JPH10287468A - 圧電性薄膜、その製造方法、圧電体素子およびインクジェットプリンタヘッド - Google Patents

圧電性薄膜、その製造方法、圧電体素子およびインクジェットプリンタヘッド

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JPH10287468A
JPH10287468A JP9120797A JP9120797A JPH10287468A JP H10287468 A JPH10287468 A JP H10287468A JP 9120797 A JP9120797 A JP 9120797A JP 9120797 A JP9120797 A JP 9120797A JP H10287468 A JPH10287468 A JP H10287468A
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JP
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layer
piezoelectric
thin film
piezoelectric thin
niobium
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JP9120797A
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English (en)
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Koji Sumi
浩二 角
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B41J2002/14258—Multi layer thin film type piezoelectric element

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い圧電ｄ定数を維持しうる圧電性薄膜、圧
電体素子およびインクジェットプリンタヘッドを提供す
る。 【解決手段】 ニオブ（Ｎｂ）が添加された圧電性物質
を含む第１層１００に、圧電性物質を含む第２層２００
を積層して構成された圧電性薄膜である。ニオブの添加
により、薄膜全体の特性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタヘッドの圧電体素子や、不揮発性半導体記憶装
置、薄膜コンデンサ、センサ、表面弾性波光学導波管、
光学記憶装置、空間光変調器等に用いられる圧電性薄膜
に係り、特に、積層した一層の組成を特定化することに
より、誘電率等の誘電体薄膜層の特性を向上する技術に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、圧電体素子に用いられる圧電性薄
膜としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘
電体セラミックスが用いられていた。強誘電体セラミッ
クスは、ペロブスカイト構造を示すことが知られてお
り、例えば、特開平３−６９５１２号公報にその具体例
が開示されている。
【０００３】さて、強電体薄膜の特性を表わす指標とし
て、圧電ｇ定数と誘電率との積に相関する圧電ｄ定数が
用いられる。ここで、圧電ｇ定数とは、電場と応力との
間の比例係数をいい、圧電ｄ定数とは、圧電体の変位量
と電場との比例係数のことをいう。同一の印加電圧であ
れば圧電ｄ定数が高い程、体積変化が大きいとされる。
つまり、圧電ｇ定数と誘電率とはともに高いことが望ま
しい。
【０００４】圧電ｄ定数は、強誘電体セラミックスの分
子の極性に配向性を持たすこと、すなわち配向分極を促
進することにより向上される。この配向分極は主として
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）によりもたらされる。とこ
ろが、チタン酸鉛の誘電率が比較的低いため、チタン酸
鉛だけ形成する圧電性薄膜の圧電ｄ定数には一定の限界
がある。このため、誘電性を高める物質であるニオブ
（Ｎｂ）をチタン酸鉛に加えることも考えられる。
【０００５】しかしながら、ニオブは誘電率を高めるに
も関らず、圧電ｇ定数を少なくする作用があるため、あ
まりに多くのニオブをチタン酸鉛に添加すれば、結局圧
