JP4078629B2

JP4078629B2 - 圧電体薄膜素子

Info

Publication number: JP4078629B2
Application number: JP2001308386A
Authority: JP
Inventors: 欣山李
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-04
Also published as: JP2003115617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気機械変換機能を有する圧電体薄膜素子に係り、特に、所定の傾斜組成を有する圧電体薄膜を備えた圧電体薄膜素子、その製造方法、ならびにこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェット式記録ヘッド及びインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体薄膜素子は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体薄膜は結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。この圧電性セラミックスとしては、ペロブスカイト型結晶構造を有し、化学式ＡＢＯ_３で示すことのできる複合酸化物が知られている。例えばＡには鉛（Ｐｂ），Ｂにジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）の混合を適用したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が知られている。
【０００３】
従来、圧電体薄膜素子に用いられる圧電体薄膜については、その結晶配向や構成材料を種々工夫することにより、圧電特性や高速応答性などの改良が進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の圧電体薄膜素子では、圧電体薄膜中の各部の動きを十分に考慮した改良は行なわれていなかった。そのため折角特性の優れた圧電体薄膜が得られても、圧電体薄膜素子またはインクジェットヘッドとして応用した場合には、その機能を十分に発揮させることができない場合があった。
【０００５】
本発明は、圧電体薄膜の各部に要求される動きに応じた特性をそれぞれ持たせることにより、低電圧でも、圧電体薄膜の機能を十分に発揮することのできる圧電体薄膜素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
さらには、上記圧電体薄膜素子をインク吐出駆動源とするインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェットプリンタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の圧電体薄膜素子は、下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に設けられた上部電極と、を備える圧電体薄膜素子であって、前記圧電体薄膜は、膜厚方向の所定位置より上部電極側における膜厚方向の電気抵抗率に対し、前記所定位置より下部電極側における膜厚方向の電気抵抗率の方が、高いことを特徴とする。
【０００８】
上記圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜は、上部電極側から下部電極側に向けて、膜厚方向の電気抵抗率が、膜厚方向に連続的又は段階的に高くなる傾斜組成を有していてもよい。
【０００９】
また本発明の他の圧電体薄膜素子は、下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に設けられた上部電極と、を備える圧電体薄膜素子であって、前記圧電体薄膜は、膜厚方向の所定位置より上部電極側の誘電率に対し、前記所定位置より下部電極側の誘電率の方が、低いことを特徴とする。
【００１０】
上記圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜は、上部電極側から下部電極側に向けて、膜厚方向の誘電率が、膜厚方向に連続的又は段階的に低くなる傾斜組成を有していてもよい。
【００１１】
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、上記の圧電体薄膜素子と、当該圧電体薄膜素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通してインク滴を吐出する吐出口とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明のインクジェットプリンタは、上記のインクジェット式記録ヘッドを印字機構に備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の圧電体薄膜素子の製造方法は、下部電極上に圧電体薄膜を形成する工程と、前記圧電体薄膜上に上部電極を形成する工