JP6314992B2 - 圧電素子、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電素子の製造方法 - Google Patents

圧電素子、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電素子の製造方法 Download PDF

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本発明は、基板上に、Ｔｉ（チタン）からなる密着層と、Ｐｔ（白金）からなる下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とをこの順で形成した圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタと、上記圧電素子の製造方法とに関するものである。
従来から、アクチュエータやセンサーなどに適用される圧電素子には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をはじめとする圧電体が用いられている。圧電体としては、従来、バルク材料が用いられていたが、近年では、小型化、薄型化のニーズにより、薄膜の圧電体（圧電薄膜）が研究され、用いられるようになってきている。特に、インクジェットヘッドのアクチュエータとして圧電素子を用いる場合、印刷画像の高精細化のためにノズルを高密度で配置する必要があることから、各ノズルに対応して圧電素子を小型化することが重要となっている。
圧電薄膜の成膜方法としては、スパッタ法やゾルゲル法などがある。圧電薄膜は、下地となる層の上に成膜されるため、下地となる層の材料、配向等の影響を強く受ける。そこで、圧電薄膜の特性を向上させるために、その下地となる下部電極の配向を制御したり、下部電極と圧電薄膜との間に配向制御層を形成するなどの様々な方法が用いられている。
下部電極には、Ｐｔ、Ａｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）などの貴金属が用いられることが多い。また、下部電極と基板（例えば酸化膜付きシリコン基板）との間には、これらの密着性を高める目的で、Ｔｉ、ＴｉＯｘ（酸化チタン）などからなる密着層を設ける場合が多い。例えば特許文献１では、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、チタン酸化膜（密着層）、Ｐｔからなる下部電極、ＰＺＴ膜（圧電薄膜）、上部電極をこの順で積層した圧電素子を開示している。
また、上記の特許文献１では、下部電極上にスパッタ法によってＴｉを島状に形成し、その上にＰＺＴ膜を成膜するようにしている。下部電極上にＴｉを島状に形成しておくことで、下部電極上にＰＺＴ膜を成膜する際に、島状のＴｉが結晶核となってＰＺＴの配向を制御するため、ＰＺＴの結晶性（配向性）を向上させて圧電特性を向上させることができると考えられている。
このように、結晶核となる種結晶を下部電極上に島状に形成した後に圧電薄膜を成膜する手法は、例えば特許文献２でも開示されている。特許文献２では、基板上に、Ｔｉからなる密着層と、Ｐｔからなる下部電極とをこの順で形成した後、酸素雰囲気中で基板をアニールすることにより、ＴｉをＰｔ中に拡散させ、下部電極上にＴｉＯｘからなるシードを島状に分布させるようにしている。
なお、実際には、真空装置の背圧程度（１０-3Ｐａ〜１０-5Ｐａ）であっても、薄膜表面の原子の量に対して十分な量の酸素が存在しているため、酸素雰囲気中でアニールを行わなくても、Ｐｔ成膜時の基板温度等の成膜条件の設定次第で、下部電極上への種結晶（Ｔｉ）の析出は起こり得る。
しかし、特許文献１のように、下部電極上に種結晶（Ｔｉ）をスパッタ法によって形成する手法では、必要なＴｉの量をスパッタ法で制御することが難しい。
ちなみに、特許文献２では、下部電極表面でのＰｔに対する種結晶（ＴｉＯｘ）の比率は、１．５原子％程度である。下部電極上に成膜されるＰＺＴ等のペロブスカイト結晶の結晶性は、この種結晶の割合に大きく左右されるが、この１．５原子％程度のＴｉの量をスパッタ法で制御することは難しい。なお、供給電力等、その他の条件にもよるが、種結晶を１原子層分成膜する場合でも、その成膜時間は数秒程度であり、表面に１．５原子％の比率で成膜する場合、成膜時間はさらに短くなると考えられる。スパッタ法では、上記のような短い成膜時間で基板上に均一な膜を作ることは非常に難しい。なお、不均一な膜であれば、生産性が著しく低下する。
これに対して、密着層のＴｉを下部電極上に析出させる方式は、種結晶をスパッタ法で形成する方式に比べて、Ｐｔの成膜温度の制御によって、Ｔｉ析出量を適切に制御しやすいため、Ｔｉを基板上に均一に形成しやすい点で有利である。
特開平１１−１９１６４６号公報（請求項１、８、段落〔００３５〕、〔００６３〕、〔００６５〕、〔００６６〕、図１等参照） 特開２００３−１８８４３２号公報（請求項１、段落〔００１９〕、図１等参照）
ところで、下部電極の表面の平坦性が良く、結晶性が高いほど（例えば結晶粒径が大きいほど）、その上にＰＺＴが結晶成長しやすく、圧電特性も上がりやすい。しかし、上記したＴｉの析出量と下部電極の結晶性とはトレードオフの関係にあり、Ｔｉの析出量が多いほど、下部電極の結晶性は低下する。これは、下部電極上に析出するＴｉは、密着層から下部電極の内部を通ってその表面に析出するため、Ｔｉの析出量が多いほど、下部電極の結晶成長を阻害していると考えられるためである。したがって、下部電極の結晶性を向上させるためには、Ｔｉの析出量を少なくすることが必要となるが、この場合は、Ｔｉの析出による圧電特性向上の効果が得られなくなる。
