JPH10290033A - Piezo-electric thin film element, and actuator and ink-jet type recording head using the thin film element and manufacture of piezo-electric thin film element - Google Patents

Piezo-electric thin film element, and actuator and ink-jet type recording head using the thin film element and manufacture of piezo-electric thin film element

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JPH10290033A
JPH10290033A JP9945297A JP9945297A JPH10290033A JP H10290033 A JPH10290033 A JP H10290033A JP 9945297 A JP9945297 A JP 9945297A JP 9945297 A JP9945297 A JP 9945297A JP H10290033 A JPH10290033 A JP H10290033A
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piezo
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浩二 角
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the reduction of the oxygen concentration in a piezo-electric thin film and to improve the characteristics of a piezo-electric body in the process for forming the piezo-electric thin film element by performing heat treatment after the formation of a lower electrode and before the formation of the piezo-electric thin film under oxygen atmosphere. SOLUTION: A piezo-electric thin film element has a silicon substrate 11, a silicon oxide film 12 formed on the substrate 11, a titanium film 13 formed on the oxide film 12, a titanic-acid lead zirconate (PTZ) film 15 of the piezo-electric thin film formed on a lower electrode 14 and an upper electrode 16 formed on the film 15. Before the PTZ is annealed, the heat treatment of the lower electrode 14 is performed under the presence of oxygen. Thus, the oxygen in the piezo-electric thin film 15 is trapped in each grain boundary in the lower electrode 14. By the heat treatment of the lower electrode 14 under the oxygen atmosphere, the compound of the oxygen diffused into platium and Ti appears as round particles equally dispersed in the lower electrode 14. Therefore, the piezo-electric thin film 15 having the excellent characteristics of the piezo-electric body is obtained by preventing the reduction of the oxygen concentration in the piezo-electric thin film 15.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電体薄膜素子の製
造方法に関するものである。さらに、本発明は、この製
造方法を用いて得られた圧電体薄膜素子、及びこれを用
いたアクチュエータに関するものである。
The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric thin film element. Further, the present invention relates to a piezoelectric thin film element obtained by using this manufacturing method, and an actuator using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】このアクチュエータは電気的エネルギー
を機械的エネルギーに変換し、またはその逆を行うもの
であって、圧力センサ、温度センサ、インクジェット式
記録ヘッド等に用いられる。インクジェット式記録ヘッ
ドでは、圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振
動子として用いている。
2. Description of the Related Art This actuator converts electric energy into mechanical energy and vice versa, and is used for a pressure sensor, a temperature sensor, an ink jet recording head and the like. In an ink jet recording head, a piezoelectric thin film element is used as a vibrator serving as a driving source of ink ejection.

【0003】この圧電体薄膜素子は、一般的に、多結晶
体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで配置
される上電極及び下電極と、を備えた構造を有してい
る。この圧電体薄膜の組成は、一般的に、チタン酸ジル
コン酸鉛(以下、「PZT」という)を主成分とする二
成分系、または、この二成分系のPZTに第三成分を加
えた三成分系とされている。
This piezoelectric thin film element generally has a structure including a piezoelectric thin film made of a polycrystalline body, and an upper electrode and a lower electrode arranged with the piezoelectric thin film interposed therebetween. . In general, the composition of the piezoelectric thin film is a two-component system containing lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”) as a main component, or a three-component system obtained by adding a third component to this two-component PZT. It is a component system.

【0004】これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、ス
パッタ法、ゾルゲル法、レーザアブレーション法又はC
VD法等により形成することができる。
[0004] Piezoelectric thin films of these compositions can be prepared, for example, by sputtering, sol-gel, laser ablation, or C
It can be formed by a VD method or the like.

【0005】これらの例として、二成分系PZTを用い
た強誘電体が、"Applied Physics Letters, 1991, Vol.
58, No.11, pages 1161-1163"に記載されている。ま
た、特開平6−40035号公報や、"Journal of The
American Ceramic Society, 1973, Vol.56, No.2, page
s 91-96"には、二成分系PZTを用いた圧電体が開示さ
れている。
[0005] As an example of these, ferroelectrics using binary PZT are described in "Applied Physics Letters, 1991, Vol.
58, No. 11, pages 1161-1163 ". Also, JP-A-6-40035 and" Journal of The
American Ceramic Society, 1973, Vol. 56, No. 2, page
s 91-96 "discloses a piezoelectric body using binary PZT.

【0006】前記圧電体薄膜素子を、例えばインクジェ
ット式記録ヘッドに適用する場合、0.4μm〜20μ
m程度の膜厚を備えた圧電体薄膜(PZT膜)が望まれ
る。さらに、この圧電体薄膜には高い圧電ひずみ定数が
要求されるので、通常、700℃以上の温度で熱処理を
行い、この圧電体薄膜の結晶粒を成長させることが必要
であるとされている。
When the piezoelectric thin film element is applied to, for example, an ink jet recording head, the piezoelectric thin film element has a thickness of 0.4 μm to 20 μm.
A piezoelectric thin film (PZT film) having a thickness of about m is desired. Further, since a high piezoelectric strain constant is required for the piezoelectric thin film, it is generally necessary to perform a heat treatment at a temperature of 700 ° C. or more to grow crystal grains of the piezoelectric thin film.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は、この熱処理によって圧電体薄膜中の酸素濃度が低
下して圧電ひずみ定数を劣化させる、との知見を得るに
到った。そこで、本発明者がこの理由について鋭意検討
したところ、次のような見解を得た。すなわち、圧電体
薄膜素子の下電極となる白金は、酸化触媒として利用さ
れるものであることから明らかなように、酸素を吸着す
る性質に富んでいる。
However, the present inventor has come to the knowledge that the heat treatment lowers the oxygen concentration in the piezoelectric thin film and deteriorates the piezoelectric strain constant. The inventor of the present invention has intensively studied the reason and obtained the following opinion. That is, platinum, which is used as the lower electrode of the piezoelectric thin film element, is rich in the property of adsorbing oxygen, as is clear from the fact that it is used as an oxidation catalyst.

【0008】したがって、下電極は、PZTが焼結され
る際にPZT中の酸素をトラップし、また、下電極中に
拡散してきたチタンと結合させることになる。
[0008] Therefore, the lower electrode traps oxygen in the PZT when the PZT is sintered, and combines with the titanium diffused into the lower electrode.

【0009】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るために、圧電体薄膜素子を形成する過程において、圧
電体薄膜中の酸素濃度の低下を防ぐことにより、圧電体
特性に優れた圧電体薄膜の製造方法を提供することを目
的とする。
In order to solve such a problem, the present invention prevents a decrease in the oxygen concentration in the piezoelectric thin film in the process of forming the piezoelectric thin film element, thereby providing a piezoelectric material having excellent piezoelectric characteristics. It is an object to provide a method for producing a thin film.

