JP6800636B2 - Piezoelectric film-forming substrate and its manufacturing method, piezoelectric substrate, and liquid discharge head - Google Patents

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Description

本発明は、圧電体成膜用基板およびその製造方法、圧電体基板、ならびに液体吐出ヘッドに関する。 The present invention relates to a piezoelectric film forming substrate and a method for manufacturing the same, a piezoelectric substrate, and a liquid discharge head.

圧電体成膜用基板において下地基板と圧電体素子の下部電極の密着性を向上させるため、その層間にTi中間層を有する層構成がしばしば取られる(特許文献1参照)。 In order to improve the adhesion between the base substrate and the lower electrode of the piezoelectric element in the piezoelectric film forming substrate, a layer structure having a Ti intermediate layer between the layers is often adopted (see Patent Document 1).

また、圧電体素子の圧電特性を向上させるため、圧電体薄膜、特にPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の(100)配向度を向上させることが提案されている。特許文献2には下部電極層と圧電体薄膜層間に、Ti核100%膜を3〜7nm有している層構成を開示している。また、非特許文献1では下部電極層と圧電体薄膜層との間に配向を制御するPbTiO層を有しており、そのPbO量が豊富(TiO量が欠乏)な組成で圧電層が(100)面配向優位になるとの示唆を開示している。PbTiO層については特許文献1にも、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の下地としてPbTiO層の原料化合物(前駆体)を塗布、乾燥し、その上にPZTの原料化合物を塗布、乾燥し、最後に焼成することが開示されている。 Further, in order to improve the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element, it has been proposed to improve the (100) degree of orientation of the piezoelectric thin film, particularly PZT (lead zirconate titanate). Patent Document 2 discloses a layer structure having a Ti nucleus 100% film of 3 to 7 nm between the lower electrode layer and the piezoelectric thin film layer. Further, in Non-Patent Document 1, a PbTiO 3 layer for controlling orientation is provided between the lower electrode layer and the piezoelectric thin film layer, and the piezoelectric layer has a composition in which the amount of PbO is abundant (the amount of TiO 2 is deficient). (100) The suggestion that the plane orientation becomes dominant is disclosed. Regarding the PbTiO 3 layer, Patent Document 1 also applies and dries the raw material compound (precursor) of the PbTiO 3 layer as a base of PZT (lead zirconate titanate), and then coats and dries the raw material compound of PZT. , Finally firing is disclosed.

特開平10−126204号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-126204 特開2003−298136号公報(特許第3956134号)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-298136 (Patent No. 3965134)

P. Muralt, J.Appl.Phys. 100, 051605 (2006)P. Muralt, J. et al. Apple. Phys. 100, 051605 (2006)

上記特許文献2および非特許文献1では、高い(100)配向度を有する圧電体薄膜が得られることが開示されている。しかし、特許文献2ではZrO膜上に少なくともIr層を有する下部電極を形成し、その上にTi核100%膜を形成するもので、本発明で提供する層構成とは異なっている。 Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose that a piezoelectric thin film having a high degree of orientation (100) can be obtained. However, in Patent Document 2, a lower electrode having at least an Ir layer is formed on the ZrO 2 film, and a Ti nucleus 100% film is formed on the lower electrode, which is different from the layer structure provided in the present invention.

特許文献1や非特許文献1のようなPbTiO層の形成は、下地電極層から下の構成を無視できる可能性がある。しかしながら、PbTiO層の形成条件、特に特許文献1のようなPbTiO前駆体上に圧電体薄膜を形成する場合、非特許文献1に示唆されるPbO量が豊富な組成であっても、圧電体薄膜の(100)配向度が十分に向上しない場合があることを本発明者らは見出した。 In the formation of the PbTIO 3 layer as in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, there is a possibility that the configuration below the base electrode layer can be ignored. However, under the conditions for forming the PbTiO 3 layer, particularly when the piezoelectric thin film is formed on the PbTiO 3 precursor as in Patent Document 1, piezoelectric thin film is formed even if the composition is rich in the amount of PbO suggested in Non-Patent Document 1. The present inventors have found that the degree of (100) orientation of the body thin film may not be sufficiently improved.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。つまり、本発明は、圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高く、ひいては高い圧電特性を備える圧電体素子を提供できる圧電体成膜用基板およびその製造方法を提供する。また本発明は、該圧電体成膜用基板を用いた圧電体基板、ならびに該圧電体基板を含む圧電体素子を備えた液体吐出ヘッドを提供する。 The present invention has been made in view of the above problems. That is, the present invention provides a piezoelectric film forming substrate and a method for manufacturing the same, which can provide a piezoelectric element having a high ratio of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film and, by extension, high piezoelectric characteristics. The present invention also provides a piezoelectric substrate using the piezoelectric film forming substrate, and a liquid discharge head including a piezoelectric element including the piezoelectric substrate.

一実施形態は、
少なくともSiO 表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiを含む中間層と、
該中間層の上のPtを含む電極層と、
該電極層上の配向制御層と
を有し、
該配向制御層形成前の該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されず、
該配向制御層はPb、OおよびTiを含み、該配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが13.87原子%以上14.88原子%以下であることを特徴とする圧電体成膜用基板に関する。
One embodiment is
A base substrate layer containing at least SiO 2 on its surface,
And an intermediate layer comprising a T i on the lower ground substrate layer,
An electrode layer containing Pt on the intermediate layer and
It has an orientation control layer on the electrode layer and
Ti was not detected on the surface of the electrode layer before the formation of the orientation control layer by the elemental quantitative analysis method .
The orientation control layer contains Pb, O and Ti, and the Ti in the Pb, O and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 13.87 atomic% or more and 14.88 atomic% or less. The present invention relates to a substrate for forming a piezoelectric material .

上記実施形態の圧電体成膜用基板を用いることで、圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高く、ひいては高い圧電特性を備える圧電体基板を提供できる。また、この圧電体基板を用いることで優れた吐出液滴性能を有する液体吐出ヘッドを提供する。 By using the piezoelectric film-forming substrate of the above embodiment, it is possible to provide a piezoelectric substrate having a high ratio of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film and, by extension, high piezoelectric characteristics. Further, by using this piezoelectric substrate, a liquid discharge head having excellent discharge droplet performance is provided.

一実施形態の圧電体薄膜を示す縦断面模式図である。It is a vertical cross-sectional schematic diagram which shows the piezoelectric thin film of one Embodiment. 一実施形態の圧電体薄膜を示す縦断面模式図である。It is a vertical cross-sectional schematic diagram which shows the piezoelectric thin film of one Embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the liquid discharge head of one Embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的斜視断面図である。It is a schematic perspective sectional view which shows the liquid discharge head of one Embodiment. 一実施形態の液体吐出ヘッドを示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the liquid discharge head of one Embodiment. 実施例1における基板の(5)の位置におけるX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray diffraction pattern at the position (5) of the substrate in Example 1. FIG. 実施例および比較例における基板上のX線回折測定箇所を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the X-ray diffraction measurement point on the substrate in an Example and a comparative example. (a)は実施例1の圧電体成膜用基板のPt電極表面での全結合エネルギー領域に対するXPSスペクトルを示す図、(b)は該スペクトルのTi2p軌道領域を示す拡大図である。(A) is a diagram showing an XPS spectrum with respect to a total binding energy region on the Pt electrode surface of the piezoelectric film forming substrate of Example 1, and (b) is an enlarged view showing a Ti2p orbital region of the spectrum. 比較例1の圧電体成膜用基板のPt電極表面でのTi2p軌道領域に対するXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum with respect to the Ti2p orbital region on the Pt electrode surface of the piezoelectric film forming substrate of Comparative Example 1. 圧電体成膜用基板の配向制御層表面でのTi量比に対する、その上に積層したPZT圧電体薄膜の(100)面配向度を示す図である。It is a figure which shows the degree of (100) plane orientation of the PZT piezoelectric thin film laminated on the Ti amount ratio with respect to the Ti amount ratio on the orientation control layer surface of the piezoelectric film-forming substrate.

以下に、本発明の実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるわけではない。
ここで圧電体薄膜の(100)面の配向の割合が高いと、高い圧電特性を引き起こす機構について説明する。ゾルゲル法により形成され圧電体薄膜の結晶配向は、(100)面の配向割合が他の面の配向((111)面、(110)面等)の配向に比べて高くなるほど、分極モーメントの方向が圧電体の変形方向に近づく。従って、(100)面の配向割合が多い圧電体薄膜ほど変形量が大きくなり、液体吐出ヘッドなどのアクチュエーターとして好適に用いることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments.
Here, a mechanism that causes high piezoelectric characteristics when the ratio of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film is high will be described. The crystal orientation of the piezoelectric thin film formed by the sol-gel method is such that the orientation ratio of the (100) plane is higher than the orientation of the other planes ((111) plane, (110) plane, etc.), the direction of the polarization moment. Approaches the deformation direction of the piezoelectric body. Therefore, the larger the orientation ratio of the (100) plane is, the larger the deformation amount becomes, and it can be suitably used as an actuator such as a liquid discharge head.

1.圧電体成膜用基板
図1、2は、一実施形態の圧電体成膜用基板の縦断面模式図である。図1は下地基板層1、中間層2、電極層3の積層からなる第1の実施形態に係る圧電体成膜用基板を示している。また、図2の縦断面模式図は、図1の構成の圧電体成膜用基板に配向制御層4を積層した第2の実施形態に係る圧電体成膜用基板を示している。
1. 1. Piezoelectric film forming substrate FIGS. 1 and 2 are schematic vertical cross-sectional views of the piezoelectric film forming substrate of one embodiment. FIG. 1 shows a piezoelectric film forming substrate according to the first embodiment, which is composed of a laminate of a base substrate layer 1, an intermediate layer 2, and an electrode layer 3. Further, the schematic vertical cross-sectional view of FIG. 2 shows the piezoelectric film forming substrate according to the second embodiment in which the orientation control layer 4 is laminated on the piezoelectric film forming substrate having the configuration of FIG.

下地基板層1は少なくともSiOまたはSiNを表面に含むが、その他の材料としてはその上に形成する各層の形成過程で実施され得る熱処理において変形、溶融しない材料が好ましい。また、下地基板層1は表面が平滑であり、熱処理時の元素の拡散も防止でき、かつ機械的強度も十分であることが好ましい。また、本実施形態により得られる圧電体基板を用いて液体吐出ヘッドを製造する際には、下地基板層1が圧力室を形成するための圧力室基板を兼ねていても良い。例えば、このような目的では、下地基板層1の材料はシリコン(Si)等からなる半導体基板やタングステン(W)や耐熱ステンレス(SUS)等の金属基板を好ましく用いることができるが、ジルコニアやアルミナ、シリカなどのセラミック基板を用いても構わない。また、これらの基板材料を複数種類、組み合わせても良いし、積層して多層構成として用いても良い。これらの材料の表面にSiOまたはSiNを形成して下地基板層1とする。例えば、Si基板を酸化又は窒化して表面をSiOまたはSiNを含む層に改質することができる。 The base substrate layer 1 contains at least SiO 2 or SiN on the surface, but as another material, a material that is not deformed or melted in the heat treatment that can be performed in the process of forming each layer formed on the substrate layer 1 is preferable. Further, it is preferable that the surface of the base substrate layer 1 is smooth, diffusion of elements during heat treatment can be prevented, and mechanical strength is sufficient. Further, when the liquid discharge head is manufactured using the piezoelectric substrate obtained by the present embodiment, the base substrate layer 1 may also serve as a pressure chamber substrate for forming a pressure chamber. For example, for such a purpose, a semiconductor substrate made of silicon (Si) or the like or a metal substrate such as tungsten (W) or heat-resistant stainless steel (SUS) can be preferably used as the material of the base substrate layer 1, but zirconia or alumina can be preferably used. , A ceramic substrate such as silica may be used. Further, a plurality of types of these substrate materials may be combined, or they may be laminated and used as a multilayer structure. SiO 2 or SiN is formed on the surface of these materials to form the base substrate layer 1. For example, the Si substrate can be oxidized or nitrided to modify the surface to a layer containing SiO 2 or SiN.

