(57)【要約】【課題】誘電体薄膜素子において、誘電体薄膜の内部応力を緩和する。【解決手段】基板２１と、基板２１上に形成された第１の電極２２と、第１の電極２２上に形成された誘電体薄膜１０と、誘電体薄膜１０上に形成された第２の電極３を備えた誘電体薄膜素子１６であって、誘電体薄膜１０は、圧電性を有する圧電層１０ａと、第１の電極２２および第２の電極３と電気的に絶縁され、圧電層１０ａよりもヤング率の小さな応力緩和層１０ｂとを有する構成とする。【選択図】図５
2004128492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
　前記誘電体薄膜は、
　圧電性を有する圧電層と、
　前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に絶縁され、前記圧電層よりもヤング率の小さな応力緩和層とを有することを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
前記圧電層は、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体であることを特徴とする請求項１記載の圧電体薄膜素子。
【請求項３】
前記圧電層は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜であることを特徴とする請求項１記載の圧電体薄膜素子。
【請求項４】
前記応力緩和層は、白金系貴金属を主成分とする金属またはその酸化物であることを特徴とする請求項１、２または３記載の圧電体薄膜素子。
【請求項５】
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
　前記誘電体薄膜は、
　圧電性を有する圧電機能膜と、
　前記圧電機能膜と熱膨張係数の異なる応力緩和機能膜とを有することを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項６】
前記圧電機能膜および前記応力緩和機能膜は、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体であることを特徴とする請求項５記載の圧電体薄膜素子。
【請求項７】
前記圧電機能膜および前記応力緩和機能膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜であり、前記圧電機能膜はｙ＝０．５〜０．６、前記応力緩和機能膜はｙ＝０．１〜０．３であることを特徴とする請求項５記載の圧電体薄膜素子。
【請求項８】
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
　前記誘電体薄膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表される組成を有し、前記基板の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．４〜０．５であり、前記基板の熱膨張係数が６０〜１５０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．５〜０．７であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項９】
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成されたペロブスカイト型酸化物で正方晶相を含有する誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
　前記基板の熱膨張係数をαｓ、前記誘電体薄膜の熱膨張係数をαｆとし、α＝αｓ／αｆとしたとき、
　０．３＜α＜０．７の場合には前記誘電体薄膜のｃ軸配向率が１０〜４０％であり、１＜α＜２．５の場合には前記誘電体薄膜のｃ軸配向率が６０〜１００％であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項１０】
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、
　前記誘電体薄膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されて正方晶相を含有し、前記基板の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合には前記誘電体薄膜のｃ軸配向率が１０〜４０％であり、前記基板の熱膨張係数が６０〜１００×１０-7（Ｋ-1）の場合には前記誘電体薄膜のｃ軸配向率が６０〜１００％であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の圧電体薄膜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１２】
請求項１１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１３】
請求項１２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、圧電素子、焦電型赤外線検出素子、不揮発性メモリ、電気光学効果素子等に用いられる圧電体薄膜素子に関する。具体的には、圧電性誘電体の圧電効果を利用したアクチュエータ、それを用いたインクジェットヘッド、ならびにそのインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、圧電素子、赤外線センサ、光変調素子、メモリ素子などさまざまなものがある。マイクロマシン加工技術の発達、各種機器の小型・軽量化の要望に伴い、これらの誘電体材料を用いた各種薄膜デバイスは、薄膜化技術・微細加工技術により実用化されつつある。
【０００３】
　図１２は従来の圧電体薄膜素子（Ｉ．Ｋａｎｎｏ　ｅｔ．ａｌ：　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔ．　７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０）を示す構成の一例を示す断面図である。すなわち、図１２の圧電体薄膜素子９０は、ＭｇＯ単結晶の基板９１上に第１の電極としてＰｔ下部電極膜９２、ＰＺＴ圧電性誘電体薄膜９３、第２の電極としてＰｔ上部電極膜９４を順次形成した構成である。例えば、電極膜、誘電体膜や基板を加工することなどにより、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどへ応用される。
