JP5371329B2 - 圧電素子、および液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層体、圧電素子、および液体吐出装置に関し、詳しくは、基板と低抵抗金属層とを含む積層体、これを用いた圧電素子、この圧電素子を備えた液体吐出装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電膜と、圧電膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。インクジェット式記録ヘッドの具体的な構成としては、例えば、インク供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通したインク吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインクを圧縮することによりインク吐出口からインク液滴を吐出させる。

このようなインクジェット式記録ヘッドに使用される圧電素子は、通常、圧電体層と圧電体層を挟持する上部電極層と下部電極層との２つの電極層とで構成されている。下部電極層としては、低抵抗性や耐熱性が求められている。例えば、特許文献１に記載の圧電振動素子においては、この下部電極層材料として白金、金、銀、ロジウム、レニウム、オスミウム、イリジウムの何れか１つを主成分とすることが提案されている。また、特許文献２に記載の薄膜圧電素子においては、下部電極層に白金、イリジウム、パラジウム、ロジウムおよび金の少なくとも１つを含有させることが提案されている。これらの材料のなかでも、耐熱性などの観点から、金を主成分とすることが提案されている。

特開２００３−１５８３０９号公報 特表２００２−１６４５８６号公報

しかしながら、本発明者らが金からなる金層を含む金属層を下部電極層として使用し、検討を行ったところ、この金属層上に形成されるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体層の結晶配向性が影響を受け、所望の結晶相（ペロブスカイト結晶など）が得られず、かつ、圧電体層の表面形状が粗くなる場合があることを見出した。そのため、結果として、圧電素子としての性能のバラツキや、歩留まりの低下を招くという問題が生じる。引いては、表面凹凸によって電界集中が起こり圧電素子の耐久性の悪化をもたらし、これら圧電素子などのデバイスを用いるインクジェットヘッドなどの性能低下を招くことになる。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みて、低抵抗性で耐熱性に優れた低抵抗金属層と、この低抵抗金属層上に形成され、結晶配向性および均質性に優れ、かつ、表面粗さの小さい高品質な圧電体層とを備える積層体、この積層体を用いて得られる圧電素子、およびこの圧電素子を用いて高密度に配置でき、微少量の液滴であっても、正確かつ確実に安定して吐出することができる液体吐出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を行った結果、金（Ａｕ）からなる金層と圧電体層の間の厚みを制御することにより、表面粗さの小さい高品質な圧電体層が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板と、前記基板上に形成される積層構造の低抵抗金属層と、前記低抵抗金属層上に形成される圧電体層とを有する積層体であって、前記低抵抗金属層は、前記基板上に形成され、金からなる金層と、前記金層上に形成され、前記低抵抗金属層の最表層に配置される金属層とを備え、前記金層と前記圧電体層との間の厚みが、２００ｎｍより大きいことを特徴とする積層体を提供するものである。

また、さらに、前記金属層は、イリジウムまたは白金からなる金属層であることが好ましい。
また、前記低抵抗金属層は、さらに、前記金層と前記金属層との間に密着金属層を備えることが好ましい。
また、前記低抵抗金属層は、さらに、前記基板の側に前記金層と前記基板との間を密着させる密着金属層を備えることが好ましい。
また、前記密着金属層は、チタンタングステン合金であることが好ましい。

また、前記基板は、シリコン基板、または前記低抵抗金属層が形成される側に熱酸化膜を持つシリコン基板であることが好ましい。
また、前記低抵抗金属層のシート抵抗が、１Ω／□以下であることが好ましい。
また、前記圧電体層の上表面の平均表面粗さＲａが、４０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、前記低抵抗金属層の厚みが、２００〜２０００ｎｍであることが好ましい。

また、上記他の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、上記第１の態様の積層体と、この積層体上に形成される上部電極層とを備え、前記低抵抗金属層が下部電極層として機能することを特徴とする圧電素子を提供するものである。
また、前記圧電体層は、前記下部電極層を４００℃以上加熱して、その上に気相成長法を用いて形成された圧電体材料からなることが好ましい。
また、前記圧電体層は、ペロブスカイト型酸化物膜であることが好ましい。
また、前記圧電体層の上表面の平均表面粗さＲａが、前記圧電体層の厚みの１．０％以下であることが好ましい。

また、上記他の目的を達成するために、本発明の第３の態様は、上記第２の態様の圧電素子と、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記液体貯留室から外部に前記液体を吐出させる液体吐出口とを有することを特徴とする液体吐出装置を提供するものである。

本発明によれば、低抵抗性で耐熱性に優れた低抵抗金属層と、この低抵抗金属層上に形成され、結晶配向性および均質性に優れ、かつ、表面粗さの小さい高品質な圧電体層とを備える積層体、この積層体を用いて得られる圧電素子、およびこの圧電素子を用いて高密度に配置でき、微少量の液滴であっても、正確かつ確実に安定して吐出することができる液体吐出装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る積層体、このような積層体を備える圧電素子、およびこの圧電素子を用いた液体吐出装置について、図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の圧電素子の一実施形態の模式的断面図である。
同図に示す圧電素子１０は、本発明に係る積層体を用いるもので、基板１２、熱酸化膜１４、密着金属層１６、金層１８、密着金属層２０、金属層２２、圧電体層２４、上部電極層２６をこの順で積層した積層構造を有する。
なお、密着金属層１６、金層１８、密着金属層２０および金属層２２は、電極層、特に、下部電極層として用いられる低抵抗金属層２８を構成し、基板１２、熱酸化膜１４、低抵抗金属層２８および圧電体層２４は、本発明の積層体３０を構成する。
まず、低抵抗金属層２８、本発明の積層体３０、本発明の圧電素子１０を構成する各層について説明する。

基板１２は、低抵抗金属層２８、本発明の積層体３０、本発明の圧電素子１０の各層を積層し、かつ支持するためのものであり、低抵抗金属層２８を積層することができるものであれば、特に制限されず、半導体基板（シリコン基板、シリコンカーバイド基板など）、ガラス基板、ステンレス（ＳＵＳ）基板、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）基板、アルミナ基板、サファイア基板等の基板を挙げることができる。なかでも、耐熱性や加工性に優れる点から、シリコン基板、ステンレス基板などがより好ましく挙げられる。

熱酸化膜１４は、基板１２を酸化雰囲気中で加熱した場合に形成されるもので、例えば基板１２として主にシリコン基板が用いられた際に、低抵抗金属層２８が形成される側のシリコン基板の表面に形成される二酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜である。この熱酸化膜の膜厚は、特に制限されないが、１０〜３０００ｎｍが好ましく、１００〜５００ｎｍがより好ましい。
なお、熱酸化膜１４は、本発明の圧電素子１０および積層体３０においては、含まれていなくてもよい。

密着金属層１６は、基板１２、特に熱酸化膜１４が形成された基板１２と、その上層に形成される低抵抗金属層２８の金層１８との密着性を向上させるためのもので、基板１２、特に熱酸化膜１４とも金層１８とも密着性の良いものであれば、特に限定されず、例えば、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）合金、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金やそれらの酸化物、窒化物などが好ましく挙げられる。密着金属層の厚みとしては、１０〜６００ｎｍが好ましく、２０〜２００ｎｍがより好ましい。密着金属層１６を設けることにより、熱酸化膜１４と金層１８との密着性がより向上する。
なお、本発明の圧電素子１０および積層体３０においては、基板１２と金層１８との密着性がよければ、密着金属層１６は、設けられていなくてもよい。

