JPH10290033A

JPH10290033A - 圧電体薄膜素子、これを用いたアクチュエータ、インクジェット式記録ヘッド、並びに圧電体薄膜素子の製造方法

Info

Publication number: JPH10290033A
Application number: JP9945297A
Authority: JP
Inventors: Koji Sumi; 浩二角; Hiroshi Oka; 宏邱; Katsumori Takei; 克守武井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: JP4144043B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体薄膜素子を形成する過程において、圧
電体薄膜中の酸素濃度の低下を防ぐことにより、圧電体
特性に優れた圧電体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】多結晶体からなる圧電体膜１５を挟んで
上電極１６と下電極１４とを形成し、この下電極上に前
記圧電体を形成後熱処理する圧電体薄膜の製造方法であ
って、前記下電極形成後圧電体薄膜形成前に酸素雰囲気
下で熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電体薄膜素子の製
造方法に関するものである。さらに、本発明は、この製
造方法を用いて得られた圧電体薄膜素子、及びこれを用
いたアクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】このアクチュエータは電気的エネルギー
を機械的エネルギーに変換し、またはその逆を行うもの
であって、圧力センサ、温度センサ、インクジェット式
記録ヘッド等に用いられる。インクジェット式記録ヘッ
ドでは、圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源となる振
動子として用いている。

【０００３】この圧電体薄膜素子は、一般的に、多結晶
体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を挟んで配置
される上電極及び下電極と、を備えた構造を有してい
る。この圧電体薄膜の組成は、一般的に、チタン酸ジル
コン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」という）を主成分とする二
成分系、または、この二成分系のＰＺＴに第三成分を加
えた三成分系とされている。

【０００４】これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、ス
パッタ法、ゾルゲル法、レーザアブレーション法又はＣ
ＶＤ法等により形成することができる。

【０００５】これらの例として、二成分系ＰＺＴを用い
た強誘電体が、"Applied Physics Letters, 1991, Vol.
58, No.11, pages 1161-1163"に記載されている。ま
た、特開平６−４００３５号公報や、"Journal of The
American Ceramic Society, 1973, Vol.56, No.2, page
s 91-96"には、二成分系ＰＺＴを用いた圧電体が開示さ
れている。

【０００６】前記圧電体薄膜素子を、例えばインクジェ
ット式記録ヘッドに適用する場合、０．４μｍ〜２０μ
ｍ程度の膜厚を備えた圧電体薄膜（ＰＺＴ膜）が望まれ
る。さらに、この圧電体薄膜には高い圧電ひずみ定数が
要求されるので、通常、７００℃以上の温度で熱処理を
行い、この圧電体薄膜の結晶粒を成長させることが必要
であるとされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は、この熱処理によって圧電体薄膜中の酸素濃度が低
下して圧電ひずみ定数を劣化させる、との知見を得るに
到った。そこで、本発明者がこの理由について鋭意検討
したところ、次のような見解を得た。すなわち、圧電体
薄膜素子の下電極となる白金は、酸化触媒として利用さ
れるものであることから明らかなように、酸素を吸着す
る性質に富んでいる。

【０００８】したがって、下電極は、ＰＺＴが焼結され
る際にＰＺＴ中の酸素をトラップし、また、下電極中に
拡散してきたチタンと結合させることになる。

【０００９】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るために、圧電体薄膜素子を形成する過程において、圧
電体薄膜中の酸素濃度の低下を防ぐことにより、圧電体
特性に優れた圧電体薄膜の製造方法を提供することを目
的とする。

【００１０】本発明の他の目的は、このような圧電体薄
膜を提供することである。本発明のさらに他の目的は、
この圧電体薄膜を備えたアクチュエータ、特にインクジ
ェット式記録ヘッドを提供することである。

【００１１】

【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、多結晶体からなる圧電体膜を挟んで上電
極と下電極とを形成するものであって、この下電極上に
前記圧電体を形成後熱処理する圧電体薄膜の製造方法に
おいて、前記下電極形成後圧電体薄膜形成前に酸素雰囲
気下で熱処理することを特徴とする。前記酸素雰囲気
は、好ましくは、（体積比で）酸素分圧が６０％以上の
範囲である。酸素分圧が１００％未満の場合、他のガス
は、例えば、窒素、或いはアルゴンである。

