JPWO2015125520A1 - Ferroelectric thin film, substrate with piezoelectric thin film, piezoelectric actuator, ink jet head, ink jet printer, and method for manufacturing ferroelectric thin film - Google Patents

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Abstract

強誘電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなる。上記強誘電体薄膜において、鉛とランタンとの総和に対するランタンの比率aが、モル比で6%以上8%以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率bが、モル比で54%以上59%以下である。The ferroelectric thin film is made of lead lanthanum zirconate titanate. In the ferroelectric thin film, the ratio a of lanthanum to the sum of lead and lanthanum is 6% to 8% in terms of molar ratio, and the ratio b of zirconium to the sum of zirconium and titanium is 54% in terms of mole ratio. It is 59% or less.

Description

本発明は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)からなる強誘電体薄膜、その強誘電体薄膜を備えた圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび強誘電体薄膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a ferroelectric thin film made of lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), a substrate with a piezoelectric thin film provided with the ferroelectric thin film, a piezoelectric actuator, an inkjet head, an inkjet printer, and a method of manufacturing a ferroelectric thin film. Is.

従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、シリコン(Si)基板を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子が増加している。MEMS素子に圧電体を応用するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。圧電体を薄膜化することで、成膜、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現できる。また、大面積のウェハに素子を一括加工できるため、コストを低減できる。さらに、機械電気の変換効率が向上し、駆動素子の特性や、センサの感度が向上する等の利点がある。   Conventionally, piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) have been used as electromechanical conversion elements such as drive elements and sensors. In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements using a silicon (Si) substrate are increasing in response to demands for downsizing, high density, and low cost of devices. In order to apply a piezoelectric body to a MEMS element, it is desirable to make the piezoelectric body thin. By reducing the thickness of the piezoelectric body, high-precision processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and miniaturization and high density can be realized. Further, since the elements can be collectively processed on a large-area wafer, the cost can be reduced. Furthermore, there is an advantage that the conversion efficiency of mechanical electricity is improved and the characteristics of the drive element and the sensitivity of the sensor are improved.

このようなMEMS素子を用いたデバイスの応用例として、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタでは、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを、用紙や布などの記録メディアに対して相対的に移動させながらインクの吐出を制御することで、二次元の画像が記録メディアに形成される。   As an application example of a device using such a MEMS element, an ink jet printer is known. In an inkjet printer, a two-dimensional image is recorded on a recording medium by controlling the ejection of ink while moving an inkjet head having a plurality of channels for ejecting liquid ink relative to the recording medium such as paper or cloth. Formed.

インクの吐出は、圧力式のアクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形など)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。特に、高解像度(小液滴で良い)で小型、低コストのプリンタを実現するには、薄膜の圧電体を用いたインクジェットヘッドの利用が適している。   Ink can be ejected using a pressure actuator (piezoelectric, electrostatic, thermal deformation, etc.) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years. In particular, in order to realize a small-sized and low-cost printer with high resolution (small droplets may be used), it is suitable to use an inkjet head using a thin film piezoelectric body.

さらに近年、インクジェットプリンタには、より高速に高精細な画像を形成することが求められている。そのためには、インクジェットヘッドに対して、10cp(0.01Pa・s)以上の高粘度のインクを吐出する性能が求められる。高粘度のインクの吐出を実現するためには、圧電薄膜(強誘電体薄膜)に高い圧電特性(圧電定数d31)と変位発生力(膜厚1μm以上)が必要となる。In recent years, inkjet printers are required to form high-definition images at higher speeds. For this purpose, the ink jet head is required to be capable of ejecting ink having a high viscosity of 10 cp (0.01 Pa · s) or more. In order to realize high-viscosity ink ejection, the piezoelectric thin film (ferroelectric thin film) requires high piezoelectric characteristics (piezoelectric constant d 31 ) and displacement generation force (film thickness of 1 μm or more).

一方、PZTなどの圧電体をSiなどの基板上に成膜する方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。これらの製法により得られる薄膜の膜厚の上限は10μm程度である。それ以上の膜厚になると、クラックや膜剥がれが生じてしまい、所望の特性が得られない。   On the other hand, as a method of forming a piezoelectric material such as PZT on a substrate such as Si, a chemical film forming method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, a sol gel The growth method in the liquid phase such as the method is known. The upper limit of the thickness of the thin film obtained by these manufacturing methods is about 10 μm. If the film thickness exceeds that, cracks and film peeling occur, and desired characteristics cannot be obtained.

成膜されたPZTは、結晶が図11に示すペロブスカイト構造となるときに良好な圧電効果を発揮する。なお、ペロブスカイト構造とは、理想的には立方晶系の単位格子を有し、立方晶の各頂点に配置される金属A、体心に配置される金属B、立方晶の各面心に配置される酸素Oとから構成されるABO3型の結晶構造である。ペロブスカイト構造の結晶には、立方晶が歪んだ正方晶、斜方晶、菱面体晶等も含まれるものとする。The deposited PZT exhibits a good piezoelectric effect when the crystal has the perovskite structure shown in FIG. The perovskite structure ideally has a cubic unit cell, and is arranged at each vertex of the cubic A, metal B arranged at the body center, and arranged at each face center of the cubic crystal. It is an ABO 3 type crystal structure composed of oxygen O. Crystals having a perovskite structure include tetragonal crystals, orthorhombic crystals, rhombohedral crystals and the like in which cubic crystals are distorted.

Si基板上の電極の上に成膜されたPZTの薄膜は、電極の結晶との格子定数の違いから、複数の結晶の集合体からなる多結晶となる。この多結晶は、製法にもよるが、粒径が数百nmの粒状の結晶(粒状結晶)が寄り集まって構成されたり、幅は数百nmで膜厚方向には1つの細長い結晶粒である柱状結晶が寄り集まって構成される。柱状結晶においては、膜厚方向に同じ結晶面で成長したものが多くなるほど(配向性が高くなるほど)、膜の圧電特性が高くなることが知られている。   The PZT thin film formed on the electrode on the Si substrate becomes a polycrystal composed of an aggregate of a plurality of crystals due to the difference in lattice constant from the crystal of the electrode. Depending on the production method, this polycrystal is composed of granular crystals (granular crystals) with a particle size of several hundreds of nanometers, or a width of several hundreds of nanometers and one elongated crystal grain in the film thickness direction. A certain columnar crystal is gathered together. As for columnar crystals, it is known that the more the crystals grown on the same crystal plane in the film thickness direction (the higher the orientation), the higher the piezoelectric properties of the film.

圧電特性を向上させる方法の1つとして、圧電体に不純物を添加することでドメインの非180°分極回転を生じ易くさせ、比誘電率、圧電特性を向上させるというものがある。特に、図11に示したABO3型のペロブスカイト構造の圧電体において、Aサイトに位置する鉛(Pb)を、Pbよりも一つだけ価数の大きい元素であるランタン(La)で置換することで得られるPLZTという物質は、La添加量を所望の範囲とし、ジルコニウム(Zr)/チタン(Ti)比率をある組成比とすることで、高い比誘電率と圧電定数を有することが知られている。One method of improving the piezoelectric characteristics is to improve the relative dielectric constant and the piezoelectric characteristics by adding impurities to the piezoelectric body so that non-180 ° domain rotation of the domain can easily occur. In particular, in the ABO 3 type perovskite structure piezoelectric body shown in FIG. 11, lead (Pb) located at the A site is replaced with lanthanum (La), which is an element having a valence higher than that of Pb by one. It is known that the substance called PLZT has a high relative dielectric constant and a piezoelectric constant by setting the La addition amount in a desired range and a composition ratio of zirconium (Zr) / titanium (Ti). Yes.

例えば、非特許文献1は、バルクセラミックスのPLZTにおいて、La、Zr、Tiを所定の組成比(例えばモル比で、La/Zr/Ti=7/60/40)とすることで、高い圧電特性が得られることを開示している。また、特許文献1は、アクチュエータ用のバルクセラミックスのPLZTの組成として、La添加量がモル比で7.5〜21%の範囲において、La添加量に応じたZr/Ti組成比とすることで、高い特性が得られることを開示している。   For example, Non-Patent Document 1 describes that in PLZT of bulk ceramics, La, Zr, and Ti have a predetermined composition ratio (for example, molar ratio, La / Zr / Ti = 7/60/40), thereby achieving high piezoelectric characteristics. Is disclosed. Patent Document 1 discloses that the composition of PLZT of bulk ceramics for actuators is set to a Zr / Ti composition ratio corresponding to the amount of La added when the amount of La added is in the range of 7.5 to 21% in terms of molar ratio. Discloses that high characteristics can be obtained.

一方、特許文献2は、Zrが含まれないチタン酸ランタン鉛(PLT)の層を基板上に形成し、このPLT層の上にPLZT層を形成する技術を開示している。この技術においては、結晶性の良いPLT層を下引き層として、PLZTの結晶性を向上させることが可能である。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a technique in which a layer of lead lanthanum titanate (PLT) that does not contain Zr is formed on a substrate, and a PLZT layer is formed on the PLT layer. In this technique, it is possible to improve the crystallinity of PLZT by using a PLT layer having good crystallinity as an undercoat layer.

また、特許文献3は、PLZTのLa比率を、基板上付近では実質的に0%として、薄膜の厚み方向に大きくする技術を開示している。この技術においては、基板上付近で低La比率のPLZTを形成することで比較的高い結晶性を得るようにし、膜厚方向に連続的にLa比率を大きくすることで、PLZT全体の結晶性を向上させるようにしている。   Patent Document 3 discloses a technique for increasing the La ratio of PLZT substantially in the vicinity of the substrate to 0% in the thickness direction of the thin film. In this technique, a relatively high crystallinity is obtained by forming a low La ratio PLZT near the substrate, and the entire PLZT crystallinity is increased by continuously increasing the La ratio in the film thickness direction. I try to improve.

特開昭61−44764号公報(第1図参照)JP 61-44764 A (see FIG. 1) 特開平6−290983号公報(請求項1、段落〔0028〕、図1等参照)Japanese Patent Laid-Open No. 6-290983 (see claim 1, paragraph [0028], FIG. 1 etc.) 特許第4998652号公報(請求項1、段落〔0015〕、図1等参照)Japanese Patent No. 4998652 (refer to claim 1, paragraph [0015], FIG. 1 etc.)

Gene H.Heartling “Ferroelectric Ceramics: History and Technology”, Journal of American Ceramic Society, 82[4]797-818(1999)Gene H. Heartling “Ferroelectric Ceramics: History and Technology”, Journal of American Ceramic Society, 82 [4] 797-818 (1999)

ところで、バルクセラミックスのPLZTは、焼成等により単体で得られるが、PLZTの薄膜は、それ単体で得ることはできず、基板上にスパッタ等の成膜によって形成される。このように、バルクと薄膜とでは形成方法が異なるため、高い圧電特性を得るにあたって、非特許文献1や特許文献1にて規定されたバルクセラミックスのPLZTの組成をそのままPLZTの薄膜にストレートに適用することはできず、適用したとしても高い圧電特性を得ることはできない。つまり、La添加量の多い組成のPLZTを薄膜で得ようとした場合、これまではPZTに比べて結晶性が悪い薄膜しか得られておらず、バルクで得られているような高い圧電特性を実現できていない。   By the way, PLZT of bulk ceramics is obtained as a single substance by firing or the like, but a thin film of PLZT cannot be obtained as a single substance, and is formed on a substrate by film formation such as sputtering. Thus, since the formation method differs between the bulk and the thin film, the composition of the bulk ceramic PLZT defined in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 is applied straight to the PLZT thin film as it is to obtain high piezoelectric characteristics. Even if applied, high piezoelectric properties cannot be obtained. That is, when trying to obtain PLZT having a composition with a large amount of La as a thin film, only a thin film having poor crystallinity as compared with PZT has been obtained so far, and high piezoelectric characteristics as obtained in bulk are obtained. It has not been realized.

