DE69519700T2

DE69519700T2 - Piezoelektrische Dünnschicht Anordnung und eine diese enthaltender Farbstrahlaufzeichekopf

Info

Publication number: DE69519700T2
Application number: DE69519700T
Authority: DE
Inventors: Masato Shimada
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-07-08
Also published as: DE69519700D1; EP0691693A1; US6149968A; EP0691693B1; US5825121A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrisches Bauelement des Dünnfilmtyps, das elektrische Energie zu mechanischer Energie umwandeln kann und umgekehrt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein piezoelektrische Bauelement des Dünnfilmtyps, das für einen Aktuator, einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf oder ähnliches verwendet werden kann.
Allgemein ist die Zusammensetzung eines piezoelektrischen Dünnfilms ein Zweikomponentensystem, in dem Bleizirkonattitanat (PZT) eine Hauptkomponente ist, oder ein Dreikomponentensystem, in dem eine dritte Komponente zu PZT hinzugefügt ist.
Es ist uns jedoch nicht bekannt, daß die Größe der in einem piezoelektrischen Dünnfilmbauelement enthaltenen Kristallkörnchen beachtet wurde und daß die Größe der Kristallkörnchen innerhalb eines Bereich kontrolliert wurde, wie es die vorliegende Erfindung angibt.
Zum Beispiel werden Ferroelektrika, in denen das PZT eines Zweikomponentensystems verwendet wird, in Applied Physics Letters, 1991, Vol. 58, No. 11, 1161-1163 angegeben. Obwohl dieser Bericht die Eigenschaften der Ferroelektrika im Detail erläutert, wird keine Bewertung der Eigenschaften der Ferroelektrika für piezoelektrische Bauelemente durchgeführt.
Weiterhin gibt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 40035/1994 eine piezoelektrische Substanz an. Diese Veröffentlichung beschreibt jedoch nicht die Größe der in einem Film der piezoelektrischen Substanz enthaltenen Kristallkörnchen.
Weiterhin gibt auch das Journal of the American Ceramic Society, 1973, Vol. 56, No. 2, 91- 96 einen Film aus einer piezoelektrischen Substanz an. Es wird beschrieben, daß die Größe der in diesem Film enthaltenen Kristallkörnchen, die durch ein abtastendes Elektronenmikroskop beobachtet werden kann, ungefähr 1,7 bis 7 Mikrometer groß ist.
Ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 umfaßt, ist aus WO-A9216975 bekannt. Dieses Dokument gibt einen Dünnfilm mit einer Dicke in der Größenordnung von 10 Mikrometer an, wobei die Körnchengröße gleich der Dicke des Dünnfilms sein kann.
Weiterhin gibt EP-A-0 455 342 einen piezoelektrischen Puder mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0 bis 1,5 um an.
Der Artikel "Fabrication of Transparent Electrooptic PLZT Ceramics by Atmosphere Sintering" von Gary S. Snow im Journal of the American Ceramics Society, vol. 56, no. 2, 1973, pp. 91-96 gibt einen piezoelektrischen Film mit einer Kristallkörnchengröße im Bereich von 0,4 um bis 3 um an. Die Dicke des in diesem Dokument aus dem Stand der Technik angegebenen piezoelektrischen Films beträgt zwischen 0,5 um und 4,0 mm. Dementsprechend ist dieses piezoelektrische Dünnfilbauelement nicht für den Einbau in sehr kleinen Einrichtungen wie etwa einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit sehr kleinen Abmessungen geeignet.
Wir haben festgestellt, daß die Eigenschaften eines piezoelektrischen Dünnfilmbauelements eng mit der Größe der Kristallkörnchen des piezoelektrischen Films in Beziehung stehen. Deshalb haben wir einen Prozeß entwickelt, das zum Herstellen eines piezoelektrischen Dünnfilmbauelements geeignet ist, in welcher die Kristallkörnchen eine Größe innerhalb eines bestimmten Bereichs aufweisen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement mit hervorragenden Eigenschaften anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das piezoelektrische Dünnfilmbauelement nach Anspruch 1 gelöst.
