JP2008277783A - エピタキシャル膜、圧電体素子、強誘電体素子、これらの製造方法及び液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】均一な組成を有し、結晶配向性に優れた、大面積のエピタキシャル膜やその製造方法、さらに、格子整合に優れたエピタキシャル膜をＳｉ基板とのバッファ層として用いて、単一配向性結晶構造を有し、優れた特性を有し、大面積の圧電体素子、強誘電体素子や、それらの製造方法、液体吐出性能に優れ、大型の液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】組成式（１）：ｙＡ（１−ｙ）Ｂ（式中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、組成式（２）：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2（式中、Ａ、Ｂは式（１）におけるＡ、Ｂとそれぞれ同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を成膜する。
【選択図】なし
【解決手段】組成式（１）：ｙＡ（１−ｙ）Ｂ（式中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、組成式（２）：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2（式中、Ａ、Ｂは式（１）におけるＡ、Ｂとそれぞれ同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を成膜する。
【選択図】なし
Description
本発明は、Ｓｉ基板上に形成される電子デバイスを作成するためのバッファ層に好適なエピタキシャル膜、これを用いた圧電体素子、強誘電体素子や、これらの製造方法、及び液体吐出ヘッドに関する。
半導体単結晶基板であるＳｉ基板は、結晶性に優れ、大面積化が可能であることから、電子デバイスを作成する基板として好適であり、汎用的に用いられている。Ｓｉ基板上に積層して作成する電子デバイスとしては、誘電体デバイス、圧電体デバイス、強誘電体デバイス、焦電体デバイス等があり、その結晶構造の向上を図るためＳｉ基板上に形成する下地層としてのバッファ層の検討が行われている。
上記バッファ層としては、基板のＳｉ結晶との格子整合と共に、電子デバイスを構成するペロブスカイト型酸化物等の結晶との格子整合が優れているものとして、エピタキシャル成膜したＺｒＯ2や、これにＹ等をドープした安定化ＺｒＯ2等が用いられている。
このようなバッファ層として、具体的には、酸化ジルコニウム又はＹ等により安定化された安定化酸化ジルコニウム薄膜等を用いた積層薄膜（特許文献１）や、ＹＳＺ（Ｙ安定化ジルコニア）を用いた圧電素子（特許文献２）等が報告されている。
しかしながら、特許文献１に記載されるバッファ層は、電子ビームを用いた蒸着法により基板表面とその結晶面を揃えた積層膜を形成するものであり、大面積の成膜には不向きである。このため、大面積のバッファ層の形成を可能とする成膜技術の確立が要請されている。
また、従来のエピタキシャル膜として得られるバッファ層は、安定化ＺｒＯ2中のＳｃ、Ｙを含む希土類元素の含有量が多いものであり、しかも、３インチ以上の大面積の成膜をした場合、面内組成のばらつきが大きくなるという問題がある。例えば、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2のバルク単結晶体におけるＹの含有量は最大３．７％であるのに対して、エピタキシャル膜中のＹの含有量は１０％以上であり、得られる膜中のＹの含有量を下げることは困難である。一般に、スパッタリング法により成膜を行う場合、ターゲットの組成が得られるエピタキシャル膜の組成にそのまま反映されるものではなく、目的とする組成のエピタキシャル膜を得るためのターゲットの最適な組成を見出すことは非常に困難である。
このため、酸化ジルコニウムに対し過剰な酸化イットリウムを含有するエピタキシャル膜はＹ2Ｏ3に起因する結晶構造の正方晶系を呈し、膜中に（１００）配向及び（００１）配向が混在し、単一結晶性の薄膜は得られていない。
その他、特許文献３の実施例１には、「Ｓｉ基板上に成膜された（Ｙ2O3）ｘ（ＺｒO2）ｌ−ｘ（ｘ＝０．０４）のエピタキシャル成長膜」が記載されている。
特開平９−１１０５９２号公報
特開２００２−２３４１５６号公報
特開平２−０８２５８５号公報
本発明の課題は、均一な組成を有し、結晶配向性に優れた、大面積のエピタキシャル膜やその製造方法を提供することにある。さらに、格子整合に優れたエピタキシャル膜をＳｉ基板とのバッファ層として用いることにより、単一配向性結晶構造を有し、優れた特性を有し、大面積の圧電体素子、強誘電体素子や、それらの製造方法を提供することにある。さらに、これらの素子を用いることにより、液体吐出性能に優れ、大型の液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するため、エピタキシャル膜を積層するＳｉ基板、エピタキシャル膜のスパッタリング法による成膜に用いるターゲット材料の組成、得られるエピタキシャル膜の組成との関連について鋭意研究を行った。その結果、表面のＳｉＯ2層が特定の厚さを有するＳｉ基板上に、特定の割合で金属元素を含む金属をターゲット材料としてスパッタリングすることにより、金属元素が均一に分布し、単一配向結晶性の大面積のエピタキシャル膜が得られることの知見を得た。かかる知見に基づき、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は 組成式：ｙＡ（１−ｙ）Ｂ （１）
（式中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、Ａ、Ｂは式（１）におけるＡ、Ｂとそれぞれ同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を成膜することを特徴とするエピタキシャル膜の製造方法に関する。
（式中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、Ａ、Ｂは式（１）におけるＡ、Ｂとそれぞれ同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を成膜することを特徴とするエピタキシャル膜の製造方法に関する。
また、本発明は、Ｓｉ基板上に成膜され、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されることを特徴とするエピタキシャル膜に関する。
