(57)【要約】誘電体薄膜の結晶配向性を制御し、電気特性などの各種特性を最適化することが可能な誘電体薄膜素子である。この誘電体薄膜素子（１０）は、基板（１１）と、基板（１１）上に形成された第１の電極（１２）と、第１の電極（１２）上に形成された誘電体薄膜（１３）と、誘電体薄膜（１３）上に形成された第２の電極（１４）を備え、基板（１１）を加熱した状態で作製される。基板（１１）の材料として所定の熱膨張係数を有する材料が用いられ、基板（１１）の熱膨張係数によって誘電体薄膜（１３）の結晶配向性が制御されている。
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【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の電極とを備え、前記基板を加熱した状態で作製される誘電体薄膜素子であって、前記基板の材料として所定の熱膨張係数を有する材料が用いられ、前記基板の熱膨張係数によって前記誘電体薄膜の結晶配向性が制御されていることを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項２】
前記基板と前記第１の電極との間に中間層が介在している請求項１に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項３】
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の電極とを備え、前記基板を加熱した状態で作製される誘電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、前記基板材料の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係が満たされることを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項４】
前記誘電体薄膜の厚みをｔｆ、前記基板の厚みをｔｓとしたとき、０．２μｍ≦ｔｆ≦１０μｍ、かつ、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの関係が満たされる請求項３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項５】
前記誘電体薄膜材料が圧電性誘電体薄膜材料であり、αｆ／αｓ＞１の関係が満たされる請求項３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項６】
前記誘電体薄膜材料が焦電性誘電体薄膜材料であり、αｆ／αｓ＜１の関係が満たされる請求項３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項７】
前記誘電体薄膜材料が少なくとも鉛（Ｐｂ）及びチタン（Ｔｉ）を構成成分とする請求項３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項８】
前記基板と前記第１の電極との間に中間層が介在している請求項３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項９】
中間層として岩塩型結晶構造酸化物膜を用いた請求項２又は８に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項１０】
岩塩型結晶構造酸化物膜が（１００）面配向、（１１１）面配向又は（１１０）面配向を有する請求項９に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項１１】
岩塩型結晶構造酸化物膜が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）及び酸化マンガン（ＭｎＯ）から選ばれる少なくとも一つからなる膜である請求項９に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項１２】
中間層としてスピネル型結晶構造酸化物膜を用いた請求項２又は８に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項１３】
第１の電極材料として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）及び導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）から選ばれる少なくとも一つが用いられた請求項１又は３に記載の誘電体薄膜素子。
【請求項１４】
請求項１〜５、７〜１３のいずれかに記載の誘電体薄膜素子が用いられたアクチュエータ。
【請求項１５】
アクチュエータと、前記アクチュエータが固定された振動板と、インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が前記振動板を介して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って、前記アクチュエータとして請求項１４に記載のアクチュエータが用いられることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１６】
インクジェットヘッドと、前記のインクジェットヘッドの幅方向と略垂直方向に記録媒体を移送する記録媒体移送手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、前記インクジェットヘッドとして請求項１５に記載のインクジェットヘッドが用いられることを特徴とするインクジェット式記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
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誘電体薄膜素子、並びに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、及びそ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に関する。
【０００２】
（背景技術）