In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines piezoelektrischen Dünnfilmbauelements in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2(a) und 2(b) sind Darstellungen, die den bevorzugten Aufbau eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigen, der das piezoelektrische Dünnfilmbauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt,
Fig. 3 ist eine Darstellung, die einen anderen bevorzugten Aufbau eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfs zeigt, der das piezoelektrische Dünnfilmbauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung umfaßt im wesentlichen einen polykristallinen piezoelektrischen Film und zwei Elektroden, zwischen denen der piezoelektrische Film angeordnet ist. Die Größe der in dem piezoelektrischen Film enthaltenen Kristallkörnchen liegt im Bereich von 0,4 um bis 3 um, und die Dicke des piezoelektrischen Films beträgt zwischen 1 um und 5 um.
Die Größe der in dem piezoelektrischen Film enthaltenen Kristallkörnchen kann diejenige der Kristallkörnchen sein, die innerhalb des piezoelektrischen Films beobachtet werden. Es ist jedoch bequemer, die Oberfläche des piezoelektrischen Films zu betrachten, um die Größe der Kristallkörnchen zu bestimmen. Der Grund dafür liegt darin, daß die Kristallkörnchen des piezoelektrischen Films vorzugsweise so dicht miteinander kombiniert sind, daß der FaII auftreten kann, daß die Kontur der Kristallkörnchen in einem Schnitt des piezoelektrischen Films nicht deutlich zu erkennen ist.
Ein piezoelektrisches Bauelement mit hervorragenden Eigenschaften kann erhalten werden, wenn die Größe der Kristallkörnchen des piezoelektrischen Films in einem Bereich von 0,4 um bis 3 um kontrolliert wird und der piezoelektrische Film eine Dicke von 1 um bis 5 um aufweist. Es ist bekannt, daß die Deformationsgröße eines piezoelektrischen Bauelements durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
Deformationsgröße = a · d31 · V = a · E33 · g31 · V
wobei a einen Proportionalitätsfaktor wiedergibt und d31 eine piezoelektrische Konstante wiedergibt. E33 gibt eine relative dielektrische Konstante wieder, g31 gibt einen Spannungsausgabefaktor wieder und V gibt eine angelegte Spannung wieder.
Es konnte bestätigt werden, daß die piezoelektrische Konstante d31 in dieser Gleichung groß wird, wenn die Größe der Kristallkörnchen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kontrolliert wird. Ohne hier eine Bindung an eine Theorie angeben zu wollen, ist davon auszugehen, daß die relative dielektrische Konstante E33 groß ist, wenn die Größe der Kristallkörnchen derart kontrolliert wird, daß sie den oben genannten Wert oder einen höheren Wert aufweist. Dementsprechend weist das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Konstante d31 von 80 pC/N oder mehr und vorzugsweise von 150 pC/N oder mehr auf.
Vorzugsweise umfaßt das piezoelektrische Dünnfilmbauelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein sogenanntes Zweikomponentensystem, in dem Bleizirkonattitanat (PZT) die Hauptkomponente ist. Besondere Beispiele für die Zusammensetzung eines Zweikomponentensystems umfassen die durch die folgende Formel wiedergegebenen:
Pb(ZrxTi1-x)O&sub3; + YPbO
wobei X und Y jeweils 0,40 ≤ X ≤ 0,6 und 0 ≤ Y ≤ 0,3 sind.
Weiterhin umfaßt die Zusammensetzung das piezoelektrischen Dünnfilmbauelementen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Dreikomponentensystem, in dem eine dritte Komponente wie zum Beispiel Bleiniobatmagnesium zu dem PZT hinzugefügt ist. Besondere Beispiele für die Zusammensetzung eines Dreikomponentensystems umfassen die durch die folgende Formel wiedergegebenen:
PbTiaZrb(AgBh)cO&sub3; + ePbO + (fMgO)n
wobei A ein zweiwertiges Metall wiedergibt, das aus der Gruppe von Mg, Co, Zn, Cd, Mn und Ni ausgewählt ist, oder ein dreiwertiges Metall, das aus der Gruppe Sb, Y, Fe, Sc, Yb, Lu, In und Cr ausgewählt ist,
B ein fünfwertiges Metall wiedergibt, das aus der Gruppe von Nb, Ta und Sb ausgewählt ist, oder ein sechswertiges Metall, das aus der Gruppe von W und Te ausgewählt ist, und
