JP6909421B2 - Manufacturing method of ferroelectric film - Google Patents

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Description

本発明は、強誘電体膜の製造方法に関するものである。 The present invention relates to the production how the ferroelectric film.

従来、ゾルゲル法やMOD法(金属有機化合物分解法)などの化学溶液堆積法(CSD(Chemical Solution Deposition)法)を用いて基板上に圧電素子などに用いられる強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法が知られている。 Conventionally, a ferroelectric film used for a piezoelectric element or the like is formed on a substrate by using a chemical solution deposition method (CSD (Chemical Solution Deposition) method) such as a sol-gel method or a MOD method (metal organic compound decomposition method). A method for producing a dielectric film is known.

例えば、特許文献1には、ゾルゲル法を用いて、チタン酸ジルコニウムニオブ酸鉛系の複合ペロブスカイトからなるPNbZT薄膜(強誘電体膜)を製造する製造方法が開示されている。この製造方法では、PNbZT薄膜の膜厚方向における組成を略均一化する目的で、組成式PbzNbxZryTi(1-y)3(0<x≦0.05、0.40≦y≦0.60、1.05≦z≦1.25)を満たし、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが異なる複数種類のゾルゲル液を用意する。そして、濃度比Zr/Tiが段階的に小さくなるように、複数種類のゾルゲル液の中から所定のゾルゲル液を選択して基板上に塗布して仮焼きするという工程を2回以上繰り返して、基板上に濃度比Zr/Tiが上層ほど小さくなる2層以上の仮焼膜を積層する。その後、これらの仮焼膜を一括して焼成することにより、単一のPNbZT薄膜を得る。 For example, Patent Document 1 discloses a production method for producing a PNbZT thin film (ferroelectric film) made of a zirconium niobate lead titanate-based composite perovskite by using a sol-gel method. In this manufacturing method, for the purpose of substantially uniform composition in the thickness direction of PNbZT film, composition formula Pb z Nb x Zr y Ti ( 1-y) O 3 (0 <x ≦ 0.05,0.40 ≦ Prepare a plurality of types of sol-gel solutions satisfying y ≦ 0.60, 1.05 ≦ z ≦ 1.25) and having different concentration ratios Zr / Ti of zirconium (Zr) and titanium (Ti). Then, the process of selecting a predetermined sol-gel solution from a plurality of types of sol-gel solutions, applying the solution on the substrate, and pre-baking is repeated two or more times so that the concentration ratio Zr / Ti becomes smaller stepwise. Two or more sol-gel films having a density ratio Zr / Ti smaller as the upper layer are laminated on the substrate. Then, these calcined films are fired together to obtain a single PNbZT thin film.

近年、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜の欠点を補う強誘電体膜として、PZT結晶膜の鉛(Pb)の一部分をランタン(La)で置換したPLZT結晶膜と呼ばれる強誘電体膜が知られている。しかしながら、このPLZT結晶膜を、ゾルゲル法やMOD法などの化学溶液堆積法を用いて成膜する場合、期待される効果(PZT結晶膜と比較した効果)が十分に得られないという課題がある。 In recent years, as a ferroelectric film that compensates for the drawbacks of PZT (lead zirconate titanate) film, a ferroelectric film called PLZT crystal film in which a part of lead (Pb) of the PZT crystal film is replaced with lanthanum (La) is known. Has been done. However, when this PLZT crystal film is formed by a chemical solution deposition method such as a sol-gel method or a MOD method, there is a problem that the expected effect (effect compared with the PZT crystal film) cannot be sufficiently obtained. ..

前記課題を解決するために、本発明は、化学溶液堆積法を用いて基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法において、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜の前駆体液として、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが、ZrとTiの大小関係が維持される範囲で上層ほど低いものを用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させる積層・結晶化工程を繰り返し実施して、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a method of manufacturing a ferroelectric film for forming a ferroelectric film on a substrate using a chemical solution deposition method, the general formula Pb (1-x) La x ( Zir y Ti (1-y) ) O 3 (0 <x ≤ 0.08, 0.55 ≤ y ≤ 0.65) Zirconium (Zr) is used as a precursor liquid for the ferroelectric film of perovskite-type crystals. ) And titanium (Ti) concentration ratio Zr / Ti is lower in the upper layer as long as the magnitude relationship between Zr and Ti is maintained. It is characterized in that the ferroelectric film is formed by repeatedly carrying out the laminating and crystallization steps of crystallization.

本発明によれば、期待される効果が十分に得られるPLZT結晶膜を、化学溶液堆積法を用いて成膜できるという優れた効果が奏される。 According to the present invention, an excellent effect that a PLZT crystal film capable of sufficiently obtaining the expected effect can be formed by using a chemical solution deposition method is exhibited.

実施形態における液体吐出ヘッドの基本構成部分である液体吐出部の一構成例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one structural example of the liquid discharge part which is the basic component part of the liquid discharge head in embodiment. 同液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの振動板及び圧電素子の層構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the layer structure of the diaphragm of the piezoelectric actuator and the piezoelectric element in the liquid discharge head. ゾルゲル法により同圧電素子のPLZT結晶膜を成膜するフローチャートである。It is a flowchart of forming a PLZT crystal film of the same piezoelectric element by a sol-gel method. 濃度比Zr/Tiが同じ前駆体液を用いて作成したPLZT結晶膜のEDS分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the EDS analysis result of the PLZT crystal film prepared using the precursor liquid which has the same concentration ratio Zr / Ti. 濃度比Zr/Tiが同じ前駆体液を用いて作成したPLZT結晶膜のSEM断面像(図面代用写真)である。It is an SEM cross-sectional image (drawing substitute photograph) of the PLZT crystal film prepared using the precursor liquid having the same concentration ratio Zr / Ti. 実施形態にかかるPLZT結晶膜を形成する自動成膜装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the automatic film forming apparatus which forms the PLZT crystal film which concerns on embodiment. 同自動成膜装置におけるスピナー塗布装置の一例を示す模式図である。本実施形態の自動成膜装置に採用するスピナー塗布装置の概略構成図。It is a schematic diagram which shows an example of the spinner coating apparatus in the automatic film forming apparatus. The schematic block diagram of the spinner coating apparatus adopted for the automatic film forming apparatus of this embodiment. 実施例によって製造されたPLZT結晶膜のSEM断面像(図面代用写真)である。It is an SEM cross-sectional image (drawing substitute photograph) of the PLZT crystal film produced by Example. 実施例で得られたPLZT結晶膜を用いた圧電アクチュエータと、濃度比Zr/Tiが同じ前駆体液を用いて作成したPLZT結晶膜を用いた圧電アクチュエータと、繰り返し駆動させたときの経時的な変位量の変化を示すグラフである。A piezoelectric actuator using the PLZT crystal film obtained in the examples and a piezoelectric actuator using a PLZT crystal film prepared using a precursor solution having the same concentration ratio Zr / Ti, and displacement over time when repeatedly driven. It is a graph which shows the change of quantity. 液体を吐出する装置の一例を示す要部平面説明図である。It is a plane explanatory view of the main part which shows an example of the apparatus which discharges a liquid. 液体吐出ユニットの一例を示す要部側面説明図である。It is a side explanatory view of the main part which shows an example of a liquid discharge unit. 液体吐出ユニットの他の例を示す要部平面説明図である。It is explanatory drawing of the main part plane which shows the other example of a liquid discharge unit. 液体吐出ユニットの更に他の例を示す正面説明図である。It is a front explanatory view which shows still another example of a liquid discharge unit.

以下、本発明を、液体を吐出する装置である画像形成装置としてのインクジェット記録装置の液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータに用いられる圧電素子の強誘電体膜の製造に適用した一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to the manufacture of a ferroelectric film of a piezoelectric element used in a piezoelectric actuator in a liquid discharge head of an inkjet recording device as an image forming device which is a device for discharging a liquid will be described.

図1は、本実施形態における液体吐出ヘッドの基本構成部分である液体吐出部10の一構成例を示す概略構成図である。
図2は、液体吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータの振動板及び圧電素子の層構造の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a liquid discharge unit 10 which is a basic component of a liquid discharge head in the present embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the layer structure of the diaphragm of the piezoelectric actuator and the piezoelectric element in the liquid discharge head.

図1において、液体吐出部10は、インクなどの液体を吐出するノズル孔11を有するノズル板12と、ノズル孔11に連通し液体を収容した液室13が形成された液室基板(以下、単に「基板」という。)14とを備えている。更に、基板14上には、所定の成膜法により形成された振動板15と、振動板15を介して液室13内の液体を加圧するための電気機械変換素子としての圧電素子16とが設けられている。図1及び図2に示すように、圧電素子16は、基板14側の第1駆動電極としての下部電極161と、PLZT結晶膜163と、PLZT結晶膜163の基板14側とは反対側の第2駆動電極としての上部電極162とが積層されている。図1の液体吐出部10において、圧電素子16の下部電極161と上部電極162との間に所定の周波数及び振幅の駆動電圧が印加される。この駆動電圧が印加された圧電素子16が、基板14と圧電素子16との間にある振動板15を変形させるように振動し、その振動板15の変形により液室13内の液体が加圧され、ノズル孔11から液滴を吐出させることができる。 In FIG. 1, the liquid discharge unit 10 is a liquid chamber substrate (hereinafter referred to as a liquid chamber substrate) in which a nozzle plate 12 having a nozzle hole 11 for ejecting a liquid such as ink and a liquid chamber 13 communicating with the nozzle hole 11 and accommodating the liquid are formed. It is simply referred to as a "board") 14. Further, on the substrate 14, a diaphragm 15 formed by a predetermined film forming method and a piezoelectric element 16 as an electromechanical conversion element for pressurizing the liquid in the liquid chamber 13 via the diaphragm 15 are formed. It is provided. As shown in FIGS. 1 and 2, in the piezoelectric element 16, the lower electrode 161 as the first driving electrode on the substrate 14 side, the PLZT crystal film 163, and the PLZT crystal film 163 on the side opposite to the substrate 14 side are the first. An upper electrode 162 as a two-drive electrode is laminated. In the liquid discharge unit 10 of FIG. 1, a driving voltage having a predetermined frequency and amplitude is applied between the lower electrode 161 and the upper electrode 162 of the piezoelectric element 16. The piezoelectric element 16 to which this drive voltage is applied vibrates so as to deform the vibrating plate 15 between the substrate 14 and the piezoelectric element 16, and the liquid in the liquid chamber 13 is pressurized by the deformation of the vibrating plate 15. Then, the droplet can be discharged from the nozzle hole 11.