【００１２】さらに、本発明に係わる圧電体薄膜素子
は、多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜を挟んで
配置される上電極と下電極と、を備えた圧電体薄膜素子
において、前記下電極上に圧電体薄膜を形成する前に、
前記下電極を酸素存在下で熱処理をして構成される。

【００１３】また、本発明に係わる他の圧電体薄膜素子
は、多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体膜を挟んで
配置される上電極と下電極と、を備えた圧電体薄膜素子
ものにおいて、前記下電極近傍の圧電体薄膜中の酸素濃
度と圧電体薄膜の酸素濃度比（ｒ）が０．９以上１．２
以下の範囲にあることを特徴とする。ここで、酸素濃度
（ｒ）は次のように表示される。近傍とは、例えば、10
×10^-9ｍ以内をいう。

【００１４】ｒ＝（圧電体薄膜中の酸素濃度／下電極近
傍の圧電体膜中の酸素濃度）さらに、本発明は、前記圧電体薄膜素子を機械的応力発
生手段として利用するアクチュエータであることを特徴
とする。さらに、本発明は、前記アクチュエータを備え
たインクジェット式記録ヘッドであることを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、本実施の形態で
は、圧電体膜としてＰＺＴ膜を形成した場合について説
明する。

【００１６】（実施の形態１）図１は本発明に係わる圧
電体素子の構成を示す断面図である。この圧電体薄膜素
子は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成
されたシリコン酸化膜１２と、シリコン酸化膜１２上形
成されたチタン膜(Ti/TiO₂/Ti)１３と、下電極(Ti/Pt)
１４上に形成されたＰＺＴ膜１５と、ＰＺＴ膜１５上に
形成された上電極１６を、備えて構成されている。

【００１７】前記下電極１４は、既述のように、製膜時
にはチタン及び酸化チタンの層と組み合わされたプラチ
ナから形成されている。下電極１４をこのような構成に
することで、下電極１４の格子定数とＰＺＴ膜１５の格
子定数が近くできるという理由から、後に形成するＰＺ
Ｔ膜１５との密着性を向上させることができる。

【００１８】シリコン酸化膜１２上に(Ti/TiO₂/Ti)から
なるチタン層を形成するのは、シリコン酸化膜と白金層
との間の密着性を高めるためである。さらに、白金上に
Tiを形成するのは、圧電薄膜を後述のように柱状構造に
するためである。

【００１９】本発明者らは、圧電体薄膜の結晶構造を柱
状構造にすることにより、圧電体特性を向上できること
をかねてより提案している。チタンを白金上に、島状に
形成することにより圧電体薄膜の結晶構造を圧電体特性
を高めるような構造に調整できる。

【００２０】なお、ＰＺＴ製膜後に行われるアニールに
よって、チタン膜の(Ti/TiO₂/Ti)は、Ｐｔ内あるいはＳ
ｉＯ₂内に拡散し下電極の上に特別な層を形成するもの
としては、走査型電子顕微鏡によっても観測されない。

【００２１】ＰＺＴ膜１５は多結晶体からなり、この結
晶体の粒界が、図３，図４に示すように、上下電極１４
及び１６の平面に対して略垂直方向に存在している。す
なわち、ＰＺＴの結晶粒が柱状構造を成している。

【００２２】このＰＺＴ膜１５は、二成分系を主成分と
するもの、この二成分系に第三成分を加えた三成分系を
主成分とするものが好適に用いられる。二成分系ＰＺＴ
の好ましい具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃＋ＹＰｂＯ（ここで、０．４０≦Ｘ≦０．６，０≦Ｙ≦０．３）
の化学式で表わされる組成を有するものが挙げられる。

【００２３】また、三成分系ＰＺＴの好ましい具体例と
しては、前記二成分系のＰＺＴに、例えば、第三成分を
添加した以下に示す化学式で表わされる組成を有するも
のが挙げられる。

