JP2003110158A - Piezoelectric thin film element, method of manufacturing the same, and ink jet recording head and ink jet printer using the same - Google Patents
Piezoelectric thin film element, method of manufacturing the same, and ink jet recording head and ink jet printer using the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 バリヤ層の内部にかかる応力の分布を適切に
制御して、特性の優れた圧電体薄膜素子およびその製造
方法を提供する。
【解決手段】 基板20と、該基板上に設けられZr
1-x Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIIIB族元素である)で表
される組成からなるバリヤ層32と、該バリヤ層上に設
けられた下部電極42と、該下部電極上に設けられた圧
電体薄膜43と、該圧電体薄膜上に設けられた上部電極
44と、を備える圧電体薄膜素子であって、前記バリヤ
層32は、下部電極側に向けてその厚み方向にxが連続
的又は段階的に増加した傾斜組成を有する。
(57) [Problem] To provide a piezoelectric thin film element having excellent characteristics by appropriately controlling the distribution of stress applied to the inside of a barrier layer, and a method of manufacturing the same. SOLUTION: A substrate 20 and Zr provided on the substrate are provided.
1-x M x O y ( 0.01 ≦ x ≦ 0.15, y = 2.
0 ± α, α is a stoichiometrically acceptable value, and M is a value in the periodic table.
A barrier layer 32 having a composition represented by a group IIA element, a group IIIA element, or a group IIIB element), a lower electrode 42 provided on the barrier layer, and a piezoelectric material provided on the lower electrode. A piezoelectric thin film element comprising a thin film 43 and an upper electrode 44 provided on the piezoelectric thin film, wherein x is continuous or stepwise in the thickness direction of the barrier layer 32 toward the lower electrode. It has a gradually increased gradient composition.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は圧電体薄膜素子及び
その製造方法、ならびにこれを用いたインクジェット記
録ヘッド及びインクジェットプリンタに関し、特に、所
定の傾斜組成を有するバリヤ層を備えた圧電体薄膜素子
等に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric thin film element and a method for manufacturing the same, and an ink jet recording head and an ink jet printer using the same, and in particular, a piezoelectric thin film element having a barrier layer having a predetermined gradient composition. Regarding
【0002】[0002]
【従来の技術】ジルコン酸チタン酸鉛に代表される圧電
体薄膜を用いた圧電体薄膜素子は、自発分極、高誘電
率、電気光学効果、圧電効果、及び焦電効果等の機能を
有し、広範なデバイス開発に応用されている。2. Description of the Related Art A piezoelectric thin film element using a piezoelectric thin film typified by lead zirconate titanate has functions such as spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optical effect, piezoelectric effect, and pyroelectric effect. , Has been applied to a wide range of device development.
【0003】圧電体薄膜素子は、基板、振動板、下部電
極、圧電体薄膜、上部電極が順次積層されて構成されて
おり、振動板はZrO2膜からなるバリヤ層を備えてい
る。このバリヤ層は圧電体薄膜と基板との間における原
子の相互拡散を防止する役割を果たしている。The piezoelectric thin film element is composed of a substrate, a vibration plate, a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode, which are sequentially laminated, and the vibration plate has a barrier layer made of a ZrO 2 film. This barrier layer plays a role of preventing mutual diffusion of atoms between the piezoelectric thin film and the substrate.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ZrO
2には多くの結晶構造があり、結晶化の条件によっては
結晶状態が不安定なものとなってしまい、これによりZ
rO2膜にクラックが発生してしまうおそれがある。ま
た、ZrO2膜のクラックにより、このZrO2膜をバ
リヤ層として備える振動板全体にクラックが発生してし
まう場合もある。これは、結晶構造の安定化が不十分で
あるとZrO2膜の靭性が十分得られないことに起因す
るものと考えられる。However, ZrO
2 has many crystal structures, and the crystal state becomes unstable depending on the crystallization conditions.
There is a possibility that cracks may occur in the rO 2 film. Moreover, the cracks in the ZrO 2 film, a crack in the entire diaphragm sometimes occurs with the ZrO 2 film as a barrier layer. It is considered that this is because the toughness of the ZrO 2 film cannot be sufficiently obtained when the stabilization of the crystal structure is insufficient.
【0005】また、鉛原子が圧電体薄膜から下部電極、
ZrO2膜(バリヤ層)、ないしは基板へ拡散すること
により、ZrO2膜と下部電極との密着力が低下してし
まうという問題もある。In addition, lead atoms are transferred from the piezoelectric thin film to the lower electrode,
There is also a problem that the adhesion between the ZrO 2 film and the lower electrode is reduced due to diffusion into the ZrO 2 film (barrier layer) or the substrate.
【0006】ZrO2膜の機械的強度の向上及び下部電
極との密着性向上について、特開平11−204849
号公報には、イットリウム等の酸化物を含んだ部分安定
化又は完全安定化された酸化ジルコニウム膜を有する圧
電アクチュエータが開示されている。Regarding the improvement of the mechanical strength of the ZrO 2 film and the improvement of the adhesiveness with the lower electrode, JP-A-11-204849.
Japanese Patent Publication discloses a piezoelectric actuator having a partially stabilized or completely stabilized zirconium oxide film containing an oxide such as yttrium.
【0007】しかし、酸化ジルコニウム膜を部分安定化
又は完全安全化した場合においても、該バリヤ層の靭性
が十分ではなくバリヤ層や振動板全体にクラックが発生
してしまい、また、バリヤ層と下部電極との密着性が十
分ではない。However, even when the zirconium oxide film is partially stabilized or completely made safe, the toughness of the barrier layer is not sufficient and cracks occur in the barrier layer and the entire diaphragm, and the barrier layer and the lower part are also damaged. Adhesion with the electrode is not sufficient.