次に、化学溶液堆積法(CSD法)にてPLZT結晶膜163を成膜する成膜方法(PLZT結晶膜163の製造方法)について、図面を参照して説明する。
CSD法を代表するゾルゲル法は、金属の有機または無機化合物を溶液中で加水分解、続いて重縮合反応を進めさせることで、金属−酸素−金属(M−O−M)の結合を有する重合体を形成し、これを加熱することによりセラミックスを作製する方法である。M−O−Mの重合度が低い場合は、「ゾル」と呼ばれる液体であるが、重縮合が進むと「ゲル」と呼ばれる固体となる。このゾルゲル法で強誘電体膜であるPLZT結晶膜を作製しようとする場合、PLZT結晶を形成する金属、つまり鉛(Pb)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)それぞれの化合物をひとつの溶液中で加水分解、続いて重縮合反応を進めた溶液、つまりゾルを準備し、これを下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板上に塗布し、加熱すれば良い。ちなみに、前記ゾルがPLZT結晶膜を得るための前駆体液となる。
Next, a film forming method (method for producing the PLZT crystal film 163) for forming the PLZT crystal film 163 by the chemical solution deposition method (CSD method) will be described with reference to the drawings.
The sol-gel method, which represents the CSD method, is a weight having a metal-oxygen-metal (MO-M) bond by hydrolyzing an organic or inorganic compound of a metal in a solution and then advancing a polycondensation reaction. This is a method of producing ceramics by forming a coalescence and heating it. When the degree of polymerization of MOM is low, it is a liquid called "sol", but when polycondensation progresses, it becomes a solid called "gel". When a PLZT crystal film, which is a strong dielectric film, is to be produced by this sol-gel method, the metals forming the PLZT crystal, that is, the compounds of lead (Pb), lanthanum (La), zirconium (Zr), and titanium (Ti), respectively. Is hydrolyzed in one solution, followed by a polycondensation reaction, that is, a sol is prepared, which is applied onto a silicon wafer substrate on which a lower electrode is formed and heated. Incidentally, the sol serves as a precursor liquid for obtaining a PLZT crystal film.

図3は、ゾルゲル法によりPLZT結晶膜163を成膜するフローチャートである。
シリコンウェハ基板上の電極(下部電極)上に、形成するPLZT結晶膜の複合酸化物組成に合わせて合成されたPLZT結晶膜成膜用の前駆体液をスピンコート法等によって塗布し、PLZT結晶膜の前駆体液塗膜を基板上に形成する(塗布工程)。このPLZT結晶膜の前駆体液塗膜を第一の加熱温度(乾燥温度)まで加熱して塗膜中に残された溶媒を蒸発させ、PLZT結晶膜の前駆体液塗膜を乾燥させた乾燥膜を基板上に形成する(乾燥工程)。ついで、第一の加熱温度(乾燥温度)より高い第二の加熱温度(熱分解温度)まで乾燥膜を加熱して乾燥膜中の有機成分を分解し、複合酸化物のアモルファス膜を基板上に形成する(熱分解工程あるいは脱脂工程とも称される。)。次いで、基板を室温程度になるよう冷却する(冷却工程)。
FIG. 3 is a flowchart for forming a PLZT crystal film 163 by the sol-gel method.
On the electrode (lower electrode) on the silicon wafer substrate, a precursor liquid for forming a PLZT crystal film synthesized according to the composite oxide composition of the PLZT crystal film to be formed is applied by a spin coating method or the like, and the PLZT crystal film is applied. The precursor liquid coating film of No. 1 is formed on the substrate (coating step). The precursor liquid coating film of the PLZT crystal film is heated to the first heating temperature (drying temperature) to evaporate the solvent remaining in the coating film, and the dry film obtained by drying the precursor liquid coating film of the PLZT crystal film is obtained. Formed on a substrate (drying step). Then, the dry film is heated to a second heating temperature (pyrolysis temperature) higher than the first heating temperature (drying temperature) to decompose the organic components in the dry film, and the amorphous film of the composite oxide is placed on the substrate. Form (also referred to as a pyrolysis step or degreasing step). Next, the substrate is cooled to about room temperature (cooling step).

この前駆体液塗膜の塗布、乾燥、熱分解、冷却の工程を所定回数(X回)繰り返す。その後に第二の加熱温度(熱分解温度)より高い第三の加熱温度(結晶化温度)まで基板上に形成されたアモルファス膜を加熱して結晶化を行い、強誘電体特性を有する複合酸化物の結晶薄膜を形成する(結晶化工程)。このような、塗布工程〜結晶化工程を所定回数(Y回)繰り返すことによって、所望の厚みを持った複合酸化物結晶膜であるPLZT結晶膜を下部電極上に形成する。これにフォトリソ・エッチング等の加工を施すことによって、狙いとする圧電アクチュエータ素子等のデバイスを得る。 The steps of coating, drying, thermal decomposition, and cooling of the precursor liquid coating film are repeated a predetermined number of times (X times). After that, the amorphous film formed on the substrate is heated to a third heating temperature (crystallization temperature) higher than the second heating temperature (thermal decomposition temperature) to perform crystallization, and composite oxidation having ferroelectric properties is performed. Form a crystalline thin film of an object (crystallization step). By repeating such a coating step to a crystallization step a predetermined number of times (Y times), a PLZT crystal film having a desired thickness, which is a composite oxide crystal film, is formed on the lower electrode. By subjecting this to processing such as photolithography and etching, a target device such as a piezoelectric actuator element can be obtained.

前記のような工程フローで構成されるゾルゲル法に代表されるCSD法は、基板上に塗布する前駆体液中の金属成分組成を容易に変更、制御することが可能であり、それにより、得られる複合酸化物結晶膜の組成と圧電素子としての特性を制御できる特徴を有している。したがって、本実施形態のように、PZT結晶膜の鉛(Pb)の一部をランタン(La)に置換させたPLZT結晶膜を成膜する場合も、前駆体液中に所望の組成量だけLa化合物成分を添加した(その分だけPb化合物成分を減らす。)前駆体液を作製することで、所望の組成のPLZT結晶膜を成膜することができる。 The CSD method represented by the sol-gel method composed of the above-mentioned process flow can easily change and control the composition of the metal component in the precursor liquid applied on the substrate, thereby obtaining the metal component composition. It has the feature that the composition of the composite oxide crystal film and the characteristics as a piezoelectric element can be controlled. Therefore, even when forming a PLZT crystal film in which a part of lead (Pb) of the PZT crystal film is replaced with lanthanum (La) as in the present embodiment, a desired composition amount of the La compound is formed in the precursor liquid. A PLZT crystal film having a desired composition can be formed by preparing a precursor solution to which a component is added (the Pb compound component is reduced by that amount).

しかしながら、このようなCDS法を用いてPLZT結晶膜を成膜したとき、所望の組成のPLZT結晶膜が得られているにも関わらず、圧電素子としての特性に予測したとおりの向上が認められなかった。その原因について検討したところ、得られたPLZT結晶膜全体の組成は意図した通りの組成になっており、また、添加したランタン(La)はPLZT結晶膜全体に略均一に分布していたが、PLZT結晶膜の膜厚方向において、ジルコニウム(Zr)及びチタニウム(Ti)が均一に分布していないことが判明した。そして、この膜厚方向におけるPLZT結晶膜の組成の不均一性、特にジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiの不均一性が、期待される効果を阻害しているという結論を得た。 However, when a PLZT crystal film is formed by using such a CDS method, the characteristics as a piezoelectric element are improved as expected even though the PLZT crystal film having a desired composition is obtained. There wasn't. As a result of examining the cause, the composition of the entire PLZT crystal film obtained was as intended, and the added lanthanum (La) was distributed substantially uniformly throughout the PLZT crystal film. It was found that zirconium (Zr) and titanium (Ti) were not uniformly distributed in the film thickness direction of the PLZT crystal film. Then, it is concluded that the non-uniformity of the composition of the PLZT crystal film in this film thickness direction, particularly the non-uniformity of the concentration ratio Zr / Ti of zirconium (Zr) and titanium (Ti), hinders the expected effect. Got

膜厚方向におけるPLZT結晶膜の組成の不均一性(濃度比Zr/Tiの不均一性)が生じる原因は、次のとおりである。
シリコンウェハ基板上に形成した複合酸化物からなる圧電体結晶膜(強誘電体膜)を液体吐出ヘッド等に用いられる圧電素子に適用し、要求されるたわみ力を発生させるには、ある程度以上の厚み(好ましくは、1〜数μmの厚み)を有する圧電体結晶膜を形成する必要がある。ここで、前駆体液の塗布工程、乾燥工程、熱分解工程、結晶化工程からなるCSD法は、プロセスに投入される前駆体液の液体が、各工程を経るごとに、乾燥膜、アモルファス膜、結晶膜と、体積の収縮を伴いながらその状態を変化させるプロセスを経る。そのため、一度の工程フローでμmオーダーの厚い圧電体膜を得ようとすると、できあがった圧電体結晶膜に無数のクラックが発生するという問題が生じる。
The causes of non-uniformity of the composition of the PLZT crystal film in the film thickness direction (non-uniformity of the concentration ratio Zr / Ti) are as follows.
It is necessary to apply a piezoelectric crystal film (ferroelectric film) made of a composite oxide formed on a silicon wafer substrate to a piezoelectric element used for a liquid discharge head or the like to generate a required bending force. It is necessary to form a piezoelectric crystal film having a thickness (preferably a thickness of 1 to several μm). Here, in the CSD method consisting of a precursor liquid coating step, a drying step, a thermal decomposition step, and a crystallization step, the liquid of the precursor liquid charged into the process is a dry film, an amorphous film, and a crystal each time it passes through each step. It goes through a process that changes the state of the membrane with shrinkage of its volume. Therefore, when trying to obtain a thick piezoelectric film on the order of μm in one process flow, there arises a problem that innumerable cracks occur in the completed piezoelectric crystal film.

そのため、このような厚みの圧電体結晶膜をCSD法により成膜する場合、本実施形態において塗布〜結晶化工程をY回繰り返しているように、シリコンウェハ基板上に薄い結晶膜(結晶薄膜)を繰り返し成膜・積層して、例えば1μm程度の厚みの圧電体膜を得ることが必要である。このとき、10数回の前駆体液の塗布を行うCSD工程を設定し、1度の前駆体液の塗布あたり〜100nm程度の厚みの薄い結晶薄膜を積層することによって所望の膜厚の圧電体膜を得る。 Therefore, when a piezoelectric crystal film having such a thickness is formed by the CSD method, a thin crystal film (crystal thin film) is formed on a silicon wafer substrate as if the coating to crystallization steps were repeated Y times in this embodiment. It is necessary to repeatedly form and stack the above to obtain a piezoelectric film having a thickness of, for example, about 1 μm. At this time, a CSD step of applying the precursor solution more than 10 times is set, and a piezoelectric film having a desired film thickness is formed by laminating a thin crystal thin film having a thickness of about 100 nm per application of the precursor solution. obtain.

