JP2009054618A - 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 - Google Patents
圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009054618A JP2009054618A JP2007217012A JP2007217012A JP2009054618A JP 2009054618 A JP2009054618 A JP 2009054618A JP 2007217012 A JP2007217012 A JP 2007217012A JP 2007217012 A JP2007217012 A JP 2007217012A JP 2009054618 A JP2009054618 A JP 2009054618A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- raw material
- titanium content
- dielectric layer
- forming
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
【課題】誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を有する圧電素子の製造方法を提供すること
【解決手段】本発明にかかる圧電素子100の製造方法は、基体10の上方に下部電極20を形成する工程と、下部電極20の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前駆体層を結晶化させて層状部311を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層30を形成する工程と、誘電体層30の上方に上部電極40を形成する工程と、を含み、誘電体層30は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、複数の原料層の平均チタン含有率は、下層の原料層の平均チタン含有率ほど小さい。
【選択図】図7
【解決手段】本発明にかかる圧電素子100の製造方法は、基体10の上方に下部電極20を形成する工程と、下部電極20の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前駆体層を結晶化させて層状部311を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層30を形成する工程と、誘電体層30の上方に上部電極40を形成する工程と、を含み、誘電体層30は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、複数の原料層の平均チタン含有率は、下層の原料層の平均チタン含有率ほど小さい。
【選択図】図7
Description
本発明は、圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法に関する。
誘電体の誘電性、圧電性、焦電性、強誘電性などの特性を利用した圧電素子や容量素子がある。これらの素子は、層状の誘電体を2つの電極層で挟んだ構造を有している。誘電体としては、一般式ABO3(AサイトはPbを含み、BサイトはZrおよびTiを含む。)で示されるペロブスカイト型酸化物の焼結体が多用される。素子中の誘電体は、化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)などの気相法や、ゾル−ゲル法などの液相法によって形成されるのが一般的である。
誘電体の層を液相法によって形成する場合、誘電体の原料溶液を塗布し、該塗膜を乾燥、脱脂および結晶化アニールして行われることが多い(例えば、特開平09−223830号公報参照)。
特開平09−223830号公報
しかしながら、誘電体の層を加熱して結晶化アニールを行うと、誘電体の構成元素の組成が層内の厚み方向で分布を生じてしまうことがあった。特に、誘電体層がチタン酸ジルコン酸鉛のようなチタン酸化物と他の酸化物の固溶体である場合には、加熱によりアモルファス状態から結晶状態へ変化させる(結晶化アニール)際に、チタン酸化物の結晶が先に生成する。そのため、結晶の核となる物体(通常は下地の電極など)の近傍にチタン元素の濃化が生じてしまうことがあった。例えば、誘電体材料としてチタン酸ジルコン酸鉛を用いた場合は、誘電体層の層内の厚み方向でチタンの存在に偏りが生じ、これを相殺するようにジルコニウムの存在にも偏りが生じることがあった。誘電体層の元素の含有率が層内において偏りを生じると、誘電体層の例えば圧電特性などが悪化することがある。そのため、このような偏りの生じにくい製造方法が求められている。
本発明にかかる目的の1つは、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を有する圧電素子の製造方法、および該誘電体層を有するアクチュエータの製造方法を提供することにある。
本発明にかかる目的の1つは、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層の製造方法を提供することにある。