【００２４】ＰｂＴｉ_aＺｒ_b(Ａ_gＢ_h)_cＯ₃+ｅＰｂＯ+(ｆＭｇＯ)_n （ここで、Ａは、Ｍｇ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｎ及びＮ
ｉからなる群から選択される２価の金属またはＳｂ，
Ｙ，Ｆｅ，Ｓｃ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｉｎ及びＣｒからなる群
から選択される３価の金属を表す。また、Ｂは、Ｎｂ，
Ｔａ及びＳｂからなる群から選択される５価の金属、ま
たはＷ及びＴｅからなる群から選択される６価の金属を
表す。また、ａ＋ｂ＋ｃ＝１，０．３５≦ａ≦０．５
５，０．２５≦ｂ≦０．５５，０．１≦ｃ≦０．４，
０≦ｅ≦０．３，０≦ｆ≦０．１５ｃ，ｇ＝ｆ＝１
／２，ｎ＝0であるが、但し、Ａが３価の金属であり、
かつＢが６価の金属でなく、また、Ａが２価の金属であ
り、かつＢが５価の金属である場合、ｇは１／３であ
り、ｈは２／３であり、また、ＡはＭｇ、ＢがＮｂの場
合に限り、ｎは１を表す。）三成分系のより好ましい具体例としては、マグネシウム
ニオブ酸鉛、すなわち、ＡがＭｇであり、ＢがＮｂであ
り、ｇが１／３、ｈが２／３であるものが挙げられる。

【００２５】さらに、これら二成分系ＰＺＴ及び三成分
系ＰＺＴのいずれであっても、その圧電特性を改善する
ために、微量のＢａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｓｂ，Ｂｉ，Ｗ，Ｍｏ及びＣａ等が添加されてもよい。
とりわけ、三成分系では、0.10モル％以下のＳｒ，Ｂａ
の添加が圧電特性の改善に一層好ましい。また、三成分
系では、０．１０モル％以下のＭｎ，Ｎｉの添加が、そ
の焼結性を改善するので好ましい。

【００２６】圧電体薄膜１５を形成する過程で、既述の
ような構造を得るために、所定の熱処理が行われる。本
発明者らが検討したところによれば、この熱処理の際に
ＰＺＴ中の酸素が下電極中に拡散する。後述するよう
に、下電極をスパッタリングによって形成すると電極が
ＰＺＴと同様に柱状構造を持つことを確認している。こ
の結晶構造では、結晶粒界に酸素がトラップされる傾向
が強く、また、白金内に拡散したチタンがこの結晶粒界
において酸化物を形成する。

【００２７】そこで、本発明者は、以下に示すように、
ＰＺＴをアニールする前に下電極を酸素存在下で熱処理
を形成することを提案した。図４は、次に述べる方法に
よって形成された圧電体薄膜素子の幅方向の断面を示す
ものであり、加速電圧15kV、引出し電圧4.0kVの条件下
で得られた走査型顕微鏡写真である。

【００２８】これによれば、下電極及び圧電体膜ともほ
ぼ既述した柱状な結晶構造を持っていることが分かる。
下電極中の各結晶粒界に圧電体薄膜中の酸素がトラップ
される。また、下電極の酸素雰囲気下での熱処理によっ
て、白金内に拡散した酸素とＴｉとの化合物が、下電極
中で等分散した丸い粒として現われている。

【００２９】次に、本発明の一実施形態に係わる圧電体
薄膜素子の製造方法について図面を参照して説明する。

【００３０】図５(a)ないし図５(c)は、前述した圧電体
薄膜素子の製造工程を示す断面図である。図５(a)に示
す工程では、シリコン基板１１に熱酸化を行い、シリコ
ン基板１１上に、膜厚が０．３〜１．２μｍ程度のシリ
コン酸化膜１２を形成する。次に、スパッタ法により、
シリコン酸化膜１２上に、全体としての膜厚が、０．０
１μｍ乃至０．０４μｍ程度のＴｉ／ＴｉＯ₂／Ｔｉか
らなるチタン膜１３を形成する。次いで、スパッタ法に
より、チタン膜１３上に、プラチナからなる下電極１４
を、０．２〜０．８μｍ程度の膜厚で形成する。

【００３１】この時のスパッタ条件は次のとおりであ
る。装置としては、直流スパッタ装置を用いた。スパッ
タ圧力条件は、０．４Ｐａである。電圧条件は、Ｐｔの
場合には１ｋｗであり、Ｔｉの場合は２００ｗであり、
ＴｉＯ₂の場合は３００ｗである。雰囲気ガスの条件
は、ＰｔとＴｉの場合はアルゴン中であり、ＴｉＯ₂の
場合はＯ₂／Ａｒ＝１０／９０である。