また、特許文献2では、メモリ用途のPLZT薄膜にのみ着目しており、それゆえ、膜厚100nm以下の薄膜についての記載しかなく、膜厚1μm以上の膜で高い圧電特性を実現するための組成に関する記載は全く無い。   Further, Patent Document 2 focuses only on a PLZT thin film for memory use, and therefore only describes a thin film with a film thickness of 100 nm or less, and a composition for realizing high piezoelectric characteristics with a film with a film thickness of 1 μm or more. There is no description about.

また、特許文献3のように、La組成比が膜厚方向に連続的に変化する構成では、圧電特性を示す特性値(例えば圧電定数)が膜厚方向に変化する。このため、La/Zr/Ti比率が一定の均質組成膜と比較すると、膜厚方向全体にわたって高い圧電特性を得ることができないことが懸念される。   Further, in the configuration in which the La composition ratio continuously changes in the film thickness direction as in Patent Document 3, the characteristic value (for example, piezoelectric constant) indicating the piezoelectric characteristics changes in the film thickness direction. For this reason, when compared with a homogeneous composition film having a constant La / Zr / Ti ratio, there is a concern that high piezoelectric characteristics cannot be obtained throughout the film thickness direction.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、PLZTの組成比率を適切に規定することにより、PLZTの薄膜で膜厚方向全体にわたって高い圧電特性を実現することができる強誘電体薄膜、その強誘電体薄膜を備えた圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび強誘電体薄膜の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to achieve high piezoelectric characteristics over the entire film thickness direction with a thin film of PLZT by appropriately defining the composition ratio of PLZT. An object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film that can be manufactured, a substrate with a piezoelectric thin film provided with the ferroelectric thin film, a piezoelectric actuator, an ink jet head, an ink jet printer, and a method of manufacturing a ferroelectric thin film.

本発明の一側面に係る強誘電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなる強誘電体薄膜であって、鉛とランタンとの総和に対するランタンの比率aが、モル比で6%以上8%以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率bが、モル比で54%以上59%以下である。   A ferroelectric thin film according to one aspect of the present invention is a ferroelectric thin film made of lead lanthanum zirconate titanate, and the ratio a of lanthanum to the sum of lead and lanthanum is 6% or more and 8% in molar ratio. The ratio b of zirconium to the sum of zirconium and titanium is 54% or more and 59% or less in terms of molar ratio.

上記構成によれば、PLZT薄膜の組成比(比率a、比率b)を適切に規定することにより、PLZTの薄膜で高い圧電特性を膜厚方向全体にわたって得ることができる。   According to the above configuration, by appropriately defining the composition ratio (ratio a, ratio b) of the PLZT thin film, it is possible to obtain high piezoelectric characteristics throughout the film thickness direction with the PLZT thin film.

本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの概略の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an inkjet printer according to an embodiment of the present invention. FIG. 上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドのアクチュエータの概略の構成を示す平面図、およびその平面図におけるA−A’線矢視断面図である。FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of an actuator of an ink jet head provided in the ink jet printer, and a cross-sectional view taken along line A-A ′ in the plan view. 上記インクジェットヘッドの断面図である。It is sectional drawing of the said inkjet head. 上記インクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the said inkjet head. 上記インクジェットヘッドの他の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the said inkjet head. 基板上に圧電薄膜を成膜した圧電薄膜付き基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the board | substrate with a piezoelectric thin film which formed the piezoelectric thin film on the board | substrate. シード層を有する上記圧電薄膜付き基板の断面図である。It is sectional drawing of the said board | substrate with a piezoelectric thin film which has a seed layer. 圧電変位測定計の概略の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the schematic structure of a piezoelectric displacement measuring meter. PLZTにおけるZrとTiとの総和に対するZrの比率と、圧電定数d31との関係を示すグラフである。The ratio of Zr to the sum of Zr and Ti in the PLZT, is a graph showing the relationship between the piezoelectric constant d 31. PLZTの膜厚と、圧電定数d31との関係を示すグラフである。And the PLZT film thickness is a graph showing the relationship between the piezoelectric constant d 31. 圧電体の結晶構造を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the crystal structure of a piezoelectric material.

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をA〜Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present specification, when the numerical range is expressed as A to B, the numerical value range includes the values of the lower limit A and the upper limit B.

〔インクジェットプリンタの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
[Configuration of inkjet printer]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an inkjet printer 1 according to the present embodiment. The ink jet printer 1 is a so-called line head type ink jet recording apparatus in which an ink jet head 21 is provided in a line shape in the width direction of a recording medium in the ink jet head unit 2.

インクジェットプリンタ1は、上記のインクジェットヘッド部2と、繰り出しロール3と、巻き取りロール4と、2つのバックロール5・5と、中間タンク6と、送液ポンプ7と、貯留タンク8と、定着機構9とを備えている。   The ink jet printer 1 includes an ink jet head unit 2, a feed roll 3, a take-up roll 4, two back rolls 5 and 5, an intermediate tank 6, a liquid feed pump 7, a storage tank 8, and a fixing tank. And a mechanism 9.

インクジェットヘッド部2は、インクジェットヘッド21から記録媒体Pに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成(描画)を行うものであり、一方のバックロール5の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド21の詳細については後述する。   The ink jet head unit 2 ejects ink from the ink jet head 21 toward the recording medium P to perform image formation (drawing) based on image data, and is disposed in the vicinity of one back roll 5. Details of the inkjet head 21 will be described later.

繰り出しロール3、巻き取りロール4および各バックロール5は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール3は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Pを、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール3は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Pを図1のX方向へ繰り出して搬送する。   The feed roll 3, the take-up roll 4 and the back rolls 5 are members each having a cylindrical shape that can rotate about its axis. The feeding roll 3 is a roll that feeds the long recording medium P wound around the circumferential surface toward the position facing the inkjet head unit 2. The feeding roll 3 is rotated by driving means (not shown) such as a motor, thereby feeding the recording medium P in the X direction in FIG.

巻き取りロール4は、繰り出しロール3より繰り出されて、インクジェットヘッド部2によってインクが吐出された記録媒体Pを周面に巻き取る。   The take-up roll 4 is taken out from the take-out roll 3 and takes up the recording medium P on which the ink is ejected by the inkjet head unit 2 around the circumferential surface.

各バックロール5は、繰り出しロール3と巻き取りロール4との間に配設されている。記録媒体Pの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール5は、繰り出しロール3によって繰り出された記録媒体Pを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール5は、インクジェットヘッド部2との対向位置から巻き取りロール4に向けて、記録媒体Pを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。   Each back roll 5 is disposed between the feed roll 3 and the take-up roll 4. One back roll 5 located on the upstream side in the conveyance direction of the recording medium P is opposed to the inkjet head unit 2 while winding the recording medium P fed by the feeding roll 3 around and supporting the recording medium P. Transport toward The other back roll 5 conveys the recording medium P from a position facing the inkjet head unit 2 toward the take-up roll 4 while being wound around and supported by a part of the peripheral surface.

中間タンク6は、貯留タンク8より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク6は、複数のインクチューブ10と接続され、各インクジェットヘッド21におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド21にインクを供給する。   The intermediate tank 6 temporarily stores the ink supplied from the storage tank 8. The intermediate tank 6 is connected to a plurality of ink tubes 10, adjusts the back pressure of ink in each inkjet head 21, and supplies ink to each inkjet head 21.

送液ポンプ7は、貯留タンク8に貯留されたインクを中間タンク6に供給するものであり、供給管11の途中に配設されている。貯留タンク8に貯留されたインクは、送液ポンプ7によって汲み上げられ、供給管11を介して中間タンク6に供給される。   The liquid feed pump 7 supplies the ink stored in the storage tank 8 to the intermediate tank 6 and is disposed in the middle of the supply pipe 11. The ink stored in the storage tank 8 is pumped up by the liquid feed pump 7 and supplied to the intermediate tank 6 through the supply pipe 11.

定着機構9は、インクジェットヘッド部2によって記録媒体Pに吐出されたインクを当該記録媒体Pに定着させる。この定着機構9は、吐出されたインクを記録媒体Pに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにUV(紫外線)を照射することによりインクを硬化させるためのUVランプ等で構成されている。   The fixing mechanism 9 fixes the ink ejected to the recording medium P by the inkjet head unit 2 on the recording medium P. The fixing mechanism 9 includes a heater for heat-fixing the discharged ink on the recording medium P, a UV lamp for curing the ink by irradiating the discharged ink with UV (ultraviolet light), and the like. Yes.

上記の構成において、繰り出しロール3から繰り出される記録媒体Pは、バックロール5により、インクジェットヘッド部2との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部2から記録媒体Pに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Pに吐出されたインクは定着機構9によって定着され、インク定着後の記録媒体Pが巻き取りロール4によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ1では、インクジェットヘッド部2を静止させた状態で、記録媒体Pを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Pに画像が形成される。   In the above configuration, the recording medium P fed from the feeding roll 3 is transported to a position facing the inkjet head unit 2 by the back roll 5, and ink is ejected from the inkjet head unit 2 to the recording medium P. Thereafter, the ink ejected onto the recording medium P is fixed by the fixing mechanism 9, and the recording medium P after ink fixing is taken up by the take-up roll 4. As described above, in the line head type inkjet printer 1, ink is ejected while the recording medium P is conveyed while the inkjet head unit 2 is stationary, and an image is formed on the recording medium P.

なお、インクジェットプリンタ1は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。また、記録媒体Pとしては、長尺状のもの以外にも、予め所定の大きさ(形状)に裁断されたシート状のものを用いてもよい。   The ink jet printer 1 may be configured to form an image on a recording medium by a serial head method. The serial head method is a method of forming an image by ejecting ink by moving an inkjet head in a direction orthogonal to the transport direction while transporting a recording medium. Further, as the recording medium P, in addition to the long one, a sheet-like one that has been cut into a predetermined size (shape) in advance may be used.

〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2は、インクジェットヘッド21のアクチュエータ21a(圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ)の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるA−A’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図3は、図2のアクチュエータ21aにノズル基板31を接合してなるインクジェットヘッド21の断面図である。
[Configuration of inkjet head]
Next, the configuration of the inkjet head 21 will be described. FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of an actuator 21a (substrate with piezoelectric thin film, piezoelectric actuator) of the inkjet head 21, and a cross-sectional view taken along line AA ′ in the plan view. is there. FIG. 3 is a cross-sectional view of the inkjet head 21 in which the nozzle substrate 31 is joined to the actuator 21a of FIG.