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、
基体の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
基体の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
このようにすれば、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を有する圧電素子を製造することができる。
なお、本発明において、特定のX部材(以下、「X」という。)の上方に形成された特定のY部材(以下、「Y」という。)というとき、Xの上に直接Yが形成された場合と、Xの上に他の部材を介してYが形成された場合とを含む意味である。
本発明において、特定の層の平均チタン含有率とは、当該層を構成するペロブスカイト型酸化物の前記Bサイトの元素全体に対するチタンのモル分率を、当該層全体にわたって平均した値を指す。
本発明にかかる圧電素子の製造方法において、各前記原料層の平均チタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差は、前記前駆体層の平均チタン含有率と同じチタン含有率を有する原料を単層で結晶化させた場合において、結晶化した層の各部分のチタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差のうち、最大の値よりも小さいことができる。
本発明において、特定の部分のチタン含有率とは、特定の部分を構成する結晶化したペロブスカイト型酸化物の前記Bサイトの元素全体に対するチタンのモル分率を、当該部分において平均した値を指す。
本発明において、特定の部分のチタン含有率における特定の層の平均チタン含有率からの偏差とは、特定の層における特定の部分のチタン含有率と、特定の層の平均チタン含有率との差の絶対値を指す。
本発明にかかる誘電体層の製造方法は、
基体の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
基体の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
このようにすれば、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を製造することができる。
本発明にかかるアクチュエータの製造方法は、
弾性板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
弾性板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい。
このようにすれば、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を有するアクチュエータを製造することができる。
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例として説明するものである。
1.圧電素子の製造方法
以下に、本実施形態にかかる圧電素子の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図1ないし図6は、本実施形態にかかる圧電素子100の製造方法を模式的に示す断面図である。図7は、本実施形態にかかる圧電素子100を模式的に示す断面図である。
以下に、本実施形態にかかる圧電素子の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。図1ないし図6は、本実施形態にかかる圧電素子100の製造方法を模式的に示す断面図である。図7は、本実施形態にかかる圧電素子100を模式的に示す断面図である。
本実施形態の圧電素子100の製造方法は、下部電極20を形成する工程と、誘電体層30を形成する工程と、上部電極40を形成する工程とを含む。
図1に示すように、まず、下部電極20を基体10の上方に形成する。下部電極20は、例えば白金などの金属をスパッタ法によって設けることができる。基体10は、特に限定されない。基体10としては、例えば、シリコン基板でもよく、また、シリコン基板の上に絶縁層や他の層が設けられたものであってもよい。さらに、基体10は、配線や回路などが設けられた半導体基板でもよい。
次に、誘電体層30を形成する工程を行う。この工程は、複数の原料層が積層された前駆体層311aを形成する第1工程、および、前記前駆体層311aを結晶化させて層状部311を形成する第2工程を有している。そして第1工程と第2工程の組が、1回または複数回行われて誘電体層30が形成される。誘電体層30は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、Aサイトは、鉛(Pb)を含み、Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含む。以下は、誘電体層30の材質がチタン酸ジルコン酸鉛である場合を中心として例示する。誘電体層30の材質は、チタン酸ジルコン酸鉛に添加物、たとえばニオブなどを加えて、チタン酸ジルコン酸ニオブ酸鉛としてもよい。