中間層2は、下地基板層1と電極層3の密着性を向上するために挿入する層である。このため、中間層2の材料としてはTiおよびTiOの少なくとも一方を含む。Ti層とTiO層の積層とすることもできる。また、中間層2は2nm以上50nm以下の層厚である事が好ましい。なぜならば、中間層2の層厚が2nm以上であれば、密着性を発現するための十分な層厚が確保でき、50nm以下であれば、材料の無駄な消費を抑制できる。 The intermediate layer 2 is a layer to be inserted in order to improve the adhesion between the base substrate layer 1 and the electrode layer 3. Therefore, the material of the intermediate layer 2 includes at least one of Ti and TiO 2 . It is also possible to laminate the Ti layer and the TiO two layer. Further, the intermediate layer 2 preferably has a layer thickness of 2 nm or more and 50 nm or less. This is because if the layer thickness of the intermediate layer 2 is 2 nm or more, a sufficient layer thickness for exhibiting adhesion can be secured, and if it is 50 nm or less, wasteful consumption of the material can be suppressed.

電極層3の材料は、Ptを含む圧電体素子に通常用いるものであれば良く、例えば、Pt金属膜やPtを含む酸化膜、さらにはTi、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni等の金属、およびこれらの酸化物を含んでいてもよい。電極層3は、1層からなるものであっても、あるいはこれらの2層以上を積層したものであっても良い。これらの金属、酸化物は、基板上にゾルゲル法などにより塗布、焼成して形成しても良いし、スパッタ、蒸着などにより形成しても良い。また、所望の形状にパターニングして用いても良い。電極層3は40nm以上1000nm以下の層厚を有する事が好ましい。第1の実施形態では、熱履歴の比較的少ないスパッタ法が好適である。 The material of the electrode layer 3 may be any material usually used for a piezoelectric element containing Pt, for example, a Pt metal film, an oxide film containing Pt, Ti, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, etc. It may contain metals such as Al, Fe, Cr and Ni, and oxides thereof. The electrode layer 3 may be composed of one layer, or may be a stack of two or more of these layers. These metals and oxides may be formed by coating and firing on a substrate by a sol-gel method or the like, or may be formed by sputtering, vapor deposition or the like. Further, it may be used by patterning it into a desired shape. The electrode layer 3 preferably has a layer thickness of 40 nm or more and 1000 nm or less. In the first embodiment, a sputtering method having a relatively small heat history is suitable.

スパッタされた表面の数原子層はイオンによって乱され、照射イオンの残留や非結晶層の形成が起こるため、これらを除去、安定化するために、スパッタリング後に熱処理を行う事がある。この熱処理はスパッタ装置内で行ってもよく、スパッタ装置から取り出して行ってもよい。 Since the several atomic layers on the sputtered surface are disturbed by ions, residual irradiation ions and formation of non-crystalline layers occur, heat treatment may be performed after sputtering in order to remove and stabilize them. This heat treatment may be performed in the sputtering apparatus or may be removed from the sputtering apparatus.

このような層構成の圧電体成膜用基板上に圧電体薄膜を形成すると、熱処理条件によって圧電体薄膜の(100)面の配向度がばらつくという現象が観測された。この原因について圧電体薄膜成膜前の圧電体成膜用基板上、すなわち、電極層3の表面状態を検討したところ、電極表面にTiの存在が確認された時に配向度が低下し、Tiの存在が確認されない場合には高い配向度が得られることを見出した。従来、圧電体薄膜の(100)面配向度が高くなる圧電体成膜用基板のTiに対する詳細構成はこれまで未解明あった。 When a piezoelectric thin film was formed on a piezoelectric thin film having such a layer structure, a phenomenon was observed in which the degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film varied depending on the heat treatment conditions. Regarding the cause of this, when the surface state of the piezoelectric film forming substrate before the piezoelectric thin film was formed, that is, the electrode layer 3 was examined, the degree of orientation decreased when the presence of Ti was confirmed on the electrode surface, and the Ti It was found that a high degree of orientation can be obtained when the existence is not confirmed. Conventionally, the detailed configuration of the piezoelectric film forming substrate with respect to Ti, which increases the degree of (100) plane orientation of the piezoelectric thin film, has not been clarified so far.

したがって、本発明の第1の実施形態に係る圧電体成膜用基板は、少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層と、該下地基板層上のTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層と、該中間層の上のPtを含む電極層とを有し、該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されないことを特徴とする。 Therefore, the piezoelectric film forming substrate according to the first embodiment of the present invention has an intermediate substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface and at least one of Ti and TiO 2 on the substrate layer. It has a layer and an electrode layer containing Pt on the intermediate layer, and the surface of the electrode layer is characterized in that Ti is not detected by the elemental quantitative analysis method.

Ti層からのTi移動(マイグレーション)を抑制するため、Ti層表面を不動態化することが知られている。しかしながら、Ptスパッタリング後の熱処理の温度や時間によっては僅かながらもTiマイグレーションが起こる。したがって、本実施形態では電極層形成時や電極層形成後の熱処理の温度や時間を制御することによってTiマイグレーションを抑制する条件を選定する。このような熱処理条件の選定は実験的に行うことができる。例えば、電極層をスパッタ法で形成する場合のスパッタリング後の熱処理としては、280℃以下の温度であることが好ましい。また、残留照射イオンの除去や結晶化などのスパッタリング後の熱処理の目的を達成するためには、100℃以上であることが好ましく、150℃以上がより好ましい。また、熱処理時間は温度条件によって異なるが、5分以下が好ましく、1分程度でもスパッタリング後の熱処理の目的を達成することができる。 It is known to passivate the surface of the Ti layer in order to suppress the movement (migration) of Ti from the Ti layer. However, Ti migration occurs slightly depending on the temperature and time of the heat treatment after Pt sputtering. Therefore, in the present embodiment, the conditions for suppressing Ti migration are selected by controlling the temperature and time of the heat treatment at the time of forming the electrode layer and after forming the electrode layer. The selection of such heat treatment conditions can be performed experimentally. For example, when the electrode layer is formed by a sputtering method, the heat treatment after sputtering is preferably a temperature of 280 ° C. or lower. Further, in order to achieve the purpose of the heat treatment after sputtering such as removal of residual irradiation ions and crystallization, the temperature is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher. The heat treatment time varies depending on the temperature conditions, but is preferably 5 minutes or less, and the purpose of the heat treatment after sputtering can be achieved even in about 1 minute.

配向制御層4は、その上部に積層する圧電体薄膜層の配向を制御する層であり、Pb、OおよびTiを構成原子として含む。配向制御層4の材料は特に限定されないが、少なくともPbおよび、若しくはTiを含む有機金属酸化物が含まれることが好ましい。特にPbとTiの複合有機金属酸化物であることがより好ましい。この配向制御層4は、上部にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を圧電体薄膜として積層する場合、成膜時の温度負荷でPbが下部へ拡散することを抑制する効果も果たす。更に、下方にある中間層のTiが温度負荷により上部の圧電体薄膜層内へ拡散する事を抑制する効果も併せ持つ。 The orientation control layer 4 is a layer that controls the orientation of the piezoelectric thin film layer laminated on the layer, and contains Pb, O, and Ti as constituent atoms. The material of the orientation control layer 4 is not particularly limited, but preferably contains at least Pb and / or an organometallic oxide containing Ti. In particular, it is more preferably a composite organometallic oxide of Pb and Ti. When the lead zirconate titanate (PZT) is laminated as a piezoelectric thin film on the upper portion, the orientation control layer 4 also has an effect of suppressing the diffusion of Pb to the lower portion due to the temperature load at the time of film formation. Further, it also has an effect of suppressing the diffusion of Ti in the lower intermediate layer into the upper piezoelectric thin film layer due to a temperature load.

配向制御層4の製法としては、有機金属気相成長法(MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法)、ゾルゲル法などを挙げることができる。中でもゾルゲル法はもっとも安価、簡便に配向制御層を成膜できる点で好ましい。ゾルゲル法ではまず、原料となる各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、またはその部分重縮合性化合物(配向制御層材料)を含有する塗工液を調製する。調製された塗工液を基板上に塗工し、その塗工液を乾燥して形成する。 Examples of the method for producing the orientation control layer 4 include a metalorganic vapor phase growth method (MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method) and a sol-gel method. Among them, the sol-gel method is preferable because it is the cheapest and the orientation control layer can be easily formed. In the sol-gel method, first, a coating liquid containing a hydrolyzable compound of each component metal as a raw material, a partially hydrolyzable compound thereof, or a partially polycondensable compound (orientation control layer material) thereof is prepared. The prepared coating liquid is applied onto the substrate, and the coating liquid is dried to form the coating liquid.

配向制御層材料を生成する原料としては、有機金属化合物を挙げることができる。例えば、鉛またはチタンのアルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体などの金属錯体が代表例である。金属錯体についてはアミン錯体をはじめとして、各種の他の錯体を利用できる。β−ジケトン錯体を形成するためのβ−ジケトンとしては、アセチルアセトン(=2,4−ペンタンジオン)、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン(=1−(ヘプタフルオロプロピル)−4,4−ジメチル−1,3−ペンタンジオン)、ジピバロイルメタン(=2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン)、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等を挙げることができる。 Examples of the raw material for producing the orientation control layer material include organometallic compounds. For example, metal complexes such as lead or titanium alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes are typical examples. As for the metal complex, various other complexes such as an amine complex can be used. Examples of the β-diketone for forming the β-diketone complex include acetylacetone (= 2,4-pentanedione) and heptafluorobutanoyl pivaloylmethane (= 1- (heptafluoropropyl) -4,4-dimethyl-). 1,3-Pentanedione), dipivaloylmethane (= 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandione), trifluoroacetylacetone, benzoylacetone and the like can be mentioned.

鉛化合物としては、酢酸鉛等の有機酸塩およびジイソプロポキシ鉛等の有機金属アルコキシドを挙げることができる。チタン化合物としては、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラtert−ブトキシチタン、ジメトキシジイソプロポキシチタン等の有機金属アルコキシドが好ましいが、有機酸塩または有機金属錯体も使用できる。 Examples of the lead compound include organic acid salts such as lead acetate and organometallic alkoxides such as diisopropoxy lead. As the titanium compound, organometallic alkoxides such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetran-butoxytitanium, tetraisobutoxytitanium, tetratert-butoxytitanium, and dimethoxydiisopropoxytitanium are preferable, but organometallic acid salts or organic salts are preferable. Metal complexes can also be used.