【0010】本発明の他の目的は、このような圧電体薄
膜を提供することである。本発明のさらに他の目的は、
この圧電体薄膜を備えたアクチュエータ、特にインクジ
ェット式記録ヘッドを提供することである。
Another object of the present invention is to provide such a piezoelectric thin film. Still another object of the present invention is to provide
An object of the present invention is to provide an actuator having the piezoelectric thin film, particularly an ink jet recording head.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、多結晶体からなる圧電体膜を挟んで上電
極と下電極とを形成するものであって、この下電極上に
前記圧電体を形成後熱処理する圧電体薄膜の製造方法に
おいて、前記下電極形成後圧電体薄膜形成前に酸素雰囲
気下で熱処理することを特徴とする。前記酸素雰囲気
は、好ましくは、(体積比で)酸素分圧が60%以上の
範囲である。酸素分圧が100%未満の場合、他のガス
は、例えば、窒素、或いはアルゴンである。
In order to achieve this object, the present invention is to form an upper electrode and a lower electrode with a polycrystalline piezoelectric film interposed therebetween. In the method of manufacturing a piezoelectric thin film, wherein the piezoelectric body is formed and then heat-treated, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere after the lower electrode is formed and before the piezoelectric thin film is formed. The oxygen atmosphere preferably has an oxygen partial pressure (by volume) of 60% or more. When the oxygen partial pressure is less than 100%, the other gas is, for example, nitrogen or argon.

【0012】さらに、本発明に係わる圧電体薄膜素子
は、多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜を挟んで
配置される上電極と下電極と、を備えた圧電体薄膜素子
において、前記下電極上に圧電体薄膜を形成する前に、
前記下電極を酸素存在下で熱処理をして構成される。
Further, a piezoelectric thin-film element according to the present invention is a piezoelectric thin-film element comprising a polycrystalline piezoelectric film, and an upper electrode and a lower electrode disposed with the piezoelectric film interposed therebetween. Before forming a piezoelectric thin film on the lower electrode,
The lower electrode is formed by heat treatment in the presence of oxygen.

【0013】また、本発明に係わる他の圧電体薄膜素子
は、多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜を挟んで
配置される上電極と下電極と、を備えた圧電体薄膜素子
ものにおいて、前記下電極近傍の圧電体薄膜中の酸素濃
度と圧電体薄膜の酸素濃度比(r)が0.9以上1.2
以下の範囲にあることを特徴とする。ここで、酸素濃度
(r)は次のように表示される。近傍とは、例えば、10
×10-9m以内をいう。
According to another aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric thin-film element comprising: a polycrystalline piezoelectric film; and an upper electrode and a lower electrode disposed with the piezoelectric film interposed therebetween. In the device, the oxygen concentration ratio (r) of the piezoelectric thin film to the oxygen concentration in the piezoelectric thin film in the vicinity of the lower electrode is 0.9 to 1.2.
It is characterized in the following range. Here, the oxygen concentration (r) is displayed as follows. The neighborhood is, for example, 10
× 10 -9 m or less.

【0014】r=(圧電体薄膜中の酸素濃度/下電極近
傍の圧電体膜中の酸素濃度) さらに、本発明は、前記圧電体薄膜素子を機械的応力発
生手段として利用するアクチュエータであることを特徴
とする。さらに、本発明は、前記アクチュエータを備え
たインクジェット式記録ヘッドであることを特徴とす
る。
R = (oxygen concentration in the piezoelectric thin film / oxygen concentration in the piezoelectric film near the lower electrode) Further, the present invention relates to an actuator using the piezoelectric thin film element as a mechanical stress generating means. It is characterized by. Further, the invention is characterized in that it is an ink jet recording head provided with the actuator.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、本実施の形態で
は、圧電体膜としてPZT膜を形成した場合について説
明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a case where a PZT film is formed as a piezoelectric film will be described.

【0016】(実施の形態1)図1は本発明に係わる圧
電体素子の構成を示す断面図である。この圧電体薄膜素
子は、シリコン基板11と、シリコン基板11上に形成
されたシリコン酸化膜12と、シリコン酸化膜12上形
成されたチタン膜(Ti/TiO2/Ti)13と、下電極(Ti/Pt)
14上に形成されたPZT膜15と、PZT膜15上に
形成された上電極16を、備えて構成されている。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a piezoelectric element according to the present invention. This piezoelectric thin-film element includes a silicon substrate 11, a silicon oxide film 12 formed on the silicon substrate 11, a titanium film (Ti / TiO 2 / Ti) 13 formed on the silicon oxide film 12, and a lower electrode ( Ti / Pt)
A PZT film 15 formed on the PZT film 14 and an upper electrode 16 formed on the PZT film 15 are provided.

【0017】前記下電極14は、既述のように、製膜時
にはチタン及び酸化チタンの層と組み合わされたプラチ
ナから形成されている。下電極14をこのような構成に
することで、下電極14の格子定数とPZT膜15の格
子定数が近くできるという理由から、後に形成するPZ
T膜15との密着性を向上させることができる。
As described above, the lower electrode 14 is formed of platinum combined with a layer of titanium and titanium oxide during film formation. With the lower electrode 14 having such a configuration, the lattice constant of the lower electrode 14 and the lattice constant of the PZT film 15 can be close to each other.
Adhesion with the T film 15 can be improved.

【0018】シリコン酸化膜12上に(Ti/TiO2/Ti)から
なるチタン層を形成するのは、シリコン酸化膜と白金層
との間の密着性を高めるためである。さらに、白金上に
Tiを形成するのは、圧電薄膜を後述のように柱状構造に
するためである。
The reason why the titanium layer made of (Ti / TiO 2 / Ti) is formed on the silicon oxide film 12 is to enhance the adhesion between the silicon oxide film and the platinum layer. Furthermore, on platinum
The reason for forming Ti is to make the piezoelectric thin film into a columnar structure as described later.

【0019】本発明者らは、圧電体薄膜の結晶構造を柱
状構造にすることにより、圧電体特性を向上できること
をかねてより提案している。チタンを白金上に、島状に
形成することにより圧電体薄膜の結晶構造を圧電体特性
を高めるような構造に調整できる。
The present inventors have further proposed that the characteristics of the piezoelectric material can be improved by making the crystal structure of the piezoelectric thin film a columnar structure. By forming titanium on platinum in an island shape, the crystal structure of the piezoelectric thin film can be adjusted to a structure that enhances the piezoelectric characteristics.

【0020】なお、PZT製膜後に行われるアニールに
よって、チタン膜の(Ti/TiO2/Ti)は、Pt内あるいはS
iO2内に拡散し下電極の上に特別な層を形成するもの
としては、走査型電子顕微鏡によっても観測されない。
By the annealing performed after the PZT film is formed, the (Ti / TiO 2 / Ti) of the titanium film becomes Pt or S
Nothing that diffuses into iO 2 and forms a special layer on the lower electrode is observed even by a scanning electron microscope.