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されることを特徴とするエピタキシャル膜に関する。
また、本発明は、Ｓｉ基板上に、第一の電極層、圧電体層及び第二の電極層をこの順に有する圧電体素子において、前記Ｓｉ基板と前記第一の電極層との間に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする圧電体素子に関する。
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする圧電体素子に関する。
また、本発明は、Ｓｉ基板上に、第一の電極層、強誘電体層及び第二の電極層をこの順に有する強誘電体素子において、前記Ｓｉ基板と前記第一の電極層との間に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする強誘電体素子に関する。
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする強誘電体素子に関する。
また、本発明は、上記圧電体素子を有し、該圧電体素子を用いて液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッドに関する。
また、本発明は上記エピタキシャル膜の製造方法を用いてＳｉ基板上にエピタキシャル膜を成膜する工程、第一の電極層を設ける工程、Ｓｉ基板に対して、（１００）配向、（００１）配向、（１１０）配向、（１１１）配向、又は、（１００）配向と（００１）配向との混合配向である圧電体層を設ける工程、第二の電極層を設ける工程を有することを特徴とする圧電体素子の製造方法に関する。
また、本発明は、上記エピタキシャル膜の製造方法を用いてＳｉ基板上にエピタキシャル膜を成膜する工程、第一の電極層を設ける工程、Ｓｉ基板に対して、（１１１）配向の強誘電体層を設ける工程、第二の電極層を設ける工程を有することを特徴とする強誘電体素子の製造方法に関する。
本発明のエピタキシャル膜は、均一な組成を有し、単一配向性の結晶構造を有し、大面積のものが作製可能である。
また、本発明のエピタキシャル膜の製造方法は、均一な組成を有し、単一配向性の結晶構造を有し、大面積のエピタキシャル膜を容易に製造することができる。
また、本発明の圧電体素子や、強誘電体素子は、格子整合に優れた上記エピタキシャル膜をＳｉ基板とのバッファ層として用いることにより、単一配向性結晶構造を有し、優れた特性を備え、大面積のものが作製可能である。
また、本発明のこれらの素子の製造方法は、金属元素が均一に分布した、単一配向の結晶構造を有し、大面積の素子を容易に製造することができる。
本発明の液体吐出ヘッドは、高解像度化、高速吐出が可能であり、吐出口が高密度に設けられても液体吐出量が多く、大型化を図ることができる。
［エピタキシャル膜の製造方法］
本発明のエピタキシャル膜の製造方法は、組成式（１）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、組成式（２）で表されるエピタキシャル膜を成膜することを特徴とする。
本発明のエピタキシャル膜の製造方法は、組成式（１）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、組成式（２）で表されるエピタキシャル膜を成膜することを特徴とする。
本発明のエピタキシャル膜の製造方法において用いる金属ターゲットは、組成式（１）：ｙＡ−（１−ｙ）Ｂで表される。式（１）中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。上記組成のターゲットを用いることにより、目的の組成である組成式（２）で表される組成を有するエピタキシャル膜を得ることができる。
式（１）中、Ａが示す金属元素としては、具体的には、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Dy、Yb、Lu、Euを挙げることができ、好ましくは、Y、La、Ce、Dyである。
金属ターゲット中のＡが示す金属元素は、金属ターゲット中の全金属元素を１としたとき、その数、すなわち組成式（１）中のｙが、０．０３以上０．２０以下である。金属ターゲットに含まれるＡが示す元素の数が、金属ターゲット中の金属元素の数を１としたとき、０．０３以上であれば、エピタキシャル膜において、式（２）中のｘが０．０１０以上となり、Ａで示す金属元素の含有が適当であり、結晶性に優れ安定な膜となる。金属ターゲットに含まれるＡが示す元素の数が、金属ターゲット中の金属元素の数１に対し、０．２０以下であれば、金属ターゲットを容易に作成することができ、均一な組成のエピタキシャル膜を得ることができる。
このような組成を有する金属ターゲットは練りこみ金属ターゲットを用いることが好ましい。練りこみ金属性ターゲットは、組成式（１）中、Ａ、Ｂをそれぞれｙ、１−ｙの元素組成の割合で混合し、これを真空中で溶融して作成することができる。このような不純物の混入を排除して得られたターゲットを用いることにより、エピタキシャル膜として組成ばらつき、膜厚ばらつきの少ない、結晶性に優れた良質な膜を得ることができる。また、金属ターゲットに対し、スパッタリング装置に設置後、エピタキシャル膜の成膜前に、表面のクリーニングのためのスパッタリング、いわゆるプレスパッタを行うことが好ましい。
本発明のエピタキシャル膜の製造方法において用いるＳｉ基板は、単結晶構造を有することが、その上に単一配向構造のエピタキシャル膜を成膜することが容易であることから好ましい。単結晶構造のＳｉ基板としては、表面が（１００）配向であることが好ましい。また、Ｓｉ基板としてＳＯＩ基板を用いる場合も、基板表面が（１００）配向単結晶構造を有することが好ましい。基板にハンドル層を有する場合、ハンドル層の結晶構造は（１１０）であってもよい。
このようなＳｉ基板は表面に膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を有する。Ｓｉ基板が、かかる膜厚のＳｉＯ2層を有することにより、ターゲットからスパッタリングされた金属元素の酸化物の、結晶性に優れる上記組成のエピタキシャル膜をＳｉ基板上に形成させることができる。ＳｉＯ2層の膜厚が１．０ｎｍ以上であれば、組成が均一で結晶性が向上したエピタキシャル膜が得られ、大面積のＳｉ基板であっても、結晶性のよいエピタキシャル膜を成膜することができる。また、ＳｉＯ2層の膜厚が１０ｎｍ以下であれば、初期成膜工程に要する時間を短縮することができ、短時間で基板温度を上昇させることができ、エピタキシャル膜の生産性の低下を抑制することができる。ＳｉＯ2層の膜厚は１．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下であることが好ましい。
