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JP2006265651A - Film of composite perovskite type compound, method for forming the film, and method for producing liquid discharge head using the same - Google Patents

Film of composite perovskite type compound, method for forming the film, and method for producing liquid discharge head using the same Download PDF

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JP2006265651A JP2005086715A JP2005086715A JP2006265651A JP 2006265651 A JP2006265651 A JP 2006265651A JP 2005086715 A JP2005086715 A JP 2005086715A JP 2005086715 A JP2005086715 A JP 2005086715A JP 2006265651 A JP2006265651 A JP 2006265651A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a film of a lead and titanium-containing composite perovskite type compound having a controlled composition at high precision by sputtering. <P>SOLUTION: The method for forming a film of a composite perovskite type compound comprises: a stage (a) where electric power is fed to a first target comprising lead and titanium as constituting elements, so as to sputter the components comprised in the first target; a stage (b) where electric power is fed to a second target comprising elements having a sputtering rate of ≤0.5 or ≥1.2 based on titanium as constituting elements, so as to sputter the components comprised in the second target; and a stage (c) where the components sputtered from the first and second targets are stuck to a substrate heated to a prescribed temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、複合ペロブスカイト型化合物を含む多元系材料の膜をスパッタリングによって形成する成膜方法に関する。さらに、本発明は、そのような成膜方法を利用した液体吐出ヘッド(インクジェットヘッド)の製造方法に関する。   The present invention relates to a film forming method for forming a film of a multi-component material containing a composite perovskite compound by sputtering. Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing a liquid discharge head (inkjet head) using such a film forming method.

圧電体の両端に電極が形成された構造体は、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタのインクヘッド、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。近年、MEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)関連の機器の開発に伴い、このような構造を有する素子の微細化及び集積化がますます進んでいる。そのため、そこで用いられる圧電体についても、微細化や性能の向上等が望まれている。   A structure in which electrodes are formed at both ends of a piezoelectric body is used in various applications such as a piezoelectric actuator, a piezoelectric pump, an ink head of an ink jet printer, and an ultrasonic transducer. In recent years, along with the development of MEMS (microelectromechanical system) related devices, miniaturization and integration of elements having such a structure are progressing. Therefore, miniaturization and improvement in performance are also desired for the piezoelectric body used there.

近年、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)に様々な元素を添加することにより、高い圧電特性を有する強誘電体(PNN−PZT)が得られることが知られている。しかしながら、そのような化合物において高い特性を得るためには、化合物を構成する元素の組成を制御することが重要となる。   In recent years, it is known that a ferroelectric substance (PNN-PZT) having high piezoelectric characteristics can be obtained by adding various elements to PZT (Pb (lead) zirconate titanate). However, in order to obtain high characteristics in such a compound, it is important to control the composition of elements constituting the compound.

関連する技術として、特許文献1には、所定の組成及び結晶構造を有するPZT薄膜を得るために、3個のPZTターゲットに300Wの電力を投入し、1個のPbOターゲットに0〜450Wの電力を投入して、基板ホルダーを30rpmの速度で回転させながら、基板上に膜を堆積させ、基板温度が700℃以上で、膜内のPb/(Zr+Ti)比が1以上になるように鉛の基板入射原子束比を制御することが開示されている。   As a related technique, Patent Document 1 discloses that in order to obtain a PZT thin film having a predetermined composition and crystal structure, 300 P of power is supplied to three PZT targets, and 0 to 450 W of power is supplied to one PbO target. The film is deposited on the substrate while rotating the substrate holder at a speed of 30 rpm. Lead is adjusted so that the substrate temperature is 700 ° C. or higher and the Pb / (Zr + Ti) ratio in the film is 1 or higher. Controlling the substrate incident atomic flux ratio is disclosed.

しかしながら、特許文献1において作製目的とされているのはPZT薄膜に限定されており、鉛、チタン、ジルコニウム、及び、酸素以外の元素が含まれる場合については言及されていない。そのため、上記の元素以外の構成元素が含まれる膜を形成する場合には組成の制御性が悪くなると考えられるので、特許文献1に開示されているPZT薄膜の製造方法を適用することが困難となる。また、3個以上のターゲットを用いるので、装置が複雑となってしまう。   However, in Patent Document 1, the object of manufacture is limited to the PZT thin film, and no mention is made of the case where elements other than lead, titanium, zirconium, and oxygen are included. Therefore, since it is considered that the controllability of the composition is deteriorated when a film containing constituent elements other than the above elements is formed, it is difficult to apply the PZT thin film manufacturing method disclosed in Patent Document 1. Become. Further, since three or more targets are used, the apparatus becomes complicated.

また、特許文献2には、圧電薄膜において大きな圧電変位を得るために、化学組成がPb1+a(ZrTi1−x)O3+a(但し、0.2≦a≦0.6、0.50≦x≦0.62)で表記され、その構成元素である酸素イオン、チタンイオン、ジルコニウムイオンの一部が欠けたイオン欠損のあるペロブスカイト型の柱状結晶領域と、イオン欠損のない化学量論組成のペロブスカイト型の柱状結晶領域との混合体からなる圧電薄膜が開示されている。 Patent Document 2 discloses that in order to obtain a large piezoelectric displacement in a piezoelectric thin film, the chemical composition is Pb 1 + a (Zr x Ti 1-x ) O 3 + a (where 0.2 ≦ a ≦ 0.6, 0.50). ≦ x ≦ 0.62), a perovskite columnar crystal region having an ion deficiency in which some of its constituent elements, oxygen ion, titanium ion, and zirconium ion, are missing, and a stoichiometric composition without ion deficiency A piezoelectric thin film made of a mixture with a perovskite columnar crystal region is disclosed.

特許文献3には、Pb系強誘電体をスパッタリングにより形成する際に、成分調整のために強誘電体粉末にPbO粉末を添加した場合における強誘電体の成分の安定化に要する時間を短縮化するために、Pb系強誘電体をスパッタリングによって形成するためのターゲットであって、平均粒径が、10μm以下のPb系強誘電体粉末およびPbO粉末とを混合・焼結することが開示されている。   In Patent Document 3, when a Pb-based ferroelectric is formed by sputtering, the time required for stabilizing the ferroelectric component when the PbO powder is added to the ferroelectric powder for component adjustment is shortened. In order to achieve this, it is disclosed that a target for forming a Pb-based ferroelectric by sputtering is to mix and sinter Pb-based ferroelectric powder and PbO powder having an average particle size of 10 μm or less. Yes.

上記の特許文献2及び3においては、形成された膜において所望の組成を得るために、予め鉛元素を増加させた1つのターゲットが用いられている。また、鉛以外の元素についても、ターゲットにおいて組成を調整している。しかしながら、このような成膜方法によれば、形成される膜の組成が成膜条件によって異なってしまう。また、スパッタリング率が大きく異なる材料がターゲットに含まれる場合には、形成された膜の組成がターゲットの組成から大きくずれてしまう。従って、膜の組成をあまり良く制御することはできない。また、ターゲットの組成によっては、ターゲット作製時の焼結性に問題が生じることも考えられる。   In the above Patent Documents 2 and 3, in order to obtain a desired composition in the formed film, one target in which lead element is increased in advance is used. Moreover, the composition of the elements other than lead is adjusted at the target. However, according to such a film forming method, the composition of the formed film varies depending on the film forming conditions. In addition, in the case where a material having a significantly different sputtering rate is included in the target, the composition of the formed film is greatly deviated from the composition of the target. Therefore, the composition of the film cannot be controlled very well. In addition, depending on the composition of the target, there may be a problem in the sinterability during target fabrication.

特許文献4には、非誘電率を低く抑制しつつ大きな歪量を具現するために、複合ペロブスカイト型化合物のPb(Ni1/3Nb2/3)Oと単純ペロブスカイト型化合物PbTiO及びPbZrOとを主成分とする磁器組成物において、Pb(Ni1/3Nb2/3)O、PbTiO、PbZrOを頂点とする三角座標中、Pb(Ni1/3Nb2/3)OをXモル%、PbTiOをYモル%、PbZrOをZモル%とした場合(但し、X+Y+Z=1)、その組成範囲がA点(X=40、Y=37、Z=23)、B点(X=36、Y=37、Z=27)、C点(X=33、Y=40、Z=27)及びD点(X=37、Y=40、Z=23)の各組成点を結ぶ線上およびこの4点に囲まれた領域とする範囲を主成分とする圧電磁器組成物が開示されている。 Patent Document 4 discloses a composite perovskite-type compound Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 and a simple perovskite-type compound PbTiO 3 and PbZrO in order to realize a large amount of strain while suppressing the non-dielectric constant low. In the porcelain composition mainly composed of 3 , Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 , PbTiO 3 , PbZrO 3 among the triangular coordinates having apex, Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) When O 3 is X mol%, PbTiO 3 is Y mol%, and PbZrO 3 is Z mol% (where X + Y + Z = 1), the composition range is point A (X = 40, Y = 37, Z = 23) , B point (X = 36, Y = 37, Z = 27), C point (X = 33, Y = 40, Z = 27) and D point (X = 37, Y = 40, Z = 23) On the line connecting the composition points and the area surrounded by these four points The piezoelectric ceramic composition is disclosed consisting mainly of circumference.