塗工液は、上記のような各原料有機金属化合物を適当な有機溶剤に溶解または分散させて、例えば、加熱処理し、さらに加水分解して、配向制御層材料であるチタン酸鉛の前駆体化合物、例えばPbとTiの複合有機金属酸化物を含有するものを調製する。複合有機金属酸化物は、Pbを含有する有機物、Tiを含有する有機物を含む。配向制御層材料におけるPbとTiとの割合は、Pb/Tiが1/1以上1.8/1以下が好ましく、1.2/1以上1.5/1以下であることがより好ましい。 The coating liquid is a precursor of lead titanate, which is an orientation control layer material, by dissolving or dispersing each of the above-mentioned raw material organometallic compounds in an appropriate organic solvent, for example, heat-treating, and further hydrolyzing. A compound containing, for example, a composite organometallic oxide of Pb and Ti is prepared. The composite organometallic oxide includes an organic substance containing Pb and an organic substance containing Ti. The ratio of Pb and Ti in the orientation control layer material is preferably 1/1 or more and 1.8 / 1 or less, and more preferably 1.2 / 1 or more and 1.5 / 1 or less.

また、塗工液の調製に用いる有機溶剤は分散性、塗布性を考慮して、公知の各種溶剤から適宜、選択される。塗工液の調製に用いる有機溶剤としては、メタノール、エタノール、n−ブタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のセロソルブ系、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン系などのアミド系溶剤、アセトニトリル等のニトリル系溶剤を挙げることができる。これらの中では、アルコール系溶剤を用いるのが好ましい。 Further, the organic solvent used for preparing the coating liquid is appropriately selected from various known solvents in consideration of dispersibility and coatability. Examples of the organic solvent used for preparing the coating liquid include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-butanol, n-propanol and isopropanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, methyl cellosolve and ethyl cellosolve. Examples thereof include cellosolve-based solvents, amide-based solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone-based solvents, and nitrile-based solvents such as acetonitrile. Among these, it is preferable to use an alcohol solvent.

塗工液中の有機溶剤の量は特に制限されないが、金属固形分濃度が15質量%以上30質量%以下となるように有機溶剤の量を調整するのが好ましい。 The amount of the organic solvent in the coating liquid is not particularly limited, but it is preferable to adjust the amount of the organic solvent so that the metal solid content concentration is 15% by mass or more and 30% by mass or less.

塗工液の塗工方法としては、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコートなど公知の塗工方法を用いることができる。また、基板上に塗工液を塗工する際、基板の塗工液を塗工する面は水平方向(鉛直方向に直交する方向)に配置されていることが好ましい。これにより、均一な膜厚および配向制御層材料の均一な分布を有する塗工層を得ることができる。塗工液は1回だけ塗工しても、複数回、塗工しても良い。 As a coating method of the coating liquid, a known coating method such as spin coating, dip coating, bar coating, and spray coating can be used. Further, when applying the coating liquid on the substrate, it is preferable that the surface to be coated with the coating liquid on the substrate is arranged in the horizontal direction (direction orthogonal to the vertical direction). Thereby, a coating layer having a uniform film thickness and a uniform distribution of the orientation control layer material can be obtained. The coating liquid may be applied only once or multiple times.

塗工層の形成工程の後の乾燥工程では、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、配向制御層を得る。この工程は使用する有機溶剤に適した乾燥温度であればよく、通常、50℃以上の温度であり、100℃以上の温度で行うことが好ましい。また、乾燥温度は450℃以下であり、300℃以下であることが好ましい。また、乾燥時間は30分未満であることが好ましい。特に本実施形態では後述する式(1)を満足する条件で実施される。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、または基板を乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源と直接、接触させることにより行うことができる。これらの中でも、加熱温度の均一性の点から、基板の裏面から加熱するホットプレートが好ましい。 In the drying step after the step of forming the coating layer, the organic solvent is evaporated from the coating layer in a windless environment to obtain an orientation control layer. This step may be performed at a drying temperature suitable for the organic solvent used, and is usually at a temperature of 50 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher. The drying temperature is 450 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or lower. Moreover, the drying time is preferably less than 30 minutes. In particular, in this embodiment, it is carried out under the condition that the formula (1) described later is satisfied. This step is performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tube furnace, or electric furnace, or by bringing the substrate into direct contact with a heat source such as a dryer, hot plate, tube furnace, or electric furnace. Can be done. Among these, a hot plate that heats from the back surface of the substrate is preferable from the viewpoint of uniformity of heating temperature.

配向制御層(乾燥塗工層)の形成工程は、基板の塗工液を塗工した面(塗工面)が無風環境下となるように行う。具体的には、塗工面に温風、熱風の給気を行う給気口、あるいは排気を行うための排気口を設けない。また、給気口および排気口を設ける場合には、基板上で気化した有機溶剤や熱風の流れが生じないようにする。これにより、基板上の塗工液を塗工した面上、20cmの位置で気体の流速が0.05m/s以下となるようにする。 The step of forming the orientation control layer (dry coating layer) is performed so that the surface (coated surface) coated with the coating liquid of the substrate is in a windless environment. Specifically, the coated surface is not provided with an air supply port for supplying hot air or hot air, or an exhaust port for exhausting air. In addition, when the air supply port and the exhaust port are provided, the flow of vaporized organic solvent and hot air on the substrate is prevented. As a result, the flow velocity of the gas is set to 0.05 m / s or less at a position of 20 cm on the surface on which the coating liquid is applied on the substrate.

このように乾燥した後の配向制御層4の膜厚は、10nm以上100nm以下が好ましい。10nm以上であれば、上記の配向を制御する効果と拡散を抑制する効果が十分に得られ、100nm以下であれば、圧電体薄膜の特性に悪影響を及ぼすことがない。 The film thickness of the orientation control layer 4 after drying in this way is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If it is 10 nm or more, the effect of controlling the orientation and the effect of suppressing diffusion can be sufficiently obtained, and if it is 100 nm or less, the characteristics of the piezoelectric thin film are not adversely affected.

本発明者らの検討によれば、配向制御層を形成するための乾燥条件によって配向制御層の表面状態が変わり、同じ組成比の原料を用いたとしてもその上に形成する圧電体薄膜の(100)面の配向度が変わることを見出した。特に配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下で圧電体薄膜の(100)面の高い配向度が得られることを見出した。配向制御層の表面のTi元素比は14.8原子%以下であることがより好ましい。 According to the study by the present inventors, the surface state of the orientation control layer changes depending on the drying conditions for forming the orientation control layer, and even if raw materials having the same composition ratio are used, the piezoelectric thin film formed on the same composition ratio ( 100) It was found that the degree of orientation of the surface changes. In particular, it has been found that a high degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film can be obtained when the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less. The Ti element ratio on the surface of the orientation control layer is more preferably 14.8 atomic% or less.

また、第2の実施形態に係る圧電体成膜用基板の製造方法は、少なくともSiOまたはSiNを表面に含む下地基板層上にTiおよびTiOの少なくとも一方を含む中間層を形成する工程と、該中間層上にPtを含む電極層を形成する工程と、該電極の表面にPbとTiを含む配向制御層を形成する工程とを少なくとも含み、該配向制御層を形成する工程時に前記圧電体用基板にかかる温度T(℃)と時間t(分)が下記式(1)を満たすことを特徴とする圧電体成膜用の基板の製造方法に関する。 Further, the method for manufacturing a substrate for forming a piezoelectric material according to the second embodiment is a step of forming an intermediate layer containing at least one of Ti and TiO 2 on a base substrate layer containing at least SiO 2 or SiN on the surface. At least a step of forming an electrode layer containing Pt on the intermediate layer and a step of forming an orientation control layer containing Pb and Ti on the surface of the electrode are included in the step of forming the orientation control layer. The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for forming a piezoelectric material, wherein the temperature T (° C.) and the time t (minutes) applied to the substrate for the piezoelectric body satisfy the following formula (1).

Figure 0006800636
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
上記式(1)を満足することで配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiを14.88原子%以下とすることができる。
Figure 0006800636
(However, 50 ≤ T ≤ 450, 0 <t <30)
By satisfying the above formula (1), the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer can be adjusted to 14.88 atomic% or less.

2.圧電体基板
次に、本発明の第3の実施形態に係る圧電体基板について説明する。本実施形態の圧電体基板は、図1に示す電極層3上、または図2に示す配向制御層4上に圧電体薄膜を形成したものである。なお、配向制御層は圧電体薄膜の焼成時にチタン酸鉛となり、圧電体薄膜の一部として機能する。圧電体基板には、圧電体薄膜を介して電極層3(下部電極ともいう)に対向する電極(上部電極ともいう)を設けることで圧電体素子となる。圧電体素子は圧電効果により圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する素子となるが、本発明では特に電圧を力に変換する素子(アクチュエーター)として使用することが好ましい。上部電極は圧電体薄膜の全面に形成してもよく、一部に形成してもよい。また、上部電極は圧電体基板に一体として形成してもよく、着脱可能としてもよい。上部電極の材料は、圧電体薄膜に電圧を印加できる導電材料であれば特に制限なく使用でき、下部電極の材料と同様の材料を使用することができる。
また、圧電体基板上には、圧電体素子の上下電極への各配線層を形成してもよく、例えば、下部電極材料を用いて下部電極と同層に各配線層を形成することができる。この場合、上部電極はスルーホールや引き出し電極等を介して配線層に接続できる。
2. 2. Piezoelectric Substrate Next, the piezoelectric substrate according to the third embodiment of the present invention will be described. The piezoelectric substrate of this embodiment is formed by forming a piezoelectric thin film on the electrode layer 3 shown in FIG. 1 or on the orientation control layer 4 shown in FIG. The orientation control layer becomes lead titanate when the piezoelectric thin film is fired, and functions as a part of the piezoelectric thin film. The piezoelectric substrate is formed into a piezoelectric element by providing an electrode (also referred to as an upper electrode) facing the electrode layer 3 (also referred to as a lower electrode) via a piezoelectric thin film. A piezoelectric element is an element that converts a force applied to a piezoelectric body into a voltage or a voltage into a force by the piezoelectric effect, but in the present invention, it is particularly used as an element (actuator) that converts a voltage into a force. Is preferable. The upper electrode may be formed on the entire surface of the piezoelectric thin film or may be formed on a part of the piezoelectric thin film. Further, the upper electrode may be formed integrally with the piezoelectric substrate, or may be detachable. The material of the upper electrode can be used without particular limitation as long as it is a conductive material capable of applying a voltage to the piezoelectric thin film, and the same material as the material of the lower electrode can be used.
Further, each wiring layer to the upper and lower electrodes of the piezoelectric element may be formed on the piezoelectric substrate. For example, each wiring layer can be formed in the same layer as the lower electrode by using the lower electrode material. .. In this case, the upper electrode can be connected to the wiring layer via a through hole, a lead-out electrode, or the like.

