JP3209082B2 - 圧電体薄膜素子及びその製造方法、並びにこれを用いたインクジェット式記録ヘッド - Google Patents
圧電体薄膜素子及びその製造方法、並びにこれを用いたインクジェット式記録ヘッドInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録装置等に使用される圧電体薄膜素子、この製造方
法、およびこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェット
式記録ヘッドに関するものである。
記録装置等に使用される圧電体薄膜素子、この製造方
法、およびこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェット
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【０００２】
【従来の技術】チタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺ
Ｔ」と称することとする。）に代表される圧電体薄膜
は、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学
的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法等のスピンコート
法等で成膜され、次いで、７００〜１０００℃の高温熱
処理を受けることにより形成される。しかしながら、そ
の膜厚は１μｍ以下に限られるのが現状であった。そこ
で、この圧電体薄膜の膜厚を厚くするために、成膜のた
めの堆積時間を増加させたり、成膜を複数回繰り返すこ
とが行われていた。
Ｔ」と称することとする。）に代表される圧電体薄膜
は、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学
的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法等のスピンコート
法等で成膜され、次いで、７００〜１０００℃の高温熱
処理を受けることにより形成される。しかしながら、そ
の膜厚は１μｍ以下に限られるのが現状であった。そこ
で、この圧電体薄膜の膜厚を厚くするために、成膜のた
めの堆積時間を増加させたり、成膜を複数回繰り返すこ
とが行われていた。
【０００３】その他、圧電体薄膜の膜厚を厚くする方法
として、２００℃以下の低温環境下で反応を進めること
ができる、水熱合成法を利用することが検討されてい
る。この水熱合成法は、最近の研究報告である、日本セ
ラミックス協会第１５回電子材料研究討論会講演予稿集
の「水熱合成法によるＰＺＴ結晶膜の作成とその電気特
性」にあるように、チタン金属基板表面にＰＺＴ種結晶
を析出させる種結晶形成プロセスと、ＰＺＴ種結晶の上
にさらにＰＺＴ結晶を析出・成長させる結晶成長プロセ
スとを備えている。
として、２００℃以下の低温環境下で反応を進めること
ができる、水熱合成法を利用することが検討されてい
る。この水熱合成法は、最近の研究報告である、日本セ
ラミックス協会第１５回電子材料研究討論会講演予稿集
の「水熱合成法によるＰＺＴ結晶膜の作成とその電気特
性」にあるように、チタン金属基板表面にＰＺＴ種結晶
を析出させる種結晶形成プロセスと、ＰＺＴ種結晶の上
にさらにＰＺＴ結晶を析出・成長させる結晶成長プロセ
スとを備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スパッタ法やゾルゲル
法等による圧電体薄膜の製造方法は、高温熱処理を必要
とするので、１μｍ以上の厚い膜を製造するには適当で
はなく、成膜にかなり長い時間を要したり、厚膜化でき
てもクラックが発生する等の問題を有していた。
法等による圧電体薄膜の製造方法は、高温熱処理を必要
とするので、１μｍ以上の厚い膜を製造するには適当で
はなく、成膜にかなり長い時間を要したり、厚膜化でき
てもクラックが発生する等の問題を有していた。
【０００５】また、低温で厚膜化が可能な水熱合成法に
おいても、結晶粒径が数μｍにも大きくなるため、緻密
で平滑な膜が得られなかったり、微細なパターニングが
できないという問題があった。圧電体薄膜を、インクジ
ェット式記録装置等で使用される圧電体素子として用い
る場合、１μｍから１０μｍ程度の膜厚が必要である。
おいても、結晶粒径が数μｍにも大きくなるため、緻密
で平滑な膜が得られなかったり、微細なパターニングが
できないという問題があった。圧電体薄膜を、インクジ
ェット式記録装置等で使用される圧電体素子として用い
る場合、１μｍから１０μｍ程度の膜厚が必要である。
【０００６】本発明は、このような従来の問題点を解決
することを課題とするものであり、水熱合成法による厚
膜化が容易で、高い電圧ひずみ定数を持ち、微細なパタ
ーニングを行うことが可能な圧電体薄膜素子及びその製
造方法、並びにこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェ
ット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
することを課題とするものであり、水熱合成法による厚
膜化が容易で、高い電圧ひずみ定数を持ち、微細なパタ
ーニングを行うことが可能な圧電体薄膜素子及びその製
造方法、並びにこの圧電体薄膜素子を用いたインクジェ
ット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、基板上に形成された圧電体薄膜素子にお
いて、圧電体薄膜を備え、当該圧電体薄膜は、厚さが１
μｍ以上１０μｍ以下、結晶粒径が０．０５μｍ以上１
μｍ以下、表面粗さがＲmaxで１μｍ以下、である圧電
体薄膜素子を提供するものである。
に、本発明は、基板上に形成された圧電体薄膜素子にお
いて、圧電体薄膜を備え、当該圧電体薄膜は、厚さが１
μｍ以上１０μｍ以下、結晶粒径が０．０５μｍ以上１
μｍ以下、表面粗さがＲmaxで１μｍ以下、である圧電
体薄膜素子を提供するものである。
【０００８】結晶粒径が０．０５μｍ以上であれば必要
な圧電特性を発揮することができる。結晶粒径が１μｍ
以下であれば、圧電体薄膜素子の微細なパターニングが
可能になる。この数値は、圧電体薄膜の微細な種結晶を
核として、さらに圧電体薄膜を成長させる構造によって
実現される。
な圧電特性を発揮することができる。結晶粒径が１μｍ
以下であれば、圧電体薄膜素子の微細なパターニングが
可能になる。この数値は、圧電体薄膜の微細な種結晶を
核として、さらに圧電体薄膜を成長させる構造によって
実現される。
【０００９】さらに、表面粗さがＲmaxで１μｍ以下に
することにより、圧電体薄膜を上部電極が十分覆うこと
ができる。
することにより、圧電体薄膜を上部電極が十分覆うこと
ができる。
【００１０】この薄膜素子の下部電極は、好ましくは、
白金で構成される。圧電体薄膜は、（１００）面あるい