特許文献5には、アクチュエータやセンサの小型化及び高密度化を図るために、セラミック基体と、PbMg1/3Nb2/3−PbZrO−PbTiO三成分固溶系組成物で、一般式Pb(Mgy/3Nb2/3TiZrに示す組成物を主成分とし、NiOを全組成物中0.05〜10.0重量%含有する磁器組成物からなる圧電体と、該圧電体に電気的に接続される電極とを供え、該圧電体が、上記セラミックス基体に、直接又は上記電極を介して固着されてなる圧電体素子が開示されている。 Patent Document 5, in order to actuators and miniaturization of the sensors and densification, the ceramic substrate, in PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 ternary solid solution system composition, generally From a porcelain composition containing as a main component a composition represented by the formula Pb x (Mg y / 3 Nb 2/3 ) a Ti b Zr c O 3 and containing 0.05 to 10.0% by weight of NiO in the total composition. There is disclosed a piezoelectric element provided with a piezoelectric body and an electrode electrically connected to the piezoelectric body, and the piezoelectric body is fixed to the ceramic substrate directly or via the electrode.

特許文献6には、アクチュエータ材料として用いられる圧電磁器組成物において、高電界における圧電変位量を大きくすると共に、比誘電率の温度変化を小さくするために、xPb(Sb1/2Nb1/2)O−yPbZrO−zPbTiOと表記される3成分ジルコンチタン酸鉛(PZT)において、0.96≦y/z≦1.39、0<x≦11mol%(但し、x+y+z=100mol%)とすることが開示されている。 In Patent Document 6, in a piezoelectric ceramic composition used as an actuator material, xPb (Sb 1/2 Nb 1/2) is used in order to increase the amount of piezoelectric displacement in a high electric field and decrease the temperature change of the dielectric constant. ) In the three-component lead zirconate titanate (PZT) expressed as O 3 —yPbZrO 3 —zPbTiO 3 , 0.96 ≦ y / z ≦ 1.39, 0 <x ≦ 11 mol% (where x + y + z = 100 mol%) It is disclosed that.

上記の特許文献4〜6においては、PZTに他の元素を混合することにより圧電材料の性能を高めることが提案されているが、そのような組成を有する膜をスパッタリングによって再現性良く形成することについては開示されていない。   In the above Patent Documents 4 to 6, it is proposed to improve the performance of the piezoelectric material by mixing other elements with PZT, but forming a film having such a composition with good reproducibility by sputtering. Is not disclosed.

さらに、非特許文献1には、0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O−0.09PbTiO(PZN−PT系材料)の単結晶体が高い圧電定数を示すことが報告されているが、そのような組成を有する薄膜を形成する方法については開示されていない。
特開平6−57412号公報(第1頁、図2) WO2002/29129号公報(第1頁、図1) 特開平6−81138号公報(第1頁、図2) 特開2004−59369号公報(第1頁、図1) 特開2004−153252号公報(第1頁) 特開2004−67437号公報(第1頁、図1) 桑田(KUWATA)、他、「0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−0.09PbTiO3単結晶の誘電特性及び圧電特性(Dielectric and Piezoelectric Properties of 0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3 Single Crystals)」、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS:JJAP)、第21巻、第9号、1982年9月、p.1298−1302
Furthermore, Non-Patent Document 1 reports that 0.91Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.09PbTiO 3 (PZN-PT-based material) single crystal exhibits a high piezoelectric constant. However, a method for forming a thin film having such a composition is not disclosed.
JP-A-6-57412 (first page, FIG. 2) WO2002 / 29129 (first page, FIG. 1) JP-A-6-81138 (first page, FIG. 2) JP 2004-59369 A (first page, FIG. 1) JP 2004-153252 A (first page) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-67437 (first page, FIG. 1) Kuwata et al., “Dielectric and Piezoelectric Properties of 0.91Pb (Zn1 / 3Nb2 / 3) O3-0.09PbTiO3 Single Crystals), Japanese Journal of Applied PHYSICS (JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS: JJAP), Vol. 21, No. 9, September 1982, p. 1298-1302

このように、従来においては、鉛及びチタンを含む複合ペロブスカイト型化合物の圧電膜をスパッタリングによって形成する場合に、組成を精度良く制御する方法は知られていない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、鉛及びチタンを含む複合ペロブスカイト型化合物の膜であって、組成が精度良く制御された膜をスパッタリングによって形成する成膜方法、及び、そのような成膜方法を用いて形成された複合ペロブスカイト型化合物の膜を提供することを第1の目的とする。また、本発明は、そのような成膜方法により形成された圧電膜を利用した液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを第2の目的とする。
Thus, conventionally, there is no known method for accurately controlling the composition when a piezoelectric film of a composite perovskite compound containing lead and titanium is formed by sputtering.
Accordingly, in view of the above points, the present invention provides a film forming method for forming a film of a complex perovskite compound containing lead and titanium, the composition of which is precisely controlled, by sputtering, and such a composition. A first object is to provide a film of a composite perovskite type compound formed by using a film method. It is a second object of the present invention to provide a method for manufacturing a liquid discharge head using a piezoelectric film formed by such a film forming method.

上記課題を解決するため、本発明に係る複合ペロブスカイト型の膜は、鉛(Pb)、チタン(Ti)、及び、酸素(O)を含む4種類以上の元素によって構成され、スパッタリングによって形成された複合ペロブスカイト型化合物の膜であって、チタンのスパッタリング率を基準とした場合に、スパッタリング率が0.5以下又は1.2以上である第4の元素を含み、膜内における上記第4の元素のモル比による組成分布の変動幅が10%以下である。   In order to solve the above problems, a composite perovskite film according to the present invention is composed of four or more elements including lead (Pb), titanium (Ti), and oxygen (O), and is formed by sputtering. A film of a composite perovskite compound, which includes a fourth element having a sputtering rate of 0.5 or less or 1.2 or more when the sputtering rate of titanium is used as a reference, and the fourth element in the film The fluctuation range of the composition distribution depending on the molar ratio is 10% or less.

また、本発明に係る成膜方法は、鉛(Pb)、チタン(Ti)、及び、酸素(O)を含む4種類以上の元素によって構成される複合ペロブスカイト型化合物の膜をスパッタリングによって形成する方法であって、鉛及びチタンを構成元素として含む第1のターゲットに電力を供給することにより、該第1のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(a)と、チタンを基準とした場合に0.5以下又は1.2以上のスパッタリング率を有する第4の元素を構成元素として含む第2のターゲットに電力を供給することにより、該第2のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(b)と、第1及び第2のターゲットからスパッタされた成分を、所定の温度に加熱された基板に付着させる工程(c)とを具備する。   Further, the film forming method according to the present invention is a method of forming a film of a composite perovskite compound composed of four or more elements including lead (Pb), titanium (Ti), and oxygen (O) by sputtering. The step (a) of sputtering the components contained in the first target by supplying electric power to the first target containing lead and titanium as constituent elements, and 0 when titanium is used as a reference. (B) Sputtering the components contained in the second target by supplying electric power to the second target containing a fourth element having a sputtering rate of 5 or less or 1.2 or more as a constituent element And (c) attaching the components sputtered from the first and second targets to a substrate heated to a predetermined temperature.

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、振動板、隔壁、及び、吐出口が設けられたノズルプレートによって画定されており、液体が充填される圧力室と、該圧力室内の液体を吐出口から吐出するために振動板を振動させる圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、鉛及びチタンを構成元素として含む第1のターゲットに電力を供給することにより、該第1のターゲットに含まれる成分をスパッタすると共に、チタンを基準とした場合に、0.5以下又は1.2以上のスパッタリング率を有する第4の元素を構成元素として含む第2のターゲットに電力を供給することにより、該第2のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(a)と、第1及び第2のターゲットからスパッタされた成分を所定の温度に加熱された基板に付着させることにより、該基板上に圧電膜を形成する工程(b)と、該圧電膜上に電極を形成する工程(c)と、該電極上に振動板を形成する工程(d)と、該振動板上に、圧力室を画定するための隔壁を形成する工程(e)と、該隔壁上に、吐出口が設けられたノズルプレートを形成する工程(f)とを具備する。   The method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention is defined by a diaphragm plate, a partition wall, and a nozzle plate provided with discharge ports, and includes a pressure chamber filled with liquid and a liquid in the pressure chamber. A method of manufacturing a liquid discharge head having a piezoelectric actuator that vibrates a diaphragm for discharging from a discharge port, wherein power is supplied to a first target containing lead and titanium as constituent elements. Sputtering components contained in the target and supplying power to the second target containing a fourth element having a sputtering rate of 0.5 or less or 1.2 or more as a constituent element when titanium is used as a reference. The step (a) of sputtering the component contained in the second target and the component sputtered from the first and second targets at a predetermined temperature A step (b) of forming a piezoelectric film on the substrate, a step (c) of forming an electrode on the piezoelectric film, and a diaphragm on the electrode. A step (d), a step (e) for forming a partition for defining a pressure chamber on the diaphragm, and a step (f) for forming a nozzle plate provided with a discharge port on the partition. It comprises.