インクジェットヘッド21は、複数の圧力室22a(開口部)を有する基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26をこの順で有している。   The inkjet head 21 has a thermal oxide film 23, a lower electrode 24, a piezoelectric thin film 25, and an upper electrode 26 in this order on a substrate 22 having a plurality of pressure chambers 22a (openings).

基板22は、厚さが例えば300〜500μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。なお、図2では、基板22をSOI基板で構成した場合を示している。SOI基板は、酸化膜を介して2枚のSi基板を接合したものである。基板22における圧力室22aの上壁は、従動膜となる振動板22bを構成しており、圧電薄膜25の駆動(伸縮)に伴って変位(振動)し、圧力室22a内のインクに圧力を付与する。   The substrate 22 is composed of a semiconductor substrate made of a single crystal Si (silicon) simple substance having a thickness of about 300 to 500 μm, for example, or an SOI (Silicon on Insulator) substrate. Note that FIG. 2 shows a case where the substrate 22 is configured by an SOI substrate. The SOI substrate is obtained by bonding two Si substrates through an oxide film. The upper wall of the pressure chamber 22a in the substrate 22 constitutes a diaphragm 22b serving as a driven film, which is displaced (vibrated) as the piezoelectric thin film 25 is driven (expanded / contracted), and applies pressure to the ink in the pressure chamber 22a. Give.

熱酸化膜23は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。The thermal oxide film 23 is made of, for example, SiO 2 (silicon oxide) having a thickness of about 0.1 μm, and is formed for the purpose of protecting and insulating the substrate 22.

下部電極24は、複数の圧力室22aに共通して設けられるコモン電極であり、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜23とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。   The lower electrode 24 is a common electrode provided in common to the plurality of pressure chambers 22a, and is configured by laminating a Ti (titanium) layer and a Pt (platinum) layer. The Ti layer is formed in order to improve the adhesion between the thermal oxide film 23 and the Pt layer. The thickness of the Ti layer is, for example, about 0.02 μm, and the thickness of the Pt layer is, for example, about 0.1 μm.

圧電薄膜25は、例えばPZTにLaを添加したPLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)からなる強誘電体薄膜で構成されており、各圧力室22aに対応して設けられている。圧電薄膜25の膜厚は、例えば1μm以上10μm以下である。   The piezoelectric thin film 25 is composed of, for example, a ferroelectric thin film made of PLZT (lead lanthanum zirconate titanate) obtained by adding La to PZT, and is provided corresponding to each pressure chamber 22a. The thickness of the piezoelectric thin film 25 is, for example, 1 μm or more and 10 μm or less.

本実施形態では、圧電薄膜25を構成するPLZTにおけるLaの添加量は、モル比で6〜8%であり、Zr/(Zr+Ti)の組成比は、モル比で54〜59%の範囲である。つまり、PLZTにおけるPbとLaとの総和に対するLaの比率aが、モル比で6%以上8%以下であり、ZrとTiとの総和に対するZrの比率bが、モル比で54%以上59%以下である。このようにPLZTの組成比率を規定することにより、膜厚方向全体にわたって高い圧電特性を持つPLZTを実現することができるが、その詳細については、後述する実施例で説明する。   In this embodiment, the additive amount of La in PLZT constituting the piezoelectric thin film 25 is 6 to 8% in terms of molar ratio, and the composition ratio of Zr / (Zr + Ti) is in the range of 54 to 59% in terms of molar ratio. . That is, the ratio a of La to the sum of Pb and La in PLZT is 6% or more and 8% or less in terms of molar ratio, and the ratio b of Zr to the sum of Zr and Ti is 54% or more and 59% in terms of mole ratio. It is as follows. By defining the composition ratio of PLZT in this way, it is possible to realize PLZT having high piezoelectric characteristics over the entire film thickness direction, and details thereof will be described in the examples described later.

上部電極26は、各圧力室22aに対応して設けられる個別電極であり、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電薄膜25とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。上部電極26は、下部電極24との間で圧電薄膜25を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Pt層の代わりに、金(Au)からなる層を形成してもよい。   The upper electrode 26 is an individual electrode provided corresponding to each pressure chamber 22a, and is configured by laminating a Ti layer and a Pt layer. The Ti layer is formed in order to improve the adhesion between the piezoelectric thin film 25 and the Pt layer. The thickness of the Ti layer is about 0.02 μm, for example, and the thickness of the Pt layer is about 0.1 to 0.2 μm, for example. The upper electrode 26 is provided so as to sandwich the piezoelectric thin film 25 from the film thickness direction with the lower electrode 24. Note that a layer made of gold (Au) may be formed instead of the Pt layer.

下部電極24、圧電薄膜25および上部電極26は、圧力室22a内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子27を構成している。この薄膜圧電素子27は、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。インクジェットヘッド21は、薄膜圧電素子27および圧力室22aを縦横に並べることにより形成される。   The lower electrode 24, the piezoelectric thin film 25, and the upper electrode 26 constitute a thin film piezoelectric element 27 for discharging ink in the pressure chamber 22a to the outside. The thin film piezoelectric element 27 is driven based on a voltage (drive signal) applied from the drive circuit 28 to the lower electrode 24 and the upper electrode 26. The ink jet head 21 is formed by arranging the thin film piezoelectric element 27 and the pressure chamber 22a vertically and horizontally.

圧力室22aの振動板22bとは反対側には、ノズル基板31が接合されている。ノズル基板31には、圧力室22aに収容されるインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔(ノズル孔)31aが形成されている。圧力室22aには、中間タンク6より供給されるインクが収容される。   A nozzle substrate 31 is bonded to the opposite side of the pressure chamber 22a from the diaphragm 22b. The nozzle substrate 31 is formed with ejection holes (nozzle holes) 31a for ejecting ink stored in the pressure chambers 22a to the outside as ink droplets. Ink supplied from the intermediate tank 6 is stored in the pressure chamber 22a.

上記の構成において、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に電圧を印加すると、圧電薄膜25が、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向(基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電薄膜25と振動板22bとの長さの違いにより、振動板22bに曲率が生じ、振動板22bが厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。   In the above configuration, when a voltage is applied from the drive circuit 28 to the lower electrode 24 and the upper electrode 26, the piezoelectric thin film 25 is in a direction perpendicular to the thickness direction (substrate) according to the potential difference between the lower electrode 24 and the upper electrode 26. (Direction parallel to the surface of 22). Then, due to the difference in length between the piezoelectric thin film 25 and the diaphragm 22b, a curvature is generated in the diaphragm 22b, and the diaphragm 22b is displaced (curved or vibrated) in the thickness direction.

したがって、圧力室22a内にインクを収容しておけば、上述した振動板22bの振動により、圧力室22a内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室22a内のインクが吐出孔31aからインク滴として外部に吐出される。   Therefore, if ink is accommodated in the pressure chamber 22a, a pressure wave is propagated to the ink in the pressure chamber 22a by the vibration of the vibration plate 22b described above, and the ink in the pressure chamber 22a is ejected from the ejection hole 31a. Is discharged to the outside.

本実施形態のインクジェットヘッド21aにおいては、後述するように、圧電アクチュエータ21aの圧電薄膜25の圧電特性が高いため、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となり、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタ1を実現することが可能となる。   In the inkjet head 21a of the present embodiment, as will be described later, since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film 25 of the piezoelectric actuator 21a are high, ink ejection using high-viscosity ink is possible, which is advantageous for high-speed and high-definition drawing. Ink jet printer 1 can be realized.

また、上記した圧電アクチュエータ21a(圧電薄膜付き基板)において、圧電薄膜25に対して下部電極24とは反対側に別の上部電極26が形成されているため、圧電薄膜25を印加電圧に応じて確実に伸縮させることができる。   Further, in the above-described piezoelectric actuator 21a (substrate with a piezoelectric thin film), another upper electrode 26 is formed on the opposite side of the piezoelectric thin film 25 from the lower electrode 24. Therefore, the piezoelectric thin film 25 is applied according to the applied voltage. Can be expanded and contracted reliably.

〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド21の製造方法について以下に説明する。図4は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。
[Inkjet head manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the inkjet head 21 of this embodiment is demonstrated below. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the inkjet head 21.

まず、基板22を用意する。基板22としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜22eを介して2枚のSi基板22c・22dが接合されたSOI構造のものを用いている。   First, the substrate 22 is prepared. As the substrate 22, crystalline silicon (Si) often used in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be used. Here, two Si substrates 22 c and 22 d are bonded via an oxide film 22 e. An SOI structure is used.

基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板22c・22dの表面にSiO2からなる熱酸化膜23a・23bをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜23a上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極24を形成する。The substrate 22 is put in a heating furnace and held at about 1500 ° C. for a predetermined time, and thermal oxide films 23a and 23b made of SiO 2 are formed on the surfaces of the Si substrates 22c and 22d, respectively. Next, on the one thermal oxide film 23a, each layer of titanium and platinum is sequentially formed by sputtering to form the lower electrode 24.

続いて、基板22を600℃程度に再加熱し、変位膜となるPLZTの層25aをスパッタ法で成膜する。次に、基板22に感光性樹脂35をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂35の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜25の形状を転写する。その後、感光性樹脂35をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層25aの形状を加工し、圧電薄膜25とする。   Subsequently, the substrate 22 is reheated to about 600 ° C., and a PLZT layer 25a serving as a displacement film is formed by sputtering. Next, a photosensitive resin 35 is applied to the substrate 22 by a spin coating method, and unnecessary portions of the photosensitive resin 35 are removed by exposure and etching through a mask, and the shape of the piezoelectric thin film 25 to be formed is transferred. . Thereafter, using the photosensitive resin 35 as a mask, the shape of the layer 25 a is processed using a reactive ion etching method to form the piezoelectric thin film 25.

次に、圧電薄膜25を覆うように下部電極24上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層26aを形成する。続いて、層26a上に感光性樹脂36をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂36の不要な部分を除去し、形成する上部電極26の形状を転写する。その後、感光性樹脂36をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層26aの形状を加工し、上部電極26を形成する。   Next, a titanium layer and a platinum layer are sequentially formed by sputtering on the lower electrode 24 so as to cover the piezoelectric thin film 25, thereby forming a layer 26a. Subsequently, a photosensitive resin 36 is applied onto the layer 26a by a spin coating method, and unnecessary portions of the photosensitive resin 36 are removed by exposure and etching through a mask, and the shape of the upper electrode 26 to be formed is transferred. To do. Thereafter, using the photosensitive resin 36 as a mask, the shape of the layer 26a is processed using a reactive ion etching method to form the upper electrode 26.

次に、基板22の裏面(熱酸化膜23b側)に感光性樹脂37をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂37の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室22aの形状を転写する。そして、感光性樹脂37をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板22の除去加工を行い、圧力室22aを形成してアクチュエータ21aとする。   Next, a photosensitive resin 37 is applied to the back surface (thermal oxide film 23b side) of the substrate 22 by a spin coat method, and unnecessary portions of the photosensitive resin 37 are removed by exposure and etching through a mask. The shape of the pressure chamber 22a to be formed is transferred. Then, using the photosensitive resin 37 as a mask, the substrate 22 is removed using a reactive ion etching method to form a pressure chamber 22a to be an actuator 21a.

