JPH10139594A - 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 - Google Patents

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

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JPH10139594A
JPH10139594A JP28877096A JP28877096A JPH10139594A JP H10139594 A JPH10139594 A JP H10139594A JP 28877096 A JP28877096 A JP 28877096A JP 28877096 A JP28877096 A JP 28877096A JP H10139594 A JPH10139594 A JP H10139594A
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thin film
piezoelectric thin
piezoelectric
layer
sol
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Tadaaki Kuno
忠昭 久野
Satoru Miyashita
悟 宮下
Hiroshi Aoyama
拓 青山
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚膜化しても圧電ひずみ定数値の低下しない
圧電体薄膜、およびその製造法を提供する。 【解決手段】 本発明による圧電体薄膜は、三成分系圧
電体材料から形成される母層と、母層に比べて結晶化温
度の低い二成分系圧電体材料から形成される部分層とか
ら形成されていることから、厚膜時の圧電体薄膜全体の
結晶性改善が得られ、圧電ひずみ定数値低下を抑制でき
る。さらに、このような圧電体薄膜は、ゾルゲル法であ
って、多数回コートした圧電体材料を一括してアニール
し結晶化させることで製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録装置等にアクチュエーターとして用いられる圧電体薄
膜素子に関する。
【0002】
【従来の技術】PZTに代表される圧電体、強誘電体薄
膜は、スパッタ法、ゾルゲル法、CVD法、レ−ザアブ
レーション法等で形成することができる。膜厚を厚くす
るためには、成膜する堆積時間を増加させたり、成膜を
複数回繰り返すことにより対応している。ペロブスカイ
ト構造を得るために、通常500〜700℃の酸素雰囲
気中でアニールが行なわれている。
【0003】特にゾルゲル法は組成制御性に優れてお
り、スピンコートと焼成を繰り返すことで容易に薄膜を
得ることができる。フォトエッチング工程を用いたパタ
ーニングが可能で、素子化も容易である。またこのよう
に製造した圧電体薄膜素子を用いたインクジェット記録
ヘッドも提言されている。(特公平5−504740)
ゾルゲル法にて二成分系圧電体薄膜の膜厚を厚くする場
合には、結晶性劣化に基づく圧電ひずみ定数低下が起こ
り易いという問題がある。そこで、厚膜時の圧電ひずみ
定数改善の目的で、二成分系圧電体材料においては、よ
り結晶化温度の低いPTからなる部分層を有する構造の
圧電体薄膜製造方法が実施されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ゾルゲ
ル法による三成分系圧電体薄膜の厚膜化においては、二
成分系圧電体薄膜の場合に行なわれるような低結晶化温
度の材料からなる部分層を有する構造の圧電体薄膜とす
る方法は実施されていない。従って圧電ひずみ定数低下
についての課題は依然解決していない。
【0005】そこで本発明は、このような問題点を解決
するもので、その目的とするところは、より低結晶化温
度の二成分系圧電体材料からなる部分層を有する構造の
三成分系圧電体薄膜を製造し、厚膜時の圧電ひずみ定数
低下を抑制した三成分系圧電体薄膜素子およびその製造
方法を提供するところにある。また前述のように製造し
た圧電体薄膜を振動子として用いてなるインクジェット
記録ヘッドを提言する。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の圧電体薄膜は、(1) 母層がPMN、P
