JP7268487B2 - Thin-film piezoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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本発明は、薄膜状圧電素子およびその製造方法、アクチュエータ、インクジェットヘッド、ならびに画像形成装置に関する。 The present invention relates to a thin film piezoelectric element and its manufacturing method, an actuator, an inkjet head, and an image forming apparatus.
薄膜状の圧電体と、上記圧電体に対して厚み方向に電圧を印加する上下の電極と、を有する薄膜状圧電素子は、アクチュエータとしてインクジェットヘッドやハードディスクドライブ(HDD)などに幅広く用いられている。 A thin-film piezoelectric element having a thin-film piezoelectric body and upper and lower electrodes for applying voltage to the piezoelectric body in the thickness direction is widely used as an actuator in inkjet heads, hard disk drives (HDD), and the like. .
上記圧電体としては、強誘電性および良好な圧電特性を有する、ペロブスカイト構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が一般的に用いられている。また、上記上下の電極には、多種多様な金属またはその酸化物を使用できることが知られている(特許文献1および特許文献2参照)。
As the piezoelectric material, lead zirconate titanate (PZT) having a perovskite structure, which has ferroelectricity and good piezoelectric properties, is generally used. Moreover, it is known that a wide variety of metals or oxides thereof can be used for the upper and lower electrodes (see
特許文献3~特許文献5には、圧電体としてペロブスカイト型酸化物を用い、かつ、上記上下の電極にチタン(Ti)または酸化チタンと、イリジウム(Ir)とを含む貴金属を用いた圧電素子が記載されている。特許文献3~特許文献5には、TiまたはIrを含むターゲットを用いたスパッタ法により、上記電極を作製できると記載されている。 Patent Documents 3 to 5 disclose piezoelectric elements using a perovskite-type oxide as a piezoelectric material and using noble metals containing titanium (Ti) or titanium oxide and iridium (Ir) for the upper and lower electrodes. Are listed. Patent Documents 3 to 5 describe that the electrodes can be produced by a sputtering method using a target containing Ti or Ir.
特許文献1~特許文献5にも記載のように、ペロブスカイト構造を有する圧電体を用いた薄膜状圧電素子は広く使用されている。
As described in
たとえば上記薄膜状圧電素子をインクジェットヘッドに用いるときは、長期的にパルス駆動させたときに圧電体の変位量が低下すると、インクジェットヘッドからの液滴の射出速度も経時的に変化してしまう。薄膜状圧電素子の耐久性を高める観点から、圧電体には、長期的な使用による変位量の変化が少ないことが求められる。特に、本発明者らの知見によれば、ペロブスカイト構造を有する圧電体を高温環境で長期的にパルス駆動させたときに、変位量の低下が顕著である。 For example, when the thin-film piezoelectric element is used in an inkjet head, if the displacement of the piezoelectric body decreases during long-term pulse driving, the ejection speed of droplets from the inkjet head also changes with time. From the viewpoint of enhancing the durability of the thin-film piezoelectric element, the piezoelectric body is required to have little change in displacement due to long-term use. In particular, according to the findings of the present inventors, when a piezoelectric material having a perovskite structure is pulse-driven for a long period of time in a high-temperature environment, the amount of displacement significantly decreases.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、高温環境で長期的にパルス駆動させたときの、圧電体の変位量の経時的な低下が抑制された薄膜状圧電素子、その製造方法、当該薄膜状圧電素子を有するアクチュエータ、当該アクチュエータを有するインクジェットヘッド、ならびに当該インクジェットヘッドを有する画像形成装置を提供することを、その目的とする。 The present invention has been made based on the above findings, and provides a thin-film piezoelectric element that suppresses a decrease in the amount of displacement of the piezoelectric body over time when subjected to long-term pulse driving in a high-temperature environment, and a method for manufacturing the same. , an actuator having the thin-film piezoelectric element, an inkjet head having the actuator, and an image forming apparatus having the inkjet head.
上記課題は、上部電極および下部電極、ならびに上記上部電極と下部電極との間に配置されたペロブスカイト構造を有する圧電体、を有する薄膜状圧電素子によって解決される。上記上部電極および下部電極の少なくとも一方の電極は、Irを主成分とするIr-Ti合金からなり、上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている。 The above problem is solved by a thin-film piezoelectric element having an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric body having a perovskite structure disposed between the upper electrode and the lower electrode. At least one of the upper electrode and the lower electrode is made of an Ir--Ti alloy containing Ir as a main component, and both Ir and Ti are partially oxidized.
また、上記課題は、基板の一面に下部電極を形成する工程、上記下部電極の前記基板とは反対側に圧電体を形成する工程、および上記圧電体の前記基板とは反対側に上部電極を形成する工程、を有する、薄膜状圧電素子の製造方法により解決される。上記下部電極を形成する工程および上部電極を形成する工程の少なくとも一方の工程は、Irを主成分とするIr-Ti合金焼結体ターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気ガスの存在下で、上記基板を加熱しながら反応性スパッタ法により電極膜を成膜する工程と、上記成膜された電極膜を酸素雰囲気下でアニールする工程と、を含む。 In addition, the above-mentioned problem includes the steps of forming a lower electrode on one surface of a substrate, forming a piezoelectric body on the side of the lower electrode opposite to the substrate, and forming an upper electrode on the side of the piezoelectric body opposite to the substrate. The problem is solved by a method for manufacturing a thin-film piezoelectric element, comprising a step of forming. At least one of the step of forming the lower electrode and the step of forming the upper electrode uses an Ir—Ti alloy sintered body target containing Ir as a main component in the presence of an oxygen-containing atmospheric gas. The method includes a step of forming an electrode film by reactive sputtering while heating the substrate, and a step of annealing the formed electrode film in an oxygen atmosphere.
また、上記課題は、上記薄膜状圧電素子を有するアクチュエータによって解決される。 Moreover, the above problems are solved by an actuator having the above thin-film piezoelectric element.
また、上記課題は、上記アクチュエータ他を有するインクジェットヘッドによって解決される。 Further, the above problems are solved by an inkjet head having the above actuator and others.
また、上記課題は、上記インクジェットヘッドを有する画像形成装置によって解決される。 Further, the above problem is solved by an image forming apparatus having the above inkjet head.
本発明により、高温環境で長期的にパルス駆動させたときの、圧電体の変位量の経時的な低下が抑制された薄膜状圧電素子、その製造方法、当該薄膜状圧電素子を有するアクチュエータ、当該アクチュエータを有するインクジェットヘッド、ならびに当該インクジェットヘッドを有する画像形成装置が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a thin-film piezoelectric element in which a decrease in the amount of displacement of a piezoelectric body over time is suppressed when subjected to long-term pulse driving in a high-temperature environment, a method for manufacturing the same, an actuator having the thin-film piezoelectric element, and the like. An inkjet head having an actuator and an image forming apparatus having the inkjet head are provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the member which is common in each figure. Moreover, the present invention is not limited to the following forms.