【非特許文献１】Ｉ．Ｋａｎｎｏ　ｅｔ．ａｌ：　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔ．　７０（１９９７）ｐ１３７８−１３８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　ここで、圧電体薄膜素子９０は、薄膜形成において５００℃〜７００℃の結晶化処理が必要である。そのため、室温に冷却する過程で、ＰＺＴ圧電性誘電体薄膜９３とこれを支持する基板９１との熱膨張係数差により、ＰＺＴ誘電体薄膜９３には圧縮もしくは引っ張りの内部応力が発生する。
【０００５】
　このために機械的強度が低下して、連続変位させるとＰＺＴ圧電性誘電体薄膜９３にクラックが発生したり、絶縁破壊を誘発する問題がある。
【０００６】
　そこで、本発明は、誘電体薄膜の内部応力を緩和することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　この課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、圧電性を有する圧電層と、第１の電極および第２の電極と電気的に絶縁され、圧電層よりもヤング率の小さな応力緩和層とを有するものである。
【０００８】
　また、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、圧電性を有する圧電機能膜と、圧電機能膜と熱膨張係数の異なる応力緩和機能膜とを有するものである。
【０００９】
　さらに、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表される組成を有し、基板の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．４〜０．５とし、基板の熱膨張係数が６０〜１５０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．５〜０．７としたものである。
【００１０】
　そして、本発明の圧電体薄膜素子は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成されたペロブスカイト型酸化物で正方晶相を含有する誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、基板の熱膨張係数をαｓ、誘電体薄膜の熱膨張係数をαｆとし、α＝αｓ／αｆとしたとき、０．３＜α＜０．７の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が１０〜４０％とし、１＜α＜２．５の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が６０〜１００％としたものである。
【００１１】
　これによれば、誘電体薄膜の内部応力を緩和することが可能になり、誘電体薄膜の機械的強度を保持できて、クラックや絶縁破壊の発生が防止される。
【発明の効果】
【００１２】
　以上のように、本発明によれば、誘電体薄膜を多層構造としているので、あるいは基板の熱膨張係数に応じて誘電体薄膜の組成を調整しているので、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層により緩和することが可能になるという有効な効果が得られる。
【００１３】
　このような圧電体薄膜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。
【００１４】
　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。
【００１５】
　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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
　本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、圧電性を有する圧電層と、第１の電極および第２の電極と電気的に絶縁され、圧電層よりもヤング率の小さな応力緩和層とを有する圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００１７】
　本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、圧電層は、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体である圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００１８】
　本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、圧電層は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜である圧電体薄膜素子で
あり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００１９】
　本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３記載の発明において、応力緩和層は、白金系貴金属を主成分とする金属またはその酸化物である圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２０】
　本発明の請求項５に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、圧電性を有する圧電機能膜と、圧電機能膜と熱膨張係数の異なる応力緩和機能膜とを有する圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和機能膜により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２１】