本願において、スパッタリング率とは、1つのイオンがターゲットに衝突した際にスパッタされる原子の個数(atoms/ion)のことをいう。   In the present application, the sputtering rate means the number of atoms (atoms / ion) sputtered when one ion collides with the target.

本発明によれば、複合ペロブスカイト型化合物の構成元素の内で、スパッタリング率がチタンと大きく異なる元素を、チタンとは別のターゲットに配置すると共に、複数のターゲットに供給される電力をそれぞれ制御しながら、それらのターゲットからそれぞれスパッタされた成分を基板に付着させるので、構成元素のスパッタリング率にかかわらず、形成された膜の組成を精度良く制御することができる。それにより、複合ペロブスカイト型化合物の膜が有する機能(例えば、圧電性能)を高くすることが可能となる。従って、そのようにして形成された圧電膜を含む圧電アクチュエータを利用する液体吐出ヘッド等の機器の性能を向上させることが可能となる。   According to the present invention, among the constituent elements of the composite perovskite type compound, an element whose sputtering rate is significantly different from that of titanium is disposed on a target different from titanium, and the power supplied to the plurality of targets is controlled. However, since the components sputtered from these targets are attached to the substrate, the composition of the formed film can be accurately controlled regardless of the sputtering rate of the constituent elements. Thereby, the function (for example, piezoelectric performance) of the film of the composite perovskite compound can be increased. Accordingly, it is possible to improve the performance of a device such as a liquid discharge head that uses a piezoelectric actuator including the piezoelectric film formed as described above.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。本実施形態に係る成膜方法は、複合ペロブスカイト型化合物の圧電膜をスパッタリングにより形成する方法である。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a film forming apparatus in which a film forming method according to an embodiment of the present invention is used. The film forming method according to the present embodiment is a method of forming a piezoelectric film of a composite perovskite compound by sputtering.

図1に示す成膜装置は、成膜室1と、排気ポンプ2と、基板ホルダ3と、基板ホルダ駆動部4と、反応ガス供給部5と、2つのターゲット保持部6及び7と、高周波電源(RF)8及び9と、2つのマッチングボックス(MB)10及び11とを含んでいる。   The film forming apparatus shown in FIG. 1 includes a film forming chamber 1, an exhaust pump 2, a substrate holder 3, a substrate holder driving unit 4, a reactive gas supply unit 5, two target holding units 6 and 7, and a high frequency. Power sources (RF) 8 and 9 and two matching boxes (MB) 10 and 11 are included.

成膜室1は、接地配線に接続されている。排気ポンプ2は、成膜室1を排気することにより、その内部を所定の真空度に保っている。
基板ホルダ3は、膜が形成される基板20を保持するホルダであり、回転可能な状態で成膜室4に設置されている。また、基板ホルダ3には、基板20を所定の温度に保つためのヒータが設けられている。
基板ホルダ駆動部4は、基板ホルダ3に保持されている基板20がその主面内において回転するように、基板ホルダ3を回転させる。
反応ガス供給部5は、例えば、アルゴン(Ar)や酸素(O)等の反応ガスを成膜室1内に供給する。
The film forming chamber 1 is connected to a ground wiring. The exhaust pump 2 evacuates the film forming chamber 1 to keep the inside at a predetermined degree of vacuum.
The substrate holder 3 is a holder for holding the substrate 20 on which a film is formed, and is installed in the film forming chamber 4 in a rotatable state. The substrate holder 3 is provided with a heater for keeping the substrate 20 at a predetermined temperature.
The substrate holder driving unit 4 rotates the substrate holder 3 so that the substrate 20 held by the substrate holder 3 rotates in the main surface.
The reactive gas supply unit 5 supplies a reactive gas such as argon (Ar) or oxygen (O 2 ) into the film forming chamber 1, for example.

ターゲット保持部7及び8は、例えば、直径が約4インチのマグネトロンカソードであり、スパッタリングターゲット(以下において、単にターゲットという)21及び22をそれぞれ保持している。ターゲット保持部7は、マッチングボックス10を介して高周波電源8に接続されており、ターゲット保持部8は、マッチングボックス11を介して高周波電源9に接続されている。   The target holders 7 and 8 are, for example, magnetron cathodes having a diameter of about 4 inches, and hold sputtering targets (hereinafter simply referred to as targets) 21 and 22, respectively. The target holding unit 7 is connected to a high frequency power source 8 through a matching box 10, and the target holding unit 8 is connected to a high frequency power source 9 through a matching box 11.

高周波電源8及び9は、例えば、周波数13.56MHzの交流電圧を発生する電源装置である。また、マッチングボックス10及び11は、負荷の持つリアクタンス成分をキャンセルすることにより、負荷と高周波電源8及び9との間でインピーダンスをそれぞれ整合する。マッチングボックス10及び11としては、例えば、ブロッキングコンデンサを用いたマッチングボックスを用いることができる。ブロッキングコンデンサは、直流成分をカットし、交流成分のみを通過させる。   The high frequency power supplies 8 and 9 are power supply devices that generate an alternating voltage having a frequency of 13.56 MHz, for example. The matching boxes 10 and 11 match impedances between the load and the high frequency power supplies 8 and 9 by canceling the reactance component of the load. As the matching boxes 10 and 11, for example, a matching box using a blocking capacitor can be used. The blocking capacitor cuts the DC component and passes only the AC component.

このような成膜装置において、基板ホルダ3に基板20をセットし、基板を所定の温度に保つと共に、ターゲット保持部7及び8に、所定の元素を含むターゲット21及び22をそれぞれセットする。また、反応ガス供給部5から反応ガスを成膜室1内に導入する。そして、基板ホルダ駆動部4を駆動させて基板ホルダ3を回転させながら、ターゲット保持部7及び8に所定の大きさの電力をそれぞれ供給する。それにより、ターゲット21からスパッタされた成分とターゲット22からスパッタされた成分とが、基板20に順次付着する。その結果、ターゲット21及び22に含まれる元素を構成元素として含む膜が基板20に形成される。   In such a film forming apparatus, the substrate 20 is set on the substrate holder 3, the substrate is kept at a predetermined temperature, and targets 21 and 22 containing predetermined elements are set on the target holding portions 7 and 8, respectively. Further, a reactive gas is introduced into the film forming chamber 1 from the reactive gas supply unit 5. Then, while driving the substrate holder driving unit 4 and rotating the substrate holder 3, electric power of a predetermined magnitude is supplied to the target holding units 7 and 8, respectively. Thereby, the component sputtered from the target 21 and the component sputtered from the target 22 are sequentially attached to the substrate 20. As a result, a film containing the elements contained in the targets 21 and 22 as constituent elements is formed on the substrate 20.

次に、本発明の一実施形態に係る成膜方法の原理について説明する。
一般に、スパッタリングによって形成される膜の組成は、(i)ターゲットから気相中に飛び出す原子の量と、(ii)気相中の原子が基板に付着する量と、(iii)基板に付着した原子が再度スパッタされる量とによって定まる。この内で(i)及び(iii)における原子の量は、スパッタリング率に応じて決まる量である。
Next, the principle of the film forming method according to one embodiment of the present invention will be described.
In general, the composition of a film formed by sputtering consists of (i) the amount of atoms jumping out of the target into the gas phase, (ii) the amount of atoms in the gas phase adhering to the substrate, and (iii) adhering to the substrate. It depends on the amount of atoms sputtered again. Among these, the amount of atoms in (i) and (iii) is an amount determined according to the sputtering rate.