[薄膜状圧電素子]
図1は、本発明の第1の実施形態に関する薄膜状圧電素子100の模式的な構成を示す、厚み方向への断面図である。
[Thin film piezoelectric element]
FIG. 1 is a cross-sectional view in the thickness direction showing a schematic configuration of a thin-film
図1に示すように、薄膜状圧電素子100は、この順に配置された、上部電極110、配向制御層120、圧電体130、低誘電率層140、下部電極150および振動板160を有する。
As shown in FIG. 1, the thin film
上部電極110は、主成分であるイリジウム(Ir)とチタン(Ti)とを含む、Ir-Ti合金からなる電極である。上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている。下部電極150は、膜厚が0.1μm~0.4μmの薄膜状部材とすることができる。
The
配向制御層120は、上部電極110と圧電体130との間に配置された、圧電体130よりも比誘電率が低い材料から形成された層である。配向制御層120は、薄膜状圧電素子100の作製時に、圧電体130の材料の結晶性を制御して、(001)面への配向度を高めるための層である。配向制御層120は、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料からなればよく、チタン酸ランタン鉛(PLT)、PLTにジルコニウムを添加したPLZT、PLTまたはPLZTにマグネシウムまたはマンガンを添加した合金、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化ストロンチウムチタン、および酸化マグネシウムなどの材料から形成された、膜厚が0.01μm~0.2μmの薄膜状部材とすることができる。
The
上記配向制御層120の材料は、(001)面に優先配向していることが好ましい。これにより、配向制御層120の表面に接して形成された圧電体130の材料(PZT)を、(001)面に優先配向させることができる。上記圧電体130の材料の配向性をより高める観点から、上記配向制御層120の材料であるPLTは、ランタン(La)の含有量が0モル%より多く25モル%以下であることが好ましく、また、Pbの含有量が化学量論組成よりも0モル%以上30モル%以下過剰であることが好ましい。
Preferably, the material of the
圧電体130は、本実施形態では菱面体晶系または正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有する材料からなる。圧電体130の材料は、上記ペロブスカイト型結晶構造を有する限りにおいて特に限定されないが、ペロブスカイト構造(ABO3)のAサイトに鉛(Pb)を含むことが好ましく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)であることが好ましい。圧電体130は、膜厚が0.5μm~5.0μmの薄膜状部材とすることができる。
The
上記PZTは、(001)面に優先配向しており、たとえば(001)面への配向度は90%以上とすることができる。なお、上記(001)面への配向度は、X線回折法においてCu-Kα線を用いて測定された、2θが10°~70°の範囲におけるペロブスカイト型結晶構造を有するPZTの各結晶面からピーク強度の総和に対する、(001)面からのピーク強度の割合である。 The PZT is preferentially oriented in the (001) plane, and for example, the degree of orientation in the (001) plane can be 90% or more. The degree of orientation to the (001) plane is each crystal plane of PZT having a perovskite crystal structure with 2θ in the range of 10° to 70° measured using Cu-Kα rays in an X-ray diffraction method. is the ratio of the peak intensity from the (001) plane to the total peak intensity.
上記PZTの組成は、Bサイトに入るジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との組成比が、正方晶と菱面体晶との境界(モルフォトロピック境界、Zr/Ti=53/47)の付近であることが好ましく、Zr/Ti=30/70~70/30であることが好ましい。また、上記PZTは、ストロンチウム(Sr)、ニオブ(Nb)、およびAlなどを含有してもよいし、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(PMN-PT)および亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(PZN-PT)などであってもよい。 The composition of the PZT is such that the composition ratio of zirconium (Zr) and titanium (Ti) entering the B site is near the boundary between the tetragonal crystal and the rhombohedral crystal (morphotropic boundary, Zr/Ti = 53/47). preferably Zr/Ti=30/70 to 70/30. In addition, the PZT may contain strontium (Sr), niobium (Nb), Al, etc., or may contain lead magnesium niobate titanate (PMN-PT) and lead zinc niobate titanate (PZN-PT). and so on.
低誘電率層140は、下部電極150と圧電体130との間に配置された、圧電体130よりも誘電率が低い材料から形成された層である。低誘電率層140は、電圧印加時に圧電体130に発生する応力を緩和するなどして、長期駆動時などに生じやすいリーク電流を抑制する。低誘電率層140は、PLT、PLZT、PLTまたはPLZTにマグネシウムまたはマンガンを添加した合金、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化ストロンチウムチタン、および酸化マグネシウムなどの材料から形成された、膜厚が0.01μm~0.2μmの薄膜状部材とすることができる。
The low dielectric
下部電極150は、Irを主成分とするIr-Ti合金からなる電極である。上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている。下部電極150は、膜厚が0.1μm~0.4μmの薄膜状部材とすることができる。
The
振動板160は、圧電体130が圧電効果により体積変動(変位)することにより、厚み方向に変位して振動する薄膜状部材である。本実施形態において、振動板は、振動板160aおよび振動板160bを有する、積層構造を有する。
The
振動板160aは、振動板160bよりもヤング率が小さい材料(金属)からなる。このような振動板160aは、製造時の応力を緩和して、上記応力による圧電体130(あるいは上部電極110、配向制御層120、低誘電率層140および下部電極150など)へのクラックの発生を抑制する。
The
振動板160bは、振動板160aよりもヤング率が大きい材料(金属)からなる。このような振動板160bは、圧電体130が生じた変位からより大きな発生圧力を取り出すことを可能とする。
The
また、振動板160が、ヤング率がより小さい振動板160aを圧電体130により近い側に有し、ヤング率がより大きい振動板160aを圧電体130からより遠い側に有することで、振動中心の位置を圧電体130からより離れた位置に変更して振動板160をより変位させやすくすることができる。
In addition,
振動板の材料および構成は特に限定されないものの、たとえば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)およびシリコン(Si)、ならびにこれらの酸化物または窒化物(たとえば、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、および窒化シリコンなど)などから形成された、膜厚が2.0μm~10.0μmの薄膜状部材とすることができる。振動板160aおよび振動板160bに使用する材料の組み合わせは特に限定されないものの、たとえば、振動板160aはAu、Cu、およびAlなどを含んで形成され、振動板160bはCr、Mo、Ti、W、Pt、およびIrなどを含んで形成されることが好ましい。
Although the material and configuration of the diaphragm are not particularly limited, for example, chromium (Cr), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), platinum (Pt), iridium (Ir) and silicon (Si), and their oxides or nitrides (e.g., silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, silicon nitride, etc.), A thin film member having a film thickness of 2.0 μm to 10.0 μm can be obtained. The combination of materials used for
本実施形態において、上部電極110および下部電極150は、Irを主成分とするIr-Ti合金からなる電極であり、上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている。なお、Irを主成分とするIr-Ti合金とは、Irの含有量がTiよりも多い合金を意味する。
In this embodiment, the
本発明者らの知見によると、上記薄膜状圧電素子を高温環境で長期的にパルス駆動させると、圧電体130から酸素が抜けていき、これによって圧電体のヒステリシス曲線がシフトして、圧電体130の変位量が経時的に低下していく。上記変位量の経時的な変化は、特に印加電圧を複雑に変化させる(複雑な波形をかける)インクジェットヘッドなどで、顕著である。
According to the findings of the present inventors, when the thin-film piezoelectric element is pulse-driven in a high-temperature environment for a long period of time, oxygen escapes from the
これに対し、上部電極110および下部電極150が、その一部が酸化されているIr、およびその一部が酸化されているTiを含むと、圧電体130の変位量の経時的な低下が抑制される。これは、上部電極110および下部電極150に含まれる上記酸化物が、圧電体130からの酸素抜けを防止するためだと考えられる。
On the other hand, when the
本実施形態において、上記Irの酸化物は、IrO2を含む。また、本実施形態において、上記Tiの酸化物は、TiO2およびTi2O3である。上記Tiの酸化物は、TiO2およびTi2O3のいずれか一方を含めばよいが、TiO2およびTi2O3の双方を含むことが好ましい。 In this embodiment, the Ir oxide includes IrO2 . In the present embodiment, the oxides of Ti are TiO 2 and Ti 2 O 3 . The oxide of Ti may contain either one of TiO 2 and Ti 2 O 3 , but preferably contains both TiO 2 and Ti 2 O 3 .