まず、第1工程について説明する。図2に示すように、下部電極20の上方に誘電体の原料溶液を塗布し、これを乾燥、脱脂して第1層目の原料層301を形成する。原料溶液としては、例えば、金属アルコキシドおよび有機金属の少なくとも一方を含んで構成することができる。原料溶液の化合物の配合比は、最終的な誘電体層30の組成を考慮して行われる。これによって、原料層301の平均チタン含有率を所望のものとすることができる。たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛の原料溶液としては、酢酸鉛、ジルコニウムテトラブトキシド、チタニウムテトライソプロポキシド、アルコールおよび酸を含む溶液が挙げられる。この原料溶液の場合には、ジルコニウムテトラブトキシドのモル数とチタニウムテトライソプロポキシドのモル数との比を調節し、原料層301の最終的な平均チタン含有率を所望の値にすることができる。
第1工程において、原料層は、複数が積層するように形成される。原料層を積層する方法は、上述の工程で形成された原料層301の上に、上述の工程を繰り返すことで行うことができる。本実施形態では、図3に示すように、上記の塗布、乾燥および脱脂の工程を3回繰り返して行う。その結果、下部電極20の上方に原料層301、302、303が積層した状態が形成される。原料層301、302、303の厚みは、例えばそれぞれ100nmとすることができる。また各原料層の厚みは、互いに異なっていてもよい。
第1工程において形成される複数の原料層のそれぞれの平均チタン含有率は、下層ほど小さくなるように形成される。すなわち、第1工程において原料層を積層するとき、先に形成される原料層の平均チタン含有率のほうが、後に形成される原料層の平均チタン含有率よりも小さくなるように、用いる原料溶液の組成を各層毎に調節する。本実施形態の例では、最初に形成される原料層301に用いる原料溶液中のジルコニウムテトラブトキシドのモル数とチタニウムテトライソプロポキシドのモル数との和に対するチタニウムテトライソプロポキシドのモル数の比が最も小さくなるように原料溶液の組成が調節される。原料層301の上に形成される原料層302に用いる原料溶液中のチタンのモル比は、原料層301に用いたよりも大きくなるように組成が調節される。同様に原料層302の上に形成される原料層303に用いる原料溶液中のチタンのモル比は、原料層302に用いたよりも大きくなるように組成が調節される。さらに多数の原料層が形成される場合も同様である。
複数の原料層が積層したものが、前駆体層311aとなる(図3参照)。前駆体層311aの平均チタン含有率は、複数の原料層の各平均チタン含有率をさらに平均した値である。前駆体層311aの平均チタン含有率は、前駆体層311aが最終的に誘電体層30の一部または全部となったときに、誘電体層30の平均チタン含有率が所望の値となるように調節される。例えば、誘電体層30の平均チタン含有率として0.5とするのであれば、前駆体層311aの平均チタン含有率が0.5となるように複数の原料層の平均チタン含有率を調節する。また、各原料層の平均チタン含有率における前駆体層311aの平均チタン含有率からの偏差は、前駆体層311aの平均チタン含有率と同じチタン含有率を有する原料を単層で結晶化させた場合において、結晶化した層の各部分のチタン含有率における前駆体層311aの平均チタン含有率からの偏差のうち、最大の値よりも小さくすることができる。
下部電極20の上方に原料溶液を塗布する方法は、スピンコート法やディップコート法により行うことができる。塗布された原料溶液の乾燥および脱脂は、たとえば、100℃ないし400℃に基体10全体を加熱して行うことができる。
第1工程を経ると、各原料層の主成分は、アモルファス状態のチタン酸ジルコン酸鉛となる。以上のように第1工程によって、下部電極20の上方に複数層の原料層の積層体である前駆体層311aが形成される。前駆体層311aの厚みは、たとえば、300nmとすることができる。
次に、第2工程について説明する。第2工程は、上述の第1工程で形成された前駆体層311aを結晶化させて層状部311を形成する工程である(図3および図4参照)。前駆体層311aの結晶化は、加熱によって行うことができる。加熱方法としては、たとえば、前駆体層311aが形成された基体10全体を電気炉で加熱する方法やレーザーアブレーション法などを利用することができる。この工程により前駆体層311aを構成するアモルファス状態のチタン酸ジルコン酸鉛は、結晶状態のチタン酸ジルコン酸鉛に変化する。したがって、層状部311は、結晶状態のチタン酸ジルコン酸鉛から構成されることになる。加熱の際の温度は、例えば、600℃ないし1000℃とすることができる。
上述の第1工程および第2工程を経ると、層状部311が形成されるが、このような層状部は、図5に示すように複数を積層することができる。層状部を積層する工程は、第1工程と第2工程の組を繰り返し行うことで可能である。すなわち、図5に示したように、層状部311を形成した後、再度、第1工程および第2工程を行い、層状部312を層状部311の上に積層することができる。層状部を積層する回数は、最終的な誘電体層30の厚みの設計に従って任意に決定することができる。例えば、層状部を積層する回数は、1層の層状部の厚みが300nmであれば、2回ないし4回とすることができる。この場合、誘電体層30の厚みとしては600nmないし1200nmとすることができる。