程と、を備えた圧電体薄膜素子の製造方法であって、前記圧電体薄膜の形成工程は、金属有機化合物のゾルを塗布した後に焼成する成膜工程を複数回行って複数の層からなる圧電体薄膜を形成する工程であり、前記複数の層のうち下部電極側の層の成膜と、上部電極側の層の成膜とにおいて、ドーパントの量が互いに異なるゾルを塗布することを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の圧電体薄膜素子の製造方法は、圧電体薄膜の形成工程において、ＭＯＣＶＤ法による圧電体薄膜の形成中に、金属錯体原料中に含まれるドーパントの濃度を変化させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の圧電体薄膜素子の製造方法は、圧電体薄膜の形成工程において、ＲＦスパッタ法による圧電体薄膜の形成中に、ドーピング用の付属ターゲットのスパッタパワーを変化させることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
（原理説明）
図６に、本実施形態による圧電体薄膜素子４０の部分拡大断面図を示す。圧電体薄膜素子４０は、圧電体薄膜４３を上部電極４４及び下部電極４２で挟んだ構成となっている。
【００１８】
図６（ａ）は、圧電体薄膜４３を膜厚方向に電流Ｉが流れる場合、膜厚方向の所定位置より下部電極側の層４３１及び上部電極側の層４３２は、膜厚方向に電気抵抗ｒ_１及びｒ_２を有し、各層に電圧Ｖ_１及びＶ_２がかかることを示している。電流Ｉは各層で等しいから、
Ｉ＝Ｖ_１／ｒ_１＝Ｖ_２／ｒ_２
の関係より、ｒ_１＞ｒ_２の場合に、Ｖ_１＞Ｖ_２となる。従って下部電極側の層４３１の電気抵抗率を上部電極側の層４３２より高くすることにより、下部電極側の層４３１には上部電極側の層４３２より大きい電界がかかり、大きいひずみが得られる。これにより、大きなひずみが必要な部分には大きな電界をかけ、それより小さなひずみが必要な部分には小さな電界をかけることができる。従って、各部に要求されるひずみ量に応じた適切な電界をかけることができ、低電圧による駆動でも全体として大きなひずみを得ることができる。
【００１９】
このように各層で異なる電気抵抗率の圧電体薄膜４３を形成するためには、圧電体薄膜中に導入されるドーパント濃度の調整によることが好ましい。
【００２０】
図６（ｂ）は、誘電体である圧電体薄膜４３に膜厚方向の電圧をかけた場合の電束密度Ｄと、膜厚方向の所定位置より下部電極側の層４３１及び上部電極側層４３２の、誘電率ε_１及びε_２と、各層にかかる電界Ｅ_１及びＥ_２と、各層の自発分極Ｐ_ｓ１及びＰ_ｓ２と、を示している。電束密度Ｄは各層で等しいから、
Ｄ＝ε_１Ｅ_１＋Ｐ_ｓ１＝ε_２Ｅ_２＋Ｐ_ｓ２
の関係が成立する。各層の自発分極Ｐ_ｓ１及びＰ_ｓ２がほぼ等しいと仮定すると、ε_１＜ε_２の場合に、Ｅ_１＞Ｅ_２となる。従ってこの場合、下部電極側の層４３１には上部電極側の層４３２より大きい電界がかかり、大きいひずみが得られる。従って、ε_１＜ε_２とすることにより、大きなひずみが必要な部分には大きな電界をかけ、それより小さなひずみが必要な部分には小さな電界をかけることができる。従って、各部に要求されるひずみ量に応じた適切な電界をかけることができ、低電圧による駆動でも全体として大きなひずみを得ることができる。
【００２１】
このように各層で異なる誘電率の圧電体薄膜４３を形成するためには、圧電体薄膜中に導入されるドーパント濃度の調整によるほか、圧電体薄膜層の組成制御によって誘電率を調整しても良い。
【００２２】
（インクジェットプリンタの全体構成）
図１に、インクジェットプリンタの斜視図を示す。プリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。
【００２３】
本体２はプリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に給紙機構６を備え、用紙５に印字できるようにインクジェット式記録ヘッド１が配置されている。また、本体２の内部には制御回路８が設けられている。
【００２４】
トレイ３は、印字前の用紙５を供給機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
【００２５】
インクジェット式記録ヘッド１は、本発明に係る圧電体薄膜素子を備えており、制御回路８から出力される信号に対応して、ノズルからインクを吐出可能に構成されている。
【００２６】
給紙機構６は、モータ６００、ローラ６０１、６０２を備えている。モータ６００は制御回路８から出力される信号に対応して回転し、この回転力がローラ６０１、６０２に伝達され、ローラ６０１、６０２の回転によってトレイ３にセットされた用紙５を引き込み、ヘッド１によって印字可能に供給するようになっている。
【００２７】
制御回路８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備えている。制御回路８は、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、信号を給紙機構６やヘッド１の駆動機構に出力する。
