圧電体薄膜素子及びその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置
【課題】圧電性能とともに耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を用いて高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子を得ること。
【解決手段】圧電体薄膜層１４は、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んで形成した。大部分の領域が所定膜厚の形成領域１６となるが、一部の領域（異物が除去された領域）が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となる形で成膜される。所定膜厚の形成領域１６では柱状結晶が膜厚方向に連続的に形成され、優れた圧電特性が得られる。所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、結晶粒界が不連続領域１９を挟んで不連続となり、結晶粒径の大きい領域では粒界密度が低減される。この結晶粒界の不連続構造によってリークパスが途切れるので、耐電圧特性が向上する。トータルの領域として優れた圧電特性と耐電圧特性とを具備する結晶構造の圧電体薄膜１４による圧電体薄膜素子１０が得られる。
【解決手段】圧電体薄膜層１４は、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んで形成した。大部分の領域が所定膜厚の形成領域１６となるが、一部の領域（異物が除去された領域）が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となる形で成膜される。所定膜厚の形成領域１６では柱状結晶が膜厚方向に連続的に形成され、優れた圧電特性が得られる。所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、結晶粒界が不連続領域１９を挟んで不連続となり、結晶粒径の大きい領域では粒界密度が低減される。この結晶粒界の不連続構造によってリークパスが途切れるので、耐電圧特性が向上する。トータルの領域として優れた圧電特性と耐電圧特性とを具備する結晶構造の圧電体薄膜１４による圧電体薄膜素子１０が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子及びその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子は、一般に、圧電体薄膜をその厚み方向の両側を電極でそれぞれ挟んだ積層体構造をしている。以降では、厚み方向を上下方向と考えて、下側に設ける電極を下部電極と称し、上側に設ける電極を上部電極と称することとする。
【０００３】
圧電体材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以降、「ＰＺＴ」という）や、このＰＺＴにマグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）などを添加したものなどがある。特に、ペロブスカイト型結晶構造の正方晶系ＰＺＴの場合には、＜００１＞軸方向（Ｃ軸方向）に大きな圧電変位が得られ、菱面体晶系ＰＺＴの場合には、＜１１１＞軸方向に大きな圧電変位が得られる。
【０００４】
多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体である。多結晶体では、各結晶軸がでたらめな方向を向いている。したがって、自発分極Ｐｓもでたらめに配列しているが、圧電体薄膜素子では、それらのベクトルの総和が電界と平行方向になるように作られているので、上記した大きな圧電変位が得られる。そして、この圧電体薄膜素子の１つの利用形態である圧電アクチュエータは、上記積層体に振動板を設けたものであるが、両電極間に電圧を印加すると、その印加電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。
【０００５】
ところで、圧電体薄膜は、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法等のスピンコート法等で形成されている。これらの製法では従来の焼結体と比較して、圧電体薄膜の膜厚を精度良く、ばらつきが少なく形成できる。また、圧電体薄膜素子の製造では、フォトリソグラフィーやドライエッチング等による微細加工技術が適用できるので、その微細加工技術を適用して素子の小型化、高密度化が図られている。さらに、圧電体薄膜素子の製造では、最近、種結晶をアルカリ加熱水中で成長させる水熱合成法と呼ばれる技術も提案されている。
【０００６】
圧電体薄膜の結晶構造は、本体部分である複数の結晶粒と、この結晶粒間に存在する結晶粒界とで構成されるが、圧電体薄膜は、下部電極側から形成する場合、下部電極の影響を少なからず受けて成長する。このとき、圧電体薄膜の本体部分である結晶粒は、柱状に成長するのが一般的である。柱状結晶における結晶粒界は、一般的に圧電体薄膜の下部電極側から上部電極側にかけて、すなわち圧電体薄膜の膜厚方向に連続的に形成される。特に、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）で連続的に圧電体薄膜を形成した場合にはその傾向が顕著に表れる。
【０００７】
ここで、圧電体薄膜素子では、本体部分である複数の結晶粒とこの結晶粒間に存在する結晶粒界との出来方を改良して圧電特性を高めるための種々の試みが提案されているが、この圧電特性の向上とともに重要な課題は、圧電体薄膜の薄膜化に伴う耐電圧特性の劣化対策である。
【０００８】
圧電体薄膜での耐電圧特性の優劣の程度を決める要因には、結晶粒内の例えば酸素欠損等の欠陥による影響と、結晶粒径や結晶粒界の状態による影響とが考えられているが、後者については幾つかの知見と改良案とが提示されている。
【０００９】
すなわち、（特許文献１〜３）では、圧電体薄膜の膜厚方向に連続的に形成される柱状結晶の結晶粒界は、上部電極と下部電極との間のリーク電流の通路（リークパス）になる可能性があるので、このリークパスを減らす構成や、結晶粒界を介して流れるリーク電流を減らす構成が提案されている。また、（非特許文献１）では、結晶粒をできるだけ大きくする等によって、圧電体薄膜の粒界密度を小さくするか、あるいは圧電体薄膜を単結晶化するなどの試みが行われている。
【００１０】
なお、（特許文献４）では、成膜した圧電体薄膜の圧電定数を測定する技術が開示されている。また、（特許文献５）では、コンピューターの記憶装置等として用いられるディスク装置のディスクに対する情報の記録および再生に使用されるヘッドの支持機構に使用される薄膜圧電体アクチュエータが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３０７１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７４６８号公報
【特許文献３】特開平１０−２１７４５８号公報
【特許文献４】特開２００２−２２５２８５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３２０４１号公報
【非特許文献１】ＪＡＥ−ＨＹＵＮ ＪＯＯ、ＹＯＵ−ＪＩＮ ＬＥＥ、ＳＥＵＮＧ−ＫＩ ＪＯＯ、Ｆｅｒｏｅｌｅｃｔｔｒｉｃｓ，１９９７，ｖｏｌ．１９６，ｐｐ．１−４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、圧電体薄膜の耐電圧特性を改善するために、前述したような結晶構成を採った場合は、圧電性能の劣化が生じたり、圧電体薄膜素子の駆動時にクラックの発生や割れ等の破壊が生じたりすることが起こるという問題がある。
【００１２】
圧電性能と耐電圧性能との相関については、未だ明確なことは解っていないが、圧電特性に関しては、柱状結晶が連続的に同一結晶軸で成長する方が一般的には好ましい。また結晶粒の大きさは一般的に形成温度を高くすると大きくなるが、ＰＺＴのようなＰｂを含む材料に関しては、高温での形成ではＰｂの欠損が起こり、圧電特性が大きく劣化する。
【００１３】
また、膜厚方向に結晶成長の不連続な部分が多く存在することや膜の中に結合の弱い部分が存在することは、圧電体薄膜素子の駆動時に生じる機械的な振動に対してクラック発生の誘因となり、圧電体薄膜素子の割れや破壊といった現象につながる。それを防止するために圧電体薄膜を単結晶化することは、基板の制約等があり、実際問題としてかなり困難である。
【００１４】
一方、圧電体薄膜の製造方法においても耐電圧性能を下げる場合が起こるという問題がある。すなわち、圧電体薄膜の形成中に圧電体として機能する成分以外の異物が混入した場合には、所定膜厚に掛かる電界強度よりも大きな電界が掛かる箇所が存在することになるので、その箇所で耐電圧性能が劣化する。
【００１５】
具体的には、異物として、特に導電性材料の異物が混入した場合や、一度混入した異物が脱落した状態で上部電極を形成した場合には、所定膜厚よりも薄い領域が形成されるので、電圧印加時に容易に破壊につながる。
【００１６】
薄膜形成時に製造過程の管理だけで異物の混入を防止することには限界があるので、圧電体薄膜の全領域において均一な膜を作成することは困難であり、どうしても耐電圧の低い領域ができてしまう。圧電体薄膜素子においては、圧電体薄膜の耐電圧性能を考慮して膜厚や印加電圧を設計するが、上記のような耐電圧性能が低下した領域が存在すると、著しく信頼性を損なうことになる。したがって、圧電体薄膜の製造方法においても耐電圧性能の低い領域を無くすための方策が求められている。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、圧電性能とともに耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を用いて、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子を得ることを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、圧電性能を損なうことなく、耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を有した圧電体薄膜素子の製造方法を得ることを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、上記発明の圧電体薄膜素子を用いたインクジェットヘッド、および前記インクジェットヘッドを印字手段として装備したインクジェットヘッド式記録装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した目的を達成するために、本発明は、所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜層は、大部分の領域が前記所定膜厚で形成され、一部の領域が前記所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され、前記所定膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に連続的に成長した柱状結晶で構成され、前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向の一端から他端に渡って連続的に柱状に成長するのではなく、途中に不連続領域が存在する構成であることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、所定膜厚が形成される大部分の領域では、優れた圧電特性が得られる。そして、所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され一部の領域では、不連続領域の存在によってリークパスに途切れが生ずるので、耐電圧特性が向上する。したがって、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、駆動電圧を印加したとき実効電界が高く、絶縁破壊の起こり易い部分であるが、耐電圧特性が所定膜厚の形成領域と同等になるので、トータルの領域として優れた圧電特性と耐電圧特性とを具備する結晶構造の圧電体薄膜による圧電体薄膜素子が得られる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、圧電性能とともに耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を用いるので、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図面を参照して、本発明にかかる圧電体薄膜素子及びその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。図１に示す圧電体薄膜素子１０は、基板１１の上面に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５がこの順序で成膜された積層体構造をしている。
【００２５】
基板１１は、例えば、厚みが０．３ｍｍで、径が４インチの円盤状をしている。基板１１としては、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれも同様に用いることができる。
【００２６】
密着層１２は、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しくはクロム又はそれらの化合物が用いられる。膜厚は、０．００５μｍ〜１μｍの範囲内である。ここでは、膜厚０．０２μｍのチタン層としている。なお、密着層１２は、基板１１と下部電極層１３との密着性を高める必要がある場合に設けられるもので、必須の構成ではない。
【００２７】
下部電極層１３は、白金（Ｐｔ）、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも１種の貴金属又はそれらの化合物が用いられる。膜厚は、０．０５μｍ〜２μｍの範囲内である。ここでは、厚さが０．２２μｍのＰｔ層としている。
【００２８】
圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴを主成分とする圧電材料からなる。すなわち、圧電体薄膜層１４の構成材料には、ＰＺＴにＬａ，Ｓｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の添加物を含有したＰＭＮやＰＺＮも含まれている。厚みは、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内である。ここでは、例えば３．５μｍである。
【００２９】
具体的には、この圧電体薄膜層１４は、＜１１１＞面に、又は、＜００１＞面に優先配向している。ＰＺＴの組成は、正方晶と菱面体晶との境界（モルフォトロピック相境界）付近のＺｒ／Ｔｉ組成は、３０／７０〜７０／３０の範囲内である。ここでは、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７である。
【００３０】
上部電極層１５は、導電性材料が用いられ、膜厚は、０．１μｍ〜０．５μｍの範囲内である。ここでは、膜厚０．２μｍのＰｔ層としている。
【００３１】
ここで、圧電体薄膜層１４は、上部電極層１５を積層形成する前に、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んで形成したので、大部分の領域が所定膜厚の形成領域１６となるが、一部の領域（異物が除去された領域）が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となる形で成膜されていている。
【００３２】
