JP2008060599A - 強誘電体素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェット記録装置、ならびに強誘電体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強誘電体膜の絶縁性向上とともに信頼性および耐圧性の向上を図ることのできる強誘電体素子を得る。
【解決手段】第1の電極(振動板11と兼用)と、第1の電極上11に形成された強誘電体機能膜10と、強誘電体機能膜10上に形成された第2の電極3とを有し、強誘電体機能膜10は、強誘電体膜10a及びこの強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素を含み、強誘電体膜10aよりも結晶性の低い絶縁強化膜10bから構成され、強誘電体膜10aのX線解析法による回折ピークの半値幅をa0、強誘電体機能膜10のX線解析法による回折ピークの半値幅をa、半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0とするとき、1<p≦2.5とする。
【選択図】図5
【解決手段】第1の電極(振動板11と兼用)と、第1の電極上11に形成された強誘電体機能膜10と、強誘電体機能膜10上に形成された第2の電極3とを有し、強誘電体機能膜10は、強誘電体膜10a及びこの強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素を含み、強誘電体膜10aよりも結晶性の低い絶縁強化膜10bから構成され、強誘電体膜10aのX線解析法による回折ピークの半値幅をa0、強誘電体機能膜10のX線解析法による回折ピークの半値幅をa、半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0とするとき、1<p≦2.5とする。
【選択図】図5
Description
本発明は、強誘電体素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェット記録装置、ならびに強誘電体素子の製造方法に関する。
従来のインクジェット式記録装置のインクジェットヘッドとしては、インク液を収容する圧力室を持つ圧力室部品と、この圧力室からインク滴を吐出させるためのアクチュエータ部である強誘電体素子とを備えている。強誘電体素子には、強誘電体膜と、この強誘電体膜に電圧を印加して収縮及び伸張させる個別電極及び共通電極とを備えており、強誘電体膜の圧電効果により変位する振動板により、インク滴を圧力室のノズル孔から吐出させるように構成されていた。
例えば、特開平2−49471号公報には、下部電極と、この下部電極上に形成されたポリシリコン酸化膜と、ポリシリコン酸化膜上に形成された強誘電体膜と、強誘電体膜上に形成された上部電極からなる半導体素子が開示されている。
また、特許第3111416号公報には、半導体上に形成されたトランジスタなどの能動素子と、強誘電体からなるキャパシタとの間に、主成分がSiNからなる絶縁膜を形成する技術が開示されている。
そして、特許第3139491号公報には、強誘電体が2つの電極で挟まれた構造を有する強誘電体素子において、少なくとも一方の電極の周辺部と強誘電体膜との間にSiO2膜からなる常誘電体層を形成する技術が開示されている。
特開平2−49471号公報
特許第3111416号公報
特許第3139491号公報
しかしながら、従来の強誘電体素子においては、強誘電体膜を形成するときに、異物の混入などにより、内部に結晶構造欠陥や結晶粒の異常成長が発生し、強誘電体膜と異常成長粒との界面に隙間やピンホールなどの欠陥が生じる。そして、そのような強誘電体膜を用いて強誘電体素子を作成した場合には、欠陥を起点にして個別電極と共通電極との間で膜が本来有する絶縁耐圧よりも低い電圧印加によっても絶縁破壊が生じることがある。
また、上記のような欠陥に水分が入ると膜の絶縁性が著しく劣化する、また、強誘電体膜と絶縁膜の密着性が悪くなるという課題があった。
そこで、本発明は、強誘電体膜の絶縁性向上とともに信頼性及び耐圧性の向上を図ることのできる強誘電体素子およびそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェット記録装置、ならびに強誘電体素子の製造方法を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、本発明の強誘電体素子は、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された強誘電体機能膜と、前記強誘電体機能膜上に形成された第2の電極とを有し、前記強誘電体機能膜は、強誘電体膜及びこの強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含み、前記強誘電体膜よりも結晶性の低い絶縁強化膜から構成され、前記強誘電体膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa0、前記強誘電体機能膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa、半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0とするとき、1<p≦2.5である強誘電体素子から構成されているものである。