その後、アクチュエータ21aの基板22と、吐出孔31aを有するノズル基板31とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド21が完成する。なお、吐出孔31aに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜23bを除去して、基板22と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板31とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに3者(基板22、中間ガラス、ノズル基板31)を接合することができる。   Thereafter, the substrate 22 of the actuator 21a and the nozzle substrate 31 having the discharge holes 31a are bonded using an adhesive or the like. Thereby, the inkjet head 21 is completed. It should be noted that an intermediate glass having a through hole at a position corresponding to the discharge hole 31a is used, the thermal oxide film 23b is removed, and the substrate 22 and the intermediate glass, and the intermediate glass and the nozzle substrate 31 are anodic bonded to each other. Also good. In this case, the three parties (substrate 22, intermediate glass, nozzle substrate 31) can be joined without using an adhesive.

なお、下部電極24を構成する電極材料は、上述したPtに限定されるわけではなく、その他にも、例えばAu(金)、Ir(イリジウム)、IrO2(酸化イリジウム)、RuO2(酸化ルテニウム)、LaNiO3(ニッケル酸ランタン)、SrRuO3(ルテニウム酸ストロンチウム)等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。The electrode material constituting the lower electrode 24 is not limited to the above-described Pt, and for example, Au (gold), Ir (iridium), IrO 2 (iridium oxide), RuO 2 (ruthenium oxide). ), LaNiO 3 (lanthanum nickelate), SrRuO 3 (strontium ruthenate) or a metal, or a combination thereof.

〔インクジェットヘッドの他の構成〕
図5は、インクジェットヘッド21の他の構成を示す断面図である。同図のように、下部電極24と圧電薄膜25との間にシード層29を設けるようにしてもよい。シード層29は、圧電薄膜25の結晶配向性を制御するための配向制御層である。このようなシード層29は、例えばPLT(チタン酸ランタン鉛)で構成されるが、LaNiO3やSrRuO3で構成されてもよい。
[Other configurations of inkjet head]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another configuration of the inkjet head 21. As shown in the figure, a seed layer 29 may be provided between the lower electrode 24 and the piezoelectric thin film 25. The seed layer 29 is an orientation control layer for controlling the crystal orientation of the piezoelectric thin film 25. Such seed layer 29 is made of, for example, PLT (lead lanthanum titanate), but may be made of LaNiO 3 or SrRuO 3 .

〔実施例〕
次に、圧電薄膜を構成するPLZTの組成比の具体例について、圧電薄膜の製法も含めて実施例として説明する。また、実施例との比較のため、比較例についても併せて説明する。図6は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電薄膜付き基板の製造工程を示す断面図である。
〔Example〕
Next, a specific example of the composition ratio of PLZT constituting the piezoelectric thin film will be described as an example including the manufacturing method of the piezoelectric thin film. Moreover, a comparative example is also demonstrated for the comparison with an Example. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a substrate with a piezoelectric thin film in which a piezoelectric thin film is formed on the substrate.

(実施例1)
まず、厚さ400μm程度の単結晶Siウェハからなる基板41に、熱酸化膜42を100nm程度形成した。ウェハの厚みは300μm〜725μm、直径は3インチ〜8インチなど、標準的な値でよい。熱酸化膜42は、ウェット酸化用熱炉を用いてSiウェハを酸素雰囲気中に1200℃程度の高温にさらすことで形成できる。なお、基板41および熱酸化膜42は、図2の基板22および熱酸化膜23にそれぞれ対応するものである。
Example 1
First, a thermal oxide film 42 of about 100 nm was formed on a substrate 41 made of a single crystal Si wafer having a thickness of about 400 μm. The wafer thickness may be a standard value such as 300 μm to 725 μm and a diameter of 3 inches to 8 inches. The thermal oxide film 42 can be formed by exposing the Si wafer to a high temperature of about 1200 ° C. in an oxygen atmosphere using a wet oxidation furnace. The substrate 41 and the thermal oxide film 42 correspond to the substrate 22 and the thermal oxide film 23 in FIG.

次に、熱酸化膜付きSi基板上に、スパッタ法により、厚さ10nm程度のTi層を密着層として形成し、さらにPt層を150nm程度形成して、下部電極43を形成した。このときのTiのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.9Pa、ターゲットに印加するRFパワー:100W、基板温度:400℃であった。また、Ptのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、圧力:0.8Pa、ターゲットに印加するRFパワー:150W、基板温度:400℃であった。なお、下部電極43は、図2の下部電極24に対応するものである。   Next, on the Si substrate with a thermal oxide film, a Ti layer having a thickness of about 10 nm was formed as an adhesion layer by sputtering, and a Pt layer was further formed to have a thickness of about 150 nm to form the lower electrode 43. The sputtering conditions of Ti at this time were Ar flow rate: 20 sccm, pressure: 0.9 Pa, RF power applied to the target: 100 W, and substrate temperature: 400 ° C. The sputtering conditions for Pt were Ar flow rate: 20 sccm, pressure: 0.8 Pa, RF power applied to the target: 150 W, and substrate temperature: 400 ° C. The lower electrode 43 corresponds to the lower electrode 24 in FIG.

なお、Ti、Ptの成膜は、チャンバー内にTi、Ptの2つのターゲットをもつ2元スパッタリング装置を用いて行った。これにより、Pt/Ti/Si基板の積層構造を、真空から出すことなく連続して形成することができる。   The Ti and Pt films were formed using a binary sputtering apparatus having two targets of Ti and Pt in the chamber. Thereby, the laminated structure of the Pt / Ti / Si substrate can be continuously formed without taking vacuum.

続いて、スパッタリング装置を用い、Pt上にPLZTを4μm程度成膜し、PLZTからなる圧電薄膜44を形成した。これにより、基板41上に圧電薄膜44を形成した圧電薄膜付き基板40が形成される。なお、圧電薄膜44は、図2の圧電薄膜25に対応するものである。PLZTのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、O2流量:0.6sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:600℃、ターゲットに印加するRFパワー:500Wであった。Subsequently, using a sputtering apparatus, a PLZT film having a thickness of about 4 μm was formed on Pt to form a piezoelectric thin film 44 made of PLZT. Thereby, the substrate 40 with the piezoelectric thin film in which the piezoelectric thin film 44 is formed on the substrate 41 is formed. The piezoelectric thin film 44 corresponds to the piezoelectric thin film 25 of FIG. The sputtering conditions for PLZT were Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 0.6 sccm, pressure: 0.5 Pa, substrate temperature: 600 ° C., and RF power applied to the target: 500 W.

また、スパッタのターゲットには、La/Zr/Ti比が、モル比で8/57/43となっているものを用いた。なお、ターゲットに含まれるPbは、高温成膜時に再蒸発しやすく、形成された薄膜がPb不足になりやすいため、ペロブスカイト結晶の化学量論比よりも多めに添加する必要がある。ターゲットのPb量は、成膜温度にもよるが、化学量論比よりも10〜30%増やすことが望ましい。   A sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 8/57/43 in molar ratio was used. Note that Pb contained in the target is likely to be re-evaporated at the time of high-temperature film formation, and the formed thin film tends to be Pb deficient. Therefore, it is necessary to add Pb more than the stoichiometric ratio of the perovskite crystal. Although the target Pb amount depends on the film formation temperature, it is desirable to increase it by 10 to 30% from the stoichiometric ratio.

成膜されたPLZT膜をX線回折(XRD:X-ray diffraction)で測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。なお、(100)配向とは、ペロブスカイトの結晶配向を指し、これには分極方向が基板の面に平行な〈100〉方向のみならず、これと等価な方向(例えば基板の面に垂直な〈001〉方向)であるものも含まれる。上記のように膜の(100)配向度は90%であることから、残りの10%は(111)配向であると考えることができる。   As a result of measuring the formed PLZT film by X-ray diffraction (XRD), the (100) orientation degree of the film was 90%. The (100) orientation refers to the crystal orientation of the perovskite, which includes not only the <100> direction in which the polarization direction is parallel to the surface of the substrate, but also an equivalent direction (for example, < (001> direction) is also included. Since the degree of (100) orientation of the film is 90% as described above, the remaining 10% can be considered to be (111) orientation.

また、成膜されたPLZT膜の断面形状を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で確認すると、膜厚4μmの柱状結晶が得られていたことがわかった。さらに、エネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)により、PLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で7.5/56.8/43.2となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は150MPaであった。   Further, when the cross-sectional shape of the formed PLZT film was confirmed with a scanning electron microscope (SEM), it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4 μm was obtained. Furthermore, as a result of analyzing the composition of the PLZT film by energy dispersive X-ray analysis (EDX), the La / Zr / Ti ratio is 7.5 / 56.8 / 43. It was found that a film having a composition close to the target composition was obtained. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 150 MPa.

次に、圧電薄膜44上に、Auを蒸着して上部電極を形成し、圧電素子50(図8参照)を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、図8に示す圧電変位測定計を用いたカンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−195.6pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, Au is vapor-deposited on the piezoelectric thin film 44 to form an upper electrode, and the piezoelectric element 50 (see FIG. 8) is completed. Then, the piezoelectric element 50 is cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric element shown in FIG. The piezoelectric constant d 31 was determined by a cantilever method using a displacement meter. As a result, it was found that d 31 = −195.6 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

なお、上記の圧電変位測定計では、カンチレバーの可動長さが10mmになるように、圧電素子50の端部を固定部51でクランプして片持ち梁構造とし、関数発生器52により、上部電極に最大0V、下部電極に最小−20Vの電圧を500Hzの周波数にて印加し、圧電素子50の端部の変位をレーザードップラー振動計53によって観察した。そして、得られた圧電変位から、公知の手法で圧電定数d31を求めた。In the piezoelectric displacement measuring instrument described above, the end of the piezoelectric element 50 is clamped by the fixed portion 51 so that the movable length of the cantilever is 10 mm, and the cantilever structure is used. A maximum voltage of 0 V was applied to the lower electrode, and a minimum voltage of −20 V was applied to the lower electrode at a frequency of 500 Hz. Then, the piezoelectric constant d 31 was obtained from the obtained piezoelectric displacement by a known method.

成膜されたPLZT膜の結晶構造が柱状結晶となることで、膜厚方向には単一の結晶粒からなる膜が得られ、結晶粒の体積が粒状結晶よりも大きくなる。このため、単結晶内に分極ドメインがより多く存在するようになり、それによって分極回転による圧電特性の向上が望める。   Since the crystal structure of the formed PLZT film is a columnar crystal, a film composed of a single crystal grain is obtained in the film thickness direction, and the volume of the crystal grain is larger than that of the granular crystal. For this reason, more polarization domains are present in the single crystal, which can improve the piezoelectric characteristics due to polarization rotation.

(実施例2)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、ゾルゲル法によりPLZTを2μm成膜して圧電薄膜44を形成した。より詳細には、以下の通りである。
(Example 2)
A 2 μm film of PLZT was formed on a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1 by the sol-gel method to form a piezoelectric thin film 44. More details are as follows.