図１では、理解を容易にするため、外周縁部が所定膜厚の形成領域１６となり、その内側が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となっていて、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７を誇張して示してあるが、ＳＥＭによる観察結果によれば、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、第１回目の成膜時での異物混入状況にもよるが、非常に限られた領域に形成されている。
【００３３】
図２〜図７は、ＳＥＭによる観察結果を示す。図２は、図１に示す（イ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図３は、図１に示す（ロ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図４は、図１に示す（ハ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図５は、図１に示す（ニ）部から観察した境界部表面のＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真であり、（ホ）部は、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７側にあり、（ヘ）部は、所定膜厚の形成領域１６側にある。図６は、図５に示す（ホ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図７は、図５に示す（ヘ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。
【００３４】
以下に、実施例１として、圧電体薄膜層１４を途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んだ２回の成膜工程によって形成した図１に示す圧電体薄膜素子の製造方法を示し、実施例２として、圧電体薄膜層１４を１回の成膜工程によって形成した圧電体薄膜素子の製造方法を示し、図１に示す本実施の形態による圧電体薄膜素子の特性優位性を示す。ＳＥＭによる観察結果（図２〜図７）から得られる内容は、実施例１にて説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１に示す本実施の形態による圧電体薄膜素子は、基板１１上に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４および上部電極層１５をスパッタ法によって順次成膜するが、上部電極層１５を成膜する前に、圧電体薄膜層１４は、２回に分けて成膜し、第１回目にはある膜厚に成膜し、真空槽から成膜済みの基板を取り出して異物除去を行うための洗浄工程を実施し、第２回目の成膜で最終的な所定膜厚まで成膜する。ここでは、２回に分けているので、例えば、圧電体薄膜層１４は、最終の所定膜厚を３μｍとすると、それを２等分割し、第１回目と第２回目とで共に１．５μｍの成膜を行った。勿論、第１回目と第２回目とで同じ厚さである必要はない。
【００３６】
密着層１２は、チタン（Ｔｉ）ターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら１００Ｗの高周波電力を１分間印加して厚さ０．０２μｍに成膜した。
【００３７】
下部電極層１３は、白金（Ｐｔ）ターゲットを用い、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を１２分間印加して厚さ０．２２μｍに成膜した。
【００３８】
さて、圧電体薄膜層１４は、スパッタ装置を用いて作製した。ターゲットには、化学量論組成からＰｂ量の多いＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７で、Ｐｂが２０モル％過剰）の焼結体ターゲットを用いた。
【００３９】
第１回目の成膜では、真空度０．３Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１８：２）において、基板１１を温度５８０℃に加熱しながら２５０Ｗの高周波電力を９０分間印加して厚さ１．５μｍに成膜した。この状態の圧電体薄膜を圧電体薄膜層１４ａと称することにする。
【００４０】
その後、真空槽から成膜済み基板１１を取り出し圧電体薄膜層１４ａの洗浄を行った。まず、成膜済み基板１１をアルカリ洗剤の入った洗浄槽に１０分浸漬した後、純水のシャワー洗浄装置に入れて表面の洗剤、付着物を洗い落とした。その後、流水をかけながら回転するブラシによるこすり洗いを行い第１回目の成膜時に混入した異物の除去を行った。こすり洗いを行った後は、純水の流水によってリンスを行い、スピンドライヤーによって成膜済み基板１１の乾燥処理を行った。このように、物理的な洗浄方法を取り込むと、耐電圧特性を劣化させる異物の除去をより確実に実施することができる。
【００４１】
乾燥までの洗浄工程を終了すると、成膜済み基板１１を再びスパッタ装置にセットし、圧電体薄膜層１４ａに対して第２回目の成膜を行った。第２回目の成膜では、圧電体薄膜層１４ａを成膜したターゲットを用いて、真空度０．３Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１５：５）において、成膜済み基板１１を温度６２０℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を９５分間印加して厚さ１．５μｍを積層し、膜厚３μｍの最終的な圧電体薄膜層１４を得た。このように、第２回目の成膜条件を第１回目と異ならせると、より広範囲に圧電体薄膜の結晶性や膜質を制御することができる。
【００４２】
その後、圧電体薄膜層１４の上面に、膜厚０．２μｍの上部電極層１５を、Ｐｔターゲットを用いて、室温において真空度１Ｐａのアルゴンガス中で２００Ｗの高周波電力を１０分間印加して形成するが、上部電極層１５を形成する前に、圧電体薄膜層１４をＳＥＭによって観察し、また圧電体薄膜層１４の結晶構造、結晶配向性をＸ線回折およびｓｉｎ2φ法によって調べた。その結果、得られた圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、＜１１１＞配向をしていた。また、ＳＥＭによる観察結果（図２〜図７）から次のようなことが判明した。
【００４３】
図２に示されるように、圧電体薄膜層１４の断面部（イ）を走査して観察すると、ほぼ全ての領域が所定膜厚の形成領域１６であり、そこでの結晶粒は、膜厚方向に柱状に成長した柱状構造を有し、層面に略垂直方向に連続して成長している。結晶粒界も同様に一方の電極と他方の電極との間に連続的に形成されていている。このことは、所定膜厚の形成領域１６は、優れた圧電特性を有していることを示している。柱状結晶の粒子径は、図２や図７に示されるように、その多くが０．０２μｍ〜０．３μｍの範囲内に入っている。
【００４４】
一部に観察される所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、第１回目の成膜中に異物が混入し、その後の洗浄工程によって異物が除去された領域に第２回目の成膜を行って続けて堆積された部分に相当するが、成膜時の異物発生状況にもよるが、非常に限られた領域に形成されている。
【００４５】
図３に示されるように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、膜厚方向に成長する柱状結晶に不連続領域１９が存在し、結晶粒界の成長も不連続領域１９を境に成長方向の両側で異なっていることが解る。図１では誇張して示したが、下部電極層１３から不連続領域１９まで成長した柱状結晶の結晶粒径と、不連続領域１９から上部電極層１５まで成長した柱状結晶の結晶粒径とは異なり、後者の結晶粒径の方が大きくなっている。
【００４６】
具体的には、図６に示されるように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７の上部電極層１５側から観察した結晶粒径は、その多くが０．０６μｍ〜０．８μｍの範囲内に入っており、所定膜厚の形成領域１６での結晶粒径よりも大きくなっている。そして、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７における上部電極層１５側である不連続領域１９の上部側領域は、径の大きい結晶粒によって構成されている。
【００４７】
このことは、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、不連続領域１９の上部側で粒界密度が低減されるので、本来的には厚膜方向に連続的に形成されるリークパスとなる結晶粒界が、不連続領域１９で途切れることを示している。つまり、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、リーク電流の発生を抑制できる構造になっているのであり、耐電圧特性を向上させることができる。
【００４８】
図４に示されるように、所定膜厚の形成領域１６と所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７との境界付近では、所定膜厚の形成領域１６側での柱状結晶は、膜厚方向に連続的に成長しているが、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７側の柱状結晶は、成長方向が膜厚方向に対して斜めになっており、成長の仕方も乱れた状態になっている。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、境界近傍部の結晶粒の成長方向は膜厚方向に対して斜めになっているが、境界部から離れるに従って成長方向が膜厚方向に平行する向きに変化している。
【００４９】
このことは、膜厚が異なった領域の境界では、結晶粒の結合が強くなっていて、駆動時の機械振動によるクラックや割れの発生が起こらず、駆動信頼性に優れていることを示している。
【００５０】
なお、圧電体薄膜層１４の成膜法としては、スパッタ法を用いた場合を示したが、その他の真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いても同様に、圧電特性と耐電圧特性とに優れた圧電体薄膜を形成することができる。また、ゾルゲル法や最近着目されている水熱合成法なども用いることができる。
【００５１】
次に、耐電圧特性を評価するために、上記のように形成した圧電体薄膜層１４上に上部電極層１５を積層した圧電体薄膜素子において、上部電極層１５にフォトレジストをスピンコーターによって塗布し、露光、現像を行い、所定のパターンを形成した。その後、ドライエッチング装置によって上部電極層１５をパターニングして、４００個の圧電体薄膜素子を形成した。
【００５２】
各圧電体薄膜素子は、１．５ｍｍ×０．２ｍｍの個別パターンで形成されているが、４００個の圧電体薄膜素子の全てに、上下の電極間にＤＣ４００Ｖの電圧を２００時間連続して印加して耐電圧特性を評価した。その結果、リーク電流は４００個の圧電体薄膜素子の全てで、５×１０-7（Ａ）以下であり、測定開始前と同じ値であった。
【００５３】
また、上部電極層１５の個別パターンの外観を詳細に観察すると、絶縁破壊やクラック等の異常部は観察されず、駆動前の外観と同じであった。
【００５４】
このことは、実施例１での圧電体薄膜素子は、所定膜厚の形成領域１６では、欠陥の発生がなく、本来の耐電圧特性を維持しているので、絶縁破壊やクラック等の発生がなかったことを示している。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、耐電圧特性が上っている一方、圧電特性が所定膜厚の形成領域よりも下がっているので、所定膜厚の形成領域１６と同じ電圧が加わっても、つまり、実効電界が大きくなっても、所定膜厚の形成領域との間での機械的な変位量の差が小さいので、絶縁破壊やクラックが生じないと考えられる。このように、圧電体薄膜層１４の駆動部全域に渡って高い耐電圧特性と駆動信頼性が得られていることが解る。
【００５５】
次に、上部電極層１５を積層する前の圧電体薄膜層１４をダイシングによって１５ｍｍ×２ｍｍに切り出したカンチレバーを１００個作製し、それぞれに０．２μｍ厚の上部電極層１５をスパッタ法によって形成し、圧電定数ｄ３１の測定を行った。その結果，カンチレバーの圧電定数ｄ３１は、平均１５２ｐＣ／Ｎであり，ばらつきはσ＝３．４％であった。なお、圧電定数ｄ３１測定は、例えば（特許文献４）に示される方法を用いた。
【００５６】
（実施例２）
実施例２では、圧電体薄膜素子は、実施例１と同様に、基板１１上に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４および上部電極層１５をスパッタ法によって順次成膜するが、本実施例２では、圧電体薄膜層１４を１回の成膜で所定膜厚まで形成し、成膜途中の洗浄工程を行うことなく形成した。
【００５７】
圧電体薄膜層１４の形成前までは実施例１と同様に形成し、圧電体薄膜層１４は実施例１での第１回目の成膜条件を用いて１８０分間連続で形成した。圧電体薄膜層１４の膜厚は、３．０μｍであり、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、＜１１１＞に優先配向していた。
【００５８】
ＳＥＭ観察の結果、圧電体薄膜層１４は、全ての領域で柱状構造を有しており、膜厚方向に連続的に成長していた。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の領域も実施例１と同様に存在するが、その領域での柱状結晶の成長は、実施例１とは異なり連続であり、結晶粒の成長は、所定膜厚の形成領域と同一であった。さらに、一部領域では成膜中に混入した異物が埋め込まれていて、所定膜厚よりも厚い膜厚の領域となっていた。
【００５９】
次に、実施例１と同様に、上部電極層１５を形成した後に、４００個の圧電体薄膜素子を形成した。各圧電体薄膜素子は、同様に１．５ｍｍ×０．２ｍｍの個別パターンで形成されている。この４００個の圧電体薄膜素子の全てに、上下の電極間にＤＣ４００Ｖの電圧を２００時間連続して印加して耐電圧特性を評価した。
【００６０】
その結果、本実施例２での圧電体薄膜素子では、電圧印加後直ぐにリーク電流が発生し始め、２００時間後には２６個の圧電体薄膜素子で１×１０-5（Ａ）以上のリーク電流が観察され、測定開始前と比較してリーク電流が増えていた。
【００６１】
また、上部電極層１５の個別パターンの外観を詳細に観察すると、リーク電流が増加した圧電体薄膜素子では、黒化した絶縁破壊部やクラック等の外観異常が観察され、圧電体薄膜素子に故障が生じていた。傾向として初期にリーク電流が発生した圧電体薄膜素子は絶縁破壊が多く観察され、駆動時間が長くなるに伴ってクラックや割れが発生したものが殆どを占めていた。
【００６２】
このことは、実施例２での圧電体薄膜素子は、所定膜厚の形成領域では、実施例１と同様に欠陥の発生がなく、本来の耐電圧特性を維持しているので、絶縁破壊やクラック等の発生がなかったことを示している。しかし、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域においては、実施例１とは異なり所定膜厚の形成領域と同様の連続して成長した柱状結晶であるので、同じ印加電圧に対して電界強度が増加した分、耐電圧特性が劣化し絶縁破壊を引き起こしたことを示している。特に駆動初期においてはこのモードが多くを占めている。
【００６３】
つまり、実施例２での圧電体薄膜素子では、連続的に駆動を行うと、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶構造が膜厚方向において同じであり、膜の圧電特性は変わらないが、実効電界が大きくなるので、所定膜厚の形成領域との間に機械的な変位量の差が出る結果、境界部で応力の発生等によってクラックが生じる。そのため、連続駆動時間が長いと、このモードが殆どを占めるようになると考えられる。
【００６４】