層状部を複数回積層すると、所望の厚みの誘電体層30を得るために各層状部をそれぞれ薄く形成することができる。そのため、結晶化アニールのときに層状部に亀裂を生じにくくすることができる。なお、所望の厚みの誘電体層30を得るための層状部の層数が1で十分な場合、この1層が結晶化アニールの際に亀裂を生じないのであれば、このように層状部を複数回積層して形成する必要はない。図5に示すように、本実施形態では、層状部311、312の2層が積層された誘電体層30を形成する。
次に、図6に示すように、誘電体層30の上方に上部電極40を形成する。上部電極40は、例えば白金などの金属をスパッタ法によって設けることができる。
以上のようにして、図6に示すような誘電体層30が下部電極20および上部電極40によって挟まれた構造が形成される。そして、例えば、図7に示すように、上部電極40、誘電体層30および下部電極20がフォトリソグラフィ法などの方法によりパターニングされて、圧電素子100が製造される。
2.チタン含有率の変化
誘電体の原料溶液は、溶液全体の組成が均一であり、チタン含有率は溶液の部分によらず一定である。また、このような原料溶液を塗布して形成した層についても、該層の平均チタン含有率は、部分によらず一定である。さらに、原料溶液を塗布して形成した層を乾燥、脱脂して形成した原料層においても、乾燥、脱脂時の温度が400℃程度以下であれば、該層の平均チタン含有率は、部分によらず一定である。しかしながら、これを結晶化すると以下に述べるように、チタン含有率が部分によって変化することがある。
誘電体の原料溶液は、溶液全体の組成が均一であり、チタン含有率は溶液の部分によらず一定である。また、このような原料溶液を塗布して形成した層についても、該層の平均チタン含有率は、部分によらず一定である。さらに、原料溶液を塗布して形成した層を乾燥、脱脂して形成した原料層においても、乾燥、脱脂時の温度が400℃程度以下であれば、該層の平均チタン含有率は、部分によらず一定である。しかしながら、これを結晶化すると以下に述べるように、チタン含有率が部分によって変化することがある。
チタン酸ジルコン酸鉛に代表されるペロブスカイト型酸化物は、複数の酸化物の固溶体である。チタン酸ジルコン酸鉛は、チタン酸鉛と、ジルコン酸鉛の固溶体である。このような固溶体を形成するそれぞれの酸化物は、結晶化温度(アモルファス状態から結晶状態に転移するときの温度)が互いに異なるのが通常である。チタン酸ジルコン酸鉛の場合は、チタン酸鉛の結晶化温度のほうがジルコン酸鉛のそれよりも低い。したがってチタン酸ジルコン酸鉛を加熱して、アモルファス状態から結晶状態へ変化させるときは、チタン酸鉛が優先して結晶化する。そして、このとき、電極のような固体に接触している部位には、結晶核が生じやすいため、気体に接している表面側よりも先に、固体側の部位でチタン酸鉛の結晶化が起こる。また、電極以外の固体、例えば既に結晶化したチタン酸ジルコン酸鉛が存在する場合も同様で、既に結晶化したチタン酸ジルコン酸鉛の側の部位でチタン酸鉛の結晶化が優先的に起きる。
また、上記のような固溶体が結晶化する温度(通常600℃程度以上)においては、層内の元素の移動(拡散)が容易となる。したがって、結晶化により、電極側でチタン酸鉛が優先して結晶化するとともに、他の酸化物(この場合はジルコン酸鉛)が排除されるように拡散し、結果として該層内で電極側にチタン酸鉛の濃化が生じる。すなわち、原料層を単層で結晶化させた層では層の下側の部分のチタン含有率が大きくなる。この場合、ジルコニウムなどの他のBサイトの元素の含有率は、層の上側の部分ほど大きくなる。また、原料層を単層で結晶化させた層の平均チタン含有率は、結晶化の際にBサイトの元素が系外へ除去されない限り、元の原料層の平均チタン含有率に等しい。
図8は、上記のことをさらに説明する模式図である。図8は、単層の原料層の結晶化前後におけるチタン含有率の層の厚み方向のプロファイルを示している。図8の破線は、結晶化前の原料層の平均チタン含有率a1を示す。また、図8の破線は、結晶化後の層の平均チタン含有率a2を示す。図8の実線は、結晶化後の層内の各部分のチタン含有率の厚み方向のプロファイルである。上述したように、結晶化前の原料層の平均チタン含有率a1は、層の厚み方向について均一である。一方、原料層を結晶化させた後(実線)では、厚み方向の部分毎にチタン含有率が分布を有しており、表面側よりも電極側のチタン含有率が高くなっている。そして、原料層を単層で結晶化させた場合の各部分のチタン含有率と、結晶化前の原料層の平均チタン含有率a1との差の絶対値(偏差)が、該層の両端部分において最大値を示している(最大の偏差にpおよびp’と符号を付した。)。また、層の平均チタン含有率は、結晶化前後で変化しないため、結晶化後の層の平均チタン含有率a2は、結晶化前の層の平均チタン含有率a1に一致している。このため、図中の斜線部分αおよびα’の面積は等しくなっている。
3.作用効果
本実施形態にかかる圧電素子の製造方法は、以下のような特徴を有する。
本実施形態にかかる圧電素子の製造方法は、以下のような特徴を有する。