La/Zr/Ti比が6/54/46となるようモル比を調整したPLZT前駆体溶液を用い、下部電極43上に、スピンコーターにより回転数が約500rpmで3秒間程度、さらに、回転数が約3000rpmで20秒間程度のコート処理を行った。その後、110℃に設定したホットプレート上に5分間置くことで、有機溶剤を揮発させた(乾燥工程)。続いて、RTA(rapid thermal annealing)炉を用いて、450℃5分間の仮焼成と700℃2分間の本焼成とを連続して行うことにより、約100nmのPLZT膜を成膜し、このサイクルを所定回繰り返すことで、膜厚2μmのPLZT膜を成膜した。   Using a PLZT precursor solution whose molar ratio was adjusted so that the La / Zr / Ti ratio was 6/54/46, the number of revolutions was about 3 seconds at about 500 rpm with a spin coater on the lower electrode 43. Was coated at about 3000 rpm for about 20 seconds. Thereafter, the organic solvent was volatilized by placing it on a hot plate set at 110 ° C. for 5 minutes (drying step). Subsequently, by using a RTA (rapid thermal annealing) furnace, a preliminary baking at 450 ° C. for 5 minutes and a main baking at 700 ° C. for 2 minutes are continuously performed to form a PLZT film having a thickness of about 100 nm. Was repeated a predetermined number of times to form a 2 μm thick PLZT film.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、多配向となっていた。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚2μmの粒状結晶が得られていることがわかった。また、EDXにより、PLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.2/54.1/45.9となっており、前駆体溶液の組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は、100MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, it was multi-oriented. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a granular crystal having a thickness of 2 μm was obtained. Further, as a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio is 6.2 / 54.1 / 55.9 in terms of molar ratio, which is close to the composition of the precursor solution. It was found that a film was obtained. Moreover, as a result of measuring the film stress by measuring the warpage of the wafer before and after film formation, the film stress of PLZT was 100 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−188.3pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −188.3 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(実施例3)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング装置を用いて、図7に示すシード層45としてのPLTを100nm程度形成した。なお、シード層45は、図5のシード層29に対応するものである。PLTのスパッタ条件は、Ar流量:30sccm、O2流量:0.6sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:700℃、ターゲットに印加するRFパワー:300Wであった。
(Example 3)
On a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1, a PLT as the seed layer 45 shown in FIG. The seed layer 45 corresponds to the seed layer 29 in FIG. The sputtering conditions for PLT were Ar flow rate: 30 sccm, O 2 flow rate: 0.6 sccm, pressure: 0.5 Pa, substrate temperature: 700 ° C., and RF power applied to the target: 300 W.

続いて、スパッタリング装置にて、PLT上にPLZTを5μm程度成膜し、圧電薄膜44を形成した。PLZTのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、O2流量:0.5sccm、圧力:0.4Pa、基板温度:650℃、ターゲットに印加するRFパワー:600Wであった。また、スパッタのターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で8/55/45となっているものを用いた。Subsequently, a PLZT film having a thickness of about 5 μm was formed on the PLT with a sputtering apparatus, and the piezoelectric thin film 44 was formed. The sputtering conditions for PLZT were Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 0.5 sccm, pressure: 0.4 Pa, substrate temperature: 650 ° C., and RF power applied to the target: 600 W. A sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 8/55/45 in terms of molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は99%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚5μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で7.8/55.4/44.6となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は250MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 99%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 5 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 7.8 / 55.4 / 44.6 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film stress by measuring the warpage of the wafer before and after the film formation, the film stress of PLZT was 250 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−204.2pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −204.2 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(実施例4)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPLZTを6μm程度成膜して、圧電薄膜44を形成した。PLZTのスパッタ条件は、実施例3と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で7/58/42となっているものを用いた。
Example 4
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 3, about 6 μm of PLZT was formed by sputtering to form the piezoelectric thin film 44. The sputtering conditions for PLZT were the same as in Example 3, and a sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 7/58/42 in terms of molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は98%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚6μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で7.1/58.9/41.1となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は200MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 98%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 6 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 7.1 / 58.9 / 41.1 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 200 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−202.9pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −202.9 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(実施例5)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPLZTを5μm程度成膜して、圧電薄膜44を形成した。このときのPLZTのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、O2流量:0.6sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:700℃、ターゲットに印加するRFパワー:500Wであった。つまり、膜応力を高くするために、PLZTの成膜温度を高く設定した。スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で8/57/43となっているものを用いた。
(Example 5)
On a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1, about 5 μm of PLZT was formed by sputtering to form a piezoelectric thin film 44. The sputtering conditions of PLZT at this time were Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 0.6 sccm, pressure: 0.5 Pa, substrate temperature: 700 ° C., and RF power applied to the target: 500 W. That is, in order to increase the film stress, the film formation temperature of PLZT was set high. A sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 8/57/43 in molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚5μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で7.9/57.2/42.8となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は260MPaであった。そのため、PLZTの膜の一部にはクラックが入ってしまい、圧電特性の評価ができない部分があった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 5 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 7.9 / 57.2 / 42.8 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 260 MPa. For this reason, a part of the PLZT film cracked, and there was a portion where the piezoelectric characteristics could not be evaluated.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上(ここではクラックが発生していない部分のみを用いる)に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−190.2pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, the upper electrode is formed on the piezoelectric thin film 44 (only the portion where no crack is generated here) to complete the piezoelectric element 50, and then the piezoelectric element 50 is formed from the wafer. Was cut into strips and the piezoelectric constant d 31 was determined by the cantilever method. As a result, it was found that d 31 = −190.2 pm / V, and a piezoelectric characteristic higher than the target value of −180 pm / V was obtained.

(比較例1)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPLZTを4μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。PLZTのスパッタ条件は、実施例1と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で7/52/48となっているものを用いた。
(Comparative Example 1)
On a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1, about 4 μm of PLZT was formed by sputtering to form a piezoelectric thin film. The sputtering conditions for PLZT were the same as in Example 1, and a sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 7/52/48 in molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚4μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.8/51.8/48.2となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は90MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.8 / 51.8 / 48.2 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 90 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜上に上部電極を形成して圧電素子を完成させた後、ウェハから圧電素子を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−173.0pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vには達していなかった。Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode was formed on the piezoelectric thin film to complete the piezoelectric element, and then the piezoelectric element was cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric constant d 31 was obtained by a cantilever method. As a result, d 31 = −173.0 pm / V, which did not reach the target value of −180 pm / V.

(比較例2)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPLZTを5μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。PLZTのスパッタ条件は、実施例1と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で7/60/40となっているものを用いた。
(Comparative Example 2)
On a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1, about 5 μm of PLZT was formed by sputtering to form a piezoelectric thin film. The sputtering conditions for PLZT were the same as in Example 1, and a sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 7/60/40 in terms of molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚5μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で7.2/60.1/39.9となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は190MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 5 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio is 7.2 / 60.1 / 39.9 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition is obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 190 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜上に上部電極を形成して圧電素子を完成させた後、ウェハから圧電素子を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−168.7pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vには達していなかった。Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode was formed on the piezoelectric thin film to complete the piezoelectric element, and then the piezoelectric element was cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric constant d 31 was obtained by a cantilever method. As a result, d 31 = −168.7 pm / V, which did not reach the target value of −180 pm / V.

(比較例3)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPZTを4μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。PZTのスパッタ条件は、実施例1と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で0/52/48となっているものを用いた。
(Comparative Example 3)
A PZT film having a thickness of about 4 μm was formed on a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1 by sputtering to form a piezoelectric thin film. The sputtering conditions for PZT were the same as in Example 1. The sputtering target used was a La / Zr / Ti ratio of 0/52/48 in molar ratio.

成膜したPZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚4μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で0/52.2/47.8となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PZTの膜応力は90MPaであった。   As a result of measuring the formed PZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4 μm was obtained. Further, as a result of analyzing the composition of the PZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio is 0 / 52.2 / 47.8 in molar ratio, and a film having a composition close to the target composition is obtained. I understood it. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PZT was 90 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜上に上部電極を形成して圧電素子を完成させた後、ウェハから圧電素子を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−166.0pm/Vとなっており、PLZTでは達成できている−180pm/Vには達していなかった。Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode was formed on the piezoelectric thin film to complete the piezoelectric element, and then the piezoelectric element was cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric constant d 31 was obtained by a cantilever method. As a result, d 31 = −166.0 pm / V, which did not reach −180 pm / V, which was achieved with PLZT.

(比較例4)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPZTを4μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。PZTのスパッタ条件は、実施例1と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で0/55/45となっているものを用いた。
(Comparative Example 4)
A PZT film having a thickness of about 4 μm was formed on a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1 by sputtering to form a piezoelectric thin film. The sputtering conditions for PZT were the same as in Example 1, and the sputtering target used had a La / Zr / Ti ratio of 0/55/45 in molar ratio.

成膜したPZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚4μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で0/54.5/45.5となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PZTの膜応力は110MPaであった。   As a result of measuring the formed PZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio is 0 / 54.5 / 45.5 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition is obtained. I understood it. Further, as a result of measuring the film stress by measuring the warpage of the wafer before and after the film formation, the film stress of PZT was 110 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜上に上部電極を形成して圧電素子を完成させた後、ウェハから圧電素子を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−144.3pm/Vとなっており、PLZTでは達成できている−180pm/Vには達していなかった。Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode was formed on the piezoelectric thin film to complete the piezoelectric element, and then the piezoelectric element was cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric constant d 31 was obtained by a cantilever method. As a result, d 31 = −144.3 pm / V, which did not reach −180 pm / V, which was achieved with PLZT.

(比較例5)
実施例1と同様にして作製したPt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPZTを4μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。PZTのスパッタ条件は、実施例1と同様であり、スパッタターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で0/60/40となっているものを用いた。
(Comparative Example 5)
A PZT film having a thickness of about 4 μm was formed on a Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 1 by sputtering to form a piezoelectric thin film. The sputtering conditions for PZT were the same as in Example 1, and the sputtering target used had a La / Zr / Ti ratio of 0/60/40 in molar ratio.

成膜したPZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は90%であった。また、PZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚4μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で0/60.3/39.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PZTの膜応力は100MPaであった。   As a result of measuring the formed PZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 90%. Further, when the cross-sectional shape of the PZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4 μm was obtained. Further, as a result of analyzing the composition of the PZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio is 0 / 60.3 / 39.7 in molar ratio, and a film having a composition close to the target composition is obtained. I understood it. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PZT was 100 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜上に上部電極を形成して圧電素子を完成させた後、ウェハから圧電素子を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−137.1pm/Vとなっており、PLZTでは達成できている−180pm/Vには達していなかった。Next, in the same manner as in Example 1, an upper electrode was formed on the piezoelectric thin film to complete the piezoelectric element, and then the piezoelectric element was cut into a strip shape from the wafer, and the piezoelectric constant d 31 was obtained by a cantilever method. As a result, d 31 = −137.1 pm / V, which did not reach −180 pm / V, which was achieved with PLZT.