圧電体薄膜の材料は特に限定されないが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含むことが好ましい。PZTとしては、一般式Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)で表されるペロブスカイト型結晶が好ましい。ZrとTiの組成を上記の範囲にすることで、高い圧電性を有するペロブスカイト結晶を得ることができる。
なお、圧電体薄膜中に、Pb、Zr、Ti以外の微量の元素をドーピングしても良い。ドーピングを行う場合にドーパントとして用いることのできる元素の具体的な例としてはLa、Ca、Sr、Ba、Sn、Th、Y、Sm、Ce、Bi、Sb、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Si、Ge、Sc、Mg、Mn等の元素を挙げることができる。添加量は、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)の0.1質量%から2質量%が好ましい。
The material of the piezoelectric thin film is not particularly limited, but preferably contains lead zirconate titanate (PZT). As the PZT, a perovskite type crystal represented by the general formula Pb (1.00 to 1.20) (Zr x Ti 1-x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6) is preferable. By setting the composition of Zr and Ti in the above range, a perovskite crystal having high piezoelectricity can be obtained.
A trace amount of elements other than Pb, Zr, and Ti may be doped into the piezoelectric thin film. Specific examples of elements that can be used as dopants when doping are La, Ca, Sr, Ba, Sn, Th, Y, Sm, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, Cr. , Co, Ni, Fe, Cu, Si, Ge, Sc, Mg, Mn and the like. The addition amount is preferably 0.1% by mass to 2% by mass of Pb (1.00 to 1.20) (Zr x Ti 1-x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6).

この圧電体薄膜の製法としては、スパッタリング法、有機金属気相成長法(MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法)、ゾルゲル法などを挙げることができる。中でもゾルゲル法はもっとも安価、簡便に圧電体薄膜を成膜できる点で好ましい。ゾルゲル法ではまず、原料となる各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、またはその部分重縮合性化合物(圧電体前駆体)を含有する塗工液を調製する。ドーピング元素もこれらの元素を含む化合物を塗工液の調製時に添加すればよい。調製された塗工液を基板上に塗工し、その塗工液を乾燥して塗工層を形成する。この後、空気中で、この塗工層を加熱し、さらにその結晶化温度以上で焼成して結晶化させることにより圧電体の薄膜を成膜する。
ゾルゲル法に類似の方法として、有機金属分解法(MOD(Metal Organic Deposition)法)がある。MOD法では、圧電体前駆体として、熱分解性の有機金属化合物(金属錯体および金属有機酸塩)、たとえば、金属のβ−ジケトン錯体やカルボン酸塩を含有する塗工液を基板上に塗工する。次に、例えば、空気中あるいは酸素中で塗工液を加熱して、塗工液中の溶媒の蒸発および有機金属化合物の熱分解を生じさせ、更にこれの結晶化温度以上での焼成により結晶化させて圧電体薄膜を成膜する方法である。
本明細書では、上記のゾルゲル法、MOD法、およびこれらを組み合わせた方法をあわせて「ゾルゲル法」と称する。
Examples of the method for producing the piezoelectric thin film include a sputtering method, a metalorganic vapor phase growth method (MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method), and a sol-gel method. Among them, the sol-gel method is preferable because it is the cheapest and can easily form a piezoelectric thin film. In the sol-gel method, first, a coating liquid containing a hydrolyzable compound of each component metal as a raw material, a partially hydrolyzable compound thereof, or a partially polycondensable compound (piezoelectric precursor) thereof is prepared. As the doping element, a compound containing these elements may be added at the time of preparing the coating liquid. The prepared coating liquid is applied onto the substrate, and the coating liquid is dried to form a coating layer. After that, the coating layer is heated in air and further fired at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature to crystallize the piezoelectric thin film.
As a method similar to the sol-gel method, there is an organometallic decomposition method (MOD (Metal Organic Deposition) method). In the MOD method, a coating liquid containing a thermally decomposable organometallic compound (metal complex and metal organic acid salt) as a piezoelectric precursor, for example, a metal β-diketone complex or a carboxylate is applied onto a substrate. To work. Next, for example, the coating liquid is heated in air or oxygen to cause evaporation of the solvent in the coating liquid and thermal decomposition of the organic metal compound, and further crystallized by firing at a crystallization temperature or higher. This is a method of forming a piezoelectric thin film by crystallization.
In the present specification, the above-mentioned sol-gel method, MOD method, and a method combining these methods are collectively referred to as a "sol-gel method".

3.圧電体薄膜の製造方法
次に、本実施形態の圧電体薄膜の製造方法について以下に説明する。本実施形態の製造方法は、塗工層の形成工程と、乾燥塗工層の形成工程と、乾燥塗工層の加熱工程を有する。以下、各工程について説明する。
なお、本明細書において、「塗工層」とは、有機溶剤が蒸発する前の、基板上に塗工された塗工液により構成される層を表す。また、「乾燥塗工層」とは、有機溶剤が蒸発後の塗工層を表す。
3. 3. Method for Manufacturing Piezoelectric Thin Film Next, the method for manufacturing the piezoelectric thin film of the present embodiment will be described below. The manufacturing method of the present embodiment includes a coating layer forming step, a drying coating layer forming step, and a drying coating layer heating step. Hereinafter, each step will be described.
In addition, in this specification, a "coating layer" represents a layer composed of a coating liquid coated on a substrate before the organic solvent evaporates. Further, the "dry coating layer" represents a coating layer after the organic solvent has evaporated.

(1)塗工層の形成工程
塗工層の形成工程では、圧電体薄膜成膜用基板上に有機溶剤と圧電体前駆体を含む塗工液を塗工する。このようにして、有機溶剤と圧電体前駆体とを含む塗工層が形成された基板を用意する。圧電体前駆体の例としては、各成分金属の加水分解性化合物、その部分加水分解性化合物、その部分重縮合性化合物、熱分解性化合物、またはこれらの化合物の原料を挙げることができる。これらの化合物を生成する原料としては、有機金属化合物を挙げることができる。例えば、上記金属のアルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体などの金属錯体が代表例である。金属錯体についてはアミン錯体をはじめとして、各種の他の錯体を利用できる。β−ジケトン錯体を形成するためのβ−ジケトンとしては、アセチルアセトン(=2,4−ペンタンジオン)、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン(=1−(ヘプタフルオロプロピル)−4,4−ジメチル−1,3−ペンタンジオン)、ジピバロイルメタン(=2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオン)、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等を挙げることができる。
(1) Coating layer forming step In the coating layer forming step, a coating liquid containing an organic solvent and a piezoelectric precursor is applied onto a substrate for forming a piezoelectric thin film. In this way, a substrate on which a coating layer containing an organic solvent and a piezoelectric precursor is formed is prepared. Examples of the piezoelectric precursor include hydrolyzable compounds of each component metal, partially hydrolyzable compounds thereof, partially polycondensable compounds thereof, thermally decomposable compounds, and raw materials for these compounds. Examples of the raw material for producing these compounds include organometallic compounds. For example, metal complexes such as alkoxides, organic acid salts, and β-diketone complexes of the above metals are typical examples. As for the metal complex, various other complexes such as an amine complex can be used. Examples of the β-diketone for forming the β-diketone complex include acetylacetone (= 2,4-pentanedione) and heptafluorobutanoyl pivaloylmethane (= 1- (heptafluoropropyl) -4,4-dimethyl-). 1,3-Pentanedione), dipivaloylmethane (= 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandione), trifluoroacetylacetone, benzoylacetone and the like can be mentioned.

原料として好適な有機金属化合物の具体例を示すと、鉛化合物としては、酢酸鉛等の有機酸塩およびジイソプロポキシ鉛等の有機金属アルコキシドを挙げることができる。チタン化合物としては、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン、テトラtert−ブトキシチタン、ジメトキシジイソプロポキシチタン等の有機金属アルコキシドが好ましいが、有機酸塩または有機金属錯体も使用できる。ジルコニウム化合物については、上記鉛化合物やチタン化合物と同様にジルコニウムの有機金属アルコキシド、有機酸塩、有機金属錯体が使用できる。他の金属化合物についても上記と同様のものを使用できるが、これらに限定されるものではない。また、上記金属化合物は組み合わせて用いても良い。なお、有機金属化合物は、上述したような1種類の金属を含有する化合物の他に、2種以上の成分金属を含有する複合化した有機金属化合物であっても良い。 Specific examples of the organometallic compound suitable as a raw material include organic acid salts such as lead acetate and organometallic alkoxides such as diisopropoxylead as lead compounds. As the titanium compound, organometallic alkoxides such as tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetran-butoxytitanium, tetraisobutoxytitanium, tetratert-butoxytitanium, and dimethoxydiisopropoxytitanium are preferable, but organometallic acid salts or organic salts are preferable. Metal complexes can also be used. As for the zirconium compound, an organometallic alkoxide, an organic acid salt, or an organometallic complex of zirconium can be used as in the case of the lead compound and the titanium compound. Similar to the above can be used for other metal compounds, but the present invention is not limited thereto. Further, the above metal compounds may be used in combination. The organometallic compound may be a composite organometallic compound containing two or more kinds of component metals in addition to the compound containing one kind of metal as described above.

塗工液は、上記のような各原料有機金属化合物を適当な有機溶剤に溶解または分散させて、例えば、加熱処理し、さらに加水分解して、圧電体前駆体である複合有機金属酸化物(2種以上の成分金属を含有する)を含有するものを調製する。 The coating liquid is a composite organometallic oxide (composite organometallic oxide) which is a piezoelectric precursor by dissolving or dispersing each of the above-mentioned raw material organometallic compounds in an appropriate organic solvent, for example, heat-treating, and further hydrolyzing. Prepare one containing (containing two or more kinds of component metals).

また、塗工液の調製に用いる有機溶剤は分散性、塗布性を考慮して、公知の各種溶剤から適宜、選択される。塗工液の調製に用いる有機溶剤としては、メタノール、エタノール、n−ブタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のセロソルブ系、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン系などのアミド系溶剤、アセトニトリル等のニトリル系溶剤を挙げることができる。これらの中では、アルコール系溶剤を用いるのが好ましい。
塗工液中の有機溶剤の量は特に制限されないが、金属固形分濃度が15質量%以上30質量%以下となるように有機溶剤の量を調整するのが好ましい。塗工液中の有機溶剤の量がこれらの範囲内であることによって、1回の塗工における圧電体薄膜の層厚を150nm以上400nm以下とすることが容易となる。
Further, the organic solvent used for preparing the coating liquid is appropriately selected from various known solvents in consideration of dispersibility and coatability. Examples of the organic solvent used for preparing the coating liquid include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-butanol, n-propanol and isopropanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, methyl cellosolve and ethyl cellosolve. Examples thereof include cellosolve-based solvents, amide-based solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone-based solvents, and nitrile-based solvents such as acetonitrile. Among these, it is preferable to use an alcohol solvent.
The amount of the organic solvent in the coating liquid is not particularly limited, but it is preferable to adjust the amount of the organic solvent so that the metal solid content concentration is 15% by mass or more and 30% by mass or less. When the amount of the organic solvent in the coating liquid is within these ranges, the layer thickness of the piezoelectric thin film in one coating can be easily set to 150 nm or more and 400 nm or less.