このように、Ｔｉを下部電極上に析出させる方式では、Ｔｉの析出による圧電薄膜の特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電薄膜の特性向上の効果とを同時に満足して得ることはできなかった。これらの効果を同時に満足して得るためには、下部電極の結晶性を左右する、Ｐｔの結晶粒径の範囲を適切に規定する必要がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、密着層のＴｉが下部電極上に析出することによる圧電薄膜の特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電薄膜の特性向上の効果とを同時に満足して得ることができる圧電素子と、その圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタと、上記圧電素子の製造方法とを提供することにある。
本発明の一側面に係る圧電素子は、基板上に、チタンからなる密着層と、白金からなる下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とをこの順で形成した圧電素子であって、前記下部電極上に、前記密着層を構成するチタンが析出しており、前記下部電極を構成する白金の結晶粒径が、７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、本発明の他の側面に係る圧電素子の製造方法は、基板上に、チタンからなる密着層を形成する工程と、前記密着層上に、白金からなる下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有する圧電素子の製造方法であって、前記下部電極を形成する工程では、前記密着層を構成するチタンが前記下部電極上に析出し、かつ、白金の結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように、前記下部電極を形成する。
下部電極上に、密着層を構成するＴｉが析出しており、下部電極を構成するＰｔの結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるので、Ｔｉの析出による圧電薄膜の特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電薄膜の特性向上の効果とを同時に満足して得ることができる。
本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの概略の構成を示す説明図である。 上記インクジェットプリンタが有するインクジェットヘッドのアクチュエータの概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記インクジェットヘッドの断面図である。 上記アクチュエータが有する圧電薄膜を構成するＰＺＴの結晶構造を模式的に示す説明図である。 上記アクチュエータの一部を拡大して示す断面図である。 上記インクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。 上記インクジェットヘッドの他の構成を示す断面図である。
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をＡ〜Ｂと表記した場合、その数値範囲に下限Ａおよび上限Ｂの値は含まれるものとする。
〔インクジェットプリンタの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ１は、インクジェットヘッド部２において、インクジェットヘッド２１が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
インクジェットプリンタ１は、上記のインクジェットヘッド部２と、繰り出しロール３と、巻き取りロール４と、２つのバックロール５・５と、中間タンク６と、送液ポンプ７と、貯留タンク８と、定着機構９とを備えている。
インクジェットヘッド部２は、インクジェットヘッド２１から記録媒体Ｐに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成（描画）を行うものであり、一方のバックロール５の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド２１の詳細については後述する。
繰り出しロール３、巻き取りロール４および各バックロール５は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール３は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Ｐを、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール３は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Ｐを図１のＸ方向へ繰り出して搬送する。
巻き取りロール４は、繰り出しロール３より繰り出されて、インクジェットヘッド部２によってインクが吐出された記録媒体Ｐを周面に巻き取る。