ZおよびPTから形成される三成分系圧電体材料からな
り、部分層にPZおよびPTから形成される二成分系材
料を有する構造と、(2) 圧電体薄膜内に部分層が複
数層形成されている構造と、(3) 部分層を形成する
PZとPTの組成比が0.3以上0.7以下であること
を特徴とする。
【0007】また本発明の圧電体薄膜の製造方法は、
(1) 図1〜4に示した圧電体薄膜断面図において、
シリコン基板11の上に白金電極12を形成し、その上
にゾルゲル法を用いて部分層13と母層14から形成さ
れる多層薄膜を形成し、一括してアニールし、結晶化さ
せることで圧電体薄膜21とすること、(2) 図1は
最下層の部分層13の上に母層14を形成する場合を、
図2は母層14の中間部に部分層13を形成する場合
を、図3は母層14の最上層に部分層13を形成する場
合、といった圧電体薄膜21内の任意の層位置に一層の
部分層を形成すること、(3) 図4は圧電体薄膜21
内の任意の層位置に複数個の部分層を形成すること、
(4) 上記製造工程を繰り返し、圧電体材料を複数回
積層して厚膜化すること、(5) アニールを600℃
〜900℃の温度範囲で行い、結晶化させること、を特
徴とする。
【0008】さらに、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドは、本発明の圧電体薄膜を振動子として用いてなるこ
とを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。
【0010】(実施例1)酢酸鉛0.105モル、ジル
コニウムアセチルアセトナート0.045モル、酢酸マ
グネシウム0.005モルと30ミリリットルの酢酸
を、100℃に加熱して溶解させた。室温まで冷却し、
チタンテトライソプロポキシド0.040モル、ペンタ
エトキシニオブ0.010モルをエチルセラソルブ50
ミリリットルに溶解させて添加した。アセチルアセトン
を30ミリリットル添加して安定化させた後、ポリエチ
レングリコールをゾル中の金属酸化物に対し30重量%
添加し、よく攪拌して均質なPMN、PT、PZの三成
分系の母層のゾルとした。
【0011】それとは別に、酢酸鉛0.105モル、ジ
ルコニウムアセチルアセトナート0.050モルと30
ミリリットルの酢酸を、100℃に加熱して溶解させ
た。室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシド
0.050モルをエチルセラソルブ50ミリリットルに
溶解させて添加した。アセチルアセトンを30ミリリッ
トル添加して安定化させた後、ポリエチレングリコール
をゾル中の金属酸化物に対し30重量%添加し、よく攪
拌して均質なPZT二成分系の部分層のゾルとした。
【0012】図1に圧電体薄膜を模式的に表す断面図を
示す。11のシリコン基板上に12の白金電極をスパッ
タ法で形成し、その上に調製した部分層のゾルをスピン
コートで塗布し、400℃で仮焼成した。クラックを生
じることなく、0.3μmの膜厚の非晶質の部分層13
を形成できた。更に母層のゾルの塗布と400℃の仮焼
成を5度繰り返し、1.5μmの膜厚の母層14を形成
した。次にRTA(Rapid Thermal Annealing)を用い
て酸素雰囲気中850℃に加熱し、1分間保持してアニ
ールした。1.2μm厚の圧電体薄膜21が得られた。
エックス線解析でペロブスカイト型結晶の鋭く強いピー
クが検出された圧電体薄膜21上にアルミニウム電極を
蒸着法で形成し、分極後、物性を測定したところ比誘電
率2000、圧電ひずみ定数200pC/Nと優れた特
性を示した。比誘電率は極端に高くないが、電気機械結
合係数が高いため、大きな圧電ひずみ定数が得られた。
【0013】図6にこの製造方法で作成した圧電体薄膜
素子を、インクジェット記録装置に用いた時の概念を模
式的に表す断面図を示す。シリコンウェハ31上に窒化
珪素の振動板32をスパッタ法で形成し、前述の方法で
下電極33と圧電体薄膜34を形成した。圧電体薄膜を
フォトエッチングにより幅0.2mm、長さ4mmにパ
ターニングし、シリコンウェハーに異方性エッチングに
より幅0.3mmの溝を形成した。金の上電極35を形
成した後、ガラス製の第二基板36と接合し、インク流
路37を形成した。基板ごと切断してインクジェットヘ
ッドを組み立て、インクを吐出させたところ、充分な吐
出力が得られた。インクジェット記録装置に組み込んで