図9は、チタン含有率の異なる原料層を複数(図示の例では3層)積層した前駆体層の結晶化前後におけるチタン含有率の層の厚み方向のプロファイルを模式的に示している。図9の破線は、結晶化前の前駆体層311aの各部分のチタン含有率のプロファイルを示している。図9において、結晶化後の層状部311の平均チタン含有率a2は中央の原料層の平均チタン含有率に一致している。図9の実線は、原料層間に物質の移動(拡散)が生じないと仮定した場合の結晶化後の層状部311内の各部分のチタン含有率の厚み方向のプロファイルである。結晶化前において、原料層の平均チタン含有率は、下層側(電極側)ほど低く形成されている。図9を見ると、結晶化後の層状部311内の各部分のチタン含有率のプロファイルは、各原料層の電極側の部分でチタン含有率が高くなっており、各原料層の表面側の部分でチタン含有率が低くなっている。各原料層の部分のチタン含有率における各原料層の平均チタン含有率からの偏差のプロファイルは、上記仮定の基では、原料層を単層で結晶化させたときの偏差のプロファイルと傾向が一致している。各原料層の部分のチタン含有率における各原料層の平均チタン含有率からの偏差の最大値は、各原料層の境界にあって、その大きさは前述したpおよびp’にほぼ等しい。また図中の斜線部分βおよびβ’、γおよびγ’、並びにδおよびδ’は、互いに面積が等しい。
本実施形態においては、前駆体層311a内で厚み方向に元素が拡散することを利用するため、図9の斜線部分β’とγ、および斜線部分γ’とδが相互に相殺して、図10に示すようなチタン含有率が平坦化したプロファイルとなる。このようなプロファイルは、厚み方向の元素の拡散距離が大きいほど平坦性が良好となる。よって、図10に示すように、結晶化後の層状部311内の各部分のチタン含有率における前駆体層311aの平均チタン含有率a2からの偏差のばらつきの幅(r+r’)は、単層で結晶化した層内の各部分のチタン含有率における前駆体層311aの平均チタン含有率a2からの偏差のばらつきの幅(p+p’)よりも小さくすることができる。これにより、誘電体層30内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制された圧電素子100を得ることができる。圧電素子100は、誘電体層30内の各部分の間でチタン含有率のばらつきが小さいため、圧電定数等の特性が良好である。また、本実施形態の製造方法によれば、層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され、特性が良好な誘電体層30を得ることができる。
各前記原料層の平均チタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差は、前記前駆体層の平均チタン含有率と同じチタン含有率を有する原料を単層で結晶化させた場合において、結晶化した層の各部分のチタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差のうち、最大の値よりも小さくすると、各原料層の平均チタン含有率(図9中の破線)が、前駆体層の平均チタン含有率a1から大きく離れた値とならず、得られる層状部内の各部分のチタン含有率の厚み方向のプロファイルを平坦化することができる。
5.実験例
本実験例の圧電素子は次のように作成した。白金電極をシリコン基板の上にスパッタにより形成し、その上にチタン酸ジルコン酸鉛の原料溶液をスピンコート法にて塗布し、これを乾燥、脱脂して前駆体層を形成した。このときの原料溶液中のチタン含有率は、チタンのモル数/(チタンのモル数+ジルコニウムのモル数)で表したとき、0.47であった。得られた前駆体層の上に、さらに原料溶液を塗布し、乾燥、脱脂する工程を2回行った。2回目および3回目に用いた原料溶液中のチタン含有率は、それぞれ、0.485および0.50であった。その結果、下部電極の上にチタン含有率の異なる前駆体層が3層積層した状態が形成された。前駆体層の積層体の厚みは300nmであった。次に得られた積層体をRTAにて、650℃〜750℃で結晶化アニールし、層状部を得た。このような工程を繰り返して、層状部を4層積層した。最終的な結晶化したチタン酸ジルコン酸鉛の誘電体層の厚みは1200nmであった。そして、白金スパッタにより上部電極を形成し、フォトリソグラフィにより、層状部および上下の電極をパターニングおよびエッチングして、圧電素子を作成した。
本実験例の圧電素子は次のように作成した。白金電極をシリコン基板の上にスパッタにより形成し、その上にチタン酸ジルコン酸鉛の原料溶液をスピンコート法にて塗布し、これを乾燥、脱脂して前駆体層を形成した。このときの原料溶液中のチタン含有率は、チタンのモル数/(チタンのモル数+ジルコニウムのモル数)で表したとき、0.47であった。得られた前駆体層の上に、さらに原料溶液を塗布し、乾燥、脱脂する工程を2回行った。2回目および3回目に用いた原料溶液中のチタン含有率は、それぞれ、0.485および0.50であった。その結果、下部電極の上にチタン含有率の異なる前駆体層が3層積層した状態が形成された。前駆体層の積層体の厚みは300nmであった。次に得られた積層体をRTAにて、650℃〜750℃で結晶化アニールし、層状部を得た。このような工程を繰り返して、層状部を4層積層した。最終的な結晶化したチタン酸ジルコン酸鉛の誘電体層の厚みは1200nmであった。そして、白金スパッタにより上部電極を形成し、フォトリソグラフィにより、層状部および上下の電極をパターニングおよびエッチングして、圧電素子を作成した。
