JP2001080995A

JP2001080995A - 強誘電体素子、不揮発性強誘電体メモリ素子、インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP2001080995A
Application number: JP25348099A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Shimada; 勝人島田; Manabu Nishiwaki; 学西脇; Masami Murai; 正己村井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2001-03-27
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: JP4516166B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高い周波数応答を示し、高速駆動可能な強誘
電体素子を提供する。【解決手段】本発明の強誘電体素子は上部電極と下部
電極に挟まれる強誘電体膜を備える。強誘電体膜の結晶
は疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面体晶
系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在してい
る結晶系であり、且つ下部電極に平行な結晶面が（１１
０）面方位に優先配向している。かかる構成により、強
誘電体素子が駆動する際にドメインの回転を伴わないた
め、高速駆動が可能となり、高い周波数応答を示すこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高速動作に適した強
誘電体素子に係わり、特に、高周波駆動に適した圧電体
素子及び高周波の読み出し／書き込みに適した不揮発性
強誘電体メモリ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性を示す複合酸化物の結晶性材
料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウ
ム、ニオブ酸リチウム等には、自発分極、高誘電率、電
気光学効果、圧電効果、及び焦電効果等の多くの機能を
もつので、広範なデバイス開発に応用されている。例え
ば、その圧電性を利用して圧電体素子として、分極特性
を利用してデータの読み出し／書き込みを行うＦＲＡＭ
（Ferroelectric Random Access Memory）等の不揮
発性強誘電体メモリ素子に、焦電性を利用して赤外線リ
ニアアレイセンサに、また、その電気光学効果を利用し
て導波路型光変調器にと、様々な方面で用いられてい
る。このように強誘電体材料を用いた強誘電体素子は多
様な機能を有するため、機能素子とも呼ばれる。

【０００３】例えば、圧電体素子用の強誘電体材料とし
ては、一般には鉛、ジルコニウム、チタン等を含有し、
Ａサイトは鉛等の２価イオン、ＢサイトはＺｒ，Ｔｉ等
の４価イオンで構成されるＡＢＯ₃ 型ペロブスカイト
（perovskite）型結晶構造を有するＰＺＴ系材料が用い
られている。具体的には、Ｂサイトを平均的に４価とし
たＰｂ( Ｎｉ_1/2 Ｗ_1/2）Ｏ₃ 、Ｐｂ( Ｃｏ_1/3Ｎｂ_2/3
）Ｏ₃ 、Ｐｂ( Ｎｉ_1/3Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ などの複合ペロ
ブスカイト化合物とＰＺＴとの固溶体が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
強誘電体材料の選定は、誘電率、電気機械結合係数、圧
電歪定数や、電界誘起による機械的変位の大きな組成物
を探索することによって行われる。本発明者は強誘電体
材料の結晶構造が圧電特性に与える影響を考慮し、特開
平１０−８１０１６号公報において、優先配向方位が
（１１１）面方位、或いは（１００）面方位である菱面
体晶系のＰＺＴ系圧電材料が良好な圧電特性を示すこと
を提案した。

【０００５】しかし、一般的にＰＺＴ系材料において、
誘電率、電気機械結合係数、圧電歪定数や、電界誘起に
よる機械的変位が最大の値を示すのは、菱面体晶系（rh
ombohedoral）と正方晶系（tetragonal）の結晶相境界
（morphotropic phase boundary：以下、ＭＰＢとい
う）のように複数の晶系が混在する状態、或いは疑似立
方晶系（psudocubic）であることが判明しており、上述
した結晶構造、例えば、面方位（１１１）優先配向の結
晶構造においてＭＰＢ近傍の組成を用いて圧電体素子を
構成すると、結晶粒の配向方位によって当該素子を駆動
するときの電圧印加でドメインの回転を伴う場合が生じ
る。