ここで、鉛(Pb)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、及び、チタン(Ti)を含む複合ペロブスカイト型化合物をスパッタリングによって形成する場合について検討する。表1は、300eVのエネルギーを有するアルゴンイオン(Ar)に対する上記の元素のスパッタリング率と、それらのスパッタリング率の各々をチタンのスパッタリング率で規格化した値を示している。なお、表1におけるスパッタリング率は、真空ハンドブック(日本真空技術編集、オーム社発行)から抜粋されたものである。また、特開平6−49638号公報(第4頁)に開示されているように、鉛(Pb)については、ターゲットに過剰に混入することにより、最適値となるように組成が自己的に制御されるので、本実施形態においては組成を制御する対象から外している。

Figure 2006265651
Here, a case where a composite perovskite compound containing lead (Pb), nickel (Ni), niobium (Nb), zirconium (Zr), and titanium (Ti) is formed by sputtering will be considered. Table 1 shows the sputtering rates of the above elements with respect to argon ions (Ar + ) having an energy of 300 eV, and values obtained by normalizing the sputtering rates with the sputtering rates of titanium. In addition, the sputtering rate in Table 1 is extracted from a vacuum handbook (Nihon Vacuum Technology Edit, published by Ohmsha). Further, as disclosed in JP-A-6-49638 (page 4), the composition of lead (Pb) is self-controlled so as to become an optimum value by being excessively mixed into the target. Therefore, in the present embodiment, the composition is excluded from the target to be controlled.
Figure 2006265651

表1に示すように、スパッタリング率は元素の種類によって異なっている。そのため、他の元素とスパッタリング率が大きく離れた元素を1つのターゲットに含めてしまうと、ターゲットの組成とは無関係に、スパッタされる成分にばらつきが生じてしまう。その結果、ターゲットにおける複数の元素の組成比が、形成された膜の組成比に反映されなくなり、所望の組成を有する膜を作製することができなくなってしまう。例えば、ニッケルのように、他の元素よりもスパッタリング率が大幅に高い元素(例えば、規格化された値が1.2以上、望ましくは1.5以上)がターゲットに含まれる場合には、その元素が優先的にスパッタされてしまうので、他の元素の組成比が相対的に低下してしまう。反対に、他の元素よりもスパッタリング率が大幅に低い元素(例えば、規格化された値が0.5以下)がターゲットに含まれる場合には、他の元素が優先的にスパッタされるため、その元素の組成率が低下してしまう。   As shown in Table 1, the sputtering rate varies depending on the type of element. For this reason, if an element whose sputtering rate is significantly different from other elements is included in one target, the sputtered components will vary regardless of the composition of the target. As a result, the composition ratio of a plurality of elements in the target is not reflected in the composition ratio of the formed film, and a film having a desired composition cannot be manufactured. For example, when an element such as nickel, which has a sputtering rate significantly higher than other elements (for example, a normalized value of 1.2 or more, preferably 1.5 or more) is included in the target, Since elements are preferentially sputtered, the composition ratio of other elements is relatively lowered. On the other hand, when an element having a significantly lower sputtering rate than other elements (for example, a normalized value of 0.5 or less) is included in the target, the other elements are preferentially sputtered. The composition ratio of the element is lowered.

そこで、本実施形態においては、形成目的とする膜を構成する複数種類の元素を、スパッタリング率に応じて複数のターゲットに分けて配置し、それらのターゲットの各々に供給される電力等を調整しながらスパッタリングを行っている。それにより、形成された膜における組成比を制御している。   Therefore, in the present embodiment, a plurality of types of elements constituting the film to be formed are arranged in a plurality of targets according to the sputtering rate, and the power supplied to each of these targets is adjusted. Sputtering is performed. Thereby, the composition ratio in the formed film is controlled.

本実施形態においては、各ターゲットに配置される構成元素を決定する基準として、いずれのペロブスカイト型化合物にも含まれているチタン(Ti)のスパッタリング率を用いている。具体的には、スパッタリング率がチタンよりも大幅に小さい元素(例えば、規格化された値が0.5以下)、又は、スパッタリング率がチタンよりも大幅に大きい元素(例えば、規格化された値が1.2以上、望ましくは1.5以上)は、チタンとは別のターゲットに配置される。   In this embodiment, the sputtering rate of titanium (Ti) contained in any perovskite type compound is used as a reference for determining the constituent elements to be arranged on each target. Specifically, an element whose sputtering rate is significantly smaller than titanium (for example, a normalized value is 0.5 or less), or an element whose sputtering rate is significantly larger than titanium (for example, a normalized value) Is 1.2 or more, preferably 1.5 or more) is placed on a target other than titanium.

(実施例1)
第1の実施例として、0.2Pb(Ni1/3Nb2/3)O−0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O膜の形成を目的として成膜を行った。
表1に示すように、この膜を構成する主な元素(鉛以外)の内で、スパッタリング率が大きく異なっているのは、ニッケル(Ni)である。そこで、ニッケルのみを別のターゲットに配置することとして、次のような組成を有する2つのターゲットを作製した。
第1のターゲット…組成比(モル比)がPb:Nb:Zr:Ti=1.2:0.13:0.4:0.4である酸化物焼結体
第2のターゲット…NiO焼結体
Example 1
As a first example, a film was formed for the purpose of forming a 0.2Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.8Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 3 film.
As shown in Table 1, among the main elements (other than lead) constituting this film, nickel (Ni) has a greatly different sputtering rate. Therefore, two targets having the following composition were prepared by placing only nickel on another target.
First target: oxide sintered body having a composition ratio (molar ratio) of Pb: Nb: Zr: Ti = 1.2: 0.13: 0.4: 0.4 Second target: NiO sintering body

なお、第1のターゲットについては、化学量論的組成(ストイキオメトリ)となる組成でなくても構わず、適宜組成を調整しても良い。また、第2のターゲットについては、上記のような酸化物ターゲットでも良く、金属ターゲットでも良い。さらに、第2のターゲットにも鉛元素を添加しても構わない。先に述べたように、形成された膜において、鉛の組成比は自己的に制御されるからである。   Note that the first target may not be a composition having a stoichiometric composition (stoichiometry), and the composition may be appropriately adjusted. Further, the second target may be an oxide target as described above or a metal target. Further, a lead element may be added to the second target. This is because the composition ratio of lead is self-controlled in the formed film as described above.

これらの第1及び第2のターゲットを、図1に示す成膜装置のターゲット保持部6及び7にそれぞれ配置して成膜を行った。その際の成膜条件は、以下の通りである。
基板…Pt(200nm)/Ti(50nm)/Si
基板温度…600℃
成膜室内圧力…0.5Pa
第1のターゲットへの供給電力…400W
第2のターゲットへの供給電力…可変
なお、基板の内で、シリコン上にチタン層を介して形成される白金層は、圧電膜とシリコンとの間の拡散防止層として設けられている。圧電膜に含まれる鉛は、シリコンと反応し易いからである。また、チタン層は、シリコンと白金層との密着性を良くするために設けられている。
このような条件の下で、第2のターゲットへの供給電力を変化させながらスパッタリングを行うことにより、厚さが約10μmの膜を形成した。
These first and second targets were placed on the target holding units 6 and 7 of the film forming apparatus shown in FIG. The film formation conditions at that time are as follows.
Substrate ... Pt (200 nm) / Ti (50 nm) / Si
Substrate temperature ... 600 ° C
Deposition chamber pressure: 0.5 Pa
Power supplied to the first target ... 400W
Supply power to the second target: variable In the substrate, the platinum layer formed on the silicon via the titanium layer is provided as a diffusion preventing layer between the piezoelectric film and the silicon. This is because lead contained in the piezoelectric film easily reacts with silicon. The titanium layer is provided to improve the adhesion between the silicon and the platinum layer.
Under such conditions, a film having a thickness of about 10 μm was formed by performing sputtering while changing the power supplied to the second target.

一方、比較例として、組成比(モル比)がPb:Ni:Nb:Zr:Ti=1.2:0.066:0.13:0.4:0.4である焼結体を作製し、これをターゲットとして用いてスパッタリングを行うことにより、厚さが約10μmの膜を形成した。基板、基板温度、成膜室内圧力等の成膜条件は実施例1におけるものと同様とし、ターゲットへの供給電力は400Wとした。   On the other hand, as a comparative example, a sintered body having a composition ratio (molar ratio) of Pb: Ni: Nb: Zr: Ti = 1.2: 0.066: 0.13: 0.4: 0.4 was prepared. By using this as a target and performing sputtering, a film having a thickness of about 10 μm was formed. The film formation conditions such as the substrate, the substrate temperature, and the pressure in the film formation chamber were the same as those in Example 1, and the power supplied to the target was 400 W.