【0008】そこで、本発明は、バリヤ層に所定の傾斜
組成を形成してバリヤ層の内部にかかる応力の分布を適
切に制御して、バリヤ層や振動板全体にクラックが発生
するのを防止し、特性の優れた圧電体薄膜素子及びその
製造方法、ならびにこれを用いたインクジェット記録ヘ
ッド及びインクジェットプリンタを提供することを目的
とする。Therefore, according to the present invention, a predetermined gradient composition is formed in the barrier layer to appropriately control the distribution of stress applied to the inside of the barrier layer to prevent cracks from occurring in the entire barrier layer and the diaphragm. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric thin film element having excellent characteristics, a method for manufacturing the same, and an inkjet recording head and an inkjet printer using the same.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究の結
果、ZrO2膜からなるバリヤ層に所定の傾斜組成を持
たせることにより、バリヤ層の内部にかかる応力の分布
を適切に制御し、優れた圧電体薄膜素子が得られること
を見出し、本発明をなすに至った。As a result of earnest research, the present inventor has made it possible to appropriately control the distribution of stress applied to the inside of the barrier layer by providing the barrier layer made of a ZrO 2 film with a predetermined gradient composition. The inventors have found that an excellent piezoelectric thin film element can be obtained, and have completed the present invention.
【0010】本発明に係る圧電体薄膜素子は、基板と、
該基板上に設けられZr1-x Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIII
B族元素である)で表される組成からなるバリヤ層と、
該バリヤ層上に設けられた下部電極と、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、前記バ
リヤ層は、下部電極側に向けてその厚み方向にxが連続
的又は段階的に増加した傾斜組成を有することを特徴と
する。A piezoelectric thin film element according to the present invention comprises a substrate,
Zr provided on the substrate1-xMx Oy(0.01 ≦ x
≤0.15, y = 2.0 ± α, α is stoichiometrically acceptable
Value, M is the IIA group element, IIIA group element, or III of the periodic table
A barrier layer having a composition represented by a group B element)
A lower electrode provided on the barrier layer, and on the lower electrode
Piezoelectric thin film provided, and provided on the piezoelectric thin film
A piezoelectric thin film element comprising an upper electrode,
In the rear layer, x is continuous in the thickness direction toward the lower electrode side.
Characterized by having a gradient composition that increases gradually or stepwise
To do.
【0011】バリヤ層のMの量(x)を、下部電極側に
向けてバリヤ層の厚み方向に増加させることにより、バ
リヤ層や振動板全体のクラックが発生することを防止
し、圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を得ることができ
る。By increasing the amount (x) of M in the barrier layer in the thickness direction of the barrier layer toward the lower electrode side, it is possible to prevent cracks in the barrier layer and the diaphragm as a whole and to improve the piezoelectric characteristics. An excellent piezoelectric thin film element can be obtained.
【0012】Mの量(x)は、下部電極側に向けてバリ
ヤ層の厚み方向に0.01以上0.15以下の範囲内で
連続的に増加しても段階的に増加してもよい。あるい
は、バリヤ層が複数の積層体からなり、下部電極側の層
のxが段階的に大きくなるように構成されていてもよ
い。The amount (x) of M may be continuously or stepwise increased within the range of 0.01 or more and 0.15 or less in the thickness direction of the barrier layer toward the lower electrode side. . Alternatively, the barrier layer may be composed of a plurality of laminated bodies, and x of the layer on the lower electrode side may be increased stepwise.
【0013】Mの量(x)は、0.01≦x≦0.15
であることがクラック発生防止と圧電特性向上の観点か
ら、好ましい。The amount (x) of M is 0.01 ≦ x ≦ 0.15
From the viewpoints of preventing cracks and improving piezoelectric properties, it is preferable.
【0014】yは2.0±α(αは化学量論的に許容さ
れる値)であることがクラック発生防止と圧電特性向上
の観点から、好ましい。It is preferable that y is 2.0 ± α (α is a stoichiometrically acceptable value) from the viewpoint of preventing cracks and improving piezoelectric characteristics.
【0015】Mは、周期表のIIA族元素、IIIA族元素、
又はIIIB族元素であり、例えば、Y(イットリウム)、
Ca(カルシウム)、Mg(マグネシウム)、Ce(セ
リウム)、Al(アルミニウム)等が挙げられる。特
に、Y(イットリウム)又はCa(カルシウム)である
ことがクラック発生防止と圧電特性向上の観点から、よ
り好ましい。M is a IIA group element, a IIIA group element of the periodic table,
Or a Group IIIB element, for example, Y (yttrium),
Examples thereof include Ca (calcium), Mg (magnesium), Ce (cerium), and Al (aluminum). In particular, Y (yttrium) or Ca (calcium) is more preferable from the viewpoint of preventing cracks from occurring and improving piezoelectric characteristics.
【0016】前記バリヤ層は、SiO2膜の上に形成さ
れることが好ましい。The barrier layer is preferably formed on a SiO 2 film.
【0017】前記バリヤ層の膜厚は、0.1μm以上、
1.0μm以下であることが好ましい。The thickness of the barrier layer is 0.1 μm or more,
It is preferably 1.0 μm or less.
【0018】前記圧電体薄膜は、チタン酸鉛とジルコン
酸鉛との固溶体、又は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛とマ
グネシウム酸ニオブ酸鉛との固溶体であることが好まし
い。The piezoelectric thin film is preferably a solid solution of lead titanate and lead zirconate or a solid solution of lead titanate, lead zirconate and lead magnesium niobate.
【0019】本発明によるインクジェット記録ヘッド
は、インクを吐出させるための圧電アクチュエータとし
て、上記圧電体薄膜素子を備える。An ink jet recording head according to the present invention comprises the above piezoelectric thin film element as a piezoelectric actuator for ejecting ink.
【0020】本発明によるインクジェットプリンタは、
上記インクジェット記録ヘッドを印字手段として備え
る。The ink jet printer according to the present invention comprises:
The inkjet recording head is provided as a printing unit.
【0021】本発明に係る圧電体薄膜素子の製造方法
は、基板上にSiO2膜を形成した後、該SiO2膜の
上にZr1-x Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIIIB族元素であ
る)で表される組成を含むゾルを塗布した後に焼成する
成膜工程を複数回行ってバリヤ層を形成し、次いで下部
電極、圧電体薄膜、上部電極を順次形成して圧電体薄膜
素子を製造する方法であって、前記バリア層の形成工程
において、下部電極側の層の成膜工程に用いるゾルのほ
うが、SiO2膜側の層の成膜工程に用いるゾルよりも
xが大きいことを特徴とする。In the method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention, after a SiO 2 film is formed on a substrate, Zr 1-x M x O y (0.01 ≦ x ≦ 0 is formed on the SiO 2 film. .15,
y = 2.0 ± α, α is a stoichiometrically allowable value, M is a IIA group element, IIIA group element, or IIIB group element of the periodic table) A method of manufacturing a piezoelectric thin film element by sequentially performing a film forming step of firing and then forming a barrier layer, and then sequentially forming a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode. In the step, the sol used in the step of forming the layer on the lower electrode side has a larger x than the sol used in the step of forming the layer on the SiO 2 film side.