【０００６】かかるドメインの回転をアクチュエータと
して利用すると、ドメインの回転が戻るのに時間を要す
るため、高速駆動ができないという不都合が生じる。特
に、圧電体素子をインクジェット式記録ヘッドのインク
吐出駆動源とする場合、１４ｋＨｚ乃至２８ｋＨｚ程度
の駆動周波数において高い変位特性を得ることができな
いという不都合が生じる。

【０００７】また、本発明者は上記の結晶構造の他に、
結晶系が正方晶で（００１）に優先配向している結晶構
造、結晶系が正方晶で（１１１）に優先配向している結
晶構造、結晶系が菱面体晶で（１１１）に優先配向して
いる結晶構造のそれぞれについても実験を行ったとこ
ろ、これらいずれの結晶構造においてもＭＰＢ近傍の組
成を使用するとドメインの回転が生じ、高速駆動に適さ
ないことが判明した。

【０００８】また、ＰＺＴ系材料はその分極特性を利用
して不揮発性強誘電体メモリ素子にも応用されている
が、当該メモリ素子の高周波の読み出し／書き込みにお
いても上記のような問題が生じていた。

【０００９】そこで、本発明は上記問題点を解決するべ
く、ドメインの回転を伴わずに高速動作を可能とする強
誘電体素子を提供することを課題とする。さらに、当該
素子をインク吐出駆動源とするインクジェット式記録ヘ
ッド及びその製造方法並びにインクジェットプリンタを
提供することを課題とする。また、高周波の読み出し／
書き込み可能な不揮発性強誘電体メモリ素子を提供する
ことを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の強誘電体素子を
構成する強誘電体膜の結晶は疑似立方晶系であるか、又
は疑似立方晶系、菱面体晶系或いは正方晶系のうち少な
くとも二つが混在している結晶系であり、且つ前記下部
電極に平行な結晶面が（１１０）面方位に優先配向して
いることを特徴とする。

【００１１】強誘電体素子をかかる構成とすることで、
ドメインの回転を伴わずに強誘電体素子を駆動させるこ
とができる。例えば、強誘電体膜が正方晶の場合、強誘
電体素子の優先配向面を（１１０）面に選ぶと、６つの
分極軸のうち２つは（１１０）面に対して平行であるか
ら、強誘電体素子に印加した電圧によって上記２つの分
極軸は変位しない。また、残りの４つの分極軸のうち２
つは（１１０）面に対して上向きに４５°の角度を成
し、２つは（１１０）面に対して下向きに４５°の角度
を成しているため、分極処理により後者の２つの分極軸
を１８０°反転させることで両者は（１１０）面の法線
に対して対称となるため、強誘電体素子に電圧を印加し
てもドメインの回転を伴わない。

【００１２】また同様に強誘電体膜が菱面体晶の場合、
強誘電体素子の優先配向面を（１１０）面に選ぶと、８
つの分極軸のうち４つは（１１０）面に対して平行であ
るから、強誘電体素子に印加した電圧によって上記２つ
の分極軸は変位しない。また、残りの４つの分極軸のう
ち２つは（１１０）面に対して上向きに約３５°の角度
を成し、２つは（１１０）面に対して下向きに約３５°
の角度を成しているため、分極処理により後者の２つの
分極軸を１８０°反転させることで両者は（１１０）面
の法線に対して対称となるため、強誘電体素子に電圧を
印加してもドメインの回転を伴わない。従って、上記の
構成により高速駆動可能な強誘電体素子を提供すること
ができる。

【００１３】また、強誘電体膜は（１１０）面方位にエ
ピタキシャル成長した薄膜であることが好ましい。エピ
タキシャル成長させることで（１１０）面方位の配向度
を高めることができる。

【００１４】強誘電体膜として、例えば、ＡＢＯ_３型の
ペロブスカイト結晶構造を有する複合酸化物の結晶性材
料が好ましい。この場合、（Ａ_１Ａ_２）ＢＯ_３のように
添加物を含んだり、Ａ（Ｂ_１Ｂ_２）Ｏ_３のように多成分
系としてもよい。強誘電体膜の具体例として、チタン酸
ジルコン酸鉛が好適である。