ここで、上述した膜厚方向におけるPLZT結晶膜の濃度比Zr/Tiの不均一性は、上述した薄い結晶膜(結晶薄膜)の積層界面近傍に顕著に認められる。詳しくは、図4に示すエネルギー分散型X線分光法(EDS:Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)の分析結果から、結晶薄膜の各層では、その上面側で濃度比Zr/Tiが高く、その下面側で濃度比Zr/Tiが低いことが確認されている。その結果、結晶薄膜間の界面では、濃度比Zr/Tiが高い上面と濃度比Zr/Tiが低い下面とが隣接し、濃度比Zr/Tiの不均一性(不連続性)が顕著となる。なお、このような組成の不均一性(濃度比Zr/Tiの不連続性)が生じている領域が「界面」であることは、図5に示す走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)の断面像より確認されている。 Here, the non-uniformity of the concentration ratio Zr / Ti of the PLZT crystal film in the film thickness direction described above is remarkably observed in the vicinity of the laminated interface of the thin crystal film (crystal thin film) described above. Specifically, from the analysis results of Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) shown in FIG. 4, in each layer of the crystal thin film, the concentration ratio Zr / Ti is high on the upper surface side thereof, and the lower surface side thereof. It has been confirmed that the concentration ratio Zr / Ti is low. As a result, at the interface between the crystal thin films, the upper surface having a high concentration ratio Zr / Ti and the lower surface having a low concentration ratio Zr / Ti are adjacent to each other, and the non-uniformity (discontinuity) of the concentration ratio Zr / Ti becomes remarkable. .. It should be noted that the region where such compositional non-uniformity (discontinuity of concentration ratio Zr / Ti) occurs is the "interface", which is indicated by the scanning electron microscope (SEM) shown in FIG. It is confirmed from the cross-sectional image of.

CSD法では、上述したように、所望の圧電体膜組成に合わせて合成された前駆体液の塗布〜熱分解工程をX回繰り返した後、得られた積層アモルファス複合酸化物を加熱して結晶化させる。その際、まずアモルファス複合酸化物を構成している各金属原子は、結晶化工程の加熱プロセス時に供給される熱エネルギーによって膜中を移動し、複合酸化物結晶構造の所定位置に配位することで結晶化する。このとき、移動のしやすさ(移動速度)が金属原子によって異なる。 In the CSD method, as described above, the coating-thermal decomposition steps of the precursor liquid synthesized according to the desired piezoelectric film composition are repeated X times, and then the obtained laminated amorphous composite oxide is heated and crystallized. Let me. At that time, first, each metal atom constituting the amorphous composite oxide moves in the film by the heat energy supplied during the heating process of the crystallization step, and is coordinated at a predetermined position in the composite oxide crystal structure. Crystallize with. At this time, the ease of movement (movement speed) differs depending on the metal atom.

例えば、PLZT結晶膜中のチタン(Ti)原子とジルコニウム(Zr)原子を比較すると、チタン原子は反応中の移動速度がジルコニウム原子よりも速い。そのため、結晶化工程中に、ジルコニウム原子よりも速いタイミング、言い換えると、より低い温度領域で、結晶構造を形成し、続いてチタン原子よりも遅いタイミング、言い換えると、より高い温度領域で、ジルコニウム原子が結晶構造を形成すると共に、先に形成されたチタン原子を含む結晶構造の中に固溶していく。すなわち、PLZT結晶膜は、ランタン添加チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体である。 For example, comparing the titanium (Ti) atom and the zirconium (Zr) atom in the PLZT crystal film, the titanium atom moves faster than the zirconium atom during the reaction. Therefore, during the crystallization process, a crystal structure is formed at a timing earlier than the zirconium atom, in other words, at a lower temperature region, and then at a later timing than the titanium atom, in other words, at a higher temperature region, the zirconium atom. Formes a crystal structure and dissolves in the previously formed crystal structure containing titanium atoms. That is, the PLZT crystal film is a solid solution of lanthanum-added lead titanate and lead zirconate.

このようなPLZT結晶膜の結晶化プロセスを、長い時間を掛けて行うことができれば、あるいは、十分に高いプロセス温度で行うことができれば、後に形成されるジルコニウム原子を含む結晶構造を、先に形成されるチタン原子を含む結晶構造の中に十分に固溶することが可能となり、その結果、濃度比Zr/Tiは膜厚方向のいずれの領域でも均一とすることが可能である。しかしながら、通常、急速熱処理(RTA)装置などを用いることにより短い時間又は比較的低い温度で結晶化プロセスを行うところ、そのような比較的低い温度で短時間に行われる結晶化工程の間に、PLZT結晶膜中の濃度比Zr/Tiを膜厚方向において均一化させることは難しい。 If the crystallization process of such a PLZT crystal film can be carried out over a long period of time, or if it can be carried out at a sufficiently high process temperature, a crystal structure containing a zirconium atom to be formed later is formed first. It is possible to sufficiently dissolve in the crystal structure containing the titanium atom to be formed, and as a result, the concentration ratio Zr / Ti can be made uniform in any region in the film thickness direction. However, when the crystallization process is usually carried out for a short time or at a relatively low temperature by using a rapid heat treatment (RTA) apparatus or the like, the crystallization process carried out at such a relatively low temperature for a short time is performed. It is difficult to make the concentration ratio Zr / Ti in the PLZT crystal film uniform in the film thickness direction.

仮に、短い結晶化プロセス時間を補うために極端に高いプロセス温度にてPLZT結晶膜の結晶化を行った場合には、ランタン(La)添加による効果では補うことがまったくできないレベルの鉛欠損並びに鉛欠損に起因する酸素欠陥が結晶膜中に生じ、その圧電体特性を損なってしまう。これは、鉛元素の蒸気圧が低いために、結晶化工程にて加えられる熱によって鉛原子が大気中に揮発し、鉛欠損が生じるためである。 If the PLZT crystal film is crystallized at an extremely high process temperature to compensate for the short crystallization process time, lead deficiency and lead at a level that cannot be compensated for by the effect of adding lantern (La). Oxygen defects due to the defects occur in the crystal film, impairing the piezoelectric properties. This is because the vapor pressure of the lead element is low, so that the heat applied in the crystallization step volatilizes the lead atom into the atmosphere, causing lead deficiency.

本実施形態におけるCSD法による複合酸化物からなる圧電体膜の成膜プロセスでは、前記のように、下部電極膜(導電層)の上に前駆体液を塗布し、この塗膜を加熱、乾燥・脱脂してアモルファス複合酸化物膜とするプロセスをX回繰り返してアモルファス複合酸化物膜を積層した上で、結晶化を行う。そのため、結晶化工程における積層化アモルファス複合酸化物積層膜の下面は、下部電極膜あるいはすでに結晶化されている複合酸化物結晶膜(PLZT結晶膜)と接している一方、上面は空気層に面している。 In the film formation process of the piezoelectric film made of the composite oxide by the CSD method in the present embodiment, as described above, the precursor liquid is applied on the lower electrode film (conductive layer), and the coating film is heated, dried and dried. The process of degreasing to form an amorphous composite oxide film is repeated X times to laminate the amorphous composite oxide film, and then crystallization is performed. Therefore, the lower surface of the laminated amorphous composite oxide laminated film in the crystallization step is in contact with the lower electrode film or the already crystallized composite oxide crystal film (PLZT crystal film), while the upper surface faces the air layer. is doing.

下面近傍は、接している下部電極膜(通常は、ある結晶構造を有するPt膜あるいは導電性酸化物膜)が有する結晶構造・原子配列に倣うことができるため、アモルファス複合酸化物膜中の原子が整列・結晶構造を形成することが容易である。これは、下面がすでに結晶化されている複合酸化物結晶膜である場合には更に容易である。これに対し、空気層と接している上面近傍は、アモルファス複合酸化物膜中の原子が整列・結晶構造を形成することが困難である。したがって、このように上面また下面にまったく異なる性質を有する層と接しているアモルファス複合酸化物膜を加熱して結晶化させる場合、結晶化のし易さ(結晶化が行われる温度)が異なる酸化物が含まれているPLZT膜(結晶化前)では、結晶化が容易な下面近傍の領域において、より結晶化のし易い(より低い温度で結晶化が行われる)酸化物(チタン(Ti)を含む酸化物)の結晶化が促進され、その領域の大部分を占めるようになる。一方、より結晶化のし難い(より高い温度で結晶化が行われる)酸化物(ジルコニウム(Zr)を含む酸化物)は、その結晶化がより遅いタイミングで行われるため、下面近傍の領域ではあまり結晶構造を形成できず、比較的遅いタイミングで結晶化が行われる上面近傍の領域において大部分を占めるようになる。 Since the vicinity of the lower surface can follow the crystal structure and atomic arrangement of the adjacent lower electrode film (usually a Pt film having a certain crystal structure or a conductive oxide film), the atoms in the amorphous composite oxide film can be imitated. Is easy to align and form a crystal structure. This is even easier when the lower surface is a composite oxide crystal film that has already been crystallized. On the other hand, in the vicinity of the upper surface in contact with the air layer, it is difficult for the atoms in the amorphous composite oxide film to align and form a crystal structure. Therefore, when the amorphous composite oxide film in contact with layers having completely different properties on the upper surface and the lower surface is heated and crystallized, the easiness of crystallization (the temperature at which crystallization is performed) differs. In the PLZT film (before crystallization) containing an substance, an oxide (titanium (Ti)) that is easier to crystallize (crystallizes at a lower temperature) is more easily crystallized in a region near the lower surface where crystallization is easy. Crystallization of (oxides containing) is promoted and occupies most of the region. On the other hand, oxides (oxides containing zirconium (Zr)) that are more difficult to crystallize (crystallize at a higher temperature) are crystallized at a later timing, so that in the region near the lower surface. A crystal structure cannot be formed so much, and it occupies most of the region near the upper surface where crystallization is performed at a relatively late timing.

その結果、CSD法にてY回の結晶化工程を繰り返し、Y層のPLZT結晶薄膜を積層して所望の厚みを有するPLZT結晶膜を得ようとする場合、Y層積層されたPLZT結晶薄膜の各層の下面に近い領域では、比較的結晶化しやすいチタン(Ti)を含む結晶構造が多く占め、各層の上面に近い領域では、比較的結晶化し難いジルコニウム(Zr)を含む結晶構造が多く占めるようになる。 As a result, when the crystallization step is repeated Y times by the CSD method and the PLZT crystal thin film of the Y layer is laminated to obtain a PLZT crystal film having a desired thickness, the PLZT crystal thin film laminated with the Y layer is used. In the region near the lower surface of each layer, the crystal structure containing titanium (Ti), which is relatively easy to crystallize, occupies a large amount, and in the region near the upper surface of each layer, the crystal structure containing zirconium (Zr), which is relatively difficult to crystallize, occupies a large amount. become.