【0022】ゾルゲル法を用いて、安定化剤であるMの
量(x)を変化させたゾルを用いて順次成膜して段階的
な傾斜組成を有するバリヤ層を形成することにより、バ
リヤ層や振動板全体のクラックが発生することを防止
し、圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を製造することが
できる。The sol-gel method is used to sequentially form films using a sol in which the amount (x) of M as a stabilizer is changed to form a barrier layer having a graded composition, thereby forming a barrier layer. It is possible to prevent the occurrence of cracks in the entire diaphragm and the piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics.
【0023】本発明に係る圧電体薄膜素子の製造方法
は、基板上にSiO2膜を形成した後、該SiO2膜の
上にZr(ジルコニウム)若しくはZrO2 (酸化ジ
ルコニウム)とM(Mは周期表のIIA族元素、IIIA族元
素、又はIIIB族元素である)とをターゲットとして同時
にスパッタリングしてバリヤ層を形成し、次いで、下部
電極、圧電体薄膜、上部電極を順次形成して圧電体薄膜
素子を製造する方法であって、前記バリヤ層の形成工程
において、MのターゲットパワーがZr若しくはZrO
2のターゲットパワーに対して相対的に大きくなるよう
に変化させるか、あるいはMのターゲットパワーが絶対
的に大きくなるように変化させることを特徴とする。The method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention, after forming the SiO 2 film on the substrate, on top of the SiO 2 film Zr and (zirconium) or ZrO 2 (zirconium oxide) M (M is A group IIA element, a group IIIA element, or a group IIIB element in the periodic table) is simultaneously sputtered to form a barrier layer, and then a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are sequentially formed to form a piezoelectric body. A method of manufacturing a thin film element, wherein the target power of M is Zr or ZrO in the step of forming the barrier layer.
It is characterized in that it is changed so as to be relatively large with respect to the target power of 2 , or the target power of M is changed so as to be absolutely large.
【0024】スパッタリング法を用いて、安定化剤であ
るMの量を段階的又は連続的に変化させた傾斜組成を有
するバリヤ層を形成することにより、バリヤ層や振動板
全体のクラックが発生することを防止し、圧電特性に優
れた圧電体薄膜素子を製造することができる。By using a sputtering method to form a barrier layer having a graded composition in which the amount of the stabilizer M is changed stepwise or continuously, cracks in the barrier layer and the entire diaphragm are generated. This can be prevented, and a piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics can be manufactured.
【0025】本発明に係る圧電体薄膜素子の製造方法
は、基板上にSiO2膜を形成した後、該SiO2膜の
上にZrO2(酸化ジルコニウム)からなる層を形成し
た後イオン注入法によりMイオン(Mは周期表のIIA族
元素、IIIA族元素、又はIIIB族元素である)を注入して
バリヤ層を形成し、次いで、下部電極、圧電体薄膜、上
部電極を順次形成して圧電体薄膜素子を製造する方法で
あって、前記バリヤ層の形成工程によって、バリヤ層の
厚み方向に下部電極側に向けてMイオンが連続的又は段
階的に増加した傾斜組成を形成することを特徴とする。The method of manufacturing a piezoelectric thin film element according to the present invention comprises an ion implantation method after forming a SiO 2 film on a substrate and then forming a layer made of ZrO 2 (zirconium oxide) on the SiO 2 film. To inject M ions (M is a group IIA element, a group IIIA element, or a group IIIB element of the periodic table) to form a barrier layer, and then sequentially form a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising forming a gradient composition in which M ions are continuously or stepwise increased toward a lower electrode side in a thickness direction of the barrier layer by the step of forming the barrier layer. Characterize.
【0026】イオン注入法を用いて、傾斜組成を有する
バリヤ層を形成することにより、バリヤ層や振動板全体
のクラックが発生することを防止し、圧電特性に優れた
圧電体薄膜素子を製造することができる。By forming a barrier layer having a graded composition by using the ion implantation method, it is possible to prevent cracks in the barrier layer and the entire diaphragm from being generated, and to manufacture a piezoelectric thin film element having excellent piezoelectric characteristics. be able to.
【0027】前記Mは、Y(イットリウム)又はCa
(カルシウム)であることが、より好ましい。The M is Y (yttrium) or Ca
(Calcium) is more preferable.
【0028】[0028]
【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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0029】(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。(Overall Structure of Inkjet Printer) FIG. 1 is a perspective view of the inkjet printer. In the printer, a main body 2 is provided with a tray 3, an outlet 4, and operation buttons 9.
【0030】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。The main body 2 is the housing of the printer, and the paper 5
The paper feed mechanism 6 is provided at a position where the paper can be fed from the tray 3, and the ink jet recording head 1 is arranged so as to print on the paper 5. A control circuit 8 is provided inside the main body 2.
【0031】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。The tray 3 supplies the paper 5 before printing to a supply mechanism 6
The discharge port 4 is a discharge port for discharging the printed sheet 5.
【0032】インクジェット記録ヘッド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Sh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。The ink jet recording head 1 is provided with the piezoelectric thin film element according to the present invention, and is constructed so that ink can be ejected from the nozzles in response to the signal Sh output from the control circuit 8.
【0033】給紙機構6は、モータ600、ローラ60
1、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Sh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、60
2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。The paper feed mechanism 6 includes a motor 600 and rollers 60.
1, 602 are provided. The motor 600 rotates in response to the signal Sh output from the control circuit 8, and this rotational force is transmitted to the rollers 601, 602, and the rollers 601, 60
The rotation of 2 draws in the paper 5 set in the tray 3, and the head 1 supplies the paper 5 in a printable manner.
【0034】制御回路8は、図示しないCPU、RO
M、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。The control circuit 8 includes a CPU, RO (not shown).
M, RAM, interface circuit, etc. are provided.