上部電極110および下部電極150に含まれるIr原子のうち、上記酸化物(IrO2)となっているIr原子の割合は、Ir原子の全量に対して、X線光電子分光XPS分析測定による結合スペクトル強度比より5%から50%以下であることが好ましく、10%から40%であることがより好ましく、15%から35%であることがさらに好ましい。貴金属であるIrは酸化しにくいが、後述する製造方法のようにアニールすることで、Irの酸化を促進し、酸化物となっているIr原子の割合を上記範囲とすることができる。また、酸化物となっているIr原子の割合を上記範囲のように多くすることで、圧電体130からの酸素の抜けをより効果的に抑制して、圧電体130の変位量の経時的な低下をさらに抑制することができる。
Among the Ir atoms contained in the
上部電極110および下部電極150に含まれるTi原子のうち、TiO2およびTi2O3となっている酸化物の割合は90%以上でほぼ100%に近い割合となっている事が好ましい。さらにX線光電子分光XPS分析測定による結合スペクトル強度比の解析よりTiO2およびTi2O3の比率を換算すると、TiO2およびTi2O3のうちTiO2の強度を100%とすると、Ti2O3の比率は5%から40%以下であることが好ましく、10%から30%であることがより好ましく、10%から20%であることがさらに好ましい。TiO2は配向制御に必要な酸化状態でもあるためTi2O3より優位な比率となっている事が好ましい。Tiの酸化物がTiO2およびTi2O3の状態で存在する事で、圧電体130からの酸素の抜けをより効果的に抑制して、圧電体130の変位量の経時的な低下をさらに抑制することができる。
Among the Ti atoms contained in the
また、本実施形態において、酸化されていないIrは、(111)配向されたIr結晶および(002)配向されたIr結晶となっている。上記酸化されていないIrは、(111)配向されたIr結晶および(002)配向されたIr結晶のいずれかとして存在すればよいが、(111)配向されたIr結晶および(002)配向されたIr結晶の双方が存在することが好ましい。 In this embodiment, the unoxidized Ir is a (111) oriented Ir crystal and a (002) oriented Ir crystal. The non-oxidized Ir may exist as either (111) oriented Ir crystals or (002) oriented Ir crystals. Preferably both Ir crystals are present.
上部電極110および下部電極150に含まれるIrは、X線回折測定のθ―2θ測定の回折角度が10°から70°の範囲で、(111)面と(002)面の回折強度の総和を100%とすると、(111)への配向度が70%以上95%以下であることが好ましく、80%以上95%以下であることがより好ましく、85%以上95%以下であることがさらに好ましい。
The Ir contained in the
また、上部電極110および下部電極150に含まれるIrは、(002)面への配向度が5%以上30%以下であることが好ましく、5%以上20%以下であることがより好ましく、5%以上15%以下であることがさらに好ましい。(111)配向は圧電体の配向制御に必要な配向であるため(002)配向に対して有意な配向度を有する事が好ましい。
Further, the Ir contained in the
上記Tiは、製造時に用いる基板への上部電極110の密着性や、振動板160への下部電極150の密着性を高める。また、上記Tiは、上部電極110の表面に配向制御層120を結晶成長させるときに、上記配向制御層120の材料(PLT)を、(001)面に優先配向させやすくする。一方で、比抵抗がより高いTiの含有量を多くすることによる、導電性の低下を抑制するため、上部電極110および下部電極150におけるTiの含有量は、IrとTiとの合計質量に対して、0質量%より多く10質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上0.8質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上0.4質量%以下であることがさらに好ましく、0.2質量%以上1.0質量%以下であることが特に好ましい。
The above Ti enhances the adhesion of the
なお、上部電極110および下部電極150は、IrおよびTi以外の他の金属原子を含んでいてもよい。
Note that the
[薄膜状圧電素子の製造方法]
図2は、本発明の第2の実施形態に関する薄膜状圧電素子100の製造方法を示すフローチャートである。
[Manufacturing method of thin-film piezoelectric element]
FIG. 2 is a flow chart showing a method for manufacturing the thin film
薄膜状圧電素子100は、基板の一面に上部電極110を形成(工程S110)し、その後、配向制御層120の形成(工程S120)、圧電体130の形成(工程S130)、低誘電率層140の形成(工程S140)、下部電極150の形成(工程S150)、および振動板160の形成(工程S160)をこの順に行うことで、作製することができる。
The thin-
基板は特に限定されず、シリコン(Si)ウエハや、ガラス基板、金属基板およびセラミックス基板などを用いることができる。 The substrate is not particularly limited, and a silicon (Si) wafer, a glass substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like can be used.
基板の、薄膜状圧電素子100が形成される表面には、密着層が形成されていてもよい。上記密着層は、基板への上部電極110の密着性を高めるための層である。上記密着層は、Ti、Ta、鉄(Fe)、コバルト(Co)、NiおよびCr、ならびにこれらの原子を含む合金から形成された層であることが好ましく、上部電極110の密着性をより高める観点からは、Tiを含む層であることがより好ましい。密着層は、膜厚が0.005~1μmの層とすることができる。
An adhesion layer may be formed on the surface of the substrate on which the thin-
上部電極110を形成する工程(工程S110)では、基板の表面、または密着層の表面に、上部電極110を形成する。
In the step of forming the upper electrode 110 (step S110), the
図3は、上部電極110を形成する工程(工程S110)に含まれる各工程を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing steps included in the step of forming upper electrode 110 (step S110).
