から、1μm以下であることが望ましい。Subsequently, by ion implantation into the
一方、図7に示すように、支持基板22として、MEMSに多く利用されているSi基板を用意する。なお、支持基板22として、Si基板の代わりにSOI基板を用いてもよい。そして、TiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、支持基板22上に下部電極24を形成する。なお、下部電極24の形成前に、支持基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持することにより、支持基板22上に酸化シリコン(SiO2)からなる熱酸化膜23(図2B参照)を形成し、その上に下部電極24を形成してもよい。また、上記の下部電極24は、圧電体基板41側、つまり、最外層41cの表面に形成されてもよい。On the other hand, as shown in FIG. 7, a Si substrate, which is often used for MEMS, is prepared as the
次に、図8に示すように、変質層41bを形成した圧電体基板41を、下部電極24を介して支持基板22に接着する。このとき、支持基板22の下部電極24と、圧電体基板41の最外層41cとを対向させ、加熱圧着等によって圧電体基板41と支持基板22とを接着する。
Next, as shown in FIG. 8, the
接着後、圧電体基板41を変質層41bで劈開し、支持基板22側に圧電体基板41の一部の層である最外層41cを残すことにより、この最外層41cを単結晶のシード層27として下部電極24上に形成する。上記の劈開は、400〜600℃(2〜5hr)の加熱条件により行われる。これにより、変質層41bに注入されたイオンがガス化し、最外層41cを支持基板22側に残した状態で支持層41aが剥離される。なお、劈開面のラフネスを平坦化するため、酸等を用いたエッチング処理や、CMP(Chemical Mechanical Polishing ;化学的機械的研磨)処理を行うことが望ましい。
After the bonding, the
そして、その後、単結晶のシード層27上に、単結晶の圧電薄膜28を形成する。例えば、PMN−PTのようなリラクサ系の単結晶材料をシード層27上に成膜し、厚さ1〜10μmの単結晶の圧電薄膜28を形成する。なお、このときの圧電薄膜28の形成方法としては、CVD法などの化学的成膜法(化学気相成長)、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(物理気相成長)、ゾルゲル法などの液相での成長法を用いることができる。
Then, after that, the single crystal piezoelectric
次に、図9に示すように、圧電薄膜28上に感光性樹脂51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51の不要な部分を除去し、形成する単結晶膜25の形状を転写する。その後、感光性樹脂51をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて圧電薄膜28およびシード層27の形状を加工し、単結晶膜25とする。
Next, as shown in FIG. 9, a
続いて、単結晶膜25を覆うように、下部電極24上にTiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、上部電極26の元となる層26aを形成する。続いて、層26a上に感光性樹脂52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52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52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。
Subsequently, each layer of Ti and Pt is sequentially formed on the
次に、支持基板22の裏面(単結晶膜25の形成側とは反対側の面)に感光性樹脂53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53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53をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて支持基板22の除去加工を行い、圧力室22aを形成して圧電アクチュエータ21aとする。
Next, a
その後、圧電アクチュエータ21aの支持基板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。
After that, the
以上のように、単結晶の圧電体基板41から分離される一部の層(最外層41c)を、下部電極24を介して支持基板22に接着することにより、下部電極24上に最外層41cからなる単結晶のシード層27を形成する(シード層形成工程)。つまり、単結晶のシード層27は、単結晶の圧電体基板41から分離される一部の層で構成され、成膜によって形成されるものではない。このため、最外層41cを下部電極24上に接着することで、下地の下部電極24および支持基板22の結晶性の影響を受けることなく、下部電極24上に単結晶構造のシード層27を確実に形成することができる。
As described above, by adhering a part of the layer (
また、単結晶の圧電体基板41にイオン注入を行って、圧電体基板41の内部に変質層41bを形成することで、圧電体基板41を変質層41bで分離(劈開)することが容易となる。これにより、圧電体基板41の一部の層(最外層41c)を下部電極24上に残して単結晶のシード層27を形成することが容易となる。