The control circuit 8 outputs a signal to the paper feed mechanism 6 or the drive mechanism of the head 1 in accordance with print information supplied from the computer via a connector (not shown).
【0035】(インクジェット記録ヘッドの構成)図2
に、本発明に係る圧電体薄膜素子の分解斜視図を示す。(Structure of Inkjet Recording Head) FIG. 2
FIG. 3 is an exploded perspective view of the piezoelectric thin film element according to the present invention.
【0036】ヘッドは、ノズル板10、圧力室基板2
0、振動板30、下部電極42、圧電体薄膜43および
上部電極44から構成される。The head comprises the nozzle plate 10 and the pressure chamber substrate 2
0, diaphragm 30, lower electrode 42, piezoelectric thin film 43, and upper electrode 44.
【0037】圧力室基板20は、圧力室21、側壁2
2、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。The pressure chamber substrate 20 includes a pressure chamber 21 and a side wall 2.
2, a reservoir 23 and a supply port 24. The pressure chamber 21 is formed as a space for storing ink for ejecting ink by etching a substrate such as silicon. The side wall 22 is formed so as to partition the pressure chamber 21. The reservoir 23 serves as a channel for commonly filling the pressure chambers 21 with ink. The supply port 24 is formed so that ink can be introduced from the reservoir 23 into each pressure chamber 21.
【0038】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1
1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。The nozzle plate 10 has nozzle holes 1 at positions corresponding to the respective pressure chambers 21 provided in the pressure chamber substrate 20.
1 is attached to one surface of the pressure chamber substrate 20.
【0039】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。The pressure chambers 21 and the nozzle holes 11 are arranged continuously at a constant pitch. The pitch between these nozzles can be changed in time according to the printing accuracy.
For example, they are arranged so as to be 400 dpi (dot per inch).
【0040】振動板30の上には、各圧力室21に対応
する位置に、下部電極42、圧電体薄膜43および上部
電極44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3
5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。A lower electrode 42, a piezoelectric thin film 43 and an upper electrode 44 are provided on the vibration plate 30 at positions corresponding to the respective pressure chambers 21, and these functions as a piezoelectric actuator. The vibrating plate 30 has an ink tank port 3
5 is provided so that the ink stored in the ink tank (not shown) can be supplied into the pressure chamber substrate 20.
【0041】(層構成)図3に、圧電体薄膜素子の断面
図を示す。図3に示すように、圧電体薄膜素子100
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、種Ti膜4
5、圧電体薄膜43、上部電極44が順次積層されて構
成されている。(Layer Structure) FIG. 3 shows a sectional view of a piezoelectric thin film element. As shown in FIG. 3, the piezoelectric thin film element 100
The vibration plate 30 is laminated on the pressure chamber substrate 20 having the nozzle plate 10, and the lower electrode 42 and the seed Ti film 4 are formed on the vibration plate 30.
5, the piezoelectric thin film 43, and the upper electrode 44 are sequentially laminated.
【0042】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。The pressure chamber substrate 20 has a thickness of 220 μm.
A silicon monocrystalline substrate of the order of magnitude is preferred.
【0043】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(SiO2)からなるSiO2膜3
1と、当該SiO2膜31の上に形成されたZr1-x
Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIIIB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。バリヤ層32は、下
部電極側に向けてその厚み方向にxが連続的又は段階的
に増加した傾斜組成を有する。これにより、バリア層の
応力及び下部電極との密着力を適切に制御することがで
き、薄くてクラックの発生を防止した振動板を形成する
ことができる。バリヤ層32の膜厚は、0.1μm以上
1.0μm以下であることが好ましい。The vibration plate 30 is formed on the pressure chamber substrate 20.
Silicon dioxide (SiOTwo) Consisting of SiOTwoMembrane 3
1 and the SiOTwoZr formed on the film 311-x
Mx Oy(0.01 ≦ x ≦ 0.15, y = 2.0 ± α,
α is a stoichiometrically acceptable value, M is the IIA group element of the periodic table
Element, group IIIA element, or group IIIB element)
And a barrier layer 32 made of a laminated material. M is Y,
They are Ca, Mg, Be, Ce and the like. The barrier layer 32 is below
X toward the electrode side is continuous or stepwise in the thickness direction
With an increased gradient composition. This allows the barrier layer
It is possible to properly control the stress and the adhesion force with the lower electrode.
Form a diaphragm that is thin and prevents the occurrence of cracks.
be able to. The thickness of the barrier layer 32 is 0.1 μm or more.
It is preferably 1.0 μm or less.
【0044】下部電極42は、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。The lower electrode 42 is composed of a single layer film of iridium, or is arranged from the diaphragm 30 side to the iridium layer /
It is preferable to have a laminated structure such as a platinum layer, a platinum layer / iridium layer, and an iridium layer / platinum layer / iridium layer. Alternatively, a film made of an alloy of iridium and platinum may be used.
【0045】下部電極42の上には、種Ti膜45を形
成する。種Ti膜45を形成することにより、その上に
成膜される圧電体薄膜43の配向を制御することができ
る。種Ti膜45の膜厚は、好ましくは3nm〜10n
mであり、より好ましくは5nmである。この種Ti膜
は一様の厚みで形成するほかに、島状となっていてもよ
い。A seed Ti film 45 is formed on the lower electrode 42. By forming the seed Ti film 45, the orientation of the piezoelectric thin film 43 formed thereon can be controlled. The seed Ti film 45 preferably has a film thickness of 3 nm to 10 n.
m, and more preferably 5 nm. The seed Ti film may have an island shape in addition to being formed with a uniform thickness.
【0046】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20n
m未満が好適である。An appropriate buffer layer such as an ultrathin titanium thin film or chromium thin film may be interposed between the diaphragm 30 and the lower electrode 42 in order to further improve the adhesion between them. The thickness of the titanium thin film is 10 nm or more and 20 n
It is preferably less than m.