このように、強誘電体膜及び当該強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含む絶縁強化膜からなる強誘電体機能膜が電極間に形成されているので、強誘電体膜の絶縁性低下の原因となる欠陥(強誘電体膜と異常成長粒との界面に生じる隙間やピンホールなど)が絶縁強化膜により完全に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上する。そして、強誘電体膜と強誘電体機能膜とのX線解析法による回折ピークの半値幅の増加率が1<p≦2.5である強誘電体素子で構成されているので、駆動電圧の増加が30%以内に抑えられ強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上する。
以上のように、本発明によれば、強誘電体膜及び当該強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含む絶縁強化膜からなる強誘電体機能膜が電極間に形成されているので、強誘電体膜の絶縁性低下の原因となる欠陥が絶縁強化膜により完全に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって駆動電圧を低減できるという有効な効果が得られる。そして、強誘電体膜と強誘電体機能膜とのX線解析法による回折ピークの半値幅の増加率が1<p≦2.5である強誘電体素子で構成されているので、駆動電圧の増加が30%以内に抑えられ強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上する。
また、絶縁強化膜のPb含有量を強誘電体膜のPb含有量よりも多くすれば、強誘電体膜表面のPb濃度が高くなり、結晶性が低下して絶縁強化膜の絶縁性がより強化されるという有効な効果が得られる。
絶縁強化膜の酸素含有量を強誘電体膜の酸素含有量よりも多くすれば、絶縁強化膜の絶縁性の強化を図ることができるという有効な効果が得られる。
絶縁強化膜の結晶性を強誘電体膜の結晶性よりも低くすれば、絶縁強化膜の絶縁性の強化を図ることができるという有効な効果が得られる。
このような強誘電体素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
本発明の請求項1に記載の発明は、第1の電極と、第1の電極上に形成された強誘電体機能膜と、強誘電体機能膜上に形成された第2の電極とを有し、強誘電体機能膜は、強誘電体膜及びこの強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含み、強誘電体膜よりも結晶性の低い絶縁強化膜から構成され、強誘電体膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa0、強誘電体機能膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa、半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0とするとき、1<p≦2.5である強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥が絶縁強化膜に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって駆動電圧の増加が30%以内に抑えられ強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上するという作用を有する。
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、強誘電体膜のX線解析法による回折ピークが、(001)配向面に基づくものである強誘電体素子であり、強誘電体機能膜の絶縁性が向上するとともに、駆動電圧を低減する作用を有する。