金層１８は、基板１２上に熱酸化膜１４および密着金属層１６を介して形成されるもので、低抵抗金属層２８の主要部をなす低抵抗に寄与する部分であり、金（Ａｕ）からなる層である。金層の膜厚は、１００〜５００ｎｍが好ましく、２００〜４００ｎｍがより好ましい。上記範囲内であれば、シート抵抗の点で好ましい。

密着金属層２０は、金層１８と、その上層に形成される金属層２２との密着性を向上させるためのもので、金層１８とも金属層２２とも密着性の良いものであれば、特に限定されず、例えば、密着金属層１６と同様のものを用いることができる。なお、密着金属層２０の厚みとしては、密着金属層１６と同様の厚みとすることができる。このように、密着金属層２０を設けることにより、金層１８と金属層２２との密着性をより向上させることができる。
なお、本発明の圧電素子１０および積層体３０においては、金層１８と金属層２２との密着性がよければ、密着金属層２０は、密着金属層１６と同様に、設けられていなくてもよい。

金属層２２は、金層１８の上に密着金属層２０を介して形成され、基板１０と逆の側における低抵抗金属層２８の最表層に配置される。金属層２２は、低抵抗金属層２８が電極、特に下部電極として用いられる場合に、その上に積層される層の状態を、図示例では圧電体層２４の配向を好適に制御するために設けられるものである。
この金属層２２を構成する主成分金属としては、特に限定されず、低抵抗金属層２８上に形成される圧電体層２４の配向制御がより優れるという点で、イリジウム、白金が好ましく挙げられる。
金属層２２の厚みは、５０〜３００ｎｍが好ましく、１００〜２００ｎｍがより好ましい。上記範囲内であれば、配向を好適に制御可能な点で好ましい。

圧電体層２４は、本発明の圧電素子１０を構成する際に、本発明の積層体３０の低抵抗金属層２８が下部電極として用いられる場合に、低抵抗金属層２８上、詳しくは、金属層２２上に積層されるものである。
圧電体層２４としては、特に制限なく、１種または複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜（ペロブスカイト型酸化物膜）が好ましく挙げられる。ペロブスカイト型酸化物は、常誘電性を有するものでも、強誘電性を有するものでもよい。強誘電性を有するものは、圧電素子や強誘電メモリ等の強誘電素子等に好ましく利用できる。

ペロブスカイト型酸化物としてより具体的には、下記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物が好ましく挙げられる。
一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素原子。ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）

上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、および、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム等の非鉛含有化合物が挙げられる。圧電体層は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。

圧電体層２４としては、下記一般式（Ｐ−１）で表されるＰＺＴまたはそのＢサイト置換系、およびこれらの混晶系を好ましく適用できる。
Ｐｂ_ａ（Ｚｒ_ｂ１Ｔｉ_ｂ２Ｘ_ｂ３）Ｏ_３・・・（Ｐ−１）
（式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族およびＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ＝１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
上記一般式（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物は、ｄ＝０のときチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ｄ＞０のとき、ＰＺＴのＢサイトの一部をＶ族およびＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素であるＸで置換した酸化物である。
Ｘは、ＶＡ族、ＶＢ族、ＶＩＡ族、およびＶＩＢ族のいずれの金属元素でもよく、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，およびＷからなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。

後述するインクジェット式記録装置等の液体吐出装置への応用の観点から、圧電体層２４の上表面の平均表面粗さＲａが、４０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましく、特に１０ｎｍ以下が好ましい。
また、圧電体層の厚みとの関係においては、圧電体層２４の上表面の平均表面粗さＲａが、圧電体層の厚みの１．０％以下であることが好ましく、０．８％以下がより好ましく、特に０．５％以下が好ましい。なお、平均表面粗さＲａの下限は、小さければ小さいほどよく、０が好ましい。上記範囲内であれば、圧電素子としての利用の際に、表面凹凸による電界集中が抑制され、耐久性がより向上する点で好ましい。
なお、平均表面粗さＲａ（算術平均表面粗さＲａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４によりＲａの略号で表される値であり、表面粗さの値の平均線から絶対値偏差の平均値を表す。測定方法は、表面段差計により測定することができ、任意の点を３ヵ所以上を測定して求めた値である。

圧電体層２４の厚みは、特に制限なく、１〜１０μｍであることが好ましく、さらに２〜７μｍが好ましく、特に３〜５μｍが好ましい。上記範囲内であれば、後述する液体吐出装置での吐出力と吐出量の設計が容易であり好ましい。

なお、圧電体層２４は、後述するように成膜温度として４００℃以上で、金属層２２上に気相成長法を用いて形成された圧電体材料であることが好ましい。

上部電極層２６は、圧電体層２４上に積層され、下部電極層として機能する低抵抗金属層２８と共に、圧電体層２４を挟持し、圧電体層２４に通電するためのものである。
上部電極層２６の主成分としては、特に制限なく、例えば、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，およびＣｕ等の一般的な半導体プロセスで用いられている電極材料、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
上部電極層２６の厚みは、特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましく、１００〜２００ｎｍがより好ましい。

以上のような各層から構成される低抵抗金属層２８、本発明の積層体３０および圧電素子１０について説明する。

＜低抵抗金属層＞
低抵抗金属層２８は、図示例においては、密着金属層１６、金層１８、密着金属層２０および金属層２２から構成されるが、本発明はこれに限定されず、金からなる金層１８と、この金層１８上に形成され、低抵抗金属層２８の最表層に配置される金属層２２とを備えていればよい。低抵抗金属層２８の膜厚は、２００〜４０００ｎｍが好ましく、３００〜３０００ｎｍがより好ましい。上記範囲内であれば、適切なシート抵抗が得られる点で好ましい。

低抵抗金属層２８のシート抵抗は、後述する圧電素子への応用の観点から、１Ω／□以下が好ましく、０．５Ω／□以下がより好ましい。シート抵抗の測定方法としては四端子法を用いて行い、より詳しくはＪＩＳ Ｋ７１９４に準拠した方法で実施される。

圧電素子１０の駆動時の耐久性向上の点から、低抵抗金属層２８の上表面の平均表面粗さＲａが、５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましく、特に１０ｎｍ以下が好ましい。
なお、平均表面粗さＲａの下限は、小さければ小さいほどよく、０が好ましい。なお、平均表面粗さＲａ（算術平均表面粗さＲａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９４４によりＲａの略号で表される値であり、表面粗さの値の平均線から絶対値偏差の平均値を表す。測定方法は、表面段差計などにより測定することができ、任意の点を３ヵ所以上測定して求めた値である。

＜積層体＞
積層体３０は、図示例においては、基板１２、熱酸化膜１４、密着金属層１６、金層１８、密着金属層２０、金属層２２および圧電体層２４から構成されるが、本発明はこれに限定されず、基板と、この基板上に形成される積層構造の低抵抗金属層と、この低抵抗金属層上に形成される圧電体層とを備え、さらに、低抵抗金属層が金からなる金層と、金層上に形成され、低抵抗金属層の再表層に配置される金属層とを備え、金層と圧電体層との間の厚みが２００ｎｍより大きければよい。

積層体３０においては、金層１８と圧電体層２４との間の厚みが２００ｎｍより大きく、より好ましくは２５０ｎｍより大きく、さらに好ましくは３００ｎｍより大きい。金層１８と圧電体層２４との間の厚みが２００ｎｍより大きいと、圧電体層２４の結晶配向性や均質性などが向上すると共に、平均表面粗さＲａが小さくなり、この積層体を用いたデバイスの耐久性が向上する。