表1は、実施例1〜5および比較例1〜5の結果をまとめたものである。また、実施例1〜5および比較例1〜5の結果より、ZrとTiとの総和に対するZrの比率と、圧電定数d31との関係をプロットしたグラフを図9に示す。Table 1 summarizes the results of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-5. 9 is a graph plotting the relationship between the ratio of Zr to the sum of Zr and Ti and the piezoelectric constant d 31 based on the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5.

Figure 2015125520
Figure 2015125520

表1および図9より、PbとLaとの総和に対するLaの比率が、6〜8モル%であるPLZT膜(圧電薄膜、強誘電体薄膜)において、Zr比率が54〜59モル%であれば、d31が−180pm/Vを超える高い圧電特性が得られると言える。特に、実施例1、3〜5のように、Zr比率が55モル%以上であれば、d31が−190pm/Vを超えるより高い圧電特性が得られると言える。From Table 1 and FIG. 9, in a PLZT film (piezoelectric thin film, ferroelectric thin film) in which the ratio of La to the sum of Pb and La is 6 to 8 mol%, the Zr ratio is 54 to 59 mol%. It can be said that high piezoelectric characteristics with d 31 exceeding −180 pm / V can be obtained. In particular, as in Examples 1 and 3 to 5, if the Zr ratio is 55 mol% or more, it can be said that higher piezoelectric characteristics where d 31 exceeds −190 pm / V can be obtained.

したがって、以上より、PLZTの組成を、(Pb1-x,Lax)(Zry,Ti1-y1-x/43で表したとき、高い圧電特性を得るにあたっては、
0.06≦x≦0.08
0.54≦y≦0.59
を同時に満足すればよく、より望ましくは、
0.55≦y
を満足すればよいとも言うことができる。
Therefore, the above, the composition of the PLZT, when expressed (Pb 1-x, La x ) (Zr y, Ti 1-y) in 1-x / 4 O 3, is in obtaining high piezoelectric properties,
0.06 ≦ x ≦ 0.08
0.54 ≦ y ≦ 0.59
At the same time, more preferably,
0.55 ≦ y
It can be said that it is sufficient to satisfy.

しかも、実施例1〜5のPLZT薄膜では、Laの添加量は膜厚方向に一定であるため、膜厚方向に圧電特性が変化することはなく、膜厚方向全体にわたって高い圧電特性を実現できると言える。   Moreover, in the PLZT thin films of Examples 1 to 5, since the addition amount of La is constant in the film thickness direction, the piezoelectric characteristics do not change in the film thickness direction, and high piezoelectric characteristics can be realized over the entire film thickness direction. It can be said.

PLZT薄膜を組成の均質な膜にして圧電特性をさらに向上させるため、膜厚方向における上記xの値(モル比でのLa比率)のばらつきは、0.01以内(1%以内)であることが望ましい。また、膜厚方向における上記yの値(モル比でのZr比率)のばらつきについても、0.01以内(1%以内)であることが望ましい。なお、上記のばらつきとは、膜厚方向におけるxの値(またはyの値)の最大値と最小値との差を指す。   In order to further improve the piezoelectric characteristics by making the PLZT thin film a uniform composition, the variation of the value of x (La ratio in terms of molar ratio) in the film thickness direction is within 0.01 (within 1%). Is desirable. Further, the variation in the value of y (molar ratio Zr ratio) in the film thickness direction is also preferably within 0.01 (within 1%). The above-mentioned variation refers to the difference between the maximum value and the minimum value of x (or y) in the film thickness direction.

また、PLZTの膜応力が260MPaである実施例5では、PLZTの膜応力が250MPaである実施例3に比べて、圧電特性が低下している(|d31|が低下している)。これは、実施例5では、膜にクラックが入るほど、膜応力が高いことが原因と考えられる。このため、PLZTの膜応力は250MPa以下であることが望ましいと言える。また、PLZTの膜応力が実施例2の100MPaよりも小さくなると、最適組成は応力がかかっていないバルクの場合に近くなり、薄膜特有の組成では高い圧電特性を得ることが困難になることがわかっている。したがって、膜応力を100〜250MPaの範囲に設定することにより、薄膜特有の組成(La比率およびZr比率)で、高い圧電特性を確実に実現することができる。Further, in Example 5 where the film stress of PLZT is 260 MPa, the piezoelectric characteristics are lower (| d 31 | is lower) than in Example 3 where the film stress of PLZT is 250 MPa. This is considered to be due to the fact that in Example 5, the film stress is higher as the film is cracked. For this reason, it can be said that the film stress of PLZT is desirably 250 MPa or less. In addition, when the film stress of PLZT is smaller than 100 MPa in Example 2, the optimum composition is close to that of a bulk without stress, and it is difficult to obtain high piezoelectric characteristics with a thin film-specific composition. ing. Therefore, by setting the film stress in the range of 100 to 250 MPa, it is possible to reliably realize high piezoelectric characteristics with a thin film-specific composition (La ratio and Zr ratio).

また、実施例1〜5では、PLZT膜の(100)配向度は90%以上であり、結晶配向(主配向)は(100)配向と言える。(100)配向であれば、ドメインの分極回転(例えば基板の面に平行な〈100〉方向から基板の面に垂直な〈001〉方向への分極方向の変化)を利用して圧電特性を向上させることができる。したがって、このようなドメインの回転が生じない(111)配向の場合に比べて、高い圧電特性を実現することができる。   In Examples 1 to 5, the (100) orientation degree of the PLZT film is 90% or more, and the crystal orientation (main orientation) can be said to be (100) orientation. In the case of (100) orientation, the piezoelectric characteristics are improved by utilizing the polarization rotation of the domain (for example, the change in the polarization direction from the <100> direction parallel to the substrate surface to the <001> direction perpendicular to the substrate surface). Can be made. Therefore, higher piezoelectric characteristics can be realized as compared with the (111) orientation in which such domain rotation does not occur.

また、基板41上に圧電薄膜44を形成した圧電薄膜付き基板40においては、異種材料である圧電薄膜44と基板41との熱膨張係数の違いにより、圧電薄膜44に上記した高い膜応力(熱応力)が付与されるものと考えられる。これにより、d31が−180pm/Vを超える圧電特性を得ることができる。Further, in the substrate 40 with the piezoelectric thin film in which the piezoelectric thin film 44 is formed on the substrate 41, the above-described high film stress (thermal) is applied to the piezoelectric thin film 44 due to the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric thin film 44 and the substrate 41 which are different materials. Stress). Thus, it is possible to d 31 to obtain the piezoelectric properties exceeding -180pm / V.

特に、Siの熱膨張係数は、2.6ppm/Kであり、PLZTの熱膨張係数は、約8ppm/Kであるため、基板41をSiで構成し、圧電薄膜をPLZTで構成した場合には、基板41との熱膨張係数の差により、高温成膜によって圧電薄膜44に高い膜応力が確実に付与されるものと考えられる。これにより、圧電薄膜44において高い圧電特性を確実に実現することができる。なお、基板41は、Siを含むものであれば、シリコン基板単体であってもよいし、前述のSOI基板であってもよい。   In particular, since the thermal expansion coefficient of Si is 2.6 ppm / K and the thermal expansion coefficient of PLZT is about 8 ppm / K, when the substrate 41 is made of Si and the piezoelectric thin film is made of PLZT, It is considered that a high film stress is surely applied to the piezoelectric thin film 44 by the high temperature film formation due to the difference in thermal expansion coefficient with the substrate 41. Thereby, high piezoelectric characteristics can be reliably realized in the piezoelectric thin film 44. The substrate 41 may be a single silicon substrate or the aforementioned SOI substrate as long as it contains Si.

また、実施例3、4のように、基板41と圧電薄膜44との間にシード層45が形成されていることにより、シード層45を下引き層として、その上に高い結晶性を有する圧電薄膜44を形成することができる。これにより、d31が−180pm/Vを超える圧電特性を容易に実現することができるものと考えられる。Further, as in the third and fourth embodiments, the seed layer 45 is formed between the substrate 41 and the piezoelectric thin film 44, so that the seed layer 45 is used as an undercoat layer, and a piezoelectric material having high crystallinity thereon. A thin film 44 can be formed. Thereby, it is considered that a piezoelectric characteristic in which d 31 exceeds −180 pm / V can be easily realized.

特に、シード層がペロブスカイト構造を有するPLTであるため、PLTの上に圧電薄膜44をペロブスカイト単層で形成することが容易となり、高い圧電特性を実現することがさらに容易になるものと考えられる。   In particular, since the seed layer is PLT having a perovskite structure, it is easy to form the piezoelectric thin film 44 as a single perovskite layer on the PLT, and it is considered that it is easier to realize high piezoelectric characteristics.

また、基板41と圧電薄膜44との間に電極(下部電極43)が形成されているので、圧電薄膜44を一対の電極(下部電極43および上部電極)で挟んで構成される圧電アクチュエータ(圧電素子50)に好適な圧電薄膜付き基板40を実現することができる。   Further, since the electrode (lower electrode 43) is formed between the substrate 41 and the piezoelectric thin film 44, a piezoelectric actuator (piezoelectric) configured by sandwiching the piezoelectric thin film 44 between a pair of electrodes (lower electrode 43 and upper electrode). A substrate 40 with a piezoelectric thin film suitable for the element 50) can be realized.

次に、PLZT薄膜の膜厚と圧電特性との関係について調べた結果を以下に示す。   Next, the results of examining the relationship between the film thickness of the PLZT thin film and the piezoelectric characteristics are shown below.

(実施例6)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、スパッタリング法によりPLZTを3μm程度成膜して、圧電薄膜44を形成した。PLZTのスパッタ条件は、Ar流量:20sccm、O2流量:0.6sccm、圧力:0.5Pa、基板温度:500℃、ターゲットに印加するRFパワー:500Wであった。また、スパッタのターゲットには、La/Zr/Ti比がモル比で6/55/45となっているものを用いた。
(Example 6)
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 3, about 3 μm of PLZT was formed by sputtering to form the piezoelectric thin film 44. The sputtering conditions for PLZT were Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 0.6 sccm, pressure: 0.5 Pa, substrate temperature: 500 ° C., and RF power applied to the target: 500 W. A sputtering target having a La / Zr / Ti ratio of 6/55/45 in terms of molar ratio was used.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は95%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚4.0μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.3/56.3/43.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は200MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 95%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 4.0 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.3 / 56.3 / 43.7 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 200 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−201.6pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −201.6 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(実施例7)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、実施例6と同じターゲットを用い、実施例6と同じ条件で、スパッタリング法によりPLZTを6μm程度成膜して、圧電薄膜44を形成した。
(Example 7)
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate manufactured in the same manner as in Example 3, a PLZT film having a thickness of about 6 μm was formed by sputtering using the same target as in Example 6 under the same conditions as in Example 6. A thin film 44 was formed.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は98%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚6.2μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.2/55.3/44.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は220MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 98%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 6.2 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.2 / 55.3 / 44.7 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 220 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−205.2pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −205.2 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(実施例8)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、実施例6と同じターゲットを用い、実施例6と同じ条件で、スパッタリング法によりPLZTを10μm程度成膜して、圧電薄膜44を形成した。
(Example 8)
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate manufactured in the same manner as in Example 3, a PLZT film having a thickness of about 10 μm was formed by sputtering using the same target as in Example 6 under the same conditions as in Example 6. A thin film 44 was formed.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は99%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚10.0μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.2/55.3/44.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は250MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 99%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 10.0 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.2 / 55.3 / 44.7 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film stress by measuring the warpage of the wafer before and after the film formation, the film stress of PLZT was 250 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−204.8pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −204.8 pm / V, and piezoelectric characteristics higher than the target value of −180 pm / V were obtained.