比較例の圧電素子は、すべての前駆体層を形成する際の原料溶液のチタン含有率を0.485として一定にしたことを除き、実験例の圧電素子と同様に作成した。
実験例の圧電素子および比較例の圧電素子の圧電定数d31を測定したところ、それぞれ450(pC/N)および300(pC/N)であった。
図11は、実験例の圧電素子のチタン酸ジルコン酸鉛層をエックス線光電子分光法(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis:ESCA)によって深さ方向分析した結果である。図12は、比較例の圧電素子のチタン酸ジルコン酸鉛層をESCAによって深さ方向分析した結果である。各スペクトルの帰属は図中に元素名を示した。図11および図12の縦軸は、光電子の検出強度を各元素について規格化したものである。図11および図12の各元素のスペクトルの強度は、相対的に比較することができる。図11および図12の横軸は、深さ方向分析のスパッタ時間を示し、分析している深さすなわち層の厚み方向に対応している。図11および図12の横軸は、スパッタ条件を揃えているため、相対的に比較することができる。
図11を見ると、本実施形態の製造方法に従って製造された実験例の圧電素子の層状部内の各部分のチタン含有率の変動幅は、0.72であることがわかる。図12を見ると、比較例の圧電素子の層状部内の各部分のチタン含有率の変動幅は、1.44であることが分かる。このように本実施形態の圧電素子の製造方法によれば、誘電体層内の各部分におけるチタン含有率のばらつきが抑制され特性が良好な誘電体層を有する圧電素子を製造できることが分かった。
6.アクチュエータ200および液体噴射ヘッド300の製造方法
図13は、本実施形態の液体噴射ヘッド300を模式的に示す断面図である。
図13は、本実施形態の液体噴射ヘッド300を模式的に示す断面図である。
液体噴射ヘッド300は、上述の圧電素子100と、弾性板3と酸化シリコン層2と圧力室層1と、ノズル板4とを含む。弾性板3は、圧電素子100の下方に形成される。弾性板3は、例えば酸化ジルコニウムを用いて形成される。弾性板3は、圧電素子100の動作によって振動することができる。酸化シリコン層2は、弾性板3の下方に形成される。酸化シリコン層2は、圧力室5の上面となる。圧力室層1は、酸化シリコン層2の下方に形成され、圧力室5の側面となる。ノズル板4は、圧力室層1の下方に形成される。ノズル板4は、液体を噴射するノズル孔6を有する。液体噴射ヘッド300の動作としては、圧力室5にインク等の液体が充填された状態で、圧電素子100が駆動されることによって振動板3および酸化シリコン層2が振動してノズル孔6から液体が噴射されるものである。
このような液体噴射ヘッド300は、上述の圧電素子100において、基体10を、シリコン基板と、酸化シリコン層2と、弾性板3とが下方から順に積層された積層体とし、圧電素子100の下方のシリコン基板の一部をエッチングして除去することにより圧力室層1を形成し、下方にノズル板4を接着して製造することができる。
酸化シリコン層2は、例えばシリコン基板を熱酸化することにより形成することができる。弾性板3は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、酸化ジルコニウムを堆積させて形成することができる。シリコン基板のパターニングは、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法などを用いて行うことができる。本実施形態の製造方法によれば、層内で誘電体の組成の偏りが抑制され特性が良好な誘電体層30を有する液体噴射ヘッド300を提供することができる。
液体噴射ヘッド300の一部であるアクチュエータ200は、弾性板3と圧電素子100とからなる。このようなアクチュエータ200は、上述の圧電素子100において、基体10を、シリコン基板と、弾性板3とが下方から順に積層された積層体とし、弾性板3の下方のシリコン基板の少なくとも一部をエッチングして除去することにより、製造することができる。本実施形態の製造方法によれば、層内で誘電体の組成の偏りが抑制され特性が良好な誘電体層30を有するアクチュエータ200を提供することができる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
1 圧力室層、2 酸化シリコン層、3 弾性板、4 ノズル板、5 圧力室、
6 ノズル孔、10 基体、20 下部電極、30 誘電体層、40 上部電極、
100 圧電素子、200 アクチュエータ、300 液体噴射ヘッド、
301,302,303 原料層、311,312 層状部、311a 前駆体層
6 ノズル孔、10 基体、20 下部電極、30 誘電体層、40 上部電極、
100 圧電素子、200 アクチュエータ、300 液体噴射ヘッド、
301,302,303 原料層、311,312 層状部、311a 前駆体層