誘電体は、エレクトロニクス分野において、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素子に応用されている。そして、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１５に、従来の誘電体薄膜素子の構成の一例を示す（Ｉ．Ｋａｎｎｏ ｅｔ．ａｌ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ７０ （１９９７） ｐ１３７８−１３８０参照）。図１５に示すように、この誘電体薄膜素子は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板９１上に、第１の電極としての白金（Ｐｔ）からなる下部電極膜９２と、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下、『ＰＺＴ』と記す）からなる圧電性誘電体薄膜９３と、第２の電極としての白金（Ｐｔ）からなる上部電極膜９４とが順次形成された構造を有している。そして、この誘電体薄膜素子は、単結晶基板９１を加工することなどにより、例えば、アクチュエータ、圧力センサ、加速度センサなどに応用される。
【０００４】
通常、誘電体薄膜の結晶面や格子定数などの結晶パラメータは、それを形成するために用いられる基板によって大きく影響される。例えば、強誘電体であるチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）は、結晶方位（１００）面が表面に出るように切り出した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる単結晶基板上では（００１）面が配向し、また、ｃ面（（０００１）面）サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上では（１１１）面が配向することが報告されている。これは、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）が、それが形成される基板の結晶面の影響を大きく受けるからである。さらに、誘電体薄膜を形成するために用いられる基板が単結晶基板である場合、基板と誘電体薄膜とで格子定数が大きく異なれば、配向する結晶面にも影響を与える。また、酸化物単結晶、金属、ガラス等の基板の種類に関係なく、基板の熱膨張係数の違いにより、形成される誘電体薄膜の内部応力が変化し、これにより格子定数などの結晶パラメータが変化する。
【０００５】
一般に、誘電体薄膜の結晶パラメータが変化すると、その電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性が大きく変化する。
【０００６】
図１５に示す従来の誘電体薄膜素子の構成においても、薄膜形成時の作製条件を変化させることにより、程度は小さいが、誘電体薄膜の膜特性を変えることは可能である。
【０００７】
しかし、図１５に示すような従来の構成で得られる誘電体薄膜の膜特性の変化の大きさは、基板の熱膨張係数を大きく変化させた場合に比べると小さい。
【０００８】
また、誘電体薄膜を形成するために用いられる基板が単結晶基板である場合、誘電体薄膜の結晶配向面は基板に大きく依存し、その面方位を任意に配向制御することは困難であるため、膜特性を大きく変えることも困難である。
【０００９】
また、形成する誘電体薄膜の熱膨張係数とそれを支持する基板の熱膨張係数の大きさが大きく異なる場合、形成後の誘電体薄膜には大きな圧縮もしくは引っ張りの応力が加わり、それに伴って、誘電体薄膜素子には上側に凸あるいは下側に凸のような反りが生じる（図９参照）。このため、大面積で素子形成を行う場合には、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいは切断工程などにおいてその作業性・操作性が悪くなってしまう。
【００１０】
（発明の開示）
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、最適な膜特性を有する誘電体薄膜素子、並びにそれを用いたアクチュエータ、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を製造歩留まり良く提供することを目的とする。
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明に係る誘電体薄膜素子の第１の構成は、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の電極とを備え、前記基板を加熱した状態で作製される誘電体薄膜素子であって、前記基板の材料として所定の熱膨張係数を有する材料が用いられ、前記基板の熱膨張係数によって前記誘電体薄膜の結晶配向性が制御されていることを特徴とする。
【００１２】
この誘電体薄膜素子の第１の構成によれば、誘電体薄膜を支持するための基板の材料として、熱膨張係数の最適な材料を用いることにより、電気特性などの各種特性が最適化された誘電体薄膜素子を実現することが可能となる。
【００１３】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第１の構成においては、前記基板と前記第１の電極との間に中間層が介在しているのが好ましい。この好ましい例によれば、基板の種類によらない、所定の面方位を有する中間層を配置することにより、中間層の面方位を反映した最適な結晶配向を有する誘電体薄膜を得ることができ、電気特性などの各種特性がさらに最適化された誘電体薄膜素子を実現することが可能となる。また、この場合には、中間層として岩塩型結晶構造酸化物膜を用いるのが好ましい。この場合にはさらに、岩塩型結晶構造酸化物膜が（１００）面配向、（１１１）面配向又は（１１０）面配向を有するのが好ましい。この場合にはさらに、岩塩型結晶構造酸化物膜が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）及び酸化マンガン（ＭｎＯ）から選ばれる少なくとも一つからなる膜であるのが好ましい。また、この場合には、中間層としてスピネル型結晶構造酸化物膜を用いるのが好ましい。