【００３２】次いで、この製膜途中の素子を拡散炉に入
れて、酸素雰囲気（酸素分圧６０％以上）下、４００乃
至６００℃で３０乃至６０分間加熱する。又は、ＲＴＡ
(Rapid Thermal Annealing)炉にこの素子を入れ、酸素
雰囲気中(流量５L/min)で、温度４００乃至６００℃
で、時間が６０乃至３００秒加熱する。

【００３３】次に、図５(b)に示す工程のように、図５
(a)に示す工程で形成した下電極１４上に、チタンをス
パッタ法により島状に形成する。このチタンを、４０乃
至６０オングストロームの膜厚にすることにより、圧電
体薄膜の結晶構造を１００面に強く配向させることがで
きる。

【００３４】次いで、この上にこのＰＺＴ膜１５を製膜
する。これは例えば、ゾルゲル法によって行う。ここで
は、ゾルゲル法を用いてＰＺＴを８回重ね塗りの多層コ
ートによって製造することとする。このゾルゲル法は次
のとおりである。

【００３５】この製造方法は、ＰＺＴ膜１５を形成可能
な金属成分の水酸化物の水和錯体、すなわちゾルを脱水
処理してゲルとし、このゲルを加熱焼成して無機酸化物
を調整する方法である。この製造方法は次の各工程から
なる。

【００３６】ａ．ゾル組成物の成膜工程本実施の形態において、ＰＺＴ膜を構成する金属成分の
ゾルは、ＰＺＴ膜を形成可能な金属のアルコキシドまた
はアセテートを、例えば酸で加水分解して調整すること
ができる。本発明においては、ゾル中の金属の組成を制
御することで、前述したＰＺＴ膜の組成を得ることがで
きる。すなわち、チタン、ジルコニウム、鉛、さらには
他の金属成分のそれぞれのアルコキシドまたはアセテー
トを出発原料とする。

【００３７】ここでは、最終的にＰＺＴ膜（圧電体薄
膜）とされるまでに、ＰＺＴ膜を構成する金属成分の組
成がほぼ維持されるという利点がある。すなわち、焼成
およびアニール処理中に金属成分、とりわけ鉛成分の蒸
発等による変動が極めて少なく、したがって、これらの
出発原料における金属成分の組成は、最終的に得られる
ＰＺＴ膜中の金属組成と一致することになる。つまり、
ゲルの組成は生成しようとする圧電体膜（本実施の形態
ではＰＺＴ膜）に応じて決定される。

【００３８】また、本実施の形態では、前述した鉛成分
が過剰となるＰＺＴ膜を得るため、ゾルにおいて鉛成分
を化学量論から要求される量よりも２０モル％まで好ま
しくは１５モル％まで過剰にすることが好ましい。

【００３９】本実施の形態では、このゾルは有機高分子
化合物と混合された組成物として用いられるのが好まし
い。この有機高分子化合物は、乾燥及び焼成時に薄膜の
残留応力を吸収して、この薄膜にクラックが生じること
を有効に防止する。具体的には、この有機高分子を含む
ゲルを用いると、後述するゲル化された薄膜に細孔が生
じる。この細孔が、さらに後述するプレアニール及びア
ニール工程において薄膜の残留応力を吸収するものと考
えられる。ここで、好ましく用いられる有機高分子化合
物としては、ポリ酢酸ビニル、ヒドロキシプロピルセル
ロース、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコ
ールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコール、
ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアミド、
ポリアミク酸、アセチルセルロース及びその誘導体、な
らびにそれらの共重合体が挙げられる。

【００４０】なお、本実施の形態では、ポリ酢酸ビニル
を添加することで、０．０５μｍ程度の細孔を多数有す
る多孔質ゲル薄膜を、ヒドロキシプロピルセルロースを
添加することで、１μｍ以下の大きさでかつ広い分布を
持った多孔質ゲル薄膜を形成することができる。

【００４１】本実施の形態では、ポリエチレングリコー
ルとして、平均分子量２８５〜４２０程度のものが好適
に用いられる。また、ポリプロピレングリコールとして
は、平均分子量３００〜８００程度のものが好適に用い
られる。

【００４２】本実施の形態に係る製造方法では、先ず、
このゾル組成物をＰＺＴ膜１５を形成しようとする下電
極１４（図５(b)参照）上に塗布する。この時の塗布方
法は特に限定されず、通常行われている方法、例えば、
スピンコート、ディップコート、ロールコート、バーコ
ート等によって行うことができる。また、フレキソ印
刷、スクリーン印刷、オフセット印刷等によって塗布す
ることもできる。