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、第1の電極または第2の電極のX線解析法による回折ピークが、強誘電体機能膜のX線解析法による回折ピークと同一の配向面に基づくものである強誘電体素子であり、強誘電体機能膜の絶縁性が向上するとともに、駆動電圧を低減する作用を有する。
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、第1の電極または第2の電極のX線解析法による回折ピークが、(001)配向面に基づくものである強誘電体素子であり、強誘電体機能膜の絶縁性が向上するとともに、駆動電圧を低減する作用を有する。
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、強誘電体膜が、Pb、La、Zr、Tiの少なくとも一種類の元素を含むペロブスカイト型酸化物である強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥が絶縁強化膜に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上するという作用を有する。
本発明の請求項6に記載の発明は、請求項5記載の発明において、絶縁強化膜のPb含有量が強誘電体膜のPb含有量よりも多い強誘電体素子であり、強誘電体膜表面のPb濃度が高くなり、結晶性が低下して絶縁強化膜の絶縁性がより強化されるという作用を有する。
本発明の請求項7に記載の発明は、請求項5または6記載の発明において絶縁強化膜の酸素含有量が強誘電体膜の酸素含有量よりも多い強誘電体素子であり、絶縁強化膜の絶縁性の強化を図ることができるという作用を有する。
本発明の請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、絶縁強化膜は、パイロクロア型酸化物とペロブスカイト型酸化物の少なくともいずれか一方を含む多結晶膜またはアモルファス膜である強誘電体素子であり、強誘電体膜の欠陥が絶縁強化膜に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上するという作用を有する。
本発明の請求項9に記載の発明は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の強誘電体素子が用いられているアクチュエータであり、安定した変位動作を行うことが可能になるという作用を有する。
本発明の請求項10に記載の発明は、請求項9に記載のアクチュエータと、インク液が収容され、アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたインクジェットヘッドであり、安定したインク吐出を行うことが可能になるという作用を有する。
本発明の請求項11に記載の発明は、請求項10記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
本発明の請求項12に記載の発明は、第1の電極を形成する工程と、この第1の電極上に強誘電体機能膜を形成する工程と、この強誘電体機能膜上に第2の電極を形成する工程と、を備える強誘電体素子の製造方法であって、強誘電体機能膜を形成する工程は、強誘電体膜及び絶縁強化膜を形成する工程を含み、絶縁強化膜は、強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含むアモルファス膜であって、このアモルファス膜は、強誘電体膜を成膜した成膜装置と同一の成膜装置を用いて、少なくとも成膜温度を変化させて形成するようにした強誘電体素子の製造方法であり、強誘電体膜の欠陥が絶縁強化膜に被覆されて強誘電体膜の絶縁性が向上するとともに、強誘電体膜と絶縁強化膜との密着性が良好でかつ絶縁強化膜の誘電率が強誘電体膜の誘電率と近くなって強誘電体膜の信頼性及び耐圧性が向上するとともに、別途の成膜装置が不要で、容易に所望の薄膜を作製できるという作用を有する。
本発明の請求項13に記載の発明は、請求項12記載の発明において、アモルファス膜を成膜する際の成膜温度を室温とした強誘電体素子の製造方法であり、温度管理が容易になり所望の薄膜を作製できるという作用を有する。
以下、本発明の実施の形態について、図1から図5を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
図1は本発明の一実施の形態である強誘電体素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図2は図1のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図3は図2の要部を示す斜視図、図4は図2のインクジェットヘッドのアクチュエータ部の構成を示す断面図、図5は本発明の一実施の形態である強誘電体素子を示す断面図、図6は圧電変位を測定するカンチレバーの構成を示す説明図、図7はアクチュエータの作製方法を示す断面図である。