上部電極110は、反応性スパッタ法により電極膜を成膜する工程(工程S112)と、成膜された電極膜を酸素雰囲気下でアニールする工程(工程114)と、により形成される。
The
電極膜の成膜(工程S112)では、Ir-Ti合金からなる合金焼結体ターゲットを用い、基板を加熱しながら、アルゴンと酸素の混合ガスを雰囲気ガスの存在下で、RF電源(高周波電源)により反応性スパッタ法を行って、電極膜を成膜する。 In the deposition of the electrode film (step S112), an alloy sintered target made of an Ir--Ti alloy is used, and while the substrate is heated, a mixed gas of argon and oxygen is supplied in the presence of an atmosphere gas by an RF power source (high frequency power source ) to form an electrode film by reactive sputtering.
上記合金焼結体ターゲットは、形成される上部電極110中のIrとTiとの組成比を制御しやすく、かつ、上部電極110中にTiをより均一に分布させやすいため、IrターゲットおよびTiターゲットの2種を用いるよりも好ましい。上記合金焼結体ターゲットにおけるTiの含有量は、形成すべき上部電極中のTiの含有量と略同一とすることができ、IrとTiとの合計質量に対して、0質量%より多く10質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上0.8質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上0.4質量%以下であることがさらに好ましく、0.2質量%以上1.0質量%以下であることが特に好ましい。
The alloy sintered target facilitates control of the composition ratio of Ir and Ti in the
基板の加熱温度は、300℃以上500℃以下であることが好ましい。圧電体130からの酸素抜けを効果的に防止するためには、上部電極110に含まれるIrも十分に酸化されていることが重要である。上記加熱温度をより高くすることで、Tiのみならず貴金属であるIrをも、より積極的に酸化させることができる。基板加熱温度を上げる事は酸化には有利であるが、基板との線膨張係数の差による応力が大きくなることを加味して、上記加熱温度は、300℃から400℃であることがより好ましく、300℃から350℃であることがさらに好ましい。
The heating temperature of the substrate is preferably 300° C. or higher and 500° C. or lower. In order to effectively prevent oxygen from escaping from the
上記雰囲気ガスは、不活性ガスに酸素を混合したガスであればよい。上記雰囲気ガス中の酸素分圧は、IrおよびTiをより十分に酸化させる観点からは、0%より多く30%以下であることが好ましく、2%以上30%以下であることがより好ましく、5%以上30%以下であることがさらに好ましく、10%より多く30%以下であることが特に好ましい。上記雰囲気ガスの真空度は、特に限定されないものの、0.05Pa以上5.0Pa以下であることが好ましく、0.5Pa以上2.0Pa以下であることがより好ましい。 The atmosphere gas may be any gas in which oxygen is mixed with an inert gas. From the viewpoint of sufficiently oxidizing Ir and Ti, the oxygen partial pressure in the atmosphere gas is preferably more than 0% and 30% or less, more preferably 2% or more and 30% or less. % or more and 30% or less, and particularly preferably more than 10% and 30% or less. Although the degree of vacuum of the atmosphere gas is not particularly limited, it is preferably 0.05 Pa or more and 5.0 Pa or less, and more preferably 0.5 Pa or more and 2.0 Pa or less.
RF電源からの投入電力およびスパッタ時間は特に限定されず、たとえば500Wの投入電力で10分間の成膜を行えばよい。 The power supplied from the RF power source and the sputtering time are not particularly limited. For example, the film formation may be performed with a power of 500 W for 10 minutes.
成膜された電極膜のアニール(工程S114)は、上記電極膜の酸化を促進し、特に貴金属であるIrをより積極的に酸化させるために行う。 Annealing of the deposited electrode film (step S114) is performed to accelerate the oxidation of the electrode film, particularly to more positively oxidize Ir, which is a noble metal.
上記アニール時の基板温度は、電極膜を形成するときの基板温度よりも高いことが好ましく、たとえば、350℃から600℃であることが好ましく、400℃から550℃であることがより好ましく、400℃から500℃であることがさらに好ましい。 The substrate temperature at the time of annealing is preferably higher than the substrate temperature at which the electrode film is formed. °C to 500 °C is more preferred.
上記アニールは、酸素雰囲気下で行う。このときの雰囲気ガス(酸素ガス)の圧力は、0.5Paから30Paであることが好ましく、1Paから10Paであることがより好ましく、3Paから5Paであることがさらに好ましい。アニール時間は特に限定されないものの、5分程度であればよい。 The annealing is performed in an oxygen atmosphere. At this time, the pressure of the atmosphere gas (oxygen gas) is preferably 0.5 Pa to 30 Pa, more preferably 1 Pa to 10 Pa, even more preferably 3 Pa to 5 Pa. Although the annealing time is not particularly limited, it may be about 5 minutes.
配向制御層120を形成する工程(工程S120)では、形成された上部電極110の表面(基板とは反対側の面)に、配向制御層120を形成する。
In the step of forming the orientation control layer 120 (step S120), the
配向制御層120は、上記配向制御層120の材料からなる焼結体ターゲットを用い、基板を加熱しながら、アルゴンと酸素の混合ガスを雰囲気ガスの存在下で、RF電源(高周波電源)によりスパッタ法を行って、形成する。
The
上記焼結体ターゲットは、形成すべき配向制御層120と略同一の金属原子比を有する合金とすることができ、たとえば、Laの含有量が0モル%より多く25モル%以下であり、また、Pbの含有量が化学量論組成よりも0モル%以上30モル%以下過剰であるPLTとすることができる。
The sintered body target can be an alloy having substantially the same metal atomic ratio as the
このときの基板の加熱温度は、450℃以上750℃以下であることが好ましく、500℃以上650℃以下であることがより好ましい。上記加熱温度を450℃以上とすることで、配向制御層120の材料の結晶性を十分に高めることができ、かつペロブスカイト型結晶構造をパイロクロア型結晶構造よりも優先して形成させることができる。上記加熱温度を750℃以下とすることで、形成された膜中からPbが蒸発することによる結晶性の低下を抑制することができる。
At this time, the heating temperature of the substrate is preferably 450° C. or higher and 750° C. or lower, and more preferably 500° C. or higher and 650° C. or lower. By setting the heating temperature to 450° C. or higher, the crystallinity of the material of the
上記雰囲気ガスの酸素分圧は、0%より多く10%以下であることが好ましく、0.5%以上10以下であることが好ましい。上記雰囲気ガスが酸素を含むことで、配向制御層120の材料の結晶性を十分に高めることができる。上記酸素分圧が10%以下であると、配向制御層120の材料の(001)面への配向性を十分に高めることができる。
The oxygen partial pressure of the atmosphere gas is preferably more than 0% and 10% or less, more preferably 0.5% or more and 10% or less. By including oxygen in the atmosphere gas, the crystallinity of the material of the
上記雰囲気ガスの真空度は、0.05Pa以上5Pa以下であることが好ましく、0.1Pa以上2Pa以下であることがより好ましい。上記真空度が0.05Pa以上であると、配向制御層120の結晶性のばらつきを抑制することができる。上記真空度が5Pa以下であると、配向制御層120の材料の(001)面への配向性を十分に高めることができる。
The degree of vacuum of the atmosphere gas is preferably 0.05 Pa or more and 5 Pa or less, and more preferably 0.1 Pa or more and 2 Pa or less. When the degree of vacuum is 0.05 Pa or more, variations in crystallinity of the
RF電源からの投入電力およびスパッタ時間は特に限定されず、たとえば300Wの投入電力で12分間の成膜を行えばよい。 The power supplied from the RF power source and the sputtering time are not particularly limited. For example, the film formation may be performed with an input power of 300 W for 12 minutes.