そこで、本実施形態においては、PLZT結晶薄膜の各層を形成する各結晶化工程(所望のPLZT結晶膜を得るまでにY回行われる。)の前に行う積層アモルファス膜の形成工程(前駆体液の塗布〜熱分解工程をX回繰り返し行う。)において、PLZT結晶薄膜の各層でチタン原子が偏析する下面に近い領域を形成する一番下層側(シリコンウェハ基板側)のアモルファス層に含まれるジルコニウム原子の量を多くする(濃度比Zr/Tiを高くする)とともに、その上に積層するアモルファス層の各層に含まれるジルコニウム原子の量を上層ほど小さくなる(濃度比Zr/Tiが低くなる)ようにする手法を採用した。具体的には、濃度比Zr/Tiの異なる前駆体液を複数種類準備し、濃度比Zr/Tiの高い前駆体液から順に用いて、塗布〜熱分解工程までのアモルファス膜形成工程を繰り返し実施する。 Therefore, in the present embodiment, the step of forming the laminated amorphous film (precursor liquid) performed before each crystallization step of forming each layer of the PLZT crystal thin film (Y times until a desired PLZT crystal film is obtained). The coating to thermal decomposition steps are repeated X times.) The zirconate atoms contained in the amorphous layer on the lowest layer side (silicon wafer substrate side) that forms a region near the lower surface where titanium atoms segregate in each layer of the PLZT crystal thin film. (Increase the concentration ratio Zr / Ti) and decrease the amount of zirconate atoms contained in each layer of the amorphous layer laminated on it (increase the concentration ratio Zr / Ti). Adopted the method of Specifically, a plurality of types of precursor liquids having different concentration ratios Zr / Ti are prepared, and the amorphous film forming steps from the coating to the thermal decomposition step are repeatedly carried out by using the precursor liquids having the highest concentration ratio Zr / Ti in order.

これにより、PLZT結晶薄膜を形成する複数層のアモルファス膜は、下層のアモルファス膜ほど濃度比Zr/Tiが高く(ジルコニウム原子の量が相対的に多い)、上層側になるに従って濃度比Zr/Tiが低くなったものとなる(ジルコニウム原子の量が相対的に少なくなったものとなる。)。このような積層アモルファス膜を結晶化工程に投入した場合も、通常の場合と同様、得られるPLZT結晶薄膜の下面に近い領域ではチタン原子が多く、上面に近い領域ではジルコニウム原子が多く偏析する現象が生じるが、予め下面に近い領域に位置するアモルファス層ではチタン原子を少なく(ジルコニウム原子を多く)、逆に上面に近い領域に位置するアモルファス層ではジルコニウム原子を少なく(チタン原子を多く)してあるため、結晶化工程における偏析現象が相殺され、膜厚方向における組成の均一性が高められたPLZT結晶薄膜が得られる。 As a result, the multi-layered amorphous film forming the PLZT crystal thin film has a higher concentration ratio Zr / Ti as the lower amorphous film (the amount of zirconium atoms is relatively larger), and the concentration ratio Zr / Ti increases toward the upper layer side. Is low (the amount of zirconium atoms is relatively low). Even when such a laminated amorphous film is put into the crystallization step, a phenomenon in which a large amount of titanium atoms are segregated in a region near the lower surface of the obtained PLZT crystal thin film and a large amount of zirconium atoms are segregated in a region near the upper surface, as in the normal case. However, in the amorphous layer located near the lower surface in advance, the number of titanium atoms is reduced (more zirconium atoms), and conversely, in the amorphous layer located near the upper surface, the number of zirconium atoms is reduced (more titanium atoms). Therefore, the segregation phenomenon in the crystallization step is canceled out, and a PLZT crystal thin film having improved composition uniformity in the film thickness direction can be obtained.

そして、このようなプロセスをY回繰り返して、膜厚方向の組成均一性が高められたPLZT結晶薄膜を積層して得られたPLZT結晶膜は、CSD法による成膜を行っているにも関わらず、その膜厚方向の組成均一性が高く、しかもPLZT結晶薄膜の界面近傍での濃度比Zr/Tiの不均一性(不連続性)も解消され、PLZT結晶膜の期待される効果を良好に得ることができる。 Then, the PLZT crystal film obtained by laminating the PLZT crystal thin films having improved composition uniformity in the film thickness direction by repeating such a process Y times is formed in spite of the fact that the film is formed by the CSD method. However, the composition uniformity in the film thickness direction is high, and the non-uniformity (discontinuity) of the concentration ratio Zr / Ti near the interface of the PLZT crystal thin film is eliminated, and the expected effect of the PLZT crystal film is good. Can be obtained.

次に、実施形態におけるPLZT結晶膜163の成膜装置(製造装置)としての自動成膜装置600について説明する。
図6は、本実施形態にかかるPLZT結晶膜163を形成する自動成膜装置600の概略構成図である。
自動成膜装置600は、下部電極が成膜されたシリコンウェハ基板(図2では不図示)を1枚ずつ流動させる枚葉式装置である。自動成膜装置600は、シリコンウェハ基板を収納する収納部材601、シリコンウェハ基板を自動成膜装置600の各装置へ搬送する搬送装置602、基板の受け渡し位置ならびに各装置内での基板の位置決め・芯だしを行うアライナー603を備えている。また、PLZT結晶膜163の前駆体液をシリコンウェハ基板上に塗布するスピナー塗布装置604、塗布された前駆体液塗膜の乾燥を行うホットプレート605、乾燥膜の熱分解工程並びに結晶化工程の熱処理を行うRTA装置606を備えている。さらに、RTA装置606での熱処理後にウェハ冷却を行う冷却ステージ607を備えている。
Next, an automatic film forming apparatus 600 as a film forming apparatus (manufacturing apparatus) for the PLZT crystal film 163 in the embodiment will be described.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an automatic film forming apparatus 600 for forming the PLZT crystal film 163 according to the present embodiment.
The automatic film forming apparatus 600 is a single-wafer type apparatus in which a silicon wafer substrate (not shown in FIG. 2) on which a lower electrode is formed is flowed one by one. The automatic film forming apparatus 600 includes a storage member 601 for accommodating the silicon wafer substrate, a conveying device 602 for transporting the silicon wafer substrate to each apparatus of the automatic film forming apparatus 600, a substrate delivery position, and positioning of the substrate in each apparatus. It is equipped with an aligner 603 for centering. Further, a spinner coating device 604 for coating the precursor liquid of the PLZT crystal film 163 on a silicon wafer substrate, a hot plate 605 for drying the applied precursor liquid coating film, a thermal decomposition step of the dried film, and a heat treatment for the crystallization step are performed. It is equipped with an RTA device 606 to perform. Further, it is provided with a cooling stage 607 that cools the wafer after the heat treatment in the RTA apparatus 606.

収納部材601に収納されたシリコンウェハ基板は、搬送装置602により搬送され、アライナー603によって位置決め・芯だしされる。その後、搬送装置602により、図3に示す成膜プロセスのフローチャートに従って、フローチャート中の各工程を担当する各装置間を流動する。 The silicon wafer substrate stored in the storage member 601 is transported by the transport device 602, and is positioned and centered by the aligner 603. After that, the transfer device 602 flows between the devices in charge of each process in the flowchart according to the flowchart of the film forming process shown in FIG.

アライナー603によって位置決め・芯だしがなされたシリコンウェハ基板は、まず、スピナー塗布装置604に投入されて前駆体液が塗布される。続いて、前駆体液の塗膜が形成された基板は、搬送装置602によってホットプレート605に投入され、塗布された前駆体塗膜の加熱・乾燥処理を行う。乾燥工程を終えたシリコンウェハ基板は、搬送装置602によってRTA装置606に投入され、前駆体乾燥膜の加熱・熱分解処理を行う。続いて、上述した塗布工程〜熱分解工程を所定回数(X回)繰り返した後、RTA装置606にて、熱分解温度より高い結晶化温度までシリコンウェハ基板(シリコンウェハ基板上に成膜された積層アモルファス膜)を加熱して結晶化を行い、PLZT結晶薄膜を形成させる。 The silicon wafer substrate positioned and centered by the aligner 603 is first charged into the spinner coating device 604 to be coated with the precursor liquid. Subsequently, the substrate on which the coating film of the precursor liquid is formed is put into the hot plate 605 by the transport device 602, and the coated precursor coating film is heated and dried. The silicon wafer substrate that has completed the drying step is put into the RTA device 606 by the transfer device 602, and the precursor drying film is heated and thermally decomposed. Subsequently, after repeating the above-mentioned coating step to thermal decomposition step a predetermined number of times (X times), a thin film was formed on the silicon wafer substrate (on the silicon wafer substrate) to a crystallization temperature higher than the thermal decomposition temperature by the RTA apparatus 606. The laminated amorphous film) is heated to crystallize it to form a PLZT crystal thin film.

そして、このような塗布工程〜結晶化工程を所定回数(Y回)繰り返してPLZT結晶薄膜を積層成膜することによって、所望の厚みを持ったPLZT結晶膜を形成し、これをさらに加工することによって、狙いとする圧電素子等のデバイスを得る。 Then, the PLZT crystal thin film is laminated and formed by repeating such a coating step to a crystallization step a predetermined number of times (Y times) to form a PLZT crystal film having a desired thickness, which is further processed. To obtain the target device such as a piezoelectric element.

図7は、本実施形態で用いられるスピナー塗布装置604の一例を示す模式図である。
スピナー塗布装置604は、シリコンウェハ基板204を吸着保持するスピナーチャック611、スピンドルモータと連結してスピナーチャック611に吸着保持されたシリコンウェハ基板204を、制御装置に入力されたプログラムに従って回転させるスピンドル612、前駆体液を収納して前駆体液を加圧ガスによって加圧する加圧容器614、加圧された前駆体液をアーム615の先端に装着されたノズル616まで流送する送液ライン617によって構成される。
FIG. 7 is a schematic view showing an example of the spinner coating device 604 used in the present embodiment.
The spinner coating device 604 rotates the spinner chuck 611 that sucks and holds the silicon wafer substrate 204, and the silicon wafer substrate 204 that is connected to the spindle motor and sucked and held by the spinner chuck 611 according to the program input to the control device. Consists of a pressurizing container 614 that stores the precursor fluid and pressurizes the precursor fluid with a pressurized gas, and a liquid feed line 617 that feeds the pressurized precursor fluid to a nozzle 616 mounted on the tip of the arm 615. ..

本実施形態においては、PLZT前駆体液をシリコンウェハ基板204上に滴下するための加圧容器614からノズル616までの塗布システムとして、結晶化工程の前に行われる塗布工程〜熱分解工程の回数(X回)に相当するX個の塗布システムを備えている。各加圧容器614−1,614−2,・・・,614−Xには、加圧容器間でそれぞれ異なる組成を有するPLZT前駆体液が収納されている。本実施形態においては、結晶化工程の前に行われるX回の塗布工程ごとに塗布システムを塗布システム切換手段によって切り換え、各塗布工程(1回目、2回目・・・・、X回目)ごとに、組成成分の異なるPLZT前駆体液を用いる。詳しくは、1回目に塗布されるPLZT前駆体液の濃度比Zr/Tiが最も高く、塗布回数が増すに従って濃度比Zr/Tiを順次下げたPLZT前駆体液をシリコンウェハ基板204上に滴下・塗布を行って、X層のPLZT薄膜(結晶化前)を得る。 In the present embodiment, as a coating system from the pressure vessel 614 to the nozzle 616 for dropping the PLZT precursor liquid onto the silicon wafer substrate 204, the number of coating steps to thermal decomposition steps performed before the crystallization step ( It is equipped with X coating systems equivalent to (X times). In each of the pressure containers 614-1, 614-2, ..., 614-X, PLZT precursor liquids having different compositions among the pressure containers are stored. In the present embodiment, the coating system is switched by the coating system switching means for each X coating process performed before the crystallization step, and for each coating process (first, second ..., X). , PLZT precursor liquids having different composition components are used. Specifically, the PLZT precursor liquid to be applied for the first time has the highest concentration ratio Zr / Ti, and the PLZT precursor liquid in which the concentration ratio Zr / Ti is sequentially lowered as the number of coatings increases is dropped and applied onto the silicon wafer substrate 204. To obtain a PLZT thin film (before crystallization) of the X layer.