【００２８】
（インクジェット式記録ヘッドの構成）
図２に、本実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図を示す。インクジェットヘッドは、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０を備えている。
【００２９】
圧力室基板２０は、圧力室２１、側壁２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチングすることによりインクなどを吐出するために貯蔵する空間として形成されたものである。側壁２２は、圧力室２１を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各圧力室２１に充たすための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１へインクを導入できるように形成されている。
【００３０】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル穴１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼りあわせられている。ノズル板１０を貼り合わせたインク室基板２０は、筐体２５に納められている。
【００３１】
圧力室２１およびノズル穴１１は、一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能であり、例えば４００ｄｐｉ（dot per inch）となるように配置される。
【００３２】
振動板３０には、各圧力室２１に対応する位置に、それぞれ圧電体薄膜素子（図示せず）が設けられており、これらは圧電アクチュエータとして機能する。振動板３０には、インクタンク口３５が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０内部に供給可能になっている。
【００３３】
（層構成）
図３に、本実施形態のインクジェットヘッドのうち個々の圧電体薄膜素子に対応する部分を拡大した断面図を示す。図３に示すように、インクジェットヘッドは、ノズル板１０を備えた圧力室基板２０の上に振動板３０が積層され、この上に下部電極４２、圧電体薄膜４３、上部電極４４を備えた圧電体薄膜素子４０が積層されて構成されている。
【００３４】
圧力室基板２０としては、厚さ２２０μｍ程度のシリコン単結晶基板が好ましい。
【００３５】
振動板３０は、圧力室基板２０の上に形成される二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなるＳｉＯ_２膜３１と、当該ＳｉＯ_２膜３１の上に形成されたＺｒ_１ _- _ｘＭ_ｘＯ_ｙ（０．０１≦ｘ≦０．１５、ｙ＝２．０±α、αは化学量論的に許容される値、Ｍは周期表のIIA族元素又はIIIA族元素である）で表される組成からなるバリヤ層３２との積層からなる。Ｍは、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｅ等である。
【００３６】
下部電極４２は、導電性を有する材料で構成される。例えば、イリジウムの単層膜で構成されるか、または、振動板３０側からイリジウム層／白金層、白金層／イリジウム層、イリジウム層／白金層／イリジウム層といった積層構造を有していることが好ましい。または、イリジウムと白金の合金からなる膜としてもよい。
【００３７】
振動板３０と下部電極４２との間には、両者間の密着力をさらに向上させるために、極薄のチタン薄膜やクロム薄膜等の適当なバッファ層を介在させてもよい。チタン薄膜の膜厚としては、１０ｎｍ以上２０ｎｍ未満が好適である。
【００３８】
圧電体薄膜４３は、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）またはこれと他の成分、例えばマグネシウム酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）との固溶体からなることが好ましい。さらにこれらにドーパントとしてマンガンやランタン等の不純物が導入されていても良い。マンガンやランタンがドープされると抵抗率が上がると考えられる。これらのドーパントは例えば２ｍｏｌ％程度を上限とし、要求される特性に合わせて傾斜組成を形成することが望ましい。圧電体薄膜４３の膜厚は、０．８μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
上部電極４４は、通常電極として用いることができる導電性材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｐｔ、ＲｕＯ₂、Ｉｒ、ＩｒＯ₂等の単層膜又はＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ｐｔ／ＴｉＮ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、ＲｕＯ₂／ＴｉＮ、ＩｒＯ₂／Ｉｒ、ＩｒＯ₂／ＴｉＮ等の２層以上の積層膜であってもよい。