圧電体130を形成する工程(工程S130)では、形成された配向制御層120の表面(基板とは反対側の面)に、圧電体130を形成する。
In the step of forming the piezoelectric body 130 (step S130), the
圧電体130は、上記圧電体130の材料からなる焼結体ターゲットを用い、基板を加熱しながら、アルゴンと酸素の混合ガスを雰囲気ガスの存在下で、RF電源(高周波電源)によりスパッタ法を行って、形成する。
The
上記焼結体ターゲットは、形成すべき圧電体130と略同一の金属原子比を有する合金とすることができ、たとえば、Bサイトに入るジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との組成比が、Zr/Ti=30/70~70/30であるPZTとすることができる。
The sintered body target can be an alloy having substantially the same metal atomic ratio as the
このときの基板の加熱温度は、450℃以上750℃以下であることが好ましく、525℃以上625℃以下であることがより好ましい。上記加熱温度を450℃以上とすることで、圧電体130の材料の結晶性を十分に高めることができ、かつペロブスカイト型結晶構造をパイロクロア型結晶構造よりも優先して形成させることができる。上記加熱温度を750℃以下とすることで、形成された膜中からPbが蒸発することによる結晶性の低下を抑制することができる。
At this time, the heating temperature of the substrate is preferably 450° C. or higher and 750° C. or lower, and more preferably 525° C. or higher and 625° C. or lower. By setting the heating temperature to 450° C. or higher, the crystallinity of the material of the
上記雰囲気ガスの酸素分圧は、0%より多く30%以下であることが好ましく、1%以上10以下であることが好ましい。上記雰囲気ガスが酸素を含むことで、圧電体130の材料の結晶性を十分に高めることができる。上記酸素分圧が30%以下であると、圧電体130の材料の(001)面への配向性を十分に高めることができる。
The oxygen partial pressure of the atmospheric gas is preferably more than 0% and 30% or less, more preferably 1% or more and 10% or less. By including oxygen in the atmosphere gas, the crystallinity of the material of the
上記雰囲気ガスの真空度は、0.1Pa以上1Pa以下であることが好ましく、0.15Pa以上0.8Pa以下であることがより好ましい。上記真空度が0.1Pa以上であると、圧電体130の材料の結晶性のばらつきを抑制することができる。上記真空度が1Pa以下であると、圧電体130の材料の(001)面への配向性を十分に高めることができる。
The degree of vacuum of the atmosphere gas is preferably 0.1 Pa or more and 1 Pa or less, and more preferably 0.15 Pa or more and 0.8 Pa or less. When the degree of vacuum is 0.1 Pa or more, variations in the crystallinity of the material of the
RF電源からの投入電力およびスパッタ時間は特に限定されず、たとえば250Wの投入電力で3時間の成膜を行えばよい。 The power supplied from the RF power supply and the sputtering time are not particularly limited. For example, the film may be deposited for 3 hours with an input power of 250 W.
低誘電率層140を形成する工程(工程S140)では、形成された圧電体130の表面(基板とは反対側の面)に、低誘電率層140を形成する。
In the step of forming low dielectric constant layer 140 (step S140), low dielectric
低誘電率層140の形成は、配向制御層120の形成と同様に行い得るので、重複する説明は省略する。
The formation of the low dielectric
下部電極150を形成する工程(工程S150)では、形成された低誘電率層140の表面(基板とは反対側の面)に、下部電極150を形成する。
In the step of forming lower electrode 150 (step S150),
図4は、下部電極150を形成する工程(工程S150)に含まれる各工程を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flow chart showing steps included in the step of forming the lower electrode 150 (step S150).
下部電極150は、反応性スパッタ法により電極膜を成膜する工程(工程S152)と、成膜された電極膜を酸素雰囲気下でアニールする工程(工程154)と、により形成される。
The
上記電極膜の成膜およびアニールには、上部電極110の形成における電極膜の成膜およびアニールと同様に行い得るので、重複する説明は省略する。
The film formation and annealing of the electrode film can be performed in the same manner as the film formation and annealing of the electrode film in the formation of the
振動板160を形成する工程(工程S160)では、形成された下部電極150の表面(基板とは反対側の面)に、振動板160を形成する。
In the step of forming diaphragm 160 (step S160),
振動板160の形成方法は特に限定されず、たとえば、上記振動板160aの材料からなるターゲットを用い、室温において、アルゴンガスを雰囲気ガスの存在下で、RF電源(高周波電源)によりスパッタ法を行い、その後、上記振動板160bの材料からなるターゲットを用い、室温において、アルゴンガスを雰囲気ガスの存在下で、RF電源(高周波電源)によりスパッタ法を行って、形成することができる。
The method of forming the
このようにして、基板上に、上部電極110、配向制御層120、圧電体130、低誘電率層140、下部電極150および振動板160がこの順に積層されてなる、薄膜状圧電素子100を作製することができる。
In this manner, the thin-
作製された薄膜状圧電素子100は、その後、各種アクチュエータの用途に応じてさらなる処理を付されてもよい。たとえば、作製された薄膜状圧電素子100は、接着剤を用いて振動板160をインクジェットヘッドの圧力室部材(あるいは加工前の圧力室部材の材料)に電着させ、さらに、基板および密着層をエッチングにより除去し、さらに、上部電極110、配向制御層120および圧電体130を、エッチングにより圧力室ごとに個別化してもよい。その後、これらをインク流路部材およびノズル板に接着させるなどして、インクジェットヘッドを作製することができる。
The fabricated thin-
[用途]
上記薄膜状圧電素子は、インクジェットヘッド、メモリデバイス、超音波センサ、およびジャイロセンサなどの、アクチュエータが使用されている各種用途に適用可能である。
[Use]
The thin-film piezoelectric element can be applied to various applications in which actuators are used, such as inkjet heads, memory devices, ultrasonic sensors, and gyro sensors.
[その他の実施形態]
なお、上記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これよって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
[Other embodiments]
It should be noted that the above-described embodiment merely shows an example of implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. Thus, the invention may be embodied in various forms without departing from its spirit or essential characteristics.
たとえば、上記各実施形態では、上部電極および下部電極の両方が、Irを主成分とするIr-Ti合金からなり、かつ上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている電極であるとしたが、上部電極および下部電極のいずれか一方のみを上記電極としても、酸素抜けを防止して圧電体の変位量の経時的な低下を抑制する効果は奏される。 For example, in each of the above-described embodiments, both the upper electrode and the lower electrode are made of an Ir—Ti alloy containing Ir as a main component, and the Ir and Ti are both partially oxidized electrodes. However, even if only one of the upper electrode and the lower electrode is used as the above electrode, the effect of preventing oxygen escape and suppressing the decrease in the amount of displacement of the piezoelectric body over time is exhibited.