【0021】PZT膜15は多結晶体からなり、この結
晶体の粒界が、図3,図4に示すように、上下電極14
及び16の平面に対して略垂直方向に存在している。す
なわち、PZTの結晶粒が柱状構造を成している。
The PZT film 15 is made of a polycrystalline material, and the grain boundaries of the crystalline material are, as shown in FIGS.
And 16 in a direction substantially perpendicular to the plane. That is, the crystal grains of PZT have a columnar structure.

【0022】このPZT膜15は、二成分系を主成分と
するもの、この二成分系に第三成分を加えた三成分系を
主成分とするものが好適に用いられる。二成分系PZT
の好ましい具体例としては、 Pb(ZrxTi1-x)O3+YPbO (ここで、0.40≦X≦0.6, 0≦Y≦0.3)
の化学式で表わされる組成を有するものが挙げられる。
As the PZT film 15, a film mainly composed of a two-component system and a film mainly composed of a three-component system obtained by adding a third component to the binary system are preferably used. Binary PZT
Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 + YPbO (where 0.40 ≦ X ≦ 0.6, 0 ≦ Y ≦ 0.3)
Those having a composition represented by the following chemical formula:

【0023】また、三成分系PZTの好ましい具体例と
しては、前記二成分系のPZTに、例えば、第三成分を
添加した以下に示す化学式で表わされる組成を有するも
のが挙げられる。
Further, as a preferable specific example of the ternary PZT, a PZT having the composition represented by the following chemical formula, which is obtained by adding a third component to the above-mentioned two-component PZT, may be mentioned.

【0024】 PbTiaZrb(Agh)c3+ePbO+(fMgO)n (ここで、Aは、Mg,Co,Zn,Cd,Mn及びN
iからなる群から選択される2価の金属またはSb,
Y,Fe,Sc,Yb,Lu,In及びCrからなる群
から選択される3価の金属を表す。また、Bは、Nb,
Ta及びSbからなる群から選択される5価の金属、ま
たはW及びTeからなる群から選択される6価の金属を
表す。また、a+b+c=1, 0.35≦a≦0.5
5, 0.25≦b≦0.55, 0.1≦c≦0.4,
0≦e≦0.3, 0≦f≦0.15c, g=f=1
/2, n=0であるが、但し、Aが3価の金属であり、
かつBが6価の金属でなく、また、Aが2価の金属であ
り、かつBが5価の金属である場合、gは1/3であ
り、hは2/3であり、また、AはMg、BがNbの場
合に限り、nは1を表す。) 三成分系のより好ましい具体例としては、マグネシウム
ニオブ酸鉛、すなわち、AがMgであり、BがNbであ
り、gが1/3、hが2/3であるものが挙げられる。
[0024] PbTi a Zr b (A g B h) c O 3 + ePbO + (fMgO) n ( where, A is, Mg, Co, Zn, Cd , Mn , and N
a divalent metal selected from the group consisting of i or Sb,
Represents a trivalent metal selected from the group consisting of Y, Fe, Sc, Yb, Lu, In and Cr. B is Nb,
It represents a pentavalent metal selected from the group consisting of Ta and Sb, or a hexavalent metal selected from the group consisting of W and Te. A + b + c = 1, 0.35 ≦ a ≦ 0.5
5, 0.25 ≦ b ≦ 0.55, 0.1 ≦ c ≦ 0.4,
0 ≦ e ≦ 0.3, 0 ≦ f ≦ 0.15c, g = f = 1
/ 2, n = 0, provided that A is a trivalent metal,
And when B is not a hexavalent metal, and A is a divalent metal and B is a pentavalent metal, g is 1/3, h is 2/3, and A represents Mg and B represents Nb, and n represents 1. A more preferred specific example of a ternary system is lead magnesium niobate, that is, one in which A is Mg, B is Nb, g is 1/3, and h is 2/3.

【0025】さらに、これら二成分系PZT及び三成分
系PZTのいずれであっても、その圧電特性を改善する
ために、微量のBa,Sr,La,Nd,Nb,Ta,
Sb,Bi,W,Mo及びCa等が添加されてもよい。
とりわけ、三成分系では、0.10モル%以下のSr,Ba
の添加が圧電特性の改善に一層好ましい。また、三成分
系では、0.10モル%以下のMn,Niの添加が、そ
の焼結性を改善するので好ましい。
Furthermore, in order to improve the piezoelectric characteristics of any of these binary PZT and ternary PZT, trace amounts of Ba, Sr, La, Nd, Nb, Ta,
Sb, Bi, W, Mo, Ca and the like may be added.
In particular, in a ternary system, 0.10 mol% or less of Sr, Ba
Is more preferable for improving the piezoelectric characteristics. In a three-component system, addition of Mn and Ni of 0.10 mol% or less is preferable because the sinterability is improved.

【0026】圧電体薄膜15を形成する過程で、既述の
ような構造を得るために、所定の熱処理が行われる。本
発明者らが検討したところによれば、この熱処理の際に
PZT中の酸素が下電極中に拡散する。後述するよう
に、下電極をスパッタリングによって形成すると電極が
PZTと同様に柱状構造を持つことを確認している。こ
の結晶構造では、結晶粒界に酸素がトラップされる傾向
が強く、また、白金内に拡散したチタンがこの結晶粒界
において酸化物を形成する。
In the process of forming the piezoelectric thin film 15, a predetermined heat treatment is performed to obtain the structure as described above. According to the study by the present inventors, oxygen in PZT diffuses into the lower electrode during this heat treatment. As described later, it has been confirmed that when the lower electrode is formed by sputtering, the electrode has a columnar structure like PZT. In this crystal structure, oxygen tends to be trapped at the crystal grain boundaries, and titanium diffused in platinum forms an oxide at the crystal grain boundaries.

【0027】そこで、本発明者は、以下に示すように、
PZTをアニールする前に下電極を酸素存在下で熱処理
を形成することを提案した。図4は、次に述べる方法に
よって形成された圧電体薄膜素子の幅方向の断面を示す
ものであり、加速電圧15kV、引出し電圧4.0kVの条件下
で得られた走査型顕微鏡写真である。
Therefore, the present inventor has set forth the following:
It has been proposed that the lower electrode be heat treated in the presence of oxygen before annealing PZT. FIG. 4 shows a cross section in the width direction of the piezoelectric thin film element formed by the method described below, and is a scanning microscope photograph obtained under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and an extraction voltage of 4.0 kV.