また、実施例２での圧電体薄膜素子では、異物等の噛み込みがあって所定膜厚よりも厚い膜厚となっている領域では、異物によって膜厚方向に空隙が生じている。そのため、異物が導電性材料の場合は実効膜厚が薄くなるので、膜厚が薄い領域と同様にクラックや絶縁破壊等が起こると考えられる。
【００６５】
そして、上部電極層１５を積層する前の圧電体薄膜層１４をダイシングによって１５ｍｍ×２ｍｍに切り出したカンチレバーを１００個作製し、それぞれに０．２μｍ厚の上部電極層１５をスパッタ法によって形成し、圧電定数ｄ３１の測定を行った。その結果，カンチレバーの圧電定数ｄ３１は、平均１５６ｐＣ／Ｎであり，ばらつきはσ＝３．６％であった。
【００６６】
このように、実施例２での圧電体薄膜素子では、配向は同じであり、圧電特性もほぼ同様であるが、耐電圧特性を劣化させる異物の混入を防止できず耐電圧特性が劣化した領域が存在するので、圧電体薄膜層の駆動部全域に渡って高い耐電圧特性を得ることができない。また、長期の連続駆動では、クラックや割れ等が発生するので、駆動信頼性が確保できない。
【００６７】
それに対して、実施例１にて説明した圧電体薄膜素子の製造方法、つまり、本実施の形態１による圧電体薄膜素子の製造方法では、圧電体薄膜層を、少なくと２回に分けた成膜工程の各成膜工程の間に混入異物の除去工程を組み込む形で所定膜厚に形成するので、耐電圧特性を劣化させる異物の混入を防止できる。
【００６８】
加えて、圧電体薄膜層には、大部分の所定膜厚が形成領域の他に、一部領域であるが、異物が除去された領域に、その所定膜厚よりも薄い膜ｓ厚の領域が形成される。この薄い膜厚の形成領域は、結晶粒界が不連続領域を挟んで不連続となり、結晶粒径の大きい領域では粒界密度が低減されるという結晶粒界の不連続構造を有する。つまり、薄い膜厚の形成領域では、結晶粒界の不連続構造によってリークパスが途切れるので、耐電圧特性が向上する。そして、大部分の所定膜厚が形成された領域では、良好な圧電特性が維持される。
【００６９】
すなわち、本実施の形態１による圧電体薄膜素子は、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、駆動電圧を印加したときに実効電界が高く、絶縁破壊が起こりやすい箇所であるが、上記の結晶粒界の不連続構造によって電圧印加時の結晶粒界を通じて流れる電流リークパスの形成を防止できるので、耐電圧特性が向上する。
【００７０】
このように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、所定膜厚の形成領域と同様の耐電圧特性を備えているので、トータルの領域として優れた耐電圧特性と圧電特性とを具備した圧電体薄膜素子が得られる。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、実施の形態１による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るインクジェットヘッドの構成例を示す。端的には、このインクジェットヘッドは、実施の形態１による圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極層側の面に設けた振動板層と、前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、前記圧電体薄膜素子の圧電効果によって前記振動板層を層厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるように構成される。以下、具体的な構成例（図８〜図１０）とその製造手順（図１１〜図１６）とを示す。
【００７２】
まず、図８〜図１０を参照して構成を説明する。なお、図８は、本実施の形態２によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図である。図９は、図８に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図である。図１０は、図８に示すインクジェットヘッドの要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図である。
【００７３】
図８、図９に示すように、インクジェットヘッド１００は、主な要素として、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとインク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを備えている。なお、図８では、制御手段としてのＩＣチップＥも示されている。これらの要素は、図示例で言えば上下方向の下側から上側に向かって、ノズル板Ｄ、インク流路部材Ｃ、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂと積層配置され、アクチュエータ部Ｂの上部にＩＣチップＥが配置される。
【００７４】
図８、図９において、圧力室部材Ａには、その厚み方向（上下方向）に貫通する多数の圧力室開口部１０１が千鳥状に形成されている。個別の圧力室１０２は、この多数の圧力室開口部１０１のそれぞれが、その上端開口部を共通に被覆するように配置されるアクチュエータ部Ｂと、その下端開口部を共通に被覆するように配置されるインク流路部材Ｃとによってその上下端が閉塞されることで構成される。
【００７５】
アクチュエータ部Ｂの上端面には、多数の個別電極１０３が圧力室１０２と１対１の関係で千鳥状に配置され、各個別電極１０３に対してＩＣチップＥからボンディングワイヤＢＷを通して電圧をそれぞれ供給するようになっている。個別電極１０３は、ここでは、第２の電極層１０３と称することもある。
【００７６】
インク流路部材Ｃは、インク供給方向に並ぶ圧力室１０２間で共用する共通液室１０５と、この共通液室１０５のインクを圧力室１０２に供給するための供給口１０６と、圧力室１０２内のインクを吐出させるためのインク流路１０７とを有している。ノズル板Ｄには、インク流路１０７に連通するノズル孔１０８が形成されている。
【００７７】
次に、図１０では、図８に示したインク供給方向とは直交する方向でのアクチュエータ部Ｂの断面構成が示され、アクチュエータ部Ｂの直下に上記の直交方向に並ぶ４個の圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａが参照的に示されている。４個の圧力室１０２は、区画壁１０２ａで仕切られている。
【００７８】
図１０に示すように、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室１０２に共通の天井面を構成する部材として、区画壁１０２ａの上端面に接着剤１１４にて接着される中間層（区画壁１０２ａの側壁面と面一に形成される）１１３と、その上に積層される振動層１１１と、その上に積層される共通電極１１２とを備えている。
【００７９】
そして、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎に、共通電極１１２の上面における各圧力室１０２の直上位置に設けられる圧電体薄膜層１１０と、その上に積層される上記した個別電極１０３とを備えている。共通電極１１２は、ここでは、第１の電極層１１２と称することもある。
【００８０】
つまり、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎の駆動手段として、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０及び第２の電極層１０３が順に積層される構成の圧電体薄膜素子に加えて、振動層１１１が共通電極である第１の電極層１１２側に設けられている。
【００８１】
ここで、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０及び第２の電極層１０３は、実施の形態１にて説明した下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５のそれぞれと対応し、各構成材料も、構成元素の含有量が異なるものもあるが、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５のそれぞれと同様である。
【００８２】
つまり、圧電体薄膜層１１０は、圧電体薄膜層１４と同様に、第２の電極層１０３を積層形成する前に、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を入れて形成されているので、その成膜構造は、大部分の領域が所定膜厚の形成領域であるが、その中に所定膜厚よりも薄い膜厚の小領域が点在等の形で混在する構造であり、両者間では結晶粒の成長が異なり、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域では結晶粒界が不連続構造をしている。
【００８３】
アクチュエータ部Ｂでは、この構成によれば、１つの圧力室１０２に対する圧電体薄膜層１１０の圧電効果によって振動層１１１が層厚方向に変位し振動することで、各圧力室１０２の容積を個別に変化させることができる。
【００８４】
なお、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとは、接着剤１１４によって接着されているが、各中間層１１３は、この接着剤１１４を用いた接着時に、その一部の接着剤１１４が区画壁１０２ａの外方にはみ出した場合でも、この接着剤１１４が振動層１１１に付着しないで振動層１１１が所期通りの変位及び振動を起こすように、区画壁１０２ａの上端面である圧力室１０２の上面と振動層１１１の下面との距離を拡げる役割を有している。したがって、中間層１１３を設けずに、区画壁１０２ａの上端面に直接振動層１１１を支持させる構成を採る場合もある。
【００８５】
次に、図１１〜図１６を参照して、図８に示すＩＣチップＥを除く要部、つまり、図９に示す圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂ、インク流路部材Ｃ及びノズル板Ｄからなるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。
【００８６】
図１１は、積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程を説明する断面図である。図１１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１２０上に、順次、密着層１２１、第２の電極層１０３、圧電体薄膜層１１０、第１の電極層１１２、振動層１１１、中間層１１３をスパッタリング法によって成膜して積層する。
【００８７】
なお、中間層１１３は、最終的には区画壁１０２ａの縦壁になる。また、密着層１２１は、実施の形態１にて説明した密着層１２と同様であって、Ｓｉ基板１２０と第２の電極層１０３との密着性を高めるために両者間に介在させてある。つまり、密着層１２１は、必須のものではない。後述するように、密着層１２１は、Ｓｉ基板１２０と同様に除去される。
【００８８】
ここで、Ｓｉ基板１２０は、成膜用の基板、つまり、１つの圧電体薄膜素子を作製する単位となる基板である。このＳｉ基板１２０は、実施の形態１にて説明した基板１１と同様であって、シリコン（Ｓｉ）基板や、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれで構成してもよい。そして、形状は、実施の形態１にて示したように適宜厚さの円盤状でもよいが、ここでは、Ｓｉ基板１２０には、例えば厚さ１８ｍｍの４角形状に切り落としたＳｉ基板を用いた。
【００８９】
そして、密着層１２１、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０、および第２の電極層１０３は、上記した実施例１と同様の方法で作製し、圧電体薄膜層１１０は、実施例１にて説明した内容の不連続構造を有する構成になっている。ここでは、追加要素である振動層１１１及び中間層１１３の材料と作製方法とを説明する。
【００９０】
即ち、振動層１１１は、クロム（Ｃｒ）、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン等の単体又はこれらの酸化物若しくは窒化物（例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）等のいずれか一つ、例えばＣｒターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中においてＳｉ基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を６時間印加して膜厚３μｍに成膜した。振動層１１１の膜厚は、１μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００９１】
また、中間層１１３は、ＴｉやＣｒ等の導電性金属、例えばＴｉターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中においてＳｉ基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を５時間印加して膜厚５μｍに成膜した。中間層１１３の膜厚は、３μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００９２】
次に、図１１（ｂ）、（ｃ）及び図１６に示すように圧力室部材Ａを形成する。なお、図１６は、製造過程で成膜された基板（成膜用基板）と圧力室部材で用いる基板（圧力室部材用基板）との関係を説明する平面図である。図１６に示すように、圧力室部材Ａで使用するＳｉ基板１３０は、必要数のＳｉ基板１２０が搭載できる程度に大きいサイズのＳｉウェハ基板である。具体的には、Ｓｉ基板１３０は、径が２インチ〜１０インチの範囲内の適宜直径（ここでは４インチとした）の円盤状をしている。
【００９３】
圧力室部材Ａは、このＳｉ基板１３０を使用して形成される。具体的には、まず、Ｓｉ基板１３０に対して複数の圧力室開口部１０１をパターンニングする。このパターンニングは、図１１（ｂ）から解るように、４つの圧力室開口部１０１を１組とし、各組の間に区画壁１０２ｂが介在するように行われる。この各組を区画する区画壁１０２ｂの幅厚は、各組内の圧力室開口部１０１を区画する区画壁１０２ａの幅の約２倍に設定される。
【００９４】
その後、上記パターンニングされたＳｉ基板１３０をケミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して各組で４個の圧力室開口部１０１を形成することで、圧力室部材Ａを得る。
【００９５】
その後は、図１１（ｃ）に示すように、圧力室部材ＡとＳｉ基板１３０とを接着剤にて接着する。この接着剤の形成は電着による。図１１（ｃ）において、まず、圧力室部材Ａ側の接着面として圧力室の区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に接着剤１１４を電着によって付着させる。具体的には、図示してないが、区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのＮｉ薄膜をスパッタ法によって形成し、その後、当該Ｎｉ薄膜上に、パターニングされた接着剤１１４を形成する。
【００９６】
ここで、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に０〜５０重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液を使用する。また、Ｎｉ薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設定するのは、Ｓｉ基板１３０に接着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。電着条件は、実験によると、液温約２５℃、直流電圧３０Ｖ、通電時間６０秒が好適である。この条件下で約３μｍ〜１０μｍのアクリル樹脂を、圧力室部材用Ｓｉ基板１３０のＮｉ薄膜上に電着形成する。