各バックロール５は、繰り出しロール３と巻き取りロール４との間に配設されている。記録媒体Ｐの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール５は、繰り出しロール３によって繰り出された記録媒体Ｐを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール５は、インクジェットヘッド部２との対向位置から巻き取りロール４に向けて、記録媒体Ｐを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
中間タンク６は、貯留タンク８より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク６は、複数のインクチューブ１０と接続され、各インクジェットヘッド２１におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド２１にインクを供給する。
送液ポンプ７は、貯留タンク８に貯留されたインクを中間タンク６に供給するものであり、供給管１１の途中に配設されている。貯留タンク８に貯留されたインクは、送液ポンプ７によって汲み上げられ、供給管１１を介して中間タンク６に供給される。
定着機構９は、インクジェットヘッド部２によって記録媒体Ｐに吐出されたインクを当該記録媒体Ｐに定着させる。この定着機構９は、吐出されたインクを記録媒体Ｐに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにＵＶ（紫外線）を照射することによりインクを硬化させるためのＵＶランプ等で構成されている。
上記の構成において、繰り出しロール３から繰り出される記録媒体Ｐは、バックロール５により、インクジェットヘッド部２との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部２から記録媒体Ｐに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Ｐに吐出されたインクは定着機構９によって定着され、インク定着後の記録媒体Ｐが巻き取りロール４によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ１では、インクジェットヘッド部２を静止させた状態で、記録媒体Ｐを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Ｐに画像が形成される。
なお、インクジェットプリンタ１は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド２１の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド２１のアクチュエータ２１ａの概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図３は、図２のアクチュエータ２１ａにノズル基板３１を接合してなるインクジェットヘッド２１の断面図である。
アクチュエータ２１ａは、複数の圧力室２２ａ（開口部）を有する基板２２上に、熱酸化膜２３、密着層２４、下部電極２５、圧電薄膜２６、上部電極２７をこの順で形成した圧電素子である。
基板２２は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。なお、図２では、基板２２をＳＯＩ基板で構成した場合を示している。ＳＯＩ基板は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板を接合したものである。基板２２における圧力室２２ａの上壁は、従動膜となる振動板２２ｂを構成しており、圧電薄膜２６の駆動（伸縮）に伴って変位（振動）し、圧力室２２ａ内のインクに圧力を付与する。
熱酸化膜２３は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ2（酸化シリコン）からなり、基板２２の保護および絶縁の目的で形成されている。
密着層２４は、Ｔｉ（チタン）からなり、熱酸化膜２３と下部電極２５との密着性を向上させるために形成されている。密着層２４の厚さは、例えば５ｎｍ程度である。
下部電極２５は、Ｐｔ（白金）からなり、複数の圧力室２２ａに共通して設けられるコモン電極である。下部電極２５の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。
圧電薄膜２６は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されており、各圧力室２２ａに対応して設けられている。ＰＺＴは、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ3；ジルコン酸鉛）との固溶体である。圧電薄膜２６の膜厚は、例えば３〜５μｍである。
図４は、ＰＺＴの結晶構造を模式的に示している。ＰＺＴは、良好な圧電効果を発現するペロブスカイト型の結晶構造を有している。ペロブスカイト型の結晶構造とは、例えばＰｂ（Ｚｒx，Ｔｉ1-x）Ｏ3の正方晶では、正方晶の各頂点にＰｂ原子（Ｐｂイオン）が位置し、体心にＴｉ原子（Ｔｉイオン）またはＺｒ原子（Ｚｒイオン）が位置し、各面心にＯ原子（Ｏイオン）が位置する構造である。