【００１５】本発明のインクジェット式記録ヘッドは、
本発明の強誘電体素子をインク吐出駆動源として配置
し、当該強誘電体素子の機械的変位によって内容積が変
化する加圧室と、当該加圧室に連通してインク滴を吐出
する吐出口とを備えたものである。

【００１６】本発明のインクジェットプリンタは、本発
明のインクジェット式記録ヘッドを印字機構に備えたも
のである。

【００１７】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製
造方法は、インク吐出駆動源として機能する強誘電体素
子の機械的変位によって内容積が変化する加圧室と、当
該加圧室に連通してインク滴を吐出する吐出口とを備え
たインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
（１１０）面方位の単結晶基板を用いて加圧室基板を加
工するとともに、当該加圧室基板上に振動板膜を介して
下部電極及び強誘電体膜のそれぞれを（１１０）面方位
にエピタキシャル成長させ、且つ強誘電体膜の結晶を疑
似立方晶系、又は疑似立方晶系、菱面体晶系或いは正方
晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系として
前記強誘電体素子を製造する工程を備えたものである。

【００１８】上記加圧室基板はシリコン単結晶基板、チ
タン酸ストロンチウム基板或いは酸化マグネシウム基板
のうち何れかが好ましい。これらの単結晶基板を用いる
ことで強誘電体膜を（１１０）面方位にエピタキシャル
成長させることができる。

【００１９】本発明の不揮発性強誘電体メモリ素子は、
強誘電体膜の分極方向を検知することによりビットの情
報を得ることが可能な不揮発性強誘電体メモリ素子にお
いて、本発明の強誘電体素子を電荷蓄積キャパシタとし
て備えたものである。かかる構成により、高周波の読み
出し／書き込み可能な不揮発性強誘電体メモリ素子を提
供することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、各図を参照して本実施の形
態について説明する。

【００２１】図１はインクジェットプリンタの構成図で
ある。インクジェットプリンタは、主にインクジェット
式記録ヘッド１００、本体１０２、トレイ１０３、ヘッ
ド駆動機構１０６を備えて構成されている。インクジェ
ット式記録ヘッド１００は、イエロー、マゼンダ、シア
ン、ブラックの計４色のインクカートリッジ１０１を備
えており、フルカラー印刷が可能なように構成されてい
る。また、このインクジェットプリンタは、内部に専用
のコントローラボード等を備えており、インクジェット
式記録ヘッド１００のインク吐出タイミング及びヘッド
駆動機構１０６の走査を制御し、高精度なインクドット
制御、ハーフトーン処理等を実現する。また、本体１０
２は背面にトレイ１０３を備えるとともに、その内部に
オートシードフィーダ（自動連続給紙機構）１０５を備
え、記録用紙１０７を自動的に送り出し、正面の排出口
１０４から記録用紙１０７を排紙する。記録用紙１０７
として、普通紙、専用紙、推奨ＯＨＰシート、光沢紙、
光沢フィルム、レベルシート、官製葉書等が利用でき
る。

【００２２】図２はインクジェット式記録ヘッドの分解
斜視図である。ここではインクの共通流路が加圧室基板
内に設けられるタイプを示す。同図に示すように、イン
クジェット式記録ヘッドは加圧室基板１、ノズルプレー
ト２及び基体３から構成される。加圧室基板１は（１１
０）面方位のシリコン単結晶基板がエッチング加工され
た後、各々に分離される。加圧室基板１には複数の短冊
状の加圧室１０が設けられ、全ての加圧室（キャビテ
ィ）１０にインクを供給するための共通流路１２を備え
る。加圧室１０の間は側壁１１により隔てられている。
加圧室基板１の基体３側にはインク吐出駆動源として圧
電体素子が取り付けられている。各圧電体素子からの配
線はフレキシブルケーブルである配線基板４に収束さ
れ、プリントエンジン部によって制御される。