複数の有機金属化合物を用いる場合における、塗工液中の各有機金属化合物の割合は、製造予定の圧電体薄膜の材料、例えば、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)の組成比とほぼ同じ割合とするのが良い。なお、Pb(1.00〜1.20)(ZrTi1−x)O(xが0.4〜0.6)からなる圧電体薄膜を形成する場合、一般に鉛化合物は揮発性が高く、後述する熱処理工程中に、蒸発によって鉛の欠損が起こることがある。このため、この欠損を見越して、鉛をやや過剰に、例えば、組成比上、必要な鉛の量に対して2モル%以上40モル%以下、過剰に鉛を存在させても良い。鉛の欠損の程度は、鉛化合物の種類や成膜条件によって異なり、実験により求めることができる。 When a plurality of organometallic compounds are used, the ratio of each organometallic compound in the coating liquid is determined by the material of the piezoelectric thin film to be manufactured, for example, Pb (1.00 to 1.20) (Zr x Ti 1- ). It is preferable that the composition ratio of x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6) is almost the same as that of the composition ratio. When forming a piezoelectric thin film composed of Pb (1.00 to 1.20) (Zr x Ti 1-x ) O 3 (x is 0.4 to 0.6), lead compounds are generally volatile. It is expensive and lead loss may occur due to evaporation during the heat treatment process described below. Therefore, in anticipation of this deficiency, lead may be present in a slightly excessive amount, for example, 2 mol% or more and 40 mol% or less with respect to the required amount of lead in terms of composition ratio. The degree of lead deficiency varies depending on the type of lead compound and film formation conditions, and can be determined experimentally.

塗工液中には、安定化剤として、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(以下、「DBU」と表すことがある)、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノン−5−エン(以下、「DBN」と表すことがある)、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(以下、「DABCO」と表すことがある)を添加できる。また、他の安定化剤として従来から用いられている、β−ジケトン類(例えば、アセチルアセトン、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン、ジピバロイルメタン、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等)、ケトン酸類(例えば、アセト酢酸、プロピオニル酢酸、ベンゾイル酢酸等)、これらのケトン酸のエチル、プロピル、ブチル等の低級アルキルエステル類、オキシ酸類(例えば、乳酸、グリコール酸、α−オキシ酪酸、サリチル酸等)、これらのオキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類(例えば、ジアセトンアルコール、アセトイン等)、α−アミノ酸類(例えば、グリシン、アラニン等)、アルカノールアミン類(例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン)等を併用しても良い。 In the coating liquid, as stabilizers, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene (hereinafter, may be referred to as "DBU"), 1,5-diazabicyclo [4.3]. .0] Non-5-ene (hereinafter sometimes referred to as "DBN") and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (hereinafter sometimes referred to as "DABCO") can be added. In addition, β-diketones (for example, acetylacetone, heptafluorobutanoylpivaloylmethane, dipivaloylmethane, trifluoroacetylacetone, benzoylacetone, etc.) and ketone acids conventionally used as other stabilizers. (For example, acetoacetic acid, propionyl acetic acid, benzoyl acetic acid, etc.), lower alkyl esters such as ethyl, propyl, butyl of these ketone acids, oxy acids (for example, lactic acid, glycolic acid, α-oxybutyric acid, salicylic acid, etc.), Lower alkyl esters of these oxy acids, oxyketones (eg, diacetone alcohol, acetoin, etc.), α-amino acids (eg, glycine, alanine, etc.), alkanolamines (eg, diethanolamine, triethanolamine, monoethanol). Amino acid) and the like may be used in combination.

塗工液中の安定化剤の量は、金属原子の総モル数に対し、0.05倍モル以上5倍モル以下であることが好ましく、0.1倍モル以上1.5倍モル以下であることがより好ましい。 The amount of the stabilizer in the coating liquid is preferably 0.05 times or more and 5 times or less, and 0.1 times or more and 1.5 times or less of the total number of moles of metal atoms. More preferably.

塗工工程では例えば、表面に電極を有する基板の電極上に塗工液を塗工する。塗工液の塗工方法としては、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコートなど公知の塗工方法を用いることができる。また、基板上に塗工液を塗工する際、基板の塗工液を塗工する面は水平方向(鉛直方向に直交する方向)に配置されていることが好ましい。これにより、均一な膜厚および圧電体前駆体の均一な分布を有する塗工層を得ることができる。塗工液は1回だけ塗工しても、複数回、塗工しても良い。
1回の塗工液の塗工により得られた圧電体薄膜(製造後の圧電体薄膜)の膜厚は特に限定されないが、150nm以上400nm以下が好ましい。圧電体薄膜の膜厚が150nm以上であることにより、少ない塗工回数で優れた圧電特性を有する圧電体薄膜を製造することができる。また、圧電体薄膜の膜厚が400nm以下であることにより、層厚方向のエピタキシャルな結晶成長を効果的に行わせることができる。
In the coating process, for example, the coating liquid is applied onto the electrodes of the substrate having the electrodes on the surface. As a coating method of the coating liquid, a known coating method such as spin coating, dip coating, bar coating, and spray coating can be used. Further, when applying the coating liquid on the substrate, it is preferable that the surface to be coated with the coating liquid on the substrate is arranged in the horizontal direction (direction orthogonal to the vertical direction). Thereby, a coating layer having a uniform film thickness and a uniform distribution of the piezoelectric precursor can be obtained. The coating liquid may be applied only once or multiple times.
The film thickness of the piezoelectric thin film (piezoelectric thin film after production) obtained by applying the coating liquid once is not particularly limited, but is preferably 150 nm or more and 400 nm or less. When the film thickness of the piezoelectric thin film is 150 nm or more, it is possible to manufacture a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric characteristics with a small number of coatings. Further, when the thickness of the piezoelectric thin film is 400 nm or less, epitaxial crystal growth in the layer thickness direction can be effectively performed.

圧電体薄膜の膜厚は、塗工液中の圧電体前駆体の濃度と塗工条件を変化させることで、制御することが可能であり、この条件は実験より求めることができる。例えば、2000rpmのスピンコート法で、固形分濃度が20質量%以上25質量%以下の塗工液を塗工し、塗工液の乾燥および圧電体前駆体の熱処理を行う。これにより、一回の塗工ごとに200nm以上330nm以下の膜厚の圧電体薄膜を形成できる。最終的に形成される圧電体(配向制御層を含む)の膜厚は、4μm以下とすることが好ましい。 The film thickness of the piezoelectric thin film can be controlled by changing the concentration of the piezoelectric precursor in the coating liquid and the coating conditions, and these conditions can be obtained from experiments. For example, a coating liquid having a solid content concentration of 20% by mass or more and 25% by mass or less is applied by a spin coating method at 2000 rpm, and the coating liquid is dried and the piezoelectric precursor is heat-treated. As a result, a piezoelectric thin film having a film thickness of 200 nm or more and 330 nm or less can be formed for each coating. The film thickness of the piezoelectric body (including the orientation control layer) finally formed is preferably 4 μm or less.

(2)乾燥塗工層の形成工程
塗工層の形成工程の後の乾燥塗工層の形成工程では、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、圧電体前駆体を含む乾燥塗工層を得る。この工程は使用する有機溶剤に適した乾燥温度であればよく、通常、50℃以上の温度であり、100℃以上450℃以下の温度で行うことが好ましい。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、または基板を乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源と直接、接触させることにより行うことができる。これらの中でも、加熱温度の均一性の点から、基板の裏面から加熱するホットプレートが好ましい。
乾燥塗工層の形成工程は、基板の塗工液を塗工した面(塗工面)が無風環境下となるように行う。具体的には、塗工面に温風、熱風の給気を行う給気口、あるいは排気を行うための排気口を設けない。また、給気口および排気口を設ける場合には、基板上で有機溶剤や熱風の流れが生じないようにする。これにより、基板上の塗工液を塗工した面上、20cmの位置で気体の流速が0.05m/s以下となるようにする。
(2) Dry coating layer forming step In the drying coating layer forming step after the coating layer forming step, the organic solvent is evaporated from the coating layer in a windless environment to dry including the piezoelectric precursor. Obtain a coating layer. This step may be performed at a drying temperature suitable for the organic solvent used, and is usually at a temperature of 50 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. This step is performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tube furnace, or electric furnace, or by bringing the substrate into direct contact with a heat source such as a dryer, hot plate, tube furnace, or electric furnace. Can be done. Among these, a hot plate that heats from the back surface of the substrate is preferable from the viewpoint of uniformity of heating temperature.
The process of forming the dry coating layer is performed so that the surface (coated surface) of the substrate coated with the coating liquid is in a windless environment. Specifically, the coated surface is not provided with an air supply port for supplying hot air or hot air, or an exhaust port for exhausting air. In addition, when providing an air supply port and an exhaust port, prevent the flow of organic solvent and hot air on the substrate. As a result, the flow velocity of the gas is set to 0.05 m / s or less at a position of 20 cm on the surface on which the coating liquid is applied on the substrate.

(3)乾燥塗工層の加熱工程
乾燥塗工層の形成後、乾燥塗工層の加熱工程では、乾燥塗工層を加熱して、乾燥塗工層に含まれる圧電体前駆体から圧電体の薄膜を形成する。この工程は、乾燥機、ホットプレート、管状炉、電気炉などの熱源内に基板を入れる、またはこれらの熱源を基板に接触させることにより行うことができる。この際、加熱は、500℃以上800℃以下で行うことが好ましい。乾燥塗工層の加熱工程は複数回に分けて行っても良いし、1回だけでも良い。好ましくは、仮焼成により乾燥塗工層を加熱し、さらにその結晶化温度以上で焼成して結晶化させることにより、圧電体薄膜を成膜するのが良い。
(3) Heating step of the dry coating layer After the formation of the dry coating layer, in the heating step of the dry coating layer, the dry coating layer is heated and the piezoelectric precursor contained in the dry coating layer is used as a piezoelectric material. To form a thin film. This step can be performed by placing the substrate in a heat source such as a dryer, hot plate, tube furnace, electric furnace, or by bringing these heat sources into contact with the substrate. At this time, heating is preferably performed at 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The heating step of the dry coating layer may be divided into a plurality of times, or may be performed only once. Preferably, the piezoelectric thin film is formed by heating the dry coating layer by tentative firing and then firing and crystallizing the dry coating layer at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature thereof.

4.圧電体薄膜の製造装置
圧電体薄膜の製造装置は、塗工手段、乾燥手段、加熱手段を有する。塗工手段は、基板上に、有機溶剤と圧電体前駆体とを含む塗工液を塗工して、塗工層を形成することが可能となっている。基板は、載置部に載置されるようになっている。乾燥手段は、無風環境下で塗工層から有機溶剤を蒸発させて、圧電体前駆体を含む乾燥塗工層を得ることが可能となっている。加熱手段は、乾燥塗工層を加熱して、乾燥塗工層に含まれる圧電体前駆体から圧電体薄膜を形成することが可能となっている。
4. Piezoelectric Thin Film Manufacturing Equipment The piezoelectric thin film manufacturing equipment includes a coating means, a drying means, and a heating means. As a coating means, it is possible to form a coating layer by coating a coating liquid containing an organic solvent and a piezoelectric precursor on a substrate. The substrate is designed to be mounted on the mounting portion. As a drying means, it is possible to evaporate an organic solvent from the coating layer in a windless environment to obtain a dry coating layer containing a piezoelectric precursor. The heating means can heat the dry coating layer to form a piezoelectric thin film from the piezoelectric precursor contained in the dry coating layer.