なお、図１においては、金層１８と圧電体層２４との間に密着金属層２０と金属層２２とが配置されているが、本発明の積層体３０ではこれに限定されず、金層１８と圧電体層２４との間の厚みが２００ｎｍより大きければ、さらに複数の金属層が配置されていてもよい。

積層体３０は、種々のデバイスの部材として使用することができる。例えば、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）、および圧力センサ、マイクロポンプ等に用いられる圧電素子に好ましく適用できる。

＜圧電素子＞
図１に示す圧電素子１０は、積層体３０中の低抵抗金属層２８が下部電極層として機能する電極基板と、この積層体３０中の低抵抗金属層２８上に形成される圧電体層２４と、この圧電体層２４上に形成される上部電極層２６とを有する。

本発明の圧電素子は、振動や圧力などの力が加わると電圧が発生し、また逆に下部電極層と上部電極層間に電圧が加えられると伸縮する素子である。圧電素子は、電圧の制御によって微妙に伸縮変化させることが可能であるため、インクジェットプリンタのインク射出機構や、アクチュエータなどのような制御機構において採用される。さらには、アナログ電子回路で発振回路の発振素子としても用いられる。

＜積層体および圧電素子の製造方法＞
本発明に係る積層体および圧電素子の各層は、気相成長法において成膜されたものが好ましく、その成膜方法としては、具体的には、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、およびプラズマＣＶＤ法などが挙げられる。

次に、本発明の積層体および圧電素子の各層を気相成長法によって成膜するために用いられるプラズマを用いる成膜装置の構成例について、図２に基づいて、スパッタリング法を実施するスパッタリング装置を代表例として説明する。図２は、ＲＦスパッタリング装置の一実施例の概略断面図である。

図２に示すように、本発明のスパッタ装置４０は、低抵抗金属層２８、圧電体層２４、上部電極層２６などを成膜するための、すなわち基板ＳＢ上にプラズマを用いた気相成長法（スパッタリング）により、低抵抗金属層２８、圧電体層２４、上部電極層２６などの薄膜を成膜し、圧電素子などの薄膜デバイスを製造するＲＦスパッタ装置であって、ガス導入管４２ａおよびガス排出管４２ｂを備える真空容器４２と、この真空容器４２内に設けられ、スパッタリング用のターゲット材ＴＧを保持し、プラズマを発生させるスパッタ電極（カソード電極）４４と、このスパッタ電極４４に接続され、スパッタ電極４４に高周波を印加する高周波電源４６と、真空容器４２内の、スパッタ電極４４と対向する位置に配置され、ターゲット材ＴＧの成分による薄膜が成膜される基板ＳＢを保持する基板ホルダ４８とを有する。

真空容器４２は、スパッタリングを行うために所定の真空度を維持する、鉄、ステンレス、アルミニウム等で形成される気密性の高い容器であって、図示例においては、接地され、その内部に成膜に必要なガスを導入するガス導入管４２ａおよび真空容器４２内のガスの排気を行うガス排出管４２ｂが取り付けられている。ガス導入管４２ａから真空容器４２内に導入されるガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、または、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガス等を用いることができる。ガス導入管４２ａは、これらのガスの供給源（図示せず）に接続されている。一方、ガス排出管４２ｂは、真空容器４２内を所定の真空度にすると共に、成膜中にこの所定の真空度に維持するために、真空容器４２内のガスを排気するため、真空ポンプ等の排気手段に接続されている。
なお、真空容器４２としては、スパッタ装置で利用される真空チャンバ、ベルジャー、真空槽などの種々の真空容器を用いることができる。

スパッタ電極４４は、真空容器４２の内部の上方に配置され、その表面上に成膜する圧電膜などの薄膜の組成に応じた組成のターゲット材ＴＧを装着し、保持するようになっており、高周波電源４６に接続されている。
高周波電源４６は、真空容器４２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化させるための高周波電力（負の高周波）をスパッタ電極４４に供給するためのものであり、その一方の端部がスパッタ電極４４に接続され、他方の端部が接地されている。なお、高周波電源４６がスパッタ電極４４に印加する高周波電力は、特に制限的ではなく、例えば１３．６５ＭＨｚ、最大５ｋＷ、あるいは、最大１ｋＷの高周波電力などを挙げることができるが、例えば５０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１ｋＷ〜１０ｋＷの高周波電力を用いるのが好ましい。

スパッタ電極４４は、高周波電源４６からの高周波電力（負の高周波）の印加により放電して、真空容器４２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化し、Ａｒイオン等のプラスイオンを生成させる。したがって、スパッタ電極４４は、カソード電極またはプラズマ電極と呼ぶこともできる。
こうして生成されたプラスイオンは、スパッタ電極４４に保持されたターゲット材ＴＧをスパッタする。このようにして、プラスイオンにスパッタされたターゲット材ＴＧの構成元素は、ターゲット材ＴＧから放出され、中性あるいはイオン化された状態で、対向離間配置された基板ホルダ４８に保持された基板ＳＢ上に蒸着される。
こうして、図２に点線で示すように、真空容器４２の内部にＡｒイオン等のプラスイオンやターゲット材ＴＧの構成元素やそのイオンなどを含むプラズマ空間Ｐが形成される。

基板ホルダ４８は、真空容器４２の内部の下方に、スパッタ電極４４と対向する位置に離間して配置され、スパッタ電極４４に保持されたターゲット材ＴＧの構成元素（成分）が蒸着され、圧電膜などの薄膜が成膜される基板ＳＢを保持、すなわち図中下面から支持するためのものである。なお、基板ホルダ４８は、図示しないが、基板ＳＢの成膜中に、基板ＳＢを所定温度に、加熱しかつ維持するためのヒータ（図示せず）を備えている。
ここで、本発明のスパッタ装置４０においては、その前提条件として、基板ＳＢが接地電位になっていないことが必須条件であり、基板ホルダ４８に保持される基板ＳＢが、接地電位になっていない構造である必要がある。すなわち、スパッタ装置４０では、基板ＳＢ、したがって、基板ホルダ４８の電位がフローティング電位となる構造である必要がある。
なお、基板ホルダ４８に装着される基板ＳＢのサイズは、特に制限的ではなく、通常の６インチサイズの基板であっても、５インチや、８インチのサイズの基板であってもよいし、５ｃｍ角のサイズの基板であってもよい。

また、スパッタ電極４４に保持されたターゲット材ＴＧと基板ホルダ４８に保持される基板ＳＢとの間の距離（ターゲット基板間距離）は、１０ｃｍ（１００ｍｍ）以下であるのが好ましく、より好ましくは８ｃｍ（８０ｍｍ）から６ｃｍ（６０ｍｍ）の間であることが良い。
なお、ターゲット材ＴＧと基板ＳＢとの距離の下限は、プラズマを発生させる放電が起これば、特に制限的ではないが、この距離があまり近いと放電が起こらなくなるので、２ｃｍ以上であるのが好ましい。
なお、このターゲット材ＴＧと基板ＳＢとの距離は、ターゲット材ＴＧおよび基板ＳＢの厚みが薄い場合には、スパッタ電極４４と基板ホルダ４８との間の距離で代表させることもできる。

本発明のスパッタ装置は、基本的に以上のように構成されるものであり、以下に、その作用および本発明のスパッタ方法について説明する。
図３は、本発明のスパッタ方法の一例を示すフローチャートである。
まず、図３に示すように、ステップＳ１０で、図２に示すスパッタ装置４０において、真空容器４２内に設けられたスパッタ電極４４にスパッタリング用のターゲット材ＴＧを装着して保持させるとともに、真空容器内において、スパッタ電極４４と対向する位置に離間して配置された基板ホルダ４８に圧電膜などの薄膜を成膜する基板を装着して保持させる。