【００２３】ノズルプレート２は加圧室基板１に貼り合
わされる。ノズルプレート２における加圧室１０の対応
する位置にはインク滴を吐出するためのノズル（吐出
口）２１が形成されている。ノズル２１は印字の際のイ
ンクジェット式記録ヘッドの主走査方向と略平行方向に
ライン状に列設されており、ノズル間のピッチは印刷精
度に応じて適宜設定される。例えば、１４４０ｄｐｉ×
７２０ｄｐｉの解像度を設定すると、ノズル径は極細に
なるため、超微小のインクドットにより高精細な印字が
可能になる。各色のノズル数は、カラー印字精度に応じ
て定められ、例えば、黒色３２ノズル、カラー各色３２
ノズル等が設定される。基体３はプラスチック等で形成
されており、加圧室基板１の取付台となる。

【００２４】図３（Ｆ）はインクジェット式記録ヘッド
の主要部の断面図である。加圧室基板１には加圧室１０
がエッチング加工により形成されている。加圧室１０の
上面には振動板膜として機能する下地層５が成膜されて
おり、当該下地層５上には圧電体素子９が形成されてい
る。圧電体素子９は本発明の強誘電体素子の一例であ
る。当該素子の機械的変位は加圧室１０内の内容積を変
化させ、加圧室１０に充填されているインクをノズル２
１から吐出する。同図（Ｃ）に示すように、圧電体素子
９は下部電極６、圧電体膜７及び上部電極８を備えて構
成されている。圧電体素子９は圧電アクチュエータ、マ
イクロアクチュエータ、電気機械変換素子或いは微小変
位制御素子とも呼ばれる。

【００２５】圧電体膜７は（１１０）面方位に優先配向
処理がなされたＭＰＢ近傍のＰＺＴ（ＰｂＺｒ_X Ｔｉ
_1-X Ｏ₃）系材料から成膜されたものである。圧電体膜
７としてＰＺＴ膜を採用する場合は、二成分系を主成分
とするもの、或いは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である。二成分系ＰＺ
Ｔの好ましい具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃＋ＹＰｂＯの化学式で表わされる組成を有するものが挙げられる。
ここで、上記Ｘ、Ｙは、０．４０≦Ｘ≦０．６０，０≦Ｙ≦０．３０の関係を有するものが好ましい。

【００２６】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。

【００２７】ＰｂＴｉ_aＺｒ_b(Ａ_gＢ_h)_cＯ₃+ｅＰｂＯ+(ｆＭｇＯ)_n ここで、Ａは、Ｍｇ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｎ及びＮｉ
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≦０．５５，０．２５≦ｂ≦０．５５，０．１≦ｃ≦０．４０，０≦ｅ≦０．３０，０≦ｆ≦
０．１５ｇ＝ｆ＝０．５，ｎ＝0 であるが、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
る。また、ＡはＭｇ、ＢがＮｂの場合に限り、ｎは１を
表す。

【００２８】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。

【００２９】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０．１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。

【００３０】その他、圧電体膜７の具体例として例え
ば、Ｐｂ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ_３とＰｂＴｉＯ_３の固溶体
（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ_３とＰｂＴｉ
Ｏ_３の固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）、チタン酸バリウム（Ｂ
ａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウムバリウム（Ｓｒ
_ＸＢａ_１−ＸＴｉＯ_３）等がある。

【００３１】次に、図３乃至図５を参照して圧電体素子
の製造工程をインクジェット式記録ヘッドの製造工程と
併せて説明する。（実施例１）図３（Ａ）に示すように、直径１００ｍ
ｍ、厚さ２２０μｍを有する面方位（１１０）のシリコ
ン単結晶基板から成る加圧室基板１上に下地層５として
せリア（ＣｅＯ_２）を電子線蒸着法により０．５μｍの
厚さにエピタキシャル成長させて成膜した。続いて下部
電極６となる白金を下地層２上にエピタキシャル成長さ
せて１００ｎｍ程度の厚みに成膜した後、同図（Ｂ）に
示すように、強誘電体材料を構成する有機金属原料を気
化した原料ガスと酸素含有ガス、キャリアガス等の供給
量を適宜調整しながら、圧電体膜７をＣＶＤ法によりエ
ピタキシャル成長させて１μｍ程度の厚みに成膜した。