Further, by performing ion implantation on the single
また、単結晶のシード層27上に、気相成長または液相成長によって圧電薄膜28を形成することにより、この圧電薄膜28をシード層27の結晶性に倣って単結晶で確実に形成することができる。
Further, by forming the piezoelectric
〔圧電薄膜の他の材料〕
本実施形態では、単結晶の圧電薄膜28を構成するPb含有のペロブスカイト化合物として、PZT、またはPZTにLaやNbを添加したものを例に挙げて説明したが、添加物は上記のLaやNbに限定されるわけではない。ABO3型のペロブスカイト型構造のAサイトまたはBサイトに以下の元素を含むペロブスカイト化合物で圧電薄膜28を構成することもできる。すなわち、ABO3型のペロブスカイト型構造のAサイトの元素は、鉛(Pb)を含み、さらに、バリウム(Ba)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ビスマス(Bi)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、カリウム(K)の少なくとも1つを含んでいてもよい。また、Bサイトの元素は、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、さらに、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、スカンジウム(Sc)、コバルト(Co)、銅(Cu)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ガリウム(Ga)、カドミウム(Cd)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)の少なくとも1つを含んでいてもよい。[Other materials for piezoelectric thin film]
In the present embodiment, as the Pb-containing perovskite compound that constitutes the single crystal piezoelectric
〔その他〕
本実施形態で説明した圧電素子としての圧電アクチュエータは、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタ以外にも、超音波センサ、赤外線センサ(焦電センサ)、周波数フィルタ、不揮発性メモリ、プロジェクタなどの種々のデバイス(MEMSアクチュエータ、MEMSセンサ)に適用することができる。[Other]
The piezoelectric actuator as the piezoelectric element described in the present embodiment is applicable to various devices (MEMS, such as an ultrasonic sensor, an infrared sensor (pyroelectric sensor), a frequency filter, a non-volatile memory, and a projector, in addition to an inkjet head and an inkjet printer. Actuator, MEMS sensor).
〔補足〕
以上で説明した本実施形態の圧電素子、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタ、および圧電素子の製造方法は、以下のように表現することもでき、これによって以下の作用効果を奏する。[Supplement]
The piezoelectric element, the inkjet head, the inkjet printer, and the method for manufacturing the piezoelectric element according to the present embodiment described above can also be expressed as follows, and the following operational effects are achieved thereby.
本実施形態の圧電素子は、支持基板側から、下部電極、ペロブスカイト型構造の単結晶膜、上部電極をこの順で有し、前記単結晶膜は、前記支持基板側から、ペロブスカイト型構造の単結晶シード層と、ペロブスカイト型構造の単結晶圧電薄膜とを有し、前記単結晶膜は、前記支持基板とは異なる結晶性を有している。 The piezoelectric element of the present embodiment has a lower electrode, a single crystal film having a perovskite structure, and an upper electrode in this order from the supporting substrate side, and the single crystal film is a single film having a perovskite structure from the supporting substrate side. It has a crystal seed layer and a single crystal piezoelectric thin film having a perovskite structure, and the single crystal film has crystallinity different from that of the supporting substrate.