上部電極２７は、各圧力室２２ａに対応して設けられる個別電極であり、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電薄膜２６とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１〜０．２μｍ程度である。上部電極２７は、下部電極２５との間で圧電薄膜２６を挟むように設けられている。
下部電極２５および上部電極２７は、駆動回路２８と接続されている。圧電薄膜２６は、駆動回路２８から下部電極２５および上部電極２７に印加される電圧（駆動信号）に基づいて駆動される。
圧力室２２ａの振動板２２ｂとは反対側には、ノズル基板３１が接合されている。ノズル基板３１には、圧力室２２ａ内のインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔（ノズル孔）３１ａが形成されている。圧力室２２ａには、中間タンク６より供給されるインクが収容される。
上記の構成において、駆動回路２８から下部電極２５および上部電極２７に電圧を印加すると、圧電薄膜２６が、下部電極２５と上部電極２７との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向（基板２２の面に平行な方向）に伸縮する。そして、圧電薄膜２６と振動板２２ｂとの長さの違いにより、振動板２２ｂに曲率が生じ、振動板２２ｂが厚さ方向に変位（湾曲、振動）する。
したがって、圧力室２２ａ内にインクを収容しておけば、上述した振動板２２ｂの振動により、圧力室２２ａ内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室２２ａ内のインクが吐出孔３１ａからインク滴として外部に吐出される。
〔密着層および下部電極の詳細について〕
図５は、上記したインクジェットヘッド２１（アクチュエータ２１ａ）の一部であって、密着層２４、下部電極２５および圧電薄膜２６を拡大して示す断面図である。本実施形態では、下部電極２５上に（圧電薄膜２６の成膜側に）、密着層２４を構成するＴｉが粒子２４ａとして島状に析出している。これは、後述する下部電極２５の高温成膜時に、下部電極２５のＰｔの触媒作用によって密着層２４のＴｉが酸化されることによる。密着層２４のＴｉは、下部電極２５の成膜時に下部電極２５を通ってその表面に析出するため、同図に示すように、下部電極２５の内部にも、密着層２４を構成するＴｉの粒子２４ａが存在している。
なお、例えばスパッタ法によってＴｉを下部電極２５上に島状に形成した場合、上記のように密着層２４のＴｉが下部電極２５上に析出する場合に比べて、下部電極２５の内部にＴｉが存在する割合は大幅に低下するものと考えられる（下部電極２５の内部をＴｉが通過するということがないため）。したがって、下部電極２５の内部の元素の組成分析を行うことにより（Ｔｉの存在割合を調べることにより）、下部電極２５上に存在するＴｉ（粒子２４ａ）が、密着層２４からの析出によるものか、スパッタ形成によるものかを判断することができる。
また、本実施形態では、下部電極２５を構成するＰｔの結晶粒径は、７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。Ｐｔの結晶粒径は、Ｐｔの結晶粒界から算出した面積Ａの平方根である√Ａを結晶粒径ｄ（ｎｍ）とし、その平均値をとったものである。上記の結晶粒界は、例えばＳＥＭ（Scanning Electron Microscope；走査型電子顕微鏡）での観察によって確認することができる。また、Ｐｔの結晶粒径は、Ｐｔの成膜条件（例えば成膜温度）によって制御することができる。
図５のように、密着層２４のＴｉが粒子２４ａとして下部電極２５上に析出していることにより、圧電薄膜２６の成膜時に、下部電極２５上に析出したＴｉを結晶核として圧電薄膜２６の結晶を成長させることができ、これによって圧電薄膜２６の結晶性（配向性）を向上させることができる。また、下部電極２５のＰｔの結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるので、下部電極２５の結晶性にならうようにして、その上に圧電薄膜２６が所望の配向（例えば（１００）配向）で結晶成長しやすくなり、圧電薄膜２６の結晶性（配向性）を向上させることができる。
つまり、密着層２４のＴｉが下部電極２５上に析出する構成であっても、下部電極２５のＰｔの結晶粒径の範囲を適切に規定することにより、Ｔｉの析出による圧電薄膜２６の特性向上の効果と、下部電極２５の結晶性に基づく圧電薄膜２６の特性向上の効果とを同時に満足して得ることができる。その結果、圧電変位の大きなアクチュエータ２１ａを実現することができる。
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド２１の製造方法について以下に説明する。図６は、本実施形態のインクジェットヘッド２１の製造工程を示す断面図である。
まず、基板２２を用意する。基板２２としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に多く利用されている結晶シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ここでは、酸化膜２２ｅを介して２枚のＳｉ基板２２ｃ・２２ｄが接合されたＳＯＩ構造のものを用いている。
基板２２を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、Ｓｉ基板２２ｃ・２２ｄの表面にＳｉＯ2からなる熱酸化膜２３ａ・２３ｂ（厚さ０．１μｍ）をそれぞれ形成する。次に、基板２２を常温まで冷却し、一方の熱酸化膜２３ａ上に、Ｔｉをスパッタ法で成膜し、密着層２４（厚さ５ｎｍ）を形成する。その後、密着層２４上にＰｔをスパッタ法で成膜し、下部電極２５（厚さ５０ｎｍ）を形成するとともに、下部電極２５上に密着層２４のＴｉを析出させる（図５参照）。このときの下部電極２５の成膜温度は５００℃である。