実施例及び比較例により得られた膜について分析を行ったところ、次の(1)〜(4)に示す結果が得られた。なお、組成分析に際しては、エネルギー分散型X線分析装置(energy dispersive X-ray spectrometer:EDX)を用いた。
(1)ニッケル組成比の供給電力依存性
図2に示すように、実施例1により得られた膜において、第2のターゲットへの供給電力に対するニッケルとチタンとの組成比(Ni/Ti組成比)の依存性が見られた。即ち、第2のターゲットへの供給電力により、形成された膜におけるニッケル組成比が制御されたことが確認された。
When the membranes obtained by the examples and comparative examples were analyzed, the results shown in the following (1) to (4) were obtained. In the composition analysis, an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) was used.
(1) Dependence of nickel composition ratio on supply power As shown in FIG. 2, in the film obtained in Example 1, composition ratio of nickel and titanium with respect to supply power to the second target (Ni / Ti composition ratio) ) Dependency. That is, it was confirmed that the nickel composition ratio in the formed film was controlled by the power supplied to the second target.

(2)構成元素の組成比
実施例1により得られた膜においては、第2のターゲットへの供給電力を40Wとした場合に、構成元素の組成比がPb:Ni:Nb:Zr:Ti=1:0.07:0.14:0.39:0.41となっており、目標に比較的近い値が得られたことが確認された。
一方、比較例により得られた膜においては、組成比がPb:Ni:Nb:Zr:Ti=1:0.03:0.14:0.38:0.4となっており、ニッケルの組成比は目標値から大きくずれていた。
(2) Composition ratio of constituent elements In the film obtained in Example 1, when the power supplied to the second target is 40 W, the composition ratio of the constituent elements is Pb: Ni: Nb: Zr: Ti = 1: 0.07: 0.14: 0.39: 0.41, confirming that a value relatively close to the target was obtained.
On the other hand, in the film obtained by the comparative example, the composition ratio is Pb: Ni: Nb: Zr: Ti = 1: 0.03: 0.14: 0.38: 0.4, and the composition of nickel The ratio deviated greatly from the target value.

(3)圧電特性
実施例1及び比較例により得られた膜を用いて片持ち梁構造を作製し、圧電性能を測定した。その結果、実施例1により得られた膜において、圧電特性d31=190pm/Vが得られ、良好な圧電性能を示すことが確認された。一方、比較例により得られた膜においては、圧電特性d31=110pm/Vが得られ、実施例と比較して圧電性能が劣っていることがわかった。
(3) Piezoelectric characteristics A cantilever structure was prepared using the films obtained in Example 1 and the comparative example, and the piezoelectric performance was measured. As a result, in the film obtained in Example 1, the piezoelectric characteristic d31 = 190 pm / V was obtained, and it was confirmed that excellent piezoelectric performance was exhibited. On the other hand, in the film | membrane obtained by the comparative example, piezoelectric characteristic d31 = 110pm / V was obtained, and it turned out that the piezoelectric performance is inferior compared with the Example.

(4)組成変動
実施例1及び比較例により得られた膜における厚さ方向に対する組成分布の変動幅を調べた。組成分布の変動幅は、膜の断面において厚さ方向に1μm間隔で10箇所の点を抽出し、各点における組成分布を測定して次式(1)を用いることにより算出した。式(1)において、組成maxは、ある構成元素の組成比の上記10箇所中の最大値であり、組成minは、その構成元素のモル比による組成比の上記10箇所中の最小値である。
変動幅=(組成max−組成min)×100/(組成max+組成min) …(1)
(4) Composition variation The variation width of the composition distribution in the thickness direction in the films obtained in Example 1 and the comparative example was examined. The fluctuation range of the composition distribution was calculated by extracting 10 points at 1 μm intervals in the thickness direction in the cross section of the film, measuring the composition distribution at each point, and using the following formula (1). In the formula (1), the composition max is the maximum value in the 10 locations of the composition ratio of a certain constituent element, and the composition min is the minimum value in the 10 locations of the composition ratio according to the molar ratio of the constituent elements. .
Fluctuation width = (composition max −composition min ) × 100 / (composition max + composition min ) (1)

その結果、実施例1により得られた膜において、酸素以外の構成元素の組成分布の変動幅は10%以下、望ましくは5%以下、さらに望ましくは3%以下であった。それにより、膜の厚さ方向において、ニッケルを含む各構成元素(酸素以外)の組成分布が比較的均一であることが確認された。一方、実施例により得られた膜において、鉛、ジルコニウム、チタン、ニオブの組成比の変動幅は5%以下であったが、ニッケルの組成比の変動幅が15%となっており、膜の厚さ方向において、組成分布のムラが生じていることが確認された。   As a result, in the film obtained in Example 1, the variation width of the composition distribution of the constituent elements other than oxygen was 10% or less, desirably 5% or less, and more desirably 3% or less. Thereby, it was confirmed that the composition distribution of each constituent element including nickel (other than oxygen) was relatively uniform in the thickness direction of the film. On the other hand, in the films obtained by the examples, the variation range of the composition ratio of lead, zirconium, titanium, and niobium was 5% or less, but the variation range of the composition ratio of nickel was 15%. It was confirmed that the composition distribution was uneven in the thickness direction.

(実施例2)
第2の実施例として、0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O−0.09PbTiO膜の形成を目的として成膜を行った。この膜を構成する主な元素(鉛以外)のスパッタリング率は、表2に示すとおりである。

Figure 2006265651
(Example 2)
As a second example, film formation was performed for the purpose of forming a 0.91Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.09PbTiO 3 film. Table 2 shows the sputtering rate of main elements (other than lead) constituting this film.
Figure 2006265651

これらの元素の内でスパッタリング率が大きく異なっているのは、亜鉛(Zn)である。そこで、亜鉛のみを別のターゲットに配置することとして、次のような組成を有する2つのターゲットを作製した。
第1のターゲット…組成比がPb:Nb:Ti=1.2:0.61:0.09である焼結体
第2のターゲット…ZnO焼結体
Among these elements, zinc (Zn) has a greatly different sputtering rate. Therefore, two targets having the following composition were prepared by placing only zinc on another target.
First target: sintered body having a composition ratio of Pb: Nb: Ti = 1.2: 0.61: 0.09 Second target: ZnO sintered body

これらの第1及び第2のターゲットを図1に示す成膜装置のターゲット保持部6及び7にそれぞれ配置し、第1の実施例と同様の成膜条件の下で成膜を行った。その結果、形成された膜において、第2のターゲットへの供給電力に対するZn/Ti組成比の依存性が見られた。即ち、第2のターゲットへの供給電力により、形成された膜における亜鉛組成比が制御されていたことが確認された。   These first and second targets were respectively placed on the target holding units 6 and 7 of the film forming apparatus shown in FIG. 1, and film formation was performed under the same film formation conditions as in the first example. As a result, the dependence of the Zn / Ti composition ratio on the power supplied to the second target was observed in the formed film. That is, it was confirmed that the zinc composition ratio in the formed film was controlled by the power supplied to the second target.

以上説明したように、複合ペロブスカイト型化合物であるPZTに、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、及び、チタン(Ti)以外の元素が添加される場合には、添加された元素の内で、スパッタリング率がチタンのものと大きく異なる元素を別のターゲットに配置することにより、組成比の再現性の良い膜を形成することが可能となる。例えば、上記の複合ペロブスカイト型化合物に添加され得る元素の内で、スパッタリング率がチタンと大幅に異なる元素(規格化された値が0.5以下、又は、1.2以上)には、表3に示すものが挙げられる。   As described above, when elements other than lead (Pb), zirconium (Zr), and titanium (Ti) are added to PZT, which is a composite perovskite compound, among the added elements, By disposing an element having a sputtering rate significantly different from that of titanium on another target, a film having a high reproducibility of the composition ratio can be formed. For example, among the elements that can be added to the composite perovskite compound, an element whose sputtering rate is significantly different from titanium (standardized value is 0.5 or less, or 1.2 or more) is shown in Table 3. The following are listed.

なお、表3に示すスパッタリング率は、真空ハンドブック(日本真空技術編集、オーム社発行)から抜粋されたものであり、300eVのエネルギーを有するアルゴンイオン(Ar)に対する値を示している。

Figure 2006265651
In addition, the sputtering rate shown in Table 3 is extracted from a vacuum handbook (Nihon Vacuum Technology Edit, published by Ohm), and shows a value for argon ions (Ar + ) having an energy of 300 eV.
Figure 2006265651

以上説明した本実施形態においては、ターゲットの組成を決定する際に、300eVのエネルギーを有するアルゴンイオンに対するスパッタリング率に用いているが(表1〜3参照)、実際に使用される反応ガス(クリプトン、キセノン等)や、そのエネルギー(例えば、300eV〜100keV)等に応じて、異なるスパッタリング率の値及び基準を用いても良い。   In the present embodiment described above, the target composition is determined by using the sputtering rate with respect to argon ions having an energy of 300 eV (see Tables 1 to 3). , Xenon, etc.), different energy values (for example, 300 eV to 100 keV), etc., and different sputtering rate values and standards may be used.