また、上部電極および下部電極は、高温環境で長期的にパルス駆動させたときの、圧電体の変位量の経時的な低下を抑制する効果が顕著に阻害されない限り、上記Ir-Ti合金以外の他の成分を含んでいてもよい。 In addition, the upper electrode and the lower electrode are made of a material other than the Ir--Ti alloy unless the effect of suppressing the temporal decrease in the amount of displacement of the piezoelectric body when subjected to long-term pulse driving in a high-temperature environment is significantly hindered. It may contain other ingredients.
また、上部電極、配向制御層、圧電体、低誘電率層、および下部電極は、いずれも複数の層からなる積層構造であってもよい。また、振動板は、単層からなるものであってもよいし、3層以上の積層構造であってもよい。 Moreover, the upper electrode, the orientation control layer, the piezoelectric body, the low dielectric constant layer, and the lower electrode may all have a laminated structure consisting of a plurality of layers. Further, the diaphragm may consist of a single layer, or may have a laminated structure of three or more layers.
以下、本発明の具体的な実施例を比較例とともに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Specific examples of the present invention will be described below together with comparative examples, but the present invention is not limited to these.
(Ir-Ti薄膜の解析)
IrにTiを1.0wt%添加した焼結体ターゲットを用いて、基板を350℃に加熱を行いながら、0.5Paのアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中(酸素分圧:20%)で、RF電源(高周波電源)からの投入電力を500Wとして、10分間の反応性スパッタリングにより、上記基板の一面にIr-Ti薄膜を成膜した。その後、基板温度を400℃まで上昇させ、酸素のみ1.0Paの雰囲気を保ちつつ、5分間のアニールを行った。
(Analysis of Ir--Ti thin film)
While heating the substrate to 350 ° C. using a sintered body target in which 1.0 wt% of Ti is added to Ir, in a mixed gas atmosphere of 0.5 Pa of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 20%), An Ir--Ti thin film was formed on one surface of the substrate by reactive sputtering with an RF power supply (high frequency power supply) of 500 W for 10 minutes. Thereafter, the substrate temperature was raised to 400° C., and annealing was performed for 5 minutes while maintaining an atmosphere of 1.0 Pa of only oxygen.
このようにしてアニールされたIr-Ti薄膜を、Cu-Kα線を用いてX線回折測定したところ、Ir、Irの酸化物、Ti、Tiの酸化物のピーク(ピーク強度順)が観察された。なお、Irの結晶を示すピークとしてが、(111)面(配向度:90%)、(002)面(配向度:10%)、に配向されたIrのピークが観察された。なお、上記配向度とは、上記2つのIrの結晶を示すピークのピーク強度の総和に対する、それぞれのピーク強度が占める割合である。 When the Ir--Ti thin film thus annealed was subjected to X-ray diffraction measurement using Cu--Kα rays, peaks of Ir, Ir oxide, Ti, and Ti oxide were observed (in order of peak intensity). rice field. As peaks indicating Ir crystals, peaks of Ir oriented in the (111) plane (degree of orientation: 90%) and (002) plane (degree of orientation: 10%) were observed. The degree of orientation is the ratio of the intensity of each peak to the sum of the peak intensities of the two peaks representing Ir crystals.
この結果から、上記Ir-Ti薄膜は、Irを主成分とするIr-Ti合金からなり、上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されていることがわかる。 From this result, it can be seen that the Ir--Ti thin film is made of an Ir--Ti alloy containing Ir as a main component, and that both Ir and Ti are partially oxidized.
また、上記アニールされたIr-Ti薄膜をXPS測定して、Ti2p3/2のピークをピークフィッティングしたところ、価数3価(Ti2O3)および価数2価(TiO2)に分離可能だった。また、Ir4f7/2ピークをピークフィッティングしたところ、IrとIr酸化物に分離可能だった。Ir2O3は不安定であり、存在できないと考えられるので、上記Ir酸化物は、IrO2であると判断された。 In addition, when the annealed Ir-Ti thin film was subjected to XPS measurement and the peak of Ti2p 3/2 was peak-fitted, it was possible to separate it into trivalent (Ti 2 O 3 ) and divalent (TiO 2 ). was. Also, when the Ir4f7 /2 peak was peak-fitted, it was possible to separate Ir and Ir oxide. The Ir oxide was determined to be IrO2 , since Ir2O3 is considered unstable and cannot exist.
また、上記アニールされたIr-Ti薄膜をX線光電子分光XPS分析測定による各々の原子の結合スペクトルを測定した。まずIr原子のうち、上記酸化物(IrO2)となっているIr原子の割合は、Ir原子の全量に対して、強度比より30%となっていた。 Also, the annealed Ir--Ti thin film was subjected to X-ray photoelectron spectroscopy XPS analysis to measure the bond spectrum of each atom. First, among the Ir atoms, the ratio of the Ir atoms forming the oxide (IrO 2 ) was 30% with respect to the total amount of the Ir atoms based on the intensity ratio.
次にTi原子のうち、TiO2およびTi2O3となる酸化物の割合はスペクトル比より全量の95%以上であることがピークフィッティング解析より判断できた。またTi2p3/2スペクトル強度比のピークフィッティング解析より、TiO2およびTi2O3に分離が出来、比率を換算すると、TiO2およびTi2O3のうちTiO2を100とすると、Ti2O3の比率はおよそ25%であると判断された。
Next, it was determined from the peak fitting analysis that the ratio of oxides to be TiO 2 and Ti 2 O 3 among the Ti atoms was 95% or more of the total amount from the spectral ratio. Also, from the peak fitting analysis of the Ti2p3/2 spectrum intensity ratio, it was possible to separate into TiO 2 and Ti 2 O 3 , and when converting the ratio, if TiO 2 of
(アクチュエータの変位特性)
Si基板上に、Tiを1.0wt%添加した焼結体ターゲットを用いて、基板を350℃に加熱を行いながら、0.5Paのアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中(酸素分圧:20%)で、RF電源(高周波電源)からの投入電力を500Wとして、10分間の反応性スパッタリングにより、Ir-Ti薄膜を成膜した。その後、基板温度を400℃まで上昇させ、酸素のみ1.0Paの雰囲気を保ちつつ、5分間のアニールを行って、上部電極を形成した。
(Actuator displacement characteristics)
Using a sintered body target to which 1.0 wt% of Ti is added on a Si substrate, while heating the substrate to 350 ° C., in a mixed gas atmosphere of 0.5 Pa of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 20% ), an Ir--Ti thin film was formed by reactive sputtering for 10 minutes with an input power of 500 W from an RF power source (high frequency power source). After that, the substrate temperature was raised to 400° C., and annealing was performed for 5 minutes while maintaining an oxygen atmosphere of 1.0 Pa to form an upper electrode.