続いて、下部電極２５上に、変位膜となるＰＺＴの層２６ａをスパッタ法で成膜する。このときのＰＺＴの成膜温度は６００℃である。そして、基板２２に感光性樹脂４１をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４１の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜２６の形状を転写する。その後、感光性樹脂４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２６ａの形状を加工し、圧電薄膜２６（厚さ５μｍ）とする。
次に、圧電薄膜２６を覆うように下部電極２５上に、ＴｉおよびＰｔの各層をスパッタ法で順に成膜し、層２７ａを形成する。続いて、層２６ａ上に感光性樹脂４２をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４２の不要な部分を除去し、形成する上部電極２７の形状を転写する。その後、感光性樹脂４２をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２７ａの形状を加工し、上部電極２７（厚さ０．２μｍ程度）を形成する。
次に、基板２２の裏面（熱酸化膜２２ｄ側）に感光性樹脂４３をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂４３の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室２２ａの形状を転写する。そして、感光性樹脂４３をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板２２の除去加工を行い、圧力室２２ａを形成する。
その後、基板２２と、吐出孔３１ａを有するノズル基板３１とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド２１が完成する。なお、吐出孔３１ａに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜２２ｂを除去して、基板２２と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板３１とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに３者（基板２２、中間ガラス、ノズル基板３１）を接合することができる。
下部電極２５の形成工程では、下部電極２５のＰｔの成膜温度を上げるにつれて、密着層２４のＴｉの酸化が促進され、下部電極２５上へのＴｉの析出量が増加する。このため、従来は、例えば３００〜４００℃程度の温度でＰｔが成膜される場合が多かった。しかし、Ｐｔの結晶成長は高温のほうがより活発に起こり、結晶粒径の大きなＰｔにするには、Ｐｔを高温で成膜するほうが望ましい。これらを両立させるためには、密着層２４の膜厚を薄くすることで、密着層２４から下部電極２５上に析出されるＴｉの量を減らせばよい。または、下部電極２５の膜厚を厚くすることでも、Ｔｉの析出量を減らすことができる。
そこで、本実施形態では、密着層２４のＴｉの膜厚をｔ１ｎｍとし、下部電極２５のＰｔの膜厚をｔ２ｎｍとしたとき、ｔ１／ｔ２＝１／１７〜１／８の範囲となるように、密着層２４および下部電極２５の各膜厚を設定している。上述の例では、ｔ１／ｔ２＝５／５０＝１／１０であり、上記した所望の範囲内に収まっている。これにより、Ｐｔ成膜時の基板温度が５００℃であっても、島状Ｔｉ種結晶を下部電極２５上に析出させ、かつ、下部電極２５の結晶性を向上させて、下部電極２５上に成膜される圧電薄膜２６の結晶性を向上させることができる。
つまり、下部電極２５の形成工程において、密着層２４および下部電極２５の各膜厚を適切に制御することにより、密着層２４のＴｉが下部電極２５上に析出し、かつ、Ｐｔの結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように、下部電極２５を形成することができる。これにより、Ｔｉの析出による圧電薄膜２６の特性向上の効果と、下部電極２５の結晶性に基づく圧電薄膜２６の特性向上の効果とを同時に満足して得ることができる。
以上では、Ｐｔの成膜温度を５００℃としているが、これより高い成膜温度であれば、密着層２４のＴｉの下部電極２５への拡散が促進されるため、通常であれば、下部電極２５上へのＴｉの析出量は多少増加する。しかし、本実施形態では、そもそも島状Ｔｉ種結晶の供給源となる密着層２４のＴｉがそれほど厚くないため、下部電極２５の成膜温度を高くしても、析出される島状Ｔｉ種結晶の量はそれほど増加しないと考えられる。むしろ、Ｐｔ成膜温度を高くすることで、Ｐｔの結晶性は向上するため、下部電極２５上に成膜される圧電薄膜２６の圧電特性を向上させることができると考えられる。しかし、下部電極２５の成膜温度が７００℃よりも高くなると、室温との温度差から熱応力が大きくなり、下部電極２５の表面にＰｔのヒロック（突起）が析出され、アクチュエータとして駆動したときの密着性が低下することが懸念される。