【0047】圧電体薄膜43は、チタン酸鉛(PbTi
O3)、ジルコン酸鉛(PbZrO 3)、ジルコン酸チ
タン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、チタン酸鉛ラン
タン((Pb,La)TiO3),マグネシウム酸ニオ
ブ酸鉛(Pb(Mg,Nb)O3)、ジルコン酸チタン
酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)、
又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛
(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等からなる
ことが好ましい。特に、チタン酸鉛(PbTiO 3)と
ジルコン酸鉛(PbZrO3)との固溶体や、マグネシ
ウム酸ニオブ酸鉛(Pb(Mg,Nb)O3)とジルコ
ン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)
との固溶体からなることが好ましい。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。The piezoelectric thin film 43 is made of lead titanate (PbTi).
OThree), Lead zirconate (PbZrO Three), Zirconate
Lead titanate (Pb (Zr, Ti) OThree), Lead orchid titanate
Tan ((Pb, La) TiOThree), Niomagnesate
Lead bumate (Pb (Mg, Nb) OThree), Titanium zirconate
Lanthanum leadate ((Pb, La) (Zr, Ti) OThree),
Or lead magnesium niobate zirconium titanate
(Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) OThree) Etc.
It is preferable. In particular, lead titanate (PbTiO 3 Three)When
Lead zirconate (PbZrOThree) Solid solution with
Lead niobate (Pb (Mg, Nb) O)Three) And Zirco
Lead acidate (PbZrOThree) And lead titanate (PbTiOThree)
It is preferable to consist of a solid solution of Of the piezoelectric thin film 43
The film thickness is preferably 0.8 μm or more and 2.0 μm or less
Good
【0048】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/Ti
N/Pt、Ti/Pt/Ti、TiN/Pt/TiN、
Pt/Ti/TiN/Ti、RuO2 /TiN、IrO
2 /Ir、IrO2 /TiN等の2層以上の積層膜であ
ってもよい。The upper electrode 44 is not particularly limited as long as it is a conductive material that can be used as a normal electrode. For example, a single layer film of Pt, RuO 2 , Ir, IrO 2 or Pt / Ti, Pt / Ti / TiN, Pt / Ti
N / Pt, Ti / Pt / Ti, TiN / Pt / TiN,
Pt / Ti / TiN / Ti, RuO 2 / TiN, IrO
It may be a laminated film of two or more layers such as 2 / Ir or IrO 2 / TiN.
【0049】(印刷動作)以下に、上記インクジェット
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、供給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。(Printing Operation) The printing operation of the ink jet recording head will be described below. When the drive signal is output from the control circuit, the supply mechanism operates and the sheet is conveyed by the head to a printable position. When the ejection signal is not supplied from the control circuit and the voltage is not applied between the lower electrode and the upper electrode of the piezoelectric element, the piezoelectric thin film layer does not change. No pressure change occurs in the pressure chamber provided with the piezoelectric element to which the ejection signal is not supplied, and the ink droplet is not ejected from the nozzle hole.
【0050】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。On the other hand, when a discharge signal is supplied from the control circuit and a constant voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode of the piezoelectric element, the piezoelectric thin film layer is deformed. In the pressure chamber provided with the piezoelectric element to which the ejection signal is supplied, the vibrating plate flexes greatly. Therefore, the pressure in the pressure chamber is momentarily increased, and ink droplets are ejected from the nozzle holes. Arbitrary characters and figures can be printed by individually supplying the ejection signals to the piezoelectric element at the position where printing is desired in the head.
【0051】(製造方法)次に、図4および5を参照し
ながら、圧電体薄膜素子の製造工程を説明する。(Manufacturing Method) Next, the manufacturing process of the piezoelectric thin film element will be described with reference to FIGS.
【0052】〔振動板の成膜工程〕まず、図4(A)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S
iO2膜31を形成する。[Film Forming Step of Vibrating Plate] First, as shown in FIG. 4A, a film thickness of about 5 is formed on the pressure chamber substrate 20 made of silicon by using a film forming method such as thermal oxidation or a CVD method. 1 μm S
The iO 2 film 31 is formed.
【0053】次に、図4(B)に示すように、SiO2
膜31の上にZrO2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、又はイオン注入法を用いる。Next, as shown in FIG. 4B, SiO 2
A barrier layer 32 made of a ZrO 2 film is formed on the film 31. The barrier layer 32 is formed by a sol-gel method, a sputtering method, or an ion implantation method.
【0054】ゾルゲル法は、金属の水酸化物の水和錯体
(ゾル)を、脱水処理してゲルとし、このゲルを加熱焼
成して無機酸化物を成膜する方法である。ゾルゲル法を
用いてバリヤ層32を形成する場合、まず、Zr1-x
Mx Oy(Mは例えば、Y又はCa)を酸などで加水
分解してゾルを調整し、次いで、この調整したゾルをS
iO2膜31上に塗布する。塗布に際しては、スピンコ
ートなどの方法を用いる。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120℃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400℃以下であるこ
とが好ましく、脱脂時間は10分以上20分以下である
ことが好ましい。次に、これを800℃以上1000℃
以下の焼成温度にて10分以上60分以下の間焼成し結
晶化させる。焼成には、RTA(Rapid Thermal Anneal
ing)装置や拡散炉などを用いる。次に、Zr1-x M
x OyにおいてMの量(x)を大きくしたゾルを調整
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、バリヤ層32を得る。これにより、下部
電極42側に向けてMの量(x)が段階的に増加したバ
リヤ層32が得られる。The sol-gel method is a method in which a hydrated complex (sol) of a metal hydroxide is dehydrated to give a gel, and the gel is heated and baked to form an inorganic oxide film. When forming the barrier layer 32 using the sol-gel method, first, Zr 1-x
M x O y (M is, for example, Y or Ca) is hydrolyzed with an acid or the like to prepare a sol, and then the prepared sol is mixed with S
It is applied on the iO 2 film 31. At the time of coating, a method such as spin coating is used. After applying the sol, it is dried at a constant temperature for a certain period of time to evaporate the solvent of the sol. The drying temperature is preferably 120 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and the drying time is preferably 5 minutes or longer and 15 minutes or shorter. After drying, degreasing is further performed at a constant temperature for a predetermined time in an air atmosphere. As a degreasing method, it is preferable to bring the entire substrate into close contact with a hot plate and heat the heat from the hot plate so that the heat is conducted to the entire substrate. The degreasing temperature is preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the degreasing time is preferably 10 minutes or longer and 20 minutes or shorter. Next, this is 800 ℃ or more and 1000 ℃
Crystallization is performed by firing at the following firing temperature for 10 minutes or more and 60 minutes or less. RTA (Rapid Thermal Anneal)
ing) equipment or diffusion furnace is used. Next, Zr 1-x M
x O y to adjust the sol to increase the amount of M (x) in, Likewise coating, drying, degreasing and firing are performed. In this way, the barrier layer 32 is obtained by performing the film forming steps of applying the sol, drying, degreasing, and firing a plurality of times. Thereby, the barrier layer 32 in which the amount (x) of M gradually increases toward the lower electrode 42 side is obtained.