a bis h die folgenden Bedingungen erfüllen:
a + b + c = 1,
0,35 ≤ a ≤ 0,55,
0,25 ≤ b ≤ 0,55,
0,1 ≤ c ≤ 0,4,
0 ≤ e ≤ 0,3,
0 ≤ f ≤ 0,15c,
g = h = 1/2, und
n = 0, vorausgesetzt, daß
wenn A das dreiwertige Metall wiedergibt, B kein sechswertiges Metall wiedergibt, und wenn A das zweiwertige Metall und B das fünfwertige Metall wiedergeben, g gleich 1/3 und h gleich 2/3 ist, und nur
wenn A Mg ist und B Nb ist, n gleich 1 ist.
Ein bevorzugtes besonderes Beispiel für die Zusammensetzung eines Dreikomponentensystems ist eine Zusammensetzung, in der A Mg wiedergibt, B Nb wiedergibt, g gleich 1/3 ist und h gleich 2/3 ist.
Bei den Zusammensetzungen ist PbO vorzugsweise in den oberen Bereichen, um die Kristallkörnchen des piezoelektrischen Films groß und dicht zu machen. Wenn weiterhin A Mg ist und B Nb ist, dann verhindert das Vorhandensein von MgO, daß das PbO während der thermischen Behandlung verdampft, wobei auch die Reaktion zwischen PbO und einem Siliziumsubstrat verhindert wird. Weiterhin stabilisiert das MgO die Perowskitstruktur, wo- durch die piezoelektrischen Eigenschaften verbessert werden.
Um die piezoelektrischen Eigenschaften zu verbessern, kann nur eine extrem kleine Menge von Ba, Sr, La, Nd, Nb, Ta, Sb, Bi, W, Mo oder Ca in den piezoelektrischen Film in entweder einem Zweikomponentensystem oder einem Dreikomponentensystem aufgenommen werden. Insbesondere bei einem Dreikomponentensystem wird vorzugsweise 0,10 mol% oder weniger von Sr oder Ba aufgenommen, um die piezoelektrischen Eigenschaften zu verbessern. Weiterhin wird bei einem Dreikomponentensystem vorzugsweise 0,10 mol% oder weniger von Mn oder Ni aufgenommen, um den Sintergrad des piezoelektrischen Films zu erhöhen.
Im folgenden wird der Aufbau der piezoelektrischen Dünnfilmbauelements ausführlicher mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Das in Fig. 1 gezeigte piezoelektrische Dünnfilmbauelement setzt sich aus einem Substrat 101 aus Silizium (Si), einem thermisch oxidierten Si-Film 102, einer unteren Elektrode 103 (aus zum Beispiel Pt), einem piezoelektrischen Film 104 und einer oberen Elektrode 105 (zum Beispiel aus Au) zusammen. Weiterhin kann in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Haftschicht 106 aus zum Beispiel Ti zwischen der unteren Elektrode 103 und dem piezoelektrischen Film 104 und zwischen der oberen Elektrode 105 und dem piezoelektrischen Film 104 vorgesehen sein. Die Dicke des piezoelektrischen Films 104 beträgt 1 bis 5 um. Die Dicke der anderen Filme und Schichten kann entsprechend ausgewählt werden. Wenn jedoch zum Beispiel die Dicke des Si-Substrats vorzugsweise im Bereich von ungefähr 10 bis 1000 um liegt, dann liegt diejenige des thermisch oxidierten Si- Films vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,05 bis 3 um und liegen diejenigen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode vorzugsweise ungefähr im Bereich von 0,05 bis 2 um.
Das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von verschiedenen herkömmlichen Techniken zum Ausbilden eines Dünnfilms erzeugt werden, wobei es jedoch erforderlich ist, die Größe der Kristallkörnchen des piezoelektrischen Films zwischen 0,4 um und 3 um zu kontrollieren.
Es kann vorzugsweise ein Sputtering verwendet werden, um einen Dünnfilm auszubilden. Wenn insbesondere als Ziel ein gesintertes PZT verwendet wird, wird ein amorpher Vorfilm eines piezoelektrischen Films mit Hilfe eines Sputterings auf einem Elektrodenfilm ausgebildet.