　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、圧電機能膜および応力緩和機能膜は、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体である圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和機能膜により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２２】
　本発明の請求項７に記載の発明は、請求項５記載の発明において、圧電機能膜および応力緩和機能膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜であり、圧電機能膜はｙ＝０．５〜０．６、応力緩和機能膜はｙ＝０．１〜０．３である圧電体薄膜素子であり、誘電体薄膜に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和機能膜により緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２３】
　本発明の請求項８に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表される組成を有し、基板の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．４〜０．５であり、基板の熱膨張係数が６０〜１５０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．５〜０．７である圧電体薄膜素子であり、基板の熱膨張係数によって誘電体薄膜の組成を選択しているので、薄膜形成において加熱された基板を室温に冷却したときに誘電体薄膜に発生する内部応力を緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２４】
　本発明の請求項９に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成されたペロブスカイト型酸化物で正方晶相を含有する誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電体薄膜素子であって、基板の熱膨張係数をαｓ、誘電体薄膜の熱膨張係数をαｆとし、α＝αｓ／αｆとしたとき、０．３＜α＜０．７の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が１０〜４０％であり、１＜α＜２．５の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が６０〜１００％である圧電体薄膜素子であり、基板の熱膨張係数に応じて誘電体薄膜のｃ軸配向率を制御して誘電体基板自体の熱膨張係数を制御しているので、薄膜形成において加熱された基板を室温に冷却したときに誘電体薄膜に発生する内部応力を緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２５】
　本発明の請求項１０に記載の発明は、基板と、基板上に形成された第１の電極と、第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に形成された第２の電極を備えた圧電
体薄膜素子であって、誘電体薄膜は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されて正方晶相を含有し、基板の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が１０〜４０％であり、基板の熱膨張係数が６０〜１００×１０-7（Ｋ-1）の場合には誘電体薄膜のｃ軸配向率が６０〜１００％である圧電体薄膜素子であり、基板の熱膨張係数に応じて誘電体薄膜のｃ軸配向率を制御して誘電体基板自体の熱膨張係数を制御しているので、薄膜形成において加熱された基板を室温に冷却したときに誘電体薄膜に発生する内部応力を緩和することが可能になるという作用を有する。
【００２６】
　本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０の何れか一項に記載の圧電体薄膜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。
【００２７】
　本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１１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。
【００２８】
　本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１２記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置であり、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。
【００２９】
　以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。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。
【００３０】
　（実施の形態１）
　図１は本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット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は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図、図６は本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図である。
【００３１】
　図１に示すインクジェット記録装置４０は、圧電体薄膜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。
【００３２】