【００１４】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第１の構成においては、第１の電極材料として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）及び導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）から選ばれる少なくとも一つが用いられるのが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る誘電体薄膜素子の第２の構成は、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の電極とを備え、前記基板を加熱した状態で作製される誘電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、前記基板材料の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係が満たされることを特徴とする。
【００１６】
この誘電体薄膜素子の第２の構成によれば、素子全体に生じる反り量は無視することができ、その結果、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいはダイシング切断工程などにおける作業性・操作性の向上を図ることができる。
【００１７】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、前記誘電体薄膜の厚みをｔｆ、前記基板の厚みをｔｓとしたとき、０．２μｍ≦ｔｆ≦１０μｍ、かつ、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの関係が満たされているのが好ましい。この好ましい例によれば、素子全体に生じる反り量はさらに無視することができ、その結果、さらなる作業性・操作性の向上を図ることができる。
【００１８】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、前記誘電体薄膜材料が圧電性誘電体薄膜材料であり、αｆ／αｓ＞１の関係が満たされているのが好ましい。この好ましい例によれば、圧電特性のより良好な誘電体薄膜素子を実現することが可能となる。
【００１９】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、前記誘電体薄膜材料が焦電性誘電体薄膜材料であり、αｆ／αｓ＜１の関係が満たされているのが好ましい。この好ましい例によれば、焦電性能のより良好な誘電体薄膜素子を実現することが可能となる。
【００２０】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、前記誘電体薄膜材料が少なくとも鉛（Ｐｂ）及びチタン（Ｔｉ）を構成成分とするのが好ましい。
【００２１】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、前記基板と前記第１の電極との間に中間層が介在しているのが好ましい。また、この場合には、中間層として岩塩型結晶構造酸化物膜を用いるのが好ましい。この場合にはさらに、岩塩型結晶構造酸化物膜が（１００）面配向、（１１１）面配向又は（１１０）面配向を有するのが好ましい。この場合にはさらに、岩塩型結晶構造酸化物膜が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）及び酸化マンガン（ＭｎＯ）から選ばれる少なくとも一つからなる膜であるのが好ましい。また、この場合には、中間層としてスピネル型結晶構造酸化物膜を用いるのが好ましい。
【００２２】
また、前記本発明の誘電体薄膜素子の第２の構成においては、第１の電極材料として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）及び導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）から選ばれる少なくとも一つが用いられるのが好ましい。
【００２３】
本発明に係るアクチュエータの構成は、前記本発明の圧電性誘電体薄膜素子が用いられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明に係るインクジェットヘッドの構成は、アクチュエータと、前記アクチュエータが固定された振動板と、インク液が収容され、前記アクチュエータの変位が前記振動板を介して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って、前記アクチュエータとして前記本発明のアクチュエータが用いられることを特徴とする。
【００２５】
本発明に係るインクジェット式記録装の構成は、インクジェットヘッドと、前記のインクジェットヘッドの幅方向と略垂直方向に記録媒体を移送する記録媒体移送手段とを備えたインクジェット式記録装置であって、前記インクジェットヘッドとして前記本発明のインクジェットヘッドが用いられることを特徴とする。
【００２６】
基板を加工して形成される圧力室部品の材料を、その熱膨張係数を考慮しつつ選択することにより、アクチュエータを構成する誘電体薄膜素子の性能を制御することが可能である。そして、特に、アクチュエータを構成する材料（誘電体薄膜材料）の熱膨張係数をαｆ、圧力室部品の材料の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係を満たすように、アクチュエータを構成する材料及び圧力室部品の材料を選べば、高速・高密度印字を可能にする、多数のノズル孔が高密度に配置された大面積のインクジェットヘッドを実現することができる。
【００２７】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜素子を示す断面図である。
【００２９】
図１において、１０は誘電体薄膜素子である。この誘電体薄膜素子１０は、基板１１上に、第１の電極１２としての白金（Ｐｔ）からなる下部電極膜と、誘電体薄膜１３としてのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ０．５３Ｔｉ０．４７Ｏ３）（以下、『ＰＺＴ』と記す）膜（熱膨張係数：約６０×１０−７／Ｋ）と、第２の電極１４としてのクロム（Ｃｒ）からなる上部電極膜とが順次形成された構造を有している。ここで、基板１１としては、下記（表１）に示すような熱膨張係数の異なる各種基板が用いられる。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
上記誘電体薄膜素子１０は、以下のようにして作製した。
【００３２】