Danach wird der amorphe Vorfilm kristallisiert und durch Erwärmung gesintert. Diese Erwärmungsbehandlung wird vorzugsweise in zwei Schritten in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre (zum Beispiel in Sauerstoff oder in einem Mischgas aus Sauerstoff und einem Edelgas wie etwa Argon) durchgeführt. Insbesondere wird der amorphe Vorfilm in dem ersten Erwärmungsschritt kristallisiert. In dem zweiten Erwärmungsschritt können die erzeugten Kristallkörner wachsen, wobei ein Sintern zwischen den Kristallkörnchen gefördert wird. Insbesondere wird der Vorfilm in dem ersten Erwärmungsschritt auf eine Temperatur von ungefähr 500 bis 700ºC in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt. Auf diese Weise wird der Vorfilm kristallisiert. Der erste Erwärmungsschritt kann beendet werden, wenn der Vorfilm gleichmäßig kristallisiert ist. Dann wird der kristallisierte Film in dem zweiten Erwärmungsschritt auf eine Temperatur von 750 bis 1200ºC erwärmt. Dieses Erwärmen wird fortgeführt, bis die Größe der Kristallkörner wenigstens 0,4 um groß ist. Vorzugsweise wird das Erwärmen fortgeführt, bis die Kristallkörner eng miteinander verbunden sind.
Der erste und der zweite Erwärmungsschritt können kontinuierlich durchgeführt werden. Alternativ dazu wird der zweite Erwärmungsschritt durchgeführt, nachdem der erste Erwärmungsschritt auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
Für den ersten und den zweiten Erwärmungsschritt kann ein beliebiger Erwärmungsofen verwendet werden, der die Kristallisierung des Vorfilms und das Wachsen der Kristallkörner erfolgreich erreichen kann. Es ist jedoch vorzuziehen, einen Erwärmungsofen zu verwenden, dessen Temperatur mit hoher Geschwindigkeit erhöht werden kann. Zum Beispiel wird vorzugsweise ein Lampenrelaxationsofen verwendet. Die bevorzugte Rate des Temperaturanstiegs ist 50ºC/s oder höher und vorzugsweise 100ºC/s oder höher in jedem Erwärmungsschritt.
Dann wird eine weitere Elektrode für den derart auf der Elektrode vorgesehenen piezoelektrischen Film ausgebildet, um ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement zu erhalten.
Das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung bietet aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften verschiedene Verwendungsmöglichkeiten.
Zum Beispiel kann das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung als piezoelektrischer Wandler eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes verwendet werden. Die Verwendung des piezoelektrischen Dünnfilmbaulements der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, weil eine Tinte mit hohem Druck ausgestoßen werden kann und weil der Aufzeichnungskopf mit einer hohen Frequenz betrieben werden kann.
Ein besonderes Beispiel für einen Aufzeichnungskopf, in dem das piezoelektrische Dünnfilmbauelement der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2(a) ist eine Draufsicht auf den Aufzeichnungskopf, und Fig. 2(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von Fig. 2(a). Dieser Aufzeichnungskopf wird vorbereitet, indem ein Chip verbunden wird, der ein einkristallines Substrat 201 aus Silizium (Si) aufweist, das Löcher 203 zu einem Glassubstrat 202 aufweist, auf dem Tintenkanäle 204 und eine Tintenquelle 205 vorgesehen sind. Auf dem einkristallinen Si-Substrat 201 sind ein thermisch oxidierter Si-Film 206, eine untere Elektrode 207, ein piezoelektrischer Film 208 und eine obere Elektrode 209 vorgesehen.
In der Tintenquelle 205 ist Tinte vorrätig, die durch die Tintenkanäle 204 zu den Löchern 203 geführt wird. Wenn durch die untere Elektrode 207 und die obere Elektrode 209 eine Spannung an dem piezoelektrischen Film 208 angelegt wird, dann werden die Löcher 203 verformt, so daß ein Druck auf die in den Löchern 203 enthaltene Tinte ausgeübt wird. Die Tinte wird durch diesen ausgeübten Druck durch die Düsen 210 ausgestoßen, so daß eine Tintenstrahlaufzeichnung vorgenommen werden kann.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes ist in Fig. 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein einkristallines Si-Substrat 201 auch über den Löchern 203 als Dünnschichtteil 301 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden ausführlicher mit Bezug auf die folgenden Beispiele erläutert.
Dabei ist zu beachten, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung durch diese Beispiele in keiner Weise eingeschränkt wird.