は（１１１）面に配向される。圧電体薄膜の結晶粒径
は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好まし
い。上部電極の厚さは、好ましくは、圧電体薄膜の表面
粗さ（Ｒmax）の０．５倍以上２倍以下である。
白金で構成される。圧電体薄膜は、（１００）面あるい
は（１１１）面に配向される。圧電体薄膜の結晶粒径
は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好まし
い。上部電極の厚さは、好ましくは、圧電体薄膜の表面
粗さ（Ｒmax）の０．５倍以上２倍以下である。
【００１１】圧電体薄膜の厚さが１μｍ以上であれば、
例えば、インクジェット式記録ヘッドにおいて必要な圧
電特性が得られるとともに、１０μｍ以下であれば、圧
電体素子を高密度に形成することができる。好適には２
乃至５μｍであり、さらに好適には３μｍである。
例えば、インクジェット式記録ヘッドにおいて必要な圧
電特性が得られるとともに、１０μｍ以下であれば、圧
電体素子を高密度に形成することができる。好適には２
乃至５μｍであり、さらに好適には３μｍである。
【００１２】圧電体薄膜素子の他の発明は、基板上に形
成され、かつ圧電体薄膜を備えてなることにおいて、こ
の圧電体薄膜は微細な種結晶を核としてさらに結晶が成
長した構造を備えることを特徴とする。好適な実施態様
では、この圧電体薄膜がＰＺＴの種結晶を核として水熱
合成法によって結晶が成長した構造を備える。ＰＺＴの
種結晶は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成
長法（ＣＶＤ）、スピンコート法のいずれかの方法で得
られる。種結晶の粒径は、既述のように、０．０５μｍ
以上１μｍ以下であることが望ましい。
成され、かつ圧電体薄膜を備えてなることにおいて、こ
の圧電体薄膜は微細な種結晶を核としてさらに結晶が成
長した構造を備えることを特徴とする。好適な実施態様
では、この圧電体薄膜がＰＺＴの種結晶を核として水熱
合成法によって結晶が成長した構造を備える。ＰＺＴの
種結晶は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成
長法（ＣＶＤ）、スピンコート法のいずれかの方法で得
られる。種結晶の粒径は、既述のように、０．０５μｍ
以上１μｍ以下であることが望ましい。
【００１３】本発明の製造方法は、下部電極が形成され
た基板上に、圧電体薄膜種結晶を物理的気相成長法（Ｐ
ＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコート法
のいずれかの方法で形成する工程と、前記圧電体薄膜種
結晶上に水熱合成法により圧電体薄膜を結晶成長させる
工程と、を含む圧電体薄膜素子の製造方法であることを
特徴とする。圧電体薄膜種結晶は、具体的には、ゾルゲ
ル法又はスパッタ法によって形成される。圧電体薄膜種
結晶をゾルゲル法で形成した場合には（１００）面に、
スパッタ法で形成した場合には（１１１）面に配向させ
ることが望ましい。
た基板上に、圧電体薄膜種結晶を物理的気相成長法（Ｐ
ＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコート法
のいずれかの方法で形成する工程と、前記圧電体薄膜種
結晶上に水熱合成法により圧電体薄膜を結晶成長させる
工程と、を含む圧電体薄膜素子の製造方法であることを
特徴とする。圧電体薄膜種結晶は、具体的には、ゾルゲ
ル法又はスパッタ法によって形成される。圧電体薄膜種
結晶をゾルゲル法で形成した場合には（１００）面に、
スパッタ法で形成した場合には（１１１）面に配向させ
ることが望ましい。
【００１４】さらに、本発明は、インク室が形成された
基板と、前記インク室の一方を封止すると共に、表面に
たわみ振動モードの圧電体薄膜素子が固定された振動板
と、インク室の他方の面を封止すると共に、インク吐出
用のノズル口が形成されたノズル板と、を備えるインク
ジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体薄膜素子は、物
理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶ
Ｄ）、スピンコート法のいずれかの方法で形成されると
共に、その結晶粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下であ
る圧電体薄膜種結晶上に、水熱合成法により結晶成長さ
れてなる圧電体薄膜を備えることを特徴とする。好適な
実施態様において、この圧電体薄膜素子は、圧電体薄膜
をチャージするための上部電極と下部電極とを備えると
共に、上部電極を下部電極に対して相対的にプラス側電
位となるようにチャージされる。
基板と、前記インク室の一方を封止すると共に、表面に
たわみ振動モードの圧電体薄膜素子が固定された振動板
と、インク室の他方の面を封止すると共に、インク吐出
用のノズル口が形成されたノズル板と、を備えるインク
ジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体薄膜素子は、物
理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶ
Ｄ）、スピンコート法のいずれかの方法で形成されると
共に、その結晶粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下であ
る圧電体薄膜種結晶上に、水熱合成法により結晶成長さ
れてなる圧電体薄膜を備えることを特徴とする。好適な
実施態様において、この圧電体薄膜素子は、圧電体薄膜
をチャージするための上部電極と下部電極とを備えると
共に、上部電極を下部電極に対して相対的にプラス側電
位となるようにチャージされる。
【００１５】
【発明の実施の形態および実施例】次に、本発明に係る
実施の形態・実施例について説明する。
実施の形態・実施例について説明する。
【００１６】（第１の例） ＜種結晶の形成＞酢酸鉛０．１モルを２０ミリリットル
の酢酸に溶かし、３０分間還流した。室温に戻し、ジル
コニウムテトラブトキシド０．０５２モル、チタンテト
ライソプロポキシド０．０４８モルを溶解させ、１モル
の水と少量のジエチレングリコールを滴下し、充分に攪
拌して加水分解させた。２−エトキシエタノールで希釈
した後、ヒドロキシプロピルセルロースを複合金属酸化
物の計算値に対し５重量％添加し、充分に攪拌して均質
なゾルとした。
の酢酸に溶かし、３０分間還流した。室温に戻し、ジル
コニウムテトラブトキシド０．０５２モル、チタンテト
ライソプロポキシド０．０４８モルを溶解させ、１モル
の水と少量のジエチレングリコールを滴下し、充分に攪
拌して加水分解させた。２−エトキシエタノールで希釈
した後、ヒドロキシプロピルセルロースを複合金属酸化
物の計算値に対し５重量％添加し、充分に攪拌して均質