　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。さらに、インクジェット記録装置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。
【００３３】
　図２は図１のインクジェット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を示し、図３は図２の要部を示す斜視図を示す。
【００３４】
　図２および図３において、Ａは圧力室部品であって、圧力室用の開口部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およ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
置する個別電極である第２の電極３が配置されている。これ等圧力室２および第２の電極３は、図２から判るように、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を介して多数の第２の電極３に対して電圧を供給する。
【００３５】
　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。
【００３６】
　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。
【００３７】
　このアクチュエータ部Ｂは、各圧力室２の上方に位置する第２の電極３、この第２の電極３の直下に位置する誘電体薄膜１０、この誘電体薄膜１０の圧電効果により変位し振動する振動板兼共通電極１１とを有する。
【００３８】
　振動板兼共通電極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である第１の電極を兼用する。さらに、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。
【００３９】
　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が振動板兼共通電極１１に付着せず、振動板兼共通電極１１が所期通りの変位、振動を起こすように、圧力室２の上面と振動板兼共通電極１１の下面との距離を拡げる役割を持つ。
【００４０】
　そして、第２の電極３、誘電体薄膜１０および振動板兼共通電極１１で圧電体薄膜素子が構成されている。なお、ここでは振動板と共通電極（第１の電極）とが兼用されているが、両者は別体になっていてもよい。そして、図５以下においては、第１の電極が振動板と別体になった状態が示されている。
【００４１】
　第２の電極３は例えばＰｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｐｄ（パラジウム）などの白金系貴金属を主成分とする金属またはその酸化物で、振動板兼共通電極１１は例えばＰｔ（白金）、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。
【００４２】
　なお、以上説明した構造は、実施の形態２〜４においても共通のものになっている。したがって、各実施の形態での重複した説明は省略する。
【００４３】
　図５に示す圧電体薄膜素子１６は、たとえばシリコン等から形成された基板２１と、この基板２１の上に第１の電極２２としてたとえばＰｔ電極膜を配置し、その上に誘電体薄膜１０を配置し、その上に第２の電極３としてたとえばＰｔ電極膜を配置したものである。
【００４４】
　誘電体薄膜１０は、たとえばＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜である圧電層１０ａと、圧電層１０ａよりもヤング率の小さな応力緩和層１０ｂとからなる。応力緩和層１０ｂは第１の電極２２および第２の電極３と電気的に絶縁されて２層形成されており、その膜厚はたとえば０．０３〜０．３μｍとなっている。但し、膜
厚はこの数値に限定されるものではなく、また積層数は１層以上であればよい。
【００４５】
　そして、誘電体薄膜１０の壁面には、応力緩和層１０ｂ間の電気的短絡を防止するための絶縁材１５が形成されている。
【００４６】
　ここで、以下に説明する場合を含め、基板２１は、シリコン以外にも、たとえばＳＵＳ（ステンレス）、ガラス、ＭｇＯ単結晶などを用いることができる。
【００４７】
　また、圧電層１０ａは前述したＰＺＴ膜に限定されるものではなく、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体を用いることができる。また、望ましくは、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜を、さらに望ましくは、Ｐｂ系ペロブスカイト型酸化物固溶体を用いることができる。なお、Ｐｂ系ペロブスカイト型酸化物固溶体には、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/2，Ｗ1/2）Ｏ3、Ｐｂ（Ｚｎ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｃｄ1/2，Ｗ1/2）Ｏ3、Ｐｂ（Ｆｅ2/3，Ｗ1/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｙｂ1/2，Ｎｂ1/2）Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3とこれらの固溶体、ＰｂＺｒＯ3とこれらの固溶体がある。
【００４８】
　そして、応力緩和層１０ｂには、たとえばＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｐｄなどの延展性を有する白金系貴金属を主成分とする金属またはその酸化物などを用いることができる。
【００４９】
　次に、上記の圧電体薄膜素子１６の形成方法について、図１３〜１８を用いて、説明する。
【００５０】
　まず、たとえば６００〜６５０℃程度まで加熱した基板２１上にＰｔ膜０．２μｍとＰＺＴ膜１μｍを順次形成して積層し、これをさらに２回繰り返し、最後にＰｔ膜０．２μｍを形成する。
【００５１】
　成膜装置としてはＲＦマグネトロンスパッタ装置が用いられる。Ｐｔ膜はＡｒガス、０．３Ｐａ程度、基板温度６５０℃近傍で成膜し、ＰＺＴ膜はＡｒに酸素分圧１０％のＡｒ混合ガス、０．３Ｐａ程度、基板温度６２０℃近傍で成膜する。