すなわち、まず、真空槽内に基板１１として例えば石英基板を設置し、真空排気した後、基板１１を６００℃の温度に加熱保持し、４インチのＰｔターゲットを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により基板１１上に第１の電極１２としての白金（Ｐｔ）からなる膜厚２５０ｎｍの下部電極膜（Ｐｔ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を１Ｐａに保持し、１００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリングを行った。
【００３３】
次いで、基板温度を５８０℃にし、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で２０％過剰に添加）を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により第１の電極１２上にＰＺＴからなる膜厚４μｍの誘電体薄膜（ＰＺＴ誘電体薄膜）１４を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガス（ガス比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．４Ｐａに保持し、５００Ｗの高周波電力を印加して２００分間スパッタリングを行った。
【００３４】
次いで、基板を加熱せずに、４インチのＣｒターゲットを用いて、ＤＣスパッタ法によりＰＺＴ誘電体薄膜１４上に第２の電極１４としてクロム（Ｃｒ）からなる膜厚１０ｎｍの上部電極膜（Ｃｒ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．７Ｐａに保持し、１００Ｗの電力を印加して５分間スパッタリングを行った。
【００３５】
図２に、上記した石英基板上にＰｔ電極膜（第１の電極１２）を介して形成されたＰＺＴ誘電体薄膜１４のＸ線回折パターンを示す。これは、第２の電極１４を形成する前の段階で評価したものである。図２に示すように、第１の電極１２としてのＰｔ電極膜が（１１１）面配向するのに伴って、ＰＺＴ誘電体薄膜１４も（１１１）面配向を示すことが分かった。また、ＰＺＴ誘電体薄膜１４の（１１１）面のピークを示す回折角２θは、３８．１２゜であった。
【００３６】
尚、石英基板以外の上記（表１）に示す他の基板を用いて形成した場合であっても、ＰＺＴ誘電体薄膜１４の結晶配向性は、（１１１）面配向が主体となる。
【００３７】
上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法によりＰＺＴ誘電体薄膜を形成し、基板の熱膨張係数と形成したＰＺＴ誘電体薄膜の（１１１）面における回折角２θとの関係を調べた。その結果を図３に示す。図３に示すように、基板の熱膨張係数が大きいほど、形成されるＰＺＴ誘電体薄膜の（１１１）面における回折角は小さく（格子定数は大きく）なっている。このことから、基板の熱膨張係数の違いによりＰＺＴ誘電体薄膜の格子定数が変化していることが分かる。
【００３８】
このことは、図９を用いて、次のように説明することができる。すなわち、誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、図９（ａ）に示すように、αｆ＜αｓであれば、成膜終了後、室温に戻した状態では、基板の方が誘電体薄膜に比べて縮み方が大きく、体積のより大きな基板の影響を受けて誘電体薄膜には圧縮応力が働き、それに伴い、ミクロ的には膜厚方向の格子定数が大きくなる。一方、図９（ｂ）に示すように、αｆ＞αｓであれば、成膜終了後、室温に戻した状態では、逆に誘電体薄膜の方が基板に比べて縮み方が大きいが、縮み方の小さい基板の影響を受けて誘電体薄膜には引っ張り応力が働き、それに伴い、ミクロ的には膜厚方向の格子定数が小さくなる。
【００３９】
また、上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法により誘電体薄膜素子を作製し、基板の熱膨張係数と形成したＰＺＴ誘電体薄膜の比誘電率との関係を調べた。その結果を図４に示す。図４に示すように、基板の熱膨張係数が大きいほど、形成されるＰＺＴ誘電体薄膜の比誘電率は小さくなっている。
【００４０】
以上のことから、基板の熱膨張係数を異ならせることにより、すなわち、熱膨張係数の異なる基板を用いることにより、形成される誘電体薄膜の結晶配向性を制御し、それに伴って、電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性を変化させることが可能となる。従って、誘電体薄膜を支持するための基板の材料として、熱膨張係数の最適な材料を用いることにより、電気特性などの各種特性が最適化された誘電体薄膜素子を実現することが可能となる。
【００４１】
尚、第１の電極１２の材料として、白金（Ｐｔ）以外のパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）あるいは導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）を用いた場合、あるいはこれらを２つ以上組み合わせて用いた場合であっても、用いる基板の熱膨張係数を異ならせることにより、誘電体薄膜１３の特性を損なうことなく、その結晶配向面の回折角や比誘電率を変化させることができるという同様の結果が得られた。
【００４２】
上記のような誘電体薄膜素子を低価格で大量に供給する場合、大面積の基板を用いることが一つの方法として考えられる。この場合、誘電体薄膜素子に上側に凸あるいは下側に凸のような反りが生じると（図９参照）、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいはダイシング切断工程などにおいてその作業性・操作性が悪くなってしまう。しかし、本発明の構成においては、誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量は無視することができ、その結果、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいはダイシング切断工程などにおける作業性・操作性の向上を図れることが分かった。
【００４３】
また、この場合、誘電体薄膜の厚みをｔｆ、基板の厚みをｔｓとしたとき、０．２μｍ≦ｔｆ≦１０μｍ、かつ、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量はさらに無視することができ、その結果、さらなる作業性・操作性の向上を図れることが分かった。