なゾルとした。
【００１７】図１に圧電体薄膜素子の模式断面図を示
す。この圧電体薄膜素子の製造工程を以下に説明する。
先ず、単結晶シリコン基板１０１上に絶縁膜として二酸
化シリコン膜２０１を熱酸化により形成する。次に、二
酸化シリコン膜２０１上に白金下部電極１０４をスパッ
タ法で形成し、その上に前述した要領で調整したゾルを
スピンコート法により塗布し、３５０℃で仮焼成する。
す。この圧電体薄膜素子の製造工程を以下に説明する。
先ず、単結晶シリコン基板１０１上に絶縁膜として二酸
化シリコン膜２０１を熱酸化により形成する。次に、二
酸化シリコン膜２０１上に白金下部電極１０４をスパッ
タ法で形成し、その上に前述した要領で調整したゾルを
スピンコート法により塗布し、３５０℃で仮焼成する。
【００１８】この工程により、クラックを生じることな
く膜厚が０．４μｍの非晶質な多孔質ゲル薄膜を形成し
た。なお、下部電極を白金から作成したのは、白金が高
温熱処理によって変質しないためである。
く膜厚が０．４μｍの非晶質な多孔質ゲル薄膜を形成し
た。なお、下部電極を白金から作成したのは、白金が高
温熱処理によって変質しないためである。
【００１９】次いで、前記仮焼成後の基板を拡散炉で５
５０℃に加熱し、１時間保持することによりプレアニー
ルし、膜厚が０．３μｍの緻密な薄膜とした。この薄膜
をエックス線解析したところ、ペロブスカイト型結晶ピ
ークが検出された。また、この薄膜に反射型のＦＴ−Ｉ
Ｒ（フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析）を行ったと
ころ、３４００ｃｍ-1付近の水酸基に起因する吸収は検
出されなかった。
５０℃に加熱し、１時間保持することによりプレアニー
ルし、膜厚が０．３μｍの緻密な薄膜とした。この薄膜
をエックス線解析したところ、ペロブスカイト型結晶ピ
ークが検出された。また、この薄膜に反射型のＦＴ−Ｉ
Ｒ（フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析）を行ったと
ころ、３４００ｃｍ-1付近の水酸基に起因する吸収は検
出されなかった。
【００２０】次に、拡散炉に酸素を流しながら７００℃
に加熱して１時間保持することによりアニールを行う。
金属顕微鏡によって確認したところ、結晶粒径が０．５
μｍまで成長した、膜厚が０．３μｍのＰＺＴ種結晶１
０５（圧電体薄膜種結晶）が膜表面に得られていること
が分かった。
に加熱して１時間保持することによりアニールを行う。
金属顕微鏡によって確認したところ、結晶粒径が０．５
μｍまで成長した、膜厚が０．３μｍのＰＺＴ種結晶１
０５（圧電体薄膜種結晶）が膜表面に得られていること
が分かった。
【００２１】このＰＺＴ種結晶の層１０５をエックス線
解析したところ、ペロブスカイト型結晶の鋭く強いピー
クが検出された。なお、ゾルゲル法により得られたＰＺ
Ｔ種結晶を水熱合成法における種結晶として使用する場
合は、圧電特性が得られるように結晶が（１００）面に
配向していることが望ましい。
解析したところ、ペロブスカイト型結晶の鋭く強いピー
クが検出された。なお、ゾルゲル法により得られたＰＺ
Ｔ種結晶を水熱合成法における種結晶として使用する場
合は、圧電特性が得られるように結晶が（１００）面に
配向していることが望ましい。
【００２２】＜結晶成長＞次いで、このようにして得ら
れたゾルゲル法によるＰＺＴ種結晶１０５上に、水熱反
応によりＰＺＴの膜（層）１０６を成長させる。この水
熱反応で使用する反応溶液は、硝酸鉛Ｐｂ（ＮＯ3）2水
溶液、オキシ塩化ジルコニウムＺｒＯＣｌ2水溶液、塩
化チタンＴｉＣｌ4水溶液、及び水酸化カリウムＫＯＨ
水溶液を混合することによって調整された。
れたゾルゲル法によるＰＺＴ種結晶１０５上に、水熱反
応によりＰＺＴの膜（層）１０６を成長させる。この水
熱反応で使用する反応溶液は、硝酸鉛Ｐｂ（ＮＯ3）2水
溶液、オキシ塩化ジルコニウムＺｒＯＣｌ2水溶液、塩
化チタンＴｉＣｌ4水溶液、及び水酸化カリウムＫＯＨ
水溶液を混合することによって調整された。
【００２３】ＰＺＴ種結晶１０５を形成したシリコン基
板１０１の裏面にフッ素樹脂をコーティングして、１５
０℃の前記反応溶液に投入し、１２時間水熱処理を行っ
たところ、ＰＺＴ膜１０６が３μｍまで成長した。
板１０１の裏面にフッ素樹脂をコーティングして、１５
０℃の前記反応溶液に投入し、１２時間水熱処理を行っ
たところ、ＰＺＴ膜１０６が３μｍまで成長した。
【００２４】次いで、得られたＰＺＴ膜１０６上にアル
ミニウム電極を蒸着法で形成して積層し、（ＰＺＴ膜１
０６の）物性を測定したところ、比誘電率１２００、電
圧ひずみ定数９０ｐＣ／Ｎと成る優れた特性を示した。
ミニウム電極を蒸着法で形成して積層し、（ＰＺＴ膜１
０６の）物性を測定したところ、比誘電率１２００、電
圧ひずみ定数９０ｐＣ／Ｎと成る優れた特性を示した。
【００２５】また、ＰＺＴ膜１０６を王水で溶かしＩＣ
Ｐ（プラズマ発光分析）で測定したところ、モル比は
（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ）＝（１：０．５２：０．４８）で
あり、原料仕込組成と同一であった。
Ｐ（プラズマ発光分析）で測定したところ、モル比は
（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ）＝（１：０．５２：０．４８）で
あり、原料仕込組成と同一であった。
【００２６】また、水熱合成により形成したＰＺＴ膜１
０６の結晶粒の大きさは、ＰＺＴ種結晶１０５にほぼ同
一であり、表面粗さはＲmaxで０．４μｍと成る平滑な
膜が得られた。このように、水熱合成法により得られた
ＰＺＴ膜１０６の結晶粒の大きさと表面粗さＲmaxは、
ＰＺＴ種結晶１０５にほぼ同一にできる。
０６の結晶粒の大きさは、ＰＺＴ種結晶１０５にほぼ同
一であり、表面粗さはＲmaxで０．４μｍと成る平滑な
膜が得られた。このように、水熱合成法により得られた
ＰＺＴ膜１０６の結晶粒の大きさと表面粗さＲmaxは、
ＰＺＴ種結晶１０５にほぼ同一にできる。
【００２７】したがって、ＰＺＴ種結晶１０５の大きさ
が小さいほど緻密で平滑なＰＺＴ膜１０６を得ることが
できる。そして、ＰＺＴ種結晶１０５の大きさ（結晶粒
径（直径））が０．０５μｍ以上であれば、必要な圧電
特性を確保することができる。
が小さいほど緻密で平滑なＰＺＴ膜１０６を得ることが
できる。そして、ＰＺＴ種結晶１０５の大きさ（結晶粒
径（直径））が０．０５μｍ以上であれば、必要な圧電
特性を確保することができる。
【００２８】一方、ＰＺＴ種結晶１０５の大きさが１μ
ｍ以下であれば、表面の平滑性に優れ、上部電極がＰＺ
Ｔ膜１０６の全面を覆うことができる。前記結晶粒径を
好ましくは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下にすること
により、既述の特性をさらに高めることができる。ゾル