上記ＳｉＯ2層はＳｉ基板の表面をバッファードフッ酸処理して表面に付着する不純物を除去した後、アンモニア性過酸化水処理、塩酸性過酸化水処理等の酸化処理により、所望の膜厚に形成することができる。
ここで、ＳｉＯ2層の膜厚は、分光エリプソメーター（JOBIN YVON社製:UVISEL）で測定した測定値を採用することができる。
上記Ｓｉ基板上へのエピタキシャル膜の成膜はスパッタリング法による。スパッタリング法は、加速した粒子をターゲットに衝突させ、ターゲットの元素を空間に放出させ、これを基板上に導き、基板上に導かれた元素相互間、及び基板との結合により、基板上にエピタキシャル膜を成膜させる方法である。スパッタリング法としては、高周波スパッタリング、直流二極スパッタリング、マグネトロン・スパッタリング、イオンビーム・スパッタリング、化成スパッタリング等、いずれであってもよいが、高周波スパッタリングが好ましい。スパッタリング法によるエピタキシャル膜の形成には公知のスパッタリング装置を用いることができる。
スパッタリング法における条件としては、エピタキシャル膜の成膜の開始直後の初期形成時は、酸素含有ガスを用いず、Ａｒ等の不活性ガスを用い、ガス圧を０．１Pa以上１．０Pa以下とすることが好ましい。より好ましくは０．１Pa以上０．９Pa以下である。スパッタ電力は１W/cm2以上５W/cm2以下とすることが好ましい。ここで、エピタキシャル膜の成膜の開始直後の初期形成時とは、成膜条件にもよるが、成膜開始から１〜５００秒とすることができ、より好ましくは、１〜２５０秒である。エピタキシャル膜の成膜の開始直後の初期形成時に、酸素含有ガスを使用しないことにより、Ｓｉ基板上に成膜されるエピタキシャル膜の膜厚の制御を可能とし、エピタキシャル成長と酸化の競争反応において、結晶性が阻害されることを抑制することができる。酸素分圧としては、具体的には、１×１０-4Pa以下であることが好ましく、１×１０-5Pa以下がより好ましい。
エピタキシャル膜初期形成後は、酸素を含有するガスを使用することが膜厚が厚いエピタキシャル膜を効率よく成膜することができるため好ましい。具体的には、Ｏ2、Ａｒを適宜割合で混合した混合ガスに変え、上記と同様のガス圧で、スパッタ電力を５W/cm2以上１０W/cm2以下とすることが好ましい。
基板の温度は、４００℃以上７６０℃以下が好まく、より好ましくは、４００℃以上６４０℃以下である。基板温度は、基板埋め込み型熱電対で測定することができ、設定した一定温度となった後に成膜を開始することが、単一配向の結晶構造のエピタキシャル膜形成を可能とするため好ましい。
上記スパッタリング法により、Ｓｉ基板上に得られるエピタキシャル膜は、組成式（２）ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2で表され、式中、Ａ、Ｂはそれぞれ式（１）と同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す安定化酸化物である。組成式（２）中、ｘが、０．０３５以下であることにより、正方晶の結晶軸ｃ／a比が１．０に近くなり、膜の結晶性が向上する。ｘが０．０１０以上であれば、Ａ2Ｏ3で表される酸化物の存在により、キューリー温度のない不安定化状態となるのを免れることができる。
式（２）中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示す。具体的には、上記式（１）で例示した元素と同様のものを具体的に挙げることができる。式（２）中、ＢはＺｒを示す。さらに、式（２）中、ＡがＹを示し、ＢがＺｒを示すエピタキシャル膜では、Ｙ2Ｏ3により安定化されたＺｒＯ2から構成され、格子定数が０．５１５ｎｍ以上０．５１８ｎｍ以下の結晶構造を有するものとなる。このような安定化酸化物のエピタキシャル膜は、ＹＳＺのバルク単結晶体、０．０３７Ｙ2Ｏ3−０．９６３ＺｒＯ2の格子定数０．５１６ｎｍに対し、その差異が０．３〜０．４％以内の範囲にある。このため上記エピタキシャル膜はその膜中の応力が小さく、大面積で成膜した場合でも、基板の反りの発生を抑制することができ、その上に各種デバイスを大面積で積層することを可能とする。すなわち、このエピタキシャル膜上に、結晶性に優れた膜の形成を可能とする。
上記エピタキシャル膜は膜厚が１．０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が１．０ｎｍ以上であれば、この上に設ける圧電体層、強誘電体層の配向性の制御が容易となる。また、膜厚が５００ｎｍ以下であれば、成膜時間が長時間に及ぶのを抑制することができ、効率的なデバイスの作成を可能とする。
また、上記膜厚のエピタキシャル膜において、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定による（２００）配向のピーク強度が８０００ｃｐｓ以上であり、該ピークの半価幅が０．８°以下である。このエピタキシャル膜上に電極層、圧電体層等を積層した場合、ＸＲＤ測定によるピーク強度は減少するが、例えば、３μｍ程度の膜厚の圧電体層を設けた場合、エピタキシャル膜の（２００）配向のピーク強度は２００ｃｐｓ以上である。このようなエピタキシャル膜上には、安定して結晶性のよい誘電体層、圧電体層、強誘電体層等を設けることができる。
本発明の圧電体素子は、Ｓｉ基板上に、第一の電極層、圧電体層及び第二の電極層をこの順に有する圧電体素子において、Ｓｉ基板と第一の電極層との間に、組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする。式（２）中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。
本発明の圧電体素子における、Ｓｉ基板や、Ｓｉ基板上に設けられるエピタキシャル膜は上記のものと同様のものを挙げることができ、上記エピタキシャル膜はバッファ層として機能する。
上記圧電素子における第一の電極層、第二の電極層には、金属や、導電性酸化物が用いられる。かかる金属としては、Pt、Ir、Ru、Au、Ni、Al、W等を挙げることができ、これらのうち、面心立方晶金属のPt、Ir、Au、Ni、Alが特に好ましい。導電性酸化物としては、IrO2、RuO2、RbO2、La-SrTiO3、SrRuO3、LaNiO3等を挙げることができる。第一の電極層と、第二の電極層とは同一の材質で形成しても、異なる材質で形成してもよい。第一の電極層には、導電性酸化物が含まれることが好ましい。