印字すると、良好な印字品質が得られた。フォトエッチ
ングを用いるため高精細化が可能で、一枚の基板から多
数の素子が取れるため低コスト化も可能である。また製
造安定性、特性の再現性も大変優れていた。
【0014】(実施例2〜9)実施例1と同様にして、
PMN,PT,PZの三成分系の母層のゾルを用意し
た。
【0015】それとは別に、ジルコニウムアセチルアセ
トナートとチタンテトライソプロポキシドの添加比を調
製して、PT/PZの組成比を変えたPZT二成分系の
部分層のゾルを8種類用意した。
【0016】実施例1と同様に図1に示す構成の圧電体
薄膜を製造した。まず、11のシリコン基板上に12の
白金電極をスパッタ法で形成し、その上に各組成比に調
製した部分層のゾルをスピンコートで塗布し、400℃
で仮焼成した。クラックを生じることなく、0.3μm
の膜厚の非晶質の部分層13を形成できた。更に母層の
ゾルの塗布と400℃の仮焼成を5度繰り返し、1.5
μmの膜厚の母層14を形成した。次にRTAを用いて
酸素雰囲気中850℃に加熱し、1分間保持してアニー
ルした。1.2μm厚の圧電体薄膜21が得られた。圧
電体薄膜21上にアルミニウム電極を蒸着法で形成し、
分極後、電気特性を測定した結果を表1に示す。
【0017】
【表1】
【0018】表1から明かなように、部分層の組成比P
Z/PTが0.3以上0.7以下において、高い圧電特
性が得られた。
【0019】(比較例1)実施例1と同様にして、PM
N,PT,PZの三成分系の母層のゾルを用意した。
【0020】それとは別に、部分層としてPT一成分系
の部分層のゾルを調製した。
【0021】実施例1と同様に図1に示す構成の圧電体
薄膜を製造した。まず、11のシリコン基板上に12の
白金電極をスパッタ法で形成し、その上に各組成比に調
製した部分層のゾルをスピンコートで塗布し、400℃
で仮焼成した。クラックを生じることなく、0.3μm
の膜厚の非晶質の部分層13を形成できた。更に母層の
ゾルの塗布と400℃の仮焼成を5度繰り返し、1.5
μmの膜厚の母層14を形成した。次にRTAを用いて
酸素雰囲気中850℃に加熱し、1分間保持してアニー
ルした。1.2μm厚の圧電体薄膜21が得られた。
【0022】圧電体薄膜21上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定したところ比誘
電率300、圧電ひずみ定数10pC/Nという結果が
得られた。この結果よりPT一成分系の部分層の場合に
はPZT二成分系の部分層の場合に比べて高い圧電特性
が得られなかった。
【0023】(比較例2)実施例1と同様にして、PM
N,PT,PZの三成分系の母層のゾルを用意した。
【0024】まず、シリコン基板上に白金電極をスパッ
タ法で形成し、その上に母層のゾルの塗布と400℃の
仮焼成を6度繰り返し1.8μmの膜厚の母層を形成し
た。次にRTAを用いて酸素雰囲気中850℃に加熱
し、1分間保持してアニールした。1.2μm厚の圧電
体薄膜が得られた。この圧電体薄膜上にアルミニウム電
極を蒸着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果
したところ比誘電率1500、圧電ひずみ定数60pC
/Nという結果が得られた。この結果はPZT二成分系
の部分層形成の効果について示している。
【0025】(実施例10)実施例1と同様にして、P
MN,PT,PZの三成分系の母層のゾルと、PZT二
成分系の部分層のゾルを用意した。
【0026】図2に圧電体薄膜を模式的に表す断面図を
示す。11のシリコン基板上に12の白金電極をスパッ
タ法で形成し、その上に母層のゾルの塗布と400℃の
仮焼成を3度繰り返し0.9μmの膜厚の母層14を形
成した。更に部分層のゾルの塗布と400℃の仮焼成を
し0.3μmの膜厚の部分層13を形成した。更にその
上に母層のゾルの塗布と400℃の仮焼成を3度繰り返
し0.9μmの膜厚の母層14を形成した。次にRTA
を用いて酸素雰囲気中850℃に加熱し、1分間保持し
てアニールした。1.4μm厚の圧電体薄膜21が得ら
れた。
【0027】圧電体薄膜21上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果したと
ころ比誘電率1800、圧電ひずみ定数180pC/N
と優れた特性を示した。
【0028】(実施例11)実施例1と同様にして、P