【００９７】
次に、図１２は、成膜後の基板（成膜用基板）と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程を説明する断面図である。図１２（ａ）に示すように、上記のように積層された成膜用Ｓｉ基板１２０の所定数と圧力室部材Ａ（つまりＳｉ基板１３０）とを上記のように電着された接着剤１１４を用いて接着する。この接着は、Ｓｉ基板１２０に成膜された中間層１１３の端面を基板側接着面として行う。
【００９８】
図１６に示す例では、Ｓｉ基板１２０は１８ｍｍ角の矩形状であるのに対し、Ｓｉ基板１３０の盤面は、４インチサイズという大きな円形状をしているので、１４個の成膜用Ｓｉ基板１２０が圧力室部材Ａで使用する１つのＳｉ基板１３０に貼り付けられている。
【００９９】
この貼り付けは、図１２（ａ）に示すように、各Ｓｉ基板１２０の中心が圧力室部材Ａの区画壁１０２ｂの中心に位置するように位置決めした状態で行われる。貼り付け後、圧力室部材ＡをＳｉ基板１２０側に押圧、密着させて、両者の接着を液密性高くする。さらに、上記接着したＳｉ基板１２０及び圧力室部材Ａを加熱炉において徐々に昇温加熱して接着剤１１４を完全に硬化させる。
【０１００】
次いで、図１２（ｂ）に示すように、プラズマ処理を行って接着剤１１４のうち、圧力室開口部１０１内にはみ出した断片を除去する。また、圧力室部材Ａの各区画壁１０２ａ，１０２ｂをマスクとして中間層１１３をエッチングし、各区画壁１０２ａ，１０２ｂの縦壁に連続するような所定形状に仕上げる。
【０１０１】
なお、図１２（ａ）では、成膜後のＳｉ基板１２０と圧力室部材Ａとを接着したが、圧力室開口部１０１を形成しない段階の圧力室部材用Ｓｉ基板１３０を成膜後のＳｉ基板１２０と接着してもよい。
【０１０２】
次に、図１３は、成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図である。図１３（ａ）に示すように、図１２（ｂ）とした後に、成膜後の成膜用Ｓｉ基板１２０及び密着層１２１をエッチングによって除去する。その後は、図１３（ｂ）に示すように、圧力室部材Ａ上に位置する第１の電極層１０３について、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、各圧力室１０２に個別化する。
【０１０３】
次に、図１４は、圧電体薄膜層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程を説明する断面図である。図１４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて圧電体薄膜層１１０をエッチングして第２の電極層１０３と同様の形状に個別化する。これらエッチングでは、第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０が、圧力室１０２の各々の上方に位置し、かつ第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０の幅方向の中心が対応する圧力室１０２の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。
【０１０４】
このように第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０を圧力室１０２毎に個別化した後、図１４（ｂ）に示すように、圧力室部材用基板（Ｓｉ基板１３０）を各区画壁１０２ｂの部分で切断し、４つの圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａとその上面に固定されたアクチュエータ部Ｂとの組（図１０）の複数組（図１１の例では４組）が完成する。
【０１０５】
次に、図１５は、インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッドを説明する断面図である。
【０１０６】
その後、図１５（ａ）に示すように、インク流路部材Ｃに共通液室１０５、供給口１０６及びインク流路１０７を形成するとともに、ノズル板Ｄにノズル孔１０８を形成する。次いで、図１５（ｂ）に示すように、インク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを接着剤１０９を用いて接着する。
【０１０７】
その後、図１５（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａの下端面又はインク流路部材Ｃの上端面に接着剤（図示せず）を転写し、圧力室部材Ａとインク流路部材Ｃとのアライメント調整を行ってこの両者を上記接着剤によって接着する。以上によって、図１５（ｄ）に示すように、下から上に、ノズル板Ｄ、インク流路部材Ｃ、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂと一体的に積層されたインクジェットヘッドが完成する。
【０１０８】
以上のようにして作製したインクジェットヘッドは、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いているので、インクの吐出不良を発生することなく、長期間の耐久性能に優れたものになることが容易に理解できる。
【０１０９】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、実施の形態２によるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の構成例を示す。端的には、このインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段にて前記インクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成される。以下、具体的な構成例（図１７）を示す。
【０１１０】
図１７は、本発明の実施の形態３によるインクジェット記録装置の構成を示す概略斜視図である。図１７に示すインクジェット記録装置２００は、実施の形態２によるインクジェットヘッド２０１を備えている。このインクジェットヘッド２０１において圧力室（実施の形態２における圧力室１０２）に連通するように設けたノズル孔（実施の形態２におけるノズル孔１０８）から当該圧力室内のインクを記録用紙等の記録媒体２０２に吐出させて記録を行うように構成されている。
【０１１１】
インクジェットヘッド２０１は、主走査方向Ｘに延びるキャリッジ軸２０３に設けられたキャリッジ２０４に搭載され、このキャリッジ２０４がキャリッジ軸２０３に沿って往復動するのに応じて主走査方向Ｘに往復動するように構成されている。つまり、キャリッジ２０４は、インクジェットヘッド２０１と記録媒体２０２とを主走査方向Ｘに相対移動させる相対移動手段を構成している。
【０１１２】
また、このインクジェット式記録装置２００は、記録媒体２０２をインクジェットヘッド２０１の主走査方向Ｘ（幅方向）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数のローラ２０５を備えている。つまり、複数のローラ２０５は、インクジェットヘッド２０１と記録媒体２０２とを副走査方向Ｙに相対移動させる相対移動手段を構成している。なお、図１７中、Ｚは上下方向である。
【０１１３】
そして、インクジェットヘッド２０１がキャリッジ２０４によって主走査方向Ｘに移動しているときにインクジェットヘッド２０１のノズル孔からインクを記録媒体２０２に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ２０５によって記録媒体２０２を所定量移動させて次の一走査の記録を行うように、上記相対移動手段が制御される。
【０１１４】
このように、実施の形態３によるインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドを備えるので、良好な印字性能及び耐久性を有することができる。
【０１１５】
なお、この明細書では、実施の形態１による圧電体薄膜素子の好適な適用例として、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置への適用例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、薄膜コンデンサ、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。特に、例えば（特許文献５）に開示されるディスク装置用薄膜圧電体アクチュエータに好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上のように、本発明にかかる圧電体薄膜素子は、長期間に渡って電圧を印加して駆動しても絶縁性を低下させずに高い信頼性を得るのに有用であり、特に、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置の耐久性能を向上させるのに好適である。
【０１１７】
また、以上のように、本発明にかかる圧電体薄膜素子の製造方法は、圧電性能を損なうことなく、耐電圧性能に優れた圧電体薄膜の結晶構造を有した圧電体薄膜素子の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図
【図２】図１に示す（イ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図３】図１に示す（ロ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図４】図１に示す（ハ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図５】図１に示す（ニ）部から観察した境界部表面のＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真であり、（ホ）部は所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域側にあり、（ヘ）部は所定膜厚の形成領域側にある写真を示す図
【図６】図５に示す（ホ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図７】図５に示す（ヘ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図８】本発明の実施の形態２によるインクジェットヘッドの構成を示す外観図
【図９】図８に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図
【図１０】図８に示すインクジェットヘッドの要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図１１】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程）を説明する断面図
【図１２】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜後の基板（成膜用基板）と圧力用部材との接着工程及び縦壁の形成化工程）を説明する断面図
【図１３】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜用基板及び密着層の除去工程、及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図
【図１４】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（圧電体薄膜層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程）を説明する断面図
【図１５】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッド）を説明する断面図
【図１６】図１１に示す製造過程で成膜された基板（成膜用基板）と圧力室部材で用いる基板（圧力室部材用基板）との関係を説明する平面図
【図１７】本発明の実施の形態３によるインクジェット記録装置の構成を示す概略斜視図
【符号の説明】
【０１１９】
１０ 圧電体薄膜素子
１１ 基板
１２ 密着層
１３ 下部電極層
１４ 圧電体薄膜層
１５ 上部電極層
１６ 所定膜厚の形成領域
１７ 所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域
１８ 結晶粒界
１９ 不連続領域
１００ インクジェットヘッド
１０１ 圧力室開口部
１０２ 圧力室
１０２ａ，１０２ｂ 区画壁
１０３ 個別電極（第２の電極層）
１０５ 共通液室
１０６ 供給口
１０７ インク流路
１０８ ノズル孔
１０９ 接着剤
１１０ 圧電体薄膜層
１１１ 振動層
１１２ 共通電極（第１の電極層）
１１３ 中間層（縦壁）
１１４ 接着剤
１２０ 基板（成膜用）
１２１ 密着層
１３０ 基板（圧力室部材用）
２００ インクジェット式記録装置
２０１ インクジェットヘッド
２０２ 記録媒体
２０３ キャリッジ軸
２０４ キャリッジ（Ｘ方向での相対移動手段）
２０５ ローラ（Ｙ方向での相対移動手段）
Ａ 圧力室部材
Ｂ アクチュエータ部
Ｃ インク流路部材
Ｄ ノズル板
Ｅ ＩＣチップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子及びその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換機能を呈する圧電体薄膜素子は、一般に、圧電体薄膜をその厚み方向の両側を電極でそれぞれ挟んだ積層体構造をしている。以降では、厚み方向を上下方向と考えて、下側に設ける電極を下部電極と称し、上側に設ける電極を上部電極と称することとする。
【０００３】
圧電体材料の代表的なものは、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以降、「ＰＺＴ」という）や、このＰＺＴにマグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）などを添加したものなどがある。特に、ペロブスカイト型結晶構造の正方晶系ＰＺＴの場合には、＜００１＞軸方向（Ｃ軸方向）に大きな圧電変位が得られ、菱面体晶系ＰＺＴの場合には、＜１１１＞軸方向に大きな圧電変位が得られる。
【０００４】
多くの圧電体材料は、結晶粒子の集合体からなる多結晶体である。多結晶体では、各結晶軸がでたらめな方向を向いている。したがって、自発分極Ｐｓもでたらめに配列しているが、圧電体薄膜素子では、それらのベクトルの総和が電界と平行方向になるように作られているので、上記した大きな圧電変位が得られる。そして、この圧電体薄膜素子の１つの利用形態である圧電アクチュエータは、上記積層体に振動板を設けたものであるが、両電極間に電圧を印加すると、その印加電圧の大きさに比例した機械的変位が得られる。
【０００５】
ところで、圧電体薄膜は、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法等のスピンコート法等で形成されている。これらの製法では従来の焼結体と比較して、圧電体薄膜の膜厚を精度良く、ばらつきが少なく形成できる。また、圧電体薄膜素子の製造では、フォトリソグラフィーやドライエッチング等による微細加工技術が適用できるので、その微細加工技術を適用して素子の小型化、高密度化が図られている。さらに、圧電体薄膜素子の製造では、最近、種結晶をアルカリ加熱水中で成長させる水熱合成法と呼ばれる技術も提案されている。
【０００６】
圧電体薄膜の結晶構造は、本体部分である複数の結晶粒と、この結晶粒間に存在する結晶粒界とで構成されるが、圧電体薄膜は、下部電極側から形成する場合、下部電極の影響を少なからず受けて成長する。このとき、圧電体薄膜の本体部分である結晶粒は、柱状に成長するのが一般的である。柱状結晶における結晶粒界は、一般的に圧電体薄膜の下部電極側から上部電極側にかけて、すなわち圧電体薄膜の膜厚方向に連続的に形成される。特に、スパッタ法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）で連続的に圧電体薄膜を形成した場合にはその傾向が顕著に表れる。