ゲル法により得られるＰＺＴ種結晶１０５の結晶粒の大
きさは、焼成速度と時間により制御でき得る。ＰＺＴ種
結晶１０５の膜厚が基板全面を覆う厚さであれば充分で
ある。
ｍ以下であれば、表面の平滑性に優れ、上部電極がＰＺ
Ｔ膜１０６の全面を覆うことができる。前記結晶粒径を
好ましくは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下にすること
により、既述の特性をさらに高めることができる。ゾル
ゲル法により得られるＰＺＴ種結晶１０５の結晶粒の大
きさは、焼成速度と時間により制御でき得る。ＰＺＴ種
結晶１０５の膜厚が基板全面を覆う厚さであれば充分で
ある。
【００２９】結晶粒径が異なるＰＺＴ種結晶の作り方
（ゾルゲル法）を詳説する。ＰＺＴを結晶化させる際
に、７００℃で１時間の熱処理をするが、その際の昇温
速度によって結晶粒径を変えることができる。図６は昇
温速度、種結晶の粒径等の関係を示す図表である。
（ゾルゲル法）を詳説する。ＰＺＴを結晶化させる際
に、７００℃で１時間の熱処理をするが、その際の昇温
速度によって結晶粒径を変えることができる。図６は昇
温速度、種結晶の粒径等の関係を示す図表である。
【００３０】図６から分かるように、昇温速度が上がる
につれて結晶粒径が大きくなり、かつ表面粗さ及び電圧
ひずみ定数（ｄ31）が大きくなる。結晶粒径が大きくな
るほど、電圧ひずみ定数が高くなって圧電特性が向上す
るが、微細なパターニングを達成するために、結晶粒径
は１μｍ以下であることが良い。既述のように、圧電体
薄膜の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下、結晶粒径が０．
０５μｍ以上１μｍ以下、表面粗さがＲmaxで１μｍ以
下であることを達成するためには、ＰＺＴの種結晶の昇
温速度が３乃至５３℃／ｍｉｎが良い。結晶粒径が０．
１μｍ以上０．５μｍであることにより、必要な圧電特
性の確保と微細パターニングをより高いレベルで均衡さ
せることができる。
につれて結晶粒径が大きくなり、かつ表面粗さ及び電圧
ひずみ定数（ｄ31）が大きくなる。結晶粒径が大きくな
るほど、電圧ひずみ定数が高くなって圧電特性が向上す
るが、微細なパターニングを達成するために、結晶粒径
は１μｍ以下であることが良い。既述のように、圧電体
薄膜の厚さが１μｍ以上１０μｍ以下、結晶粒径が０．
０５μｍ以上１μｍ以下、表面粗さがＲmaxで１μｍ以
下であることを達成するためには、ＰＺＴの種結晶の昇
温速度が３乃至５３℃／ｍｉｎが良い。結晶粒径が０．
１μｍ以上０．５μｍであることにより、必要な圧電特
性の確保と微細パターニングをより高いレベルで均衡さ
せることができる。
【００３１】なお、第１の例では、ＰＺＴ膜１０６の組
成を純粋な二成分系としたが、圧電特性を向上させるた
めに、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛
−チタン酸鉛のような三成分系にしたり、また、耐電圧
向上のために鉄、経時変化を小さくする目的でクロムの
ような添加物を加えても良い。この場合、ゾル液の組
成、水熱反応液の組成を目的とする組成に合わせて調整
することにより対応することができる。
成を純粋な二成分系としたが、圧電特性を向上させるた
めに、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛
−チタン酸鉛のような三成分系にしたり、また、耐電圧
向上のために鉄、経時変化を小さくする目的でクロムの
ような添加物を加えても良い。この場合、ゾル液の組
成、水熱反応液の組成を目的とする組成に合わせて調整
することにより対応することができる。
【００３２】（第２の例）次に、本発明の第２の実施の
形態について説明する。この例においては、図１に示す
圧電体薄膜素子を以下に示す方法で製造する。
形態について説明する。この例においては、図１に示す
圧電体薄膜素子を以下に示す方法で製造する。
【００３３】すなわち、先ず、単結晶シリコン基板１０
１上に絶縁膜として二酸化シリコン膜２０１を熱酸化に
より形成し、この二酸化シリコン膜２０１上に白金下部
電極１０４をスパッタ法で形成する。
１上に絶縁膜として二酸化シリコン膜２０１を熱酸化に
より形成し、この二酸化シリコン膜２０１上に白金下部
電極１０４をスパッタ法で形成する。
【００３４】次に、モル比で（ＰｂＺｒＯ3：ＰｂＴｉ
Ｏ3）＝（５２：４８）のターゲットを用いて、スパッ
タ法により膜厚０．３μｍのアモルファスＰＺＴ膜を成
膜する。その後、これに酸素雰囲気中で、７５０℃、１
時間の熱処理を行い、結晶化させ、前記アモルファスＰ
ＺＴ膜を、金属顕微鏡によって膜表面に観察される結晶
粒径が０．４μｍであり、かつ圧電特性を示すＰＺＴ種
結晶１０５に変換させた。
Ｏ3）＝（５２：４８）のターゲットを用いて、スパッ
タ法により膜厚０．３μｍのアモルファスＰＺＴ膜を成
膜する。その後、これに酸素雰囲気中で、７５０℃、１
時間の熱処理を行い、結晶化させ、前記アモルファスＰ
ＺＴ膜を、金属顕微鏡によって膜表面に観察される結晶
粒径が０．４μｍであり、かつ圧電特性を示すＰＺＴ種
結晶１０５に変換させた。
【００３５】このＰＺＴ種結晶１０５をエックス線解析
したところ、ペロブスカイト型結晶の鋭く強いピークが
検出された。なお、スパッタ法によるＰＺＴ種結晶１０
５を水熱合成法における種結晶として使用する場合は、
圧電特性が得られるように、結晶が（１１１）面に配向
していることが望ましい。
したところ、ペロブスカイト型結晶の鋭く強いピークが
検出された。なお、スパッタ法によるＰＺＴ種結晶１０
５を水熱合成法における種結晶として使用する場合は、
圧電特性が得られるように、結晶が（１１１）面に配向
していることが望ましい。
【００３６】このようにして得られたスパッタ法による
ＰＺＴ種結晶１０５上に、第１の例と同様に、硝酸鉛Ｐ
ｂ（ＮＯ3）2水溶液、オキシ塩化ジルコニウムＺｒＯＣ
ｌ2水溶液、塩化チタンＴｉＣｌ4水溶液、及び水酸化カ
リウムＫＯＨ水溶液を混合して調整した１５０℃の反応
溶液に、前述したＰＺＴ種結晶１０５が形成され、裏面
にフッ素樹脂がコーティングされた単結晶シリコン基板
１０１を浸漬し、１２時間水熱処理を行い、膜厚が３μ
ｍのＰＺＴ膜１０６を得た。
ＰＺＴ種結晶１０５上に、第１の例と同様に、硝酸鉛Ｐ
ｂ（ＮＯ3）2水溶液、オキシ塩化ジルコニウムＺｒＯＣ
ｌ2水溶液、塩化チタンＴｉＣｌ4水溶液、及び水酸化カ
リウムＫＯＨ水溶液を混合して調整した１５０℃の反応
溶液に、前述したＰＺＴ種結晶１０５が形成され、裏面
にフッ素樹脂がコーティングされた単結晶シリコン基板
１０１を浸漬し、１２時間水熱処理を行い、膜厚が３μ
ｍのＰＺＴ膜１０６を得た。
【００３７】次に、このＰＺＴ膜１０６上にアルミニウ
ム電極を蒸着法で形成し、物性を測定したところ、比誘
電率１１００、電圧ひずみ定数８５ｐＣ／Ｎと、優れた
特性を示した。また、ＰＺＴ薄膜を王水で溶かしＩＣＰ