【００５２】
　基板２１上のＰｔ膜１０ａａは第１の電極２２として、ＰＺＴ膜１０ｂａ，１０ｂｂ，１０ｂｃは圧電層１０ａとして、積層膜内部のＰｔ膜１０ａｂ，１０ａｃは応力緩和層１０ｂとして機能する。
【００５３】
　次に、図１６に示すように、誘電体薄膜１０の最上部のＰｔ膜１０ｂｄをフォトリソエッチングをして、互いに独立した複数の第２の電極３を形成する。
【００５４】
　さらに、図６および図１７に示すように、圧電層１０ａと応力緩和層１０ｂをエッチングして、圧電層１０ａと応力緩和層１０ｂに壁面１０ｅを形成し、図１８に示すように、その壁面に絶縁材１５を形成する。絶縁材１５は応力緩和層１０ｂの間の電気的短絡を防ぐためであり、レジスト、ポリイミドなどの有機樹脂や、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの無機材料を用いて、通常の半導体製造プロセスで形成することができる。
【００５５】
　なお、図６に示す膜面積を変えて電気的短絡を防止してもよい。
【００５６】
　以上説明した実施例では、圧電体薄膜素子１６は、薄膜形成において加熱された基板２
１が室温に冷却する過程で基板２１との熱膨張係数差により誘電体薄膜１０に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和層１０ｂにより緩和することが可能になる。これにより、誘電体薄膜１０の機械的強度を保持でき、クラックや絶縁破壊の発生を防止することができる。
【００５７】
　（実施の形態２）
　図７は本発明の実施の形態２における圧電体薄膜素子を示す断面図、図８はＰｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についての常温下での組成と格子定数との関係を示すグラフ、図９はＰｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についてのｙ＜０．６での温度と格子定数との関係を示すグラフ、図１０はＰｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についての組成と熱膨張係数との関係を示すグラフである。
【００５８】
　図示する圧電体薄膜素子２０は、たとえば基板２１と、この基板２１の上に配置された第１の電極２２と、その上に配置された誘電体薄膜１０と、その上に配置された第２の電極３とを備えている。第１の電極２２と第２の電極３は、Ｐｔ、Ｉｒ，Ｒｕ，ＯｓおよびＰｄ等の金属材料もしくはそれらの合金、酸化物で形成される。
【００５９】
　誘電体薄膜１０は、たとえばＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3の組成を有する圧電性のＰＺＴ膜である圧電機能膜１０ｃと、圧電機能膜１０ｃと熱膨張係数の異なる応力緩和機能膜１０ｄとからなる。応力緩和機能膜１０ｄは圧電機能膜１０ｃと第１の電極２２との間に形成されており、その膜厚はたとえば０．０３〜０．３μｍとなっている。但し、膜厚はこの数値に限定されるものではなく、また積層数は１層以上であればよい。
【００６０】
　また、圧電機能膜１０ｃおよび圧力緩和機能膜１０ｄは前述したＰＺＴ膜に限定されるものではなく、ＡＢＯ3の化学式で表され、ＡとしてＰｂ，Ｂａ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｎａ，Ｋから選ばれる少なくとも一種の元素を含有し、ＢとしてＣｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｗ，Ｙｂから選ばれる少なくとも一種の元素を含有するペロブスカイト型酸化物固溶体を用いることができる。また、望ましくは、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜を、さらに望ましくは、Ｐｂ系ペロブスカイト型酸化物固溶体を用いることができる。なお、Ｐｂ系ペロブスカイト型酸化物固溶体には、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｍｇ1/2，Ｗ1/2）Ｏ3、Ｐｂ（Ｚｎ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｃｄ1/2，Ｗ1/2）Ｏ3、Ｐｂ（Ｆｅ2/3，Ｗ1/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｙｂ1/2，Ｎｂ1/2）Ｏ3、ＰｂＴｉＯ3とこれらの固溶体、ＰｂＺｒＯ3とこれらの固溶体がある。
【００６１】
　ここで、圧電機能膜１０ｃおよび応力緩和機能膜１０ｄにＰｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表されるＰＺＴ膜を用いた場合、図８に示すように組成によって格子定数が変化し、図９に示すように温度によっても格子定数が変化する。そのため、ランダム配向のＰＺＴ膜の熱膨張係数は、図１０に示すように、組成によって連続的に変化しており、極性がｙ＝０．２５の前後で変化する。この特徴を利用して、圧電機能膜１０ｃをｙ＝０．５〜０．６、応力緩和機能膜１０ｄをｙ＝０．１〜０．３とすることにより、圧電機能膜１０ｃと応力緩和機能膜１０ｄとの熱膨張係数を異ならせることができる。
【００６２】
　次に、上記の圧電体薄膜素子２０の形成方法について説明する。
【００６３】
　まず、たとえば６００℃まで加熱した基板２１上に、第１の電極２２となるＰｔ膜、応力緩和機能膜１０ｄとなるＰＺＴ膜、圧電機能膜１０ｃとなるＰＺＴ膜を順次形成し、最後に第２の電極３となるＰｔ膜を形成する。
【００６４】
　成膜装置としてはＲＦマグネトロンスパッタ装置が用いられる。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℃で成膜する。
【００６５】
　このような構成の圧電体薄膜素子２０によれば、薄膜形成において加熱された基板２１が室温に冷却する過程で基板２１との熱膨張係数差により誘電体薄膜１０に内部応力が発生しても、当該内部応力を応力緩和機能膜１０ｄにより緩和することが可能になる。これにより、誘電体薄膜１０の機械的強度を保持でき、クラックや絶縁破壊の発生を防止することができる。