【０００７】
ここで、圧電体薄膜素子では、本体部分である複数の結晶粒とこの結晶粒間に存在する結晶粒界との出来方を改良して圧電特性を高めるための種々の試みが提案されているが、この圧電特性の向上とともに重要な課題は、圧電体薄膜の薄膜化に伴う耐電圧特性の劣化対策である。
【０００８】
圧電体薄膜での耐電圧特性の優劣の程度を決める要因には、結晶粒内の例えば酸素欠損等の欠陥による影響と、結晶粒径や結晶粒界の状態による影響とが考えられているが、後者については幾つかの知見と改良案とが提示されている。
【０００９】
すなわち、（特許文献１〜３）では、圧電体薄膜の膜厚方向に連続的に形成される柱状結晶の結晶粒界は、上部電極と下部電極との間のリーク電流の通路（リークパス）になる可能性があるので、このリークパスを減らす構成や、結晶粒界を介して流れるリーク電流を減らす構成が提案されている。また、（非特許文献１）では、結晶粒をできるだけ大きくする等によって、圧電体薄膜の粒界密度を小さくするか、あるいは圧電体薄膜を単結晶化するなどの試みが行われている。
【００１０】
なお、（特許文献４）では、成膜した圧電体薄膜の圧電定数を測定する技術が開示されている。また、（特許文献５）では、コンピューターの記憶装置等として用いられるディスク装置のディスクに対する情報の記録および再生に使用されるヘッドの支持機構に使用される薄膜圧電体アクチュエータが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３０７１６３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７４６８号公報
【特許文献３】特開平１０−２１７４５８号公報
【特許文献４】特開２００２−２２５２８５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３２０４１号公報
【非特許文献１】ＪＡＥ−ＨＹＵＮ ＪＯＯ、ＹＯＵ−ＪＩＮ ＬＥＥ、ＳＥＵＮＧ−ＫＩ ＪＯＯ、Ｆｅｒｏｅｌｅｃｔｔｒｉｃｓ，１９９７，ｖｏｌ．１９６，ｐｐ．１−４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、圧電体薄膜の耐電圧特性を改善するために、前述したような結晶構成を採った場合は、圧電性能の劣化が生じたり、圧電体薄膜素子の駆動時にクラックの発生や割れ等の破壊が生じたりすることが起こるという問題がある。
【００１２】
圧電性能と耐電圧性能との相関については、未だ明確なことは解っていないが、圧電特性に関しては、柱状結晶が連続的に同一結晶軸で成長する方が一般的には好ましい。また結晶粒の大きさは一般的に形成温度を高くすると大きくなるが、ＰＺＴのようなＰｂを含む材料に関しては、高温での形成ではＰｂの欠損が起こり、圧電特性が大きく劣化する。
【００１３】
また、膜厚方向に結晶成長の不連続な部分が多く存在することや膜の中に結合の弱い部分が存在することは、圧電体薄膜素子の駆動時に生じる機械的な振動に対してクラック発生の誘因となり、圧電体薄膜素子の割れや破壊といった現象につながる。それを防止するために圧電体薄膜を単結晶化することは、基板の制約等があり、実際問題としてかなり困難である。
【００１４】
一方、圧電体薄膜の製造方法においても耐電圧性能を下げる場合が起こるという問題がある。すなわち、圧電体薄膜の形成中に圧電体として機能する成分以外の異物が混入した場合には、所定膜厚に掛かる電界強度よりも大きな電界が掛かる箇所が存在することになるので、その箇所で耐電圧性能が劣化する。
【００１５】
具体的には、異物として、特に導電性材料の異物が混入した場合や、一度混入した異物が脱落した状態で上部電極を形成した場合には、所定膜厚よりも薄い領域が形成されるので、電圧印加時に容易に破壊につながる。
【００１６】
薄膜形成時に製造過程の管理だけで異物の混入を防止することには限界があるので、圧電体薄膜の全領域において均一な膜を作成することは困難であり、どうしても耐電圧の低い領域ができてしまう。圧電体薄膜素子においては、圧電体薄膜の耐電圧性能を考慮して膜厚や印加電圧を設計するが、上記のような耐電圧性能が低下した領域が存在すると、著しく信頼性を損なうことになる。したがって、圧電体薄膜の製造方法においても耐電圧性能の低い領域を無くすための方策が求められている。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、圧電性能とともに耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を用いて、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子を得ることを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、圧電性能を損なうことなく、耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を有した圧電体薄膜素子の製造方法を得ることを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、上記発明の圧電体薄膜素子を用いたインクジェットヘッド、および前記インクジェットヘッドを印字手段として装備したインクジェットヘッド式記録装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した目的を達成するために、本発明は、所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、前記圧電体薄膜層は、大部分の領域が前記所定膜厚で形成され、一部の領域が前記所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され、前記所定膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に連続的に成長した柱状結晶で構成され、前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向の一端から他端に渡って連続的に柱状に成長するのではなく、途中に不連続領域が存在する構成であることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、所定膜厚が形成される大部分の領域では、優れた圧電特性が得られる。そして、所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され一部の領域では、不連続領域の存在によってリークパスに途切れが生ずるので、耐電圧特性が向上する。したがって、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、駆動電圧を印加したとき実効電界が高く、絶縁破壊の起こり易い部分であるが、耐電圧特性が所定膜厚の形成領域と同等になるので、トータルの領域として優れた圧電特性と耐電圧特性とを具備する結晶構造の圧電体薄膜による圧電体薄膜素子が得られる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、圧電性能とともに耐電圧性能に優れた結晶構造の圧電体薄膜を用いるので、高性能で信頼性の高い圧電体薄膜素子が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図面を参照して、本発明にかかる圧電体薄膜素子及びその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェット式記録装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図である。図１に示す圧電体薄膜素子１０は、基板１１の上面に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５がこの順序で成膜された積層体構造をしている。
【００２５】
基板１１は、例えば、厚みが０．３ｍｍで、径が４インチの円盤状をしている。基板１１としては、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれも同様に用いることができる。
【００２６】
密着層１２は、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル若しくはクロム又はそれらの化合物が用いられる。膜厚は、０．００５μｍ〜１μｍの範囲内である。ここでは、膜厚０．０２μｍのチタン層としている。なお、密着層１２は、基板１１と下部電極層１３との密着性を高める必要がある場合に設けられるもので、必須の構成ではない。
【００２７】
下部電極層１３は、白金（Ｐｔ）、イリジウム、パラジウム及びルテニウムの群から選ばれた少なくとも１種の貴金属又はそれらの化合物が用いられる。膜厚は、０．０５μｍ〜２μｍの範囲内である。ここでは、厚さが０．２２μｍのＰｔ層としている。
【００２８】
圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系又は正方晶系のペロブスカイト型結晶構造を有するＰＺＴを主成分とする圧電材料からなる。すなわち、圧電体薄膜層１４の構成材料には、ＰＺＴにＬａ，Ｓｒ、Ｎｂ、Ａｌ等の添加物を含有したＰＭＮやＰＺＮも含まれている。厚みは、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内である。ここでは、例えば３．５μｍである。
【００２９】
具体的には、この圧電体薄膜層１４は、＜１１１＞面に、又は、＜００１＞面に優先配向している。ＰＺＴの組成は、正方晶と菱面体晶との境界（モルフォトロピック相境界）付近のＺｒ／Ｔｉ組成は、３０／７０〜７０／３０の範囲内である。ここでは、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７である。
【００３０】
上部電極層１５は、導電性材料が用いられ、膜厚は、０．１μｍ〜０．５μｍの範囲内である。ここでは、膜厚０．２μｍのＰｔ層としている。
【００３１】
ここで、圧電体薄膜層１４は、上部電極層１５を積層形成する前に、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んで形成したので、大部分の領域が所定膜厚の形成領域１６となるが、一部の領域（異物が除去された領域）が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となる形で成膜されていている。
【００３２】
図１では、理解を容易にするため、外周縁部が所定膜厚の形成領域１６となり、その内側が所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７となっていて、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７を誇張して示してあるが、ＳＥＭによる観察結果によれば、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、第１回目の成膜時での異物混入状況にもよるが、非常に限られた領域に形成されている。
【００３３】
図２〜図７は、ＳＥＭによる観察結果を示す。図２は、図１に示す（イ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図３は、図１に示す（ロ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図４は、図１に示す（ハ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図５は、図１に示す（ニ）部から観察した境界部表面のＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真であり、（ホ）部は、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７側にあり、（ヘ）部は、所定膜厚の形成領域１６側にある。図６は、図５に示す（ホ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。図７は、図５に示す（ヘ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真である。
【００３４】
以下に、実施例１として、圧電体薄膜層１４を途中に混入異物除去の洗浄工程を組み込んだ２回の成膜工程によって形成した図１に示す圧電体薄膜素子の製造方法を示し、実施例２として、圧電体薄膜層１４を１回の成膜工程によって形成した圧電体薄膜素子の製造方法を示し、図１に示す本実施の形態による圧電体薄膜素子の特性優位性を示す。ＳＥＭによる観察結果（図２〜図７）から得られる内容は、実施例１にて説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１に示す本実施の形態による圧電体薄膜素子は、基板１１上に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４および上部電極層１５をスパッタ法によって順次成膜するが、上部電極層１５を成膜する前に、圧電体薄膜層１４は、２回に分けて成膜し、第１回目にはある膜厚に成膜し、真空槽から成膜済みの基板を取り出して異物除去を行うための洗浄工程を実施し、第２回目の成膜で最終的な所定膜厚まで成膜する。ここでは、２回に分けているので、例えば、圧電体薄膜層１４は、最終の所定膜厚を３μｍとすると、それを２等分割し、第１回目と第２回目とで共に１．５μｍの成膜を行った。勿論、第１回目と第２回目とで同じ厚さである必要はない。
【００３６】
密着層１２は、チタン（Ｔｉ）ターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら１００Ｗの高周波電力を１分間印加して厚さ０．０２μｍに成膜した。
【００３７】
下部電極層１３は、白金（Ｐｔ）ターゲットを用い、真空度１Ｐａのアルゴンガス中において基板１１を４００℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を１２分間印加して厚さ０．２２μｍに成膜した。
【００３８】
さて、圧電体薄膜層１４は、スパッタ装置を用いて作製した。ターゲットには、化学量論組成からＰｂ量の多いＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７で、Ｐｂが２０モル％過剰）の焼結体ターゲットを用いた。
【００３９】
第１回目の成膜では、真空度０．３Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１８：２）において、基板１１を温度５８０℃に加熱しながら２５０Ｗの高周波電力を９０分間印加して厚さ１．５μｍに成膜した。この状態の圧電体薄膜を圧電体薄膜層１４ａと称することにする。
【００４０】
その後、真空槽から成膜済み基板１１を取り出し圧電体薄膜層１４ａの洗浄を行った。まず、成膜済み基板１１をアルカリ洗剤の入った洗浄槽に１０分浸漬した後、純水のシャワー洗浄装置に入れて表面の洗剤、付着物を洗い落とした。その後、流水をかけながら回転するブラシによるこすり洗いを行い第１回目の成膜時に混入した異物の除去を行った。こすり洗いを行った後は、純水の流水によってリンスを行い、スピンドライヤーによって成膜済み基板１１の乾燥処理を行った。このように、物理的な洗浄方法を取り込むと、耐電圧特性を劣化させる異物の除去をより確実に実施することができる。
【００４１】