電ｄ定数が低下してしまい不適当である。ニオブを用い
ながらも、チタン酸鉛の備える配向性を損なわない層構
造を考案する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記事項に鑑み、高い圧電ｄ定数を維持しうる圧電性薄膜
を提供することを目的にする。
【０００７】すなわち、本発明の第１の課題は、複数の
層のうち１層にニオブを添加することにより、圧電性薄
膜の圧電特性を向上させることを目的とし、同一の電圧
であれば従来より多くの体積変化を生じ、また、同一の
圧力が印加されれば従来より多くの電圧変化を生ずる圧
電性薄膜の層構造を提供することである。これにより、
より特性のよい圧電体素子、インクジェットプリンタヘ
ッドを提供するものである。
【０００８】また、本発明の第２の課題は、良好な圧電
特性を維持しうる強誘電体セラミックスの組成を提供す
ることである。
【０００９】また、本発明の第３の課題は、本発明第１
の課題の圧電性薄膜等を製造しうる好適な製造方法を提
供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ニオブ（Ｎｂ）が添加された圧電性物質を含む第１
層に、圧電性物質を含む第２層を積層して構成された圧
電性薄膜である。
【００１１】請求項２に記載の発明では、前記第１層
は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛
（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、ジルコン酸鉛
（ＰｂＺｒＯ3）にニオブ（Ｎｂ）を添加して構成され
る請求項１に記載の圧電性薄膜である。
【００１２】請求項３に記載の発明は、前記第１層は、
組成式 Ｐｂ（ＴｉｘＮｂｙ）Ｏ3（ｙ＞０、ｘ＋ｙ＝１） からなる強電性物質を含む請求項１に記載の圧電性薄膜
である。
【００１３】請求項４に記載の発明では、前記第１層
は、ニオブ（Ｎｂ）の含有率が５原子％より大きく、１
５原子％より小さい請求項３に記載の圧電性薄膜であ
る。
【００１４】請求項５に記載の発明では、前記第２層
は、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：
ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ
3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）
（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＬＺＴ）またはマグネシウムニ
オブ酸ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）
ＺｒＴｉＯ3）のうちいずれかの圧電性物質を含む請求
項１に記載の圧電性薄膜である。
【００１５】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請
求項５のいずれかに記載の圧電性薄膜を導電性のある電
極薄膜で狭持させた圧電体素子である。
【００１６】請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請
求項５のいずれかに記載の圧電性薄膜を導電性のある電
極薄膜で狭持した圧電体素子を、インクが充填される圧
力室基板の少なくとも一方の面に設けられた振動板上に
備えたインクジェットプリンタヘッドである。
【００１７】請求項８に記載の発明は、ニオブ（Ｎｂ）
が添加された圧電性物質を含む溶解液を用いて第１層を
形成し、当該第１層上に、圧電性物質を含む溶解液を用
いて第２層をさらに積層することを特徴とする圧電性薄
膜の製造方法である。
【００１８】請求項９に記載の発明では、前記第１層の
形成は、当該第１層の溶解液を一定の膜厚に塗布する第
１層形成工程と、前記第１層形成工程後に一定の雰囲気
下で乾燥させる乾燥工程と、前記乾燥工程を経た前記第
１層をさらに焼結する焼結工程と、により行われる請求
項８の圧電性薄膜の製造方法である。
【００１９】請求項１０に記載の発明では、前記第１層
の溶解液は、２−ｎ−ブトキシエタノールを主溶媒とし
たイミノジエタノールを添加した溶媒に、酢酸鉛三水和
物（Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ）、チタニウムテ