【0055】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バリヤ層32を形成す
る方法としては、Zr及び元素M(例えば、Y、Ca)
をターゲットとして不活性ガスとともに微量の酸素ガス
を導入する反応性スパッタリング法と、ZrO2及び元
素MをターゲットとしたRFスパッタリング法とがあ
る。反応性スパッタリングやRFスパッタリングを行な
う過程においては、元素Mのターゲットパワーが徐々に
又は段階的に大きくなるように変化させる。あるいは、
Zr若しくはZrO2のターゲットパワーを調整して相
対的に元素Mのターゲットパワーが徐々に又は段階的大
きくなるように変化させてもよい。これにより、下部電
極42側に向けてMの量(x)が連続的又は段階的に増
加したバリヤ層32が得られる。In the sputtering method, while introducing an inert gas into a vacuum, a voltage is applied between the substrate and the target to cause the ionized inert gas to collide with the target to form the repelled target material on the substrate. Is the way to do it. As a method of forming the barrier layer 32 using the sputtering method, Zr and the element M (for example, Y, Ca)
There are a reactive sputtering method in which a small amount of oxygen gas is introduced together with an inert gas as a target, and an RF sputtering method in which ZrO 2 and the element M are targeted. In the process of performing reactive sputtering or RF sputtering, the target power of the element M is changed so as to increase gradually or stepwise. Alternatively,
The target power of Zr or ZrO 2 may be adjusted to change the target power of the element M such that it gradually or gradually increases. Thereby, the barrier layer 32 in which the amount (x) of M increases continuously or stepwise toward the lower electrode 42 side is obtained.
【0056】イオン注入法(ion implantation)は、
金属材料中に元素を添加する方法の一つであり、元素を
イオン化して電圧で加速し、その運動エネルギーを利用
する方法である。イオン注入法を用いてバリヤ層32を
形成する場合、まずゾルゲル法やスパッタリング法によ
りZrO2膜を形成し、次いで、イオン注入を行なう。
イオン注入は、Mをイオン源でイオン化してMイオン
(例えば、Y3+、Ca 2+)とし、これに荷電粒子加
速器を用いてエネルギーを与えて、ZrO2膜表面をス
パッタリングさせて行なう。これにより、MイオンがZ
rO2膜表面を削り取るとともに、注入効果によってZ
rO2膜内へ侵入し、内部の原子と衝突してエネルギー
を失って静止してドープされる。荷電粒子加速器の駆動
を制御することにより、下部電極42側に向けて厚み方
向にMの量(x)が連続的又は段階的に増加したバリヤ
層32が得られる。Ion implantation is
It is one of the methods to add an element to a metal material.
Ionize and accelerate with voltage and use its kinetic energy
Is the way to do it. The barrier layer 32 is formed by using the ion implantation method.
When forming, first use the sol-gel method or the sputtering method.
Ri ZrOTwoA film is formed, and then ion implantation is performed.
Ion implantation is performed by ionizing M with an ion source to produce M ions.
(For example, Y3+, Ca 2+) And add charged particles
ZrO is given energy by using a speedometer.TwoThe membrane surface
Let's puttering. As a result, M ion becomes Z
rOTwoThe surface of the film is scraped off, and Z
rOTwoEnergy that penetrates into the film and collides with atoms inside
Lost and still dope. Driving a charged particle accelerator
By controlling the thickness direction toward the lower electrode 42 side
Barrier in which the amount of M (x) increases continuously or stepwise
A layer 32 is obtained.
【0057】〔下部電極の成膜工程〕次いで、図4
(C)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10〜50nm程度
のイリジウム層を形成する。[Lower Electrode Film Forming Step] Next, referring to FIG.
As shown in (C), the lower electrode 42 is formed on the diaphragm. The lower electrode 42 is formed by using an electron beam evaporation method, a sputtering method, or the like. For example, a platinum layer having a film thickness of about 200 nm is formed, or after a platinum layer having a film thickness of about 100 nm is formed, an iridium layer having a film thickness of about 10 to 50 nm is formed thereon.
【0058】〔種Ti膜の成膜工程〕続いて、図4
(D)に示すように、DCマグネトロンスパッタ法、R
Fスパッタリング法等の成膜法を用いて、下部電極42
の上に種Ti膜45を形成する。種Ti膜45の膜厚
は、3nm〜10nmの範囲が好ましい。この種Ti膜
は一様の厚みで形成するほかに、島状となっていてもよ
い。[Seed Ti Film Forming Step] Next, referring to FIG.
As shown in (D), DC magnetron sputtering method, R
The lower electrode 42 is formed by using a film forming method such as F sputtering.
A seed Ti film 45 is formed thereon. The thickness of the seed Ti film 45 is preferably in the range of 3 nm to 10 nm. The seed Ti film may have an island shape in addition to being formed with a uniform thickness.
【0059】〔圧電体薄膜の成膜工程〕次に、図4
(E)に示すように、ゾルゲル法やMOD法(Metal Or
ganic Decomposition)などを用いて、種Ti膜45の
上に圧電体薄膜43を成膜する。ゾルゲル法を用いる
と、下部電極42上に設けられた種Ti膜45側から上
方に向けて順にPZT結晶が成長していくため、配向性
に優れたPZT膜を成膜することができる。[Piezoelectric Thin Film Forming Step] Next, referring to FIG.
As shown in (E), the sol-gel method and the MOD method (Metal Or
The piezoelectric thin film 43 is formed on the seed Ti film 45 by using the Ganic Decomposition method or the like. When the sol-gel method is used, since the PZT crystal grows in order from the seed Ti film 45 side provided on the lower electrode 42 toward the upper side, a PZT film having excellent orientation can be formed.