この後、ステップＳ１２において、真空容器４２内が所定に真空度になるまでガス排出管４２ｂから排気し、所定の真空度を維持するように排気し続けながら、ガス導入管４２ａからアルゴンガス（Ａｒ）などのプラズマ用ガスを所定量づつ供給し続ける。これと同時に、ステップＳ１４において、高周波電源４６からスパッタ電極４４に高周波（負の高周波電力）を印加して、スパッタ電極４４を放電させて、真空容器４２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化し、Ａｒイオン等のプラスイオンを生成させ、プラズマ空間Ｐが形成される。
次いで、ステップＳ１６において、こうして形成されたプラズマ空間Ｐ内のプラスイオンは、スパッタ電極１４に保持されたターゲット材ＴＧをスパッタし、スパッタされたターゲット材ＴＧの構成元素は、ターゲット材ＴＧから放出され、中性あるいはイオン化された状態で、対向離間配置された基板ホルダ４８に保持された基板ＳＢ上に蒸着され、成膜が開始される。その結果、低抵抗金属層や圧電体層などの薄膜を成膜することができる（ステップＳ１８）。

次に、本発明のスパッタ方法による成膜方法において、好ましい成膜条件について説明する。
本発明のスパッタリングによる成膜方法における成膜条件は、成膜温度Ｔｓ（℃）と、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Ｖｓ（Ｖ）と基板のフローティング電位Ｖｆ（Ｖ）との差であるＶｓ−Ｖｆ（Ｖ）と、成膜される前記膜の特性との関係に基づいて決定されるのが好ましい。
ここで、前記関係が求められる前記膜の特性としては、膜の結晶構造および／または膜組成が挙げられる。

図４は、図２に示すスパッタ装置における成膜中の様子を模式的に示す図である。
図４に模式的に示すように、スパッタ電極４４の放電により真空容器４２内に導入されたガスがプラズマ化され、Ａｒイオン等のプラスイオンＩｐが生成し、スパッタ電極４４と基板ホルダ４８との間、すなわち、スパッタ電極４４に保持されたターゲット材ＴＧと基板ホルダ４８に保持された基板ＳＢとの間にプラズマ空間Ｐが生成される。生成したプラスイオンＩｐはターゲット材ＴＧをスパッタする。プラスイオンＩｐにスパッタされたターゲット材ＴＧの構成元素Ｔｐは、ターゲット材ＴＧから放出され中性あるいはイオン化された状態で基板ＳＢに蒸着される。

プラズマ空間Ｐの電位は、プラズマ電位Ｖｓ（Ｖ）となる。本発明では、通常、基板ＳＢは、絶縁体であり、かつ、電気的にアースから絶縁されている。したがって、基板ＳＢはフローティング状態にあり、その電位はフローティング電位Ｖｆ（Ｖ）となる。ターゲット材ＴＧと基板ＳＢとの間にあるターゲット材ＴＧの構成元素Ｔｐは、プラズマ空間Ｐの電位と基板ＳＢの電位との電位差Ｖｓ−Ｖｆの加速電圧分の運動エネルギーを持って、成膜中の基板ＳＢに衝突すると考えられる。

プラズマ電位Ｖｓおよびフローティング電位Ｖｆは、ラングミュアプローブを用いて測定することができる。プラズマＰ中にラングミュアプローブの先端を挿入し、プローブに印加する電圧を変化させると、例えば、図５に示すような電流電圧特性が得られる（小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」ｐ.90、日刊工業新聞社発行）。この図５では、電流が０となるプローブ電位がフローティング電位Ｖｆである。この状態は、プローブ表面へのイオン電流と電子電流の流入量が等しくなる点である。絶縁状態にある金属の表面や基板表面はこの電位になっている。プローブ電圧をフローティング電位Ｖｆより高くしていくと、イオン電流は次第に減少し、プローブに到達するのは電子電流だけとなる。この境界の電圧がプラズマ電位Ｖｓである。
プラズマ空間Ｐと基板ＳＢとの電位差Ｖｓ−Ｖｆは、基板ＳＢとターゲット材ＴＧとの間にアースを設置するなどして変えることもできる。

プラズマを用いるスパッタリングにおいて、成膜される膜の特性を左右するファクタとしては、成膜温度、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、基板の表面エネルギー、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電極、基板／ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度および電子密度、プラズマ中の活性種密度および活性種の寿命等が考えられる。
本発明者等は、圧電体層の作製に関して、多々ある成膜ファクタの中で、成膜される膜の特性は、成膜温度Ｔｓと電位差Ｖｓ−Ｖｆとの２つのファクタに大きく依存することを見出し、これらファクタを好適化することにより、良質な膜を成膜できることを見出している。すなわち、成膜温度Ｔｓを横軸にし、電位差Ｖｓ−Ｖｆを縦軸にして、膜の特性をプロットすると、ある範囲内において良質な膜を成膜できることを見出している（図６参照）。

電位差Ｖｓ−Ｖｆが基板ＳＢに衝突するターゲット材ＴＧの構成元素Ｔｐの運動エネルギーに相関することを述べた。下記式に示すように、一般に運動エネルギーＥは温度Ｔの関数で表されるので、基板ＳＢに対して、電位差Ｖｓ−Ｖｆは温度と同様の効果を持つと考えられる。
Ｅ＝１／２ｍｖ^２＝３／２ｋＴ
（式中、ｍは質量、ｖは速度、ｋは定数、Ｔは絶対温度である。）
電位差Ｖｓ−Ｖｆは、温度と同様の効果以外にも、表面マイグレーションの促進効果、弱結合部分のエッチング効果などの効果を持つと考えられる。

特開２００４−１１９７０３号公報には、スパッタリング法により圧電膜を成膜する際に、圧電膜にかかる引張応力を緩和するために、基板にバイアスを印加することが提案されている。基板にバイアスを印加することは、基板に突入するターゲットの構成元素のエネルギー量を変えていることになる。しかしながら、特開２００４−１１９７０３号公報には、プラズマ電位Ｖｓ、およびプラズマ電位Ｖｓとフローティング電位Ｖｆとの差である電位差Ｖｓ−Ｖｆについて記載されていない。

通常、従来のスパッタ装置などの成膜装置では、プラズマ空間Ｐと基板ＳＢとの電位差Ｖｓ−Ｖｆは、装置の構造によってほぼ決まり、大きく変えることができないので、従来は、電位差Ｖｓ−Ｖｆを変えるという発想自体がほとんどなかった。スパッタ方法ではないが、特開平１０−６０６５３号公報に、アモルファスシリコン膜等を高周波プラズマＣＶＤ法により成膜する成膜方法において、電位差Ｖｓ−Ｖｆを特定の範囲内に制御する成膜方法が開示されている。この発明では、電位差Ｖｓ−Ｖｆが基板面上で不均一になることを解消するために、電位差Ｖｓ−Ｖｆを特定の範囲内に制御するようにしている。しかしながら、説く開平１０−６０６５３号公報には、成膜温度ＴｓとＶｓ−Ｖｆと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定することについては記載されていない。