上記形成された上部電極の表面に、Laを14モル%含有するPLTに、酸化鉛(PbO)を化学量論組成よりも12モル%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを用い、基板の温度600℃、真空度0.8Paとしたアルゴンと酸素の混合ガス(酸素分圧:5%)雰囲気中で、300Wの投入電力で12分のRFスパッタを行い、配向制御層を形成した。 On the surface of the upper electrode formed above, a sintered body target prepared by adding lead oxide (PbO) in excess of 12 mol% from the stoichiometric composition to PLT containing 14 mol% La was used. RF sputtering was performed at a temperature of 600° C. and a vacuum of 0.8 Pa in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 5%) with an input power of 300 W for 12 minutes to form an orientation control layer.
上記形成された配向制御層の表面に、ZrとTiとの組成比が、Zr/Ti=53/47であるPZTの焼結体他0ゲットを用い、基板の温度610℃、真空度0.3Paとしたアルゴンと酸素の混合ガス(酸素分圧:5%)雰囲気中で、250Wの投入電力で3時間のRFスパッタを行い、圧電体を形成した。 A sintered body of PZT having a Zr/Ti composition ratio of Zr/Ti of 53/47 was used on the surface of the orientation control layer formed as described above. RF sputtering was performed for 3 hours at an input power of 250 W in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 5%) at 3 Pa to form a piezoelectric body.
上記形成された圧電体の表面に、Laを14モル%含有するPLTに、酸化鉛(PbO)を化学量論組成よりも12モル%過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを用い、基板の温度600℃、真空度0.8Paとしたアルゴンと酸素の混合ガス(酸素分圧:5%)雰囲気中で、300Wの投入電力で12分のRFスパッタを行い、低誘電率層を形成した。 A sintered body target prepared by adding 12 mol % of lead oxide (PbO) in excess of the stoichiometric composition to PLT containing 14 mol % of La is used on the surface of the piezoelectric body formed as described above. RF sputtering was performed at a temperature of 600° C. and a vacuum of 0.8 Pa in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 5%) with an input power of 300 W for 12 minutes to form a low dielectric constant layer.
上記形成された低誘電率層の表面に、Tiを1.0wt%添加した焼結体ターゲットを用いて、基板を350℃に加熱を行いながら、0.5Paのアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気中(酸素分圧:20%)で、RF電源(高周波電源)からの投入電力を500Wとして、10分間の反応性スパッタリングにより、Ir-Ti薄膜を成膜した。その後、基板温度を400℃まで上昇させ、酸素のみ1.0Paの雰囲気を保ちつつ、5分間のアニールを行って、下部電極を形成した。 While heating the substrate to 350 ° C. using a sintered body target to which 1.0 wt% of Ti is added to the surface of the low dielectric constant layer formed above, in a mixed gas atmosphere of 0.5 Pa of argon and oxygen (oxygen partial pressure: 20%), the input power from the RF power source (high frequency power source) was set to 500 W, and reactive sputtering was performed for 10 minutes to form an Ir--Ti thin film. After that, the substrate temperature was raised to 400° C., and annealing was performed for 5 minutes while maintaining an oxygen atmosphere of 1.0 Pa to form a lower electrode.
上記形成された下部電極の表面に、Crターゲットを用いて、室温において、1Paのアルゴンガス雰囲気中で、RF電源(高周波電源)からの投入電力を200Wとして、6時間のスパッタリングにより、振動板を形成した。 Sputtering was performed on the surface of the lower electrode formed above using a Cr target at room temperature in an argon gas atmosphere of 1 Pa at a power of 200 W from an RF power supply (high frequency power supply) for 6 hours to form a diaphragm. formed.
その後、基板をエッチングにより除去して、アクチュエータ-1(ACT-1)を得た。 After that, the substrate was removed by etching to obtain Actuator-1 (ACT-1).
上部電極および下部電極を、Ptターゲットを用いて、基板を400℃に加熱しながら、1Paのアルゴンガス雰囲気中で、RF電源(高周波電源)からの投入電力を200Wとして、12分間のスパッタリングにより形成した以外は、ACT-1の作製と同様にして、アクチュエータ-2(ACT-2)を得た。 The upper electrode and the lower electrode are formed by sputtering for 12 minutes using a Pt target while heating the substrate to 400° C. in an argon gas atmosphere of 1 Pa with an input power of 200 W from an RF power supply (high frequency power supply). Actuator-2 (ACT-2) was obtained in the same manner as ACT-1, except that
ACT-1およびACT-2の両電極間に、15V、AC、60kHzのパルス駆動電圧を印加して、50℃の高温環境下で、駆動耐久試験を行った。 A driving endurance test was performed in a high temperature environment of 50° C. by applying a pulse driving voltage of 15 V, AC, 60 kHz between both electrodes of ACT-1 and ACT-2.
図5は、ACT-1およびACT-2のそれぞれに100億パルスの駆動電圧を印加したときの、印加したパルス数と、アクチュエータの変位量の低下率との関係を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the number of applied pulses and the decreasing rate of displacement of the actuator when 10 billion pulses of drive voltage are applied to each of ACT-1 and ACT-2.
図5から明らかなように、Irを主成分とするIr-Ti合金からなり、上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されているIr-Ti薄膜を上部電極および下部電極に用いたACT-1は、Pt薄膜を上部電極および下部電極に用いたACT-2よりも、圧電体の変位量の経時的な低下が抑制されていた。 As is clear from FIG. 5, an Ir--Ti alloy containing Ir as a main component is used, and both Ir and Ti are partially oxidized Ir--Ti thin films used for the upper and lower electrodes. In ACT-1, the decrease in the amount of displacement of the piezoelectric body over time was suppressed as compared with ACT-2 in which the Pt thin film was used for the upper electrode and the lower electrode.
(インクジェットヘッドの射出特性)
ACT-1およびACT-2を、接着剤を用いて圧力室部材に電着させ、さらに、上部電極、低誘電率層および圧電体を、エッチングにより圧力室ごとに個別化した。その後、これらをインク流路部材およびノズル板に接着させて、それぞれ、インクジェットヘッドとした。
(Ejection characteristics of inkjet head)
ACT-1 and ACT-2 were electrodeposited on pressure chamber members using an adhesive, and the upper electrode, low dielectric constant layer and piezoelectric were individualized for each pressure chamber by etching. After that, these were adhered to the ink channel member and the nozzle plate, respectively, to form an inkjet head.
上記インクジェットヘッドを画像形成装置に搭載し、50℃の高温環境下で、初期速度が7m/secとなるように波形を調整して、60kHzのパルス駆動耐久試験を行った。 The inkjet head was mounted on an image forming apparatus, and a 60 kHz pulse driving endurance test was performed in a high temperature environment of 50° C. with the waveform adjusted so that the initial speed was 7 m/sec.