トライソプロポキシド（Ｔｉ（ＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）4）
およびペンタエタキシニオブ（Ｎｂ（ＯＣ2Ｈ5）5）を
含む溶質を解かした溶解液である請求項８に記載の圧電
性薄膜の製造方法である。
【００２０】請求項１１に記載の発明では、前記第１層
の溶質の有機金属の金属分を、前記溶媒に１５重量％以
下の濃度で調合する請求項１０に記載の圧電性薄膜の製
造方法である。
【００２１】請求項１２に記載の発明では、前記イミノ
ジエタノールの添加量は、チタニウムイソプロポキシド
およびペンタエタキシニオブに含まれるアルコキシド基
の総モル量と、イミノジエタノールのモル量と、が等量
になるよう調合される請求項１０に記載の圧電性薄膜の
製造方法である。
【００２２】請求項１３に記載の発明では、前記第２層
の形成は、前記第２層の溶解液を一定の膜厚に塗布し、
前記第２層を形成する第２層形成工程と、前記第２層形
成工程後に一定の雰囲気下で乾燥させる乾燥工程と、前
記乾燥工程を経た前記第２層をさらに焼結する焼結工程
と、により行われる請求項８の圧電性薄膜の製造方法で
ある。
【００２３】請求項１４に記載の発明では、前記第２層
の溶解液は、２−ｎ−ブトキシエタノールを主溶媒とし
たイミノジエタノールを添加した溶媒に、酢酸鉛三水和
物（Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・３Ｈ2Ｏ）、チタニウムテ
トライソプロポキシド（Ｔｉ（ＣＨ3ＣＨ2ＣＨ
2Ｏ）4）、ペンタエタキシニオブ（Ｎｂ（ＯＣ
2Ｈ5）5）、テトラ−ｎ−プロポキシジルコニウム（Ｚ
ｒ（Ｏ−ｎ−Ｃ3Ｈ7）4）および酸化マグネシウム（Ｍ
ｇ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・５Ｈ2Ｏ）を含む溶質を解かした
溶解液である請求項８に記載の圧電性薄膜の製造方法で
ある。
【００２４】請求項１５に記載の発明は、前記第２層の
溶質の有機金属の金属分を、前記溶媒に１５重量％以下
の濃度で調合する請求項１４に記載の圧電性薄膜の製造
方法である。
【００２５】請求項１６に記載の発明は、前記イミノジ
エタノールの添加量は、チタニウムイソプロポキシド、
ペンタエタキシニオブおよびテトラ−ｎ−プロポキシジ
ルコニウムに含まれるアルコキシド基の総モル量と、イ
ミノジエタノールのモル量と、が等量になるよう調合さ
れる請求項１４に記載の圧電性薄膜の製造方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】次に、本発明の最良の実施の形態
を図面を参照して説明する。本実施形態では本発明の圧
電性薄膜を、特にインクジェットプリンタヘッドの圧電
体素子に適用したものである。
【００２７】（インクジェットプリンタヘッドの構成）
図１に示すように、本形態のインクジェットプリンタヘ
ッドは、ノズル板１、圧力室基板２、振動板３および圧
電体素子４を備えて構成されている。
【００２８】ノズル板１は、圧力室基板２に複数設けら
れたキャビティ（圧力室）２１の各々に対応する位置に
そのノズル１１が配置されるよう、圧力室基板２に貼り
合わせられて構成されている。
【００２９】圧力室基板２は、キャビティ２１、側壁２
２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。キャ
ビティ２１は、シリコン等の基板をエッチングすること
により形成され、側壁２２は、キャビティ２１間を仕切
るよう構成され、リザーバ２３は、各キャビティ２１に
インク充填時にインクを供給可能な共通の流路として構
成されている。供給口２４は、各キャビティ２１にイン
クを導入可能に構成されている。
【００３０】振動板３は、圧力室基板２の一方の面に貼
り合わせ可能に構成されている。
【００３１】圧電体素子４は、本発明の圧電性薄膜であ
り、振動板３上に所定の形状で形成されて構成されてい
る。
【００３２】（圧電素子の層構造）振動板３および圧電
体素子４の層構造については、図２に示すように、振動
板３が、絶縁膜１０２および下部電極膜１０３を積層し
て構成され、圧電体素子４が、第１層１００および第２
層２００を積層し、さらに上部電極膜１０４を積層して
構成されている。
【００３３】絶縁膜１０２は、導電性のない材料、例え
ば、シリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素