また、本実施形態においては、鉛及びチタンを含むPZT圧電膜を形成しているが、本発明の原理、即ち、形成目的とする膜の構成元素を、スパッタリング率に基づいて複数のターゲットに分けて配置し、各ターゲットに供給される電力を調整することにより形成される膜の組成を制御するという原理は、他の材料系の膜を形成する場合にも適用することができる。それにより、所望の組成を有する膜を、スパッタリングにより再現性良く形成することが可能となる。このような方法を用いることにより形成された膜は、スパッタリングによって生じる柱状構造、表面平滑性、及び、配向性を有しており、さらに、複数のターゲットを用いることによって可能となる組成の均一性(制御性)を有している。   In this embodiment, the PZT piezoelectric film containing lead and titanium is formed. However, the principle of the present invention, that is, the constituent elements of the film to be formed is divided into a plurality of targets based on the sputtering rate. The principle of controlling the composition of the formed film by adjusting the power supplied to each target and applying it to each target can also be applied to the case of forming a film of another material system. Accordingly, a film having a desired composition can be formed with good reproducibility by sputtering. A film formed by using such a method has a columnar structure, surface smoothness, and orientation produced by sputtering, and further, composition uniformity that can be achieved by using a plurality of targets. (Controllability).

ここで、図1に示す成膜装置においては、基板ホルダ3を回転させることにより、ターゲット21のスパッタ面とターゲット22のスパッタ面とが、基板20の成膜面に順次対向するようにしている。しかしながら、ターゲット21及び22からそれぞれスパッタされた成分の両方を基板20に付着させることができれば、それ以外の構成を用いても構わない。例えば、図1において、基板20を単に左右に移動させたり、ターゲット21及び22側を移動させても良い。   Here, in the film forming apparatus shown in FIG. 1, the sputtering surface of the target 21 and the sputtering surface of the target 22 are sequentially opposed to the film forming surface of the substrate 20 by rotating the substrate holder 3. . However, other configurations may be used as long as both components sputtered from the targets 21 and 22 can be attached to the substrate 20. For example, in FIG. 1, the substrate 20 may be simply moved left and right, or the targets 21 and 22 may be moved.

或いは、図3に示すように、2つのターゲット23及び24のスパッタ面が常に基板25の方を向くように、ターゲット保持部12及び13の位置及び向きを調整して設置しても良い。この場合には、基板25を回転させても良いし、回転させなくても良いが、形成された膜の組成の均一性の観点からは、回転させる方がより好ましい。
また、図1及び図3においては、2つのターゲットのみが示されているが、形成目的とされる膜の組成及び構成元素のスパッタリング率に応じて、3つ以上のターゲットを用いることができるのは当然である。
Alternatively, as shown in FIG. 3, the positions and orientations of the target holding portions 12 and 13 may be adjusted so that the sputtering surfaces of the two targets 23 and 24 always face the substrate 25. In this case, the substrate 25 may or may not be rotated, but it is more preferable to rotate it from the viewpoint of the uniformity of the composition of the formed film.
1 and 3, only two targets are shown, but three or more targets can be used depending on the composition of the film to be formed and the sputtering rate of the constituent elements. Is natural.

本発明の一実施形態に係る成膜方法を用いることにより形成された圧電膜は、圧電アクチュエータ、圧力センサ(超音波トランスデューサ)、強誘電体メモリ、焦電センサ等の様々な機器に適用することができる。組成が制御された圧電膜は良好な圧電性能を発現するので、そのような圧電膜を利用する機器全体の性能を向上させることが可能となる。   The piezoelectric film formed by using the film forming method according to one embodiment of the present invention is applied to various devices such as a piezoelectric actuator, a pressure sensor (ultrasonic transducer), a ferroelectric memory, and a pyroelectric sensor. Can do. Since the piezoelectric film whose composition is controlled exhibits good piezoelectric performance, it is possible to improve the performance of the entire device using such a piezoelectric film.

次に、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。液体吐出ヘッドは、インクジェットプリンタのインク吐出部において用いられる部品であり、液体吐出ヘッドを駆動するための圧電アクチュエータに、本発明の一実施形態に係る成膜方法を用いて形成された圧電膜を適用することができる。   Next, a method for manufacturing a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention will be described. The liquid discharge head is a component used in an ink discharge portion of an inkjet printer, and a piezoelectric film formed by using the film forming method according to an embodiment of the present invention is applied to a piezoelectric actuator for driving the liquid discharge head. Can be applied.

図4は、液体吐出ヘッドが適用されるインクジェットプリンタの印字部の周辺を示す平面図である。図4に示すように、印字部30は、ローラ32及び33に掛け渡されたベルト34に吸着保持されている記録紙31の上部に配置されている。記録紙31は、制御信号に従って駆動されるローラ32及び33並びにベルト34により、矢印の方向に送られる。   FIG. 4 is a plan view showing the periphery of a printing unit of an ink jet printer to which the liquid discharge head is applied. As shown in FIG. 4, the printing unit 30 is disposed on an upper portion of the recording paper 31 that is sucked and held by a belt 34 that is stretched around rollers 32 and 33. The recording paper 31 is fed in the direction of the arrow by rollers 32 and 33 and a belt 34 driven in accordance with a control signal.

印字部30は、インクを吐出する複数の液体吐出ヘッド30a〜30dを含んでいる。これらの液体吐出ヘッド30a〜30dは、記録紙31の紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドである。液体吐出ヘッド30a〜30dの各々は、記録紙31の紙送り方向に対して直交する方向に配置された複数のノズル部を含んでおり、供給される制御信号に従って、黒、シアン、マゼンタ、イエローのインクをそれぞれ吐出する。また、印字検出部35は、印字部30による印字結果を撮像するためのラインセンサを含んでおり、ラインセンサによって読み取られた画像に基づいて、ノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。   The printing unit 30 includes a plurality of liquid ejection heads 30a to 30d that eject ink. These liquid discharge heads 30 a to 30 d are line type heads having a length corresponding to the paper width of the recording paper 31. Each of the liquid discharge heads 30a to 30d includes a plurality of nozzle portions arranged in a direction orthogonal to the paper feed direction of the recording paper 31, and black, cyan, magenta, and yellow according to the supplied control signal. Each of the inks is ejected. In addition, the print detection unit 35 includes a line sensor for imaging a print result by the print unit 30 and detects a discharge failure such as nozzle clogging based on an image read by the line sensor.

図5は、図4に示す液体吐出ヘッド30a〜30dの断面の一部を示している。図5に示すように、液体吐出ヘッドは、ノズルプレート40と、ノズルプレート40上の空間を複数の領域に仕切る隔壁41と、隔壁41上に配置されている振動板42とを含んでいる。このノズルプレート40と、隔壁41と、振動板42とによって、圧力室43が画定される。この圧力室43には、所定の色のインクが充填される。また、ノズルプレート40の面内には、圧力室43の位置に対応して、複数の液体吐出口(ノズル部)44が形成されている。さらに、振動板42上には下部電極45が形成されており、その上には、圧電体(圧電膜)46が配置されている。これらの圧電体46の上には、上部電極47が形成されている。各液体吐出ヘッド30a〜30dには、このような圧力室が複数配置されている。なお、図5においては、説明を簡単にするために、各圧力室43にインクを補給するための機構は省略されている。   FIG. 5 shows a part of a cross section of the liquid ejection heads 30a to 30d shown in FIG. As shown in FIG. 5, the liquid discharge head includes a nozzle plate 40, a partition wall 41 that partitions the space on the nozzle plate 40 into a plurality of regions, and a diaphragm 42 disposed on the partition wall 41. A pressure chamber 43 is defined by the nozzle plate 40, the partition wall 41, and the vibration plate 42. The pressure chamber 43 is filled with ink of a predetermined color. In addition, a plurality of liquid discharge ports (nozzle portions) 44 are formed in the surface of the nozzle plate 40 corresponding to the positions of the pressure chambers 43. Further, a lower electrode 45 is formed on the vibration plate 42, and a piezoelectric body (piezoelectric film) 46 is disposed thereon. An upper electrode 47 is formed on these piezoelectric bodies 46. A plurality of such pressure chambers are arranged in each of the liquid discharge heads 30a to 30d. In FIG. 5, a mechanism for supplying ink to each pressure chamber 43 is omitted for the sake of simplicity.

印字を行う場合には、制御信号に従って下部電極45及び上部電極47に電圧を印加する。それにより、圧電体46が圧電効果により伸縮して、振動板42が変形する。その結果、圧力室43の容積が変化するので、内部に充填されているインクが加圧されて吐出部44から滴下される。   When printing is performed, a voltage is applied to the lower electrode 45 and the upper electrode 47 in accordance with a control signal. As a result, the piezoelectric body 46 expands and contracts due to the piezoelectric effect, and the diaphragm 42 is deformed. As a result, the volume of the pressure chamber 43 changes, so that the ink filled inside is pressurized and dropped from the ejection unit 44.