図1に示すインクジェット式記録装置40は、強誘電体素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド41を備え、このインクジェットヘッド41から吐出したインク滴を紙等の記録媒体42に着弾させて、記録媒体42に記録を行うものである。インクジェットヘッド41は、主走査方向Xに配置したキャリッジ軸43に設けられたキャリッジ44に搭載されていて、キャリッジ44がキャリッジ軸43に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Xに往復動する。更に、インクジェット式記録装置40は、記録媒体42をインクジェットヘッド41の幅方向(すなわち、主走査方向X)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数個のローラ(移動手段)45を備える。
図2は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド41の全体構成を示し、図3はその要部の構成を示す。
図2及び図3において、Aは圧力室部品であって、圧力室用開口部1が形成される。Bは圧力室用開口部1の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Cは圧力室用開口部1の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Aの圧力室用開口部1は、その上下に位置するアクチュエータ部B及びインク液流路部品Cにより区画されて圧力室2となる。アクチュエータ部Bには、圧力室2の上方に位置する個別電極(第2の電極)3が配置されている。これ等圧力室2及び個別電極3は、図2からわかるように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Cには、インク液供給方向に並ぶ圧力室2間で共用する共通液室5と、この共通液室5を圧力室2に連通する供給口6と、圧力室2内のインク液が流出するインク流路7とが形成される。Dはノズル板であって、インク流路7に連通するノズル孔8が形成されている。また、図2において、EはICチップであって、ボンディングワイヤーBWを介して多数の個別電極3に対して電圧を供給する。
次に、アクチュエータ部Bの構成を図4に基づいて説明する。
同図において、アクチュエータ部Bは、図2に示したインク液供給方向とは直交する方向の断面図を示す。同図では、直交方向に並ぶ4個の圧力室2を持つ圧力室部品Aが参照的に描かれている。
このアクチュエータ部Bは、各圧力室2の上方に位置する個別電極3、この個別電極3の直下に位置する強誘電体機能膜10、この強誘電体機能膜10の圧電効果により変位し振動する振動板11とを有する。振動板11は、導電性物質で形成されていて、各圧力室2で共通する共通電極(第1の電極)を兼用する。更に、アクチュエータ部Bは、各圧力室2の相互を区画する区画壁2aの上方に位置する縦壁13を持つ。なお、同図中、14は圧力室部品Aとアクチュエータ部Bとを接着する接着剤である。各縦壁13は、接着剤14を用いた接着時に、一部の接着剤14が区画壁2aの外方にはみ出した場合にも、この接着剤14が振動板11に付着せず、振動板11が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室2の上面と振動板11の下面との距離を拡げる役割を持つ。但し、振動板と共通電極は別体となっていてもよい。
そして、個別電極3、強誘電体機能膜10及び共通電極11で強誘電体素子が構成されている。
なお、個別電極3は例えばPt(白金)で、振動板11は例えばCr(クロム)、Cu(銅)、Mo(モリブデン)またはTa(タンタル)で、形成されている。また、個別電極3は厚さ0.1〜1.0μmに、強誘電体機能膜10は厚さ2〜6μmに、振動板11は厚さ3〜10μmに、各々成膜されている。
図5に示すように、強誘電体機能膜10は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなるペロブスカイト型酸化物である強誘電体膜10aと、この強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素(この場合には、Pb、Zr、Tiの少なくとも一種類の元素)を含む絶縁強化膜10bとから構成されている。
なお、強誘電体膜10aにはPLT膜{例えば(Pb0.9La0.1)TiO3}やPLZT膜{例えば(Pb0.9La0.1)(Zr0.52Ti0.48)O3}などを適用することもできる。したがって、この場合には、絶縁強化膜10bは、Pb、La、Tiの少なくともいずれか一種類の元素を含むことになる。