【0060】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、亜鉛など
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、調整したゾルを種Ti膜45の上に塗布する。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。次
に、これを焼成して、結晶化させて圧電体薄膜43とす
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5分以上60分以下であること
が好ましい。
〔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(F)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20〜100nmの膜
厚となるようにDCスパッタ法、RFスパッタリング法
等により成膜する。When the piezoelectric thin film 43 is formed by using the sol-gel method, first, an alkoxide or acetate compound such as methoxide, ethoxide, propoxide or butoxide of a metal such as titanium, zirconium, lead or zinc is hydrolyzed with an acid or the like. Disassemble to prepare sol. Next, the adjusted sol is applied on the seed Ti film 45. After applying the sol, it is dried at a constant temperature for a certain period of time to evaporate the solvent of the sol. The drying temperature is preferably 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and the drying time is preferably 5 minutes or longer and 15 minutes or shorter. After drying, degreasing is further performed for a certain period of time at a certain degreasing temperature in the air atmosphere. The degreasing temperature is preferably 300 ° C or higher and 500 ° C or lower. The degreasing time is preferably 5 minutes or more and 30 minutes or less. The degreasing dissociates the organic matter coordinated with the metal from the metal, causes an oxidative combustion reaction, and scatters into the atmosphere. Next, this is baked and crystallized to form the piezoelectric thin film 43. The firing temperature is preferably 550 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. The firing time is preferably 5 minutes or more and 60 minutes or less. [Upper Electrode Film Forming Step] An upper electrode 44 is formed on the piezoelectric thin film 43 formed as described above, as shown in FIG. For example, iridium is formed into a film having a thickness of 20 to 100 nm by a DC sputtering method, an RF sputtering method, or the like.
【0061】〔エッチング工程〕次に、図5(A)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、種Ti膜45および下
部電極42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。[Etching Step] Next, as shown in FIG. 5A, a resist is spin-coated on the upper electrode 44, and is exposed / developed and patterned according to the position where the pressure chamber is to be formed. Using the remaining resist as a mask, the upper electrode 44, the piezoelectric thin film 43, the seed Ti film 45 and the lower electrode 42 are etched by ion milling or dry etching.
【0062】〔圧力室形成工程〕続いて、図5(B)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。[Pressure Chamber Forming Step] Subsequently, as shown in FIG. 5B, an etching mask is provided in accordance with the position where the pressure chamber is to be formed, and active gas such as parallel plate type reactive ion etching is applied. By the dry etching used,
The pressure chamber substrate 20 is etched to a predetermined depth to form the pressure chamber 21. The portion left without being dry-etched becomes the sidewall 22.
【0063】〔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1
1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を図示しない筐体に取り付け、インクジェット記録
ヘッドを完成させる。[Nozzle Plate Bonding Step] Finally, referring to FIG.
As shown in (C), the nozzle plate 10 is attached to the pressure chamber substrate 20 using an adhesive. In this case, each nozzle 1
1 is arranged so as to correspond to each space of the pressure chambers 21. The pressure chamber substrate 20 to which the nozzle plate 10 is attached is attached to a casing (not shown) to complete the ink jet recording head.
【0064】[0064]
【発明の効果】本発明によれば、バリヤ層に所定の傾斜
組成を持たせることにより、バリヤ層の内部にかかる応
力の分布を適切に制御し、バリヤ層や振動板全体のクラ
ックが発生することを防止した、信頼性の高い圧電体薄
膜素子ならびにこれを用いたインクジェット記録ヘッド
およびインクジェットプリンタを得ることができる。According to the present invention, the distribution of the stress applied to the inside of the barrier layer is appropriately controlled by giving the barrier layer a predetermined gradient composition, and cracks are generated in the barrier layer and the entire diaphragm. It is possible to obtain a highly reliable piezoelectric thin film element that prevents this, and an inkjet recording head and an inkjet printer using the same.
【0065】また、バリヤ層の内部にかかる応力の分布
を適切に制御して、バリヤ層の靭性を向上するととも
に、バリヤ層と下部電極との密着力を高めることができ
るので、振動板をより薄くすることができる。Further, since the distribution of the stress applied to the inside of the barrier layer can be appropriately controlled to improve the toughness of the barrier layer and the adhesion between the barrier layer and the lower electrode, it is possible to further improve the vibration plate. Can be thinned.
【図1】 インクジェットプリンタの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an inkjet printer.
【図2】 インクジェット記録ヘッドの分解斜視図であ
る。FIG. 2 is an exploded perspective view of an inkjet recording head.
【図3】 圧電体薄膜素子の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a piezoelectric thin film element.
【図4】 圧電体薄膜素子の製造工程断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a piezoelectric thin film element.
【図5】 圧電体薄膜素子の製造工程断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a manufacturing process of a piezoelectric thin film element.
10…ノズル板、11…ノズル穴、20…圧力室基板、
30…振動板、31…SiO2膜、32…バリヤ層、4
2…下部電極、43…圧電体薄膜、44…上部電極、4
5…種Ti膜、100…圧電体薄膜素子、1…インクジ
ェット記録ヘッド、2…本体、3…トレイ、4…排出
口、5…用紙、6…給紙機構、8…制御回路、600…
モータ、601…ローラ、602…ローラ、9…操作ボ
タン10 ... Nozzle plate, 11 ... Nozzle hole, 20 ... Pressure chamber substrate,
30 ... Vibration plate, 31 ... SiO 2 film, 32 ... Barrier layer, 4
2 ... Lower electrode, 43 ... Piezoelectric thin film, 44 ... Upper electrode, 4
5 ... Seed Ti film, 100 ... Piezoelectric thin film element, 1 ... Ink jet recording head, 2 ... Main body, 3 ... Tray, 4 ... Ejection port, 5 ... Paper, 6 ... Paper feeding mechanism, 8 ... Control circuit, 600 ...