上記の構成によれば、支持基板側から、下部電極、単結晶シード層、単結晶圧電薄膜、上部電極がこの順で形成される。単結晶シード層および単結晶圧電薄膜を含む単結晶膜は、支持基板とは異なる結晶性を有しているため、支持基板の結晶性の影響を受けずに形成されたものと言える。したがって、単結晶シード層および単結晶圧電薄膜の結晶構造を両方とも、支持基板の結晶性に関係なく、ペロブスカイト型構造(ペロブスカイト単相)とすることができる。このように、単結晶圧電薄膜がペロブスカイト単相であるため、圧電特性を十分に向上させることができる。また、単結晶圧電薄膜は、ペロブスカイト型構造の単結晶シード層の上に形成されるため、そのようなペロブスカイト単相の単結晶圧電薄膜を確実に実現することができる。 According to the above configuration, the lower electrode, the single crystal seed layer, the single crystal piezoelectric thin film, and the upper electrode are formed in this order from the supporting substrate side. Since the single crystal film including the single crystal seed layer and the single crystal piezoelectric thin film has crystallinity different from that of the supporting substrate, it can be said that the single crystal film was formed without being affected by the crystallinity of the supporting substrate. Therefore, both the single crystal seed layer and the single crystal piezoelectric thin film can have a perovskite type structure (perovskite single phase) regardless of the crystallinity of the supporting substrate. As described above, since the single crystal piezoelectric thin film has the perovskite single phase, the piezoelectric characteristics can be sufficiently improved. Further, since the single crystal piezoelectric thin film is formed on the single crystal seed layer having the perovskite structure, such a perovskite single phase single crystal piezoelectric thin film can be reliably realized.
前記単結晶シード層の厚さは、1μm以下であることが望ましい。単結晶シード層は、例えば、単結晶の圧電体基板にイオン注入を行って、圧電体基板の内部に変質層を形成し、圧電体基板を変質層で劈開して分断することによって形成される。単結晶シード層の厚さが1μm以下であれば、圧電体基板の深部にまでイオン注入を行って、深部に変質層を形成する必要がないため、イオン注入による変質層の形成およびイオン注入の制御が容易となる。 The thickness of the single crystal seed layer is preferably 1 μm or less. The single crystal seed layer is formed, for example, by implanting ions into a single crystal piezoelectric substrate to form an altered layer inside the piezoelectric substrate, and cleaving and dividing the piezoelectric substrate with the altered layer. .. If the thickness of the single crystal seed layer is 1 μm or less, it is not necessary to perform ion implantation to a deep portion of the piezoelectric substrate to form an altered layer in the deep portion. Easy to control.
前記単結晶圧電薄膜の厚さは、1μm以上10μm以下であることが望ましい。この場合、デバイスに必要な変位発生力を確実に確保することができる。 The thickness of the single crystal piezoelectric thin film is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. In this case, the displacement generation force required for the device can be reliably ensured.
前記単結晶シード層は、リラクサ系の単結晶材料からなっていてもよい。この場合、リラクサ系の単結晶材料からなる単結晶シード層上に、ペロブスカイト単相の単結晶圧電薄膜を形成して、圧電特性を確実に向上させることができる。 The single crystal seed layer may be made of a relaxor single crystal material. In this case, the perovskite single-phase single-crystal piezoelectric thin film can be formed on the single-crystal seed layer made of the relaxor-based single-crystal material to reliably improve the piezoelectric characteristics.
前記単結晶シード層は、チタン酸ストロンチウムからなっていてもよい。この場合、STO(SrTiO3)からなる単結晶シード層上に、ペロブスカイト単相の単結晶圧電薄膜を形成して、圧電特性を確実に向上させることができる。The single crystal seed layer may be made of strontium titanate. In this case, the perovskite single-phase single-crystal piezoelectric thin film can be formed on the single-crystal seed layer made of STO (SrTiO 3 ) to surely improve the piezoelectric characteristics.
前記単結晶圧電薄膜は、リラクサ系の単結晶材料からなっていてもよい。単結晶圧電薄膜をリラクサ系の単結晶材料で構成することにより、高い圧電特性を得ることが容易となる。 The single crystal piezoelectric thin film may be made of a relaxor single crystal material. When the single crystal piezoelectric thin film is made of a relaxor single crystal material, it becomes easy to obtain high piezoelectric characteristics.