により構成され、圧電体層の体積変化により変形し、キ
ャビティ２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能
に構成されている。
【００３４】下部電極膜１０３は、圧電体層に電圧を印
加するための上部電極膜１０４と対になる他方の電極で
あり、導電性を有する材料、例えば、チタン（Ｔｉ）
層、白金（Ｐｔ）層、チタン（Ｔｉ）層を積層して構成
されている。このように複数の層を積層して下部電極膜
を構成するのは、白金層と第１層、白金層と絶縁膜との
密着性を高めるためである。
【００３５】第１層１００は、ニオブ（Ｎｂ）が添加さ
れた圧電性セラミックスにより構成されている。圧電性
セラミックスの組成としては、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ
3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：
ＰＺＴ）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）が好ましい。
【００３６】組成としてチタン酸鉛を用いる場合には、 Ｐｂ（ＴｉｘＮｂｙ）Ｏ3（ｙ＞０、ｘ＋ｙ＝１） …（１） という組成式により表わされることが好ましい。
【００３７】第１層１００のニオブ（Ｎｂ）の含有率
（式（１）のｙ）は、５原子％より大きく、１５原子％
より小さいことが好ましく、特に１０原子％程度が最も
好ましい。図４に示すように、Ｐｂ（ＴｉｘＮｂｙ）Ｏ
３中のニオブ含有量が増えると、第１層１００自体の誘
電率は徐々に上昇する。しかし、図５に示すように、第
１層１００に第２層２００を積層した圧電性薄膜全体で
の圧電ｄ定数は、ニオブの含有量が１０原子％付近で最
高値を示し、それよりニオブの含有量が増えても、圧電
ｄ定数は向上しない。したがって、ニオブ含有量が５原
子％より大きく１５原子％より小さく、特に、１０原子
％付近であることが好ましいのである。
【００３８】第２層２００は、良好に配向分極された強
誘電体セラミックスを含んで構成されている。この圧電
性セラミックスの組成としては、ジルコン酸チタン酸鉛
（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、チタン酸鉛ラン
タン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸
鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＬ
ＺＴ）またはマグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸
鉛（Ｐｂ（（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3），Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）の
うちいずれかであることが好ましい。例えば、マグネシ
ウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛であれば、 Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.1Ｚｒ0.477Ｔｉ0.423Ｏ3 という組成が好適である。
【００３９】なお、ニオブを含有する組成では、ニオブ
の含有量が、第１層１００のニオブより低く抑えられて
いることが望ましい。ニオブの含有量が高まると、圧電
ｄ特性が低くなるからである。
【００４０】上部電極膜１０４は、圧電体層に電圧を印
加するための一方の電極となり、導電性を有する材料、
例えば、膜厚０．１μｍの白金（Ｐｔ）で構成されてい
る。
【００４１】なお、各セラミックス層の膜厚は、あまり
に厚くすると、層全体の厚みが厚くなり、高い駆動電圧
が必要となり、あまりに薄くすると、膜厚を均一にでき
ずエッチング後に分離された各圧電体素子の特性がばら
ついたり、製造工数が多くなり、妥当なコストで製造で
きなくなったりする。
【００４２】したがって、第１層の膜厚は、５ｎｍ〜１
００ｎｍ程度、第２層の膜厚は、５００ｎｍ〜２０００
ｎｍ程度が好ましい。
【００４３】（作用）圧電体素子の特性を示す指標とし
て、圧電ｄ定数がある。圧電ｄ定数とは変位と電場との
間の常数をいう。圧電ｄ定数は、圧電ｇ定数と誘電率の