【００４４】
［第２の実施の形態］
図５は本発明の第２の実施の形態における誘電体薄膜素子を示す断面図である。
【００４５】
図５において、５０は誘電体薄膜素子である。この誘電体薄膜素子５０は、基板５１上に、中間層５５としての酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜等の岩塩型結晶構造の酸化物膜と、第１の電極５２としての白金（Ｐｔ）からなる下部電極膜と、誘電体薄膜５３としてのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ０．５３Ｔｉ０．４７Ｏ３）（以下、『ＰＺＴ』と記す）膜（熱膨張係数：約６０×１０−７／Ｋ）と、第２の電極５４としてのクロム（Ｃｒ）からなる上部電極膜とが順次形成された構造を有している。ここで、基板５１としては、上記第１の実施の形態と同様に、上記（表１）に示すような熱膨張係数の異なる各種基板が用いられる。
【００４６】
上記誘電体薄膜素子５０は、以下のようにして作製した。
【００４７】
すなわち、まず、真空槽内に基板５１として例えばコーニング７０５９ガラス基板を設置し、真空排気した後、基板５１を４００℃の温度に加熱保持し、プラズマＭＯＣＶＤ法により基板５１上に、（１００）面に結晶配向した岩塩型結晶構造のＭｇＯ膜からなる膜厚約７００ｎｍの中間層５５を形成した。この場合、ＣＶＤ原料ガスとして２１５℃の温度で気化させたマグネシウムアセチルアセトナート（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）を用い、不活性な窒素（Ｎ２）からなるキャリアガスとともに真空槽内に導入し、同時に反応ガスとして酸素（Ｏ２）ガスを導入した。導入ガスの流量比はＮ２：Ｏ２＝２５０（ｓｃｃｍ）：５００（ｓｃｃｍ）であり、ガス圧力を３０Ｐａに保持し、４００Ｗの高周波電力を印加して膜形成を行った。
【００４８】
次いで、別の真空槽内に中間層５５が形成された基板５１を設置し、真空排気した後、基板５１を６００℃の温度に加熱保持し、４インチのＰｔターゲットを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により中間層５５上に第１の電極５２としての白金（Ｐｔ）からなる膜厚２５０ｎｍの下部電極膜（Ｐｔ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を１Ｐａに保持し、１００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリングを行った。
【００４９】
次いで、基板温度を５８０℃にし、６インチのＰＺＴ焼結体ターゲット（酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で２０％過剰に添加）を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により第１の電極５２上にＰＺＴからなる膜厚４μｍの誘電体薄膜（ＰＺＴ誘電体薄膜）５３を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガス（ガス比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．４Ｐａに保持し、５００Ｗの高周波電力を印加して２００分間スパッタリングを行った。
【００５０】
次いで、基板を加熱せずに、４インチのＣｒターゲットを用いて、ＤＣスパッタ法によりＰＺＴ誘電体薄膜５３上に第２の電極５４としてクロム（Ｃｒ）からなる膜厚１０ｎｍの上部電極膜（Ｃｒ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．７Ｐａに保持し、１００Ｗの電力を印加して５分間スパッタリングを行った。
【００５１】
図６に、上記したコーニング７０５９ガラス基板上に（１００）面配向のＭｇＯ膜（中間層５５）及びＰｔ電極膜（第１の電極５２）を介して形成されたＰＺＴ誘電体薄膜５３のＸ線回折パターンを示す。これは、第２の電極５４を形成する前の段階で評価したものである。図６に示すように、第１の電極５２としてのＰｔ電極膜が（１００）面配向するのに伴って、ＰＺＴ誘電体薄膜５３は（００１）面配向を示すことが分かった。また、ＰＺＴ誘電体薄膜５３の（００１）面及び（００２）面のピークを示す回折角２θは、それぞれ２１．７３゜、４４．２２゜であった。
【００５２】
尚、コーニング７０５９ガラス基板以外の上記（表１）に示す他の基板を用いて形成した場合であっても、ＭｇＯ膜（中間層５５）を介して形成されるＰＺＴ誘電体薄膜５３の結晶配向性は、（００１）面配向が主体となる。
【００５３】
上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法によりＰＺＴ誘電体薄膜を形成し、基板の熱膨張係数と形成したＰＺＴ誘電体薄膜の（００２）面における回折角２θとの関係を調べた。その結果を図７に示す。図７に示すように、基板の熱膨張係数が大きいほど、形成されるＰＺＴ誘電体薄膜の（００２）面における回折角は小さく（格子定数は大きく）なっている。このことから、上記第１の実施の形態１の場合と同様に、基板の熱膨張係数の違いによりＰＺＴ誘電体薄膜の格子定数が変化していることが分かる。
【００５４】
これについても、上記第１の実施の形態と同様に、図９に示すメカニズムによって説明することができる。
【００５５】
また、上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法により誘電体薄膜素子を作製し、基板の熱膨張係数と形成したＰＺＴ誘電体薄膜の比誘電率との関係を調べた。その結果を図８に示す。図８に示すように、上記第１の実施の形態の場合と同様に、基板の熱膨張係数が大きいほど、形成されるＰＺＴ誘電体薄膜の比誘電率は小さくなっている。
【００５６】
以上のことから、基板の熱膨張係数を異ならせることにより、すなわち、熱膨張係数の異なる基板を用いることにより、形成される誘電体薄膜の結晶配向性を制御し、それに伴って、電気特性（比誘電率、抗電界、自発分極、圧電定数、焦電係数など）、光学特性（屈折率、電気光学係数など）などの膜特性を変化させることが可能となる。
【００５７】