【００４０】
（印刷動作）
以下に、上記インクジェット式記録ヘッドの印刷動作を説明する。制御回路から駆動信号が出力されると、給紙機構が動作し用紙がヘッドによって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路から吐出信号が供給されず圧電体素子の下部電極と上部電極との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層には変化を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子が設けられている圧力室には圧力変化が生じず、そのノズル穴からインク滴は吐出されない。
【００４１】
一方、制御回路から吐出信号が供給され圧電体素子の下部電極と上部電極との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜層に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子が設けられている圧力室ではその振動板が大きくたわむ。このため圧力室内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴からインク滴が吐出される。ヘッド中で印刷させたい位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【００４２】
（製造方法）
次に、図４および５を参照しながら、圧電体薄膜素子及びインクジェットヘッドの製造工程を説明する。
【００４３】
〔振動板の成膜工程〕
まず、図４（Ｓ１）に示すように、シリコンからなる圧力室基板２０上に、熱酸化やＣＶＤ法等の成膜法を用いて、膜厚約１μｍのＳｉＯ_２膜３１を形成する。
【００４４】
次に、図４（Ｓ２）に示すように、ＳｉＯ_２膜３１の上にＺｒＯ_２膜からなるバリヤ層３２を成膜する。バリヤ層３２の成膜法としては、ゾルゲル法、スパッタリング法等を用いる。
【００４５】
〔下部電極の成膜工程〕
次いで、図４（Ｓ３）に示すように、振動板の上に、下部電極４２を形成する。下部電極４２の成膜は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法などを用いる。例えば、膜厚２００ｎｍ程度の白金層を形成したり、あるいは、膜厚１００ｎｍ程度の白金層を形成した後、この上に膜厚１００ｎｍ程度のイリジウム層を形成する。下部電極上には、膜厚３ｎｍ〜１０ｎｍ程度の種Ｔｉ膜を形成してもよい。
【００４６】
〔圧電体薄膜の成膜工程〕
次に、図４（Ｓ４）に示すように、ゾルゲル法、スパッタ法又はＭＯＣＶＤ法などを用いて、下部電極４２の上に圧電体薄膜４３を成膜する。
【００４７】
ゾルゲル法を用いて圧電体薄膜４３を形成する場合、まず、チタン、ジルコニウム、鉛などの金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシドもしくはブトキシドなどのアルコキシドまたはアセテート化合物を、酸などで加水分解して、ゾルを調整する。次いで、調整したゾルを下部電極４２の上に塗布する。塗布に際しては、スピンコート、ディップコートなどの方法を用いる。
【００４８】
ゾルを塗布した後、これを一定温度下にて一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させる。乾燥温度は１５０℃以上２００℃以下であることが好ましく、乾燥時間は５分以上１５分以下であることが好ましい。乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度にて一定時間脱脂する。脱脂の方法としては、基板全体をホットプレートに密着させ、ホットプレートからの熱が基板全体に熱伝導するようにして加熱する方法が好ましい。脱脂温度は３００℃以上５００℃以下であることが好ましい。脱脂時間は５分以上３０分以下であることが好ましい。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ、大気中に飛散する。
【００４９】
次に、これを焼成して、結晶化させることにより、圧電体薄膜の１つの層が形成される。焼成には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置や拡散炉などを用いる。焼成温度は５５０℃以上７５０℃以下であることが好ましい。焼成時間は６０分以下であることが好ましい。
【００５０】
次に、上記の金属のゾルよりもドーパントの量を大きく又は小さくしたゾルを調整し、同様にして塗布、乾燥、脱脂、焼成を行なう。このように、ゾルの塗布、乾燥、脱脂、焼成という成膜工程を複数回行い、圧電体薄膜層４３を得る。これにより、膜厚方向にドーパントの量が段階的に変化した圧電体薄膜層４３が得られる。
【００５１】