上記電極層を形成するには、上記エピタキシャル膜を成膜した後、同一チャンバー内で、或いは大気暴露せずに、連続して成膜することが好ましい。これにより、優れた結晶性が維持された状態で配向膜あるいは単結晶膜を成膜することができる。
上記組成式（２）で表されるエピタキシャル膜のバッファ層と電極層の間に、更に異なる組成の、例えば、蛍石型酸化物等のバッファ層を設けてもよい。
上記圧電素子における圧電体層には、ＡＢＯ3ペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。圧電体層はＳｉ基板に対して、（１００）配向、（００１）配向、（１１０）配向、（１１１）配向、又は、（１００）配向と（００１）配向との混合配向の結晶構造を有するものが好ましい。圧電体層を（１００）配向、（００１）配向、又はこれらの混合配向とするためには、次のようにする。すなわち、上記エピタキシャル膜上に蛍石型酸化物、好ましくはCeO2をエピタキシャル成膜させる。次に、SrRuO3/LaNiO3等の積層構造の酸化物の電極層を設け、そのSrRuO3上に圧電体層を設ければよい。
また、圧電体層を（１１０）配向にするためには、上記エピタキシャル膜上に、直接ＡＢＯ3ペロブスカイト型酸化物の電極層をエピタキシャル成膜させて、（１１０）配向の電極層を得て、圧電体層を成膜させればよい。電極層の好ましいＡＢＯ3ペロブスカイト型酸化物としては、上記と同様のものを挙げることができる。
また、圧電体層を（１１１）配向にするためには、上記エピタキシャル膜上に、金属、好ましくは上記面心立方晶金属の電極層を成膜させて、圧電体層を成膜させればよい。電極層としては金属上にSrRuO3等の酸化物を積層したものであってもよい。上記配向の圧電体層としては例えば、ＰＺＴ、ＰＭＮ、ＰＮＮ、ＰＳＮ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＮＮ−ＰＴ、ＰＳＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＢＴＯ等の圧電体材料を用いることができる。
上記圧電体素子は、結晶性に優れたエピタキシャル膜のバッファ層を有するため、単一結晶構造や単一配向結晶構造を有する極めて優れた結晶性を有する。このために、圧電体材料を選択し、所望の結晶配向を有する、面内方向の配向も膜厚方向に配向度の高い結晶性の優れた圧電体素子を得ることができる。
上記圧電体素子は、上記Ｓｉ基板上に上記エピタキシャル膜を形成した後、第一の電極層、圧電体層、第二の電極層を順次設けることにより製造することができる。これらの圧電体素子は、半導体製造プロセスで用いられている堆積膜成形技術を適用した方法を挙げることができる。
上記第一の電極層の成膜方法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法等を挙げることができる。また、圧電体層の成膜方法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法、EB法、蒸着法等を挙げることができる。第二の電極層の成膜方法としては、塗布法、蒸着法、スパッタ法等を挙げることができる。
本発明の強誘電体素子は、Ｓｉ基板上に、第一の電極層、強誘電体層及び第二の電極層をこの順に有する強誘電体素子において、Ｓｉ基板と第一の電極層との間に、
組成式（２）：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする。式（２）中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。
組成式（２）：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする。式（２）中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。
本発明の強誘電体素子における、Ｓｉ基板や、Ｓｉ基板上に設けられるエピタキシャル膜、第一の電極層、第二の電極層としては、具体的には、上記圧電体素子におけるこれらのものと同様のものを挙げることができ、これらは上記と同様の方法により得られる。
上記誘電体素子における強誘電体層には、ＡＢＯ3ペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。強誘電体層はＳｉ基板に対して、（１１１）配向の結晶構造を有するものが好ましい。（１１１）配向の結晶構造を有する強誘電体層は、上記（１１１）配向の圧電体層と同様のものを具体的に挙げることができる。このような強誘電体層は上記圧電体素子の圧電体層と同様の方法により形成することができる。
本発明の強誘電体素子は、Ｓｉ基板上に、結晶性の優れたエピタキシャル膜からなるバッファ層を介して形成されるため、結晶性が良質で、耐久特性の良好な強誘電体層を有する。
本発明の液体吐出ヘッドは、上記圧電体素子を有し、該圧電体素子を用いて液体を吐出するものであれば、いずれのものであってもよい。具体的には、液体を吐出する吐出口と、吐出口に連通する個別液室と、個別液室の一部を構成する振動板と、個別液室の外部に設けられた振動板に振動を付与するための上記圧電体素子とを有するものを挙げることができる。このような液体吐出ヘッドでは、振動板により生じる個別液室内の体積変化によって個別液室内の液体が吐出口から吐出される。
上記液体吐出ヘッドは、上記エピタキシャル膜からなるバッファ層を有する圧電膜素子を用いることで、均一で高い吐出性能を示し、耐久性に優れ、大型のものを容易に得ることができる。上記液体吐出ヘッドは、インクジェットプリンタやファクシミリ、複合機、複写機などの画像形成装置、あるいは、インク以外の液体を吐出する産業用吐出装置に使用することができる。
本発明の液体吐出ヘッドの一例を図１を参照して説明する。図１に示す液体吐出ヘッドには、液体を吐出する吐出口１１、吐出口１１と個別液室１３を連通する連通孔１２、個別液室１３に液を供給する共通液室１４が備えられる。個別液室１３の一部は振動板１５で構成され、振動板１５に振動を付与する圧電体素子１０が振動板１５上に設けられる。圧電体素子１０は、図２の断面摸式図に示すように、Ｓｉ基板に相当する振動板１５上に上記エピタキシャル膜からなるバッファ層１９、第一の電極層１６、圧電体層７、第二の電極層１８とが順次積層された構造を有する。圧電素子１０は矩形状を有しているが、台形、逆台形であってもよい。