尚、中間層５５の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）以外の酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）等の他の岩塩型結晶構造酸化物を用いた場合、あるいはこれらを２つ以上組み合わせて用いた場合であっても、本発明の構成においては、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の格子定数などの結晶パラメータや比誘電率などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００５８】
また、中間層５５として用いる岩塩型結晶構造酸化物膜が（１１１）面配向あるいは（１１０）面配向である場合、形成されるＰＺＴ誘電体薄膜も、それぞれ（１１１）面配向あるいは（１１０）面配向を示し、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の格子定数などの結晶パラメータや比誘電率などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００５９】
また、中間層５５の材料として、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などのスピネル型結晶構造酸化物を用いた場合であっても、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の格子定数などの結晶パラメータや比誘電率などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００６０】
また、中間層５５上に形成される第１の電極５２の材料として、白金（Ｐｔ）以外のパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）あるいは導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）を用いた場合、あるいはこれらを２つ以上組み合わせて用いた場合であっても、誘電体薄膜５３の特性を損なうことなく、また、用いる基板の熱膨張係数の違いによる結晶パラメータや比誘電率などの膜特性の変化の傾向は全く同様の結果を示した。
【００６１】
本実施の形態の場合においても、中間層の厚さが基板に対して無視できる厚さであり、誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量は無視することができ、その結果、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいはダイシング切断工程などにおける作業性・操作性の向上を図ることができる。従って、大面積の基板を用いることによって、誘電体薄膜素子を低価格で大量に生産することが可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態の場合においても、誘電体薄膜の厚みをｔｆ、基板の厚みをｔｓとしたとき、０．２μｍ≦ｔｆ≦１０μｍ、かつ、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量はさらに無視できることが分かった。
【００６３】
［第３の実施の形態］
本実施の形態においては、上記第２の実施の形態と同様の構成を有する本発明の他の焦電性誘電体材料を用いた誘電体薄膜素子について、図５を参照しながら説明する。
【００６４】
図５に示すように、本実施の形態の焦電性誘電体薄膜素子５０は、基板５１上に、中間層５５としての酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜等の岩塩型結晶構造の酸化物膜と、第１の電極５２としての白金（Ｐｔ）からなる下部電極膜と、誘電体薄膜５３としてのチタン酸ランタン鉛（Ｐｂ０．９Ｌａ０．１Ｔｉ０．９７５Ｏ３）（以下、『ＰＬＴ』と記す）膜（熱膨張係数：約３０×１０−７／Ｋ）と、第２の電極５４としてのニクロム（ＮｉＣｒ）からなる上部電極膜とが順次形成された構造を有している。ここで、基板５１としては、上記第２の実施の形態と同様に、上記（表１）に示すような熱膨張係数の異なる各種基板が用いられる。
【００６５】
上記焦電性誘電体薄膜素子５０は、以下のようにして作製した。
【００６６】
すなわち、まず、真空槽内に基板５１として例えばＳＵＳ３０４基板を設置し、真空排気した後、上記第２の実施の形態２と同様に基板５１を４００℃の温度に加熱保持し、プラズマＭＯＣＶＤ法により基板５１上に、（１００）面に結晶配向した岩塩型結晶構造のＭｇＯ膜からなる膜厚約７００ｎｍの中間層５５を形成した。この場合、ＣＶＤ原料ガスとして２１５℃の温度で気化させたマグネシウムアセチルアセトナートガス（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）を用い、不活性な窒素（Ｎ２）からなるキャリアガスとともに真空槽内に導入し、同時に反応ガスとして酸素（Ｏ２）ガスを導入した。導入ガスの流量比はＮ２：Ｏ２＝２５０（ｓｃｃｍ）：５００（ｓｃｃｍ）であり、ガス圧力を３０Ｐａに保持し、４００Ｗの高周波電力を印加して膜形成を行った。
【００６７】
次いで、別の真空槽内に中間層５５が形成された基板５１を設置し、真空排気した後、基板５１を６００℃の温度に加熱保持し、４インチのＰｔターゲットを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により中間層５５上に第１の電極５２としての白金（Ｐｔ）からなる膜厚２５０ｎｍの下部電極膜（Ｐｔ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を１Ｐａに保持し、１００Ｗの高周波電力を印加して１０分間スパッタリングを行った。
【００６８】
次いで、基板温度を５６０℃にし、６インチのＰＬＴ焼結体ターゲット（酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で２０％過剰に添加）を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法により第１の電極５２上にＰＬＴからなる膜厚３μｍの誘電体薄膜（ＰＬＴ誘電体薄膜）５３を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガス（ガス比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．３５Ｐａに保持し、３５０Ｗの高周波電力を印加して１８０分間スパッタリングを行った。