このようなプロセスによって得られたX層のPLZT薄膜(結晶化前)は、結晶化工程における加熱プロセスで生じる膜厚方向の偏析現象を相殺する(補う)ように各PLZT薄膜(結晶化前)の組成(濃度比Zr/Ti)を異ならせて成膜しているので、膜厚方向の組成均一性が高く、良好な強誘電体特性・圧電体特性が得られる。 The PLZT thin film (before crystallization) of the X layer obtained by such a process cancels (supplements) the segregation phenomenon in the film thickness direction that occurs in the heating process in the crystallization step (before crystallization). Since the film is formed with different compositions (concentration ratio Zr / Ti), the composition uniformity in the film thickness direction is high, and good ferroelectric properties and piezoelectric properties can be obtained.

〔実施例〕
次に、最も良好な強誘電特性並びに圧電特性を有することで知られるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の鉛(Pb)の8%相当をランタン(La)で置換したPLZT結晶膜163を、下地としてのPT(チタン酸鉛)の配向制御膜上にCSD法にて成膜する一実施例について説明する。
〔Example〕
Next, a PLZT crystal film 163 in which 8% of lead (Pb) of PZT (lead zirconate titanate), which is known to have the best ferroelectric properties and piezoelectric properties, is replaced with lanthanum (La) is applied as a base. An example of forming a film on the orientation control film of PT (lead titanate) by the CSD method will be described.

本実施例で製造されるPLZT結晶膜163は、鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン=92:8:60:40の組成比率をもつランタン添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、一般式Pb(1−x)La(ZrTi(1−y))O(但し、x=0.08、y=0.60)で示されるものである。本実施例のPLZT結晶膜163は、厚さ2.0μmであり、図3に示した成膜プロセスのフローチャートにおいて、X=3、Y=24のプロセス条件で製造した。 The PLZT crystal film 163 produced in this example is lead lanthanum-added lead zirconate titanate having a composition ratio of lead: lanthanum: zirconium: titanium = 92: 8: 60: 40, and has a general formula Pb (1-x). ) La x (Zr y Ti ( 1-y)) O 3 ( where, x = 0.08, is represented by the y = 0.60). The PLZT crystal film 163 of this example had a thickness of 2.0 μm, and was manufactured under the process conditions of X = 3 and Y = 24 in the flow chart of the film forming process shown in FIG.

前記プロセス条件において、前駆体液中の鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比は、X=1(プロセス1回目の前駆体液の塗布)では、110:8:66:34、X=2では、110:8:60:40、X=3では、110:8:54:46とした。なお、鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン=92:8:60:40のPLZT結晶膜を成膜するのに対して、前駆体液中の鉛組成比を110としているのは、前駆体液をシリコンウェハ基板204上に滴下・塗布した後に行う加熱処理中に生じる、いわゆる「鉛抜け」を補う「過剰鉛」を添加した結果である。 Under the above process conditions, the lead: lanthanum: zirconium: titanium ratio in the precursor liquid is 110: 8: 66: 34 at X = 1 (application of the precursor liquid in the first process) and 110: 8 at X = 2. : 60:40, X = 3, 110: 8: 54: 46. The lead: lanthanum: zirconium: titanium = 92: 8: 60: 40 PLZT crystal film is formed, whereas the lead composition ratio in the precursor liquid is 110 because the precursor liquid is a silicon wafer substrate. This is the result of adding "excess lead" to compensate for the so-called "lead loss" that occurs during the heat treatment performed after dropping and coating on 204.

[前駆体液の合成]
前記したPZT組成となる前駆体液を調合するために、出発材料として、酢酸鉛三水和物、酢酸ランタン水和物、ジルコニウムプロポキシド、チタニウムイソプロポキシド、共通溶媒として2−メトキシエタノールを採用し、以下に示す3種類の前駆体液(原液)を合成した。
(1)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:66:34の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
(2)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:60:40の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
(3)鉛:ランタン:ジルコニウム:チタン比=110:8:54:46の前駆体溶液(Zr濃度+Ti濃度=0.5mol/L)
[Synthesis of precursor fluid]
In order to prepare the precursor solution having the PZT composition described above, lead acetate trihydrate, lanthanum acetate hydrate, zirconium propoxide, titanium isopropoxide was used as a starting material, and 2-methoxyethanol was used as a common solvent. , The following three types of precursor solutions (stock solutions) were synthesized.
(1) Precursor solution of lead: lanthanum: zirconium: titanium ratio = 110: 8: 66: 34 (Zr concentration + Ti concentration = 0.5 mol / L)
(2) Precursor solution of lead: lanthanum: zirconium: titanium ratio = 110: 8: 60: 40 (Zr concentration + Ti concentration = 0.5 mol / L)
(3) Precursor solution of lead: lanthanum: zirconium: titanium ratio = 110: 8: 54: 46 (Zr concentration + Ti concentration = 0.5 mol / L)

前記した前駆体液の合成は、上記3種類の前駆体液それぞれについて、はじめに、所定量秤量した酢酸鉛三水和物並びに酢酸ランタン水和物を2−メトキシエタノールに溶解させた後、乾燥雰囲気下で2−メトキシエタノールの沸点(125℃)を超える溶液温度、好ましくは130〜135℃の溶液温度にて12時間加熱させた。この間、結晶水を2−メトキシエタノールとともに分留・脱水させるとともに、酢酸鉛並びに酢酸ランタンの酢酸基と2−メトキシエタノールのメトキシエトキシ基が置換する反応が進む。次に、前記した酢酸鉛三水和物並びに酢酸ランタンの脱水工程が終了した後、溶液温度を80℃以下に下げた状態で所定量のジルコニウムプロポキシド並びにチタニウムイソプロポキシドを投入し、再び2−メトキシエタノールの沸点(125℃)を超える溶液温度、好ましくは128〜130℃の溶液温度にて12時間加熱させた。この間、ジルコニウムプロポキシドのプロピル基並びにチタニウムイソプロポキシドのイソプロピル基と2−メトキシエタノールのメトキシエトキシ基が置換するアルコール交換反応、酢酸鉛の酢酸基とアルコール基間のエステル化反応が生じる。これら副反応生成物を2−メトキシエタノールとともに分留させるとともに、溶液中の鉛化合物、ランタン化合物とジルコニウム化合物、チタニウム化合物間にも重合反応が進む。そして、反応が完了したら、加熱を停止させて室温まで冷却した合成液に、所定の濃度になるように、2−メトキシエタノールを加えて前駆体液を完成させる。 In the synthesis of the precursor solution described above, first, a predetermined amount of lead acetate trihydrate and lanthanum acetate hydrate are dissolved in 2-methoxyethanol for each of the above three types of precursor solutions, and then in a dry atmosphere. The mixture was heated at a solution temperature exceeding the boiling point (125 ° C.) of 2-methoxyethanol, preferably a solution temperature of 130 to 135 ° C. for 12 hours. During this period, the water of crystallization is distilled and dehydrated together with 2-methoxyethanol, and the reaction of replacing the acetic acid group of lead acetate and lanthanum acetate with the methoxyethoxy group of 2-methoxyethanol proceeds. Next, after the dehydration step of the lead acetate trihydrate and lanthanum acetate was completed, a predetermined amount of zirconium propoxide and titanium isopropoxide were added in a state where the solution temperature was lowered to 80 ° C. or lower, and 2 again. The mixture was heated at a solution temperature exceeding the boiling point (125 ° C.) of −methoxyethanol, preferably a solution temperature of 128 to 130 ° C. for 12 hours. During this period, an alcohol exchange reaction in which the propyl group of zirconium propoxide and the isopropyl group of titanium isopropoxide and the methoxyethoxy group of 2-methoxyethanol are substituted, and an esterification reaction between the acetate group and the alcohol group of lead acetate occur. These side reaction products are fractionated together with 2-methoxyethanol, and the polymerization reaction proceeds between the lead compound, the lanthanum compound and the zirconium compound, and the titanium compound in the solution. Then, when the reaction is completed, 2-methoxyethanol is added to the synthetic solution cooled to room temperature by stopping heating so as to have a predetermined concentration to complete the precursor solution.

[PLZT結晶膜の成膜]
上述のように合成した3種類の前駆体液は、図7に示したスピナー塗布装置604の各加圧容器614−1,614−2,614−3にそれぞれセットされる(X=3)。そして、図6に示した自動成膜装置600の収納部材601に収納されたシリコンウェハ基板204は、搬送装置602により、まず始めにアライナー603によって基板の位置決め・芯だしがなされた後、スピナー塗布装置604へ投入され、第一加圧容器614−1を含む塗布システムを稼動させて1回目の前駆体液(1)を滴下する。その後、スピンドル612を最大3000rpmで回転させて前駆体液(1)の塗膜をシリコンウェハ基板204上に形成する(図3に示したフローチャートのX=1の塗布工程)。
[Film formation of PLZT crystal film]
The three types of precursor liquids synthesized as described above are set in the respective pressure containers 614-1, 614-2, 614-3 of the spinner coating device 604 shown in FIG. 7 (X = 3). Then, the silicon wafer substrate 204 housed in the storage member 601 of the automatic film forming apparatus 600 shown in FIG. 6 is first positioned and centered by the aligner 603 by the transport device 602, and then applied with a spinner. It is charged into the apparatus 604, and the coating system including the first pressure vessel 614-1 is operated to drop the precursor liquid (1) for the first time. Then, the spindle 612 is rotated at a maximum speed of 3000 rpm to form a coating film of the precursor liquid (1) on the silicon wafer substrate 204 (the coating step of X = 1 in the flowchart shown in FIG. 3).

次に、前駆体液(1)の塗膜が形成されたシリコンウェハ基板204は、搬送装置602により、主溶媒の沸点より高い140℃に加熱されたホットプレート605に1分間投入され、シリコンウェハ基板204上に乾燥膜が形成される(図3に示したフローチャートのX=1の乾燥工程)。 Next, the silicon wafer substrate 204 on which the coating film of the precursor liquid (1) was formed was charged into the hot plate 605 heated to 140 ° C., which is higher than the boiling point of the main solvent, by the transfer device 602 for 1 minute, and the silicon wafer substrate was charged. A dry film is formed on the 204 (the drying step of X = 1 in the flowchart shown in FIG. 3).