【００４３】また、前記塗布により形成される膜の厚さ
は、それ以降の工程を考慮すると、後述するゲル化工程
において形成される多孔質ゲル薄膜の厚さが0.3μｍ以
下となるように制御することが望ましく、より好ましく
は0.2μｍ程度とすることがよい。

【００４４】次に、塗布されたゾル組成物を自然乾燥、
または２００℃以下の温度で加熱する。ここで、この乾
燥（加熱）された膜上に、前記ゾル組成物をさらに塗布
して膜厚を厚くすることもできる。この場合は、下地と
なる膜は、８０℃以上の温度で乾燥されることが望まし
い。

【００４５】ｂ．ゾル組成物からなる膜のゲル化工程次に、前述したゾル組成物の成膜工程で得た膜を焼成
し、残留有機物を実質的に含まない非晶質の金属酸化物
からなる多孔質ゲル薄膜を形成する。

【００４６】焼成は、ゾル組成物の膜をゲル化し、かつ
膜中から有機物を除去するのに十分な温度で、十分な時
間加熱することによって行う。本実施の形態では、焼成
温度を３００〜４５０℃にすることが好ましく、３５０
〜４００℃にすることがさらに好ましい。

【００４７】焼成時間は、温度及び使用する炉の形式に
よって変化するが、例えば、脱脂炉を用いた場合には、
１０〜１２０分程度が好ましく、１５〜６０分程度とす
ることがより好ましい。また、ホットプレートを用いた
場合には、１〜６０分程度が好ましく、５〜３０分程度
とすることがさらに好ましい。

【００４８】以上の工程によって、下電極１４上に多孔
質ゲル薄膜が形成された。

【００４９】ｃ．プレアニール工程次に、前述した工程ｂで得た多孔質ゲル薄膜を加熱焼成
し、この膜を結晶質の金属酸化膜からなる膜に変換す
る。

【００５０】焼成は、多孔質ゲル薄膜を結晶質の金属酸
化物からなる膜に変換するために必要な温度で行うが、
結晶中にペロブスカイト型結晶が大部分を占めるまで行
う必要はなく、ゲル薄膜が均一に結晶化した時点で終了
させればよい。本実施の形態では、焼成温度として４０
０〜８００℃の範囲が好ましく、５５０〜７５０℃の範
囲で焼成することが、より好ましい。焼成時間は、焼成
温度及び使用する炉の形式によって変化するが、例えば
アニール炉を使用する場合は、０．１〜５時間程度が好
ましく、０．５〜２時間程度がより好ましい。また、Ｒ
ＴＡ（Rapid Thermal Annealing)炉を用いた場合、
０．１〜１０分程度が好ましく、１〜５分程度がより好
ましい。

【００５１】また、本実施の形態では、このプレアニー
ル工程を二段階に分けて実施することができる。具体的
には、先ず、第一段階として、４００〜６００℃の範囲
の温度でアニールを行い、次に、第二段階として、６０
０〜８００℃の範囲の温度でアニールを行うことができ
る。また、さらに好ましくは、第一段階として、４５０
〜５５０℃の範囲の温度でアニールを行い、次に、第二
段階として、６００〜７５０℃の範囲の温度でアニール
を行うことができる。

【００５２】この工程によって、多孔質ゲル薄膜を結晶
質の金属酸化膜からなる膜に変換させた。

【００５３】ｄ．繰り返し工程次に、以後、前述した工程ａ、ｂをさらに３回繰り返
し、多孔質ゲル薄膜を４層積層した後、工程Ｃのプレア
ニール工程により金属酸化膜からなる膜変換する。次
いで、島状のチタンをＰＺＴ上に既述の方法によって島
状に形成し、既述の工程ａ、ｂをさらに４回繰り返す。

【００５４】この繰り返し工程の結果得られる積層膜の
積層数は、最終的なＰＺＴ膜１５の膜厚を考慮して適宜
決定すればよい。ここでは、一層当たり０．１５μｍで
あることが良い。なお、後述する次工程（工程ｅ）にお
いてクラック等が発生しない膜厚であることが好ましい
ことは言うまでもない。

【００５５】この繰り返し工程では、先に形成した膜上
に新たに多孔質ゲル薄膜を形成し、その後のプレアニー
ルの結果、新たに形成された多孔質ゲル薄膜は、先に形
成された膜と実質的に一体化された膜となる。