積に相関する。圧電ｇ定数とは、電場と応力との間の比
例係数をいう。
【００４４】ニオブを添加した第１層１００と強誘電体
層である第２層２００とを積層した場合の誘電率は、図
６に示すように、第１層１００におけるニオブの含有率
が１０原子％付近のとき最大値を示す。一方、この積層
構造における圧電ｇ定数は、図７に示すように、第１層
におけるニオブの含有量にあまり変動を受けない。した
がって、この積層構造全体における圧電ｄ定数は、図５
に示すように、図６の誘電率の変化曲線にほぼ比例した
ものとなる。
【００４５】以上の事項により、第１層のようにニオブ
を添加した強誘電体セラミックスを用いると圧電性薄膜
全体の特性が改善されることが解る。
【００４６】本発明の圧電体素子を用いたインクジェッ
トプリンタヘッドのインク滴吐出の原理を説明する。圧
電体素子４の下部電極１０３と上部電極１０４との間に
電圧が印加されていない場合、圧電性薄膜である第１層
１００および第２層２００には、体積変化を生じさせな
い。したがって、電圧が印加されない圧電体素子４に対
応するキャビティ２１内の圧力に変化は生じず、ノズル
１１からインク滴は吐出されない。
【００４７】一方、圧電体素子４の下部電極１０３と上
部電極１０４との間に、圧電体素子に体積変化を生じさ
せる電圧が印加されている場合、第１層１００および第
２層２００は体積変化を生じる。したがって、電圧が印
加されている圧電体素子４が取り付けられた振動板３が
大きくたわみ、そのキャビティ２１内の体積を減少させ
る。このためキャビティ２１内の圧力が瞬間的に高ま
り、ノズル１１からインク滴が吐出される。
【００４８】（製造方法の説明）次に、本発明のインク
ジェットプリンタヘッドの製造方法を説明する。
【００４９】第１工程（図３(a)〜（ｃ））： まず、
シリコン基板１０１に振動板膜３となる絶縁膜１０２と
下部電極膜１０３とを形成する。シリコン基板１０１
は、例えば２００μｍ程度、絶縁膜１０２は、１μｍ程
度の膜厚に形成する。下部電極膜１０３は、例えば、チ
タン層、白金層、チタン層を０．０２μｍ，０．５μ
ｍ、０．００５μｍの膜厚で積層する。これら層の製造
は、公知の直流スパッタ法等を用いる。
【００５０】表１に、第１層１００形成のための溶解液
の溶質および溶媒を示す。溶解液は、表１の溶質に含ま
れる有機金属の金属の重量％が、１５重量％以下、望ま
しくは１３重量％程度となるように調合して作る。ま
た、チタニウムイソプロポキシドとペンタエタキシニオ
ブとに含まれるアルコキシド基の総モル量と、イミノジ
エタノールのモル量と、が等量になるよう、イミノジエ
タノールの添加量を調整する。
【００５１】
【表１】
【００５２】上記溶媒中、２−ｎ−ブトキシエタノール
は主溶媒である。イミノジエタノールは、酢酸鉛の溶解
を促進し、チタニウムテトライソプロポキシドやペンタ
エタキシニオブの加水分解を抑止する働きをする。
【００５３】調合された溶解液を用いて、同図(a)の第
１層形成工程、同図(b)の乾燥工程を複数回（例えば３
回）繰り返す。
【００５４】ｉ） 第１層形成工程（同図（ａ））：調
合された溶解液を一定の膜厚に塗布しセラミックス層を
形成する。例えば、公知のスピンコート法を用いる場合
には、毎分１５００回転程度の回転速度で０．１μｍ程
度塗布する。
【００５５】ｉｉ） 乾燥工程（同図(b)）：塗布直後
の溶解液はアモルファス状態の圧電体膜前駆体というも
のであり、結晶化していない。このため、塗布後、一定
温度（例えば１８０度）で一定時間（例えば１０分程
度）乾燥させる。乾燥後、さらに有機溶媒を蒸発させる
べく、大気雰囲気下において、所定の高温（例えば４０
０度）で一定時間（３０分間）脱脂する。
【００５６】ｉｉｉ） 焼結工程（同図(c)）：３回重
ねてセラミックス層を形成した後、セラミックス層の結
晶化を促進し、圧電体としての特性を向上させるため
に、所定の雰囲気下で熱処理する。例えば、酸素雰囲気
下において、６００度で５分間、さらに９００度で１分
間加熱する。
【００５７】上記処理により、第１層１００が０．０５
μｍ程度の膜厚で形成される。
【００５８】第２工程（同図(d)〜(f)）：上記工程で形
成された第１層１００上に、さらに第２層２００を積層
する。
【００５９】表２に、第２層２００形成のための溶解液
の溶質および溶媒を示す。溶解液は、表２の溶質に含ま
れる有機金属の金属の重量％が、１５重量％以下、望ま
しくは１３重量％程度となるように調合して作る。ま