Claims (4)
- 基体の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい、圧電素子の製造方法。 - 請求項1において、
各前記原料層の平均チタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差は、前記前駆体層の平均チタン含有率と同じチタン含有率を有する原料を単層で結晶化させた場合において、結晶化した層の各部分のチタン含有率における前記前駆体層の平均チタン含有率からの偏差のうち、最大の値よりも小さい、圧電素子の製造方法。 - 基体の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい、誘電体層の製造方法。 - 弾性板の上方に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上方に複数の原料層が積層された前駆体層を形成する第1工程、および、前記前駆体層を結晶化させて層状部を形成する第2工程の組を、1または複数回行い誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記誘電体層は、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなり、
前記Aサイトは、鉛(Pb)を含み、
前記Bサイトは、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含み、
前記複数の原料層の各層の平均チタン含有率は、下層ほど小さい、アクチュエータの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007217012A JP2009054618A (ja) | 2007-08-23 | 2007-08-23 | 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007217012A JP2009054618A (ja) | 2007-08-23 | 2007-08-23 | 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009054618A true JP2009054618A (ja) | 2009-03-12 |
Family
ID=40505480
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007217012A Withdrawn JP2009054618A (ja) | 2007-08-23 | 2007-08-23 | 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009054618A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015030064A1 (ja) * | 2013-08-27 | 2015-03-05 | 三菱マテリアル株式会社 | PNbZT薄膜の製造方法 |
JP2015201518A (ja) * | 2014-04-07 | 2015-11-12 | 株式会社リコー | 複合酸化膜の製造方法、圧電素子の製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09223830A (ja) * | 1995-02-20 | 1997-08-26 | Seiko Epson Corp | 圧電体薄膜およびその製造法ならびにそれを用いたインクジェット記録ヘッド |
JP2000208828A (ja) * | 1999-01-14 | 2000-07-28 | Seiko Epson Corp | 圧電体薄膜素子およびその製造方法 |
JP2001196652A (ja) * | 1999-11-01 | 2001-07-19 | Kansai Research Institute | 圧電体素子およびその製造方法ならびにそれを用いたインクジェット式プリンタヘッド |
JP2002343791A (ja) * | 2001-05-18 | 2002-11-29 | Sharp Corp | 誘電体薄膜の製造方法並びに強誘電体装置 |
JP2004152922A (ja) * | 2002-10-30 | 2004-05-27 | Fujitsu Ltd | 強誘電体膜の製膜方法 |
-
2007
- 2007-08-23 JP JP2007217012A patent/JP2009054618A/ja not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09223830A (ja) * | 1995-02-20 | 1997-08-26 | Seiko Epson Corp | 圧電体薄膜およびその製造法ならびにそれを用いたインクジェット記録ヘッド |
JP2000208828A (ja) * | 1999-01-14 | 2000-07-28 | Seiko Epson Corp | 圧電体薄膜素子およびその製造方法 |