続いて、乾燥膜が形成されたシリコンウェハ基板204は、搬送装置602により、RTA装置606に投入され、熱分解温度480℃にて5分間加熱されて乾燥膜中の有機物成分を分解させ、1層目のアモルファス膜を得る(図3に示したフローチャートのX=1の熱分解工程)。 Subsequently, the silicon wafer substrate 204 on which the dry film was formed was put into the RTA device 606 by the transfer device 602 and heated at a thermal decomposition temperature of 480 ° C. for 5 minutes to decompose organic components in the dry film, and 1 An amorphous film of the layer is obtained (the thermal decomposition step of X = 1 in the flowchart shown in FIG. 3).

その後、1層目のアモルファス膜が形成されたシリコンウェハ基板204は、搬送装置602により冷却ステージ607に移動し、冷却ステージ607上に2分以上留め置かれることにより、シリコンウェハ基板204の温度を室温まで冷却する(図3に示したフローチャートのX=1の冷却工程)。 After that, the silicon wafer substrate 204 on which the first layer amorphous film is formed is moved to the cooling stage 607 by the transfer device 602 and kept on the cooling stage 607 for 2 minutes or more to raise the temperature of the silicon wafer substrate 204. Cool to room temperature (cooling step of X = 1 in the flowchart shown in FIG. 3).

以上のような塗布工程〜冷却工程までのプロセスをさらに2回(合計3回)繰り返す。ただし、2回目のプロセスでは、前駆体液(2)を使用し、3回目のプロセスでは前駆体液(3)を使用する。つまり、濃度比Zr/Tiが順次少なくなるように前駆体液を滴下、塗布、乾燥させて3層積層したアモルファス膜を得る。 The process from the coating process to the cooling process as described above is repeated twice more (three times in total). However, in the second process, the precursor fluid (2) is used, and in the third process, the precursor fluid (3) is used. That is, the precursor liquid is dropped, coated, and dried so that the concentration ratio Zr / Ti is gradually reduced to obtain an amorphous film in which three layers are laminated.

そして、3層積層したアモルファス膜が形成されたシリコンウェハ基板204は、ふたたび搬送装置602によってRTA装置606に投入され、結晶化温度750℃にて6分間加熱され、3層積層したアモルファス膜を一括して結晶化し、厚さが約80nmのPLZT結晶薄膜を得た(図3に示したフローチャートのY=1の結晶化工程)。さらに、以上のような塗布工程〜結晶化工程までのプロセスを24回繰り返し、厚さ約2μmのPLZT結晶膜を得た。 Then, the silicon wafer substrate 204 on which the three-layer laminated amorphous film is formed is again put into the RTA device 606 by the transport device 602, heated at a crystallization temperature of 750 ° C. for 6 minutes, and the three-layer laminated amorphous film is collectively put together. To crystallize, a PLZT crystal thin film having a thickness of about 80 nm was obtained (the crystallization step of Y = 1 in the flowchart shown in FIG. 3). Further, the process from the coating step to the crystallization step as described above was repeated 24 times to obtain a PLZT crystal film having a thickness of about 2 μm.

図8は、本実施例によって製造されたPLZT結晶膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮像した断面像である。濃度比Zr/Tiが同じである前駆体液を用いた図5に示した例と比較すると、PLZT結晶薄膜間の界面が認められず、膜厚方向で均一な組成が得られていることがわかる。 FIG. 8 is a cross-sectional image of the cross section of the PLZT crystal film produced in this example taken by a scanning electron microscope (SEM). Comparing with the example shown in FIG. 5 using the precursor liquid having the same concentration ratio Zr / Ti, it can be seen that the interface between the PLZT crystal thin films is not recognized and a uniform composition is obtained in the film thickness direction. ..

図9は、本実施例で得られたPLZT結晶膜をさらに加工してメンブレン振動素子(圧電アクチュエータ)を作成し、これを繰り返し駆動させたときの経時的な変位量の変化を示すグラフである。
このグラフには、図5に示した例(濃度比Zr/Tiが同じ前駆体液の例)のPLZT結晶膜についての結果も合わせて示してある。両者を比較すると、膜厚方向の組成均一性が悪い図5の例よりも、膜厚方向の組成均一性が高まった本実施例の方が、経時的な変位量の低下が抑制され、圧電アクチュエータの耐久性が高いものとなっている。
FIG. 9 is a graph showing changes in the amount of displacement over time when the PLZT crystal film obtained in this example is further processed to produce a membrane vibrating element (piezoelectric actuator) and the membrane vibrating element (piezoelectric actuator) is repeatedly driven. ..
This graph also shows the results for the PLZT crystal film of the example shown in FIG. 5 (an example of a precursor solution having the same concentration ratio Zr / Ti). Comparing the two, in this example, in which the composition uniformity in the film thickness direction was improved, the decrease in the displacement amount with time was suppressed and the piezoelectricity was improved, as compared with the example in FIG. 5, in which the composition uniformity in the film thickness direction was poor. The durability of the actuator is high.

次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図10及び図11を参照して説明する。図10は同装置の要部平面説明図、図11は同装置の要部側面説明図である。 Next, an example of the device for discharging the liquid according to the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a plan view of the main part of the device, and FIG. 11 is a side view of the main part of the device.

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構493によって、キャリッジ403は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構493は、ガイド部材401、主走査モータ405、タイミングベルト408等を含む。ガイド部材401は、左右の側板491A、491Bに架け渡されてキャリッジ403を移動可能に保持している。そして、主走査モータ405によって、駆動プーリ406と従動プーリ407間に架け渡したタイミングベルト408を介して、キャリッジ403は主走査方向に往復移動される。 This device is a serial type device, and the carriage 403 is reciprocated in the main scanning direction by the main scanning moving mechanism 493. The main scanning movement mechanism 493 includes a guide member 401, a main scanning motor 405, a timing belt 408, and the like. The guide member 401 is bridged over the left and right side plates 491A and 491B to movably hold the carriage 403. Then, the carriage 403 is reciprocated in the main scanning direction by the main scanning motor 405 via the timing belt 408 bridged between the drive pulley 406 and the driven pulley 407.

このキャリッジ403には、本発明に係る液体吐出ヘッド404及びヘッドタンク441を一体にした液体吐出ユニット440を搭載している。液体吐出ユニット440の液体吐出ヘッド404は、例えば、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド404は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。 The carriage 403 is equipped with a liquid discharge unit 440 in which the liquid discharge head 404 and the head tank 441 according to the present invention are integrated. The liquid discharge head 404 of the liquid discharge unit 440 discharges liquids of, for example, yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (K). Further, the liquid discharge head 404 is mounted by arranging a nozzle array composed of a plurality of nozzles in the sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction and directing the discharge direction downward.

液体吐出ヘッド404の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド404に供給するための供給機構494により、ヘッドタンク441には、液体カートリッジ450に貯留されている液体が供給される。 The liquid stored in the liquid cartridge 450 is supplied to the head tank 441 by the supply mechanism 494 for supplying the liquid stored outside the liquid discharge head 404 to the liquid discharge head 404.

供給機構494は、液体カートリッジ450を装着する充填部であるカートリッジホルダ451、チューブ456、送液ポンプを含む送液ユニット452等で構成される。液体カートリッジ450はカートリッジホルダ451に着脱可能に装着される。ヘッドタンク441には、チューブ456を介して送液ユニット452によって、液体カートリッジ450から液体が送液される。 The supply mechanism 494 includes a cartridge holder 451 which is a filling portion for mounting the liquid cartridge 450, a tube 456, a liquid feeding unit 452 including a liquid feeding pump, and the like. The liquid cartridge 450 is detachably attached to the cartridge holder 451. Liquid is fed from the liquid cartridge 450 to the head tank 441 by the liquid feeding unit 452 via the tube 456.

この装置は、用紙410を搬送するための搬送機構495を備えている。搬送機構495は、搬送手段である搬送ベルト412、搬送ベルト412を駆動するための副走査モータ416を含む。 This device includes a transport mechanism 495 for transporting the paper 410. The transport mechanism 495 includes a transport belt 412, which is a transport means, and a sub-scanning motor 416 for driving the transport belt 412.

搬送ベルト412は用紙410を吸着して液体吐出ヘッド404に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト412は、無端状ベルトであり、搬送ローラ413と、テンションローラ414との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。 The transport belt 412 attracts the paper 410 and transports it at a position facing the liquid discharge head 404. The transport belt 412 is an endless belt, and is hung between the transport roller 413 and the tension roller 414. Adsorption can be performed by electrostatic adsorption, air suction, or the like.

そして、搬送ベルト412は、副走査モータ416によってタイミングベルト417及びタイミングプーリ418を介して搬送ローラ413が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。 Then, the transport belt 412 orbits in the sub-scanning direction by rotationally driving the transport roller 413 via the timing belt 417 and the timing pulley 418 by the sub-scanning motor 416.

さらに、キャリッジ403の主走査方向の一方側には搬送ベルト412の側方に液体吐出ヘッド404の維持回復を行う維持回復機構420が配置されている。 Further, on one side of the carriage 403 in the main scanning direction, a maintenance / recovery mechanism 420 for maintaining / recovering the liquid discharge head 404 is arranged on the side of the transport belt 412.

維持回復機構420は、例えば液体吐出ヘッド404のノズル面(ノズルが形成された面)をキャッピングするキャップ部材421、ノズル面を払拭するワイパ部材422などで構成されている。 The maintenance / recovery mechanism 420 is composed of, for example, a cap member 421 that caps the nozzle surface (the surface on which the nozzle is formed) of the liquid discharge head 404, a wiper member 422 that wipes the nozzle surface, and the like.

主走査移動機構493、供給機構494、維持回復機構420、搬送機構495は、側板491A,491B、背板491Cを含む筐体に取り付けられている。 The main scanning movement mechanism 493, the supply mechanism 494, the maintenance / recovery mechanism 420, and the transport mechanism 495 are attached to a housing including the side plates 491A and 491B and the back plate 491C.

このように構成したこの装置においては、用紙410が搬送ベルト412上に給紙されて吸着され、搬送ベルト412の周回移動によって用紙410が副走査方向に搬送される。 In this device configured in this way, the paper 410 is fed onto the transport belt 412 and sucked, and the paper 410 is transported in the sub-scanning direction by the orbital movement of the transport belt 412.

そこで、キャリッジ403を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド404を駆動することにより、停止している用紙410に液体を吐出して画像を形成する。 Therefore, by driving the liquid discharge head 404 in response to the image signal while moving the carriage 403 in the main scanning direction, the liquid is discharged to the stopped paper 410 to form an image.

このように、この装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。 As described above, since this device includes the liquid discharge head according to the present invention, it is possible to stably form a high-quality image.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図12を参照して説明する。図12は同ユニットの要部平面説明図である。 Next, another example of the liquid discharge unit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is an explanatory plan view of a main part of the unit.