(比較例6)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、実施例6と同じターゲットを用い、実施例6と同じ条件で、スパッタリング法によりPLZTを11μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。
(Comparative Example 6)
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate produced in the same manner as in Example 3, using the same target as in Example 6 and using the same conditions as in Example 6, a PLZT film having a thickness of about 11 μm was formed by sputtering. A thin film was formed.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は99%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚11.2μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.2/55.3/44.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は260MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 99%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 11.2 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.2 / 55.3 / 44.7 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 260 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めた。その結果、d31=−163.0pm/Vとなっており、目標値となる−180pm/Vには達していないことがわかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Asked. As a result, it was found that d 31 = −163.0 pm / V, which did not reach the target value of −180 pm / V.

(比較例7)
実施例3と同様にして作製したPLT/Pt/Ti/Si基板上に、実施例6と同じターゲットを用い、実施例6と同じ条件で、スパッタリング法によりPLZTを13μm程度成膜して、圧電薄膜を形成した。
(Comparative Example 7)
On the PLT / Pt / Ti / Si substrate manufactured in the same manner as in Example 3, a PLZT film having a thickness of about 13 μm was formed by sputtering using the same target as in Example 6 under the same conditions as in Example 6. A thin film was formed.

成膜したPLZT膜をXRDで測定した結果、膜の(100)配向度は99%であった。また、PLZT膜の断面形状をSEMで確認すると、膜厚13.2μmの柱状結晶が得られていることがわかった。また、EDXによりPLZT膜の組成を分析した結果、La/Zr/Ti比は、モル比で6.2/55.3/44.7となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、PLZTの膜応力は300MPaであった。   As a result of measuring the formed PLZT film by XRD, the (100) orientation degree of the film was 99%. Further, when the cross-sectional shape of the PLZT film was confirmed by SEM, it was found that a columnar crystal having a film thickness of 13.2 μm was obtained. As a result of analyzing the composition of the PLZT film by EDX, the La / Zr / Ti ratio was 6.2 / 55.3 / 44.7 in terms of molar ratio, and a film having a composition close to the target composition was obtained. I found out. Moreover, as a result of measuring the film | membrane stress by measuring the curvature of the wafer before and behind film-forming, the film | membrane stress of PLZT was 300 MPa.

次に、実施例1と同様にして、圧電薄膜44上に上部電極を形成して圧電素子50を完成させた後、ウェハから圧電素子50を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数d31を求めようと試みたが、膜にクラックが入っており、圧電特性の評価はできなかった。Next, in the same manner as in Example 1, after completing the piezoelectric element 50 to form the upper electrode on the piezoelectric thin film 44, cut out piezoelectric element 50 from the wafer into strips, the piezoelectric constant d 31 by cantilever method Although an attempt was made to find it, the film had cracks, and the piezoelectric properties could not be evaluated.

表2は、実施例6〜8および比較例6〜7の結果をまとめたものである。また、実施例6〜8および比較例6〜7の結果より、PLZTの膜厚と、圧電定数d31との関係をプロットしたグラフを図10に示す。Table 2 summarizes the results of Examples 6-8 and Comparative Examples 6-7. Further, from the results of Examples 6-8 and Comparative Example 6-7 shows the PLZT film thickness, a graph plotting the relationship between the piezoelectric constant d 31 in FIG. 10.

Figure 2015125520
Figure 2015125520

表2および図10より、PLZT膜の膜厚が10μmを超えると、d31が−180pm/Vに達しなくなり、ひいては膜にクラックが入ることになるため、PLZT膜の膜厚は10μm以下が望ましいと言える。また、PLZT膜の膜厚が1μm未満の場合、薄膜で所望の変位発生力を得ることが困難となり、圧電アクチュエータ等のデバイスへの適用が困難になることがわかっている。したがって、デバイスへの適用および圧電特性を考えると、PLZT膜の膜厚は1〜10μmの範囲であることが望ましいと言える。From Table 2 and FIG. 10, when the film thickness of the PLZT film exceeds 10 μm, d 31 does not reach −180 pm / V, and as a result, the film cracks. Therefore, the film thickness of the PLZT film is preferably 10 μm or less. It can be said. Further, it has been found that when the film thickness of the PLZT film is less than 1 μm, it is difficult to obtain a desired displacement generation force with the thin film, and it is difficult to apply it to a device such as a piezoelectric actuator. Therefore, considering the application to the device and the piezoelectric characteristics, it can be said that the film thickness of the PLZT film is desirably in the range of 1 to 10 μm.

〔その他〕
以上の実施例では、圧電薄膜(強誘電体薄膜)の形成にスパッタ法またはゾルゲル法を用いているが、膜の製法はこれらに限定されるわけではない。本実施形態で示したPLZTの組成比率を実現できるのであれば、例えば、パルスレーザーデポジション(PLD)法やイオンプレーティング法などの物理成膜法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの化学成膜法を用いて圧電薄膜を成膜してもよい。
[Others]
In the above embodiment, the sputtering method or the sol-gel method is used for forming the piezoelectric thin film (ferroelectric thin film), but the film manufacturing method is not limited thereto. If the composition ratio of PLZT shown in the present embodiment can be realized, for example, a physical film forming method such as a pulse laser deposition (PLD) method or an ion plating method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, etc. A piezoelectric thin film may be formed using a chemical film forming method.

以上で説明した本実施形態の強誘電体薄膜、圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび強誘電体薄膜の製造方法は、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。   The ferroelectric thin film, the substrate with the piezoelectric thin film, the piezoelectric actuator, the ink jet head, the ink jet printer, and the manufacturing method of the ferroelectric thin film of the present embodiment described above can be expressed as follows. Has an effect.

本実施形態の強誘電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなる強誘電体薄膜であって、鉛とランタンとの総和に対するランタンの比率aが、モル比で6%以上8%以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率bが、モル比で54%以上59%以下である。   The ferroelectric thin film of this embodiment is a ferroelectric thin film made of lead lanthanum zirconate titanate, and the ratio a of lanthanum to the sum of lead and lanthanum is 6% to 8% in molar ratio. The ratio b of zirconium to the total of zirconium and titanium is 54% or more and 59% or less in terms of molar ratio.

PLZTからなる強誘電体薄膜(PLZT薄膜)において、La添加量(比率a)が所定範囲の場合におけるZr組成比(比率b)を、バルクでの最適範囲とは異なる上記範囲に規定することにより、PZT薄膜では実現できないような高い圧電特性(例えば|d31|≧180pm/V)を、膜厚方向全体にわたって、しかもPLZTの薄膜で実現することができる。By defining the Zr composition ratio (ratio b) in the case where the La addition amount (ratio a) is in a predetermined range in the ferroelectric thin film (PLZT thin film) made of PLZT in the above range different from the optimum range in bulk. High piezoelectric characteristics (for example, | d 31 | ≧ 180 pm / V) that cannot be realized with a PZT thin film can be realized with the PLZT thin film over the entire film thickness direction.

前記比率bが、モル比で55%以上であることが望ましい。この場合、PLZTの薄膜で、より高い圧電特性(例えば|d31|≧190pm/V)を実現することができる。The ratio b is desirably 55% or more in terms of molar ratio. In this case, higher piezoelectric characteristics (for example, | d 31 | ≧ 190 pm / V) can be realized with a PLZT thin film.

上記の強誘電体薄膜において、膜応力が、100MPa以上250MPa以下であることが好ましい。膜応力が100MPaよりも小さくなると、最適組成は応力がかかっていないバルクの場合に近くなり、薄膜特有の組成では高い圧電特性を得ることが困難になる。一方、膜応力が250MPaよりも大きくなると、膜にクラックが入ったり、基板上に膜を形成したときに膜剥がれが生じやすくなって高い圧電特性を得ることが困難となる。したがって、膜応力を上記範囲とすることにより、上記した薄膜特有の組成(比率aおよび比率b)で、クラック等を生じさせずに高い圧電特性を実現することができる。   In the above ferroelectric thin film, the film stress is preferably 100 MPa or more and 250 MPa or less. When the film stress is smaller than 100 MPa, the optimum composition is close to that of an unstressed bulk, and it is difficult to obtain high piezoelectric characteristics with a composition unique to the thin film. On the other hand, when the film stress is larger than 250 MPa, the film is cracked, or when the film is formed on the substrate, the film is easily peeled off and it is difficult to obtain high piezoelectric characteristics. Therefore, by setting the film stress within the above range, it is possible to realize high piezoelectric characteristics without causing cracks or the like with the composition (ratio a and ratio b) unique to the thin film described above.

また、膜応力は大きいほうが好ましいが、190MPaを超えると圧電特性が大きくなり、基板上に膜を形成したときに膜剥がれが生じやすいため、公知の方法で膜剥がれを防止するための補強を行うことが望ましい。   In addition, it is preferable that the film stress is large, but if it exceeds 190 MPa, the piezoelectric characteristics increase, and film peeling tends to occur when a film is formed on the substrate. Therefore, reinforcement for preventing film peeling is performed by a known method. It is desirable.

上記の強誘電体薄膜において、膜の結晶配向が、(100)配向であることが望ましい。この場合、ドメインの非180°分極回転を利用して圧電特性を向上させることができるので、膜の結晶配向が(111)配向の場合に比べて、高い圧電特性を実現することができる。   In the above ferroelectric thin film, the crystal orientation of the film is preferably (100) orientation. In this case, since the piezoelectric characteristics can be improved by utilizing the non-180 ° polarization rotation of the domain, higher piezoelectric characteristics can be realized as compared with the case where the crystal orientation of the film is the (111) orientation.

上記の強誘電体薄膜において、膜の結晶構造が、柱状結晶であることが望ましい。この場合、膜の結晶構造が粒状結晶である場合に比べて、単結晶内に分極ドメインがより多く存在するようになり、分極回転による圧電特性の向上が期待できる。   In the above ferroelectric thin film, the crystal structure of the film is preferably a columnar crystal. In this case, more polarization domains are present in the single crystal than in the case where the crystal structure of the film is a granular crystal, and an improvement in piezoelectric characteristics due to polarization rotation can be expected.

上記の強誘電体薄膜において、膜厚が1μm以上10μm以下であることが望ましい。PLZT薄膜の膜厚が1μm未満の場合、薄膜で所望の変位発生力を得ることが困難となり、圧電アクチュエータ等のデバイスへの適用が困難となる。一方、膜厚が10μmを超えると、膜にクラックが入りやすくなり、高い圧電特性を得ることが困難となる。したがって、PLZT薄膜の膜厚を上記範囲に規定することにより、薄膜で所望の変位発生力を得てデバイスへの適用を容易にできるとともに、高い圧電特性を得ることができる。   In the above ferroelectric thin film, the film thickness is desirably 1 μm or more and 10 μm or less. When the film thickness of the PLZT thin film is less than 1 μm, it is difficult to obtain a desired displacement generation force with the thin film, and it is difficult to apply to a device such as a piezoelectric actuator. On the other hand, if the film thickness exceeds 10 μm, cracks tend to occur in the film, making it difficult to obtain high piezoelectric characteristics. Therefore, by defining the film thickness of the PLZT thin film within the above range, it is possible to obtain a desired displacement generating force with the thin film and easily apply it to the device, and obtain high piezoelectric characteristics.