【００３２】一般にバルクのＰＺＴの場合、室温付近の
結晶系はＸ線回折測定による結晶相同定の結果、ペロブ
スカイト構造におけるＢサイトの構成元素比、即ち、Ｚ
ｒ／Ｔｉのモル比が０／１以上で０．５３／０．４７未
満の範囲にあるときは正方晶系を構成し、０．５３／
０．４７を超えて０．９０／０．１０以下の範囲にある
ときは菱面体晶系を構成し、Ｚｒ／Ｔｉのモル比が０．
５３／０．４７近傍においては正方晶／菱面体晶の結晶
相境界、即ち、ＭＰＢが存在することが結晶学的に判明
している。そこで、本実施例ではＺｒ／Ｔｉのモル比を
０．５６／０．４４とし、圧電体膜７をＭＰＢ近傍の結
晶構造とした。下地層５及び下部電極６は（１１０）面
方位に優先配向しているため、下部電極６上にエピタキ
シャル成長した圧電体膜７も（１１０）面方位に優先配
向している。

【００３３】さらに、同図（Ｃ）に示すように、圧電体
膜７上に上部電極８として白金を１００ｎｍの膜厚にＤ
Ｃスパッタ法で成膜した。以上の工程を経て上部電極
８、圧電体膜７及び下部電極６から成る圧電体素子９が
得られる。

【００３４】当該圧電体素子９をインク吐出駆動源とす
るインクジェット式記録ヘッドを製造する場合にはさら
に以下の製造工程を実行する。

【００３５】上部電極８上にレジストをスピンコート
し、加圧室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像
してパターニングする。残ったレジストをマスクとして
上部電極８、圧電体膜７及び下部電極６をエッチング
し、加圧室が形成されるべき位置に対応して圧電体素子
９を分離した（同図（Ｄ））。下地層５は加圧室を加圧
するための振動板として機能する。続いて、加圧室が形
成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、
平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用い
たドライエッチングにより、予め定められた深さまで加
圧室基板１をエッチングし、加圧室１０を形成した（同
図（Ｅ））。エッチングされずに残った部分は側壁１１
となる。ドライエッチングの他に、例えば８０℃に保温
された濃度１０％の水酸化カリウム水溶液を用いて加圧
室基板１を異方性ウエットエッチングすることもでき
る。この場合には異方性ウエットエッチングにより容易
に加圧室１０の高密度配列を形成できる。

【００３６】最後に、同図（Ｆ）に示すように、樹脂等
を用いてノズルプレート２を加圧室基板１に接合した。
ノズル２１はリソグラフィ法、レーザ加工、ＦＩＢ加
工、放電加工等を利用してノズルプレート２の所定位置
に開口することで形成することができる。ノズルプレー
ト２を加圧室基板１に接合する際には、各ノズル２１が
加圧室１０の各々の空間に対応して配置されるよう位置
合せする。ノズルプレート２を接合した加圧室基板１を
基体３に取り付ければ、インクジェット式記録ヘッドが
完成する。

【００３７】本実施例によれば、エピタキシャル成長に
より圧電体膜７は（１１０）面方位に強く配向し、且つ
ＭＰＢ近傍の結晶構造を有しているため、圧電体素子９
をアクチュエータとして使用する場合にドメインの回転
を伴わなずに駆動することができる。従って、高速駆動
に適した圧電体素子９を製造することができる。