この成膜方法は、スパッタ方法を始めとして、プラズマを用いる気相成長法により成膜することが可能なものであれば、いかなる膜にも適用することができる。

本発明に係る積層体中の低抵抗金属層、圧電体層は、上記のスパッタ方法などによる成膜方法によって作製することができる。例えば、金層の場合は、ターゲット材として金を用いることにより所望の金層を得ることができる。
なお、低抵抗金属層に含まれる密着金属層や金属層なども、所望のターゲット材を用いて上記のスパッタ方法により作製することができる。
また、圧電体層の上に形成される上部電極層も、上記のスパッタ方法による成膜方法などによって作製することができる。

上記のスパッタ方法による成膜方法は、圧電体層の成膜にも好ましく適用することができる。特に、上記一般式（Ｐ）で表される１種または複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜に適用する場合、下記式（１）および（２）を充足する範囲で成膜条件を決定することが好ましいことを見出している（図６参照）。
一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏ：酸素原子。ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）、
Ｔｓ（℃）≧４００・・・（１）、
−０．２Ｔｓ＋１００＜Ｖｓ−Ｖｆ（Ｖ）＜−０．２Ｔｓ＋１３０・・・（２）

本発明者等は、上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、上記式（１）を充足しないＴｓ（℃）＜４００の成膜条件では、成膜温度が低すぎてペロブスカイト結晶が良好に成長せず、パイロクロア相がメインの膜が成膜されることを見出している（図６参照）。
本発明者等は、さらに、上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、上記式（１）を充足するＴｓ（℃）≧４００の条件では、成膜温度Ｔｓと電位差Ｖｓ−Ｖｆが上記式（２）を充足する範囲で成膜条件を決定することで、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかも、Ｐｂ抜けを安定的に抑制することができ、結晶構造および膜組成が良好な良質な圧電膜を安定的に成膜することができることを見出している（図６参照）。

ＰＺＴのスパッタ成膜において、高温成膜するとＰｂ抜けが起こりやすくなることが知られている（特開平６−４９６３８号公報の図２等参照）。本発明者等は、Ｐｂ抜けが、成膜温度以外に電位差Ｖｓ−Ｖｆにも依存することを見出している。ＰＺＴの構成元素であるＰｂ，Ｚｒ，およびＴｉの中で、Ｐｂが最もスパッタ率が大きく、スパッタされやすい。例えば、「真空ハンドブック」（（株）アルバック編、オーム社発行）の表８.１.７には、Ａｒイオン３００ｅｖの条件におけるスパッタ率は、Ｐｂ＝０．７５、Ｚｒ＝０．４８，Ｔｉ＝０．６５であることが記載されている。スパッタされやすいということは、スパッタされた原子が基板面に付着した後に、再スパッタされやすいということである。プラズマ電位と基板の電位との差が大きい程、すなわち、Ｖｓ−Ｖｆの差が大きい程、再スパッタの率が高くなり、Ｐｂ抜けが生じやすくなると考えられる。このことは、ＰＺＴ以外のＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物でも、同様である。また、スパッタリング法以外のプラズマを用いる気相成長法でも同様である。

成膜温度Ｔｓと電位差Ｖｓ−Ｖｆがいずれも過小の条件では、ペロブスカイト結晶を良好に成長させることができない傾向にある。また、成膜温度Ｔｓと電位差Ｖｓ−Ｖｆのうち少なくとも一方が過大の条件では、Ｐｂ抜けが生じやすくなる傾向にある。
すなわち、上記式（１）を充足するＴｓ（℃）≧４００の条件では、成膜温度Ｔｓが相対的に低い条件のときには、ペロブスカイト結晶を良好に成長させるために電位差Ｖｓ−Ｖｆを相対的に高くする必要があり、成膜温度Ｔｓが相対的に高い条件のときには、Ｐｂ抜けを抑制するために、電位差Ｖｓ−Ｖｆを相対的に低くする必要がある。これを表したのが、上記式（２）である。

本発明者等は、上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、下記式（１）〜（３）を充足する範囲で成膜条件を決定することで、圧電定数の高い圧電膜が得られることを見出している。
Ｔｓ（℃）≧４００・・・（１）、
−０．２Ｔｓ＋１００＜Ｖｓ−Ｖｆ（Ｖ）＜−０．２Ｔｓ＋１３０・・・（２）、
１０≦Ｖｓ−Ｖｆ（Ｖ）≦３５・・・（３）

本発明者等は、上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を成膜する場合、成膜温度Ｔｓ（℃）＝約４２０の条件では、電位差Ｖｓ−Ｖｆ（Ｖ）＝約４２Ｖとすることで、Ｐｂ抜けのないペロブスカイト結晶を成長させることができるが、得られる膜の圧電定数ｄ_３１は、１００ｐｍ／Ｖ程度と低いことを見出している。この条件では、電位差Ｖｓ−Ｖｆ、すなわち基板に衝突するターゲット材ＴＧの構成元素Ｔｐのエネルギーが高すぎるために、膜に欠陥が生じやすく、圧電定数が低下すると考えられる。本発明者等は、上記式（１）〜（３）を充足する範囲で成膜条件を決定することで、圧電定数ｄ_３１≧１３０ｐｍ／Ｖの圧電膜を成膜できることを見出している。

上記のスパッタ方法等のプラズマを用いる気相成長法において、膜特性に対して影響を与えるファクタが、成膜温度Ｔｓ（℃）、および、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Ｖｓ（Ｖ）とフローティング電位Ｖｆ（Ｖ）との差である電位差Ｖｓ−Ｖｆ（Ｖ）である。
上記の成膜方法によれば、膜特性に対して影響を与える上記２つのファクタと成膜される膜の特性との関係に基づいて、成膜条件を決定する構成としているので、スパッタ方法等のプラズマを用いる気相成長法により良質な膜を安定的に成膜することができる。
本発明の成膜方法を採用することで、装置条件が変わっても良質な膜を成膜できる条件を容易に見出すことができ、良質な膜を安定的に成膜することができる。

上記のスパッタ方法による成膜方法は、上述のように圧電体層の成膜等に好ましく適用することができる。特に、ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることが可能となる。さらに、ＰＺＴ等のＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体層の成膜において、パイロクロア相の少ないペロブスカイト結晶を安定的に成長させることができ、しかもＰｂ抜けを安定的に抑制することが可能となる。

＜圧電素子およびこれを備えた液体吐出装置＞
次に、本発明に係る圧電素子およびこれを備えた液体吐出装置の構造について説明する。以下に、本発明の液体吐出装置の一実施形態であるインクジェットヘッドについて説明する。図７は、本発明の圧電素子の一実施形態を用いたインクジェットヘッドの一実施形態の要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は、実際のものとは適宜異ならせてある。
図７に示すように、本発明のインクジェットヘッド５０は、本発明の圧電素子５２と、インク貯留吐出部材５４と、圧電素子５２とインク貯留吐出部材５４との間に設けられる振動板５６を有する。
まず、本発明の圧電素子について説明する。同図に示すように、圧電素子５２は、基板５８と、基板５８上に順次積層された下部電極層６０、圧電体層６２および上部電極層６４とからなる素子であり、圧電体層６２に対して、下部電極層６０と上部電極層６４とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

また、下部電極層６０は、基板５８の略全面に形成されており、この上に図中手前側から奥側に延びるライン状の凸部６２ａがストライプ状に配列したパターンの圧電体層６２が形成され、各凸部６２ａの上に上部電極層６４が形成されている。
圧電体層６２のパターンは、図示するものに限定されず、適宜設計される。なお、圧電体層６２は、連続膜でも構わないが、圧電体層６２を、連続膜ではなく、互いに分離した複数の凸部６２ａからなるパターンで形成することで、個々の凸部６２ａの伸縮がスムーズに起こるので、より大きな変位量が得られ、好ましい。