【0028】これによれば、下電極及び圧電体膜ともほ
ぼ既述した柱状な結晶構造を持っていることが分かる。
下電極中の各結晶粒界に圧電体薄膜中の酸素がトラップ
される。また、下電極の酸素雰囲気下での熱処理によっ
て、白金内に拡散した酸素とTiとの化合物が、下電極
中で等分散した丸い粒として現われている。
According to this, it can be seen that both the lower electrode and the piezoelectric film have the columnar crystal structure substantially as described above.
Oxygen in the piezoelectric thin film is trapped at each crystal grain boundary in the lower electrode. In addition, due to the heat treatment of the lower electrode in an oxygen atmosphere, the compound of oxygen and Ti diffused in the platinum appears as round particles uniformly dispersed in the lower electrode.

【0029】次に、本発明の一実施形態に係わる圧電体
薄膜素子の製造方法について図面を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0030】図5(a)ないし図5(c)は、前述した圧電体
薄膜素子の製造工程を示す断面図である。図5(a)に示
す工程では、シリコン基板11に熱酸化を行い、シリコ
ン基板11上に、膜厚が0.3〜1.2μm程度のシリ
コン酸化膜12を形成する。次に、スパッタ法により、
シリコン酸化膜12上に、全体としての膜厚が、0.0
1μm乃至0.04μm程度のTi/TiO2/Tiか
らなるチタン膜13を形成する。次いで、スパッタ法に
より、チタン膜13上に、プラチナからなる下電極14
を、0.2〜0.8μm程度の膜厚で形成する。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the above-described piezoelectric thin film element. In the step shown in FIG. 5A, thermal oxidation is performed on the silicon substrate 11 to form a silicon oxide film 12 having a thickness of about 0.3 to 1.2 μm on the silicon substrate 11. Next, by the sputtering method,
On the silicon oxide film 12, an overall thickness of 0.0
A titanium film 13 of about 1 μm to 0.04 μm made of Ti / TiO 2 / Ti is formed. Next, the lower electrode 14 made of platinum is formed on the titanium film 13 by sputtering.
Is formed with a thickness of about 0.2 to 0.8 μm.

【0031】この時のスパッタ条件は次のとおりであ
る。装置としては、直流スパッタ装置を用いた。スパッ
タ圧力条件は、0.4Paである。電圧条件は、Ptの
場合には1kwであり、Tiの場合は200wであり、
TiO2の場合は300wである。雰囲気ガスの条件
は、PtとTiの場合はアルゴン中であり、TiO2
場合はO2/Ar=10/90である。
The sputtering conditions at this time are as follows. As a device, a DC sputtering device was used. The sputtering pressure condition is 0.4 Pa. The voltage condition is 1 kw for Pt, 200 w for Ti,
In the case of TiO 2 , it is 300 w. The condition of the atmosphere gas is such that Pt and Ti are in argon, and TiO 2 is O 2 / Ar = 10/90.

【0032】次いで、この製膜途中の素子を拡散炉に入
れて、酸素雰囲気(酸素分圧60%以上)下、400乃
至600℃で30乃至60分間加熱する。又は、RTA
(Rapid Thermal Annealing)炉にこの素子を入れ、酸素
雰囲気中(流量5L/min)で、温度400乃至600℃
で、時間が60乃至300秒加熱する。
Next, the element in the course of film formation is placed in a diffusion furnace and heated at 400 to 600 ° C. for 30 to 60 minutes in an oxygen atmosphere (oxygen partial pressure of 60% or more). Or RTA
(Rapid Thermal Annealing) Put this device in a furnace, and in an oxygen atmosphere (flow rate 5 L / min), temperature 400 to 600 ° C.
Then, heating is performed for 60 to 300 seconds.

【0033】次に、図5(b)に示す工程のように、図5
(a)に示す工程で形成した下電極14上に、チタンをス
パッタ法により島状に形成する。このチタンを、40乃
至60オングストロームの膜厚にすることにより、圧電
体薄膜の結晶構造を100面に強く配向させることがで
きる。
Next, as in the step shown in FIG.
Titanium is formed in an island shape by sputtering on the lower electrode 14 formed in the step shown in FIG. By setting this titanium to a thickness of 40 to 60 angstroms, the crystal structure of the piezoelectric thin film can be strongly oriented to 100 planes.

【0034】次いで、この上にこのPZT膜15を製膜
する。これは例えば、ゾルゲル法によって行う。ここで
は、ゾルゲル法を用いてPZTを8回重ね塗りの多層コ
ートによって製造することとする。このゾルゲル法は次
のとおりである。
Next, the PZT film 15 is formed thereon. This is performed, for example, by a sol-gel method. Here, it is assumed that PZT is manufactured by a multi-layer coating of eight coats using the sol-gel method. The sol-gel method is as follows.

【0035】この製造方法は、PZT膜15を形成可能
な金属成分の水酸化物の水和錯体、すなわちゾルを脱水
処理してゲルとし、このゲルを加熱焼成して無機酸化物
を調整する方法である。この製造方法は次の各工程から
なる。
This manufacturing method is a method in which a hydrated complex of a hydroxide of a metal component capable of forming the PZT film 15, that is, a sol is dehydrated into a gel, and the gel is heated and calcined to prepare an inorganic oxide. It is. This manufacturing method includes the following steps.

【0036】a.ゾル組成物の成膜工程 本実施の形態において、PZT膜を構成する金属成分の
ゾルは、PZT膜を形成可能な金属のアルコキシドまた
はアセテートを、例えば酸で加水分解して調整すること
ができる。本発明においては、ゾル中の金属の組成を制
御することで、前述したPZT膜の組成を得ることがで
きる。すなわち、チタン、ジルコニウム、鉛、さらには
他の金属成分のそれぞれのアルコキシドまたはアセテー
トを出発原料とする。
A. Step of Forming Sol Composition In this embodiment, the sol of the metal component forming the PZT film can be adjusted by hydrolyzing, for example, an acid with an alkoxide or acetate of a metal capable of forming the PZT film. In the present invention, the composition of the PZT film described above can be obtained by controlling the composition of the metal in the sol. That is, alkoxides or acetates of titanium, zirconium, lead, and other metal components are used as starting materials.

【0037】ここでは、最終的にPZT膜(圧電体薄
膜)とされるまでに、PZT膜を構成する金属成分の組
成がほぼ維持されるという利点がある。すなわち、焼成
およびアニール処理中に金属成分、とりわけ鉛成分の蒸
発等による変動が極めて少なく、したがって、これらの
出発原料における金属成分の組成は、最終的に得られる
PZT膜中の金属組成と一致することになる。つまり、
ゲルの組成は生成しようとする圧電体膜(本実施の形態
ではPZT膜)に応じて決定される。
Here, there is an advantage that the composition of the metal component constituting the PZT film is substantially maintained before the PZT film (piezoelectric thin film) is finally formed. That is, there is very little change due to evaporation of the metal component, particularly the lead component, during the firing and annealing treatment, and therefore, the composition of the metal component in these starting materials matches the metal composition in the finally obtained PZT film. Will be. That is,
The composition of the gel is determined according to the piezoelectric film (PZT film in the present embodiment) to be formed.