Beispiel 1

Ein Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 400 um und einem Durchmesser von 3 Zoll wird mit Schwefelsäure gewaschen und dann für vier Stunden auf 1000ºC in einer Dampf enthaltenden Sauerstoffatmosphäre erwärmt. Auf diese Weise wird das Si-Substrat durch ein nasses Verfahren oxidiert, um auf demselben einen thermisch oxidierten Si-Film mit einer Dicke von 1 um auszubilden. Auf diesem Film werden ein Ti-Film mit einer Dicke von 200 Angström und ein Pt-Film mit einer Dicke von 2000 Angström kontinuierlich durch das Gleichstrom- Magnetorn-Sputteringverfahren ausgebildet. Ein Vorfilm eines piezoelektrischen Films mit einer Dicke von 3 um wird auf dem Pt-Film mit Hilfe eines RF-Magnetron-Sputteringverfahrens ausgebildet, in dem ein gesintertes PZT mit einer bestimmten Zusammensetzung als Ziel verwendet wird. Der Vorfilm ist amorph.
Das Si-Substrat, auf dem der Vorfilm ausgebildet wird, wird in einem Diffusionsofen erwärmt, um den Vorfilm zu kristallisieren und zu sintern, um einen piezoelektrischen Film zu erhalten. Bei dieser Wärmebehandlung wird das Si-Substrat auf 550ºC in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, bis Kristallkörnchen in dem Vorfilm erzeugt werden (erster Erwärmungsschritt), und dann weiter mit 750ºC in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, damit die Kristallkörnchen wachsen und sintern (zweiter Erwärmungsschritt). Die Zeitdauer für den zweiten Erwärmungsschritt wird derart gewählt, daß die Größe der Kristallkörnchen kontrolliert wird.
Auf dem piezoelektrischen Film werden ein Ti-Film mit einer Dicke von 200 Angström und ein Au-Film mit einer Dicke von 2000 Angström kontinuierlich durch das Gleichstrom- Magnetron-Sputteringverfahren ausgebildet, so daß schließlich ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement erhalten wird.
Der derart erhaltene piezoelektrische Film weist eine Zusammensetzung auf, die durch die Formel Pb(ZrxTi1-x)O&sub3; + YPbO wiedergegeben wird, wobei X gleich 0,52 ist und Y gleich 0,05 ist. Weiterhin wird die Oberfläche des piezoelektrischen Films durch ein abtastendes Elektronenmikroskop betrachtet, um die Größe der Kristallkörnchen zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Der piezoelektrische Film wird geschnitten, und der Schnitt desselben wird ebenfalls durch ein abtastendes Elektronenmikroskop betrachtet. Dabei stellt sich heraus, daß die Kristallkörnchen im Inneren des Films so dicht sind, daß sie nicht einzeln zu erkennen sind.
Das erhaltene piezoelektrische Dünnfilmbauelement wird einer Polarisationsbehandlung unterworfen. Insbesondere wird eine Spannung von 60 V über 30 Minuten zwischen dem Pt- Film und dem Au-Film angelegt. Danach wird die piezoelektrische Konstante d31 gemessen. Die Ergebnisse sind wie in Fig. 1 gezeigt. Die Vergleichsbeispiele 1-3 von Tabelle 1 weisen im Vergleich zu Beispiel 4, das der vorliegenden Erfindung entspricht, eine niedrigere piezoelektrische Konstante auf. Tabelle 1