図７に示すインクジェットヘッド５０は、概略、上記構成の圧電素子５２の基板５８の下面に、振動板５６を介して、インクが貯留されるインク室（インク貯留室）６８およびインク室６８から外部にインクが吐出されるインク吐出口（ノズル）７０を有するインク貯留吐出部材５４が取り付けられたものである。インク室６８は、圧電体層６２の凸部６２ａの数およびパターンに対応して、複数設けられている。すなわち、インクジェットヘッド５０は、複数の吐出部を有し、圧電体層６２、上部電極層６４、インク室６８およびインクノズル７０は、各吐出部毎に設けられている。一方、下部電極層６０、基板５８および振動板５６は、複数の吐出部に共通に設けられているが、これに制限されず、個々に、または幾かずつまとめて設けられていても良い。
インクジェットヘッド５０では、後述する好ましい駆動方法により、または従来公知の駆動方法により、圧電素子５２の凸部６２ａに印加する電界強度を凸部６２ａ毎に増減させてこれを伸縮させ、これによってインク室６８からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
本発明の実施形態の圧電素子およびこれを用いるインクジェットヘッドは、基本的に以上のように構成されている。

次に、図８〜図１１を参照して、本発明のインクジェットヘッドに適用される駆動方法について説明する。なお、本発明のインクジェットヘッドは、以下に説明する駆動方法により駆動するのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、従来公知の駆動方法により駆動されても良いのはもちろんである。
ここで、図８は、インクジェットヘッドを駆動するための両極性波形の一例を示すグラフである。図９は、インクジェットヘッドを駆動するための単極性波形の一例を示すグラフである。図１０は、多数の多パルス波形を含むドライブシグナルの電圧と時間との関係の一例を示すグラフである。図１１（Ａ）〜（Ｅ）は、多パルス波形に応じた吐出部のオリフィスからのインクの吐出状態の一例を示す概略図である。

本発明に適用される駆動方法は、従来のように、１つの駆動パルスで、所定サイズのオリフィスから所望の体積の１つの液滴を吐出するのではなく、複数の駆動パルスでより小さいサイズのオリフィスから同様の体積の液滴を吐出することを可能にするものである。
すなわち、このインクジェットヘッドの駆動方法は、２以上のドライブパルスを含む多パルス波形を圧電素子に与えて、インクジェットヘッドの１つの吐出部から、一つ、すなわち単一のインク液滴を吐出させるもので、ドライブパルスの周波数としてインクジェットヘッド（吐出部）の固有周波数ｆｊより大きい周波数を用いるものである。

本駆動方法で用いられる多パルス波形の一例を図８に示す。図８は、多パルス波形を４つのドライブパルスから構成した例であるが、２つまたは３つのドライブパルスから構成しても良いし、５つ以上のドライブパルスから構成しても良い。なお、図８は、各ドライブパルスが正規化電圧（Ｖ／Ｖmax）と正規化時間とで表される両極性波形からなる例である。
ここで、ドライブパルスの周波数は、吐出部の固有周波数ｆｊより高い方が良いが、例えば、好ましくは、１.３ ｆｊ 以上、より好ましくは、１.５ ｆｊ 以上、さらに好ましくは、１.５ ｆｊ以上、２.５ ｆｊ以下、さらにより好ましくは、１.８ ｆｊ 以上、２.２の ｆｊ 以下であるのが良い。

また、これらの複数のドライブパルスは、同一のパルス周期をパルスでも良いし、異なるパルス周期を持つパルスであっても良い。
さらに、これらの複数のドライブパルスは、図８に示すように、マイナス（−）側成分Ｓｐおよびプラス（＋）側成分Ｓｍからなる双極性パルスからなるものでも良いし、図９に示すように、プラス（＋）側成分だけからなる単極性パルスからなるものでも良いし、マイナス（−）側成分だけからなる単極性パルス、あるいは両単極性パルス、あるいはさらに双極性パルスを含む混合パルスからなるものでも良い。なお、ドライブパルスの周期ｔｐは、同一であっても、異なっていても良い。
また、各ドライブパルスの振幅は、吐出部に印加される最大または最小の電圧に相当する振幅を持つが、実質的に同一であっても、異なっていても良いが、次のドライブパルスの振幅は、より前のドライブパルスの振幅より大きいことが好ましい。

また、好ましい駆動方法においては、複数パルスに応じて液滴吐出装置に単一液滴を吐出させるために、それぞれが２０μ秒以下の周期を持つ１以上のパルスを有する波形を用いるのが良い。ここで、１以上のパルスは、それぞれが１２μ秒以下の周期を持つのが好ましく、より好ましくは、１０μ秒以下の周期を持つのが良い。
また、２以上のパルスに応じて液滴吐出装置に流体の単一液滴を吐出させるために、それぞれが約２５μ秒以下の周期を持つ２以上のパルスを有する多パルス波形を用いても良い。ここで、２以上のパルスは、それぞれが１２μ秒以下の周期を持つのが好ましく、より好ましくは８μ秒以下の周期、さらに好ましくは、５μ秒以下の周期を持つのが良い。
また、液滴は、１ピコリットルと１００ ピコリットルの間の量を持つのが好ましい。

上記駆動方法において、吐出部の固有周波数ｆｊ における複数のドライブパルスの高調波成分は、最大成分の周波数ｆmaxにおける複数のドライブパルスの高調波成分の５０％以下であるのが好ましく、より好ましくは２５％以下、さらに好ましくは１０％以下であるのが良い。
上記駆動方法において、液滴の量の少なくとも６０％は、ｒが下記式で与えられる、完全に球形の液滴の半径に相当し、ｍ_dが液滴の質量であり、ρが流体の密度であるとき、液滴における点の半径ｒ内に含まれるのが良い。

ここで、液滴は、少なくとも４ｍｓ^−１の速度を持つのが好ましく、より好ましくは少なくとも６ｍｓ^−１の速度、さらに好ましくは８ｍｓ^−１の速度を持つのが良く、液滴の量の少なくとも８０％は液滴の上述した球内に含まれるのが好ましく、より好ましくは、液滴の質量の少なくとも９０％が含まれるのが良い。

また、この駆動方法においては、多パルス波形を連続パルスから構成しても良いが、不連続なパルスを含んでいても良い。
また、インクジェットヘッドを使ってプリントしている間に、多数の液滴が、多数の多パルス波形で吐出部を駆動することによって、各吐出部から吐出される。図９に示されるように、多パルス波形２１０および２２０には、それぞれ遅延期間２１２および２２２が続き、多パルス波形２１０および２２０が分離される。１つの液滴が、多パルス波形２１０に応じて吐出され、もう１つの液滴が、多パルス波形２２０に応じて吐出される。ここで、多パルス波形２１０および２２０は、図８に示すような４つのドライブパルスからなるものであるが、３以下のドライブパルスからなるものでも５以上のドライブパルスからなるものでも良いが、遅延期間２１２および２２２は、多パルス波形２１０および２２０の各全期間（４つの全ドライブパルスの合計の時間）より長く、１つの多パルス波形の全期間の２倍以上であるのが好ましく、特に、２以上の整数倍とするのが良い。