図6及び図7は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための図である。なお、通常の製造過程においては、多数の圧力室等が並行して形成されるが、図6及び図7には、説明を簡単にするために、1つのインクジェットヘッドのみが示されている。   6 and 7 are views for explaining a method of manufacturing a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention. In the normal manufacturing process, a large number of pressure chambers and the like are formed in parallel, but only one inkjet head is shown in FIGS. 6 and 7 for ease of explanation.

まず、液体吐出ヘッドを駆動する圧電膜を作製するための基板を用意する。そのために、シリコン基板上に、厚さが50nm程度のチタン膜、及び、200nm程度の白金膜をスパッタ法等により形成する。この白金膜は、その上に形成される圧電膜とシリコン基板との間の拡散防止層として設けられている。圧電膜(PZT)に含まれる鉛は、シリコンと反応し易いからである。また、チタン膜は、シリコン基板と白金膜との密着性を良くするために設けられている。   First, a substrate for preparing a piezoelectric film for driving the liquid discharge head is prepared. For this purpose, a titanium film having a thickness of about 50 nm and a platinum film having a thickness of about 200 nm are formed on a silicon substrate by sputtering or the like. This platinum film is provided as a diffusion preventing layer between the piezoelectric film formed thereon and the silicon substrate. This is because lead contained in the piezoelectric film (PZT) easily reacts with silicon. The titanium film is provided to improve the adhesion between the silicon substrate and the platinum film.

次に、図6の(a)に示すように、基板50上に、厚さが10μm程度で底面サイズが約300μm角のPZT膜51aを形成する。このPZT膜51aは、例えば、組成として、0.2Pb(Ni1/3Nb2/3)O−0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)Oを有しており、本発明の一実施形態の実施例1において説明したのと同様の成膜方法及び成膜条件により形成することができる。上記のパターンを形成するために、スパッタリングを行う際に、圧力室43(図5)の配置に対応する開口が設けられたマスクを用いれば良い。 Next, as shown in FIG. 6A, a PZT film 51a having a thickness of about 10 μm and a bottom surface size of about 300 μm square is formed on the substrate 50. The PZT film 51a has, for example, 0.2Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.8Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 3 as a composition. The film formation method and film formation conditions similar to those described in Example 1 of the embodiment can be used. In order to form the above pattern, a mask provided with an opening corresponding to the arrangement of the pressure chamber 43 (FIG. 5) may be used when performing sputtering.

ここで、インクジェットヘッドにおけるもののように、PZT等の圧電膜をアクチュエータとして用いる場合には、圧電膜の厚さを3μm以上20μm以下とすることが望ましい。厚さが3μm以下の場合には、圧電膜による駆動力が小さいので十分なインク吐出力を得ることができず、厚さが20μm以上の場合には、圧電膜において十分な変位量を得ることができないので十分なインク吐出量を得ることができないからである。アクチュエータとして用いられる圧電膜において十分な駆動力及び変位量を得るために、さらに好ましくは、圧電膜の厚さを5μm以上20μm以下にすることが望ましく、さらには、10μm以上20μm以下とすることが望ましい。そのため、本実施形態においては、PZT膜の厚さを約10μmとしている。このような厚さを有する厚膜であっても、本発明の一実施形態に係る成膜方法を用いることにより、組成が制御された膜を形成することが可能となる。   Here, when a piezoelectric film such as PZT is used as an actuator as in the ink jet head, the thickness of the piezoelectric film is preferably 3 μm or more and 20 μm or less. When the thickness is 3 μm or less, the driving force by the piezoelectric film is small, so that a sufficient ink ejection force cannot be obtained. When the thickness is 20 μm or more, a sufficient displacement amount is obtained in the piezoelectric film. This is because a sufficient ink discharge amount cannot be obtained. In order to obtain a sufficient driving force and displacement amount in the piezoelectric film used as the actuator, it is more preferable that the thickness of the piezoelectric film is 5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 20 μm or less. desirable. Therefore, in this embodiment, the thickness of the PZT film is about 10 μm. Even with a thick film having such a thickness, it is possible to form a film with a controlled composition by using the film forming method according to one embodiment of the present invention.

次に、図6の(b)に示すように、基板50上のPZT膜51a以外の領域にレジスト51bを配置し、PZT配向膜及びレジスト上に白金電極52をスパッタ法により形成する。次に、図6の(c)に示すように、白金電極52上に、厚さが約15μmのクロム(Cr)膜53をスパッタ法又はメッキ法により形成する。このクロム膜53は、液体吐出ヘッドにおいて振動板として機能する。   Next, as shown in FIG. 6B, a resist 51b is disposed in a region other than the PZT film 51a on the substrate 50, and a platinum electrode 52 is formed on the PZT alignment film and the resist by a sputtering method. Next, as shown in FIG. 6C, a chromium (Cr) film 53 having a thickness of about 15 μm is formed on the platinum electrode 52 by sputtering or plating. The chromium film 53 functions as a vibration plate in the liquid discharge head.

次に、図6の(d)に示すように、クロム膜53上に、圧力室43(図5)を画定するための隔壁構造体54を配置する。隔壁構造体54は、底面サイズが約500μm角の複数の開口54aが設けられた柱状構造体であり、例えば、シリコンやSUS等の材料をエッチングすることにより作製することができる。隔壁構造体54は、開口54aの中心とPZT膜51aの中心とが対応するように配置されて、クロム膜53に接着される。   Next, as shown in FIG. 6D, a partition wall structure 54 for defining the pressure chamber 43 (FIG. 5) is disposed on the chromium film 53. The partition wall structure 54 is a columnar structure provided with a plurality of openings 54 a having a bottom surface size of about 500 μm square, and can be manufactured by etching a material such as silicon or SUS, for example. The partition wall structure 54 is disposed so that the center of the opening 54 a corresponds to the center of the PZT film 51 a and is bonded to the chromium film 53.

次に、図7の(a)に示すように、基板50の内のシリコン基板を剥離又はエッチングにより除去する。エッチングとしては、BHF(緩衝フッ酸)溶液を用いたウェットエッチングを行っても良いし、ドライエッチングを行っても良い。なお、基板50の内、シリコン基板上に形成されたチタン膜又は白金膜は、そのまま残留させても良いし、研磨等により除去しても良い。さらに、図7の(b)に示すように、シリコン基板が剥離された面に、白金電極55をスパッタ法により形成し、その後でレジスト51bを除去する。   Next, as shown in FIG. 7A, the silicon substrate in the substrate 50 is removed by peeling or etching. As the etching, wet etching using a BHF (buffered hydrofluoric acid) solution may be performed, or dry etching may be performed. Of the substrate 50, the titanium film or platinum film formed on the silicon substrate may be left as it is, or may be removed by polishing or the like. Further, as shown in FIG. 7B, a platinum electrode 55 is formed on the surface from which the silicon substrate has been peeled off by sputtering, and then the resist 51b is removed.

次に、図7の(c)に示すように、隔壁構造体54上にノズルプレート56を配置する。ノズルプレート56は、シリコンやSUS等の板材に複数のノズル部56aが形成された構造体であり、ノズル部56aの位置と圧力室(隔壁構造体54の開口54a)の位置とが対応するように配置されて、隔壁構造体54に接着される。それにより、液体吐出ヘッドが完成する。   Next, as illustrated in FIG. 7C, the nozzle plate 56 is disposed on the partition wall structure 54. The nozzle plate 56 is a structure in which a plurality of nozzle portions 56a are formed on a plate material such as silicon or SUS, and the position of the nozzle portion 56a and the position of the pressure chamber (the opening 54a of the partition wall structure 54) correspond to each other. And bonded to the partition wall structure 54. Thereby, the liquid discharge head is completed.

本発明は、液体吐出ヘッドを駆動するための圧電アクチュエータや超音波撮像装置において超音波を送受信するための超音波トランスデューサ(圧力センサ)等において用いられる圧電素子、赤外線センサ等において用いられる焦電素子、強誘電体メモリ等において利用することが可能である。   The present invention relates to a piezoelectric element used in a piezoelectric actuator for driving a liquid discharge head, an ultrasonic transducer (pressure sensor) for transmitting and receiving ultrasonic waves in an ultrasonic imaging apparatus, a pyroelectric element used in an infrared sensor, and the like. It can be used in a ferroelectric memory or the like.