【0038】また、本実施の形態では、前述した鉛成分
が過剰となるPZT膜を得るため、ゾルにおいて鉛成分
を化学量論から要求される量よりも20モル%まで好ま
しくは15モル%まで過剰にすることが好ましい。
Further, in this embodiment, in order to obtain a PZT film in which the lead component is excessive, the lead component in the sol is preferably up to 20 mol%, more preferably up to 15 mol%, than required from the stoichiometry. Preferably, it is excessive.

【0039】本実施の形態では、このゾルは有機高分子
化合物と混合された組成物として用いられるのが好まし
い。この有機高分子化合物は、乾燥及び焼成時に薄膜の
残留応力を吸収して、この薄膜にクラックが生じること
を有効に防止する。具体的には、この有機高分子を含む
ゲルを用いると、後述するゲル化された薄膜に細孔が生
じる。この細孔が、さらに後述するプレアニール及びア
ニール工程において薄膜の残留応力を吸収するものと考
えられる。ここで、好ましく用いられる有機高分子化合
物としては、ポリ酢酸ビニル、ヒドロキシプロピルセル
ロース、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコ
ールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコール、
ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアミド、
ポリアミク酸、アセチルセルロース及びその誘導体、な
らびにそれらの共重合体が挙げられる。
In the present embodiment, this sol is preferably used as a composition mixed with an organic polymer compound. The organic polymer compound absorbs the residual stress of the thin film during drying and baking, and effectively prevents the thin film from cracking. Specifically, when a gel containing the organic polymer is used, pores are generated in a gelled thin film described later. It is considered that these pores absorb the residual stress of the thin film in the pre-annealing and annealing steps described later. Here, as the organic polymer compound preferably used, polyvinyl acetate, hydroxypropyl cellulose, polyethylene glycol, polyethylene glycol monomethyl ether, polypropylene glycol,
Polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyamide,
Examples include polyamic acid, acetylcellulose and derivatives thereof, and copolymers thereof.

【0040】なお、本実施の形態では、ポリ酢酸ビニル
を添加することで、0.05μm程度の細孔を多数有す
る多孔質ゲル薄膜を、ヒドロキシプロピルセルロースを
添加することで、1μm以下の大きさでかつ広い分布を
持った多孔質ゲル薄膜を形成することができる。
In this embodiment, by adding polyvinyl acetate, a porous gel thin film having a large number of pores of about 0.05 μm is reduced to a size of 1 μm or less by adding hydroxypropylcellulose. And a porous gel thin film having a wide distribution can be formed.

【0041】本実施の形態では、ポリエチレングリコー
ルとして、平均分子量285〜420程度のものが好適
に用いられる。また、ポリプロピレングリコールとして
は、平均分子量300〜800程度のものが好適に用い
られる。
In the present embodiment, polyethylene glycol having an average molecular weight of about 285 to 420 is preferably used. Further, as the polypropylene glycol, those having an average molecular weight of about 300 to 800 are preferably used.

【0042】本実施の形態に係る製造方法では、先ず、
このゾル組成物をPZT膜15を形成しようとする下電
極14(図5(b)参照)上に塗布する。この時の塗布方
法は特に限定されず、通常行われている方法、例えば、
スピンコート、ディップコート、ロールコート、バーコ
ート等によって行うことができる。また、フレキソ印
刷、スクリーン印刷、オフセット印刷等によって塗布す
ることもできる。
In the manufacturing method according to the present embodiment, first,
This sol composition is applied on the lower electrode 14 (see FIG. 5B) on which the PZT film 15 is to be formed. The application method at this time is not particularly limited, and a method usually performed, for example,
Spin coating, dip coating, roll coating, bar coating and the like can be performed. Further, it can be applied by flexographic printing, screen printing, offset printing or the like.

【0043】また、前記塗布により形成される膜の厚さ
は、それ以降の工程を考慮すると、後述するゲル化工程
において形成される多孔質ゲル薄膜の厚さが0.3μm以
下となるように制御することが望ましく、より好ましく
は0.2μm程度とすることがよい。
The thickness of the film formed by the above coating is controlled so that the thickness of the porous gel thin film formed in the gelling step described below is 0.3 μm or less in consideration of the subsequent steps. It is preferable that the thickness be about 0.2 μm.

【0044】次に、塗布されたゾル組成物を自然乾燥、
または200℃以下の温度で加熱する。ここで、この乾
燥(加熱)された膜上に、前記ゾル組成物をさらに塗布
して膜厚を厚くすることもできる。この場合は、下地と
なる膜は、80℃以上の温度で乾燥されることが望まし
い。
Next, the applied sol composition is dried naturally,
Alternatively, heat at a temperature of 200 ° C. or less. Here, the sol composition may be further applied on the dried (heated) film to increase the film thickness. In this case, the underlying film is desirably dried at a temperature of 80 ° C. or higher.

【0045】b.ゾル組成物からなる膜のゲル化工程 次に、前述したゾル組成物の成膜工程で得た膜を焼成
し、残留有機物を実質的に含まない非晶質の金属酸化物
からなる多孔質ゲル薄膜を形成する。
B. Step of gelling a film made of a sol composition Next, the film obtained in the step of forming a film of the sol composition is baked, and a porous gel made of an amorphous metal oxide substantially free of residual organic matter is formed. Form a thin film.

【0046】焼成は、ゾル組成物の膜をゲル化し、かつ
膜中から有機物を除去するのに十分な温度で、十分な時
間加熱することによって行う。本実施の形態では、焼成
温度を300〜450℃にすることが好ましく、350
〜400℃にすることがさらに好ましい。
The calcination is carried out by heating the sol composition at a temperature and for a sufficient time to gel the film of the sol composition and to remove organic substances from the film. In this embodiment, the firing temperature is preferably set to 300 to 450 ° C.
More preferably, the temperature is set to 400 ° C.

【0047】焼成時間は、温度及び使用する炉の形式に
よって変化するが、例えば、脱脂炉を用いた場合には、
10〜120分程度が好ましく、15〜60分程度とす
ることがより好ましい。また、ホットプレートを用いた
場合には、1〜60分程度が好ましく、5〜30分程度
とすることがさらに好ましい。
The firing time varies depending on the temperature and the type of furnace used. For example, when a degreasing furnace is used,
It is preferably about 10 to 120 minutes, more preferably about 15 to 60 minutes. When a hot plate is used, it is preferably about 1 to 60 minutes, more preferably about 5 to 30 minutes.

【0048】以上の工程によって、下電極14上に多孔
質ゲル薄膜が形成された。
Through the above steps, a porous gel thin film was formed on the lower electrode 14.