このような液体吐出ヘッドの製造方法の一例を、図３の工程図を参照して説明する。一部が振動板１５に適用される基板５上に、エピタキシャル膜からなるバッファ層、第一の電極層、圧電体層、第二の電極層をした圧電体膜１０ａをパターニングして圧電体素子１０を形成し、基板の裏面をエッチングして個別液室１３を形成する。一方、連通孔１２、吐出口１１を形成した基板１４と、個別液室１３を形成した基板５とを接合し、液体吐出ヘッドを形成する。
このような液体吐出ヘッドは、圧電特性が優れ、大面積なものが得られる。
以下、本発明のエピタキシャル膜、圧電体素子、強誘電体素子、液体吐出ヘッドについて、実施例を挙げて具体的に説明する。
［実施例１］
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する真空溶融法で作成した練りこみ金属ターゲット０．１１Ｙ−０．８９Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
［実施例１］
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する真空溶融法で作成した練りこみ金属ターゲット０．１１Ｙ−０．８９Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を６２４℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を６２４℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜をＸＲＤ（パナリティカル社製：X'Pert MRD）を行い評価した。管球にはＣｕＫα1を用い、管電圧は４５ｋＶ、管電流は４０ｍＡとした。測定は平行ビーム法で行い、光学系は、入射側にはＧｅ（２２０）のハイブリッドミラー、縦発散防止の１／２°スリット、横発散防止の０．０２ｒａｄソーラースリットを用いた。また、受光側には０．０９°のコリメータを用いた。エピタキシャル膜のＸＲＤを図４に示す。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は９９９７ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７５５２°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜をＸＲＤ（パナリティカル社製：X'Pert MRD）を行い評価した。管球にはＣｕＫα1を用い、管電圧は４５ｋＶ、管電流は４０ｍＡとした。測定は平行ビーム法で行い、光学系は、入射側にはＧｅ（２２０）のハイブリッドミラー、縦発散防止の１／２°スリット、横発散防止の０．０２ｒａｄソーラースリットを用いた。また、受光側には０．０９°のコリメータを用いた。エピタキシャル膜のＸＲＤを図４に示す。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は９９９７ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７５５２°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
また、初期層成膜時に酸素ガスを導入して作製したエピタキシャル膜では、（２００）配向のピーク強度が３００ｃｐｓ以下となり、結晶性が不良であった。また、この膜上に圧電体層を設けた場合では、（２００）配向のピークは観測されなかった。
（分光エリプソによる評価）
分光エリプソメーター（JOBIN YVON社製：UVISEL）によりエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．３ｎｍと１５８．１ｎｍであった。
分光エリプソメーター（JOBIN YVON社製：UVISEL）によりエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．３ｎｍと１５８．１ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
ＸＲＦ（蛍光X線分析装置、パナリティカル社製：Magix Pro）により、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０２０Ｙ2Ｏ3−０．９８０ＺｒＯ2であった。
ＸＲＦ（蛍光X線分析装置、パナリティカル社製：Magix Pro）により、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０２０Ｙ2Ｏ3−０．９８０ＺｒＯ2であった。
［圧電体素子の作製］
上記エピタキシャル膜上に、ＣｅＯ2層、ＬａＮｉＯ3とＳｒＲｕＯ3の第一の電極層をスパッタ成膜し、その上にＰＺＴ（００１）圧電膜を３．０μｍ厚で成膜し、第二の電極層としてＡｕ電極を蒸着し、圧電体素子を得た。
上記エピタキシャル膜上に、ＣｅＯ2層、ＬａＮｉＯ3とＳｒＲｕＯ3の第一の電極層をスパッタ成膜し、その上にＰＺＴ（００１）圧電膜を３．０μｍ厚で成膜し、第二の電極層としてＡｕ電極を蒸着し、圧電体素子を得た。
得られた圧電体素子についてＸＲＤ測定を行った。結果を図５に示す。ＰＺＴ層は（００１）/（１００）エピタキシャル配向し、エピタキシャル膜のＹＳＺ層のピーク強度は、４００ｃｐｓであった。
［液体吐出ヘッド］
上記圧電体素子を用いて、図１の形態の液体吐出ヘッドを作製し、液吐出特性を評価した。変位特性及び耐久特性ともに良好なヘッドであった。特に、４インチＳｉ基板からのヘッド取り出しで、特性が安定し、歩留まりが向上した。
上記圧電体素子を用いて、図１の形態の液体吐出ヘッドを作製し、液吐出特性を評価した。変位特性及び耐久特性ともに良好なヘッドであった。特に、４インチＳｉ基板からのヘッド取り出しで、特性が安定し、歩留まりが向上した。
［実施例２］
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．１４Ｙ−０．８６Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．１４Ｙ−０．８６Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を６３５℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を６３５℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は８６５２ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７７８７°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は８６５２ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７７８７°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