【００６６】
　図示する圧電体薄膜素子３０は、たとえばシリコン基板２１と、この基板２１の上に第１の電極２２としてたとえばＰｔ電極膜を配置し、その上に誘電体薄膜１０を配置し、その上に第２の電極３としてたとえばＰｔ電極膜を配置したものである。
【００６７】
　ここで、誘電体薄膜１０は、Ｐｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表される組成を有している。そして、基板２１の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．４〜０．５の組成とされ、基板２１の熱膨張係数が６０〜１５０×１０-7（Ｋ-1）の場合にはｙ＝０．５〜０．７の組成とされている。
【００６８】
　すなわち、基板２１の熱膨張係数が２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合には、ＰＺＴ膜である誘電体薄膜１０は基板２１から引張応力を受ける。そこで、ｙ＝０．４〜０．５の組成とすれば、高温から室温に近づくにつれて結晶構造における結晶の異方性（ｃ／ａ）が大きくなる。従って、基板２１から引張応力を受けるとそれを緩和する方向に異方性が変化して、誘電体薄膜１０が受ける引張応力は緩和される。
【００６９】
　また、基板２１の熱膨張係数が６０〜１５０×１０-7（Ｋ-1）の場合には、ＰＺＴ膜である誘電体薄膜１０は圧縮応力を受ける。この場合は応力調整の必要がないので、ＰＺＴ膜の圧電性が最も高いｙ＝０．５〜０．７を用いればよい。
【００７０】
　次に、上記の圧電体薄膜素子３０の形成方法について説明する。
【００７１】
　まず、たとえば６００℃まで加熱した基板２１上に、第１の電極２２となるＰｔ膜、誘電体薄膜１０となるＰｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）から作成されたＰＺＴ膜を基板２１の熱膨張係数に応じて「ｙ」を調整しながら形成し、第２の電極３となるＰｔ膜を順次形成する。
【００７２】
　成膜装置としてはＲＦマグネトロンスパッタ装置が用いられる。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℃で成膜する。このときＹのコントロールする方法は、基板２１の熱膨張係数に応じて、ターゲット材料中のＴｉもしくはＺｒの組成比を変化させることにより行うことができる。
【００７３】
　このような構成の圧電体薄膜素子３０によれば、基板２１の熱膨張係数によって誘電体薄膜１０の組成を選択しているので、薄膜形成において加熱された基板２１を室温に冷却したときに誘電体薄膜１０に発生する内部応力を緩和することが可能になる。これにより、誘電体薄膜１０の機械的強度を保持でき、クラックや絶縁破壊の発生を防止することができる。
【００７４】
　（実施の形態３）
　本実施の形態の圧電体薄膜素子３０の構造は前述した実施の形態３の圧電体薄膜素子の構造と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００７５】
　本実施の形態における誘電体薄膜１０は、たとえばＰｂ1+x（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3（ｘ＝０〜０．５）で表される正方晶相を含有するペロブスカイト型酸化物で多結晶ＰＺＴ膜（ランダム方位）である。
【００７６】
　そして、基板２１の熱膨張係数をαｓ、誘電体薄膜１０の熱膨張係数をαｆとし、α＝αｓ／αｆとしたとき、０．３＜α＜０．７の場合には誘電体薄膜１０のｃ軸配向率が１０〜４０％とされ、１＜α＜２．５の場合には誘電体薄膜１０のｃ軸配向率が６０〜１００％とされている。
【００７７】
　誘電体薄膜１０の熱膨張係数αｆは材料組成によって大きく異なり、αｆ＝約３０〜１１０×１０-7（Ｋ-1）の値をとる。たとえば、Ｐｂ（Ｚｒ0.52，Ｔｉ0.48）Ｏ3ではαｆ＝約８０×１０-7（Ｋ-1）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3ではαｆ＝約４０×１０-7（Ｋ-1）、Ｐｂ（Ｚｎ1/3，Ｎｂ2/3）Ｏ3ではαｆ＝約５０×１０-7（Ｋ-1）である。
【００７８】
　そして、誘電体薄膜１０は、その熱膨張係数が軸方向に応じて異なるという特徴を有している。つまり、ｃ軸では熱膨張係数が負、ａ軸では正となる。このことを利用すれば、ある方向に配向している誘電体薄膜の熱膨張係数を制御することができる。
【００７９】
　すなわち、誘電体薄膜１０の熱膨張係数αｆが基板２１の熱膨張係数αｓの方が大きい場合、つまり０．３＜α＜０．７の場合には、ｃ軸配向率を１０〜４０％として誘電体薄膜１０の面内にｃ軸をａ軸より多くし、誘電体薄膜１０の熱膨張係数αｆを小さくすれば、応力の緩和を図ることができる。
【００８０】
　また、誘電体薄膜１０の熱膨張係数αｆより基板２１の熱膨張係数αｓの方が大きい場合、つまり１＜α＜２．５の場合には、ｃ軸配向率を６０〜１００％として面内にａ軸をｃ軸より多くし、誘電体薄膜１０の熱膨張係数αｆを大きくすれば、応力の緩和を図ることができる。
【００８１】
　さらに具体的には、基板２１の熱膨張係数がたとえば２０〜４０×１０-7（Ｋ-1）の場合には、前述した誘電体薄膜１０の熱膨張係数からすると誘電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が小さくなるので、誘電体薄膜１０のｃ軸配向率を１０〜４０％とし、誘電体薄膜１０の熱膨張係数を小さくして応力の緩和を図る。
【００８２】
　また、基板２１の熱膨張係数がたとえば６０〜１００×１０-7（Ｋ-1）の場合には、誘電体薄膜１０の熱膨張係数よりも基板２１の熱膨張係数の方が大きくなるので、誘電体薄膜１０のｃ軸配向率を６０〜１００％とし、誘電体薄膜１０の熱膨張係数を大きくして応力の緩和を図る。
【００８３】
　次に、上記の圧電体薄膜素子３０の形成方法について説明する。
【００８４】
　図１１において、（００１）ＭｇＯ単結晶基板（基板２１）上にＰｔ膜（第１の電極２２）０．２μｍとＰＺＴ膜（誘電体薄膜１０）１μｍを順次形成して積層し、最後にＰｔ膜（第２の電極３）０．２μｍを形成する。すべての膜はスパッタリングにより形成されており、成膜装置としてはＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いる。なお、第１および第２の電極２１，３としてはＰｔに限らず、Ａｌ，Ｔｉ／Ａｕ等を用いてもよい。