したがって、圧電薄膜２６の特性向上および密着性向上の観点からは、下部電極２５の成膜温度は、５００℃以上７００℃以下であることが望ましいと言える。
また、下部電極２５をスパッタ法で成膜することにより、Ｐｔの成膜温度を上述の範囲で制御して、Ｐｔの結晶粒径を所望の範囲に収めながら、密着層２４のＴｉを下部電極２５上に析出させることが可能となる。このようなＴｉの析出により、酸素雰囲気中でのアニールによる種結晶の析出や、下部電極成膜後にＴｉをスパッタ法で形成する従来に比べて、アニール工程やＴｉのスパッタリングといった追加の工程が不要となり、工程数の削減による低コスト化や生産効率の向上が期待できる。
〔インクジェットヘッドの他の構成〕
ところで、図７は、本実施形態のインクジェットヘッド２１（アクチュエータ２１ａ）の他の構成を示す断面図である。同図に示すように、下部電極２５と圧電薄膜２６との間に、配向制御層２９が形成されていてもよい。配向制御層２９は、圧電薄膜２６の結晶配向を制御するために形成されるものであり、例えばチタン酸ランタン鉛（ＰＬＴ）で構成されている。なお、図７の構成のインクジェットヘッド２１の製造方法については、下部電極２５の形成工程と圧電薄膜２６の形成工程との間に配向制御層２９を形成する工程が加わる以外は、図６に基づいて説明した方法と同様である。配向制御層２９は、圧電薄膜２６と材料が異なる以外は、圧電薄膜２６と同様の成膜条件で成膜することができる。
配向制御層２９を設ける場合、密着層２４のＴｉの下部電極２５上への析出および下部電極２５の結晶性向上により、配向制御層２９の結晶性（配向性）が向上する。特に、配向制御層２９を構成するＰＬＴは、圧電薄膜２６を構成するＰＺＴと同様のペロブスカイト構造を採り、ＰＺＴと格子定数も近いので、配向制御層２９を形成しない場合のＰＺＴの結晶性（配向性）向上の効果と同様の効果がＰＬＴにおいても期待できる。配向制御層２９の結晶性向上は、その上に成膜される圧電薄膜２６の結晶性向上につながるため、圧電薄膜２６の特性をさらに向上させることができる。
〔実施例〕
次に、上述したインクジェットヘッド２１（アクチュエータ２１ａ）の実施例について、比較例と併せて説明する。以下の実施例および比較例では、ＰＬＴからなる配向制御層２９を含む図７のインクジェットヘッド２１の製造において、密着層２４の膜厚ｔ１（ｎｍ）、下部電極２５の膜厚ｔ２（ｎｍ）、下部電極２５の成膜温度（℃）、下部電極２５のＰｔの結晶粒径（ｎｍ）を表１および表２のように変化させ、それぞれにおける、下部電極２５上への密着層２４のＴｉの析出と、配向制御層２９のＰＬＴの（１００）強度とについて評価した。なお、ＰＬＴの膜厚は、実施例および比較例ともに１００ｎｍとした。
Ｔｉの析出の評価については、ＳＥＭによって下部電極２５の表面を観察し、以下の基準に基づいて行った。
（Ｔｉ析出の評価基準）
○：Ｐｔの結晶粒径よりも小さい島状のＴｉの粒子（直径１０ｎｍ程度）が観察された。
×：Ｔｉの粒子が観察されなかった。
また、ＰＬＴ（１００）強度の評価は、以下の基準に基づいて行った。
（ＰＬＴ（１００）強度の評価基準）
○：ＸＲＤピーク強度が３０００以上である。
×：ＸＲＤピーク強度が３０００未満である。
なお、ＸＲＤピーク強度とは、ＰＬＴに対してＸ線回折（X‐ray diffraction；ＸＲＤ）の２θ／θ測定を行ったときに得られる、ＰＬＴのペロブスカイト（１００）配向を示すピーク強度を指し、１秒間あたりのＸ線の計数率（ｃｐｓ；count per second）で示されるものである。ここでは、ＰＬＴ（１００）強度がＰＬＴの膜厚によって変化することを考慮して、ＸＲＤピーク強度の基準を３０００に設定した。
Figure 0006314992
Figure 0006314992
表１より、ＰＬＴ（１００）強度については、Ｔｉの析出が起こり、かつ、Ｐｔの結晶粒径が９１ｎｍ以上の範囲であれば、良好な結果（○）が得られていることがわかる。ここで、ＰＬＴ（１００）強度は、Ｐｔの結晶粒径が実施例１の９１ｎｍのときに良好（○）であり、比較例２の５８ｎｍのときに不良（×）であることから、９１ｎｍと５８ｎｍとの間の７５ｎｍ以上であれば概ね良好となることが推測され、同様に、Ｐｔの結晶粒径が実施例２の１２９ｎｍのときに良好（○）であり、比較例３の１７０ｎｍのときに不良（×）であることから、１２９ｎｍと１７０ｎｍとの間の１５０ｎｍ以下であれば、概ね良好となることが推測される。
したがって、下部電極２５上に、密着層２４を構成するＴｉが析出しており、下部電極２５のＰｔの結晶粒径が、７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であれば、高いＰＬＴ（１００）強度を得ることができ、ＰＬＴの結晶性（配向性）を高めてその特性を向上させることができると言える。したがって、ＰＬＴ（配向制御層２９）の上に成膜されるＰＺＴ（圧電薄膜２６）についても、その結晶性（配向性）を高めて特性を向上させることができると言える。表１より、Ｐｔの結晶粒径の望ましい範囲は、９０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であり、より望ましい範囲は、９１ｎｍ以上１２９ｎｍ以下である。
また、ＰＬＴ（１００）強度については、表１より、膜厚比ｔ１／ｔ２が実施例１の１／１０のときに良好（○）であり、比較例２の１／５のときに不良（×）であることから、１／１０と１／５との間の１／８以下であれば概ね良好となることが推測され、表２より、膜厚比ｔ１／ｔ２が実施例２の１／１５のときに良好（○）であり、比較例４の１／２０のときに不良（×）であることから、１／１５と１／２０との間の１／１７以上であれば、概ね良好となることが推測される。