（分光エリプソによる評価）
実施例１と同様にしてエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．１ｎｍと１４１．７ｎｍであった。
実施例１と同様にしてエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．１ｎｍと１４１．７ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０３５Ｙ2Ｏ3−０．９６５ＺｒＯ2であった。
実施例１と同様にして得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０３５Ｙ2Ｏ3−０．９６５ＺｒＯ2であった。
［実施例３］
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する作成した練りこみ金属ターゲット０．０７Ｙ−０．９３Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
［エピタキシャル膜の作製］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する作成した練りこみ金属ターゲット０．０７Ｙ−０．９３Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に、以下のようにエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を６００℃に設定し、２５分間基板を加熱した。３５分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を６００℃に設定し、２５分間基板を加熱した。３５分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は８３１５ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７９８２°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は８３１５ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．７９８２°、格子定数は０．５１７ｎｍであった。
（分光エリプソによる評価）
実施例１と同様にしてエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．２ｎｍと１６８．３ｎｍであった。
実施例１と同様にしてエピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．２ｎｍと１６８．３ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０１０Ｙ2Ｏ3−０．９９０ＺｒＯ2であった。
実施例１と同様にして得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０１０Ｙ2Ｏ3−０．９９０ＺｒＯ2であった。
［比較例１］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．２２Ｙ−０．７８Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．２２Ｙ−０．７８Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を８００℃に設定し、２５分間基板を加熱した。３５分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を８００℃に設定し、２５分間基板を加熱した。３５分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．７６Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．５Ｐａと２．７６Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は１６４１ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．９４７４°、格子定数は０．５１８ｎｍであった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタキシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向のピーク強度は１６４１ｃｐｓであった。また、該ピークの半価幅は０．９４７４°、格子定数は０．５１８ｎｍであった。
（分光エリプソによる評価）
実施例１と同様にして、エピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．２ｎｍと１１７．３ｎｍであった。
実施例１と同様にして、エピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．２ｎｍと１１７．３ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０３７Ｙ2Ｏ3−０．９６３ＺｒＯ2であった。ここでＹ2Ｏ3の量とＹ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向の半価幅の関係を図６に示す。図６から分かるようにＹ2Ｏ3の量が０．０３５ｍｏｌを超えると半価幅は広がり、０．８°を超える。また、０．０１０ｍｏｌより少なくなるときも半価幅は０．８°を超える。
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．０３７Ｙ2Ｏ3−０．９６３ＺｒＯ2であった。ここでＹ2Ｏ3の量とＹ2Ｏ3−ＺｒＯ2（２００）配向の半価幅の関係を図６に示す。図６から分かるようにＹ2Ｏ3の量が０．０３５ｍｏｌを超えると半価幅は広がり、０．８°を超える。また、０．０１０ｍｏｌより少なくなるときも半価幅は０．８°を超える。
［比較例２］
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．３２Ｙ−０．６８Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