また、図5はアクチュエータ部Bで、縦壁13に相当する基板上に、共通電極11、強誘電体膜10a、絶縁強化膜10b、個別電極3を順次成膜しているために、絶縁強化膜10bは強誘電体膜10aと個別電極3との間に位置しているが、例えばMgO基板に個別電極、強誘電体膜、絶縁強化膜、共通電極を成膜し、これを縦壁に相当する基板に接着した後にMgO基板をエッチング除去する場合には、絶縁強化膜は強誘電体膜と共通電極との間に位置することになる。したがって、図5においては、強誘電体膜10aが振動板11側に、絶縁強化膜10bが個別電極3側に形成されているが、その逆でもよい。更に、絶縁強化膜10bは一層でなくてもよく、強誘電体膜10aの両側に形成するようにしてもよい。また、強誘電体膜10aと絶縁強化膜10bの積層の繰り返し構造であってもよい。
なお、PLT膜を成膜しておき、その上にPZT膜などの強誘電体膜10aを成膜するようにすれば、強誘電体膜10aの結晶性が向上する。
ここで、絶縁強化膜10bは、パイロクロア型酸化物膜の多結晶膜、ペロブスカイト型酸化物の多結晶膜、または結晶性を持たないアモルファス膜、等の低結晶性膜である。なお、絶縁強化膜10bは、パイロクロア型酸化物の多結晶膜とペロブスカイト型酸化物の多結晶膜とで形成されていてもよい。
このような低結晶性膜は、例えば以下の条件のいずれか、あるいは組み合わせで作製される。
つまり、第1の条件は、成膜温度を強誘電体膜作製時(500〜600℃)よりも下げるというものである。これにより、室温でアモルファス膜が、例えば350〜450℃でパイロクロア膜が作製される。なお、第1の条件は、別途のスパッタ装置は不要で成膜条件を変えるだけなので、容易に所望の薄膜が作製されるという利点がある。
第2の条件は、スパッタリング時の圧力を強誘電体膜作製時(0.1〜0.3Pa)よりも上げ、例えば2〜3Paにするというものである。
そして、第3の条件は、酸素分圧(O2/Ar流量比)を強誘電体膜作製時(2〜10%)よりも上げ、例えば30〜50%にするというものである。
但し、成膜はスパッタリング法に限定されるものではなく、例えば有機金属を用いたMO−CVD法やゾル・ゲル法など他の成膜技術を適用できるのは勿論である。
このように、本実施の形態の強誘電体素子は、強誘電体膜10a及びこの強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素を含む絶縁強化膜10bからなる強誘電体機能膜10が電極3,振動板(共通電極)11間に形成されているので、強誘電体膜10aと異常成長粒との界面に生じる隙間やピンホールなど、強誘電体膜10aの絶縁性低下の原因となる欠陥が絶縁強化膜10bにより完全に被覆されることになり、強誘電体膜10aの絶縁性が向上する。
また、このように、絶縁強化膜10bが強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素を含んだ膜となっているので、強誘電体膜10aとの密着性が良好になって強誘電体膜10aの信頼性が向上する。
更に、絶縁強化膜10bが強誘電体膜10aの構成元素の少なくとも一種類の元素を含んだ膜となっているので、絶縁強化膜10bの誘電率が強誘電体膜10aの誘電率と近くなって駆動電圧の低減を図ることが可能になる。
ここで、成膜時において、絶縁強化膜10bのPb含有量を強誘電体膜10aのPb含有量よりも多くすれば、強誘電体膜10a表面のPb濃度が高くなり、結晶性が低下して強誘電体膜10a内部の結晶粒の異常成長を止めることができ、更に欠陥部を覆うので絶縁強化膜10bの絶縁性がより強化される。
また、成膜時において、絶縁強化膜10bの酸素含有量を強誘電体膜10aの酸素含有量よりも多くすれば、絶縁強化膜10bの絶縁性の強化を図ることができる。
更に、絶縁強化膜10bの結晶性を強誘電体膜10aの結晶性よりも低くすれば、同様に、絶縁強化膜10bの絶縁性の強化を図ることができる。
ここで、結晶性はX線回折法もしくは電子線回折法で測定される。例えば、強誘電体膜がエピタキシャル単結晶膜である場合には電子線回折パターンはスポットパターンを示すが、低結晶性膜が多結晶である場合はリングパターンとなる。更に、アモルファス膜の場合はリング形状が不明瞭になってハロー状パターンとなる。X線回折法の場合は、強誘電体膜から得られる特定の回折ピークの半値幅によって結晶性を判断する。強誘電体膜にペロブスカイト型PZTを用いた場合について説明する。例えばPZT膜からの回折される(001)回折ピークの半値幅はPZT膜の結晶性を表す。このPZT膜上に絶縁強化膜として低結晶性膜を形成すると、PZT膜からの回折線が低結晶成膜からの散乱を受けてPZT(001)回折ピークの半値幅が増加する。PZT(001)回折ピークの半値幅がa0からaに増加した場合の半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0と定義すると、1<p≦2.5が望ましい。更には1.2<p≦2.5が望ましく、更には1.5<p≦2.5が望ましい。p>2.5の場合は、強誘電体膜の特性が著しく低下して駆動電圧が増加するので望ましくない。駆動電圧の増加を30%以内に抑えるためには1<p≦2.5であることが必要である。絶縁耐圧を20%以上向上するには1.2<p≦2.5が必要であり、更に50%以上向上するには1.5<p≦2.5である必要がある。