【００８５】
　Ｐｔ膜やＰＺＴ膜の結晶構造はスパッタ条件によって異なる。例えば、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℃で成膜すると、（００１）ＭｇＯ単結晶基板上に（００１）方位にエピタキシャル成長したＰｔ膜とＰＺＴ膜が得られる。
【００８６】
　ここで、ＰＺＴ膜が正方晶の結晶構造を含むと、（００１）方位はｃ軸とａ軸に分離し、ｃ軸ドメインとａ軸ドメインが形成される。粉末Ｘ線回折法で解析すると、ｃ軸ドメインからの回折強度Ｉｃとａ軸ドメインからの回折強度Ｉａが得られ、Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉａ）×１００（％）をｃ軸配向率と定義する。
【００８７】
　ＰＺＴ膜のｃ軸配向性は、成膜後の基板温度の冷却速度によって制御することができる。すなわち、ＰＺＴ成膜後に基板２１を冷却する際、基板温度を６２０℃から４００℃まで下がるときの冷却速度を１℃／分以下の徐冷にした場合はｃ軸配向率が１０〜４０％となる。一方、同じく冷却速度を２０℃／分以上の急冷にした場合はｃ軸配向率が６０〜１００％となる。
【００８８】
　そこで、前述した基板２１と誘電体薄膜１０との熱膨張係数の関係から、ｃ軸配向率が所望の割合になるように成膜後の基板温度の冷却速度を制御する。
【００８９】
　なお、冷却速度によってｃ軸配向率を制御できるメカニズムは明確ではないが、次のようなことが考えられる。つまり、成長時に立方晶であるＰＺＴ膜が冷却時にキューリー温度で正方晶に相転移する。このとき、徐冷の場合には、内部応力を緩和するように各結晶粒のｃ軸が膜厚方向と面内方向にランダムに向くためにｃ軸配向性が低下するというものである。
【００９０】
　このような構成の圧電体薄膜素子３０によれば、基板２１の熱膨張係数に応じて誘電体薄膜１０のｃ軸配向率を制御して誘電体薄膜１０自体の熱膨張係数を制御しているので、薄膜形成において加熱された基板２１を室温に冷却したときに誘電体薄膜１０に発生する内部応力を緩和することが可能になる。これにより、誘電体薄膜１０の機械的強度を保持でき、クラックや絶縁破壊の発生を防止することができる。
【００９１】
　以上に説明した本実施の形態では、本発明の圧電体薄膜素子をインクジェット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。
【００９２】
　なお、以上説明した圧電体薄膜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。
【００９３】
　また上記した実施の形態１から３に示した構成や方法は、適宜組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
　本発明は、インクジェット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できる他、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。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施の形態である圧電体薄膜素子が用いられたインクジェット記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図２】図１のインクジェット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】図２の要部を示す斜視図
【図４】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】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の一例を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の他の一例を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態２における圧電体薄膜素子を示す断面図
【図８】Ｐｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についての常温下での組成と格子定数との関係を示すグラフ
【図９】Ｐｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についてのｙ＜０．６での温度と格子定数との関係を示すグラフ
【図１０】Ｐｂ（Ｚｒy＋Ｔｉ1-y）Ｏ3で表されるＰＺＴ膜についての組成と熱膨張係数との関係を示すグラフ
【図１１】本発明の実施の形態３における圧電体薄膜素子を示す断面図
【図１２】従来の圧電体薄膜素子を示す構成の一例を示す断面図
【図１３】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【図１４】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【図１５】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【図１６】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【図１７】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【図１８】本発明の実施の形態１における圧電体薄膜素子の形成手順を示す断面図
【符号の説明】
【００９６】
　３　　第２の電極
　１０　　誘電体薄膜
　１０ａ　　圧電層
　１０ｂ　　応力緩和層
　１０ｃ　　圧電機能膜
　１０ｄ　　応力緩和機能膜
　１６　　圧電体薄膜素子
　２０　　圧電体薄膜素子
　２１　　基板
　２２　　第１の電極
　３０　　圧電体薄膜素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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