したがって、膜厚比ｔ１／ｔ２が、１／１７以上１／８以下であれば、高いＰＬＴ（１００）強度を確実に得ることができると言える。また、表１および表２より、膜厚比ｔ１／ｔ２の望ましい範囲は、１／１５以上１／１０以下であると言える。
以上では、下部電極２５上に配向制御層２９を設けてＰＬＴ（１００）強度を評価したが、ＰＬＴとＰＺＴとは結晶構造がともにペロブスカイト構造であり、格子定数も互いに近いことから、下部電極２５上に配向制御層２９を設けない場合でも（下部電極２５上にＰＺＴからなる圧電薄膜２６を直接形成する場合でも）、ＰＺＴにおいて、配向制御層２９を設けた場合と同様の結晶性（配向性）の評価が得られると考えられる。
以上で説明した本実施形態の圧電素子、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電素子の製造方法は、以下のように表現することができ、これによって以下の作用効果を奏する。
本実施形態の圧電素子は、基板上に、チタンからなる密着層と、白金からなる下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とをこの順で形成した圧電素子であって、前記下部電極上に、前記密着層を構成するチタンが析出しており、前記下部電極を構成する白金の結晶粒径が、７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、本実施形態の圧電素子の製造方法は、基板上に、チタンからなる密着層を形成する工程と、前記密着層上に、白金からなる下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有する圧電素子の製造方法であって、前記下部電極を形成する工程では、前記密着層を構成するチタンが前記下部電極上に析出し、かつ、白金の結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となるように、前記下部電極を形成する。
密着層のＴｉが下部電極上に析出しているので、析出したＴｉが結晶核となって圧電薄膜を結晶成長させることができ、圧電薄膜の結晶性（配向性）を向上させることができる。また、下部電極のＰｔの結晶粒径が７５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるので、下部電極の結晶性にならうようにしてその上に圧電薄膜を成膜することができ、圧電薄膜の結晶性（配向性）を向上させることができる。したがって、密着層のＴｉが下部電極上に析出する構成であっても、Ｔｉの析出による圧電薄膜の特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電薄膜の特性向上の効果とを同時に満足して得ることができる。
上記の圧電素子の製造方法において、前記下部電極をスパッタ法で形成することが望ましい。この場合、下部電極のＰｔの成膜温度を制御することで、Ｐｔの結晶粒径を所望の範囲に収めながら、密着層を構成するＴｉを下部電極上に析出させることが可能となる。
上記の圧電素子およびその製造方法において、前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなっていてもよい。ＰＺＴはペロブスカイト構造を採るため、良好な圧電特性を発揮することができる。
上記の圧電素子において、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の配向を制御するための配向制御層が形成されていてもよい。また、上記の圧電素子の製造方法は、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の配向を制御するための配向制御層を形成する工程をさらに有していてもよい。
この場合、Ｔｉの析出によって配向制御層の特性を向上させて圧電薄膜の特性をさらに向上させるとともに、下部電極の結晶性によって配向制御層の特性を向上させて圧電薄膜の特性をさらに向上させることができる。
上記の圧電素子およびその製造方法において、前記配向制御層は、チタン酸ランタン鉛（ＰＬＴ）からなっていてもよい。ＰＬＴはペロブスカイト構造を採るため、配向制御層（ＰＬＴ）の上に圧電薄膜を、良好な圧電特性を発揮するペロブスカイト構造で形成することが容易となる。
上記の圧電素子およびその製造方法において、前記密着層の膜厚をｔ１ｎｍとし、前記下部電極の膜厚をｔ２ｎｍとしたとき、膜厚比ｔ１／ｔ２が、１／１７以上１／８以下であることが望ましい。
ｔ１／ｔ２が下限値未満であると、密着層が薄すぎて、下部電極の成膜時に密着層のＴｉが下部電極上にほとんど析出しなくなる。逆に、ｔ１／ｔ２が上限値を超えると、密着層が厚すぎて、下部電極の成膜時に密着層のＴｉの析出量が多くなり、下部電極の結晶性が大きく低下する（Ｔｉは下部電極上に析出する際にその下部電極を通過することにより、下部電極のＰｔの結晶成長を阻害すると考えられるため）。したがって、ｔ１／ｔ２を所定の範囲内に収めることにより、Ｔｉの析出による圧電特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電特性向上の効果とを同時に満足して得る効果を確実に得ることができる。