【００５６】ここで、実質的に一体化された膜とは、積
層された層間に不連続層がない場合のみならず、本実施
の形態に係る最終的に得られるＰＺＴ膜１５の場合と異
なり、積層された層間に不連続層があってもよい。そし
て、さらに工程ａ、ｂ及びｃを繰り返す場合には、さら
に新たな多孔質ゲル薄膜が形成され、その後のプレアニ
ールの結果、この新たな多孔質ゲル薄膜は、前記で得た
結晶質の積層膜と実質的に一体化された膜となる。

【００５７】ｅ．ペロブスカイト型結晶成長工程次に、前記工程ｄで得た膜に、焼成温度６００〜１２０
０℃、さらに好ましくは８００〜１０００℃の範囲でア
ニールを行う。焼成時間は、焼成温度や、使用する炉の
形式によって変化するが、例えば、アニール炉を用いた
場合、０．１〜５時間程度が好ましく、０．５〜２時間
程度がより好ましい。また、ＲＴＡ炉を用いた場合に
は、０．１〜１０分程度が好ましく、０．５〜３分程度
がより好ましい。

【００５８】また、本実施の形態では、このペロブスカ
イト型結晶成長工程、すなわち、アニールを二段階に分
けて実施するできる。具体的には、第一段階では、６０
０〜８００℃程度の温度でアニールを行い、第二段階で
は、８００〜１０００℃の温度でアニールを行う。ま
た、さらに好ましくは、第一段階では、６００〜７５０
℃程度の温度でアニールを行い、第二段階では、８００
〜９５０℃の温度でアニールを行うことができる。

【００５９】以上の操作によって、下電極１４上に、チ
タンを核として成長した柱状の多結晶体からなる、膜厚
が１．２μｍのＰＺＴが形成される。

【００６０】次に、下電極形成後圧電体薄膜を形成する
に先だって、既述の熱処理を行った場合（本発明法）
と、それを行わなかった以外は全て同一条件にした場合
（比較法）との圧電特性の比較について示す。

【００６１】このように、本発明法によれば、いずれも従来法に比較
して圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を得ることができ
る。本発明者が、本発明法によって得られた圧電体薄膜
素子において、圧電体薄膜中の酸素濃度と下電極近傍１
０ｎｍ付近の圧電体膜中の酸素濃度を比較したところ、
下電極近傍の圧電体膜中の酸素濃度が圧電体薄膜中のそ
れに比較して大きく、前記比（ｒ）が０．９５であった
ことを確認した。また、下電極近傍の圧電体膜中の酸素
濃度は、３５原子％であった。

【００６２】本発明者が鋭意検討したところ、両者の酸
素濃度の比（ｒ）は０．９乃至１．２の範囲であること
が好ましく、また、下電極近傍中の酸素濃度は、３０乃
至６０原子％の範囲であることが好ましい。これに対し
て従来法のこれらの特性は、比（ｒ）が０．６７程度で
あって、本発明とは異なりＰＺＴ膜中の酸素濃度の低下
が顕著に観察された。なお、これらの酸素濃度の測定
は、次のようにして行った。

【００６３】圧電体薄膜を低角イオンミリング装置にて
薄膜断片化し、これをＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）にて
組成分析した。用いた装置、低角イオンミリングはシ゛ャハ
゜ンフィシ゛テックアント゛ハンク゛レイリンタ゛社製であり、ＴＥＭは、
フィリップ社製のＦＥＧ−ＣＭ２００ＴＥＭである。
尚、ＴＥＭによるＸＥＤＸ観察の際の印加電圧は２００
ｋＶである。

【００６４】測定結果は、４点の平均を取ったデータで
あり次のとおりである。

【００６５】（データの単位は原子％である。）本発明によれば、圧電定数（ｄ₃₁）を２０〜３０％、従
来のものに比べて向上できる。

【００６６】以上により図５(ｂ）の工程を終了し、次
に図５(c)に示す工程に移行する。この工程では図５(b)
に示す工程で得たＰＺＴ膜１５上に、スパッタ法によっ
て、膜厚が、０．２〜１．０μｍ程度のアルミニウムか
らなる上電極１６を形成する。

【００６７】このようにして、図２に示すような圧電体
薄膜素子を得た。なお、得られたＰＺＴ膜１５には、ク
ラックの発生がなく、また断面には積層による層状の不
連続面も存在していないことが確認された。