ここで、実施の形態として、図5において、縦壁13にMgO基板上を用い、MgO基板上に、振動板11にPt、強誘電体膜10aにPZT{Pb(Zr0.53Ti0.47)O3}、個別電極3にPtを用い、絶縁強化膜10bに種々の膜を用いて膜の圧電特性と絶縁特性を評価した。
先ず、(100)方位のMgO単結晶基板上にPt膜0.2μmとPZT膜2.7μmを連続成膜した。成膜装置としてはRFマグネトロンスパッタ装置を用いた。Pt膜はArガス、0.3Pa、基板温度650℃で成膜し、PZT膜はArに酸素分圧10%のAr混合ガス、0.3Pa、基板温度620℃で成膜した。粉末X線回折装置を用いて膜の結晶構造を解析すると、Pt膜とPZT膜のいずれもMgO単結晶基板の(001)方位にそろったエピタキシャル膜であった。
次に、同じPZTターゲットを用い、RFマグネトロンスパッタ装置により絶縁強化膜0.3μmを形成した。
サンプルAは、基板温度を400℃で成膜した。他のスパッタ条件はPZT膜と同じにした。
サンプルBは、スパッタ圧を2Paで成膜した。他のスパッタ条件はPZT膜と同じにした。
サンプルCは、酸素分圧を50%で成膜した。他のスパッタ条件はPZT膜と同じにした。
比較例Dは、比較例として、SiO2膜をスパッタにより形成した。
比較例Eは、比較例として、PZT3μmを形成し、絶縁強化膜は形成しなかった。
サンプルA,B,Cについて粉末X線回折装置を用いて膜の結晶構造を解析すると、絶縁強化膜の構造は、アモルファス、パイロクロア多結晶、ペロブスカイト多結晶、あるいはこれらの結晶相の混合であることがわかった。また、強誘電体膜と絶縁強化膜の組成をEPMA分析で測定し、(表1)の結果を得た。絶縁強化膜は強誘電体膜に比べてPb含有量(Pb/(Zr+Ti)原子比)、あるいは、酸素含有量(O/(Zr+Ti)原子比)が多い。
上記のサンプルにPt膜を室温でスパッタ成膜して、上部電極とした。各サンプルの絶縁破壊電圧と、同じ圧電変位を得るために上下電極に印加する電圧(駆動電圧)の相対値を(表2)にまとめた。絶縁破壊電圧は素子のリーク電流密度が1μA/cm2以上となる電圧と定義した。圧電変位は、図6に示す、長さ15mm、幅2mmの板状のカンチレバーを作製し、一端を固定して電圧を印加した時のもう一端の変位をレーザードップラー変位計で測定した。
以上のように、本発明を用いることにより高い絶縁性が得られるとともに、駆動電圧を低減することができる。
本実施の形態では、(100)方位のMgO単結晶基板上にエピタキシャル成長した強誘電体膜を用いたが、例えばSi基板や石英基板上にPt多結晶膜、強誘電体多結晶膜を形成しても本発明の効果を損なうものではない。
次にインクジェットヘッドのアクチュエータ作製について図7を用いて説明する。図7(a)はサンプルAの構成であり、71はMgO単結晶基板、72は振動板かつ共通電極となるPt膜、73は強誘電体膜であるPZTエピタキシャル膜、74は絶縁強化膜である低結晶膜、75は個別電極であるPt膜である。次にMgO基板の所望の部分をエッチングにより除去して図7(b)の構造体を形成する。MgO基板のエッチングは80℃に過熱した燐酸水溶液を用いた。MgOを残したい部分にはレジストを塗布して燐酸によるエッチングを阻止すればよい。Pt膜は燐酸によって溶解しないので、MgOエッチングはPt膜に達するとそれ以上進行することはない。また、一部MgOを残して振動板としてとして用いてもよい。更にMgO基板側の面にインク遮断層76としてレジストやポリイミドを形成する。このような工法で、図5のアクチュエータ部Bに相当するアクチュエータを作製でき、更に図4に示すインクジェットヘッドを作製することができる。
以上に説明した本実施の形態では、本発明の強誘電体素子をインクジェット式記録装置のインク吐出に用いられるアクチュエータに適用した場合について説明したが、その焦電性を利用した温度センサや、電気光学効果を利用した光変調デバイス、光弾性効果を利用した光アクチュエータ、SAWデバイスに用いるなど、他の種々の用途に適用することが可能である。