【0049】c.プレアニール工程 次に、前述した工程bで得た多孔質ゲル薄膜を加熱焼成
し、この膜を結晶質の金属酸化膜からなる膜に変換す
る。
C. Pre-annealing step Next, the porous gel thin film obtained in the above-described step b is heated and baked to convert this film into a film made of a crystalline metal oxide film.

【0050】焼成は、多孔質ゲル薄膜を結晶質の金属酸
化物からなる膜に変換するために必要な温度で行うが、
結晶中にペロブスカイト型結晶が大部分を占めるまで行
う必要はなく、ゲル薄膜が均一に結晶化した時点で終了
させればよい。本実施の形態では、焼成温度として40
0〜800℃の範囲が好ましく、550〜750℃の範
囲で焼成することが、より好ましい。焼成時間は、焼成
温度及び使用する炉の形式によって変化するが、例えば
アニール炉を使用する場合は、0.1〜5時間程度が好
ましく、0.5〜2時間程度がより好ましい。また、R
TA(Rapid Thermal Annealing)炉を用いた場合、
0.1〜10分程度が好ましく、1〜5分程度がより好
ましい。
The calcination is performed at a temperature required to convert the porous gel thin film into a film made of a crystalline metal oxide.
It is not necessary to perform the process until the perovskite crystal occupies most of the crystal, and the process may be terminated when the gel thin film is uniformly crystallized. In this embodiment, the firing temperature is 40
The temperature is preferably in the range of 0 to 800 ° C, and more preferably in the range of 550 to 750 ° C. The firing time varies depending on the firing temperature and the type of furnace used. For example, when an annealing furnace is used, about 0.1 to 5 hours is preferable, and about 0.5 to 2 hours is more preferable. Also, R
When using a TA (Rapid Thermal Annealing) furnace,
It is preferably about 0.1 to 10 minutes, more preferably about 1 to 5 minutes.

【0051】また、本実施の形態では、このプレアニー
ル工程を二段階に分けて実施することができる。具体的
には、先ず、第一段階として、400〜600℃の範囲
の温度でアニールを行い、次に、第二段階として、60
0〜800℃の範囲の温度でアニールを行うことができ
る。また、さらに好ましくは、第一段階として、450
〜550℃の範囲の温度でアニールを行い、次に、第二
段階として、600〜750℃の範囲の温度でアニール
を行うことができる。
In this embodiment, the pre-annealing step can be performed in two stages. Specifically, first, as a first step, annealing is performed at a temperature in the range of 400 to 600 ° C., and then, as a second step, 60 ° C.
Annealing can be performed at a temperature in the range of 0-800C. More preferably, as the first step, 450
Annealing can be performed at a temperature in the range of 5550 ° C., and then in a second stage at a temperature in the range of 600-750 ° C.

【0052】この工程によって、多孔質ゲル薄膜を結晶
質の金属酸化膜からなる膜に変換させた。
By this step, the porous gel thin film was converted into a film made of a crystalline metal oxide film.

【0053】d.繰り返し工程 次に、以後、前述した工程a、bをさらに3回繰り返
し、多孔質ゲル薄膜を4層積層した後、工程Cのプレア
ニール工程により金属酸化膜からなる膜変換する。 次
いで、島状のチタンをPZT上に既述の方法によって島
状に形成し、既述の工程a、bをさらに4回繰り返す。
D. Next, the steps a and b described above are repeated three more times, and four porous gel thin films are laminated. Then, the film is converted from a metal oxide film by the pre-annealing step of the step C. Next, island-shaped titanium is formed on the PZT in an island shape by the above-described method, and the above-described steps a and b are further repeated four times.

【0054】この繰り返し工程の結果得られる積層膜の
積層数は、最終的なPZT膜15の膜厚を考慮して適宜
決定すればよい。ここでは、一層当たり0.15μmで
あることが良い。なお、後述する次工程(工程e)にお
いてクラック等が発生しない膜厚であることが好ましい
ことは言うまでもない。
The number of laminated films obtained as a result of this repetition process may be appropriately determined in consideration of the final thickness of the PZT film 15. Here, the thickness is preferably 0.15 μm per layer. Needless to say, the film thickness is preferably such that cracks and the like do not occur in the next step (step e) described later.

【0055】この繰り返し工程では、先に形成した膜上
に新たに多孔質ゲル薄膜を形成し、その後のプレアニー
ルの結果、新たに形成された多孔質ゲル薄膜は、先に形
成された膜と実質的に一体化された膜となる。
In this repetitive process, a new porous gel thin film is formed on the previously formed film, and as a result of the subsequent pre-annealing, the newly formed porous gel thin film is substantially the same as the previously formed film. It becomes an integrated film.

【0056】ここで、実質的に一体化された膜とは、積
層された層間に不連続層がない場合のみならず、本実施
の形態に係る最終的に得られるPZT膜15の場合と異
なり、積層された層間に不連続層があってもよい。そし
て、さらに工程a、b及びcを繰り返す場合には、さら
に新たな多孔質ゲル薄膜が形成され、その後のプレアニ
ールの結果、この新たな多孔質ゲル薄膜は、前記で得た
結晶質の積層膜と実質的に一体化された膜となる。
Here, the substantially integrated film means not only a case where there is no discontinuous layer between the stacked layers but also a case where the finally obtained PZT film 15 according to the present embodiment is used. There may be a discontinuous layer between the laminated layers. When the steps a, b and c are further repeated, a new porous gel thin film is formed, and as a result of the subsequent pre-annealing, the new porous gel thin film is formed of the crystalline laminated film obtained above. And a substantially integrated film.

【0057】e.ペロブスカイト型結晶成長工程 次に、前記工程dで得た膜に、焼成温度600〜120
0℃、さらに好ましくは800〜1000℃の範囲でア
ニールを行う。焼成時間は、焼成温度や、使用する炉の
形式によって変化するが、例えば、アニール炉を用いた
場合、0.1〜5時間程度が好ましく、0.5〜2時間
程度がより好ましい。また、RTA炉を用いた場合に
は、0.1〜10分程度が好ましく、0.5〜3分程度
がより好ましい。
E. Next, a baking temperature of 600 to 120 is applied to the film obtained in the step d.
Annealing is performed at 0 ° C., more preferably at 800 to 1000 ° C. The firing time varies depending on the firing temperature and the type of furnace used. For example, when an annealing furnace is used, the firing time is preferably about 0.1 to 5 hours, more preferably about 0.5 to 2 hours. When an RTA furnace is used, about 0.1 to 10 minutes is preferable, and about 0.5 to 3 minutes is more preferable.