【００３８】尚、上記の例では下地層５としてセリアを
成膜したが、これに替えてセリア／セリアジルコニア
（ＣｅＯ_２／ＣｅＺｒＯ_２）を成膜してもよい。また、
加圧室基板１として（１１０）面のシリコン単結晶基板
を用いたが、この他に（１１０）面の単結晶チタン酸ス
トロンチウム基板（ＳｒＴｉＯ_３：ＳＴＯ）、（１１
０）面の単結晶酸化マグネシウム基板（ＭｇＯ）を用い
ても良い。

【００３９】また、これらの単結晶基板と下部電極との
間に任意の振動板膜（例えば、エピタキシャル成長した
絶縁膜）を介在させてもよい。また、下部電極はエピタ
キシャル成長できる導電性材料であれば特に限定される
ものではなく、白金の他にイリジウムから成る単層、イ
リジウム層／白金層、白金層／イリジウム層、イリジウ
ム層／白金層／イリジウム層の積層構造としてもよい。（実施例２）図４（Ａ）に示すように、シリコン単結晶
基板から成る加圧室基板１上に熱酸化法により二酸化珪
素膜を１μｍの厚みに成膜するとともに、ジルコニウム
をターゲットとし、酸素ガスの導入による反応性スパッ
タリング法で酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯ_２）を４００
ｎｍ程度に成膜した。これら二酸化珪素膜と酸化ジルコ
ニウム膜で振動板膜５１が構成される。

【００４０】続いて、振動板膜５１上に下部電極５２を
成膜した（同図（Ｂ））。下部電極５２はイリジウムや
チタン、白金等の複数の薄膜の積層構造を有しており、
次工程で成膜する圧電体膜５４の｛１１０｝優先配向度
を調整するために適宜その構成が決定される。さらに下
部電極５２上にＰＺＴの種層となるチタン層５３を成膜
し（同図（Ｃ））、ゾル・ゲル法で圧電体膜５４を成膜
した（同図（Ｄ））。

【００４１】本実施例では圧電体膜５４の組成をＰｂ
（Ｚｒ_０．５６Ｔｉ_０．４４）Ｏ_３とし、ジルコン酸鉛
とチタン酸鉛のモル混合比が５６：４４となる２成分系
のＰＺＴとした。かかる圧電体膜５４の結晶はＭＰＢ近
傍にある。圧電体膜５４を成膜するために、上記ＰＺＴ
を構成する金属成分の水酸化物の水和錯体、即ち、ゾル
を調整した。このゾルを調整するため、２−ｎ−ブトキ
シエタノールを主溶媒として、これにチタニウムテトラ
イソプロポキシド、テトラ−ｎ−プロポキシジルコニウ
ムを混合し、室温下で２０分間攪拌した。次いで、ジエ
タノールアミンを加えて室温で更に２０分間攪拌し、更
に酢酸鉛を加え、８０℃に加熱した。加熱した状態で２
０分間攪拌し、その後、室温になるまで自然冷却した。

【００４２】このようにして得られたゾルをチタン層５
３上に塗布するためにスピンコートした。このとき、膜
厚を均一にするために最初は５００ｒｐｍで３０秒間、
次に１５００ｒｐｍで３０秒間、最後に５００ｒｐｍで
１０秒間、スピンコーティングした。この工程でＰＺＴ
を構成する各金属原子は有機金属錯体として分散してい
る。ゾルをチタン層５３上に塗布した後、１８０℃で３
０分間乾燥させ、ホットプレートを用いて空気中におい
て３３０℃で１０分間脱脂した。スピンコートから脱脂
までの工程を２回繰り返し、その後、環状炉にて酸素雰
囲気中７００℃で３０分間結晶化熱処理を行った。この
工程をさらに７回繰り返すことで合計１４層から成る膜
厚１．６μｍの圧電体膜５４を成膜した。