前記単結晶圧電薄膜は、鉛、ジルコニウム、チタンを含む膜からなっていてもよい。Pb、Zr、Tiを含む上記の膜には、PZTのほか、PZTにランタン(La)やNbなどの添加物を加えたペロブスカイト化合物も含まれる。このように、Pb、Zr、Tiを含む膜で単結晶圧電薄膜を構成することにより、高い圧電特性を得ることができる。 The single crystal piezoelectric thin film may be a film containing lead, zirconium, and titanium. The above-mentioned film containing Pb, Zr, and Ti includes, in addition to PZT, a perovskite compound obtained by adding an additive such as lanthanum (La) or Nb to PZT. Thus, by forming a single crystal piezoelectric thin film with a film containing Pb, Zr, and Ti, high piezoelectric characteristics can be obtained.
前記単結晶シード層は、単結晶圧電体基板から分離される一部の層で構成されていることが望ましい。単結晶シード層は、成膜によって形成される層(薄膜)ではなく、単結晶圧電体基板、つまり、単結晶構造の基板の一部の層で構成されるため、例えば上記一部の層を下部電極上に接着することで、単結晶構造のシード層を得ることができる。つまり、下地の下部電極の結晶性の影響を受けることなく、単結晶構造のシード層を確実に実現することができる。 The single crystal seed layer is preferably composed of a part of layer separated from the single crystal piezoelectric substrate. The single crystal seed layer is not a layer (thin film) formed by film formation but is a partial layer of a single crystal piezoelectric substrate, that is, a substrate having a single crystal structure. By adhering on the lower electrode, a seed layer having a single crystal structure can be obtained. That is, the seed layer having a single crystal structure can be reliably realized without being affected by the crystallinity of the lower electrode of the base.
前記単結晶膜は、菱面体晶、斜方晶、正方晶のいずれかの結晶構造で揃っていてもよい。これにより、単結晶の膜を確実に実現することができる。 The single crystal film may have a rhombohedral, orthorhombic, or tetragonal crystal structure. Thereby, a single crystal film can be surely realized.
前記単結晶膜に含まれる前記単結晶圧電薄膜は、前記下部電極と前記上部電極との対向方向とは異なる方向に分極している分極ドメインを有していることが望ましい。この場合、下部電極と上部電極との対向方向である電界印加方向と、分極ドメインの分極方向とが異なるため、電界印加時に、分極ドメインの非180°回転を利用して圧電特性を向上させる、エンジニアード・ドメイン構造を実現することができる。 The single crystal piezoelectric thin film included in the single crystal film preferably has a polarization domain polarized in a direction different from a direction in which the lower electrode and the upper electrode face each other. In this case, since the electric field application direction, which is the opposing direction of the lower electrode and the upper electrode, and the polarization direction of the polarization domain are different, the piezoelectric characteristics are improved by utilizing the non-180° rotation of the polarization domain when the electric field is applied, An engineered domain structure can be realized.
前記支持基板は、シリコン基板またはSOI基板で構成されていてもよい。シリコンの結晶構造はダイヤモンド構造であるため、ABO3型のペロブスカイト型構造を有する単結晶膜と支持基板とで、結晶性を確実に異ならせることができる。The support substrate may be composed of a silicon substrate or an SOI substrate. Since the crystal structure of silicon is a diamond structure, the crystallinity of the single crystal film having the ABO 3 type perovskite structure and the crystallinity of the supporting substrate can be surely made different.
本実施形態の圧電素子の製造方法は、上述した構成の圧電素子の製造方法であって、単結晶の圧電体基板から分離される一部の層を、前記下部電極を介して前記支持基板に接着することにより、前記下部電極上に前記一部の層からなる前記単結晶シード層を形成するシード層形成工程を有している。 The method for manufacturing a piezoelectric element of the present embodiment is a method for manufacturing a piezoelectric element having the above-described configuration, wherein a part of the layer separated from the single crystal piezoelectric substrate is provided on the support substrate via the lower electrode. There is a seed layer forming step of forming the single crystal seed layer composed of the partial layer on the lower electrode by adhering.
単結晶の圧電体基板から分離される一部の層(単結晶構造の層)を、下部電極上に接着して単結晶シード層を形成するので、下地の下部電極の結晶性の影響を受けることなく、単結晶シード層を確実に形成することができる。 A part of the layer (single crystal structure layer) separated from the single crystal piezoelectric substrate is bonded to the lower electrode to form a single crystal seed layer, so that it is affected by the crystallinity of the underlying lower electrode. The single crystal seed layer can be formed without fail.