5.配向評価法
次に、圧電体薄膜の(100)面の配向の評価方法について説明する。圧電体薄膜の(100)面の配向状態は、結晶薄膜について一般に用いられる、波長にCu Kα線を用いた2θ/θ法によるX線回折測定における回折ピークの検出角度と強度から容易に確認できる。例えば、図6に示すように、本実施形態の圧電体薄膜から得られた回折チャートでは、(100)面は22°付近にピーク強度を有し、(110)面は31°付近に、(111)面は38°付近にそれぞれピーク強度を有する。(100)面のピーク強度を(100)面、(110)面、(111)面の各ピーク強度の和で除することによって、(100)面の強度の割合を求めることができる。
良好な圧電性が得られることから、(100)面、(110)面、および(111)面の各ピーク強度の和に対する(100)面の強度の割合は、基板の各部において80%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。また、基板の主面と圧電体薄膜の(100)面は平行にあるのが好ましい。
5. Orientation evaluation method Next, a method for evaluating the orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film will be described. The orientation state of the (100) plane of the piezoelectric thin film can be easily confirmed from the detection angle and intensity of the diffraction peak in the X-ray diffraction measurement by the 2θ / θ method using Cu Kα rays for the wavelength, which is generally used for the crystalline thin film. .. For example, as shown in FIG. 6, in the diffraction chart obtained from the piezoelectric thin film of the present embodiment, the (100) plane has a peak intensity near 22 °, and the (110) plane has a peak intensity near 31 °. 111) The planes have peak intensities around 38 °. The ratio of the intensity of the (100) plane can be obtained by dividing the peak intensity of the (100) plane by the sum of the peak intensities of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane.
Since good piezoelectricity can be obtained, the ratio of the strength of the (100) plane to the sum of the peak strengths of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane is 80% or more in each part of the substrate. Preferably, 90% or more is more preferable. Further, it is preferable that the main surface of the substrate and the (100) surface of the piezoelectric thin film are parallel to each other.

6.元素定量分析法
次に、薄膜表面の元素定量分析方法について説明する。本発明ではアルバックファイ株式会社製Auantera SXMのX線光電子分光(XPS)分析装置を用いており、解析用ソフトウェア(MultiPak Version9.3.0.3)を使用し、特開平7−35711号公報に記載のある相対感度係数法を用いて元素量(原子%)を算出している。
(測定条件)
X線源:単色化AlKα
X線出力:25W15kV
X線ビーム径:100μm
光電子取り出し角:45°
なお、薄膜表面の元素定量分析方法としては、XPSに限定するものではなく、XPS以外に例えば蛍光X線(XRF)分析や高周波グロー放電発光表面分析(GDS)等の分析手法を用いることが出来る。
6. Element quantitative analysis method Next, an element quantitative analysis method for the surface of a thin film will be described. In the present invention, an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyzer of ULVAC-PHI Co., Ltd. Auantera SXM is used, and analysis software (MultiPak Version 9.3.0.3) is used, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-35711 The element amount (atomic%) is calculated using the relative sensitivity coefficient method described.
(Measurement condition)
X-ray source: Monochromatic AlKα
X-ray output: 25W15kV
X-ray beam diameter: 100 μm
Photoelectron extraction angle: 45 °
The element quantitative analysis method for the thin film surface is not limited to XPS, and analysis methods such as fluorescent X-ray (XRF) analysis and high-frequency glow discharge emission surface analysis (GDS) can be used in addition to XPS. ..

本明細書において、「元素定量分析法によるTiが検出されないこと」とは、例えば、XPSで結合エネルギーが450nm以上470nm未満の領域にTi2pピークが検出されないことを意味する。また、「配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが14.88原子%以下である」とは、例えば、XPSによる元素定量分析によって得られたTiの元素量をPb、O、Tiの元素量の総和で除した値が14.88%以下であることを意味する。ここで配向制御層の表面におけるTiの元素量はXPSのTi2p軌道に相当するスペクトルから、Pbの元素量はPb4f軌道に相当するスペクトルから、Oの元素量はO1s軌道に相当するスペクトルから算出する事が出来る。 In the present specification, "the absence of Ti by the elemental quantitative analysis method" means that, for example, the Ti2p peak is not detected in the region where the binding energy is 450 nm or more and less than 470 nm by XPS. Further, "the Ti in the Pb, O, and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic% or less" means that, for example, the amount of Ti element obtained by elemental quantitative analysis by XPS is Pb. It means that the value divided by the total amount of elements of O and Ti is 14.88% or less. Here, the elemental amount of Ti on the surface of the orientation control layer is calculated from the spectrum corresponding to the Ti2p orbital of XPS, the elemental amount of Pb is calculated from the spectrum corresponding to the Pb4f orbital, and the elemental amount of O is calculated from the spectrum corresponding to the O1s orbital. You can do things.

7.液体吐出ヘッド
図3〜図5は、圧電体基板を用いた、一実施形態による液体吐出ヘッドを示すものである。この液体吐出ヘッドMは、液体吐出ヘッド用基板21と、複数の液体吐出口22と、複数の圧力室23と、各圧力室23にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエーター25とから構成されている。各圧力室23はそれぞれ、各液体吐出口22に対応して設けられ、液体吐出口22に連通している。アクチュエーター25はその振動により、圧力室23内のインクの容積変化を生じさせて、液体吐出口22からインクなどの液滴を吐出させる。液体吐出口22は、ノズルプレート24に所定の間隔をもって形成され、圧力室23は液体吐出ヘッド用基板21に、液体吐出口22にそれぞれ対応するように並列して形成されている。なお、本実施形態では、液体吐出口22がアクチュエーター25による圧力発生面の対向面に設けられているが、アクチュエーター25による圧力発生面の対向面以外に設けることもできる。各アクチュエーター25は、振動板26と圧電体素子30で構成され、圧電体素子30は圧電体薄膜27と一対の電極(下部電極28および上部電極29)とから構成されている。液体吐出ヘッド用基板21の上面には各圧力室23にそれぞれ対応した開口部21Aが形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエーター25が配置されている。図5では開口部に振動板26が露出する構成を示しているが、アクチュエーター25で発生する振動によって圧力室23内の液体に液体吐出口22からの吐出が可能であれば、吐出液体吐出ヘッド用基板21の一部が残っていても良い。なお、図3では説明のために、ノズルプレート24を液体吐出ヘッド用基板21から分離展開した状態を示しており、実際にはノズルプレート24は図4に示すように液体吐出ヘッド用基板21に接合されている。
振動板26の材料は特に限定されないが、上記下地基板層の材料として例示したSiなどの半導体、金属、金属酸化物、ガラスなどが好ましい。液体吐出ヘッド用基板21と振動板26は接合や接着により形成されても良いし、液体吐出ヘッド用基板21上に振動板26を直接、形成しても良い。また、振動板26を設けずに下部電極28および圧電体薄膜30を液体吐出ヘッド用基板21に直接、形成しても良い。その場合、
7. Liquid Discharge Heads FIGS. 3 to 5 show a liquid discharge head according to an embodiment using a piezoelectric substrate. The liquid discharge head M is composed of a liquid discharge head substrate 21, a plurality of liquid discharge ports 22, a plurality of pressure chambers 23, and an actuator 25 arranged so as to correspond to each pressure chamber 23. ing. Each pressure chamber 23 is provided corresponding to each liquid discharge port 22 and communicates with the liquid discharge port 22. The actuator 25 causes a change in the volume of ink in the pressure chamber 23 due to its vibration, and ejects droplets of ink or the like from the liquid ejection port 22. The liquid discharge port 22 is formed on the nozzle plate 24 at a predetermined interval, and the pressure chamber 23 is formed on the liquid discharge head substrate 21 in parallel so as to correspond to the liquid discharge port 22. In the present embodiment, the liquid discharge port 22 is provided on the surface facing the pressure generating surface of the actuator 25, but it may be provided on a surface other than the surface facing the pressure generating surface of the actuator 25. Each actuator 25 is composed of a diaphragm 26 and a piezoelectric element 30, and the piezoelectric element 30 is composed of a piezoelectric thin film 27 and a pair of electrodes (lower electrode 28 and upper electrode 29). An opening 21A corresponding to each pressure chamber 23 is formed on the upper surface of the liquid discharge head substrate 21, and each actuator 25 is arranged so as to close the opening. FIG. 5 shows a configuration in which the diaphragm 26 is exposed at the opening. However, if the liquid in the pressure chamber 23 can be discharged from the liquid discharge port 22 by the vibration generated by the actuator 25, the discharge liquid discharge head A part of the board 21 may remain. Note that FIG. 3 shows a state in which the nozzle plate 24 is separated and deployed from the liquid discharge head substrate 21 for the sake of explanation, and the nozzle plate 24 is actually mounted on the liquid discharge head substrate 21 as shown in FIG. It is joined.
The material of the diaphragm 26 is not particularly limited, but semiconductors such as Si, metals, metal oxides, glass and the like exemplified as the material of the base substrate layer are preferable. The liquid discharge head substrate 21 and the diaphragm 26 may be formed by joining or adhering, or the diaphragm 26 may be formed directly on the liquid discharge head substrate 21. Further, the lower electrode 28 and the piezoelectric thin film 30 may be formed directly on the liquid discharge head substrate 21 without providing the diaphragm 26. In that case,

本発明を適用したアクチュエーターでは、振動板26が下地基板に相当し、表面にSiOまたはSiNを含む下地基板層2が形成され、下地基板層上に中間層3が形成される。中間層が導電性を有する場合、下部電極28の一部を構成することとなる。また、配向制御層を下部電極上に形成し、その上に圧電体薄膜を形成する場合、圧電体薄膜形成の最終段階で配向制御層も焼成されて圧電体薄膜の一部を構成することとなる。 In the actuator to which the present invention is applied, the diaphragm 26 corresponds to the base substrate, the base substrate layer 2 containing SiO 2 or SiN is formed on the surface, and the intermediate layer 3 is formed on the base substrate layer. When the intermediate layer has conductivity, it forms a part of the lower electrode 28. Further, when the orientation control layer is formed on the lower electrode and the piezoelectric thin film is formed on the lower electrode, the orientation control layer is also fired at the final stage of forming the piezoelectric thin film to form a part of the piezoelectric thin film. Become.