前記比率aの膜厚方向におけるばらつきは、(モル比の値で)1%以内であることが望ましく、前記比率bの膜厚方向におけるばらつきも、(モル比の値で)1%以内であることが望ましい。この場合、PLZT薄膜を膜厚方向に組成の均質な膜にして圧電特性をさらに向上させることができる。   The variation in the film thickness direction of the ratio a is preferably within 1% (in terms of the molar ratio), and the variation in the film thickness direction of the ratio b is also within 1% (in terms of the molar ratio). It is desirable. In this case, the piezoelectric characteristics can be further improved by using a PLZT thin film with a uniform composition in the film thickness direction.

本実施形態の圧電薄膜付き基板は、基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板であって、前記圧電薄膜は、上述の強誘電体薄膜で構成されている。この場合、基板との熱膨張係数の違いにより、圧電薄膜(強誘電体薄膜)に高い膜応力を付与して高い圧電特性を実現することができる。   The substrate with a piezoelectric thin film of this embodiment is a substrate with a piezoelectric thin film in which a piezoelectric thin film is formed on the substrate, and the piezoelectric thin film is composed of the above-described ferroelectric thin film. In this case, high piezoelectric characteristics can be realized by applying high film stress to the piezoelectric thin film (ferroelectric thin film) due to the difference in thermal expansion coefficient from the substrate.

前記基板は、シリコン基板またはSOI基板からなることが望ましい。なお、SOI(Silicon on Insulator)基板は、2枚のシリコン基板を酸化膜を介して貼り合わせた基板である。基板のSiとPLZTとは熱膨張係数が異なるなるため、PLZTからなる圧電薄膜に高い膜応力を確実に付与して、高い圧電特性を確実に実現することができる。   The substrate is preferably a silicon substrate or an SOI substrate. Note that an SOI (Silicon on Insulator) substrate is a substrate in which two silicon substrates are bonded together through an oxide film. Since Si and PLZT of the substrate have different thermal expansion coefficients, high film stress can be reliably applied to the piezoelectric thin film made of PLZT, and high piezoelectric characteristics can be reliably realized.

前記基板と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層が形成されていることが望ましい。この場合、シード層の上に、高い結晶性を有する圧電薄膜を形成して、高い圧電特性を実現することが容易となる。   It is desirable that a seed layer for controlling the crystal orientation of the piezoelectric thin film is formed between the substrate and the piezoelectric thin film. In this case, it becomes easy to realize a high piezoelectric characteristic by forming a piezoelectric thin film having high crystallinity on the seed layer.

前記シード層は、チタン酸ランタン鉛からなることが望ましい。PLTはペロブスカイト構造を有するため、PLTの上に圧電薄膜をペロブスカイト単層で形成することが容易となり、高い圧電特性を実現することがさらに容易となる。   The seed layer is preferably made of lead lanthanum titanate. Since PLT has a perovskite structure, it is easy to form a piezoelectric thin film on the PLT as a single perovskite layer, and it is easier to realize high piezoelectric characteristics.

前記基板と前記圧電薄膜との間に電極が形成されていることが望ましい。この場合、圧電薄膜を一対の電極で挟んで構成される圧電アクチュエータに好適な圧電薄膜付き基板を実現できる。   It is desirable that an electrode is formed between the substrate and the piezoelectric thin film. In this case, a substrate with a piezoelectric thin film suitable for a piezoelectric actuator configured by sandwiching a piezoelectric thin film between a pair of electrodes can be realized.

本実施形態の圧電アクチュエータは、上記の圧電薄膜付き基板と、前記圧電薄膜付き基板の前記圧電薄膜に対して前記電極とは反対側に、別の電極が形成されている構成である。この場合、圧電薄膜を印加電圧に応じて伸縮させる構成を確実に実現することができる。   The piezoelectric actuator of the present embodiment has a configuration in which another electrode is formed on the opposite side of the substrate with the piezoelectric thin film and the piezoelectric thin film of the substrate with the piezoelectric thin film from the electrode. In this case, it is possible to reliably realize a configuration in which the piezoelectric thin film is expanded and contracted according to the applied voltage.

本実施形態のインクジェットヘッドは、上述した圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている。この構成では、圧電アクチュエータの圧電特性が高いため、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となる。   The ink jet head of this embodiment includes the above-described piezoelectric actuator and a nozzle substrate having nozzle holes for ejecting ink accommodated in openings formed in the substrate of the piezoelectric actuator to the outside. In this configuration, since the piezoelectric characteristics of the piezoelectric actuator are high, it is possible to eject ink using high-viscosity ink.

本実施形態のインクジェットプリンタは、上記のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる。上記のインクジェットヘッドを備えていることにより、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタを実現できる。   The ink jet printer of this embodiment includes the above ink jet head, and ejects ink from the ink jet head toward a recording medium. By including the above-described inkjet head, an inkjet printer advantageous for high-speed and high-definition drawing can be realized.

上述した強誘電体薄膜は、スパッタ法またはゾルゲル法で成膜することができる。このような成膜方法を用いることにより、膜厚方向全体にわたって高い圧電特性を有する上述のPLZT薄膜を容易に実現することができる。   The ferroelectric thin film described above can be formed by sputtering or sol-gel method. By using such a film forming method, the above-described PLZT thin film having high piezoelectric characteristics over the entire film thickness direction can be easily realized.

本発明の強誘電体薄膜は、基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板や、その圧電薄膜付き基板を有する圧電アクチュエータ、さらにはインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに利用可能である。   The ferroelectric thin film of the present invention can be used for a substrate with a piezoelectric thin film in which a piezoelectric thin film is formed on a substrate, a piezoelectric actuator having the substrate with a piezoelectric thin film, an ink jet head, and an ink jet printer.

1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
21a アクチュエータ(圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ)
22 基板
22a 圧力室(開口部)
24 下部電極
25 圧電薄膜(強誘電体薄膜)
26 上部電極
29 シード層
31 ノズル基板
31a 吐出孔(ノズル孔)
40 圧電薄膜付き基板
41 基板
43 下部電極
44 圧電薄膜(強誘電体薄膜)
45 シード層
1 Inkjet printer 21 Inkjet head 21a Actuator (substrate with piezoelectric thin film, piezoelectric actuator)
22 Substrate 22a Pressure chamber (opening)
24 Lower electrode 25 Piezoelectric thin film (ferroelectric thin film)
26 Upper electrode 29 Seed layer 31 Nozzle substrate 31a Discharge hole (nozzle hole)
40 Substrate with piezoelectric thin film 41 Substrate 43 Lower electrode 44 Piezoelectric thin film (ferroelectric thin film)
45 Seed layer

Claims (17)

チタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなる強誘電体薄膜であって、
鉛とランタンとの総和に対するランタンの比率aが、モル比で6%以上8%以下であり、
ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率bが、モル比で54%以上59%以下である、強誘電体薄膜。
A ferroelectric thin film made of lead lanthanum zirconate titanate,
The ratio a of lanthanum to the sum of lead and lanthanum is 6% to 8% in molar ratio,
A ferroelectric thin film in which a ratio b of zirconium to a sum of zirconium and titanium is 54% or more and 59% or less by molar ratio.
前記比率bが、モル比で55%以上である、請求項1に記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the ratio b is 55% or more in terms of molar ratio. 膜応力が、100MPa以上250MPa以下である、請求項1または2に記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to claim 1 or 2, wherein the film stress is 100 MPa or more and 250 MPa or less. 膜の結晶配向が、(100)配向である、請求項1から3のいずれかに記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystal orientation of the film is a (100) orientation. 膜の結晶構造が柱状結晶である、請求項1から4のいずれかに記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the crystal structure of the film is a columnar crystal. 膜厚が1μm以上10μm以下である、請求項1から5のいずれかに記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the film thickness is 1 μm or more and 10 μm or less. 前記比率aの膜厚方向におけるばらつきが1%以内である、請求項1から6のいずれかに記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein variation in the film thickness direction of the ratio a is within 1%. 前記比率bの膜厚方向におけるばらつきが1%以内である、請求項1から7のいずれかに記載の強誘電体薄膜。   The ferroelectric thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein variation in the film thickness direction of the ratio b is within 1%. 基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板であって、
前記圧電薄膜は、請求項1から8のいずれかに記載の強誘電体薄膜で構成されている、圧電薄膜付き基板。
A substrate with a piezoelectric thin film in which a piezoelectric thin film is formed on a substrate,
The said piezoelectric thin film is a board | substrate with a piezoelectric thin film comprised with the ferroelectric thin film in any one of Claim 1-8.
前記基板は、シリコン基板またはSOI基板からなる、請求項9に記載の圧電薄膜付き基板。   The substrate with a piezoelectric thin film according to claim 9, wherein the substrate is made of a silicon substrate or an SOI substrate. 前記基板と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層が形成されている、請求項9または10に記載の圧電薄膜付き基板。   The substrate with a piezoelectric thin film according to claim 9 or 10, wherein a seed layer for controlling crystal orientation of the piezoelectric thin film is formed between the substrate and the piezoelectric thin film. 前記シード層は、チタン酸ランタン鉛からなる、請求項11に記載の圧電薄膜付き基板。   The substrate with a piezoelectric thin film according to claim 11, wherein the seed layer is made of lead lanthanum titanate. 前記基板と前記圧電薄膜との間に電極が形成されている、請求項9から12のいずれかに記載の圧電薄膜付き基板。   The substrate with a piezoelectric thin film according to claim 9, wherein an electrode is formed between the substrate and the piezoelectric thin film. 請求項13に記載の圧電薄膜付き基板と、
前記圧電薄膜付き基板の前記圧電薄膜に対して前記電極とは反対側に、別の電極が形成されている、圧電アクチュエータ。
A substrate with a piezoelectric thin film according to claim 13,
A piezoelectric actuator, wherein another electrode is formed on the opposite side of the piezoelectric thin film of the substrate with the piezoelectric thin film from the electrode.
請求項14に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている、インクジェットヘッド。
A piezoelectric actuator according to claim 14,
An inkjet head comprising: a nozzle substrate having a nozzle hole for discharging ink accommodated in an opening formed in the substrate of the piezoelectric actuator.
請求項15に記載のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる、インクジェットプリンタ。   An ink jet printer comprising the ink jet head according to claim 15, wherein ink is ejected from the ink jet head toward a recording medium. 請求項1から8のいずれかに記載の強誘電体薄膜を、スパッタ法またはゾルゲル法で成膜する、強誘電体薄膜の製造方法。   A method for producing a ferroelectric thin film, wherein the ferroelectric thin film according to claim 1 is formed by a sputtering method or a sol-gel method.
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