【0058】また、本実施の形態では、このペロブスカ
イト型結晶成長工程、すなわち、アニールを二段階に分
けて実施するできる。具体的には、第一段階では、60
0〜800℃程度の温度でアニールを行い、第二段階で
は、800〜1000℃の温度でアニールを行う。ま
た、さらに好ましくは、第一段階では、600〜750
℃程度の温度でアニールを行い、第二段階では、800
〜950℃の温度でアニールを行うことができる。
In this embodiment, the perovskite-type crystal growth step, that is, annealing can be performed in two stages. Specifically, in the first stage, 60
Annealing is performed at a temperature of about 0 to 800 ° C., and in a second stage, annealing is performed at a temperature of 800 to 1000 ° C. Also, more preferably, in the first stage, 600 to 750
Annealing is performed at a temperature of about 100 ° C.
Annealing can be performed at a temperature of 9950 ° C.

【0059】以上の操作によって、下電極14上に、チ
タンを核として成長した柱状の多結晶体からなる、膜厚
が1.2μmのPZTが形成される。
Through the above operation, PZT having a thickness of 1.2 μm and made of a columnar polycrystal grown with titanium as a nucleus is formed on the lower electrode 14.

【0060】次に、下電極形成後圧電体薄膜を形成する
に先だって、既述の熱処理を行った場合(本発明法)
と、それを行わなかった以外は全て同一条件にした場合
(比較法)との圧電特性の比較について示す。
Next, after the lower electrode is formed, the above-described heat treatment is performed prior to forming the piezoelectric thin film (the method of the present invention).
The comparison of the piezoelectric characteristics between the case where the same conditions are applied except that this is not performed (comparative method) is shown.

【0061】 このように、本発明法によれば、いずれも従来法に比較
して圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を得ることができ
る。本発明者が、本発明法によって得られた圧電体薄膜
素子において、圧電体薄膜中の酸素濃度と下電極近傍1
0nm付近の圧電体膜中の酸素濃度を比較したところ、
下電極近傍の圧電体膜中の酸素濃度が圧電体薄膜中のそ
れに比較して大きく、前記比(r)が0.95であった
ことを確認した。また、下電極近傍の圧電体膜中の酸素
濃度は、35原子%であった。
[0061] As described above, according to the method of the present invention, it is possible to obtain a piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics as compared with the conventional method. In the piezoelectric thin film element obtained by the method of the present invention, the inventor has determined that the oxygen concentration in the piezoelectric thin film and the vicinity of the lower electrode 1
When the oxygen concentration in the piezoelectric film near 0 nm was compared,
The oxygen concentration in the piezoelectric film near the lower electrode was higher than that in the piezoelectric thin film, and it was confirmed that the ratio (r) was 0.95. The oxygen concentration in the piezoelectric film near the lower electrode was 35 atomic%.

【0062】本発明者が鋭意検討したところ、両者の酸
素濃度の比(r)は0.9乃至1.2の範囲であること
が好ましく、また、下電極近傍中の酸素濃度は、30乃
至60原子%の範囲であることが好ましい。これに対し
て従来法のこれらの特性は、比(r)が0.67程度で
あって、本発明とは異なりPZT膜中の酸素濃度の低下
が顕著に観察された。なお、これらの酸素濃度の測定
は、次のようにして行った。
The present inventors have made intensive studies and found that the ratio (r) of the two oxygen concentrations is preferably in the range of 0.9 to 1.2, and the oxygen concentration in the vicinity of the lower electrode was 30 to It is preferably in the range of 60 atomic%. On the other hand, in these characteristics of the conventional method, the ratio (r) was about 0.67, and unlike the present invention, a remarkable decrease in the oxygen concentration in the PZT film was observed. The measurement of the oxygen concentration was performed as follows.

【0063】圧電体薄膜を低角イオンミリング装置にて
薄膜断片化し、これをTEM(透過型電子顕微鏡)にて
組成分析した。用いた装置、低角イオンミリングはシ゛ャハ
゜ン フィシ゛テック アント゛ ハンク゛レイ リンタ゛社製であり、TEMは、
フィリップ社製のFEG−CM200TEMである。
尚、TEMによるXEDX観察の際の印加電圧は200
kVである。
The piezoelectric thin film was fragmented by a low-angle ion milling machine, and the composition was analyzed by TEM (transmission electron microscope). The equipment used and the low-angle ion milling were manufactured by Shahwan Fischtech Ant Hankley Linter Co., Ltd.
It is a FEG-CM200TEM manufactured by Phillip.
The applied voltage during XEDX observation by TEM was 200
kV.

【0064】測定結果は、4点の平均を取ったデータで
あり次のとおりである。
The measurement results are data obtained by averaging four points, and are as follows.

【0065】 (データの単位は原子%である。) 本発明によれば、圧電定数(d31)を20〜30%、従
来のものに比べて向上できる。
[0065] (The unit of data is atomic%.) According to the present invention, the piezoelectric constant (d 31 ) can be improved by 20 to 30% as compared with the conventional one.

【0066】以上により図5(b)の工程を終了し、次
に図5(c)に示す工程に移行する。この工程では図5(b)
に示す工程で得たPZT膜15上に、スパッタ法によっ
て、膜厚が、0.2〜1.0μm程度のアルミニウムか
らなる上電極16を形成する。
The process shown in FIG. 5B is completed as described above, and the process shifts to a process shown in FIG. 5C. In this step, FIG.
The upper electrode 16 made of aluminum having a thickness of about 0.2 to 1.0 μm is formed on the PZT film 15 obtained in the step shown in FIG.

【0067】このようにして、図2に示すような圧電体
薄膜素子を得た。なお、得られたPZT膜15には、ク
ラックの発生がなく、また断面には積層による層状の不
連続面も存在していないことが確認された。
Thus, a piezoelectric thin film device as shown in FIG. 2 was obtained. In addition, it was confirmed that the obtained PZT film 15 did not have any cracks, and that the cross section did not have a layered discontinuous surface due to lamination.

【0068】図6は、本発明に係る圧電体薄膜素子を振
動子として使用したインクジェット式記録ヘッドの一つ
のインク溜め部分を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing one ink reservoir of an ink jet recording head using the piezoelectric thin film element according to the present invention as a vibrator.

【0069】実施の形態3に係るインクジェット式記録
ヘッドは、図6に示すように、インク溜め27が形成さ
れたシリコン基板21と、シリコン基板21上に形成さ
れた振動板22と、振動板22上の所望位置に形成され
た下電極23と、下電極23上であって、インク溜め2
7に対応した位置に形成された圧電体薄膜24と、圧電
体薄膜24上に形成された上電極25と、シリコン基板
21の下面に接合された第2の基板26と、を備えて構
成されている。
As shown in FIG. 6, the ink jet recording head according to the third embodiment includes a silicon substrate 21 on which an ink reservoir 27 is formed, a vibration plate 22 formed on the silicon substrate 21, and a vibration plate 22. A lower electrode 23 formed at a desired position on the upper side and an ink reservoir 2 on the lower electrode 23
7, an upper electrode 25 formed on the piezoelectric thin film 24, and a second substrate 26 joined to the lower surface of the silicon substrate 21. ing.