（プラズマ発光分析）で測定したところ、モル比は、
（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ）＝（１：０．５２：０．４８）で
あり、原料仕込組成と同一であった。
ム電極を蒸着法で形成し、物性を測定したところ、比誘
電率１１００、電圧ひずみ定数８５ｐＣ／Ｎと、優れた
特性を示した。また、ＰＺＴ薄膜を王水で溶かしＩＣＰ
（プラズマ発光分析）で測定したところ、モル比は、
（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ）＝（１：０．５２：０．４８）で
あり、原料仕込組成と同一であった。
【００３８】また、水熱合成法により得られたＰＺＴ膜
１０６の結晶粒の大きさは、ＰＺＴ種結晶１０５と同一
な０．４μｍであり、表面粗さは、Ｒmaxで０．４μｍ
である平滑な膜が得られた。
１０６の結晶粒の大きさは、ＰＺＴ種結晶１０５と同一
な０．４μｍであり、表面粗さは、Ｒmaxで０．４μｍ
である平滑な膜が得られた。
【００３９】なお、第２の例では、スパッタ法により得
られたＰＺＴ種結晶１０５を用いたが、化学的気相成長
法（ＣＶＤ）によりＰＺＴ種結晶を形成しても同様の効
果が得られることはいうまでもない。
られたＰＺＴ種結晶１０５を用いたが、化学的気相成長
法（ＣＶＤ）によりＰＺＴ種結晶を形成しても同様の効
果が得られることはいうまでもない。
【００４０】（第３の例）次に、本発明の第３の実施の
形態について説明する。図２（ａ）は、インクジェット
式記録ヘッドの概略斜視図であり、図２（ｂ）は、図２
（ａ）のＡ−Ａ’断面拡大図である。
形態について説明する。図２（ａ）は、インクジェット
式記録ヘッドの概略斜視図であり、図２（ｂ）は、図２
（ａ）のＡ−Ａ’断面拡大図である。
【００４１】図２（ａ）及び（ｂ）に示すインクジェッ
ト式記録ヘッドは、単結晶シリコン基板１０１に形成さ
れたインク室１０２と、このインク室１０２上に形成さ
れた二酸化シリコン膜２０１と、この二酸化シリコン膜
２０１上に形成され、かつ白金下部電極（層）１０４、
ＰＺＴ種結晶の層（膜）１０５、ＰＺＴ膜１０６及び上
部電極（層）１０７からなる圧電体素子と、単結晶シリ
コン基板１０１の下面に接合されると共に、ノズル１０
９が形成されたノズル板１０８と、を備える。インク室
１０２とノズル１０９は、同一ピッチで配置されてい
る。
ト式記録ヘッドは、単結晶シリコン基板１０１に形成さ
れたインク室１０２と、このインク室１０２上に形成さ
れた二酸化シリコン膜２０１と、この二酸化シリコン膜
２０１上に形成され、かつ白金下部電極（層）１０４、
ＰＺＴ種結晶の層（膜）１０５、ＰＺＴ膜１０６及び上
部電極（層）１０７からなる圧電体素子と、単結晶シリ
コン基板１０１の下面に接合されると共に、ノズル１０
９が形成されたノズル板１０８と、を備える。インク室
１０２とノズル１０９は、同一ピッチで配置されてい
る。
【００４２】このインクジェット式記録ヘッドの動作を
説明する。白金下部電極１０４と上部電極１０７との間
に電圧を印加し、白金下部電極、ＰＺＴ種結晶１０５、
ＰＺＴ膜１０６及び上部電極１０７からなる圧電体素子
と、二酸化シリコン膜２０１とを変形させることによ
り、インク室１０２の体積を減少させてインク室内を加
圧し、インク室１０２内充満しているインクをノズル１
０９から噴射させる。
説明する。白金下部電極１０４と上部電極１０７との間
に電圧を印加し、白金下部電極、ＰＺＴ種結晶１０５、
ＰＺＴ膜１０６及び上部電極１０７からなる圧電体素子
と、二酸化シリコン膜２０１とを変形させることによ
り、インク室１０２の体積を減少させてインク室内を加
圧し、インク室１０２内充満しているインクをノズル１
０９から噴射させる。
【００４３】インク室１０２は、その配列方向（図２
（ｂ）の紙面に対する左右方向）の長さを１００μｍ、
その奥行き方向（同図の紙面に対する直交方向）の長さ
を４ｍｍとし、ＰＺＴ種結晶１０５の配列方向（同図紙
面の左右方向）の長さを８０μｍとした。
（ｂ）の紙面に対する左右方向）の長さを１００μｍ、
その奥行き方向（同図の紙面に対する直交方向）の長さ
を４ｍｍとし、ＰＺＴ種結晶１０５の配列方向（同図紙
面の左右方向）の長さを８０μｍとした。
【００４４】また、インク室１０２の配列方向のピッチ
を１４１μｍとし、解像度１８０ｄｐｉ（dots per inc
h）とした。ここで、ＰＺＴ種結晶１０５及びＰＺＴ膜
１０６が、インク室１０２の上部のみにあり、配列方向
のインク室１０２の無い部分には、配設されないことに
より、電圧を印加してインク室１０２を変形させる際
に、低い電圧を印加しても同じ変位量が得られる。
を１４１μｍとし、解像度１８０ｄｐｉ（dots per inc
h）とした。ここで、ＰＺＴ種結晶１０５及びＰＺＴ膜
１０６が、インク室１０２の上部のみにあり、配列方向
のインク室１０２の無い部分には、配設されないことに
より、電圧を印加してインク室１０２を変形させる際
に、低い電圧を印加しても同じ変位量が得られる。
【００４５】＜インクジェット式記録ヘッドの製造＞次
に、このインクジェット式記録ヘッドの製造工程につい
て、図３を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、
インクジェット式記録ヘッドの製造工程の一部を示す断
面図である。なお、この断面図では、紙面に垂直な（直
交する）方向がインク室１０２の奥行き方向となるよう
にした。
に、このインクジェット式記録ヘッドの製造工程につい
て、図３を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、
インクジェット式記録ヘッドの製造工程の一部を示す断
面図である。なお、この断面図では、紙面に垂直な（直
交する）方向がインク室１０２の奥行き方向となるよう
にした。
【００４６】先ず、図３（ａ）に示す工程では、面方位
（１１０）を有する厚さ２２０μｍの単結晶シリコン基
板１０１を１２００℃で湿式熱酸化し、単結晶シリコン
基板１０１の両面に二酸化シリコン膜２０１及び２０２
を同時に形成する。
（１１０）を有する厚さ２２０μｍの単結晶シリコン基
板１０１を１２００℃で湿式熱酸化し、単結晶シリコン
基板１０１の両面に二酸化シリコン膜２０１及び２０２
を同時に形成する。
【００４７】次に、二酸化シリコン膜２０１上に、白金
下部電極１０４、前述したゾルゲル法によるＰＺＴ種結
晶１０５、水熱合成法によるＰＺＴ膜１０６、及び上部
電極１０７を形成する。なお、ゾルゲル法によるＰＺＴ
種結晶１０５及び水熱合成法によるＰＺＴ膜１０６は、
第１の例と同様の製造方法で形成するが、各々の膜厚
は、ＰＺＴ種結晶１０５が０．３μｍ、ＰＺＴ膜１０６
が３μｍとなるようにした。
下部電極１０４、前述したゾルゲル法によるＰＺＴ種結
晶１０５、水熱合成法によるＰＺＴ膜１０６、及び上部
電極１０７を形成する。なお、ゾルゲル法によるＰＺＴ
種結晶１０５及び水熱合成法によるＰＺＴ膜１０６は、