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)塗工液の製造)
圧電体薄膜を形成するための塗工液として、金属組成がPb/Zr/Ti=1.2/0.52/0.48で表されるPZT塗工液を以下の通りに調製した。
酢酸鉛水和物1.2molを加熱で脱水し、これに安定化剤として1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン1.2molおよび1−メトキシ−2−プロパノール(9.0mol)を混合し加熱撹拌することで反応させる。その後、テトラn−ブトキシジルコニウム0.52mol、テトライソプロポキシチタン0.48molを加えて更に加熱し反応させ、金属化合物を互いに複合化させた。次に、水(5.0mol)、エタノール(5.0mol)を添加し、加水分解反応を行い、有機金属酸化物からなる圧電体前駆体を得た。その際、酢酸(3.8mol)とアセチルアセトン(0.6mol)を加えた。その後、沸点100℃以下の溶媒をロータリーエバポレーターで完全に取り除き、ジエチレングリコールモノエチルエーテル(有機溶剤)を添加して上記組成式に換算した金属酸化物の濃度が23質量%になるように濃度を調節し、PZT塗工液を調製した。
(Manufacturing of lead zirconate titanate (PZT) coating liquid)
As a coating liquid for forming the piezoelectric thin film, a PZT coating liquid having a metal composition represented by Pb / Zr / Ti = 1.2 / 0.52 / 0.48 was prepared as follows.
1.2 mol of lead acetate hydrate was dehydrated by heating, and 1.2 mol of 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene and 1-methoxy-2-propanol (9. 0 mol) is mixed and heated and stirred to react. Then, 0.52 mol of tetra n-butoxyzirconium and 0.48 mol of tetraisopropoxytitanium were added and further heated to react, and the metal compounds were composited with each other. Next, water (5.0 mol) and ethanol (5.0 mol) were added and a hydrolysis reaction was carried out to obtain a piezoelectric precursor composed of an organometallic oxide. At that time, acetic acid (3.8 mol) and acetylacetone (0.6 mol) were added. After that, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower is completely removed by a rotary evaporator, and diethylene glycol monoethyl ether (organic solvent) is added to adjust the concentration so that the concentration of the metal oxide converted into the above composition formula becomes 23% by mass. Then, a PZT coating solution was prepared.

[実施例1]
直径6インチ(15cm)のシリコン基板の表面に、下地基板層1として熱酸化によりシリカ(SiO)層を500nm設け、さらにスパッタリングにより、中間層2としてTiを50nm、電極層3としてPtを200nm、形成して本実施例で用いる圧電体成膜用基板とした(図1参照)。スパッタリング後のアニールとして、以下の方法で熱処理を行った。
上記の圧電体成膜用基板を、150℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは150℃±1℃)上に、1分間載せ、基板の加熱を行った。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。
[Example 1]
A silica (SiO 2 ) layer of 500 nm is provided on the surface of a silicon substrate having a diameter of 6 inches (15 cm) by thermal oxidation as a base substrate layer 1, and Ti is 50 nm as an intermediate layer 2 and Pt is 200 nm as an electrode layer 3 by sputtering. , And used as a substrate for forming a piezoelectric material used in this embodiment (see FIG. 1). As annealing after sputtering, heat treatment was performed by the following method.
The above-mentioned substrate for forming a piezoelectric film is placed on a hot plate heated to 150 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by AS ONE Corporation, the temperature unevenness of the plate surface is 150 ° C ± 1 ° C) for 1 minute, and the substrate is placed. Was heated. At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate was provided.

[実施例2、比較例1〜3]
実施例1において、ホットプレートの盤面温度と加熱時間を表1に示す条件に変更する以外は、同様の工程で圧電体成膜用基板を作製した。
[Example 2, Comparative Examples 1 to 3]
In Example 1, a substrate for forming a piezoelectric film was produced in the same step except that the surface temperature and heating time of the hot plate were changed to the conditions shown in Table 1.

実施例1〜2および比較例1〜3で作製した圧電体成膜用基板上を以下の通り評価した。圧電体成膜用基板を、図7のように9枚に分割し、それぞれの圧電体成膜用基板のPt電極表面のTi検出と検出する場合はその量比を、XPS分析にて測定した。ここでTi量比は、Ti2p軌道に相当するピークから算出する原子%をPt4f軌道に相当するピークから算出する原子%とTi2p軌道に相当するピークから算出する原子%の和で除することで算出でき、XPSの三回測定平均の値である。図7において、(5)は基板の中心から半径3cmまでの部分、(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)、(8)、(9)は基板の中心から半径が3cm以上6cm以下の部分を測定した。その結果を表1に示す。また、実施例1の全結合エネルギー領域におけるXPSスペクトルを図8(a)に、Ti2pピークが非検出であったTi2p領域(450nmから470nm)のみのXPSスペクトルを図8(b)に示す。さらに、比較例1で作製した圧電体成膜用基板のTi2pピークが検出されたXPSスペクトルを図9に示す。 The tops of the piezoelectric film forming substrates prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 3 were evaluated as follows. The piezoelectric film-forming substrate was divided into nine sheets as shown in FIG. 7, and when Ti was detected and detected on the Pt electrode surface of each piezoelectric film-forming substrate, the amount ratio was measured by XPS analysis. .. Here, the Ti amount ratio is calculated by dividing the atomic% calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbital by the sum of the atomic% calculated from the peak corresponding to the Pt4f orbital and the atomic% calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbital. It is the average value of three XPS measurements. In FIG. 7, (5) is a portion from the center of the substrate to a radius of 3 cm, and (1), (2), (3), (4), (6), (7), (8), and (9) are. A portion having a radius of 3 cm or more and 6 cm or less from the center of the substrate was measured. The results are shown in Table 1. Further, the XPS spectrum in the fully bound energy region of Example 1 is shown in FIG. 8 (a), and the XPS spectrum of only the Ti2p region (450 nm to 470 nm) in which the Ti2p peak was not detected is shown in FIG. 8 (b). Further, FIG. 9 shows an XPS spectrum in which the Ti2p peak of the piezoelectric film-forming substrate produced in Comparative Example 1 was detected.

次に、前述のようにして調製したPZT塗工液を、スピンコーター(4000rpm15秒)により基板のPt面に塗工した(塗工層の形成工程)。次に、280℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製 「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは280℃±1℃)を準備した。このホットプレート上に、PZT塗工液を塗工した基板を5分間載せ、PZT塗工液中の有機溶剤を蒸発させた(乾燥塗工層の形成工程)。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。上記の圧電体成膜用基板を650℃の電気炉に10分間入れて、圧電体前駆体を、Pb1.2(Zr0.52Ti0.48)Oからなる圧電体薄膜とした。なお、上記の650℃の電気炉で10分間の熱処理工程が、乾燥塗工層の加熱工程に相当する。その後、それぞれの圧電体薄膜のX線回折(2θ/θ法)をX線回折装置(株式会社リガク製 RINT2100)で測定した。図6は、実施例1の(5)のX線回折パターンを示したものであるが、図中40°付近に見られるピークは基板に設けたPtの(111)面のピークである。 Next, the PZT coating solution prepared as described above was applied to the Pt surface of the substrate by a spin coater (4000 rpm for 15 seconds) (coating layer forming step). Next, a hot plate heated to 280 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by AS ONE Corporation, temperature unevenness on the board surface was 280 ° C. ± 1 ° C.) was prepared. A substrate coated with the PZT coating liquid was placed on the hot plate for 5 minutes to evaporate the organic solvent in the PZT coating liquid (step of forming the dry coating layer). At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate was provided. Put 10 minutes the piezoelectric deposition substrate in an electric furnace of 650 ° C., the piezoelectric precursor was a piezoelectric thin film made of Pb 1.2 (Zr 0.52 Ti 0.48) O 3. The heat treatment step of 10 minutes in the electric furnace at 650 ° C. corresponds to the heating step of the dry coating layer. Then, the X-ray diffraction (2θ / θ method) of each piezoelectric thin film was measured by an X-ray diffractometer (RINT2100 manufactured by Rigaku Co., Ltd.). FIG. 6 shows the X-ray diffraction pattern of Example 1 (5), and the peak seen near 40 ° in the figure is the peak of the (111) plane of Pt provided on the substrate.

図6より、圧電体薄膜の(100)面のピーク強度値を、(100)面、(110)面、(111)面のピーク強度値の和で除して(100)面の強度の割合(配向度)とした。44°付近に見られる(200)面のピークは、(100)面と等価な結晶面であるため、(100)面の強度の割合には含めない。実施例1、2、比較例1〜3の(100)面における配向度を表1に示す。 From FIG. 6, the ratio of the intensity of the (100) plane is obtained by dividing the peak intensity value of the (100) plane of the piezoelectric thin film by the sum of the peak intensity values of the (100) plane, the (110) plane, and the (111) plane. (Orientation degree). Since the peak of the (200) plane seen near 44 ° is a crystal plane equivalent to the (100) plane, it is not included in the ratio of the intensity of the (100) plane. Table 1 shows the degree of orientation in the (100) plane of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 0006800636
Figure 0006800636

表1に示すように、Pt電極上にTiが検出されない場合、90%以上の高い(100)面配向度が得られることが明らかとなった。特に圧電体薄膜の配向を制御する層の形成無しに高い(100)面配向度の圧電体薄膜の形成が可能となった。 As shown in Table 1, it was clarified that when Ti was not detected on the Pt electrode, a high (100) plane orientation of 90% or more was obtained. In particular, it has become possible to form a piezoelectric thin film having a high degree of plane orientation (100) without forming a layer that controls the orientation of the piezoelectric thin film.

[実施例3]
(配向制御層塗工液の製造)
金属組成がPb/Ti=1.2/1.0で表される配向制御層の塗工液を以下の通りに調製した。
酢酸鉛水和物1.2molを加熱で脱水し、これに安定化剤として1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン1.2molおよび1−メトキシ−2−プロパノール(9.0mol)を混合し加熱撹拌することで反応させる。その後、テトライソプロポキシチタン1.0molを加えて更に加熱し反応させ、金属化合物を互いに複合化させた。次に、水(5.0mol)、エタノール(5.0mol)を添加し、加水分解反応を行い、有機金属酸化物からなる配向制御層材料を得た。その際、酢酸(3.8mol)とアセチルアセトン(0.6mol)を加えた。その後、沸点100℃以下の溶媒をロータリーエバポレーターで取り除き、ジエチレングリコールモノエチルエーテル(有機溶剤)を添加して上記金属組成のチタン酸鉛に換算した濃度が1.0質量%になるように固形分濃度を調節し、配向制御層の塗工液を調製した。
[Example 3]
(Manufacturing of orientation control layer coating liquid)
A coating liquid for an orientation control layer having a metal composition represented by Pb / Ti = 1.2 / 1.0 was prepared as follows.
1.2 mol of lead acetate hydrate was dehydrated by heating, and 1.2 mol of 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene and 1-methoxy-2-propanol (9. 0 mol) is mixed and heated and stirred to react. Then, 1.0 mol of tetraisopropoxytitanium was added and further heated to react, and the metal compounds were composited with each other. Next, water (5.0 mol) and ethanol (5.0 mol) were added and a hydrolysis reaction was carried out to obtain an orientation control layer material composed of an organometallic oxide. At that time, acetic acid (3.8 mol) and acetylacetone (0.6 mol) were added. Then, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower is removed with a rotary evaporator, diethylene glycol monoethyl ether (organic solvent) is added, and the solid content concentration is such that the concentration converted to lead titanate in the above metal composition becomes 1.0% by mass. Was adjusted to prepare a coating solution for the orientation control layer.