【0070】下電極23は、実施の形態2で説明した下
電極と同様の構成を有している。また、圧電体薄膜24
は、実施の形態1で説明したPZT膜と同様の構成を有
している。
The lower electrode 23 has the same configuration as the lower electrode described in the second embodiment. The piezoelectric thin film 24
Has the same configuration as the PZT film described in the first embodiment.

【0071】このインクジェット式記録ヘッドは、図示
しないインク流路を介してインク溜め27にインクが供
給される。ここで、下電極23と上電極25とを介し
て、圧電体膜24に電圧を印加すると、圧電体膜24が
変形してインク溜め27内のインクに圧力を加える。こ
の圧力によって、インクが図示しないノズルから吐出さ
れ、インクジェット記録を行う。
In the ink jet recording head, ink is supplied to the ink reservoir 27 via an ink channel (not shown). Here, when a voltage is applied to the piezoelectric film 24 via the lower electrode 23 and the upper electrode 25, the piezoelectric film 24 is deformed and pressure is applied to the ink in the ink reservoir 27. With this pressure, ink is ejected from a nozzle (not shown) to perform ink jet recording.

【0072】ここで、このインクジェット式記録ヘッド
は、既述の圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を振動子と
して用いているため、大きな圧力でインクを吐出させる
ことができる。
In this ink jet recording head, since the above-described piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics is used as a vibrator, ink can be ejected with a large pressure.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る圧電
体薄膜素子の製造方法によれば、圧電体薄膜素子を形成
する過程において、圧電体薄膜中の酸素濃度の低下を防
ぐことにより、圧電体特性に優れた圧電体薄膜を提供す
ることができる。
As described above, according to the method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention, it is possible to prevent a decrease in the oxygen concentration in the piezoelectric thin film in the process of forming the piezoelectric thin film element. A piezoelectric thin film having excellent piezoelectric properties can be provided.

【0074】また、本発明によれば、圧電体薄膜中の酸
素濃度の低下を防ぐことにより、圧電体特性に優れた圧
電体薄膜を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric thin film having excellent piezoelectric properties by preventing a decrease in oxygen concentration in the piezoelectric thin film.

【0075】さらに、本発明によれば、この圧電体薄膜
を備えたアクチュエータ、特にインクジェット式記録ヘ
ッドを提供するができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide an actuator having the piezoelectric thin film, particularly an ink jet recording head.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態1に係る圧電体薄膜素子の
断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a piezoelectric thin film element according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】実施の形態1に係る圧電体薄膜素子を構成する
PZT膜の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真
である。
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of a PZT film constituting the piezoelectric thin film element according to the first embodiment.

【図3】図2に示すPZT膜の平面を示す走査型電子顕
微鏡写真である。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing a plane of the PZT film shown in FIG. 2;

【図4】本発明の製造工程によって得られた圧電体薄膜
素子の断面を示す走査型顕微鏡(SEM)写真である。
FIG. 4 is a scanning microscope (SEM) photograph showing a cross section of the piezoelectric thin film element obtained by the manufacturing process of the present invention.

【図5】(a)ないし(c)は、前述した圧電体薄膜素子の製
造工程を示す断面図である。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the above-described piezoelectric thin film element.

【図6】本発明に係る圧電体薄膜素子を振動子として使
用したインクジェット式記録ヘッドの一つのインク溜め
部分を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing one ink reservoir of an ink jet recording head using a piezoelectric thin film element according to the present invention as a vibrator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、21 シリコン基板 12 シリコン酸化膜 13 チタン酸化膜 14、23 下電極 14B チタン種結晶 15 PZT膜 16、25 上電極 22 振動板 24 圧電体薄膜 26 基板 27 インク溜り 11, 21 Silicon substrate 12 Silicon oxide film 13 Titanium oxide film 14, 23 Lower electrode 14B Titanium seed crystal 15 PZT film 16, 25 Upper electrode 22 Vibration plate 24 Piezoelectric thin film 26 Substrate 27 Ink pool

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電体膜を挟んで上電極と下電極とを形
成するものであって、この下電極上に前記圧電体を形成
後熱処理する圧電体薄膜の製造方法において、前記下電
極形成後圧電体薄膜形成前に酸素雰囲気下で熱処理する
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
1. A method of manufacturing a piezoelectric thin film, wherein an upper electrode and a lower electrode are formed with a piezoelectric film interposed therebetween, and the piezoelectric material is formed on the lower electrode and then heat-treated. A method for manufacturing a piezoelectric thin film, comprising performing a heat treatment in an oxygen atmosphere before forming a piezoelectric thin film.
【請求項2】 前記酸素雰囲気が、酸素分圧60%以上
である請求項1記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the oxygen atmosphere has an oxygen partial pressure of 60% or more.
【請求項3】 多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体
膜を挟んで配置される上電極と下電極と、を備えた圧電
体薄膜素子において、前記下電極上に圧電体薄膜を形成
する前に、前記下電極を酸素存在下で熱処理してなる圧
電体薄膜素子。
3. A piezoelectric thin film element comprising a polycrystalline piezoelectric film, and an upper electrode and a lower electrode disposed with the piezoelectric film interposed therebetween, wherein a piezoelectric thin film is formed on the lower electrode. A piezoelectric thin film element formed by subjecting the lower electrode to a heat treatment in the presence of oxygen before being formed.
【請求項4】 多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体
膜を挟んで配置される上電極と下電極と、を備えた圧電
体薄膜素子において、前記下電極近傍の圧電体の酸素濃
度と圧電体薄膜の酸素濃度比(r)が0.9以上1.2以下の
範囲にあることを特徴とする圧電体薄膜素子。 r=(圧電体薄膜中の酸素濃度/下電極近傍の圧電体膜
中の酸素濃度)
4. A piezoelectric thin film device comprising: a piezoelectric film made of a polycrystalline body; and an upper electrode and a lower electrode disposed with the piezoelectric film interposed therebetween. A piezoelectric thin-film element, wherein the oxygen concentration ratio (r) of the piezoelectric thin film is in the range of 0.9 to 1.2. r = (oxygen concentration in piezoelectric thin film / oxygen concentration in piezoelectric film near lower electrode)
【請求項5】 前記請求項3又は4記載の圧電体薄膜素
子を機械的応力発生手段として利用するアクチュエー
タ。
5. An actuator using the piezoelectric thin film element according to claim 3 as mechanical stress generating means.
【請求項6】 前記請求項5記載のアクチュエータを備
えたインクジェット式記録ヘッド。
6. An ink jet recording head comprising the actuator according to claim 5.
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