Ｙ成分とＺｒ成分を含有する練りこみ金属ターゲット０．３２Ｙ−０．６８Ｚｒを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を７６０℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．０Ｐａと０．６９Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を７６０℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．０Ｐａと０．６９Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、４秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．０Ｐａと２．７６Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．０Ｐａと２．７６Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は１４２．７ｃｐｓ、該ピークの半価幅、格子定数は測定不能だった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は１４２．７ｃｐｓ、該ピークの半価幅、格子定数は測定不能だった。
（分光エリプソによる評価）
実施例１と同様にして、エピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．３ｎｍと１５８．１ｎｍであった。
実施例１と同様にして、エピタキシャル膜成膜後のＳｉ基板上のＳｉＯ2層、Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚を測定した。それぞれ２．３ｎｍと１５８．１ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．１１３Ｙ2Ｏ3−０．８８７ＺｒＯ2であった。
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．１１３Ｙ2Ｏ3−０．８８７ＺｒＯ2であった。
［比較例３］
金属Ｚｒ上に２．５ｍｍ角のＹ金属チップを４枚中心から１５ｍｍの位置に放射状に配置した積載ターゲットを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
金属Ｚｒ上に２．５ｍｍ角のＹ金属チップを４枚中心から１５ｍｍの位置に放射状に配置した積載ターゲットを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
加熱温度を６２４℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、６秒間スパッタし、初期層を成膜した。
加熱温度を６２４℃に設定し、３０分間基板を加熱した。３０分経過した後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．３Ｐａと２．９６Ｗ／ｃｍ2とした。１０分間プレスパッタを行った後、６秒間スパッタし、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．９Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、０．９Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とし、ＡｒとＯ2の混合ガスを用いた。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は２７３．８ｃｐｓ、該ピークの半価幅は１．８７５９°、格子定数は０．５２０ｎｍであった。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は２７３．８ｃｐｓ、該ピークの半価幅は１．８７５９°、格子定数は０．５２０ｎｍであった。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．２０８Ｙ2Ｏ3−０．７９２ＺｒＯ2であった。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚は１１７．３ｎｍであった。
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．２０８Ｙ2Ｏ3−０．７９２ＺｒＯ2であった。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚は１１７．３ｎｍであった。
［比較例４］
金属Ｚｒ上に２．５ｍｍ角のＹチップを４枚中心から１５ｍｍの位置に放射状に配置したターゲットを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
金属Ｚｒ上に２．５ｍｍ角のＹチップを４枚中心から１５ｍｍの位置に放射状に配置したターゲットを用いて、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜した。
（初期層成膜）
基板の加熱温度を９００℃に設定した他は比較例２と同様にして、初期層を成膜した。
基板の加熱温度を９００℃に設定した他は比較例２と同様にして、初期層を成膜した。
（酸化層成膜）
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
初期層を形成した後、スパッタ電源を落とし、Ｏ2ガスを導入した。再びスパッタ電源をつけ、プレスパッタを開始した。このときのガス圧とスパッタ電力はそれぞれ、１．３Ｐａと５．９２Ｗ／ｃｍ2とした。プレスパッタは初期層のプレスパッタ開始時間からの積算時間が１５分になったところで終了させ、その後に酸化層を成膜した。
［エピタキシャル膜の評価］
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は確認できず、結晶化していなかった。また、見た目も白濁していた。
（ＸＲＤによる評価）
得られたエピタクシャル膜を実施例１と同様にしてＸＲＤ測定を行った。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2（００２）配向のピーク強度は確認できず、結晶化していなかった。また、見た目も白濁していた。
（ＸＲＦによる評価）