【００６９】
次いで、基板を加熱せずに、４インチのＮｉＣｒターゲットを用いて、ＤＣスパッタ法によりＰＬＴ誘電体薄膜５３上に第２の電極５４としてニクロム（ＮｉＣｒ）からなる膜厚１０ｎｍの上部電極膜（ＮｉＣｒ電極膜）を形成した。この場合、アルゴン（Ａｒ）をスパッタリングガスとして用い、ガス圧力を０．７Ｐａに保持し、１００Ｗの電力を印加して５分間スパッタリングを行った。
【００７０】
尚、ＳＵＳ３０４基板以外の上記（表１）に示す他の基板を用いて形成した場合であっても、ＭｇＯ膜（中間層５５）を介して形成されるＰＬＴ誘電体薄膜５３の結晶配向性は、（００１）面配向が主体となる。
【００７１】
上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法により焦電性誘電体薄膜素子を作製し、基板の熱膨張係数と形成したＰＬＴ誘電体薄膜の比誘電率との関係を調べた。その結果を図１０に示す。図１０に示すように、上記第２の実施の形態と同様に、基板の熱膨張係数が大きいほど、形成されるＰＬＴ誘電体薄膜の比誘電率は小さくなっている。
【００７２】
また、上記（表１）の熱膨張係数の異なる各種基板を用いて上記と同様の方法により焦電性誘電体薄膜素子を作製し、基板の熱膨張係数と、ＰＬＴ誘電体薄膜の温度を変化させて得られる焦電電流から求められる焦電係数γとの関係を調べた。その結果を図１１に示す。図１１に示すように、基板の熱膨張係数が大きいほど、ＰＬＴ誘電体薄膜の焦電係数γは大きくなっている。焦電性誘電体薄膜素子を焦電型赤外線センサとして用いる場合の焦電性能は、簡易的に焦電係数γと比誘電率εとの比γ／εによって表すことができるので、上記の結果から、熱膨張係数の高い基板を用いるほど焦電型赤外線センサの性能は良好になることが分かる。すなわち、誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｆ／αｓ＜１の関係が満たされれば、性能の良好な焦電性誘電体薄膜素子を実現することができる。
【００７３】
尚、中間層５５の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）以外の酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）等の他の岩塩型結晶構造酸化物を用いた場合、あるいはこれらを２つ以上組み合わせて用いた場合であっても、本発明の構成においては、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の比誘電率、焦電性能などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００７４】
また、中間層５５として用いる岩塩型結晶構造酸化物膜が（１１１）面配向あるいは（１１０）面配向である場合、形成されるＰＬＴ誘電体薄膜も、それぞれ（１１１）面配向あるいは（１１０）面配向を示し、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の比誘電率、焦電性能などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００７５】
また、中間層５５の材料として、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などのスピネル型結晶構造酸化物を用いた場合であっても、基板の熱膨張係数に対する誘電体薄膜の比誘電率、焦電性能などの膜特性は全く同様の傾向を示すことが分かった。
【００７６】
また、中間層５５上に形成される第１の電極５２の材料として、白金（Ｐｔ）以外のパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）あるいは導電性酸化ニッケル（ＮｉＯ）を用いた場合、あるいはこれらを２つ以上組み合わせて用いた場合であっても、誘電体薄膜５３の特性を損なうことなく、また、用いる基板の熱膨張係数の違いによる比誘電率、焦電性能などの膜特性の変化の傾向は全く同様の結果を示した。
【００７７】
本実施の形態の場合においても、中間層の厚さが基板に対して無視できる厚さであり、誘電体薄膜材料の熱膨張係数をαｆ、基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量は無視することができ、その結果、フォトリソグラフィーを用いた微細加工による素子パターン形成工程、加工後の接合工程、あるいはダイシング切断工程などにおける作業性・操作性の向上を図ることができる。従って、大面積の基板を用いることによって、誘電体薄膜素子や赤外撮像素子などの大面積誘電体薄膜素子を低価格で大量に生産することが可能となる。
【００７８】
また、本実施の形態の場合においても、誘電体薄膜の厚みをｔｆ、基板の厚みをｔｓとしたとき、０．２μｍ≦ｔｆ≦１０μｍ、かつ、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの関係が満たされていれば、素子全体に生じる反り量はさらに無視できることが分かった。
【００７９】
［第４の実施の形態］
図１２は本発明の第４の実施の形態におけるインクジェット式記録装置の全体構成を示す概略斜視図である。図１２に示すように、本実施の形態のインクジェット式記録装置１００は、圧電性誘電体薄膜の圧電効果を利用して記録を行うインクジェットヘッド１０１を備えており、インクジェットヘッド１０１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体１０２に着弾させて、記録媒体１０２に記録を行うことができる。インクジェットヘッド１０１は、主走査方向（図１２のＸ方向）に沿って配置されたキャリッジ軸１０３に摺動可能に取り付けられたキャリッジ１０４に搭載されている。そして、キャリッジ１０４がキャリッジ軸１０３に沿って往復動することにより、インクジェットヘッド１０１は主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置１００は、記録媒体１０２をインクジェットヘッド１０１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（記録媒体移送手段）１０５を備えている。