Beispiel 2

Es wird ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement im wesentlichen in derselben Weise wie in Beispiel 1 vorbereitet. Dabei ist zu beachten, daß X und Y in der Formel Pb(ZrxTi1-x)O&sub3; + YPbO, welche die Zusammensetzung des piezoelektrischen Films wiedergibt, wie in Tabelle 2 gezeigt geändert sind. Weiterhin wird das Si-Substrat, auf dem der Vorfilm gebildet wurde, in dem ersten Erwärmungsschritt auf 550ºC erwärmt, bis Kristallkörnchen in dem Vorfilm gebildet werden, und in dem zweiten Erwärmungsschritt weiter auf 800ºC erwärmt, damit die Kristallkörnchen wachsen und sintern. Die Zeitdauer für den zweiten Erwärmungsschritt wird derart gewählt, daß die von der Oberfläche des piezoelektrischen Films aus sichtbare Größe der Kristallkörnchen im Bereich von 0,4 bis 1 um liegt.
Das erhaltene piezoelektrische Dünnfilmbauelement wird wie in Beispiel 1 einer Polarisationsbehandlung unterworfen. Danach wird die piezoelektrische Konstante d31 gemessen. Die Ergebnisse sind wie in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
Bei den in der Tabelle angeführten Proben Nr. 2 und Nr. 11 löst sich der piezoelektrische Film während des zweiten Erwärmungsschrittes von dem Substrat.

Beispiel 3

Ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement wird im wesentlichen in derselben Weise vorbereitet wie in Beispiel 1. Dabei ist zu beachten, daß a, b, c, e und f in der Formel PbTiaZrb(Mg1/3Nb2/3)cO&sub3; + ePbO + fMgO für die Zusammensetzung des piezoelektrischen Films wie in Tabelle 3 gezeigt geändert sind. Weiterhin wird das Si-Substrat, auf dem der Vorfilm gebildet wurde, in dem ersten Erwärmungsschritt auf 600ºC erwärmt, bis Kristallkörnchen in dem Vorfilm gebildet werden, und in dem zweiten Erwärmungsschritt weiter auf 900ºC erwärmt, damit die Kristallkörnchen wachsen und sintern. Die Zeitdauer für den zweiten Erwärmungsschritt wird derart gewählt, daß die von der Oberfläche des piezoelektrischen Films aus sichtbare Größe der Kristallkörnchen im Bereich von 0,4 bis 3 um liegt.
Das erhaltene piezoelektrische Dünnfilmbauelement wird wie in Beispiel 1 einer Polarisationsbehandlung unterworfen. Danach wird die piezoelektrische Konstante d31 gemessen. Die Ergebnisse sind wie in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3
Bei den in der Tabelle angeführten Proben Nr. 15 und Nr. 28 löst sich der piezoelektrische Film während des zweiten Erwärmungsschrittes von dem Substrat.