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．１４Ｙ2Ｏ3−０．８６２ＺｒＯ2であった。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚は１０４．８ｎｍであった。
実施例１と同様にして、得られたエピタキシャル膜の組成を測定した。０．１４Ｙ2Ｏ3−０．８６２ＺｒＯ2であった。Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2層の膜厚は１０４．８ｎｍであった。
［実施例４］
［強誘電体素子の作製］
実施例１と同様にしてＹＳＺからなるエピタキシャル膜上に、Ｐｔ（１１１）エピタキシャル膜を成膜し、その上にＳｒＲｕＯ3（１１１）膜を成膜した。この上にＰＺＴを成膜した、結晶性のよい（１１１）エピタキシャル膜を得ることができた。膜厚は、１５０ｎｍとした。この膜の残留分極率Ｐｒは、４０μＣ／ｃｍ2近くあり、繰り返し耐性に関しても良好であった。
［強誘電体素子の作製］
実施例１と同様にしてＹＳＺからなるエピタキシャル膜上に、Ｐｔ（１１１）エピタキシャル膜を成膜し、その上にＳｒＲｕＯ3（１１１）膜を成膜した。この上にＰＺＴを成膜した、結晶性のよい（１１１）エピタキシャル膜を得ることができた。膜厚は、１５０ｎｍとした。この膜の残留分極率Ｐｒは、４０μＣ／ｃｍ2近くあり、繰り返し耐性に関しても良好であった。
上記結果より、本発明のエピタキシャル膜の製造方法により、Ｓｉ基板上にバルク単結晶同等以上の結晶性に優れたエピタキシャル膜を得ることができる。また、上記エピタキシャル膜をバッファ層として利用した圧電体素子、強誘電体素子は、特性に優れ、大面積で作製可能であることがわかる。また、液体吐出ヘッドは液吐出量が多く、液吐出は高速であり、大面積で作製可能であることがわかる。
５ 基板
７ 圧電体層
１０ 圧電体素子
１６ 第一の電極層
１６ 第二の電極層
１９ エピタキシャル膜
７ 圧電体層
１０ 圧電体素子
１６ 第一の電極層
１６ 第二の電極層
１９ エピタキシャル膜
Claims (16)
- 組成式：ｙＡ（１−ｙ）Ｂ （１）
（式中、ＡはＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢはＺｒを示し、ｙは０．０３以上０．２０以下の数値を示す。）で表される金属ターゲットを用い、膜厚が１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＳｉＯ2層を表面に有するＳｉ基板を加熱し、該基板上に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、Ａ、Ｂは式（１）におけるＡ、Ｂとそれぞれ同じ金属元素を示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を成膜することを特徴とするエピタキシャル膜の製造方法。 - 前記エピタキシャル膜が、組成式（２）中、ＡがＹを示し、格子定数が０．５１５ｎｍ以上０．５１８ｎｍ以下の結晶構造を有することを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル膜の製造方法。
- 前記成膜にスパッタリング法を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のエピタキシャル膜の製造方法。
- 前記成膜を不活性ガスの中で開始することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のエピタキシャル膜の製造方法。
- 前記Ｓｉ基板を４００℃以上７６０℃以下に加熱することを特徴とする請求項１から４のいずれか記載のエピタキシャル膜の製造方法。
- 請求項１から５のいずれかに記載のエピタキシャル膜の製造方法を用いてＳｉ基板上にエピタキシャル膜を成膜する工程、第一の電極層を設ける工程、Ｓｉ基板に対して、（１００）配向、（００１）配向、（１１０）配向、（１１１）配向、又は、（１００）配向と（００１）配向との混合配向である圧電体層を設ける工程、第二の電極層を設ける工程を有することを特徴とする圧電体素子の製造方法。
- 請求項１から６のいずれかに記載のエピタキシャル膜の製造方法を用いてＳｉ基板上にエピタキシャル膜を成膜する工程、第一の電極層を設ける工程、Ｓｉ基板に対して、（１１１）配向の強誘電体層を設ける工程、第二の電極層を設ける工程を有することを特徴とする強誘電体素子の製造方法。
- Ｓｉ基板上に成膜され、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されることを特徴とするエピタキシャル膜。 - 格子定数が０．５１５ｎｍ以上０．５１８ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８記載のエピタキシャル膜。
- 膜厚が１．０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９記載のエピタキシャル膜。
- Ｓｉ基板上に、第一の電極層、圧電体層及び第二の電極層をこの順に有する圧電体素子において、前記Ｓｉ基板と前記第一の電極層との間に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする圧電体素子。 - 前記圧電体層が、前記Ｓｉ基板に対して、（１００）配向、（００１）配向、（１１０）配向、（１１１）配向、又は、（１００）配向と（００１）配向との混合配向であることを特徴とする請求項１１記載の圧電体素子。
- 前記圧電体層の膜厚が、１．０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１又は１２記載の圧電体素子。
- 請求項１１から１３のいずれか記載の圧電体素子を有し、該圧電体素子を用いて液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- Ｓｉ基板上に、第一の電極層、強誘電体層、及び第二の電極層をこの順に有する強誘電体素子において、前記Ｓｉ基板と前記第一の電極層との間に、
組成式：ｘＡ2Ｏ3−（１−ｘ）ＢＯ2 （２）
（式中、ＡがＹ、Ｓｃを含む希土類元素のいずれか１種又は２種以上を含む元素を示し、ＢがＺｒを示し、ｘが０．０１０以上０．０３５以下の数値を示す。）で表されるエピタキシャル膜を有することを特徴とする強誘電体素子。 - 前記強誘電体層が、前記Ｓｉ基板に対して、（１１１）配向であることを特徴とする請求項１５記載の強誘電体素子。
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