この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板491A、491B及び背板491Cで構成される筐体部分と、主走査移動機構493と、キャリッジ403と、液体吐出ヘッド404で構成されている。 This liquid discharge unit includes a housing portion composed of side plates 491A, 491B and a back plate 491C, a main scanning movement mechanism 493, a carriage 403, and a liquid among the members constituting the device for discharging the liquid. It is composed of a discharge head 404.

なお、この液体吐出ユニットの例えば側板491Bに、前述した維持回復機構420、及び供給機構494の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。 A liquid discharge unit may be configured in which at least one of the above-mentioned maintenance / recovery mechanism 420 and the supply mechanism 494 is further attached to, for example, the side plate 491B of the liquid discharge unit.

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図13を参照して説明する。図13は同ユニットの正面説明図である。 Next, still another example of the liquid discharge unit according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a front explanatory view of the unit.

この液体吐出ユニットは、流路部品444が取付けられた液体吐出ヘッド404と、流路部品444に接続されたチューブ456で構成されている。 This liquid discharge unit includes a liquid discharge head 404 to which the flow path component 444 is attached, and a tube 456 connected to the flow path component 444.

なお、流路部品444はカバー442の内部に配置されている。流路部品444に代えてヘッドタンク441を含むこともできる。また、流路部品444の上部には液体吐出ヘッド404と電気的接続を行うコネクタ443が設けられている。 The flow path component 444 is arranged inside the cover 442. A head tank 441 may be included instead of the flow path component 444. Further, a connector 443 that electrically connects to the liquid discharge head 404 is provided on the upper part of the flow path component 444.

本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。 In the present application, the "device for discharging a liquid" is a device provided with a liquid discharge head or a liquid discharge unit and driving the liquid discharge head to discharge the liquid. The device for discharging the liquid includes not only a device capable of discharging the liquid to a device to which the liquid can adhere, but also a device for discharging the liquid toward the air or the liquid.

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。 The "device for discharging the liquid" may include means for feeding, transporting, and discharging paper to which the liquid can be attached, as well as a pretreatment device, a posttreatment device, and the like.

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。 For example, as a "device that ejects a liquid", an image forming apparatus that ejects ink to form an image on paper, and a three-dimensional object (three-dimensional object) are formed in layers in order to form a three-dimensional object. There is a three-dimensional modeling device (three-dimensional modeling device) that discharges the modeling liquid into the powder layer.

また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。 Further, the "device for discharging a liquid" is not limited to a device in which a significant image such as characters and figures is visualized by the discharged liquid. For example, those that form patterns that have no meaning in themselves and those that form a three-dimensional image are also included.

前記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。 The "liquid-attachable" means a liquid to which the liquid can adhere at least temporarily, such as one that adheres and adheres, and one that adheres and permeates. Specific examples include paper, recording paper, recording paper, film, recording media such as cloth, electronic substrates, electronic components such as piezoelectric elements, powder layers (powder layers), organ models, and media such as inspection cells. Yes, including anything to which the liquid adheres, unless otherwise specified.

前記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス、壁紙や床材などの建材、衣料用のテキスタイルなど液体が一時的でも付着可能であればよい。 The material of the "material to which liquid can adhere" is temporary liquid such as paper, thread, fiber, cloth, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, building materials such as wallpaper and flooring, and textiles for clothing. However, it is sufficient if it can be attached.

また、「液体」は、インク、処理液、DNA試料、レジスト、パターン材料、結着剤、造形液、又は、アミノ酸、たんぱく質、カルシウムを含む溶液及び分散液なども含まれる。 The "liquid" also includes inks, treatment liquids, DNA samples, resists, pattern materials, binders, modeling liquids, or solutions and dispersions containing amino acids, proteins, and calcium.

また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。 Further, the "device for discharging the liquid" includes, but is not limited to, a device in which the liquid discharge head and the device to which the liquid can adhere move relatively. Specific examples include a serial type device that moves the liquid discharge head, a line type device that does not move the liquid discharge head, and the like.

また、「液体を吐出する装置」としては他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。 In addition, as a "device for ejecting liquid", a treatment liquid coating device for ejecting a treatment liquid to the paper in order to apply the treatment liquid to the surface of the paper for the purpose of modifying the surface of the paper, raw materials. There is an injection granulation device that granulates fine particles of raw materials by injecting a composition liquid in which the above-mentioned material is dispersed in a solution through a nozzle.

「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。 The "liquid discharge unit" is a liquid discharge head integrated with functional parts and a mechanism, and is an aggregate of parts related to liquid discharge. For example, the "liquid discharge unit" includes a combination of at least one of a head tank, a carriage, a supply mechanism, a maintenance / recovery mechanism, and a main scanning movement mechanism with a liquid discharge head.

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。 Here, "integration" means, for example, a liquid discharge head and a functional component, a mechanism in which the mechanism is fixed to each other by fastening, adhesion, engagement, etc., or one in which one is movably held with respect to the other. include. Further, the liquid discharge head, the functional parts, and the mechanism may be detachably attached to each other.

例えば、液体吐出ユニットとして、図11で示した液体吐出ユニット440のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。 For example, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head and a head tank integrated, such as the liquid discharge unit 440 shown in FIG. In addition, there are cases in which the liquid discharge head and the head tank are integrated by being connected to each other by a tube or the like. Here, a unit including a filter can be added between the head tank of these liquid discharge units and the liquid discharge head.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head and a carriage integrated.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、図12で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a liquid discharge head in which the liquid discharge head and the scanning movement mechanism are integrated by holding the liquid discharge head movably by a guide member forming a part of the scanning movement mechanism. Further, as shown in FIG. 12, there is a liquid discharge unit in which a liquid discharge head, a carriage, and a main scanning movement mechanism are integrated.

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, there is a carriage to which a liquid discharge head is attached, in which a cap member which is a part of the maintenance / recovery mechanism is fixed, and the liquid discharge head, the carriage, and the maintenance / recovery mechanism are integrated. ..

また、液体吐出ユニットとして、図13で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。 Further, as a liquid discharge unit, as shown in FIG. 13, a tube is connected to a liquid discharge head to which a head tank or a flow path component is attached, and the liquid discharge head and a supply mechanism are integrated. ..

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。 The main scanning movement mechanism shall also include a single guide member. Further, the supply mechanism includes a single tube and a single loading unit.

また、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、前記実施形態で説明したような圧電アクチュエータ(積層型圧電素子を使用するものでもよい。)以外にも、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものでもよい。 Further, the pressure generating means used for the "liquid discharge head" is not limited. For example, in addition to the piezoelectric actuator (which may use a laminated piezoelectric element) as described in the above embodiment, it is composed of a thermal actuator using an electrothermal conversion element such as a heat generating resistor, a vibrating plate, and a counter electrode. An electrostatic actuator or the like may be used.

また、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。 In addition, image formation, recording, printing, printing, printing, modeling, etc. in the terms of the present application are all synonymous.

