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

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

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（Ｐｂ_0.9Ｌａ_0.1）ＴｉＯ₃｝やＰＬＺＴ膜｛例えば（Ｐｂ_0.9Ｌａ_0.1）（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）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（Ｚｒ_0.53Ｔｉ_0.47）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。

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２の要部を示す斜視図 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 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 圧電変位を測定するカンチレバーの構成を示す説明図 アクチュエータの作製方法を示す断面図

符号の説明

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

Claims (13)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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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