乾燥までの洗浄工程を終了すると、成膜済み基板１１を再びスパッタ装置にセットし、圧電体薄膜層１４ａに対して第２回目の成膜を行った。第２回目の成膜では、圧電体薄膜層１４ａを成膜したターゲットを用いて、真空度０．３Ｐａのアルゴンと酸素との混合雰囲気中（ガス体積比Ａｒ：Ｏ2＝１５：５）において、成膜済み基板１１を温度６２０℃に加熱しながら２００Ｗの高周波電力を９５分間印加して厚さ１．５μｍを積層し、膜厚３μｍの最終的な圧電体薄膜層１４を得た。このように、第２回目の成膜条件を第１回目と異ならせると、より広範囲に圧電体薄膜の結晶性や膜質を制御することができる。
【００４２】
その後、圧電体薄膜層１４の上面に、膜厚０．２μｍの上部電極層１５を、Ｐｔターゲットを用いて、室温において真空度１Ｐａのアルゴンガス中で２００Ｗの高周波電力を１０分間印加して形成するが、上部電極層１５を形成する前に、圧電体薄膜層１４をＳＥＭによって観察し、また圧電体薄膜層１４の結晶構造、結晶配向性をＸ線回折およびｓｉｎ2φ法によって調べた。その結果、得られた圧電体薄膜層１４は、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、＜１１１＞配向をしていた。また、ＳＥＭによる観察結果（図２〜図７）から次のようなことが判明した。
【００４３】
図２に示されるように、圧電体薄膜層１４の断面部（イ）を走査して観察すると、ほぼ全ての領域が所定膜厚の形成領域１６であり、そこでの結晶粒は、膜厚方向に柱状に成長した柱状構造を有し、層面に略垂直方向に連続して成長している。結晶粒界も同様に一方の電極と他方の電極との間に連続的に形成されていている。このことは、所定膜厚の形成領域１６は、優れた圧電特性を有していることを示している。柱状結晶の粒子径は、図２や図７に示されるように、その多くが０．０２μｍ〜０．３μｍの範囲内に入っている。
【００４４】
一部に観察される所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、第１回目の成膜中に異物が混入し、その後の洗浄工程によって異物が除去された領域に第２回目の成膜を行って続けて堆積された部分に相当するが、成膜時の異物発生状況にもよるが、非常に限られた領域に形成されている。
【００４５】
図３に示されるように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、膜厚方向に成長する柱状結晶に不連続領域１９が存在し、結晶粒界の成長も不連続領域１９を境に成長方向の両側で異なっていることが解る。図１では誇張して示したが、下部電極層１３から不連続領域１９まで成長した柱状結晶の結晶粒径と、不連続領域１９から上部電極層１５まで成長した柱状結晶の結晶粒径とは異なり、後者の結晶粒径の方が大きくなっている。
【００４６】
具体的には、図６に示されるように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７の上部電極層１５側から観察した結晶粒径は、その多くが０．０６μｍ〜０．８μｍの範囲内に入っており、所定膜厚の形成領域１６での結晶粒径よりも大きくなっている。そして、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７における上部電極層１５側である不連続領域１９の上部側領域は、径の大きい結晶粒によって構成されている。
【００４７】
このことは、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、不連続領域１９の上部側で粒界密度が低減されるので、本来的には厚膜方向に連続的に形成されるリークパスとなる結晶粒界が、不連続領域１９で途切れることを示している。つまり、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７は、リーク電流の発生を抑制できる構造になっているのであり、耐電圧特性を向上させることができる。
【００４８】
図４に示されるように、所定膜厚の形成領域１６と所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７との境界付近では、所定膜厚の形成領域１６側での柱状結晶は、膜厚方向に連続的に成長しているが、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７側の柱状結晶は、成長方向が膜厚方向に対して斜めになっており、成長の仕方も乱れた状態になっている。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、境界近傍部の結晶粒の成長方向は膜厚方向に対して斜めになっているが、境界部から離れるに従って成長方向が膜厚方向に平行する向きに変化している。
【００４９】
このことは、膜厚が異なった領域の境界では、結晶粒の結合が強くなっていて、駆動時の機械振動によるクラックや割れの発生が起こらず、駆動信頼性に優れていることを示している。
【００５０】
なお、圧電体薄膜層１４の成膜法としては、スパッタ法を用いた場合を示したが、その他の真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いても同様に、圧電特性と耐電圧特性とに優れた圧電体薄膜を形成することができる。また、ゾルゲル法や最近着目されている水熱合成法なども用いることができる。
【００５１】
次に、耐電圧特性を評価するために、上記のように形成した圧電体薄膜層１４上に上部電極層１５を積層した圧電体薄膜素子において、上部電極層１５にフォトレジストをスピンコーターによって塗布し、露光、現像を行い、所定のパターンを形成した。その後、ドライエッチング装置によって上部電極層１５をパターニングして、４００個の圧電体薄膜素子を形成した。
【００５２】
各圧電体薄膜素子は、１．５ｍｍ×０．２ｍｍの個別パターンで形成されているが、４００個の圧電体薄膜素子の全てに、上下の電極間にＤＣ４００Ｖの電圧を２００時間連続して印加して耐電圧特性を評価した。その結果、リーク電流は４００個の圧電体薄膜素子の全てで、５×１０-7（Ａ）以下であり、測定開始前と同じ値であった。
【００５３】
また、上部電極層１５の個別パターンの外観を詳細に観察すると、絶縁破壊やクラック等の異常部は観察されず、駆動前の外観と同じであった。
【００５４】
このことは、実施例１での圧電体薄膜素子は、所定膜厚の形成領域１６では、欠陥の発生がなく、本来の耐電圧特性を維持しているので、絶縁破壊やクラック等の発生がなかったことを示している。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域１７では、耐電圧特性が上っている一方、圧電特性が所定膜厚の形成領域よりも下がっているので、所定膜厚の形成領域１６と同じ電圧が加わっても、つまり、実効電界が大きくなっても、所定膜厚の形成領域との間での機械的な変位量の差が小さいので、絶縁破壊やクラックが生じないと考えられる。このように、圧電体薄膜層１４の駆動部全域に渡って高い耐電圧特性と駆動信頼性が得られていることが解る。
【００５５】
次に、上部電極層１５を積層する前の圧電体薄膜層１４をダイシングによって１５ｍｍ×２ｍｍに切り出したカンチレバーを１００個作製し、それぞれに０．２μｍ厚の上部電極層１５をスパッタ法によって形成し、圧電定数ｄ３１の測定を行った。その結果，カンチレバーの圧電定数ｄ３１は、平均１５２ｐＣ／Ｎであり，ばらつきはσ＝３．４％であった。なお、圧電定数ｄ３１測定は、例えば（特許文献４）に示される方法を用いた。
【００５６】
（実施例２）
実施例２では、圧電体薄膜素子は、実施例１と同様に、基板１１上に、密着層１２、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４および上部電極層１５をスパッタ法によって順次成膜するが、本実施例２では、圧電体薄膜層１４を１回の成膜で所定膜厚まで形成し、成膜途中の洗浄工程を行うことなく形成した。
【００５７】
圧電体薄膜層１４の形成前までは実施例１と同様に形成し、圧電体薄膜層１４は実施例１での第１回目の成膜条件を用いて１８０分間連続で形成した。圧電体薄膜層１４の膜厚は、３．０μｍであり、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有しており、＜１１１＞に優先配向していた。
【００５８】
ＳＥＭ観察の結果、圧電体薄膜層１４は、全ての領域で柱状構造を有しており、膜厚方向に連続的に成長していた。また、所定膜厚よりも薄い膜厚の領域も実施例１と同様に存在するが、その領域での柱状結晶の成長は、実施例１とは異なり連続であり、結晶粒の成長は、所定膜厚の形成領域と同一であった。さらに、一部領域では成膜中に混入した異物が埋め込まれていて、所定膜厚よりも厚い膜厚の領域となっていた。
【００５９】
次に、実施例１と同様に、上部電極層１５を形成した後に、４００個の圧電体薄膜素子を形成した。各圧電体薄膜素子は、同様に１．５ｍｍ×０．２ｍｍの個別パターンで形成されている。この４００個の圧電体薄膜素子の全てに、上下の電極間にＤＣ４００Ｖの電圧を２００時間連続して印加して耐電圧特性を評価した。
【００６０】
その結果、本実施例２での圧電体薄膜素子では、電圧印加後直ぐにリーク電流が発生し始め、２００時間後には２６個の圧電体薄膜素子で１×１０-5（Ａ）以上のリーク電流が観察され、測定開始前と比較してリーク電流が増えていた。
【００６１】
また、上部電極層１５の個別パターンの外観を詳細に観察すると、リーク電流が増加した圧電体薄膜素子では、黒化した絶縁破壊部やクラック等の外観異常が観察され、圧電体薄膜素子に故障が生じていた。傾向として初期にリーク電流が発生した圧電体薄膜素子は絶縁破壊が多く観察され、駆動時間が長くなるに伴ってクラックや割れが発生したものが殆どを占めていた。
【００６２】
このことは、実施例２での圧電体薄膜素子は、所定膜厚の形成領域では、実施例１と同様に欠陥の発生がなく、本来の耐電圧特性を維持しているので、絶縁破壊やクラック等の発生がなかったことを示している。しかし、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域においては、実施例１とは異なり所定膜厚の形成領域と同様の連続して成長した柱状結晶であるので、同じ印加電圧に対して電界強度が増加した分、耐電圧特性が劣化し絶縁破壊を引き起こしたことを示している。特に駆動初期においてはこのモードが多くを占めている。
【００６３】
つまり、実施例２での圧電体薄膜素子では、連続的に駆動を行うと、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶構造が膜厚方向において同じであり、膜の圧電特性は変わらないが、実効電界が大きくなるので、所定膜厚の形成領域との間に機械的な変位量の差が出る結果、境界部で応力の発生等によってクラックが生じる。そのため、連続駆動時間が長いと、このモードが殆どを占めるようになると考えられる。
【００６４】
また、実施例２での圧電体薄膜素子では、異物等の噛み込みがあって所定膜厚よりも厚い膜厚となっている領域では、異物によって膜厚方向に空隙が生じている。そのため、異物が導電性材料の場合は実効膜厚が薄くなるので、膜厚が薄い領域と同様にクラックや絶縁破壊等が起こると考えられる。
【００６５】
そして、上部電極層１５を積層する前の圧電体薄膜層１４をダイシングによって１５ｍｍ×２ｍｍに切り出したカンチレバーを１００個作製し、それぞれに０．２μｍ厚の上部電極層１５をスパッタ法によって形成し、圧電定数ｄ３１の測定を行った。その結果，カンチレバーの圧電定数ｄ３１は、平均１５６ｐＣ／Ｎであり，ばらつきはσ＝３．６％であった。
【００６６】
このように、実施例２での圧電体薄膜素子では、配向は同じであり、圧電特性もほぼ同様であるが、耐電圧特性を劣化させる異物の混入を防止できず耐電圧特性が劣化した領域が存在するので、圧電体薄膜層の駆動部全域に渡って高い耐電圧特性を得ることができない。また、長期の連続駆動では、クラックや割れ等が発生するので、駆動信頼性が確保できない。
【００６７】
それに対して、実施例１にて説明した圧電体薄膜素子の製造方法、つまり、本実施の形態１による圧電体薄膜素子の製造方法では、圧電体薄膜層を、少なくと２回に分けた成膜工程の各成膜工程の間に混入異物の除去工程を組み込む形で所定膜厚に形成するので、耐電圧特性を劣化させる異物の混入を防止できる。
【００６８】
加えて、圧電体薄膜層には、大部分の所定膜厚が形成領域の他に、一部領域であるが、異物が除去された領域に、その所定膜厚よりも薄い膜ｓ厚の領域が形成される。この薄い膜厚の形成領域は、結晶粒界が不連続領域を挟んで不連続となり、結晶粒径の大きい領域では粒界密度が低減されるという結晶粒界の不連続構造を有する。つまり、薄い膜厚の形成領域では、結晶粒界の不連続構造によってリークパスが途切れるので、耐電圧特性が向上する。そして、大部分の所定膜厚が形成された領域では、良好な圧電特性が維持される。
【００６９】
すなわち、本実施の形態１による圧電体薄膜素子は、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、駆動電圧を印加したときに実効電界が高く、絶縁破壊が起こりやすい箇所であるが、上記の結晶粒界の不連続構造によって電圧印加時の結晶粒界を通じて流れる電流リークパスの形成を防止できるので、耐電圧特性が向上する。
【００７０】
このように、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、所定膜厚の形成領域と同様の耐電圧特性を備えているので、トータルの領域として優れた耐電圧特性と圧電特性とを具備した圧電体薄膜素子が得られる。
【００７１】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、実施の形態１による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るインクジェットヘッドの構成例を示す。端的には、このインクジェットヘッドは、実施の形態１による圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極層側の面に設けた振動板層と、前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、インクを収容する圧力室を有する圧力室部材とを備え、前記圧電体薄膜素子の圧電効果によって前記振動板層を層厚方向に変位させて前記圧力室のインクを吐出させるように構成される。以下、具体的な構成例（図８〜図１０）とその製造手順（図１１〜図１６）とを示す。
【００７２】
まず、図８〜図１０を参照して構成を説明する。なお、図８は、本実施の形態２によるインクジェットヘッドの全体構成を示す外観図である。図９は、図８に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図である。図１０は、図８に示すインクジェットヘッドの要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図である。
【００７３】
図８、図９に示すように、インクジェットヘッド１００は、主な要素として、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとインク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを備えている。なお、図８では、制御手段としてのＩＣチップＥも示されている。これらの要素は、図示例で言えば上下方向の下側から上側に向かって、ノズル板Ｄ、インク流路部材Ｃ、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂと積層配置され、アクチュエータ部Ｂの上部にＩＣチップＥが配置される。
【００７４】
図８、図９において、圧力室部材Ａには、その厚み方向（上下方向）に貫通する多数の圧力室開口部１０１が千鳥状に形成されている。個別の圧力室１０２は、この多数の圧力室開口部１０１のそれぞれが、その上端開口部を共通に被覆するように配置されるアクチュエータ部Ｂと、その下端開口部を共通に被覆するように配置されるインク流路部材Ｃとによってその上下端が閉塞されることで構成される。
【００７５】