本駆動方法における複数のドライブパルスからなる多パルス波形による単一のインク液滴の成長および吐出について説明する。
図１１（Ａ）〜（Ｅ）は、多パルス波形による単一のインク液滴の成長および吐出を示す模式図である。
これらの図に示すように、複数のドライブパルスからなる多パルス波形に応じて吐出部から吐出されるべき単一のインク液滴の体積は、順次の次のドライブパルスで増加してゆき、最後に、分離されて、単一のインク液滴として吐出される。
まず、初めに、すなわち、最初のドライブパルスの印加前に、インク室６８（図７参照）内のインクは、内部圧力によりノズル７０のオリフィス７２からわずかに後退して曲がっているメニスカス７４を形成する（図１１（Ａ）参照）。

オリフィス７２が円形である場合には、Ｄは、オリフィス直径である。 ここで、直径Ｄは、インクジェットデザインと液滴サイズの必要条件に応じて決めることができる。例えば、直径Ｄは、およそ１０μｍと２００μｍの間、好ましくはおよそ２０μｍと５０μｍの間とすることができる。 最初のパルスは、オリフィス７２から最初の所定体積のインクを押し出し、インク表面８０をノズル７０から少し突き出させる（図１１（Ｂ）参照）。
最初の吐出液滴部分が分離するか、または収縮する前に、第２番目のパルスが、所定体積のインクをノズル７０から押し出し、ノズル７０から突き出ているインクに付加する。こうして、ノズル７０から突き出ているインクの体積が増加し、インク液滴が成長する。第２番目および第３番目のパルスからのインクは、図１１（Ｃ）および（Ｄ）に示されるように、それぞれ、インク液滴の体積を増やし、かつモーメントを付加する。このようにして、連続したドライブパルスによるインクの体積は増加し、図１１（Ｃ）および図１１（Ｄ）に示されるように、オリフィス７２に形成されつつある液滴に膨らみを持たせる。

最終的には、ノズル７０は、第４番目のドライブパルスによって一つ、すなわち単一のインク液滴８４を吐出し、メニスカス７４は、その初期位置（図１１（Ｅ）および（Ａ）参照）に戻る。図１１（Ｅ）は、また、ノズル７０にインク液滴の頭部に接続する非常に薄いテール（尾引き）を示している。 このテールのサイズは、従来の公知の単一のパルスおよびより大きいノズルを使って形成された液滴に対するテールより実質的に小さい。
すなわち、この駆動方法を適用することにより、同一の単一のインク液滴を吐出される場合、従来公知の単一のパルスによりインク液滴を吐出するためのノズルのサイズ、例えば、オリフィスの直径を実質的に小さくできる。例えば、４ドライブパルスからなる多パルス波形を用いる場合には、ノズルのサイズを従来の１／４程度にすることができる。そして、この駆動方法では、吐出インク液滴のテールを極めて小さくすることができる。こうして、この駆動方法では、インク液滴の「テール（尾引き）」に起因するサテライトやスプラッシュなどの微小分離液滴の発生を防止することができる。
本発明のインクジェットヘッドに適用される駆動方法は、基本的に以上のように構成される。

次に、本発明に係るインクジェットヘッドを備えるインクジェット式記録装置の構造について説明する。図１２は、本発明のインクジェットヘッドを備えるインクジェット式記録装置の一実施形態の全体構成を示す装置全体図であり、図１３は、その部分上面図である。
図示例のインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェットヘッド（以下、単に「ヘッド」という）５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙが、各々上記実施形態のインクジェットヘッド５０（図７参照）である。
デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図１２に示すように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、この固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面および印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。
ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面および印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示せず）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は、図１２において時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は、図１２において左から右へと搬送される。
なお、縁無しプリント等を印字すると、ベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
また、吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを、紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図１３参照）。各印字ヘッド５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ、各ヘッド５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙから、それぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
本実施形態のインクジェット記記録装置は、基本的に以上のように構成されている。

以上、本発明に係る積層体、ならびにこの積層体を用いた圧電素子などの薄膜デバイス、インクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置について種々の実施形態および実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や設計の変更を行ってもよいのは、もちろんである。

以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

＜実施例１＞
図２に示すスパッタ装置４０として、神港精機社製ＳＴＶ４３２０型スパッタ装置を用いた。本スパッタ装置４０では、基板ホルダ４８は、接地あるいはフローティング状態ともに選択できるものであった。高周波電源４６は、最大１ｋＷの高周波電力を印加できるものを用いた。なお、後述するターゲット材は、株式会社豊島製作所のものを用いた。

基板ＳＢには、予め、Ｓｉウエハ上に、熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）１００ｎｍを形成した、基板サイズ５ｃｍ角の基板を用いた。
ターゲット材ＴＧと基板ＳＢとの間の距離は、６０ｍｍとした。以後、同じ距離で成膜を実施した。
ターゲット材ＴＧには、ＴｉＷ合金（Ｗ:１０モル％）を用い、基板温度を３５０℃として、Ａｒ（１００％）のガスを導入し、０．９ＰａにてＴｉＷ層（密着金属層）（厚み：２０ｎｍ）の成膜を行った。

次に、ターゲット材ＴＧとしてＡｕ金属を用い、ＴｉＷ層を有するＳｉウエハ上に金層（厚み：３００ｎｍ）を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を３５０℃として、Ａｒ（１００％）のガスを導入し、０．１Ｐａにて実施した。

さらに、得られた金層の上に、上記と同様の条件で、ＴｉＷ層（密着金属層）（厚み：２０ｎｍ）の成膜を行った。

さらに、ターゲットＴＧとしてＩｒ金属を用いて、密着金属層の上にイリジウム層（厚み：２００ｎｍ）を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を３５０℃として、Ａｒ（１００％）のガスを導入し、０．１Ｐａにて実施した。

Ｓｉウエハ上に形成された密着金属層と、金層と、密着金属層と、イリジウム層からなる低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．１８Ω／□であった。測定方法としては、四端子法である。以後、同様の方法により測定を行った。
また、最表層がイリジウム層である低抵抗金属層の平均表面粗さＲａは、１３ｎｍであった。なお、測定方法としては、表面段差計による測定である。以後、同様の方法により測定を行った。

上記の低抵抗金属層上に、ターゲットＴＧとしてＰｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３を用いて、ＰＺＴからなる圧電体層（厚み：４μｍ）を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を４７５℃として、Ａｒ（体積分率９７．５％）＋Ｏ_２（体積分率２．５％）のガスを導入し、０．５Ｐａにて実施した。圧電体層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実施したところ、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶の形成が示された（図１４）。

圧電体層を作製後、低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．５Ω／□であった。
また、圧電体層の平均表面粗さＲａは３８ｎｍであった。圧電体層の平均表面粗さＲａの値は、圧電体層の厚みに対して、０．９５％であった。

＜実施例２＞
実施例１と同様の方法で、熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜、厚み：１００ｎｍ）を備えるＳｉウエハ上に、ＴｉＷ層（厚み：１００ｎｍ）、金層（厚み：３００ｎｍ）、ＴｉＷ層（厚み：１００ｎｍ）、イリジウム層（厚み：１５０ｎｍ）をこの順番で積層させた。
Ｓｉウエハ上に形成された、密着金属層と、金層と、密着金属層と、イリジウム層とからなる低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．１７Ω／□であった。
また、最表層がイリジウム層である低抵抗金属層の平均表面粗さＲａは、１１ｎｍであった。

上記の低抵抗金属層上に、ターゲットＴＧとしてＰｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３を用いて、ＰＺＴからなる圧電体層（厚み：４μｍ）を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を４７５℃として、Ａｒ（体積分率９７．５％）＋Ｏ_２（体積分率２．５％）のガスを導入し、０．５Ｐａにて実施した。圧電体層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実施したところ、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶の形成が示された（図１５）。