また、本実施の形態では、説明の便宜上、個別電極3を第2の電極とし、共通電極11を第1の電極としたが、個別電極3を第1の電極とし、共通電極(振動板11)を第2の電極としてもよい。
なお、以上説明した強誘電体素子を用いたアクチュエータによれば、安定した変位動作を行うことが可能になり、このようなアクチュエータを用いたインクジェットヘッドによれば、安定したインク吐出を行うことが可能になる。そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
以上述べてきたように、本発明は、インクジェットヘッドおよび、インクジェットヘッドを搭載したインクジェット式記録装置に好適に応用することができる。
3 個別電極(第2の電極)
10 強誘電体機能膜
10a 強誘電体膜
10b 絶縁強化膜
11 振動板(共通電極(第1の電極)を兼ねる)
40 インクジェット式記録装置
41 インクジェットヘッド
10 強誘電体機能膜
10a 強誘電体膜
10b 絶縁強化膜
11 振動板(共通電極(第1の電極)を兼ねる)
40 インクジェット式記録装置
41 インクジェットヘッド
Claims (13)
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に形成された強誘電体機能膜と、
前記強誘電体機能膜上に形成された第2の電極とを有し、
前記強誘電体機能膜は、強誘電体膜及びこの強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含み、前記強誘電体膜よりも結晶性の低い絶縁強化膜から構成され、
前記強誘電体膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa0、
前記強誘電体機能膜のX線解析法による回折ピークの半値幅をa、
半値幅の増加率をp=(a−a0)/a0とするとき、
1<p≦2.5であることを特徴とする強誘電体素子。 - 前記強誘電体膜のX線解析法による回折ピークが、(001)配向面に基づくものであることを特徴とする請求項1記載の強誘電体素子。
- 前記第1の電極または前記第2の電極のX線解析法による回折ピークが、前記強誘電体膜のX線解析法による回折ピークと同一の配向面に基づくものであることを特徴とする請求項1記載の強誘電体素子。
- 前記第1の電極または前記第2の電極のX線解析法による回折ピークが、(001)配向面に基づくものであることを特徴とする請求項1記載の強誘電体素子。
- 前記強誘電体膜が、Pb、La、Zr、Tiの少なくとも一種類の元素を含むペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1記載の強誘電体素子。
- 前記絶縁強化膜のPb含有量が前記強誘電体膜のPb含有量よりも多いことを特徴とする請求項5記載の強誘電体素子。
- 前記絶縁強化膜の酸素含有量が前記強誘電体膜の酸素含有量よりも多いことを特徴とする請求項5または6記載の強誘電体素子。
- 前記絶縁強化膜は、パイロクロア型酸化物とペロブスカイト型酸化物の少なくともいずれか一方を含む多結晶膜またはアモルファス膜であることを特徴とする請求項1記載の強誘電体素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の強誘電体素子が用いられていることを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項9記載のアクチュエータと、
インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が作用する複数の圧力室とを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項10記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
- 第1の電極を形成する工程と、
この第1の電極上に強誘電体機能膜を形成する工程と、
この強誘電体機能膜上に第2の電極を形成する工程と、
を備える強誘電体素子の製造方法であって、
前記強誘電体機能膜を形成する工程は、強誘電体膜及び絶縁強化膜を形成する工程を含み、
前記絶縁強化膜は、前記強誘電体膜の構成元素の少なくとも一種類の元素を含むアモルファス膜であって、
このアモルファス膜は、前記強誘電体膜を成膜した成膜装置と同一の成膜装置を用いて、少なくとも成膜温度を変化させて形成するようにしたことを特徴とする強誘電体素子の製造方法。 - 前記アモルファス膜を成膜する際の成膜温度を室温としたことを特徴とする請求項12記載の強誘電体素子の製造方法。
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