上記の圧電素子の製造方法において、前記下部電極の成膜温度は、５００℃以上７００℃以下であることが望ましい。上記成膜温度が５００℃以上であることにより、下部電極の結晶成長を促進させてその結晶性を向上させ、圧電薄膜の特性を向上させることができる。また、上記成膜温度が７００℃以下であることにより、下部電極の表面にＰｔのヒロック（突起）が形成されるのを抑制することができる。これにより、駆動時に下部電極とその上層（例えば圧電薄膜）との密着性が低下するのを抑制することができる。
本実施形態のインクジェットヘッドは、上述した圧電素子と、前記圧電素子の前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている。上述した圧電素子の構成によれば、下部電極上への密着層のＴｉの析出による圧電特性向上の効果と、下部電極の結晶性に基づく圧電特性向上の効果とを同時に満足して得ることができるため、低電圧駆動であっても大きな出力（インク吐出量）を得ることができる。
本実施形態のインクジェットプリンタは、上記のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる。これにより、高性能なインクジェットプリンタを実現することができる。
本発明は、例えばＭＥＭＳ用アクチュエータ（インクジェットプリンタやプロジェクタのアクチュエータ）や、ＭＥＭＳセンサー（焦電センサー、超音波センサー）の圧電素子およびその製造に利用可能である。
１ インクジェットプリンタ
２１ インクジェットヘッド
２１ａ アクチュエータ（圧電素子）
２２ 基板
２２ａ 圧力室（開口部）
２４ 密着層
２５ 下部電極
２６ 圧電薄膜
２７ 上部電極
２９ 配向制御層
３１ ノズル基板
３１ａ 吐出孔（ノズル孔）

Claims (14)

  1. 基板上に、チタンからなる密着層と、白金からなる下部電極と、圧電薄膜と、上部電極とをこの順で形成した圧電素子であって、
    前記下部電極上に、前記密着層を構成するチタンが析出しており、
    前記下部電極を構成する白金の結晶粒径が、９１ｎｍ以上１２９ｎｍ以下である、圧電素子。
  2. 前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる、請求項１に記載の圧電素子。
  3. 前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の配向を制御するための配向制御層が形成されている、請求項１または２に記載の圧電素子。
  4. 前記配向制御層は、チタン酸ランタン鉛からなる、請求項３に記載の圧電素子。
  5. 前記密着層の膜厚をｔ１ｎｍとし、前記下部電極の膜厚をｔ２ｎｍとしたとき、膜厚比ｔ１／ｔ２が、１／１５以上１／１０以下である、請求項１から４のいずれかに記載の圧電素子。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の圧電素子と、
    前記圧電素子の前記基板に形成される開口部に収容されるインクを外部に吐出するためのノズル孔を有するノズル基板とを備えている、インクジェットヘッド。
  7. 請求項６に記載のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる、インクジェットプリンタ。
  8. 基板上に、チタンからなる密着層を形成する工程と、
    前記密着層上に、白金からなる下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上に圧電薄膜を形成する工程と、
    前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程とを有する圧電素子の製造方法であって、
    前記下部電極を形成する工程では、前記密着層を構成するチタンが前記下部電極上に析出し、かつ、白金の結晶粒径が９１ｎｍ以上１２９ｎｍ以下となるように、前記下部電極を形成する、圧電素子の製造方法。
  9. 前記下部電極をスパッタ法で形成する、請求項８に記載の圧電素子の製造方法。
  10. 前記圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる、請求項８または９に記載の圧電素子の製造方法。
  11. 前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の配向を制御するための配向制御層を形成する工程をさらに有している、請求項８から１０のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
  12. 前記配向制御層は、チタン酸ランタン鉛からなる、請求項１１に記載の圧電素子の製造方法。
  13. 前記下部電極の成膜温度は、５００℃以上７００℃以下である、請求項８から１２のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
  14. 前記密着層の膜厚をｔ１ｎｍとし、前記下部電極の膜厚をｔ２ｎｍとしたとき、膜厚比ｔ１／ｔ２が、１／１５以上１／１０以下である、請求項８から１３のいずれかに記載の圧電素子の製造方法。
JP2015544906A 2013-10-29 2014-10-10 圧電素子、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電素子の製造方法 Active JP6314992B2 (ja)

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