アクチュエータ部Ｂの上端面には、多数の個別電極１０３が圧力室１０２と１対１の関係で千鳥状に配置され、各個別電極１０３に対してＩＣチップＥからボンディングワイヤＢＷを通して電圧をそれぞれ供給するようになっている。個別電極１０３は、ここでは、第２の電極層１０３と称することもある。
【００７６】
インク流路部材Ｃは、インク供給方向に並ぶ圧力室１０２間で共用する共通液室１０５と、この共通液室１０５のインクを圧力室１０２に供給するための供給口１０６と、圧力室１０２内のインクを吐出させるためのインク流路１０７とを有している。ノズル板Ｄには、インク流路１０７に連通するノズル孔１０８が形成されている。
【００７７】
次に、図１０では、図８に示したインク供給方向とは直交する方向でのアクチュエータ部Ｂの断面構成が示され、アクチュエータ部Ｂの直下に上記の直交方向に並ぶ４個の圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａが参照的に示されている。４個の圧力室１０２は、区画壁１０２ａで仕切られている。
【００７８】
図１０に示すように、アクチュエータ部Ｂは、各圧力室１０２に共通の天井面を構成する部材として、区画壁１０２ａの上端面に接着剤１１４にて接着される中間層（区画壁１０２ａの側壁面と面一に形成される）１１３と、その上に積層される振動層１１１と、その上に積層される共通電極１１２とを備えている。
【００７９】
そして、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎に、共通電極１１２の上面における各圧力室１０２の直上位置に設けられる圧電体薄膜層１１０と、その上に積層される上記した個別電極１０３とを備えている。共通電極１１２は、ここでは、第１の電極層１１２と称することもある。
【００８０】
つまり、アクチュエータ部Ｂは、圧力室１０２毎の駆動手段として、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０及び第２の電極層１０３が順に積層される構成の圧電体薄膜素子に加えて、振動層１１１が共通電極である第１の電極層１１２側に設けられている。
【００８１】
ここで、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０及び第２の電極層１０３は、実施の形態１にて説明した下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５のそれぞれと対応し、各構成材料も、構成元素の含有量が異なるものもあるが、下部電極層１３、圧電体薄膜層１４及び上部電極層１５のそれぞれと同様である。
【００８２】
つまり、圧電体薄膜層１１０は、圧電体薄膜層１４と同様に、第２の電極層１０３を積層形成する前に、成膜工程を例えば２回に分け、途中に混入異物除去の洗浄工程を入れて形成されているので、その成膜構造は、大部分の領域が所定膜厚の形成領域であるが、その中に所定膜厚よりも薄い膜厚の小領域が点在等の形で混在する構造であり、両者間では結晶粒の成長が異なり、所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域では結晶粒界が不連続構造をしている。
【００８３】
アクチュエータ部Ｂでは、この構成によれば、１つの圧力室１０２に対する圧電体薄膜層１１０の圧電効果によって振動層１１１が層厚方向に変位し振動することで、各圧力室１０２の容積を個別に変化させることができる。
【００８４】
なお、圧力室部材Ａとアクチュエータ部Ｂとは、接着剤１１４によって接着されているが、各中間層１１３は、この接着剤１１４を用いた接着時に、その一部の接着剤１１４が区画壁１０２ａの外方にはみ出した場合でも、この接着剤１１４が振動層１１１に付着しないで振動層１１１が所期通りの変位及び振動を起こすように、区画壁１０２ａの上端面である圧力室１０２の上面と振動層１１１の下面との距離を拡げる役割を有している。したがって、中間層１１３を設けずに、区画壁１０２ａの上端面に直接振動層１１１を支持させる構成を採る場合もある。
【００８５】
次に、図１１〜図１６を参照して、図８に示すＩＣチップＥを除く要部、つまり、図９に示す圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂ、インク流路部材Ｃ及びノズル板Ｄからなるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。
【００８６】
図１１は、積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程を説明する断面図である。図１１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１２０上に、順次、密着層１２１、第２の電極層１０３、圧電体薄膜層１１０、第１の電極層１１２、振動層１１１、中間層１１３をスパッタリング法によって成膜して積層する。
【００８７】
なお、中間層１１３は、最終的には区画壁１０２ａの縦壁になる。また、密着層１２１は、実施の形態１にて説明した密着層１２と同様であって、Ｓｉ基板１２０と第２の電極層１０３との密着性を高めるために両者間に介在させてある。つまり、密着層１２１は、必須のものではない。後述するように、密着層１２１は、Ｓｉ基板１２０と同様に除去される。
【００８８】
ここで、Ｓｉ基板１２０は、成膜用の基板、つまり、１つの圧電体薄膜素子を作製する単位となる基板である。このＳｉ基板１２０は、実施の形態１にて説明した基板１１と同様であって、シリコン（Ｓｉ）基板や、ガラス基板、金属基板、セラミックス基板のいずれで構成してもよい。そして、形状は、実施の形態１にて示したように適宜厚さの円盤状でもよいが、ここでは、Ｓｉ基板１２０には、例えば厚さ１８ｍｍの４角形状に切り落としたＳｉ基板を用いた。
【００８９】
そして、密着層１２１、第１の電極層１１２、圧電体薄膜層１１０、および第２の電極層１０３は、上記した実施例１と同様の方法で作製し、圧電体薄膜層１１０は、実施例１にて説明した内容の不連続構造を有する構成になっている。ここでは、追加要素である振動層１１１及び中間層１１３の材料と作製方法とを説明する。
【００９０】
即ち、振動層１１１は、クロム（Ｃｒ）、ニッケル、アルミニウム、タンタル、タングステン、シリコン等の単体又はこれらの酸化物若しくは窒化物（例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン）等のいずれか一つ、例えばＣｒターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中においてＳｉ基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を６時間印加して膜厚３μｍに成膜した。振動層１１１の膜厚は、１μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００９１】
また、中間層１１３は、ＴｉやＣｒ等の導電性金属、例えばＴｉターゲットを用いて、真空度１Ｐａのアルゴンガス中においてＳｉ基板１２０を室温に維持して２００Ｗの高周波電力を５時間印加して膜厚５μｍに成膜した。中間層１１３の膜厚は、３μｍ〜１０μｍの範囲内であればよい。
【００９２】
次に、図１１（ｂ）、（ｃ）及び図１６に示すように圧力室部材Ａを形成する。なお、図１６は、製造過程で成膜された基板（成膜用基板）と圧力室部材で用いる基板（圧力室部材用基板）との関係を説明する平面図である。図１６に示すように、圧力室部材Ａで使用するＳｉ基板１３０は、必要数のＳｉ基板１２０が搭載できる程度に大きいサイズのＳｉウェハ基板である。具体的には、Ｓｉ基板１３０は、径が２インチ〜１０インチの範囲内の適宜直径（ここでは４インチとした）の円盤状をしている。
【００９３】
圧力室部材Ａは、このＳｉ基板１３０を使用して形成される。具体的には、まず、Ｓｉ基板１３０に対して複数の圧力室開口部１０１をパターンニングする。このパターンニングは、図１１（ｂ）から解るように、４つの圧力室開口部１０１を１組とし、各組の間に区画壁１０２ｂが介在するように行われる。この各組を区画する区画壁１０２ｂの幅厚は、各組内の圧力室開口部１０１を区画する区画壁１０２ａの幅の約２倍に設定される。
【００９４】
その後、上記パターンニングされたＳｉ基板１３０をケミカルエッチング又はドライエッチング等で加工して各組で４個の圧力室開口部１０１を形成することで、圧力室部材Ａを得る。
【００９５】
その後は、図１１（ｃ）に示すように、圧力室部材ＡとＳｉ基板１３０とを接着剤にて接着する。この接着剤の形成は電着による。図１１（ｃ）において、まず、圧力室部材Ａ側の接着面として圧力室の区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に接着剤１１４を電着によって付着させる。具体的には、図示してないが、区画壁１０２ａ，１０２ｂの上面に、下地電極膜として、光が透過する程度に薄い数百ÅのＮｉ薄膜をスパッタ法によって形成し、その後、当該Ｎｉ薄膜上に、パターニングされた接着剤１１４を形成する。
【００９６】
ここで、電着液としては、アクリル樹脂系水分散液に０〜５０重量部の純水を加え、良く攪拌混合した溶液を使用する。また、Ｎｉ薄膜の膜厚を光が透過するほど薄く設定するのは、Ｓｉ基板１３０に接着樹脂が完全に付着したことを容易に視認できるようにするためである。電着条件は、実験によると、液温約２５℃、直流電圧３０Ｖ、通電時間６０秒が好適である。この条件下で約３μｍ〜１０μｍのアクリル樹脂を、圧力室部材用Ｓｉ基板１３０のＮｉ薄膜上に電着形成する。
【００９７】
次に、図１２は、成膜後の基板（成膜用基板）と圧力室部材との接着工程及び縦壁の形成工程を説明する断面図である。図１２（ａ）に示すように、上記のように積層された成膜用Ｓｉ基板１２０の所定数と圧力室部材Ａ（つまりＳｉ基板１３０）とを上記のように電着された接着剤１１４を用いて接着する。この接着は、Ｓｉ基板１２０に成膜された中間層１１３の端面を基板側接着面として行う。
【００９８】
図１６に示す例では、Ｓｉ基板１２０は１８ｍｍ角の矩形状であるのに対し、Ｓｉ基板１３０の盤面は、４インチサイズという大きな円形状をしているので、１４個の成膜用Ｓｉ基板１２０が圧力室部材Ａで使用する１つのＳｉ基板１３０に貼り付けられている。
【００９９】
この貼り付けは、図１２（ａ）に示すように、各Ｓｉ基板１２０の中心が圧力室部材Ａの区画壁１０２ｂの中心に位置するように位置決めした状態で行われる。貼り付け後、圧力室部材ＡをＳｉ基板１２０側に押圧、密着させて、両者の接着を液密性高くする。さらに、上記接着したＳｉ基板１２０及び圧力室部材Ａを加熱炉において徐々に昇温加熱して接着剤１１４を完全に硬化させる。
【０１００】
次いで、図１２（ｂ）に示すように、プラズマ処理を行って接着剤１１４のうち、圧力室開口部１０１内にはみ出した断片を除去する。また、圧力室部材Ａの各区画壁１０２ａ，１０２ｂをマスクとして中間層１１３をエッチングし、各区画壁１０２ａ，１０２ｂの縦壁に連続するような所定形状に仕上げる。
【０１０１】
なお、図１２（ａ）では、成膜後のＳｉ基板１２０と圧力室部材Ａとを接着したが、圧力室開口部１０１を形成しない段階の圧力室部材用Ｓｉ基板１３０を成膜後のＳｉ基板１２０と接着してもよい。
【０１０２】
次に、図１３は、成膜後の成膜用基板及び密着層の除去工程及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図である。図１３（ａ）に示すように、図１２（ｂ）とした後に、成膜後の成膜用Ｓｉ基板１２０及び密着層１２１をエッチングによって除去する。その後は、図１３（ｂ）に示すように、圧力室部材Ａ上に位置する第１の電極層１０３について、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチングして、各圧力室１０２に個別化する。
【０１０３】
次に、図１４は、圧電体薄膜層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程を説明する断面図である。図１４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて圧電体薄膜層１１０をエッチングして第２の電極層１０３と同様の形状に個別化する。これらエッチングでは、第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０が、圧力室１０２の各々の上方に位置し、かつ第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０の幅方向の中心が対応する圧力室１０２の幅方向の中心に対し高精度に一致するように形成される。
【０１０４】
このように第２の電極層１０３及び圧電体薄膜層１１０を圧力室１０２毎に個別化した後、図１４（ｂ）に示すように、圧力室部材用基板（Ｓｉ基板１３０）を各区画壁１０２ｂの部分で切断し、４つの圧力室１０２を持つ圧力室部材Ａとその上面に固定されたアクチュエータ部Ｂとの組（図１０）の複数組（図１１の例では４組）が完成する。
【０１０５】
次に、図１５は、インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッドを説明する断面図である。
【０１０６】
その後、図１５（ａ）に示すように、インク流路部材Ｃに共通液室１０５、供給口１０６及びインク流路１０７を形成するとともに、ノズル板Ｄにノズル孔１０８を形成する。次いで、図１５（ｂ）に示すように、インク流路部材Ｃとノズル板Ｄとを接着剤１０９を用いて接着する。
【０１０７】
その後、図１５（ｃ）に示すように、圧力室部材Ａの下端面又はインク流路部材Ｃの上端面に接着剤（図示せず）を転写し、圧力室部材Ａとインク流路部材Ｃとのアライメント調整を行ってこの両者を上記接着剤によって接着する。以上によって、図１５（ｄ）に示すように、下から上に、ノズル板Ｄ、インク流路部材Ｃ、圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂと一体的に積層されたインクジェットヘッドが完成する。
【０１０８】
以上のようにして作製したインクジェットヘッドは、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いているので、インクの吐出不良を発生することなく、長期間の耐久性能に優れたものになることが容易に理解できる。
【０１０９】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、実施の形態２によるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の構成例を示す。端的には、このインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段にて前記インクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように構成される。以下、具体的な構成例（図１７）を示す。
【０１１０】
図１７は、本発明の実施の形態３によるインクジェット記録装置の構成を示す概略斜視図である。図１７に示すインクジェット記録装置２００は、実施の形態２によるインクジェットヘッド２０１を備えている。このインクジェットヘッド２０１において圧力室（実施の形態２における圧力室１０２）に連通するように設けたノズル孔（実施の形態２におけるノズル孔１０８）から当該圧力室内のインクを記録用紙等の記録媒体２０２に吐出させて記録を行うように構成されている。
【０１１１】
インクジェットヘッド２０１は、主走査方向Ｘに延びるキャリッジ軸２０３に設けられたキャリッジ２０４に搭載され、このキャリッジ２０４がキャリッジ軸２０３に沿って往復動するのに応じて主走査方向Ｘに往復動するように構成されている。つまり、キャリッジ２０４は、インクジェットヘッド２０１と記録媒体２０２とを主走査方向Ｘに相対移動させる相対移動手段を構成している。
【０１１２】