本発明の一実施形態に係る成膜方法が用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the film-forming apparatus with which the film-forming method which concerns on one Embodiment of this invention is used. 第1の実施例により得られた膜における、第2のターゲットへの供給電力に対するNi/Ti組成比の依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence of the Ni / Ti composition ratio with respect to the electric power supplied to the 2nd target in the film | membrane obtained by the 1st Example. 図1に示す成膜装置の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the film-forming apparatus shown in FIG. インクジェットプリンタの印字部の周辺の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the periphery of the printing part of an inkjet printer. 図4に示す液体吐出ヘッドの断面の一部を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a part of a cross section of the liquid ejection head illustrated in FIG. 4. 本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 成膜室
2 排気ポンプ
3 基板ホルダ
4 基板ホルダ駆動部
5 反応ガス供給部
6、7、12、13 ターゲット保持部
8、9 高周波電源(RF)
10、11 マッチングボックス(MB)
20 基板
21〜24 ターゲット
30 印字部
30a〜30d 液体吐出ヘッド
31 記録紙
32、33 ローラ
34 ベルト
35 印字検出部
40、56 ノズルプレート
44、56a 吐出口(ノズル部)
41 隔壁
42 振動板
43 圧力室
45 下部電極
46 圧電体
47 上部電極
50 基板
51a PZT膜
51b レジスト
52、55 白金電極
53 クロム膜
54 隔壁構造体
54a 開口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deposition chamber 2 Exhaust pump 3 Substrate holder 4 Substrate holder drive part 5 Reactive gas supply part 6, 7, 12, 13 Target holding part 8, 9 High frequency power supply (RF)
10, 11 Matching box (MB)
20 Substrate 21-24 Target 30 Printing unit 30a-30d Liquid ejection head 31 Recording paper 32, 33 Roller 34 Belt 35 Print detection unit 40, 56 Nozzle plate 44, 56a Ejection port (nozzle unit)
41 Partition 42 Diaphragm 43 Pressure chamber 45 Lower electrode 46 Piezoelectric 47 Upper electrode 50 Substrate 51a PZT film 51b Resist 52, 55 Platinum electrode 53 Chrome film 54 Partition structure 54a Opening

Claims (11)

鉛(Pb)、チタン(Ti)、及び、酸素(O)を含む4種類以上の元素によって構成され、スパッタリングによって形成された複合ペロブスカイト型化合物の膜であって、
チタンのスパッタリング率を基準とした場合に、スパッタリング率が0.5以下又は1.2以上である第4の元素を含み、
膜内における前記第4の元素のモル比による組成分布の変動幅が10%以下である、
前記複合ペロブスカイト型化合物の膜。
A film of a compound perovskite compound composed of four or more elements including lead (Pb), titanium (Ti), and oxygen (O) and formed by sputtering,
When the sputtering rate of titanium is used as a reference, the sputtering rate includes a fourth element of 0.5 or less or 1.2 or more,
The variation width of the composition distribution due to the molar ratio of the fourth element in the film is 10% or less.
A film of the composite perovskite compound.
3μm以上20μm以下の厚さを有する、請求項1記載の複合ペロブスカイト型化合物の膜。   The film of a composite perovskite compound according to claim 1, having a thickness of 3 µm or more and 20 µm or less. 鉛(Pb)、チタン(Ti)、及び、酸素(O)を含む4種類以上の元素によって構成される複合ペロブスカイト型化合物の膜をスパッタリングによって形成する方法であって、
鉛及びチタンを構成元素として含む第1のターゲットに電力を供給することにより、前記第1のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(a)と、
チタンを基準とした場合に0.5以下又は1.2以上のスパッタリング率を有する第4の元素を構成元素として含む第2のターゲットに電力を供給することにより、前記第2のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(b)と、
前記第1及び第2のターゲットからスパッタされた成分を、所定の温度に加熱された基板に付着させる工程(c)と、
を具備する成膜方法。
A method of forming a film of a composite perovskite compound composed of four or more elements including lead (Pb), titanium (Ti), and oxygen (O) by sputtering,
(A) sputtering the components contained in the first target by supplying power to the first target containing lead and titanium as constituent elements;
Included in the second target by supplying electric power to the second target containing a fourth element having a sputtering rate of 0.5 or less or 1.2 or more as a constituent element when titanium is used as a reference. A step (b) of sputtering the components;
Attaching the components sputtered from the first and second targets to a substrate heated to a predetermined temperature (c);
A film forming method comprising:
前記複合ペロブスカイト型化合物の膜が、3μm以上20μm以下の厚さを有する、請求項3記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 3, wherein the film of the composite perovskite compound has a thickness of 3 μm to 20 μm. 工程(a)及び(b)が、前記第1及び第2のターゲットに供給される電力を制御することにより、前記第1及び第2のターゲットからスパッタされる成分の量をそれぞれ制御することを含む、請求項3又は4記載の成膜方法。   Steps (a) and (b) control the amounts of components sputtered from the first and second targets, respectively, by controlling the power supplied to the first and second targets. The film-forming method of Claim 3 or 4 containing. 工程(c)が、前記第1のターゲットのスパッタ面と前記第2のターゲットのスパッタ面とが前記基板の成膜面に順次対向するように、前記第1及び第2のターゲットと、前記基板との内の少なくとも一方を移動又は回転させることを含む、請求項3〜5のいずれか1項記載の成膜方法。   In step (c), the first and second targets and the substrate are arranged such that the sputtering surface of the first target and the sputtering surface of the second target are sequentially opposed to the film-forming surface of the substrate. The film-forming method of any one of Claims 3-5 including moving or rotating at least one of these. 前記第2のターゲットが、チタンを基準とした場合に0.5以下又は1.5以上のスパッタリング率を有する元素を構成元素として含む、請求項3〜6のいずれか1項記載の成膜方法。   The film-forming method of any one of Claims 3-6 in which the said 2nd target contains the element which has a sputtering rate of 0.5 or less or 1.5 or more as a constituent element, when titanium is made into a reference | standard. . 振動板、隔壁、及び、吐出口が設けられたノズルプレートによって画定されており、液体が充填される圧力室と、該圧力室内の液体を吐出口から吐出するために振動板を振動させる圧電アクチュエータとを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
鉛及びチタンを構成元素として含む第1のターゲットに電力を供給することにより、前記第1のターゲットに含まれる成分をスパッタすると共に、チタンを基準とした場合に、0.5以下又は1.2以上のスパッタリング率を有する第4の元素を構成元素として含む第2のターゲットに電力を供給することにより、前記第2のターゲットに含まれる成分をスパッタする工程(a)と、
前記第1及び第2のターゲットからスパッタされた成分を所定の温度に加熱された基板に付着させることにより、前記基板上に圧電膜を形成する工程(b)と、
前記圧電膜上に電極を形成する工程(c)と、
前記電極上に振動板を形成する工程(d)と、
前記振動板上に、前記圧力室を画定するための隔壁を形成する工程(e)と、
前記隔壁上に、吐出口が設けられたノズルプレートを形成する工程(f)と、
を具備する液体吐出ヘッドの製造方法。
A pressure chamber that is defined by a vibration plate, a partition wall, and a nozzle plate provided with an ejection port, and a piezoelectric actuator that vibrates the vibration plate in order to eject the liquid in the pressure chamber from the ejection port. A method of manufacturing a liquid discharge head comprising:
When power is supplied to the first target containing lead and titanium as constituent elements, the components contained in the first target are sputtered, and when titanium is used as a reference, 0.5 or less or 1.2 (A) sputtering the components contained in the second target by supplying electric power to the second target containing the fourth element having the above sputtering rate as a constituent element;
A step (b) of forming a piezoelectric film on the substrate by attaching the components sputtered from the first and second targets to the substrate heated to a predetermined temperature;
Forming an electrode on the piezoelectric film (c);
Forming a diaphragm on the electrode (d);
Forming a partition for defining the pressure chamber on the diaphragm (e);
A step (f) of forming a nozzle plate provided with discharge ports on the partition;
A method of manufacturing a liquid discharge head comprising:
工程(b)が、3μm以上20μm以下の厚さを有する圧電膜を形成することを含む、請求項8記載の液体吐出ヘッドの製造方法。   The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 8, wherein the step (b) includes forming a piezoelectric film having a thickness of 3 μm to 20 μm. 前記圧電膜から前記基板を剥離又はエッチングにより除去する工程をさらに具備する請求項8又は9記載の液体吐出ヘッドの製造方法。   The method for manufacturing a liquid ejection head according to claim 8, further comprising a step of removing the substrate from the piezoelectric film by peeling or etching. 前記基板が除去された前記圧電膜上に第2の電極を形成する工程をさらに具備する請求項8〜10のいずれか1項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。   The method of manufacturing a liquid ejection head according to claim 8, further comprising a step of forming a second electrode on the piezoelectric film from which the substrate has been removed.
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