第１の例と同様の製造方法で形成するが、各々の膜厚
は、ＰＺＴ種結晶１０５が０．３μｍ、ＰＺＴ膜１０６
が３μｍとなるようにした。
【００４８】実際には、二酸化シリコン膜２０１と、白
金下部電極１０４との間に、密着力を向上させる中間層
として、チタンを膜厚２５０オングストロームで、二酸
化チタンを膜厚２００オングストロームで、チタンを膜
厚５０オングストロームで順次形成した。ここで、中間
層であるチタン（２５０オングストローム）、二酸化チ
タン（２００オングストローム）及びチタン（５０オン
グストローム）と、白金下部電極１０４は、直流スパッ
タリング法により、これら４層を連続形成し、酸化チタ
ンは１０％酸素雰囲気によるリアクティブスパッタリン
グ法によって形成した。
金下部電極１０４との間に、密着力を向上させる中間層
として、チタンを膜厚２５０オングストロームで、二酸
化チタンを膜厚２００オングストロームで、チタンを膜
厚５０オングストロームで順次形成した。ここで、中間
層であるチタン（２５０オングストローム）、二酸化チ
タン（２００オングストローム）及びチタン（５０オン
グストローム）と、白金下部電極１０４は、直流スパッ
タリング法により、これら４層を連続形成し、酸化チタ
ンは１０％酸素雰囲気によるリアクティブスパッタリン
グ法によって形成した。
【００４９】次いで、ＰＺＴ膜１０６上に上部電極１０
７として、直流スパッタリング法により白金を３０００
オングストロームの膜厚で形成する。このように、上部
電極１０７の膜厚をＰＺＴ膜１０６の表面粗さＲmax
（具体的には、０．４μｍ）の０．５倍以上２倍以下と
なるように構成することで、ＰＺＴ膜１０６表面に存在
する凹凸全体を覆うことができ、良好なカバレッジ特性
を得ることができる。２倍以下であることによって圧電
素子の変位を確保することができる（圧電素子の変位を
妨げない）。
７として、直流スパッタリング法により白金を３０００
オングストロームの膜厚で形成する。このように、上部
電極１０７の膜厚をＰＺＴ膜１０６の表面粗さＲmax
（具体的には、０．４μｍ）の０．５倍以上２倍以下と
なるように構成することで、ＰＺＴ膜１０６表面に存在
する凹凸全体を覆うことができ、良好なカバレッジ特性
を得ることができる。２倍以下であることによって圧電
素子の変位を確保することができる（圧電素子の変位を
妨げない）。
【００５０】次に、二酸化シリコン膜２０２にフォトレ
ジストを形成し、このフォトレジストの所定の位置に開
口部を設ける。この開口部が形成されたフォトレジスト
をマスクとして、二酸化シリコン膜２０２を、弗酸と弗
化アンモニウムの水溶液を用いてパターニングする。こ
のようにして、二酸化シリコン膜２０２に開口部２０３
を形成する。ここで、この開口部２０３の奥行き方向、
すなわち、紙面に垂直な方向を単結晶シリコン基板１０
１の（１１２）方向に設定した。
ジストを形成し、このフォトレジストの所定の位置に開
口部を設ける。この開口部が形成されたフォトレジスト
をマスクとして、二酸化シリコン膜２０２を、弗酸と弗
化アンモニウムの水溶液を用いてパターニングする。こ
のようにして、二酸化シリコン膜２０２に開口部２０３
を形成する。ここで、この開口部２０３の奥行き方向、
すなわち、紙面に垂直な方向を単結晶シリコン基板１０
１の（１１２）方向に設定した。
【００５１】次に、図３（ｂ）に示す工程では、上部電
極１０７、ＰＺＴ膜１０６及びＰＺＴ種結晶１０５を、
イオンミーリングによりパターンエッチングする。ここ
で、このパターニングは、開口部２０３に対応した部分
に上部電極１０７、ＰＺＴ膜１０６及びＰＺＴ種結晶１
０５が残るようにして行った。この時、ＰＺＴ種結晶１
０５及びＰＺＴ膜１０６の結晶粒径は、０．５μｍと小
さいため、良好なパターニング精度が得られた。
極１０７、ＰＺＴ膜１０６及びＰＺＴ種結晶１０５を、
イオンミーリングによりパターンエッチングする。ここ
で、このパターニングは、開口部２０３に対応した部分
に上部電極１０７、ＰＺＴ膜１０６及びＰＺＴ種結晶１
０５が残るようにして行った。この時、ＰＺＴ種結晶１
０５及びＰＺＴ膜１０６の結晶粒径は、０．５μｍと小
さいため、良好なパターニング精度が得られた。
【００５２】次いで、図３（ｃ）に示す工程では、圧電
素子が形成されている面を治具により保護し、これを８
０℃の水酸化カリウム水溶液に浸漬し、二酸化シリコン
膜２０２をマスクとして、単結晶シリコン基板１０１を
異方性エッチングし、インク室１０２を形成する。
素子が形成されている面を治具により保護し、これを８
０℃の水酸化カリウム水溶液に浸漬し、二酸化シリコン
膜２０２をマスクとして、単結晶シリコン基板１０１を
異方性エッチングし、インク室１０２を形成する。
【００５３】この時、単結晶シリコン基板１０１の面方
位が（１１０）であり、さらに開口部２０３の奥行き方
向が（１１２）方向であるから、インク室１０２の奥行
き方向の辺を形成する側壁の面を（１１１）面とするこ
とができる。
位が（１１０）であり、さらに開口部２０３の奥行き方
向が（１１２）方向であるから、インク室１０２の奥行
き方向の辺を形成する側壁の面を（１１１）面とするこ
とができる。
【００５４】エッチング液として水酸化カリウム水溶液
を用いた場合、単結晶シリコンの（１１０）面と（１１
１）面のエッチング速度の比は、３００：１程度とな
り、単結晶シリコン基板１０１の厚み２２０μｍの深さ
の溝を形成する際に生じるサイドエッチングを１μｍ程
度に抑制することができるため、インク室１０２を高精
度で形成することができる。
を用いた場合、単結晶シリコンの（１１０）面と（１１
１）面のエッチング速度の比は、３００：１程度とな
り、単結晶シリコン基板１０１の厚み２２０μｍの深さ
の溝を形成する際に生じるサイドエッチングを１μｍ程
度に抑制することができるため、インク室１０２を高精
度で形成することができる。
【００５５】続いて、前記治具で保護したまま、二酸化
シリコン膜２０２を弗酸と、弗化アンモニウム水溶液で
エッチング除去する。その後、このようにして得られた
インク室１０２の開放面側に、ノズル板を接合する等、
所望の工程を行いインクジェット式記録ヘッドを完成す
る。
シリコン膜２０２を弗酸と、弗化アンモニウム水溶液で
エッチング除去する。その後、このようにして得られた
インク室１０２の開放面側に、ノズル板を接合する等、
所望の工程を行いインクジェット式記録ヘッドを完成す
る。
【００５６】なお、第３の実施の形態では、ＰＺＴ種結
晶１０５、ＰＺＴ膜１０６及び上部電極１０７を、イオ
ンミーリングにより連続してパターニングした場合につ
いて説明したが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ種結晶
１０５をイオンミーリングでパターニングし、ＰＺＴ膜
１０６を選択的に析出させ、上部電極１０７を成膜・パ
ターニングすることも可能である。
晶１０５、ＰＺＴ膜１０６及び上部電極１０７を、イオ