上記のようにして調製した配向制御層の塗工液を、スピンコーター(2000rpm)により前記圧電体成膜用基板のPt面に15秒間で塗工した(塗工層の形成工程)。次に、130℃に加熱したホットプレート(アズワン株式会社製 「シャマルホットプレートHHP−411」、盤面の温度ムラは130℃±1℃)を準備した。このホットプレート上に、塗工液を塗工した基板を1分間載せ、塗工液中の有機溶剤を蒸発させた(乾燥塗工層の形成工程)。この時、ホットプレートは無風環境下(風速0m/s)(基板上2cmの位置で測定;風速計 CEM社製 DT−8880を使用)に設置し、遮蔽板などは設けなかった。 The coating liquid of the orientation control layer prepared as described above was applied to the Pt surface of the piezoelectric film forming substrate by a spin coater (2000 rpm) in 15 seconds (coating layer forming step). Next, a hot plate heated to 130 ° C. (“Shamal Hot Plate HHP-411” manufactured by AS ONE Corporation, temperature unevenness on the board surface was 130 ° C. ± 1 ° C.) was prepared. A substrate coated with the coating liquid was placed on the hot plate for 1 minute to evaporate the organic solvent in the coating liquid (step of forming a dry coating layer). At this time, the hot plate was installed in a windless environment (wind speed 0 m / s) (measured at a position 2 cm above the substrate; an anemometer DT-8880 manufactured by CEM was used), and no shielding plate was provided.

[実施例4〜11,比較例4〜9]
実施例3において、乾燥塗工層の形成工程を表2に示す乾燥温度、乾燥時間とする以外は同様の工程で圧電体成膜用基板を作製した。
[Examples 4 to 11, Comparative Examples 4 to 9]
In Example 3, a substrate for forming a piezoelectric material was produced in the same steps except that the steps for forming the dry coating layer were the drying temperature and the drying time shown in Table 2.

実施例3〜11および比較例4〜9で作製した圧電体成膜用基板上を以下の通り評価した。圧電体成膜用基板を、図7のように9枚に分割し、それぞれの配向制御層表面のTi量比を、XPSを用いて測定した。ここでTi量比(原子%)は、Ti2p軌道に相当するピークから算出する元素量をPb4f軌道に相当するピークから算出する元素量とTi2p軌道に相当するピークから算出する元素量とO1s軌道に相当するピークから算出する元素量の和で除することで算出でき、XPSの三回測定平均の値である。その結果を表2に示す。 The tops of the piezoelectric film-forming substrates prepared in Examples 3 to 11 and Comparative Examples 4 to 9 were evaluated as follows. The piezoelectric film forming substrate was divided into nine sheets as shown in FIG. 7, and the Ti amount ratio on the surface of each orientation control layer was measured using XPS. Here, the Ti amount ratio (atomic%) is defined as the element amount calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbit, the element amount calculated from the peak corresponding to the Pb4f orbit, the element amount calculated from the peak corresponding to the Ti2p orbit, and the O1s orbit. It can be calculated by dividing by the sum of the amount of elements calculated from the corresponding peak, and is the value of the average of three measurements of XPS. The results are shown in Table 2.

次に、それぞれの配向制御層表面に前述のようにして調製したPZT塗工液を、実施例1、2、比較例1〜3と同様に塗工、乾燥し、それぞれの圧電体薄膜のX線回折(2θ/θ法)をX線回折装置(株式会社リガク製 RINT2100)で測定する事で(100)面の配向度を導出した(表2参照)。ここで、ホットプレート上の無風や遮蔽板などの環境は実施例1、2、比較例1〜3と同様である。原子%でのTi量比と前述の手法で導出したPZTの(100)面配向度(%)の関係を図10に示す。配向制御層表面のTi量比が14.88原子%で臨界的にPZTの(100)面配向度が変化しており、14.88原子%以下でPZTの(100)面配向度が高いことが判明した。 Next, the PZT coating liquid prepared as described above was applied to the surface of each orientation control layer in the same manner as in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, and dried, and X of each piezoelectric thin film was applied. The degree of orientation of the (100) plane was derived by measuring the line diffraction (2θ / θ method) with an X-ray diffractometer (RINT2100 manufactured by Rigaku Co., Ltd.) (see Table 2). Here, the environment such as no wind on the hot plate and the shielding plate is the same as in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3. FIG. 10 shows the relationship between the Ti amount ratio in atomic% and the (100) plane orientation (%) of PZT derived by the above method. When the Ti amount ratio on the surface of the orientation control layer is 14.88 atomic%, the (100) plane orientation of PZT changes critically, and when it is 14.88 atomic% or less, the (100) plane orientation of PZT is high. There was found.

Figure 0006800636
Figure 0006800636

(配向制御層の形成時における加熱工程条件)
圧電体薄膜の(100)面配向度は、配向制御層を形成する際の加熱工程条件(乾燥温度と乾燥時間)によって変動し、熱負荷が少ない程(100)面の配向度は向上する(表2参照)。図10および表2から、好ましい配向制御層の乾燥温度T(℃)と乾燥時間t(分)は下記式(1)で定義することができる。
(Heating process conditions when forming the orientation control layer)
The degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric thin film varies depending on the heating process conditions (drying temperature and drying time) when forming the orientation control layer, and the smaller the heat load, the better the degree of orientation of the (100) plane (100). See Table 2). From FIG. 10 and Table 2, the drying temperature T (° C.) and the drying time t (minutes) of the preferable orientation control layer can be defined by the following formula (1).

Figure 0006800636
(但し 50≦T≦450, 0<t<30 )
Figure 0006800636
(However, 50 ≤ T ≤ 450, 0 <t <30)

式(1)は、配向度の実験データ点(T=200,280℃、t=1,5,10分)から、温度に関しては10℃刻み、時間に関しては1分刻みで等差数列と仮定して各温度・時間条件の配向度を算出する。図10に示す配向度の臨界点を85%とし、その境界条件(温度、時間)点を導出する。温度と時間の関係式を
T=A×t^(−B)+C
と選定し、上記で求めた境界条件点とこの関係式の最小二乗法フィッテイングによりA、B,Cの係数を算出して導出した。
Equation (1) is assumed to be an arithmetic progression with temperature in 10 ° C increments and time in 1 minute increments from the experimental data points of orientation (T = 200,280 ° C., t = 1,5,10 minutes). Then, the degree of orientation under each temperature / time condition is calculated. The critical point of the degree of orientation shown in FIG. 10 is set to 85%, and the boundary condition (temperature, time) point is derived. The relational expression between temperature and time is T = A × t ^ (-B) + C
The coefficients of A, B, and C were calculated and derived from the boundary condition points obtained above and the least squares fitting of this relational expression.

ここで、圧電体薄膜の高(100)面配向度を示す実施例3〜11の配向制御層の乾燥温度と乾燥時間条件は式(1)を満たしている。比較例4〜8はいずれも式(1)を満たしていない。式(1)を満たすことで配向制御層表面のTi量比を14.88原子%以下にできることが確認された。 Here, the drying temperature and drying time conditions of the orientation control layers of Examples 3 to 11 showing the high (100) plane orientation of the piezoelectric thin film satisfy the formula (1). None of Comparative Examples 4 to 8 satisfy the formula (1). It was confirmed that the Ti amount ratio on the surface of the orientation control layer can be reduced to 14.88 atomic% or less by satisfying the formula (1).

1 下地基板
2 中間層
3 電極層
4 配向制御層
21 液体吐出ヘッド用基板
21A 開口部
22 インク吐出口
23 圧力室
24 ノズルプレート
25 アクチュエーター
26 振動板
27 圧電体薄膜
28 下部電極
29 上部電極
30 圧電体素子
1 Base substrate 2 Intermediate layer 3 Electrode layer 4 Orientation control layer 21 Liquid ejection head substrate 21A Opening 22 Ink ejection port 23 Pressure chamber 24 Nozzle plate 25 Actuator 26 Vibration plate 27 Piezoelectric thin film 28 Lower electrode 29 Upper electrode 30 Piezoelectric element

Claims (8)

少なくともSiO 表面に含む下地基板層と、
該下地基板層上のTiを含む中間層と、
該中間層の上のPtを含む電極層と、
該電極層上の配向制御層と
を有し、
該配向制御層形成前の該電極層の表面は、元素定量分析法によるTiが検出されず、
該配向制御層はPb、OおよびTiを含み、該配向制御層の表面におけるPb、O、Ti元素中の該Tiが13.87原子%以上14.88原子%以下であることを特徴とする圧電体成膜用基板。
A base substrate layer containing at least SiO 2 on its surface,
And an intermediate layer comprising a T i on the lower ground substrate layer,
An electrode layer containing Pt on the intermediate layer and
It has an orientation control layer on the electrode layer and
Ti was not detected on the surface of the electrode layer before the formation of the orientation control layer by the elemental quantitative analysis method .
The orientation control layer contains Pb, O and Ti, and the Ti in the Pb, O and Ti elements on the surface of the orientation control layer is 13.87 atomic% or more and 14.88 atomic% or less. Piezoelectric film forming substrate.
前記配向制御層は、Pbを含有する有機物を含む請求項記載の圧電体成膜用基板。 The orientation control layer, a piezoelectric film substrate according to claim 1 further comprising an organic substance containing Pb. 前記配向制御層は、Tiを含有する有機物を含む請求項1または2記載の圧電体成膜用基板。 The substrate for forming a piezoelectric material according to claim 1 or 2 , wherein the orientation control layer contains an organic substance containing Ti. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の圧電体成膜用基板と、前記圧電体成膜用基板の表面に設けられた圧電体と、を有する圧電体基板。 A piezoelectric substrate comprising the piezoelectric film-forming substrate according to any one of claims 1 to 3 and a piezoelectric material provided on the surface of the piezoelectric film-forming substrate. 前記圧電体は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)である請求項記載の圧電体基板。 The piezoelectric substrate according to claim 4 , wherein the piezoelectric body is PZT (lead zirconate titanate). 請求項4または5記載の圧電体基板を有する液体吐出ヘッド。 A liquid discharge head having the piezoelectric substrate according to claim 4 or 5 . 請求項1乃至のいずれか1項に記載の圧電体成膜用基板の表面に圧電体前駆体と有機溶剤とを含む塗工液を塗工し、該塗工液を乾燥して塗工層を形成する工程と、該塗工層を乾燥して乾燥塗工層を形成する工程と、該乾燥塗工層を焼成して圧電体の薄膜を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電体基板の製造方法。 A coating liquid containing a piezoelectric precursor and an organic solvent is applied to the surface of the piezoelectric film forming substrate according to any one of claims 1 to 3 , and the coating liquid is dried and applied. It is characterized by having a step of forming a layer, a step of drying the coating layer to form a dry coating layer, and a step of firing the dry coating layer to form a thin film of a piezoelectric material. A method for manufacturing a piezoelectric substrate. 前記圧電体前駆体は、Pbを含む有機金属化合物、Zrを含む有機金属化合物およびTiを含む有機金属化合物から調製される熱分解性の複合有機金属酸化物である請求項7に記載の圧電体基板の製造方法。 The piezoelectric material according to claim 7, wherein the piezoelectric precursor is a thermally decomposable composite organometallic oxide prepared from an organometallic compound containing Pb, an organometallic compound containing Zr, and an organometallic compound containing Ti. Substrate manufacturing method.
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