JP2001196652A (ja) * | 1999-11-01 | 2001-07-19 | Kansai Research Institute | 圧電体素子およびその製造方法ならびにそれを用いたインクジェット式プリンタヘッド |
JP2002343791A (ja) * | 2001-05-18 | 2002-11-29 | Sharp Corp | 誘電体薄膜の製造方法並びに強誘電体装置 |
JP2004152922A (ja) * | 2002-10-30 | 2004-05-27 | Fujitsu Ltd | 強誘電体膜の製膜方法 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015030064A1 (ja) * | 2013-08-27 | 2015-03-05 | 三菱マテリアル株式会社 | PNbZT薄膜の製造方法 |
JP2015065430A (ja) * | 2013-08-27 | 2015-04-09 | 三菱マテリアル株式会社 | PNbZT薄膜の製造方法 |
JP2015201518A (ja) * | 2014-04-07 | 2015-11-12 | 株式会社リコー | 複合酸化膜の製造方法、圧電素子の製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5035504B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP2007287745A (ja) | 圧電材料および圧電素子 | |
JP6260108B2 (ja) | 電子デバイスの製造方法 | |
JP2008028030A (ja) | 圧電素子および液体噴射ヘッド | |
JP5556966B2 (ja) | 圧電体素子 | |
JP5041121B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP4753028B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JPH10217458A (ja) | 圧電体素子及びこれを用いたアクチュエータ並びにインクジェット式記録ヘッド | |
JP2004096050A (ja) | 強誘電体デバイスの作製方法、およびそれを用いた強誘電体メモリ、圧電素子、インクジェット式ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP3498836B2 (ja) | 圧電体素子およびその製造方法 | |
JP4905640B2 (ja) | 圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 | |
JP4905645B2 (ja) | 圧電材料およびその製造方法、並びに液体噴射ヘッド | |
JP4753027B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP2009054618A (ja) | 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 | |
JP4702552B2 (ja) | 圧電素子、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置 | |
JP2009038169A (ja) | 圧電素子の製造方法、誘電体層の製造方法、およびアクチュエータの製造方法 | |
JP2008172157A (ja) | 圧電素子の製造方法 | |
JP2012069622A (ja) | 圧電素子の製造方法および液体噴射ヘッドの製造方法 | |
JP2012169400A (ja) | 強誘電体膜の製造方法とそれを用いた強誘電体素子 | |
JP5041120B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェットプリンタ | |
JP2008153551A (ja) | アクチュエータ装置及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド | |
JP6287118B2 (ja) | 電子デバイスの製造方法 | |
JP2017130624A (ja) | Pzt前駆体溶液及びその製造方法、pzt膜の製造方法、電気機械変換素子の製造方法、液体吐出ヘッドの製造方法 | |
JP2006196547A (ja) | 圧電素子の製造方法及び液体噴射ヘッドの製造方法 | |
JP4831304B2 (ja) | 圧電体膜、圧電素子、圧電アクチュエータ、液体噴射ヘッド、表面弾性波素子およびデバイス |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100629 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121226 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20121227 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20130222 |