【００６８】図６は、本発明に係る圧電体薄膜素子を振
動子として使用したインクジェット式記録ヘッドの一つ
のインク溜め部分を示す断面図である。

【００６９】実施の形態３に係るインクジェット式記録
ヘッドは、図６に示すように、インク溜め２７が形成さ
れたシリコン基板２１と、シリコン基板２１上に形成さ
れた振動板２２と、振動板２２上の所望位置に形成され
た下電極２３と、下電極２３上であって、インク溜め２
７に対応した位置に形成された圧電体薄膜２４と、圧電
体薄膜２４上に形成された上電極２５と、シリコン基板
２１の下面に接合された第２の基板２６と、を備えて構
成されている。

【００７０】下電極２３は、実施の形態２で説明した下
電極と同様の構成を有している。また、圧電体薄膜２４
は、実施の形態１で説明したＰＺＴ膜と同様の構成を有
している。

【００７１】このインクジェット式記録ヘッドは、図示
しないインク流路を介してインク溜め２７にインクが供
給される。ここで、下電極２３と上電極２５とを介し
て、圧電体膜２４に電圧を印加すると、圧電体膜２４が
変形してインク溜め２７内のインクに圧力を加える。こ
の圧力によって、インクが図示しないノズルから吐出さ
れ、インクジェット記録を行う。

【００７２】ここで、このインクジェット式記録ヘッド
は、既述の圧電特性に優れた圧電体薄膜素子を振動子と
して用いているため、大きな圧力でインクを吐出させる
ことができる。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る圧電
体薄膜素子の製造方法によれば、圧電体薄膜素子を形成
する過程において、圧電体薄膜中の酸素濃度の低下を防
ぐことにより、圧電体特性に優れた圧電体薄膜を提供す
ることができる。

【００７４】また、本発明によれば、圧電体薄膜中の酸
素濃度の低下を防ぐことにより、圧電体特性に優れた圧
電体薄膜を提供することができる。

【００７５】さらに、本発明によれば、この圧電体薄膜
を備えたアクチュエータ、特にインクジェット式記録ヘ
ッドを提供するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る圧電体薄膜素子の
断面図である。

【図２】実施の形態１に係る圧電体薄膜素子を構成する
ＰＺＴ膜の断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真
である。

【図３】図２に示すＰＺＴ膜の平面を示す走査型電子顕
微鏡写真である。

【図４】本発明の製造工程によって得られた圧電体薄膜
素子の断面を示す走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図５】(a)ないし(c)は、前述した圧電体薄膜素子の製
造工程を示す断面図である。

【図６】本発明に係る圧電体薄膜素子を振動子として使
用したインクジェット式記録ヘッドの一つのインク溜め
部分を示す断面図である。

【符号の説明】

１１、２１シリコン基板１２シリコン酸化膜１３チタン酸化膜１４、２３下電極１４Ｂチタン種結晶１５ＰＺＴ膜１６、２５上電極２２振動板２４圧電体薄膜２６基板２７インク溜り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体膜を挟んで上電極と下電極とを形
成するものであって、この下電極上に前記圧電体を形成
後熱処理する圧電体薄膜の製造方法において、前記下電
極形成後圧電体薄膜形成前に酸素雰囲気下で熱処理する
ことを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項２】前記酸素雰囲気が、酸素分圧６０％以上
である請求項１記載の方法。
【請求項３】多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体
膜を挟んで配置される上電極と下電極と、を備えた圧電
体薄膜素子において、前記下電極上に圧電体薄膜を形成
する前に、前記下電極を酸素存在下で熱処理してなる圧
電体薄膜素子。
【請求項４】多結晶体からなる圧電体膜と、該圧電体
膜を挟んで配置される上電極と下電極と、を備えた圧電
体薄膜素子において、前記下電極近傍の圧電体の酸素濃
度と圧電体薄膜の酸素濃度比（ｒ）が0.9以上1.2以下の
範囲にあることを特徴とする圧電体薄膜素子。ｒ＝（圧電体薄膜中の酸素濃度／下電極近傍の圧電体膜
中の酸素濃度）
【請求項５】前記請求項３又は４記載の圧電体薄膜素
子を機械的応力発生手段として利用するアクチュエー
タ。
【請求項６】前記請求項５記載のアクチュエータを備
えたインクジェット式記録ヘッド。