圧電体層を作製後、低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．５５Ω／□であった。
また、圧電体層の平均表面粗さＲａは２０ｎｍであった。圧電体層の平均表面粗さＲａの値は、圧電体層の厚みに対して、０．５％であった。

＜実施例３＞
実施例１と同様の方法で、熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜、厚み：１００ｎｍ）を備えたＳｉウエハ上に、ＴｉＷ層（厚み：２０ｎｍ）、金層（厚み：３００ｎｍ）、ＴｉＷ層（厚み：２０ｎｍ）、イリジウム層（厚み：３００ｎｍ）をこの順番で積層させた。
Ｓｉウエハ上に形成された、密着金属層と、金層と、密着金属層と、イリジウム層とからなる低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．１４Ω／□であった。
また、最表層がイリジウム層である低抵抗金属層の平均表面粗さＲａは、２０ｎｍであった。

上記の低抵抗金属層上に、ターゲットＴＧとしてＰｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３を用いて、ＰＺＴからなる圧電体層（厚み：４μｍ）を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を４７５℃として、Ａｒ（体積分率９７．５％）＋Ｏ_２（体積分率２．５％）のガスを導入し、０．５Ｐａにて実施した。圧電体層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実施したところ、結晶配向性を有するペロブスカイト結晶の形成が示された（図１６）。

圧電体層を作製後、低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．５Ω／□であった。
また、圧電体層の平均表面粗さＲａは２５ｎｍであった。圧電体層の平均表面粗さＲａの値は、圧電体層の厚みに対して、０．６２５％であった。

＜比較例１＞
実施例１と同様の方法により、熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜、厚み：１００ｎｍ）を備えたＳｉウエハ上に、ＴｉＷ層（厚み：２０ｎｍ）、金層（厚み：３００ｎｍ）、ＴｉＷ層（厚み：２０ｎｍ）をこの順番で積層させた。

Ｓｉウエハ上に形成された、密着金属層と、金層と、密着金属層と、イリジウム層からなる低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．２Ω／□であった。

さらに、実施例１と同様の条件で、低抵抗金属層の上に圧電体層を形成した（厚み：４μｍ）。圧電体層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実施したところ、パイロクロア相の形成が示された（図１７）。

圧電体層を作製後、低抵抗金属層のシート抵抗を測定したところ、０．７Ω／□であった。
また、圧電体層の平均表面粗さＲａは４８ｎｍであり、実施例１と比較して表面凹凸が激しく、クラックが発生していた。なお、圧電体層の平均表面粗さＲａは、圧電体層の厚みに対して、１．２％であった。

本発明に係る積層体は、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）、および圧力センサ等に用いられる圧電素子などに好ましく適用できる。

本発明に係る圧電素子の一実施形態の模式的断面図である。 スパッタ方法を実施するスパッタ装置の装置構を示す概略断面図である。 スパッタ方法の一例を示すフローチャートである。 図２に示すスパッタ装置における成膜中の様子を模式的に示す模式図である。 スパッタ装置におけるプラズマ電位Ｖｓおよびフローティング電位Ｖｆの測定方法を示す説明図である。 任意の条件で成膜したサンプルについて、成膜温度Ｔｓを横軸にし、Ｖｓを縦軸にして、ＸＲＤ測定結果をプロットした図である。 本発明の圧電素子およびこれを用いるインクジェットヘッドの一実施形態の構造を示す断面図である。 図７に示すインクジェットヘッドを駆動するための両極性波形の一例を示すグラフである。 図７に示すインクジェットヘッドを駆動するための単極性波形の一例を示すグラフである。 多数の多パルス波形を含むドライブシグナルの電圧と時間との関係の一例を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｅ）は、多パルス波形に応じた吐出部のオリフィスからのインクの吐出状態の一例を示す概略図である。 図７に示すインクジェットヘッドを備えるインクジェット式記録装置の一実施形態の構成を示す構成図である。 図１２に示すインクジェット式記録装置の部分上面図である。 実施例１で得られた主な圧電体層のＸＲＤパターンである。 実施例２で得られた主な圧電体層のＸＲＤパターンである。 実施例３で得られた主な圧電体層のＸＲＤパターンである。 比較例１で得られた主な圧電体層のＸＲＤパターンである。

符号の説明

１０ 圧電素子
１２ 基板
１４ 熱酸化膜
１６ 密着金属層
１８ 金層
２０ 密着金属層
２２ 金属層
２４ 圧電体層
２６ 上部電極層
２８ 低抵抗金属層
３０ 積層体
４０ スパッタ装置
４２ 真空容器
４２ａ ガス導入管
４２ｂ ガス排出管
４４ スパッタ電極（カソード電極）
４６ 高周波電源
４８ 基板ホルダ
５０、５０Ｋ，５０Ｃ，５０Ｍ，５０Ｙ インクジェットヘッド
５２ 圧電素子
５４ インク貯留吐出部材
５６ 振動板
５８ 基板（支持基板）
６０、６４ 電極
６２ 圧電体層
６８ インク室
７０ インク吐出口
１００ インクジェット式記録装置
ＩＰ プラスイオン
Ｐ プラズマ空間
ＳＢ 基板（成膜基板）
ＴＧ ターゲット材
Ｔｐ ターゲット材の構成元素

Claims (10)

1. 基板と、前記基板上に形成される積層構造の低抵抗金属層と、前記低抵抗金属層上に形成される圧電体層とを有する積層体であり、
   前記低抵抗金属層は、前記基板上に形成され、金からなる金層と、前記金層上に形成され、前記低抵抗金属層の最表層に配置される金属層とを備え、
   前記金層と前記圧電体層との間の厚みが、２００ｎｍより大きく、
   前記金属層は、イリジウムからなる金属層であり、
   前記低抵抗金属層は、さらに、前記基板の側に前記金層と前記基板との間を密着させる密着金属層を備え、
   前記低抵抗金属層の上表面の平均表面粗さＲａが５０ｎｍ以下である、積層体と、
   前記積層体上に形成される上部電極層とを備え、
   前記圧電体層は、ペロブスカイト型酸化物膜であり、
   前記低抵抗金属層が下部電極層として機能することを特徴とする圧電素子。
2. 前記低抵抗金属層は、さらに、前記金層と前記金属層との間に密着金属層を備える請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記密着金属層は、チタンタングステン合金である請求項１または２に記載の圧電素子。
4. 前記基板は、シリコン基板、または前記低抵抗金属層が形成される側に熱酸化膜を持つシリコン基板である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子。
5. 前記低抵抗金属層のシート抵抗が、１Ω／□以下である請求項１〜４のいずれかに記載の圧電素子。
6. 前記圧電体層の上表面の平均表面粗さＲａが、４０ｎｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子。
7. 前記低抵抗金属層の厚みが、２００〜２０００ｎｍである請求項１〜６のいずれかに記載の圧電素子。
8. 前記圧電体層は、前記下部電極層を４００℃以上加熱して、その上に気相成長法を用いて形成された圧電体材料からなる請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子。
9. 前記圧電体層の上表面の平均表面粗さＲａが、前記圧電体層の厚みの１．０％以下である請求項１〜８のいずれかに記載の圧電素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の圧電素子と、
    液体が貯留される液体貯留室と、
    前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記液体貯留室から外部に前記液体を吐出させる液体吐出口とを有することを特徴とする液体吐出装置。

Images