Beispiel 4

Ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement wird im wesentlichen in derselben Weise vorbereitet wie in Beispiel 1, wobei jedoch die Bedingungen für den ersten und den zweiten Erwärmungsschritt wie in Tabelle 4 gezeigt geändert sind. Dabei ist zu beachten, daß X und Y in der Formel Pb(ZrxTi1-x)O&sub3; + YPbO, welche die Zusammensetzung des piezoelektrischen Films wiedergibt, jeweils mit 0,45 und 0,10 festgelegt sind.
Der erste Erwärmungsschritt wird mit einer in Tabelle 4 angegebenen Temperatur Ti (ºC) durchgeführt, und der zweite Erwärmungsschritt wird mit einer in der Tabelle angegebenen Temperatur T2 (ºC) durchgeführt. Dabei ist zu beachten, daß die Probe 2 nur dem ersten bei 800ºC durchgeführten Erwärmungsschritt unterworfen wird. Der erste und der zweite Erwärmungsschritt werden entweder diskontinuierlich durchgeführt, wobei dazwischen das Si- Substrat auf Raumtemperatur abkühlt ("diskontinuierlich" in der Tabelle), oder kontinuierlich durchgeführt, ohne daß dazwischen das Substrat abgekühlt wird ("kontinuierlich" in der Tabelle).
Die Größe der Kristallkörnchen, die von der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilmbauelements beobachtet werden kann, wird wie in Tabelle 4 angegeben erhalten.
Weiterhin wird das erhaltene piezoelektrische Dünnfilmbauelement wie in Beispiel 1 einer Polarisationsbehandlung unterworfen. Danach wird die piezoelektrische Konstante d31 gemessen. Die Ergebnisse sind wie in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4
Der piezoelektrische Film der in der Tabelle angeführten Probe Nr. 2 löst sich während des zweiten Erwärmungsschrittes vom Substrat, und der piezoelektrische Film der Probe Nr. 4 weist nach Abschluß des zweiten Erwärmungsschrittes Risse auf.

Beispiel 5

Ein piezoelektrisches Dünnfilmbauelement wird im wesentlichen in derselben Weise vorbereitet wie in Beispiel 1, wobei jedoch die Bedingungen für den ersten und den zweiten Erwärmungsschritt wie in Tabelle 5 gezeigt geändert sind. Dabei ist zu beachten, daß a, b, c, e und f in der Formel PbTiaZrb(Mg1/3Nb2/3)cO&sub3; + ePbO + fMgO für die Zusammensetzung des piezoelektrischen Films jeweils mit 0,45, 0,45, 0,1, 0,1 und 0,01 festgelegt sind.
Der erste Erwärmungsschritt wird mit einer in Tabelle 5 angegebenen Temperatur Ti (ºC) durchgeführt, und der zweite Erwärmungsschritt wird mit einer in der Tabelle angegebenen Temperatur T2 (ºC) durchgeführt. Dabei ist zu beachten, daß die Probe 2 nur dem ersten bei 800ºC durchgeführten Erwärmungsschritt unterworfen wird. Der erste und der zweite Erwärmungsschritt werden entweder diskontinuierlich durchgeführt, wobei dazwischen das Si- Substrat auf Raumtemperatur abkühlt ("diskontinuierlich" in der Tabelle), oder kontinuierlich durchgeführt, ohne daß dazwischen das Substrat abgekühlt wird ("kontinuierlich" in der Tabelle). Die Proben Nr. 1 und 8 werden in einem Diffusionsofen erwärmt, und die Proben Nr. 9 und 10 werden in einem Lampenrelaxationsofen erwärmt, in dem eine hohe Rate des Temperaturanstiegs erreichbar ist. Die Probe Nr. 9 wird in der folgenden Weise erwärmt: die Probe wird im ersten Erwärmungsschritt in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, indem die Temperatur von der Raumtemperatur mit einer Rate von 100ºC/s auf 550ºC erhöht wird, und dann für 10 Sekunden auf 550ºC gehalten. Danach wird die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die Kristallkörnchen auf der Oberfläche der Probe beobachtet werden; die Größe der Kristallkörnchen wird mit 0,3 um festgestellt. Die Probe wird dann dem zweiten Erwärmungsschritt unterworfen, in dem sie für eine Stunde in einer Sauerstoffatmosphäre auf 850ºC erwärmt wird. Die Probe Nr. 10 wird in der folgenden Weise erwärmt: die Probe wird in dem ersten Erwärmungsschritt in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt, indem die Temperatur von der Raumtemperatur mit einer Rate von 100ºC/s auf 550ºC erhöht wird, und wird dann für 10 Sekunden auf 550ºC gehalten. Dann wird die Probe mit einer Rate von 100ºC/s weiter auf 870ºC erwärmt und für 10 Sekunden auf der Temperatur gehalten. Danach wird sie durch natürliche Abkühlung auf 200ºC abgekühlt und dann in die Luft herausgenommen. Die Probe kühlt auf Raumtemperatur ab, und die Kristallkörnchen auf der Oberfläche der Probe werden beobachtet; die Größe der Kristallkörnchen wird mit 0,3 um festgestellt. Die Probe wird dann dem zweiten Erwärmungsschritt unterworfen, in dem sie für eine Stunde in einer Sauerstoffatmosphäre auf 850ºC erwärmt wird.
Die Größe der Kristallkörnchen, die von der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilmbauelements beobachtet werden kann, wird wie in Tabelle 5 angegeben erhalten.
Weiterhin wird das erhaltene piezoelektrische Dünnfilmbauelement wie in Beispiel 1 einer Polarisationsbehandlung unterworfen. Danach wird die piezoelektrische Konstante d31 gemessen. Die Ergebnisse sind wie in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5
Der piezoelektrische Film von Probe Nr. 2 löst sich während des zweiten Erwärmungschrittes vom Substrat, und der piezoelektrische Film von Probe Nr. 4 weist nach Abschluß des zweiten Erwärmungsschrittes Risse auf.