以上に説明したものは一例であり、次の態様ごとに特有の効果を奏する。
(態様A)
ゾルゲル法等の化学溶液堆積法を用いてシリコンウェハ基板204等の基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法において、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜であるPLZT結晶膜の前駆体液として、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが上層ほど低いものを用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させる工程を実施して、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする。
圧電素子の圧電材料として一般的に用いられているPZT結晶膜(強誘電体膜)は、その圧電素子の繰り返し動作によって徐々に圧電特性が低下する、いわゆる疲労現象が生じるという問題がある。この疲労現象が生じる原因については、様々なメカニズムが考察されているが、その中でも有力視されている原因のひとつに、PZT結晶膜の結晶中に存在する「鉛欠損」、また鉛欠損により生じた結晶中の電荷のアンバランスを解消するために生じる結晶中の「酸素欠陥」が挙げられる。
このような鉛欠損や酸素欠陥による不具合を解消する方法として、PZT結晶膜の結晶中の鉛(Pb)イオンが配位されるサイト(ペロブスカイト結晶構造のaサイト)の一部に、Pbイオンに近いイオン半径を有し、Pbイオン(+2)より大きい価数を有する他の金属イオンに置換させる方法が知られている。
本発明者らは、置換させる金属イオンとしてLaイオン(+3)を有力視しており、PZT結晶膜の結晶中の鉛(Pb)の一部をランタン(La)に置換する方法を、強誘電体膜の簡便かつ安価な成膜方法として知られるゾルゲル法やMOD法などの化学溶液堆積法(CSD法)により実現することを検討している。しかしながら、PZT結晶膜の鉛(Pb)の一部分をランタン(La)で置換したPLZT結晶膜を、通常の化学溶液堆積法を用いて成膜しようとしても、期待される効果が十分に得られないことが判明した。
その原因について検討したところ、上述したように、得られたPLZT結晶膜全体の組成は意図した通りの組成になっており、また、添加したランタン(La)はPLZT結晶膜全体に略均一に分布していた。しかしながら、PLZT結晶膜の膜厚方向において、ジルコニウム(Zr)及びチタニウム(Ti)が均一に分布していないことが判明した。詳しくは、化学溶液堆積法により成膜されるPLZT結晶膜は、積層方向上面に近いほど濃度比Zr/Tiが高いことが確認された。これは、結晶化の工程において、PLZT結晶膜の下面に近い領域ほどチタン原子が相対的に多くなり、上面に近い領域ほどジルコニウム原子が相対的に多く偏析する現象が生じたためである。そして、このような濃度比Zr/Tiの不均一性に起因して、PLZT結晶膜の期待される効果が阻害されているという結論を得た。
そこで、本態様においては、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜であるPLZT結晶膜を形成するにあたり、複数層のアモルファス層を積層してから結晶化させることとし、そのアモルファス層の各層を形成する際に用いる前駆体液として、濃度比Zr/Tiが上層のアモルファス層ほど低いものを用いるようにした。これにより、PLZT膜(結晶化前)を構成する複数層のアモルファス層は、下層のアモルファス層ほど濃度比Zr/Tiが高く、上層のアモルファス層ほど濃度比Zr/Tiが低くなったものとなる。
このような複数層のアモルファス層を結晶化する場合も、PLZT膜の下面に近い領域ほどチタン原子が相対的に多くなり、上面に近い領域ほどジルコニウム原子が相対的に多く偏析する現象が生じる。しかしながら、本態様では、上述したように、予め、下面に近い領域に位置するアモルファス層ではチタン原子が相対的に少なく(ジルコニウム原子が相対的に多く)、逆に上面に近い領域に位置するアモルファス層ではジルコニウム原子が相対的に少なく(チタン原子が相対的に多く)なっている。そのため、結晶化工程における偏析現象が相殺され、膜厚方向における組成の均一性が高められたPLZT結晶膜を得ることができる。
What has been described above is an example, and each of the following aspects produces a unique effect.
(Aspect A)
The method of manufacturing a ferroelectric film for forming a ferroelectric film on a substrate such as a silicon wafer substrate 204 using a chemical solution deposition method such as the sol-gel technique, the general formula Pb (1-x) La x (Zr y As a precursor liquid of a PLZT crystal film, which is a ferroelectric film of a perovskite-type crystal represented by Ti (1-y) ) O 3 (0 <x ≦ 0.08, 0.55 ≦ y ≦ 0.65), After laminating a plurality of amorphous layers using a zirconium (Zr) and titanium (Ti) having a lower concentration ratio Zr / Ti as the upper layer, a step of crystallizing the plurality of amorphous layers is carried out. It is characterized by forming a ferroelectric film.
The PZT crystal film (ferroelectric film) generally used as a piezoelectric material for a piezoelectric element has a problem that a so-called fatigue phenomenon occurs in which the piezoelectric characteristics gradually deteriorate due to the repeated operation of the piezoelectric element. Various mechanisms have been considered for the cause of this fatigue phenomenon, but one of the most promising causes is "lead deficiency" existing in the crystal of the PZT crystal film, and it is caused by lead deficiency. Examples include "oxygen defects" in the crystal that occur to eliminate the charge imbalance in the crystal.
As a method for eliminating such defects due to lead deficiency and oxygen deficiency, Pb ions are added to a part of the site (a site of the perovskite crystal structure) in which lead (Pb) ions in the crystal of the PZT crystal film are coordinated. A method of substituting with another metal ion having a close ionic radius and a valence higher than that of Pb ion (+2) is known.
The present inventors consider La ion (+3) as a promising metal ion to be substituted, and a method of substituting a part of lead (Pb) in the crystal of the PZT crystal film with lanthanum (La) is ferroelectric. We are studying the realization by a chemical solution deposition method (CSD method) such as the sol-gel method and the MOD method, which are known as simple and inexpensive film forming methods for body membranes. However, even if an attempt is made to form a PLZT crystal film in which a part of lead (Pb) of the PZT crystal film is replaced with lanthanum (La) by using a usual chemical solution deposition method, the expected effect cannot be sufficiently obtained. It has been found.
As a result of examining the cause, as described above, the composition of the entire PLZT crystal film obtained was as intended, and the added lantern (La) was distributed substantially uniformly throughout the PLZT crystal film. Was. However, it was found that zirconium (Zr) and titanium (Ti) were not uniformly distributed in the film thickness direction of the PLZT crystal film. Specifically, it was confirmed that the PLZT crystal film formed by the chemical solution deposition method had a higher concentration ratio Zr / Ti as it was closer to the upper surface in the stacking direction. This is because, in the crystallization step, the region closer to the lower surface of the PLZT crystal film has a relatively large number of titanium atoms, and the region closer to the upper surface has a relatively large amount of zirconium atoms segregated. Then, it was concluded that the expected effect of the PLZT crystal film was inhibited due to the non-uniformity of the concentration ratio Zr / Ti.
Therefore, tables in the present embodiment, the general formula Pb (1-x) La x (Zr y Ti (1-y)) O 3 (0 <x ≦ 0.08,0.55 ≦ y ≦ 0.65) In forming the PLZT crystal film, which is a ferroelectric film of the perovskite type crystal, a plurality of amorphous layers are laminated and then crystallized, and as a precursor liquid used when forming each layer of the amorphous layer. , The density ratio Zr / Ti is lower as the upper amorphous layer is used. As a result, in the plurality of amorphous layers constituting the PLZT film (before crystallization), the lower amorphous layer has a higher concentration ratio Zr / Ti, and the upper amorphous layer has a lower concentration ratio Zr / Ti. ..
Even when crystallizing such a plurality of amorphous layers, a phenomenon occurs in which the region closer to the lower surface of the PLZT film has a relatively large number of titanium atoms, and the region closer to the upper surface has a relatively large number of zirconium atoms segregated. However, in this embodiment, as described above, the amorphous layer located in the region near the lower surface has relatively few titanium atoms (relatively many zirconium atoms), and conversely, the amorphous layer located in the region near the upper surface. The layer has relatively few zirconium atoms (relatively many titanium atoms). Therefore, the segregation phenomenon in the crystallization step is canceled out, and a PLZT crystal film having improved composition uniformity in the film thickness direction can be obtained.

(態様B)
前記態様Aにおいて、前記前駆体液を塗布する塗布工程、塗布した前駆体液を乾燥させる乾燥工程、乾燥させて得られる前駆体乾燥膜を熱分解させる熱分解工程を含む一連の工程を複数回繰り返して、前記複数層のアモルファス層を積層させることを特徴とする。
これによれば、濃度比Zr/Tiが上層ほど低い前駆体液を用いて複数積層したアモルファス層を容易に作成することができる。
(Aspect B)
In the aspect A, a series of steps including a coating step of applying the precursor liquid, a drying step of drying the applied precursor liquid, and a thermal decomposition step of thermally decomposing the precursor dry film obtained by drying are repeated a plurality of times. , The present invention is characterized in that the plurality of amorphous layers are laminated.
According to this, it is possible to easily prepare a plurality of laminated amorphous layers by using a precursor liquid having a concentration ratio Zr / Ti lower in the upper layer.

(態様C)
前記態様A又はBにおいて、前記強誘電体膜を、圧電素子の下部電極161が形成された基板上に成膜することを特徴とする。
これによれば、膜厚方向における組成の均一性が高められたPLZT結晶膜を用いた圧電素子を製造することができ、耐久性の高い圧電素子を得ることができる。なお、前記強誘電体膜を圧電素子の下部電極161の上に直接成膜する場合に限らず、下部電極161の上に配向制御膜を介して前記強誘電体膜を成膜するようにしてもよい。
(Aspect C)
In the aspect A or B, the ferroelectric film is formed on a substrate on which a lower electrode 161 of a piezoelectric element is formed.
According to this, it is possible to manufacture a piezoelectric element using a PLZT crystal film having improved composition uniformity in the film thickness direction, and it is possible to obtain a highly durable piezoelectric element. The ferroelectric film is not limited to the case where the ferroelectric film is directly formed on the lower electrode 161 of the piezoelectric element, but the ferroelectric film is formed on the lower electrode 161 via the orientation control film. May be good.

(態様D)
ゾルゲル法等の化学溶液堆積法を用いてシリコンウェハ基板204等の基板上に強誘電体膜を成膜する自動成膜装置600等の強誘電体膜の製造装置において、一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の前駆体液を基板上に塗布する加圧容器614、アーム615、ノズル616を含む塗布システム等の塗布手段と、前記塗布手段が塗布する前記前駆体液のジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiを変更する塗布システム切換手段等の前駆体液変更手段とを有し、前記濃度比Zr/Tiが上層ほど低い前駆体液を用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させて、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする。
(Aspect D)
A general formula Pb (1- coating a precursor solution of the perovskite-type crystal represented by x) La x (Zr y Ti (1-y)) O 3 (0 <x ≦ 0.08,0.55 ≦ y ≦ 0.65) on a substrate Coating means such as a coating system including a pressurized container 614, an arm 615, and a nozzle 616, and coating for changing the concentration ratio Zr / Ti of zirconium (Zr) and titanium (Ti) in the precursor liquid to be coated by the coating means. It has a precursor liquid changing means such as a system switching means, and after laminating a plurality of amorphous layers using a precursor liquid having a concentration ratio Zr / Ti lower in the upper layer, the plurality of amorphous layers are crystallized. , The ferroelectric film is formed.

11 ノズル孔
12 ノズル板
13 液室
14 液室基板
15 振動板
16 圧電素子
161 下部電極
162 上部電極
163 PLZT結晶膜
204 シリコンウェハ基板
600 自動成膜装置
601 収納部材
602 搬送装置
603 アライナー
604 スピナー塗布装置
605 ホットプレート
606 RTA装置
607 冷却ステージ
611 スピナーチャック
612 スピンドル
614 加圧容器
615 アーム
616 ノズル
617 送液ライン
11 Nozzle hole 12 Nozzle plate 13 Liquid chamber 14 Liquid chamber substrate 15 Vibration plate 16 Piezoelectric element 161 Lower electrode 162 Upper electrode 163 PLZT Crystal film 204 Silicon wafer substrate 600 Automatic film forming device 601 Storage member 602 Conveyor device 603 Aligner 604 Spinner coating device 605 Hot plate 606 RTA device 607 Cooling stage 611 Spinner chuck 612 Spindle 614 Pressurized container 615 Arm 616 Nozzle 617 Liquid transfer line

特開2015−65430号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-65430

Claims (3)

化学溶液堆積法を用いて基板上に強誘電体膜を成膜する強誘電体膜の製造方法において、
一般式Pb(1-x)Lax(ZryTi(1-y))O3(0<x≦0.08、0.55≦y≦0.65)で表されるペロブスカイト型結晶の強誘電体膜の前駆体液として、ジルコニウム(Zr)及びチタン(Ti)の濃度比Zr/Tiが、ZrとTiの大小関係が維持される範囲で上層ほど低いものを用いて複数層のアモルファス層を積層した後、該複数層のアモルファス層を結晶化させる積層・結晶化工程を繰り返し実施して、前記強誘電体膜を成膜することを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
In a method for producing a ferroelectric film, which forms a ferroelectric film on a substrate by using a chemical solution deposition method.
Strong perovskite crystal represented by the general formula Pb (1-x) La x (Zr y Ti (1-y)) O 3 (0 <x ≦ 0.08,0.55 ≦ y ≦ 0.65) As a precursor liquid for the dielectric film, a plurality of amorphous layers are formed by using a solution in which the concentration ratio Zr / Ti of zirconium (Zr) and titanium (Ti) is lower in the upper layer as long as the magnitude relationship between Zr and Ti is maintained. A method for producing a ferroelectric film, which comprises repeatedly performing a lamination / crystallization step of crystallizing the plurality of amorphous layers after laminating to form the ferroelectric film.
請求項1に記載の強誘電体膜の製造方法において、
前記前駆体液を塗布する塗布工程、塗布した前駆体液を乾燥させる乾燥工程、乾燥させて得られる前駆体乾燥膜を熱分解させる熱分解工程を含む一連の工程を複数回繰り返して、前記複数層のアモルファス層を積層させることを特徴とする強誘電体膜の製造方法。
In the method for producing a ferroelectric film according to claim 1,
A series of steps including a coating step of applying the precursor liquid, a drying step of drying the applied precursor liquid, and a thermal decomposition step of thermally decomposing the precursor dry film obtained by drying are repeated a plurality of times to obtain the plurality of layers. A method for producing a ferroelectric film, which comprises laminating amorphous layers.
請求項1又は2に記載の強誘電体膜の製造方法において、
前記強誘電体膜を、圧電素子の下部電極が形成された基板上に成膜することを特徴とする強誘電体膜の製造方法
In the method for producing a ferroelectric film according to claim 1 or 2.
A method for producing a ferroelectric film, which comprises forming the ferroelectric film on a substrate on which a lower electrode of a piezoelectric element is formed .
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