図6は、ACT-1を有するインクジェットヘッドおよびACT-2を有するインクジェットヘッドのそれぞれに100億パルスの駆動電圧を印加したときの、印加したパルス数と、射出速度の低下率との関係を示すグラフである。 FIG. 6 shows the relationship between the number of applied pulses and the reduction rate of ejection speed when 10 billion pulses of drive voltage are applied to each of an inkjet head having ACT-1 and an inkjet head having ACT-2. graph.
図6から明らかなように、Irを主成分とするIr-Ti合金からなり、上記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されているIr-Ti薄膜を上部電極および下部電極に用いたACT-1は、Cr薄膜を上部電極および下部電極に用いたACT-2よりも、インクジェットヘッドに用いたときの射出速度の経時的な低下が抑制されていた。 As is clear from FIG. 6, an Ir--Ti alloy containing Ir as a main component is used, and both Ir and Ti are partially oxidized Ir--Ti thin films used for the upper and lower electrodes. When ACT-1 was used in an ink jet head, the drop in ejection speed over time was suppressed more than ACT-2, in which Cr thin films were used for the upper and lower electrodes.
本発明の薄膜状圧電素子によれば、高温環境で長期的にパルス駆動させたときの、圧電体の変位量の経時的な低下が抑制される。そのため、本発明には、特にはインクジェットヘッドなどの、高温で長期的に使用する用途における薄膜状圧電素子の長期信頼性を向上させることができ、薄膜状圧電素子を備える各機器の耐久性向上に貢献することが期待される。 According to the thin-film piezoelectric element of the present invention, when the piezoelectric body is pulse-driven for a long period of time in a high-temperature environment, the amount of displacement of the piezoelectric body is suppressed from decreasing with time. Therefore, in the present invention, it is possible to improve the long-term reliability of the thin-film piezoelectric element in applications such as inkjet heads, which are used for a long time at high temperatures, and to improve the durability of each device equipped with the thin-film piezoelectric element. expected to contribute to
100 薄膜状圧電素子
110 上部電極
120 配向制御層
130 圧電体
140 低誘電率層
150 下部電極
160、160a、160b 振動板
Claims (18)
前記上部電極および下部電極の少なくとも一方の電極は、Irを主成分とするIr-Ti合金を含んでなり、前記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されており、
前記Ir-Ti合金は、TiO2およびTi2O3を含む、
薄膜状圧電素子。 A thin-film piezoelectric element having an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric body having a perovskite structure disposed between the upper electrode and the lower electrode,
at least one of the upper electrode and the lower electrode comprises an Ir—Ti alloy containing Ir as a main component, and both the Ir and Ti are partially oxidized;
the Ir-Ti alloy comprises TiO2 and Ti2O3 ;
Thin-film piezoelectric element.
前記上部電極および下部電極の少なくとも一方の電極は、Irを主成分とするIr-Ti合金を含んでなり、前記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されており、
前記Ir-Ti合金は、(111)配向および(002)配向されたIr結晶を含む、
薄膜状圧電素子。 A thin-film piezoelectric element having an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric body having a perovskite structure disposed between the upper electrode and the lower electrode,
at least one of the upper electrode and the lower electrode comprises an Ir—Ti alloy containing Ir as a main component, and both the Ir and Ti are partially oxidized;
The Ir—Ti alloy comprises (111) oriented and (002) oriented Ir crystals,
Thin-film piezoelectric element.
前記上部電極および下部電極の少なくとも一方の電極は、Irを主成分とするIr-Ti合金を含んでなり、前記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されており、
前記Ir-Ti合金は、IrとTiとの合計質量に対して0質量%より多く10質量%以下のTiを含む、
薄膜状圧電素子。 A thin-film piezoelectric element having an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric body having a perovskite structure disposed between the upper electrode and the lower electrode,
at least one of the upper electrode and the lower electrode comprises an Ir—Ti alloy containing Ir as a main component, and both the Ir and Ti are partially oxidized;
The Ir-Ti alloy contains more than 0% by mass and no more than 10% by mass of Ti with respect to the total mass of Ir and Ti,
Thin-film piezoelectric element.
前記上部電極および下部電極の両方の電極は、Irを主成分とするIr-Ti合金を含んでなり、前記IrおよびTiは、いずれも、その一部が酸化されている、
薄膜状圧電素子。 A thin-film piezoelectric element having an upper electrode, a lower electrode, and a piezoelectric body having a perovskite structure disposed between the upper electrode and the lower electrode,
both the upper electrode and the lower electrode comprise an Ir—Ti alloy containing Ir as a main component, and both the Ir and Ti are partially oxidized;
Thin-film piezoelectric element.
前記下部電極の前記基板とは反対側に圧電体を形成する工程、および
前記圧電体の前記基板とは反対側に上部電極を形成する工程、
を有し、
前記下部電極を形成する工程および上部電極を形成する工程の少なくとも一方の工程は、Irを主成分とし、IrとTiとの合計質量に対して0.2質量%以上1.0質量%以下のTiを含むIr-Ti合金焼結体ターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気ガスの存在下で、前記基板を加熱しながら反応性スパッタ法により電極膜を成膜する工程と、
前記成膜された電極膜を酸素雰囲気下でアニールする工程と、
を含む、
薄膜状圧電素子の製造方法。 forming a lower electrode on one surface of the substrate;
forming a piezoelectric body on a side of the lower electrode opposite to the substrate; and forming an upper electrode on a side of the piezoelectric body opposite to the substrate;
has
At least one of the step of forming the lower electrode and the step of forming the upper electrode contains Ir as a main component and contains 0.2% by mass or more and 1.0% by mass or less of the total mass of Ir and Ti. A step of forming an electrode film by a reactive sputtering method using an Ir--Ti alloy sintered body target containing Ti while heating the substrate in the presence of an atmospheric gas containing oxygen;
annealing the deposited electrode film in an oxygen atmosphere;
including,
A method for manufacturing a thin-film piezoelectric element.
前記下部電極の前記基板とは反対側に圧電体を形成する工程、および
前記圧電体の前記基板とは反対側に上部電極を形成する工程、
を有し、
前記下部電極を形成する工程および上部電極を形成する工程の両方の工程は、Irを主成分とするIr-Ti合金焼結体ターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気ガスの存在下で、前記基板を加熱しながら反応性スパッタ法により電極膜を成膜する工程と、
前記成膜された電極膜を酸素雰囲気下でアニールする工程と、
を含む、
薄膜状圧電素子の製造方法。 forming a lower electrode on one surface of the substrate;
forming a piezoelectric body on a side of the lower electrode opposite to the substrate; and forming an upper electrode on a side of the piezoelectric body opposite to the substrate;
has
In both the step of forming the lower electrode and the step of forming the upper electrode, an Ir—Ti alloy sintered body target containing Ir as a main component is used in the presence of an oxygen-containing atmospheric gas. A step of forming an electrode film by a reactive sputtering method while heating the
annealing the deposited electrode film in an oxygen atmosphere;
including,
A method for manufacturing a thin-film piezoelectric element.
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