スパッタリング法は、真空中に不活性ガスを導入しながら基板とターゲットとの間に電圧を印加しイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたターゲット物質を基板に成膜する方法である。スパッタリング法を用いて圧電体薄膜４３を形成する方法としては、ＰＺＴをターゲットとしてＡｒなどの不活性ガスを用いたＲＦスパッタリング法が好ましい。そして、ＰＺＴへのドーピングのため更に所定のドーパントを付属ターゲットとして高周波でスパッタリングを行なう。
【００５２】
スパッタリングを行なう過程においては、ドーパントのターゲットパワーを徐々に又は段階的に変化させる。あるいは、ＰＺＴのターゲットパワーを調整して相対的にドーパントのターゲットパワーが徐々に又は段階的に変化するようにしてもよい。これにより、下部電極４２側に向けてドープ量が連続的又は段階的に変化した圧電体薄膜４３が得られる。なお、スパッタリングする際、基板温度は５００℃以上７００℃以下であることが好ましい。
【００５３】
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法は、薄膜材料を高温で反応させて基板上に成膜するＣＶＤプロセスであって、特にその材料に有機金属を用いる方法である。具体的には、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｂなどの金属錯体原料を加熱してキャリアガスを導入することで気化させ、加熱した基板上に蒸着させることによって成膜が行われる。原料中に含まれるドーパントの量を連続的又は段階的に変化させることによって、傾斜組成を有する圧電体薄膜４３を得ることができる。
【００５４】
〔上部電極の成膜工程〕
以上により形成された圧電体薄膜４３上に、図４（Ｓ５）に示すように、上部電極４４を形成する。例えば、イリジウムを５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚となるようにＤＣスパッタ法により成膜する。
【００５５】
〔エッチング工程〕
次に、図５（Ｓ６）に示すように、上部電極４４上にレジストをスピンコートし、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極４４、圧電体薄膜４３をイオンミリングやドライエッチン法などでエッチングする。これにより個々の圧電体薄膜素子４０が完成する。
【００５６】
〔圧力室形成工程〕
続いて、図５（Ｓ７）に示すように、圧力室が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、平行平板型反応性イオンエッチングなどの活性気体を用いたドライエッチングにより、予め定められた深さまで圧力室基板２０をエッチングし、圧力室２１を形成する。ドライエッチングされずに残った部分は側壁２２となる。
【００５７】
〔ノズル板貼り合わせ工程〕
最後に、図５（Ｃ）に示すように、接着剤を用いてノズル板１０を圧力室基板２０に貼り合わせる。この際には、各ノズル１１が圧力室２１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０を図２の筐体２５に取り付け、インクジェット式記録ヘッドを完成させる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電体薄膜の各部に要求される動きに応じた特性をそれぞれ持たせることにより、低電圧でも、圧電体薄膜の機能を十分に発揮することのできる圧電体薄膜素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の圧電体薄膜素子が使用されるプリンタの構造を説明する斜視図である。
【図２】本実施形態による圧電体薄膜素子を備えたインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。
【図３】上記インクジェット式記録ヘッドの圧電体薄膜素子の１つを拡大した断面図である。
【図４】本実施形態の圧電体薄膜素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。
【図５】本実施形態の圧電体薄膜素子及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面模式図である。
【図６】本実施形態による圧電体薄膜素子の部分拡大断面図であり、本発明の原理を説明する図である。
【符号の説明】
２０…圧力室基板、３０…振動板、３１…絶縁膜、３２…バリヤ層、４０…圧電体薄膜素子、３２…下部電極、４３…圧電体薄膜、４４…上部電極

Claims

下部電極と、該下部電極上に設けられた圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に設けられた上部電極と、を備える圧電体薄膜素子であって、
前記圧電体薄膜は、上部電極側から下部電極側に向けて、膜厚方向の電気抵抗率が、膜厚方向に連続的に高くなる傾斜組成を有することを特徴とする圧電体薄膜素子。
請求項１に記載の圧電体薄膜素子と、当該圧電体薄膜素子の機械的変位によって内容積が変化する圧力室と、当該圧力室に連通してインク滴を吐出する吐出口とを備えることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドを印字機構に備えるインクジェットプリンタ。