MN,PT,PZの三成分系の母層のゾルと、PZT二
成分系の部分層のゾルを用意した。
【0029】図3に圧電体薄膜を模式的に表す断面図を
示す。11のシリコン基板上に12の白金電極をスパッ
タ法で形成し、その上に母層のゾルの塗布と400℃の
仮焼成を5度繰り返し1.5μmの膜厚の母層14を形
成した。更にその上に部分層のゾルの塗布と400℃の
仮焼成をし0.3μmの膜厚の部分層13を形成した。
次にRTAを用いて酸素雰囲気中850℃に加熱し、1
分間保持してアニールした。1.2μm厚の圧電体薄膜
21が得られた。
【0030】圧電体薄膜21上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果したと
ころ比誘電率1800、圧電ひずみ定数160pC/N
と優れた特性を示した。
【0031】(実施例12)実施例1と同様にして、P
MN,PT,PZの三成分系の母層のゾルと、PZT二
成分系の部分層のゾルを用意した。
【0032】図4に圧電体薄膜を模式的に表す断面図を
示す。11のシリコン基板上に12の白金電極をスパッ
タ法で形成し、その上に部分層のゾルの塗布と400℃
の仮焼成をし0.3μmの膜厚の部分層13を形成し、
更にその上に母層のゾルの塗布と400℃の仮焼成を3
度繰り返し0.9μmの膜厚の母層14を形成した。同
様にしてその上に0.3μm厚の部分層13と0.9μ
m厚の母層14を形成した。 次にRTAを用いて酸素
雰囲気中850℃に加熱し、1分間保持してアニールし
た。1.6μm厚の圧電体薄膜21が得られた。
【0033】圧電体薄膜21上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果したと
ころ比誘電率1700、圧電ひずみ定数190pC/N
と優れた特性を示した。
【0034】(実施例13)実施例1と同様にして、P
MN,PT,PZの三成分系の母層のゾルと、PZT二
成分系の部分層のゾルを用意した。
【0035】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成した上に、実施例1に記述と同様の製造方法で1.
2μm厚の圧電体薄膜を形成した。更にその上に同様の
製造方法を二回繰り返して2.4μm厚の圧電体薄膜を
積層し、合計3.6μm厚の圧電体薄膜を形成した。
【0036】この圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果したと
ころ比誘電率1600、圧電ひずみ定数180pC/N
と優れた特性を示した。
【0037】(実施例14〜24)酢酸鉛0.105モ
ル、ジルコニウムアセチルアセトナート0.042モ
ル、酢酸マグネシウム0.007モルと30ミリリット
ルの酢酸を、100℃に加熱して溶解させた。室温まで
冷却し、チタンテトライソプロポキシド0.038モ
ル、ペンタエトキシニオブ0.013モルをエチルセラ
ソルブ50ミリリットルに溶解させて添加した。アセチ
ルアセトンを30ミリリットル添加して安定化させた
後、ポリエチレングリコールをゾル中の金属酸化物に対
し30重量%添加し、よく攪拌して均質なPMN、P
T、PZの三成分系の母層のゾルとした。
【0038】また、実施例1と同様にして、PZT二成
分系の部分層のゾルを用意した。
【0039】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成した上に、実施例1に記述と同様に部分層1層と母
層5層を400℃の仮焼成で積層した。次にアニール過
程温度のみを11段階変化させ、1.2μm厚の圧電体
薄膜を形成した。
【0040】この圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸
着法で形成し、分極後、電気特性を測定した結果を表2
に示す。
【0041】
【表2】
【0042】表2から明かなように、アニール温度60
0℃〜900℃において高い圧電特性が得られた。
【0043】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明の圧電体薄
膜は、広範に応用可能な高い誘電率と高い圧電ひずみ定
数を持つ。また本発明の圧電体薄膜の製造方法は、ゾル
ゲル法による厚膜化の際に発生する圧電定数の低下を防
止し、厚膜の場合においても高い誘電率と高い圧電ひず
み定数を持つ圧電体薄膜を提供できた。またフォトエッ