ンミーリングにより連続してパターニングした場合につ
いて説明したが、これに限らず、例えば、ＰＺＴ種結晶
１０５をイオンミーリングでパターニングし、ＰＺＴ膜
１０６を選択的に析出させ、上部電極１０７を成膜・パ
ターニングすることも可能である。
【００５７】＜インクジェット式記録ヘッドの動作例＞
次に、図２に示すインクジェット式記録ヘッドの動作の
具体例について説明する。先ず、発明者が得た知見につ
いて説明する。ＰＺＴ膜１０５，１０６は成膜の過程で
自発分極しており、一定方向に分極している。そこで、
通常、２０Ｖ／μｍの電界をＰＺＴ膜に加えて、分極を
所望方向に向かせる分極処理（ポーリング）を行う。し
かしながら、特に、水熱法によって得たＰＺＴ膜では、
この処理によっても自発分極の向きを特定方向に向ける
ことができない。
次に、図２に示すインクジェット式記録ヘッドの動作の
具体例について説明する。先ず、発明者が得た知見につ
いて説明する。ＰＺＴ膜１０５，１０６は成膜の過程で
自発分極しており、一定方向に分極している。そこで、
通常、２０Ｖ／μｍの電界をＰＺＴ膜に加えて、分極を
所望方向に向かせる分極処理（ポーリング）を行う。し
かしながら、特に、水熱法によって得たＰＺＴ膜では、
この処理によっても自発分極の向きを特定方向に向ける
ことができない。
【００５８】この状態で上部電極１０７と下部電極の極
性を何等制御しないと、電界の向きによっては、ＰＺＴ
膜の変位（変形量：インク室１０２への突出幅）が十分
稼げないおそれがある。そこで、発明者が鋭意検討した
ことろによると、上部電極の電位を下部電極の電位より
高くすると、好適には、下部電極に接地電位を与え、上
部電極に正電位を加えることにより、その逆（下部電極
に正電位を加え、上部電極に接地電位を加える場合）に
比較して２倍強の変位量が得られるとの知見を得た。
性を何等制御しないと、電界の向きによっては、ＰＺＴ
膜の変位（変形量：インク室１０２への突出幅）が十分
稼げないおそれがある。そこで、発明者が鋭意検討した
ことろによると、上部電極の電位を下部電極の電位より
高くすると、好適には、下部電極に接地電位を与え、上
部電極に正電位を加えることにより、その逆（下部電極
に正電位を加え、上部電極に接地電位を加える場合）に
比較して２倍強の変位量が得られるとの知見を得た。
【００５９】具体的には、図４に示すパルス状の電位
（２０Ｖ／μｍ）を上部電極に加えると、ＰＺＴ膜の変
位が１５０ｎｍであった。これに対して、下部電極にこ
の電位を加え、上部電極を接地した状態では、ＰＺＴ膜
の変位が７０ｎｍに過ぎなかった。
（２０Ｖ／μｍ）を上部電極に加えると、ＰＺＴ膜の変
位が１５０ｎｍであった。これに対して、下部電極にこ
の電位を加え、上部電極を接地した状態では、ＰＺＴ膜
の変位が７０ｎｍに過ぎなかった。
【００６０】図５は、合計で１μｍ厚のＰＺＴの分極と
ｄ定数（ｄ31：単位ｐＣ／ニュートン）の関係を示す特
性図であり、ＰＺＴ膜の変位はこの定数に比例して大き
くなる。この図から明らかなように、上部電極を下部電
極に対してプラス側にチャージする場合は、その逆の場
合に比較してＰＺＴの変位量を稼ぐことが可能と成る。
ｄ定数（ｄ31：単位ｐＣ／ニュートン）の関係を示す特
性図であり、ＰＺＴ膜の変位はこの定数に比例して大き
くなる。この図から明らかなように、上部電極を下部電
極に対してプラス側にチャージする場合は、その逆の場
合に比較してＰＺＴの変位量を稼ぐことが可能と成る。
【００６１】このように電圧を加えことは、公知の通電
手段をそのまま利用すれば良い。
手段をそのまま利用すれば良い。
【００６２】なお、上部電極を下部電極に対してプラス
側にチャージする場合、上部電極の材料を、酸化還元電
位が下部電極（高温プロセスでは、Ｐｔに限定され
る）。以下であるアルミニウム、ニッケル、チタンのい
ずれかにすることにより、電極の電食を防ぐことができ
る。
側にチャージする場合、上部電極の材料を、酸化還元電
位が下部電極（高温プロセスでは、Ｐｔに限定され
る）。以下であるアルミニウム、ニッケル、チタンのい
ずれかにすることにより、電極の電食を防ぐことができ
る。
【００６３】なお、既述した内容は全て一例であり、圧
電体薄膜種結晶の組成比や原料の種類等はこれに何等限
定されるものではない。
電体薄膜種結晶の組成比や原料の種類等はこれに何等限
定されるものではない。
【００６４】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、水熱合成法により圧電体薄膜を形成する際に、結晶
粒径や配向性を制御できるゾルゲル法やスパッタ法によ
り得られる圧電体薄膜種結晶を用いるため、膜厚が１μ
ｍ以上の緻密で平滑、かつ圧電特性に優れた圧電体薄膜
を形成することができる。この結果、高い電圧ひずみ定
数を持ち、微細なパターニングを行うことが可能な圧電
体薄膜素子を、歩留まりよく提供することができる。ま
た、このような圧電体薄膜素子を簡単に製造することが
できるため、微細化が要求される高性能な圧電体薄膜素
子を用いたインクジェット式記録ヘッドを低コストで提
供することができる。
ば、水熱合成法により圧電体薄膜を形成する際に、結晶
粒径や配向性を制御できるゾルゲル法やスパッタ法によ
り得られる圧電体薄膜種結晶を用いるため、膜厚が１μ
ｍ以上の緻密で平滑、かつ圧電特性に優れた圧電体薄膜
を形成することができる。この結果、高い電圧ひずみ定
数を持ち、微細なパターニングを行うことが可能な圧電
体薄膜素子を、歩留まりよく提供することができる。ま
た、このような圧電体薄膜素子を簡単に製造することが
できるため、微細化が要求される高性能な圧電体薄膜素
子を用いたインクジェット式記録ヘッドを低コストで提
供することができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形
態に係る圧電体薄膜素子の模式断面図を示す。
態に係る圧電体薄膜素子の模式断面図を示す。
【図２】（ａ）は、本発明の第３の実施の形態における
インクジェット式記録ヘッドの概略斜視図である。
（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面拡大図である。
インクジェット式記録ヘッドの概略斜視図である。
（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面拡大図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るインクジェッ
ト式記録ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。
ト式記録ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。
【図４】図２の記録ヘッドに加えられるパルス状電圧の
波形図である。
波形図である。
【図５】ＰＺＴ膜の電圧とｄ定数との関係を示す特性図
である。
である。
【図６】ＰＺＴ種結晶を得るときの昇温速度と種結晶の