【００４３】このとき、チタン層５３の膜厚及び下部電
極５２の構成をそれぞれ適当に調整することで、圧電体
膜５４の｛１１０｝優先配向度を調整することができ
る。例えば、チタン層５３の膜厚を５ｎｍ〜１５ｎｍに
設定し、下部電極５２をＩｒ（膜厚２０ｎｍ）／Ｐｔ
（膜厚６０ｎｍ）／Ｉｒ（膜厚２０ｎｍ）／Ｔｉ（膜厚
２０ｎｍ）にすると、圧電体膜５４の｛１１０｝優先配
向度は３０％程度になり、チタン層５３の膜厚を３０ｎ
ｍに設定し、下部電極５２の構成をＩｒ（膜厚２００ｎ
ｍ〜３００ｎｍ）／Ｔｉ（膜厚２０ｎｍ）にすると、圧
電体膜５４の｛１１０｝優先配向度は６０％程度になる
ことが確認できた。尚、配向度とは、例えば、広角ＸＲ
Ｄ法にて圧電体膜の面方位｛ＸＹＺ｝面の反射強度をＩ
（ＸＹＺ）で表したときに、Ｉ（ＸＹＺ）／｛Ｉ（１００）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１
１１）｝と表されるものとする。

【００４４】最後に圧電体膜５４上に白金をスパッタ法
で成膜し、上部電極５５を形成した（同図（Ｅ））。以
上の工程を経て上部電極５５、圧電体膜５４、チタン層
５３及び下部電極５２から成る圧電体素子５６が得られ
る。圧電体素子５６をインク吐出駆動源としてインクジ
ェット式記録ヘッドを製造する場合には、実施例１で説
明した図３（Ｄ）〜同図（Ｆ）に示す工程に従って所望
の加工処理を実行すればよい。

【００４５】圧電体膜５４の｛１１０｝優先配向度を変
えたときの圧電定数ｄ_３１を図５に示す。同図に示すよ
うに、｛１１０｝優先配向度が高くなる程、圧電特性が
向上することが確認できる。圧電体膜５４の｛１１０｝
優先配向度が高くなる程、圧電体素子５６をアクチュエ
ータとして使用する際にドメインの回転を伴わなくなる
ため、高周波駆動に適した圧電体素子５６を提供するこ
とができる。（他の実施例）本発明の強誘電体素子は上述した圧電体
素子の他に、不揮発性強誘電体メモリ素子の電荷蓄積キ
ャパシタとしても利用することができる。不揮発性強誘
電体メモリ素子は強誘電体膜の分極の反転を利用して情
報の読み出し／書き込みを行うため、ＭＰＢ近傍の結晶
構造を有し、且つ（１１０）優先配向をもつＰＺＴ系強
誘電体薄膜を蓄積容量の容量絶縁膜として用いることで
高周波の読み出し／書き込みに適した不揮発性強誘電体
メモリ素子を提供することができる。また、かかる強誘
電体膜を用いれば、従来よりも実効的に残留分極量を大
きくできるため、メモリセルのサイズを小さくすること
ができ、不揮発性強誘電体メモリ素子の集積度を高める
ことができる。

【００４６】また、本発明の強誘電体素子は上記の他
に、フィルタ、遅延線、リードセレクタ、音叉発振子、
音叉時計、トランシーバ、圧電ピックアップ、圧電イヤ
ホン、圧電マイクロフォン、ＳＡＷフィルタ、ＲＦモジ
ュレータ、共振子、遅延素子、マルチストリップカプ
ラ、圧電加速度計、圧電スピーカ等に応用することがで
きる

【発明の効果】本発明によれば、ドメインの回転を伴わ
ずに高速動作可能な強誘電体素子を提供することができ
る。特に、本発明の強誘電体素子をインクジェット式記
録ヘッドのインク吐出駆動源として用いることで高周波
数特性に優れたインクジェット式記録ヘッドを提供する
ことができる。

【００４７】また、本発明によれば、高周波の読み出し
／書き込み可能な不揮発性強誘電体メモリ素子を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェットプリンタの構成図である。