【００８０】
図１３は本発明の第４の実施の形態におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す概略斜視図、図１４はその要部の構成を示す一部破断した分解斜視図である。図１３及び図１４において、Ａは例えばシリコン（Ｓｉ）基板を加工して形成される圧力室部品であって、この圧力室部品Ａには圧力室用開口部１が形成されている。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た本発明の誘電体薄膜素子からな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たインク液流路部品である。すなわち、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とインク液流路部品Ｃとにより区画され、これにより圧力室２が形成されている。アクチュエータ部Ｂには、圧力室２の上方に位置して個別電極３が配置されている。尚、図１２に示すように、圧力室２と個別電極３は千鳥状に多数配列されている。また、インク液流路部品Ｃには、インク液供給方向に並ぶ、各圧力室２間で共用される共通液室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とが形成されている。Ｄはノズル板であって、このノズル板Ｄにはインク流路７に連通するノズル孔８が穿設されている。また、図１３において、ＥはＩＣチップであって、このＩＣチップＥは、ボンディングワイヤーＢＷを介して複数の個別電極３に対して電圧を供給する。
【００８１】
この場合、基板を加工して形成される圧力室部品Ａの材料を、その熱膨張係数を考慮しつつ選択することにより、アクチュエータ部Ｂを構成する誘電体薄膜素子の性能を制御することが可能である。そして、特に、アクチュエータ部Ｂを構成する材料（誘電体薄膜材料）の熱膨張係数をαｆ、圧力室部品Ａの材料の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｆ／αｓ＞１の関係を満たすように、アクチュエータ部Ｂを構成する材料及び圧力室部品Ａの材料を選べば、圧電特性（この場合は印字特性）のより良好な誘電体薄膜素子を有するインクジェットヘッドを実現することが可能となる。さらに、上記αｆとαｓが、０．８≦αｆ／αｓ≦１．２の関係を満たすように、アクチュエータ部Ｂを構成する材料及び圧力室部品Ａの材料を選べば、高速・高密度印字を可能にする、多数のノズル孔が高密度に配置された大面積のインクジェットヘッドを実現することができる。
【００８２】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明によれば、熱膨張係数を考慮しつつ基板材料を選択することにより、比誘電率などの膜特性を大きく変化させることのできる誘電体薄膜を備えた誘電体薄膜素子を実現することができるので、素子特性を歩留まり良く制御し、最適化することが要求される圧電素子、赤外線センサ、光スイッチ、メモリ素子などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜素子を示す
【図２】
本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜のＸ線回折パターンを示す図
【図３】
本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した誘電体薄膜の（１１１）面における回折角２θとの関係を示す図
【図４】
本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した（１１１）面配向した誘電体薄膜の比誘電率との関係を示す図
【図５】
本発明の第２の実施の形態における誘電体薄膜素子を示す断面図
【図６】
本発明の第２の実施の形態における誘電体薄膜のＸ線回折パターンを示す図
【図７】
本発明の第２の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した誘電体薄膜の（００２）面における回折角２θとの関係を示す図
【図８】
本発明の第２の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した（００１）面あるいは（１００）面に配向した誘電体薄膜の比誘電率との関係を示す図
【図９】
本発明の実施の形態における誘電体薄膜材料の熱膨張係数の違いによる結晶パラメータの変化のメカニズム及び誘電体薄膜素子の反りの状態を示す模式図
【図１０】
本発明の第３の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した焦電性誘電体薄膜（ＰＬＴ誘電体薄膜）の比誘電率との関係を示す
【図１１】
本発明の第３の実施の形態における誘電体薄膜素子の、基板の熱膨張係数とその基板上に形成した焦電性誘電体薄膜（ＰＬＴ誘電体薄膜）の焦電係数γとの関係を示す図
【図１２】
本発明の第４の実施の形態におけるインクジェット式記録装置の全体構成を示す概略斜視図
【図１３】
本発明の第４の実施の形態におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す概略斜視図
【図１４】
本発明の第４の実施の形態におけるインクジェットヘッドの要部の構成を示す一部破断した分解斜視図
【図１５】
従来の誘電体薄膜素子を示す断面図
【図１】
2002027809.tif 000004
【図２】
2002027809.tif 000005
【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】
2002027809.tif 000011
【図９】
2002027809.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2002027809.tif 000014
【図１２】
2002027809.tif 000015
【図１３】
2002027809.tif 000016
【図１４】
2002027809.tif 000017
【図１５】
2002027809.tif 000018
【国際調査報告】
2002027809.tif 000019
2002027809.tif 000020
2002027809.tif 000021
2002027809.tif 000022