粒径等との関係を示す図表である。
粒径等との関係を示す図表である。
１０１ 単結晶シリコン １０２ インク室 １０４ 白金下部電極 １０５ ＰＺＴ種結晶 １０６ ＰＺＴ膜 １０７ 上部電極 １０８ ノズル板 １０９ ノズル ２０１、２０２ 二酸化シリコン膜 ２０３ 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西脇 学 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−206787（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/08 H01L 41/22 C04B 35/00
Claims (21)
- 【請求項１】 基板上に形成され、かつ圧電体薄膜を備
えてなる圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜は、
次の特性を有することを特徴とする圧電体薄膜素子。 厚さが１μｍ以上１０μｍ以下 結晶粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下 表面粗さがＲmaxで１μｍ以下 - 【請求項２】 前記薄膜素子に通電するため、この薄膜
素子の上下に配置された電極を備え、この電極の内の下
部電極が白金によって構成された請求項１記載の圧電体
薄膜素子。 - 【請求項３】 前記圧電体薄膜が（１００）面あるいは
（１１１）面に配向された結晶構造を備える請求項１記
載の圧電体薄膜素子。 - 【請求項４】 前記圧電体薄膜の結晶粒径が、０．１μ
ｍ以上０．５μｍ以下である請求項１記載の圧電体薄膜
素子。 - 【請求項５】 前記上部電極の厚さが、前記圧電体薄膜
の表面粗さ（Ｒmax）の０．５倍以上２倍以下である請
求項２記載の圧電体薄膜素子。 - 【請求項６】 基板上に形成され、かつ圧電体薄膜を備
えてなる圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜は微
細な種結晶を核としてさらに結晶が成長した構造を備
え、前記種結晶の粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下で
ある圧電体薄膜素子。 - 【請求項７】 前記圧電体薄膜は、ＰＺＴの種結晶を核
として水熱合成法によって結晶が成長した構造の請求項
６記載の圧電体薄膜素子。 - 【請求項８】 前記ＰＺＴの種結晶は、物理的気相成長
法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコ
ート法のいずれかの方法で得られた請求項７記載の圧電
体薄膜素子。 - 【請求項９】 下部電極が形成された基板上に、圧電体
薄膜種結晶を物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相
成長法（ＣＶＤ）、スピンコート法のいずれかの方法で
形成する工程と、前記圧電体薄膜種結晶上に水熱合成法
により圧電体薄膜を結晶成長させる工程と、を含む圧電
体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項１０】 前記圧電体薄膜種結晶の結晶粒径が、
０．０５μｍ以上１μｍ以下である請求項９記載の圧電
体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項１１】 前記圧電体薄膜種結晶の結晶粒径が、
０．１μｍ以上０．５μｍ以下である請求項１０記載の
圧電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項１２】 前記圧電体薄膜種結晶を、ゾルゲル法
またはスパッタ法で形成する請求項９記載の圧電体薄膜
素子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記下部電極を白金から構成し、前記
圧電体薄膜種結晶をゾルゲル法で形成した場合には（１
００）面に、スパッタ法で形成した場合には（１１１）
面に配向させる請求項９記載の圧電体薄膜素子の製造方
法。 - 【請求項１４】 前記圧電体薄膜上に、前記圧電体薄膜
の表面粗さ（Ｒmax）の０．５倍以上２倍以下の膜厚で
上部電極を形成する請求項９記載の圧電体薄膜素子の製
造方法。 - 【請求項１５】 インク室が形成された基板と、前記イ
ンク室の一方を封止すると共に、表面にたわみ振動モー
ドの圧電体薄膜素子が固定された振動板と、前記インク
室の他方の面を封止すると共に、インク吐出用のノズル
口が形成されたノズル板と、を備えてなるインクジェッ
ト式記録ヘッドにおいて、前記圧電体薄膜素子は、物理
的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶ
Ｄ）、スピンコート法のいずれかの方法で形成されると
共に、その結晶粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下であ
る圧電体薄膜種結晶上に、水熱合成法により結晶成長さ
れてなる圧電体薄膜を備えたインクジェット式記録ヘッ
ド。 - 【請求項１６】 前記圧電体薄膜素子は、前記圧電体薄
膜をチャージするための上部電極と下部電極とを備える
と共に、上部電極を下部電極に対して相対的にプラス側
電位となるようにチャージする手段を備える請求項１５
記載のインクジェット式記録ヘッド。 - 【請求項１７】 薄膜圧電体を有する圧電体素子におい
て、前記圧電体膜がゾルゲル法によって形成されたＰＺ
Ｔを種結晶とし、さらに、水熱合成反応を利用してＰＺ
Ｔ結晶を成長させたことを特徴とする圧電体素子。 - 【請求項１８】 薄膜圧電体の製造方法において、前記
薄膜圧電体を形成するに際し、ゾルゲル法によって得ら
れたＰＺＴを加熱し得られたＰＺＴを種結晶とし、これ
に水熱合成法を適用してＰＺＴ結晶を成長させたことを
特徴とする薄膜圧電体の製造方法。 - 【請求項１９】 薄膜圧電体を有する圧電体素子の製造
方法において、基板上の白金電極上にゾルゲル法によっ
てＰＺＴを形成し、これを加熱してＰＺＴの種結晶を
得、さらに、水熱合成法を適用してＰＺＴの結晶をさら
に成長させることにより前記薄膜圧電体を形成したこと
を特徴とする圧電体素子の製造方法。 - 【請求項２０】 基板上に下部電極を形成する工程と、
この下部電極上にＰＺＴ形成用のゾルを塗布しこれをゲ
ル化する工程と、このゲルを加熱してＰＺＴの種結晶を
形成する工程と、水熱合成法を適用してこの種結晶から
ＰＺＴ結晶を成長させる工程と、このＰＺＴ結晶の上に
上部電極を形成する工程とを備え、前記ＰＺＴ結晶と前
記上部電極をパターニングしたことを特徴とする圧電体
素子の製造方法。 - 【請求項２１】 前記下部電極が白金電極である請求項
２０記載の方法。
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