チングによる微細化も容易であり、本発明の圧電体薄膜
を用いた高精細な印字が可能となるインクジェット記録
ヘッドを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電体薄膜の製造法を模式的に表す断
面図である。
【図2】本発明の圧電体薄膜の製造法を模式的に表す断
面図である。
【図3】本発明の圧電体薄膜の製造法を模式的に表す断
面図である。
【図4】本発明の圧電体薄膜の製造法を模式的に表す断
面図である。
【図5】本発明による圧電体薄膜の好ましい組成を示す
三成分組成図である図である。
【図6】本発明の実施例1における、インクジェット記
録装置に用いるインクジェット記録ヘッドの概念を模式
的に表す断面図である。
【符号の説明】
11 ‥‥‥ シリコン基板 12 ‥‥‥ 白金電極 13 ‥‥‥ 部分層 14 ‥‥‥ 母層 21 ‥‥‥ 圧電体薄膜 31 ‥‥‥ シリコン基板 32 ‥‥‥ 振動板 33 ‥‥‥ 下電極 34 ‥‥‥ 圧電体薄膜 35 ‥‥‥ 上電極 36 ‥‥‥ 第二基板 37 ‥‥‥ インク流路
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 41/187 H01L 41/22 Z 41/22

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 母層がマグネシウム酸ニオブ酸鉛(以
    下、「PMN」と記す)、ジルコン酸鉛(以下、「P
    Z」と記す)およびチタン酸鉛(以下、「PT」と記
    す)から形成される三成分系圧電体材料からなり、母層
    の下地層、中間層、表面層といった部分層にPZおよび
    PTから形成されるチタン酸ジルコン酸鉛(以下、「P
    ZT」と記す)から形成された二成分系材料を有する構
    造の圧電体薄膜。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の部分層が圧電体薄膜内
    に複数層形成されていることを特徴とする圧電体薄膜。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の母層を形成する三成分
    系圧電体材料において、その組成がxPb(Mg1/3
    2/3)−yPbZrO3−zPbTiO3(x,y,z
    はモル比を表し、x+y+z=1)で表される三成分系
    圧電体材料からなり、かつこの式の三成分系組成図にお
    いて以下に示すA,B,C,D4点の組成範囲内にある
    ことを特徴とする圧電体薄膜。 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55) B(x=0.05,y=0.55,z=0.40) C(x=0.25,y=0.30,z=0.30) D(x=0.25,y=0.45,z=0.30)
  4. 【請求項4】 請求項1および2に記載の部分層におい
    て二成分系圧電体材料を形成するPZとPTの組成比
    (PZ/PT)が0.3以上0.7以下であることを特
    徴とする圧電体薄膜。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4に記載の圧電体薄膜を、ゾ
    ルゲル法により製造する過程において、三成分系圧電体
    材料からなる母層と、二成分系圧電体材料からなる部分
    層とによって形成される多層膜を一括してアニールし、
    結晶化させることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項5の方法で製造された圧電体薄膜
    を複数回積層することを特徴とする圧電体薄膜の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 アニールを600℃〜900℃の温度範
    囲で行なうことを特徴とする請求項5、6のいずれか記
    載の圧電体薄膜の製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項1〜4のいずれかに記載の圧電体
    薄膜を振動子として用いてなる、インクジェット記録ヘ
    ッド。
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