前記シード層形成工程は、単結晶の前記圧電体基板にイオン注入を行って、前記圧電体基板の内部に、前記圧電体基板を分離するための変質層を形成する工程と、前記圧電体基板を、前記下部電極を介して前記支持基板に接着する工程と、接着後に、前記圧電体基板を前記変質層で劈開し、前記圧電体基板の前記一部の層を前記下部電極上に残すことによって、前記単結晶シード層を形成する工程とを含んでいてもよい。 In the seed layer forming step, a step of performing ion implantation into the single crystal piezoelectric substrate to form an altered layer for separating the piezoelectric substrate inside the piezoelectric substrate, and the piezoelectric substrate. A step of adhering to the supporting substrate via the lower electrode, and after the adhering, cleaving the piezoelectric substrate with the altered layer and leaving the part of the layer of the piezoelectric substrate on the lower electrode. And forming the single crystal seed layer.
イオン注入により、単結晶の圧電体基板の内部に変質層を形成することで、圧電体基板を変質層で分離(劈開)することが容易となる。これにより、圧電体基板の一部の層を下部電極上に残して単結晶シード層を形成することが容易となる。 By forming the altered layer inside the single crystal piezoelectric substrate by ion implantation, it becomes easy to separate (cleavage) the piezoelectric substrate by the altered layer. This facilitates formation of the single crystal seed layer while leaving a part of the layer of the piezoelectric substrate on the lower electrode.
上記の圧電素子の製造方法は、前記単結晶シード層上に、気相成長または液相成長により、前記単結晶圧電薄膜を形成する工程をさらに含んでいてもよい。この場合、単結晶シード層上に、単結晶シード層の結晶性に倣って、単結晶圧電薄膜を確実に形成することができる。 The method for manufacturing a piezoelectric element may further include a step of forming the single crystal piezoelectric thin film on the single crystal seed layer by vapor phase growth or liquid phase growth. In this case, the single crystal piezoelectric thin film can be reliably formed on the single crystal seed layer, following the crystallinity of the single crystal seed layer.
本実施形態のインクジェットヘッドは、上述した構成の圧電素子と、前記圧電素子の前記支持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。上述した圧電素子の構成によれば、単結晶圧電薄膜を用いた構成で、圧電特性を十分に向上させることができることから、高粘度のインクを使用したり、インクの高速射出を実現することが可能となる。 The inkjet head of the present embodiment includes the piezoelectric element having the above-described configuration, and a nozzle substrate having a nozzle hole for ejecting ink contained in an opening formed in the support substrate of the piezoelectric element to the outside. ing. According to the above-described configuration of the piezoelectric element, since the piezoelectric characteristics can be sufficiently improved with the configuration using the single crystal piezoelectric thin film, high-viscosity ink can be used and high-speed ejection of ink can be realized. It will be possible.
本実施形態のインクジェットプリンタは、上述した構成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。これにより、記録媒体上に高速で高画質の描画が可能な、高性能のインクジェットプリンタを実現することができる。 The inkjet printer of the present embodiment includes the inkjet head having the above-described configuration, and ejects ink from the inkjet head toward the recording medium. As a result, it is possible to realize a high-performance inkjet printer capable of high-speed, high-quality drawing on a recording medium.
本発明の圧電素子は、インクジェットヘッドやインクジェットプリンタ等に利用可能である。 The piezoelectric element of the present invention can be used for inkjet heads, inkjet printers, and the like.