【図２】インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であ
る。

【図３】インクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図
である。

【図４】圧電体素子の製造工程断面図である。

【図５】圧電体膜の｛１１０｝優先配向度に対する圧電
定数ｄ_３１のグラフである。

【符号の説明】

１…加圧室基板、２…ノズルプレート、３…基体、４…
配線基板、５…下地層、６…下部電極、７…圧電体膜、
８…上部電極、９…圧電体素子、１０…加圧室、１１…
側壁、１２…共通流路、２１…ノズル、５１…振動板
膜、５２…下部電極、５３…チタン層、５４…圧電体
膜、５５…上部電極、５６…圧電体素子、１００…イン
クジェット式記録ヘッド、１０１…インクカートリッ
ジ、１０２…本体、１０３…トレイ、１０４…排出口、
１０５…オートシートフィーダ、１０６…ヘッド駆動機
構、１０７…記録用紙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 27/108 Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ 21/8242 41/08 Ｃ 41/09 (72)発明者村井正己長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF02 AG14 AG16 AG44 AG52 AG55 AJ02 AN01 AP02 AP14 AP23 AP32 AP34 AP52 AP53 AP54 AP56 AP57 AQ02 4G031 AA11 AA12 AA32 BA09 CA01 CA02 GA19 4G077 AA03 AB02 BC43 DB08 ED06 HA11 5F083 FR01 HA10 JA13 JA15 PR25 5G303 AA10 AB20 BA03 CA01 CB25 CB35 CB39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部電極及び下部電極に挟まれる強誘電
体膜を備えた強誘電体素子において、前記強誘電体膜の
結晶は疑似立方晶系であるか、又は疑似立方晶系、菱面
体晶系若しくは正方晶系のうち少なくとも二つが混在し
ている結晶系であり、且つ前記下部電極に平行な結晶面
が（１１０）面方位に優先配向していることを特徴とす
る強誘電体素子。
【請求項２】前記強誘電体膜が（１１０）面方位にエ
ピタキシャル成長した薄膜であることを特徴とする請求
項１に記載の強誘電体素子。
【請求項３】前記強誘電体膜はＡＢＯ_３型のペロブス
カイト結晶構造を有することを特徴とする請求項１又は
請求項２に記載の強誘電体素子。
【請求項４】前記強誘電体膜はチタン酸ジルコン酸鉛
を主成分とする薄膜であることを特徴とする請求項１乃
至請求項３のうち何れか１項に記載の強誘電体素子。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のうち何れか１項
に記載の強誘電体素子をインク吐出駆動源として配置
し、当該強誘電体素子の機械的変位によって内容積が変
化する加圧室と、当該加圧室に連通してインク滴を吐出
する吐出口とを備えたインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】請求項５に記載のインクジェット式記録
ヘッドを印字機構に備えるインクジェットプリンタ。
【請求項７】インク吐出駆動源として機能する強誘電
体素子の機械的変位によって内容積が変化する加圧室
と、当該加圧室に連通してインク滴を吐出する吐出口と
を備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法におい
て、（１１０）面方位の単結晶基板を用いて加圧室基板
を加工するとともに、当該加圧室基板上に振動板膜を介
して下部電極及び強誘電体膜のそれぞれを（１１０）面
方位にエピタキシャル成長させ、且つ強誘電体膜の結晶
を疑似立方晶系、又は疑似立方晶系、菱面体晶系若しく
は正方晶系のうち少なくとも二つが混在している結晶系
として前記強誘電体素子を製造する工程を備えたインク
ジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項８】前記加圧室基板はシリコン単結晶基板、
チタン酸ストロンチウム基板或いは酸化マグネシウム基
板のうち何れかである請求項７に記載のインクジェット
式記録ヘッドの製造方法。
【請求項９】強誘電体膜の分極方向を検知することに
よりビットの情報を得ることが可能な不揮発性強誘電体
メモリ素子において、請求項１乃至請求項４のうち何れ
か１項に記載の強誘電体素子を電荷蓄積キャパシタとし
て備えたことを特徴とする不揮発性強誘電体メモリ素
子。