また、このインクジェット式記録装置２００は、記録媒体２０２をインクジェットヘッド２０１の主走査方向Ｘ（幅方向）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数のローラ２０５を備えている。つまり、複数のローラ２０５は、インクジェットヘッド２０１と記録媒体２０２とを副走査方向Ｙに相対移動させる相対移動手段を構成している。なお、図１７中、Ｚは上下方向である。
【０１１３】
そして、インクジェットヘッド２０１がキャリッジ２０４によって主走査方向Ｘに移動しているときにインクジェットヘッド２０１のノズル孔からインクを記録媒体２０２に吐出させ、この一走査の記録が終了すると、上記ローラ２０５によって記録媒体２０２を所定量移動させて次の一走査の記録を行うように、上記相対移動手段が制御される。
【０１１４】
このように、実施の形態３によるインクジェット式記録装置は、実施の形態１における実施例１にて説明した成膜工程を少なくとも２回に分け、途中に異物除去工程を挿入する方法で所定膜厚に形成した圧電体薄膜層を有する圧電体薄膜素子を用いる実施の形態２によるインクジェットヘッドを備えるので、良好な印字性能及び耐久性を有することができる。
【０１１５】
なお、この明細書では、実施の形態１による圧電体薄膜素子の好適な適用例として、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置への適用例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、薄膜コンデンサ、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積キャパシタ、各種アクチュエータ、赤外センサー、超音波センサー、圧力センサー、角速度サンセー、加速度センサー、流量センサー、ショックセンサー、圧電トランス、圧電点火素子、圧電スピーカー、圧電マイクロフォン、圧電フィルタ、圧電ピックアップ、音叉発振子、遅延線等にも適用可能である。特に、例えば（特許文献５）に開示されるディスク装置用薄膜圧電体アクチュエータに好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上のように、本発明にかかる圧電体薄膜素子は、長期間に渡って電圧を印加して駆動しても絶縁性を低下させずに高い信頼性を得るのに有用であり、特に、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置の耐久性能を向上させるのに好適である。
【０１１７】
また、以上のように、本発明にかかる圧電体薄膜素子の製造方法は、圧電性能を損なうことなく、耐電圧性能に優れた圧電体薄膜の結晶構造を有した圧電体薄膜素子の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電体薄膜素子の構成を示す断面図
【図２】図１に示す（イ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図３】図１に示す（ロ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図４】図１に示す（ハ）部の断面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図５】図１に示す（ニ）部から観察した境界部表面のＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真であり、（ホ）部は所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域側にあり、（ヘ）部は所定膜厚の形成領域側にある写真を示す図
【図６】図５に示す（ホ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図７】図５に示す（ヘ）部を拡大して示す表面ＳＥＭ観察像を示すＳＥＭ写真を示す図
【図８】本発明の実施の形態２によるインクジェットヘッドの構成を示す外観図
【図９】図８に示すインクジェットヘッドの要部の構成を示す斜視図
【図１０】図８に示すインクジェットヘッドの要部のうち圧力室部材及びアクチュエータ部の構成を示す断面図
【図１１】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（積層工程、圧力室用開口部の形成工程及び接着剤の付着工程）を説明する断面図
【図１２】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜後の基板（成膜用基板）と圧力用部材との接着工程及び縦壁の形成化工程）を説明する断面図
【図１３】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（成膜用基板及び密着層の除去工程、及び第１の電極層の個別化工程）を説明する断面図
【図１４】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（圧電体薄膜層の個別化工程及び圧力室部材用基板の切断工程）を説明する断面図
【図１５】図８に示すインクジェットヘッドの製造手順（インク流路部材及びノズル板の生成工程、インク流路部材とノズル板との接着工程、圧力室部材とインク流路部材との接着工程及び完成したインクジェットヘッド）を説明する断面図
【図１６】図１１に示す製造過程で成膜された基板（成膜用基板）と圧力室部材で用いる基板（圧力室部材用基板）との関係を説明する平面図
【図１７】本発明の実施の形態３によるインクジェット記録装置の構成を示す概略斜視図
【符号の説明】
【０１１９】
１０ 圧電体薄膜素子
１１ 基板
１２ 密着層
１３ 下部電極層
１４ 圧電体薄膜層
１５ 上部電極層
１６ 所定膜厚の形成領域
１７ 所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域
１８ 結晶粒界
１９ 不連続領域
１００ インクジェットヘッド
１０１ 圧力室開口部
１０２ 圧力室
１０２ａ，１０２ｂ 区画壁
１０３ 個別電極（第２の電極層）
１０５ 共通液室
１０６ 供給口
１０７ インク流路
１０８ ノズル孔
１０９ 接着剤
１１０ 圧電体薄膜層
１１１ 振動層
１１２ 共通電極（第１の電極層）
１１３ 中間層（縦壁）
１１４ 接着剤
１２０ 基板（成膜用）
１２１ 密着層
１３０ 基板（圧力室部材用）
２００ インクジェット式記録装置
２０１ インクジェットヘッド
２０２ 記録媒体
２０３ キャリッジ軸
２０４ キャリッジ（Ｘ方向での相対移動手段）
２０５ ローラ（Ｙ方向での相対移動手段）
Ａ 圧力室部材
Ｂ アクチュエータ部
Ｃ インク流路部材
Ｄ ノズル板
Ｅ ＩＣチップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、
前記圧電体薄膜層は、
大部分の領域が前記所定膜厚で形成され、一部の領域が前記所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され、
前記所定膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に連続的に成長した柱状結晶で構成され、前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向の一端から他端に渡って連続的に柱状に成長するのではなく、途中に不連続領域が存在する構成である、
ことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
前記所定膜厚の形成領域では、前記柱状結晶における結晶粒界が、一方の前記電極層の層面側から略垂直に他方の前記電極層に向かって成長していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項３】
前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域において、最初の前記不連続領域に至るまでの粒径は、前記所定膜厚の形成領域での粒径と略同様の大きさであり、以降の各不連続領域の前後での粒径は、前記所定膜厚の形成領域での粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項４】
前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、前記所定膜厚の形成領域との境界近傍では柱状結晶の成長方向が膜厚方向から外れた斜め方向に向いているが、前記境界近傍から離れるに従って柱状結晶の成長方向が膜厚方向に平行する向きに変化していく構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項５】
前記圧電体薄膜層は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いて成膜されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項６】
所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子の製造方法において、
前記圧電体薄膜層を少なくとも２回に分けた成膜工程によって前記所定膜厚に形成するとともに、各成膜工程の間において、前の成膜工程での成膜中に混入した異物の除去工程を実施することを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項７】
前記異物の除去工程には、物理的な洗浄工程が含まれていることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項８】
前記少なくとも２回に分けた成膜工程での成膜条件は、１回目とそれ以降とで異なっていることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項９】
前記少なくとも２回に分けた成膜工程では、スパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を実施することを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電体薄膜素子と、
前記圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極層側の面に設けられた振動板層と、
前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、前記圧電体薄膜素子の圧電効果による前記振動板層の層厚方向への変位に応じてインク吐出を行う圧力室と、
を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段と、
前記相対移動手段によってインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように前記インクジェットヘッドが備える請求項１に記載の圧電体薄膜素子を駆動する手段と、
を備えていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
【請求項１】
所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子において、
前記圧電体薄膜層は、
大部分の領域が前記所定膜厚で形成され、一部の領域が前記所定膜厚よりも薄い膜厚で形成され、
前記所定膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向に沿って一端から他端に渡って柱状に連続的に成長した柱状結晶で構成され、前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、結晶粒が膜厚方向の一端から他端に渡って連続的に柱状に成長するのではなく、途中に不連続領域が存在する構成である、
ことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
前記所定膜厚の形成領域では、前記柱状結晶における結晶粒界が、一方の前記電極層の層面側から略垂直に他方の前記電極層に向かって成長していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項３】
前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域において、最初の前記不連続領域に至るまでの粒径は、前記所定膜厚の形成領域での粒径と略同様の大きさであり、以降の各不連続領域の前後での粒径は、前記所定膜厚の形成領域での粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項４】
前記所定膜厚よりも薄い膜厚の形成領域は、前記所定膜厚の形成領域との境界近傍では柱状結晶の成長方向が膜厚方向から外れた斜め方向に向いているが、前記境界近傍から離れるに従って柱状結晶の成長方向が膜厚方向に平行する向きに変化していく構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項５】
前記圧電体薄膜層は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いて成膜されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
【請求項６】
所定膜厚を有する圧電体薄膜層と、前記圧電体薄膜層の膜厚方向両側の層面それぞれに成膜した電極層とを備えている圧電体薄膜素子の製造方法において、
前記圧電体薄膜層を少なくとも２回に分けた成膜工程によって前記所定膜厚に形成するとともに、各成膜工程の間において、前の成膜工程での成膜中に混入した異物の除去工程を実施することを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項７】
前記異物の除去工程には、物理的な洗浄工程が含まれていることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項８】
前記少なくとも２回に分けた成膜工程での成膜条件は、１回目とそれ以降とで異なっていることを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項９】
前記少なくとも２回に分けた成膜工程では、スパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の気相成長法を実施することを特徴とする請求項６に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電体薄膜素子と、
前記圧電体薄膜素子のいずれか一方の電極層側の面に設けられた振動板層と、
前記振動板層の前記圧電体薄膜素子とは反対側の面に接合され、前記圧電体薄膜素子の圧電効果による前記振動板層の層厚方向への変位に応じてインク吐出を行う圧力室と、
を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドと記録媒体とを相対移動させる相対移動手段と、
前記相対移動手段によってインクジェットヘッドが記録媒体に対して相対移動しているときに、前記インクジェットヘッドにおいて圧力室に連通するように設けたノズル孔から前記圧力室のインクを記録媒体に吐出させて記録を行うように前記インクジェットヘッドが備える請求項１に記載の圧電体薄膜素子を駆動する手段と、
を備えていることを特徴とするインクジェット式記録装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−１８７０９２（Ｐ２００８−１８７０９２Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０８５４（Ｐ２００７−２０８５４）
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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