1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
21a 圧電アクチュエータ(圧電素子)
22 支持基板
22a 圧力室(開口部)
24 下部電極
25 単結晶膜
26 上部電極
27 シード層(単結晶シード層)
28 圧電薄膜(単結晶圧電薄膜)
31 ノズル基板
31a インク吐出孔
41 圧電体基板
41b 変質層1
22
24
28 Piezoelectric thin film (single crystal piezoelectric thin film)
31
Claims (16)
前記単結晶膜は、前記支持基板側から、
ペロブスカイト型構造の単結晶シード層と、
ペロブスカイト型構造の単結晶圧電薄膜とを有し、
前記単結晶膜は、前記支持基板とは異なる結晶性を有しており、
前記単結晶シード層は、リラクサ系の単結晶材料からなる、圧電素子。 From the supporting substrate side, a lower electrode, a single crystal film having a perovskite structure, and an upper electrode are provided in this order,
The single crystal film, from the support substrate side,
A single crystal seed layer having a perovskite structure,
And a single crystal piezoelectric thin film having a perovskite structure,
The single crystal film has a crystallinity different from that of the supporting substrate ,
The single crystal seed layer is a piezoelectric element made of a relaxer single crystal material .
前記単結晶膜は、前記支持基板側から、The single crystal film, from the support substrate side,
ペロブスカイト型構造の単結晶シード層と、A single crystal seed layer having a perovskite structure,
ペロブスカイト型構造の単結晶圧電薄膜とを有し、A single crystal piezoelectric thin film having a perovskite structure,
前記単結晶膜は、前記支持基板とは異なる結晶性を有しており、The single crystal film has a crystallinity different from that of the supporting substrate,
前記単結晶シード層は、単結晶圧電体基板から分離される一部の層で構成されている、圧電素子。The piezoelectric element, wherein the single crystal seed layer is composed of a part of layer separated from the single crystal piezoelectric substrate.
前記単結晶膜は、前記支持基板側から、
ペロブスカイト型構造の単結晶シード層と、
ペロブスカイト型構造の単結晶圧電薄膜とを有し、
前記単結晶膜は、前記支持基板とは異なる結晶性を有している圧電素子の製造方法であって、
単結晶の圧電体基板から分離される一部の層を、前記下部電極を介して前記支持基板に接着することにより、前記下部電極上に前記一部の層からなる前記単結晶シード層を形成するシード層形成工程を有している、圧電素子の製造方法。 From the supporting substrate side, a lower electrode, a single crystal film having a perovskite structure, and an upper electrode are provided in this order,
The single crystal film, from the support substrate side,
A single crystal seed layer having a perovskite structure,
And a single crystal piezoelectric thin film having a perovskite structure,
The single crystal film is a method of manufacturing a piezoelectric element having crystallinity different from that of the supporting substrate ,
A part of the layer separated from the single crystal piezoelectric substrate is bonded to the support substrate via the lower electrode to form the single crystal seed layer composed of the part of the layer on the lower electrode. A method of manufacturing a piezoelectric element, comprising the step of forming a seed layer.
単結晶の前記圧電体基板にイオン注入を行って、前記圧電体基板の内部に、前記圧電体基板を分離するための変質層を形成する工程と、
前記圧電体基板を、前記下部電極を介して前記支持基板に接着する工程と、
接着後に、前記圧電体基板を前記変質層で劈開し、前記圧電体基板の前記一部の層を前記下部電極上に残すことによって、前記単結晶シード層を形成する工程とを含む、請求項12に記載の圧電素子の製造方法。 In the seed layer forming step,
Ion implantation is performed on the single crystal piezoelectric substrate to form an altered layer for separating the piezoelectric substrate inside the piezoelectric substrate,
Bonding the piezoelectric substrate to the support substrate via the lower electrode,
Forming a single crystal seed layer by cleaving the piezoelectric substrate with the altered layer after bonding and leaving the part of the layer of the piezoelectric substrate on the lower electrode. 13. The method for manufacturing a piezoelectric element according to item 12.
前記圧電素子の前記支持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、インクジェットヘッド。 A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 11,
An inkjet head, comprising: a nozzle substrate having nozzle holes for ejecting ink contained in an opening formed in the support substrate of the piezoelectric element to the outside.
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