Claims

1. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung mit:

- einer polykristallinen, piezoelektrischen Schicht,

- zwei Elektroden, zwischen denen die piezoelektrische Schicht angeordnet ist, wobei die Größe der Kristallkörner gleich oder kleiner als die Dicke der piezoelektrischen Schicht ist, und

- einem Substrat zum Abstützen der Schicht,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Größe der Kristallkörner der piezoelektrischen Schicht in einem Bereich von 0,4 um bis 3 um liegt und die piezoelektrische Schicht eine Dicke von 1 um bis 5 um und eine piezoelektrische Konstante d&sub3;&sub1; von 80 pC/N oder mehr aufweist.

2. Farbstrahlaufzeichnungskopf, der eine piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung gemäß Anspruch 1 als piezoelektrischen Wandler aufweist.

3. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Schicht Bleizirkonattitanat umfaßt.

4. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die piezoelektrische Schicht eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende Formel dargestellt ist:

Pb(ZrxTi1-x)O&sub3; + YPbO

wobei für X und Y jeweils gilt: 0,40 ≤ X ≤ 0,6 und 0 ≤ Y ≤ 0,3.

5. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die piezoelektrische Schicht ferner eine dritte Komponente umfaßt.

6. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die dritte Komponente Bleiniobat-Magnesium ist.

7. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die piezoelektrische Schicht eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende Formel dargestellt ist:

PbTiaZrb(AgBh)cO&sub3; + ePbO + (fMgO)n

wobei

A ein zweiwertiges Metall darstellt, das aus einer Gruppe, bestehend aus Mg, Co, Zn, Cd, Mn und Ni1 ausgewählt ist, oder ein dreiwertiges Metall darstellt, das aus einer Gruppe, bestehend aus Sb, Y, Fe, So, Yb, Lu, In und Cr, ausgewählt ist;

B ein fünfwertiges Metall darstellt, das aus einer Gruppe, bestehend aus Nb, Ta und Sb, ausgewählt ist oder ein sechswertiges Metall darstellt, das aus einer Gruppe, bestehend aus W und Te, ausgewählt ist, und

a bis h die folgenden Bedingungen erfüllt:

a + b + c = 1

0,35 ≤ a ≤ 0,55,

0,25 ≤ b ≤ 0,55,

0,1 ≤ c ≤ 0,4,

0 ≤ e ≤ 0,3,

0 ≤ f ≤ 0,15c,

g = h = 1/2, und

n = 0, vorausgesetzt, daß

B kein sechswertiges Metall darstellt, wenn A das dreiwertige Metall darstellt, g = 1/3 und h = 2/3, wenn A ein zweiwertiges Metall und B ein fünfwertiges Metall darstellen, und n = 1, nur wenn A = Mg und B = Nb sind.

8. Piezoelektrische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 7, wobei A Mg darstellt, B Nb darstellt, g = 1/3 und h = 2/3.