Motor, 601 ... Roller, 602 ... Roller, 9 ... Operation button
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/09 H01L 41/18 101C 41/187 101D 41/22 41/22 B41J 3/04 103A Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 41/09 H01L 41/18 101C 41/187 101D 41/22 41/22 B41J 3/04 103A
Claims (11)
Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIIIB族元素である)で表され
る組成からなるバリヤ層と、該バリヤ層上に設けられた
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、 前記バリヤ層は、下部電極側に向けてその厚み方向にx
が連続的又は段階的に増加した傾斜組成を有することを
特徴とする圧電体薄膜素子。1. A substrate and Zr 1-x provided on the substrate
M x O y (0.01 ≦ x ≦ 0.15, y = 2.0 ±
α and α are stoichiometrically acceptable values, M is IIA in the periodic table
Group element, IIIA group element, or IIIB group element) a barrier layer composed of a composition represented by, a lower electrode provided on the barrier layer, a piezoelectric thin film provided on the lower electrode,
A piezoelectric thin film element comprising: an upper electrode provided on the piezoelectric thin film, wherein the barrier layer has a thickness x toward a lower electrode side.
Is a piezoelectric thin film element characterized by having a gradient composition which is continuously or stepwise increased.
(カルシウム)である請求項1記載の圧電体薄膜素子。2. The M is Y (yttrium) or Ca.
The piezoelectric thin film element according to claim 1, which is (calcium).
される請求項1又は2記載の圧電体薄膜素子。3. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the barrier layer is formed on a SiO 2 film.
上、1.0μm以下である請求項1ないし3のいずれか
一項に記載の圧電体薄膜素子。4. The piezoelectric thin film element according to claim 1, wherein the film thickness of the barrier layer is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
ン酸鉛との固溶体、又は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛と
マグネシウム酸ニオブ酸鉛との固溶体である請求項1又
は2記載の圧電体薄膜素子。5. The piezoelectric film according to claim 1, wherein the piezoelectric thin film is a solid solution of lead titanate and lead zirconate or a solid solution of lead titanate, lead zirconate and lead niobate magnesiumate. Body thin film element.
の圧電体薄膜素子を、インクを吐出させるための圧電ア
クチュエータとして備えたインクジェット記録ヘッド。6. An inkjet recording head comprising the piezoelectric thin film element according to claim 1 as a piezoelectric actuator for ejecting ink.
ドを印字手段として備えたインクジェットプリンタ。7. An ink jet printer comprising the ink jet recording head according to claim 6 as printing means.
iO2膜の上にZr 1-x Mx Oy(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、IIIA族元素、又はIIIB
族元素である)で表される組成を含むゾルを塗布した後
に焼成する成膜工程を複数回行ってバリヤ層を形成し、
次いで下部電極、圧電体薄膜、上部電極を順次形成して
圧電体薄膜素子を製造する方法であって、 前記バリア層の形成工程において、下部電極側の層の成
膜工程に用いるゾルのほうが、SiO2膜側の層の成膜
工程に用いるゾルよりもxが大きいことを特徴とする圧
電体薄膜素子の製造方法。8. SiO on the substrateTwoAfter forming the film, the S
iOTwoZr on the membrane 1-xMxOy(0.01 ≦ x ≦
0.15, y = 2.0 ± α, α is stoichiometrically acceptable
Value, M is IIA group element, IIIA group element, or IIIB of the periodic table
After applying a sol containing a composition represented by a group element)
The barrier layer is formed by performing the film-forming step of firing to multiple times,
Then, the lower electrode, the piezoelectric thin film, and the upper electrode are sequentially formed.
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising: In the step of forming the barrier layer, the layer formation on the lower electrode side is performed.
The sol used in the film process is SiOTwoDeposition of layer on film side
A pressure characterized in that x is larger than the sol used in the process.
Manufacturing method of electric thin film element.
iO2膜の上にZr(ジルコニウム)若しくはZrO
2 (酸化ジルコニウム)とM(Mは周期表のIIA族元
素、IIIA族元素、又はIIIB族元素である)とをターゲッ
トとして同時にスパッタリングしてバリヤ層を形成し、
次いで、下部電極、圧電体薄膜、上部電極を順次形成し
て圧電体薄膜素子を製造する方法であって、 前記バリヤ層の形成工程において、Mのターゲットパワ
ーがZr若しくはZrO2のターゲットパワーに対して
相対的に大きくなるように変化させるか、あるいはMの
ターゲットパワーが絶対的に大きくなるように変化させ
ることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。9. After forming a SiO 2 film on a substrate, the S
Zr (zirconium) or ZrO on the iO 2 film
2 (zirconium oxide) and M (M is a group IIA element, a group IIIA element, or a group IIIB element of the periodic table) are simultaneously sputtered to form a barrier layer,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element by sequentially forming a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode, wherein the target power of M is Zr or ZrO 2 with respect to the target power in the step of forming the barrier layer. And a target power of M are changed so as to be absolutely larger. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element, comprising:
SiO2膜の上にZrO2(酸化ジルコニウム)からな
る層を形成した後イオン注入法によりMイオン(Mは周
期表のIIA族元素、IIIA族元素、又はIIIB族元素であ
る)を注入してバリヤ層を形成し、次いで、下部電極、
圧電体薄膜、上部電極を順次形成して圧電体薄膜素子を
製造する方法であって、 前記バリヤ層の形成工程によって、バリヤ層の厚み方向
に下部電極側に向けてMイオンが連続的又は段階的に増
加した傾斜組成を形成することを特徴とする圧電体薄膜
素子の製造方法。10. An SiO 2 film is formed on a substrate, a layer made of ZrO 2 (zirconium oxide) is formed on the SiO 2 film, and then M ions (M is a group IIA of the periodic table) are formed by an ion implantation method. Element, IIIA group element, or IIIB group element) is implanted to form a barrier layer, and then a lower electrode,
A method of manufacturing a piezoelectric thin film element by sequentially forming a piezoelectric thin film and an upper electrode, wherein M ions are continuously or stepped toward a lower electrode side in a thickness direction of the barrier layer by the barrier layer forming step. A method for manufacturing a piezoelectric thin film element, which comprises forming a gradient composition that is increased substantially.
a(カルシウム)である請求項8ないし10のいずれか
一項に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。11. The M is Y (yttrium) or C
The method for manufacturing a piezoelectric thin film element according to claim 8, wherein the piezoelectric thin film element is a (calcium).
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007300071A (en) * | 2006-04-03 | 2007-11-15 | Canon Inc | Piezoelectric element and manufacturing method thereof, electronic device, and ink jet apparatus |
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-
2001
- 2001-09-28 JP JP2001303678A patent/JP2003110158A/en active Pending
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