た、チタニウムイソプロポキシドとペンタエタキシニオ
ブとテトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムとに含まれる
アルコキシド基の総モル量と、イミノジエタノールのモ
ル量と、が等量になるよう、イミノジエタノールの添加
量を調整する。
【００６０】
【表２】
【００６１】上記溶媒中、２−ｎ−ブトキシエタノール
は主溶媒である。イミノジエタノールは、酢酸鉛の溶解
を促進し、チタニウムテトライソプロポキシドやペンタ
エタキシニオブの加水分解を抑止する働きをする。
【００６２】調合された溶解液を用いて、同図(d)の第
２層形成工程、同図(e)の乾燥工程を複数回（例えば４
回）繰り返し、同図(f)の焼結工程を行う。焼結処理し
た後、再び第２層形成工程と乾燥工程とを複数回繰り返
し、再び焼結工程を行う。つまり、第２層２００は、合
計８層のセラミックス層の積層構造から構成される。第
２層形成工程の詳細は第１層形成工程と同じであり、乾
燥工程および焼結工程も第１層と同様である。
【００６３】上記処理により、第２層２００が０．８μ
ｍ程度の膜厚で形成される。
【００６４】上部電極形成工程（同図(g)）： 第２層
２００の上に、さらに電子ビーム蒸着法、スパッタ法等
の技術を用いて、上部電極膜１０４を形成する。上部電
極の材料は、アルミニウム等を用いる。膜厚は１００ｎ
ｍ程度にする。
【００６５】エッチング工程（同図(h)）： 各層を形
成後、振動板膜３上の積層構造を、各キャビティの形状
に合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチ
ングし、上部電極膜と圧電体層を取り除く。すなわち、
スピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さ
のレジストを塗布し、露光・現像して、レジストを上部
電極膜１０４上に形成する。これに、通常用いるイオン
ミリング、あるいはドライエッチング法等を適用して、
不要な層構造部分を除去する。
【００６６】さらに、圧力室基板２の他方の面にキャビ
ティ２１を形成する。例えば、アルカリ水溶液を用いた
異方性ウエットエッチング、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異方性ドライエッチング
を用いて、キャビティ空間のエッチングを行う。エッチ
ングされずに残された部分が側壁２２になる。エッチン
グ後の圧力室基板２にノズル板１を樹脂等を用いて貼り
合わせる。このとき、各ノズル１１が圧力室基板２のキ
ャビティ２１の各々の空間に配置されるよう位置合せす
る。ノズル板１の貼り合わせられた圧力室基板２を筐体
に取り付ければ、インクジェットプリンタヘッドが完成
する。
【００６７】（実施例）上記製造方法に基づいて、ニオ
ブ添加量を変化させて第１層１００および第２層２００
を形成し、その圧電性薄膜全体の特性を測定した（図５
乃至図７）。
【００６８】なお、第１層１００は、 Ｐｂ（ＴｉxＮｂy）Ｏ3（ｘ＋ｙ＝１） という組成式において、ｙを０、０．０５、０．１およ
び０．２と変化させた。また、第２層１００は、 Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.1Ｚｒ0.477Ｔｉ0.423Ｏ3 という組成式になるよう調合した。
【００６９】図５に示すように、圧電ｄ定数は、ニオブ
の含有量が１０原子％程度（ｙ＝０．１）の付近で最大
値を示した。これは、図６に示すように、誘電率が、同
じニオブの含有量１０原子％程度の付近で最大値を示す
ことに基づくと考えられる。一方、圧電ｇ定数は、図７
に示すように、ニオブ含有量の多少によらず、ほぼ同等
の値を示１した。このことから、第１層におけるニオブ
の含有量を調節することで、圧電性薄膜全体の誘電率ひ
いては圧電ｄ特性を大きく改善できることがわかる。
【００７０】また、図８のＸ線回折強度からわかるよう
に、チタン酸鉛では、（１００）配向のＸ線回折強度が
他の配向より突出している。このことから、（１００）
配向が圧電性薄膜の特性改善に大きく寄与していること
がわかる。なお、Ｐｔは、下部電極膜１０３の白金、Ｓ
ｉはシリコン基板１０１のシリコンを示している。
【００７１】さらに、ニオブの含有量を２原子％、５原
子％および１０原子％と変化させた場合、その順番にし
たがって第２層の柱状構造が発達する。すなわち、ニオ
ブ含有量が、図９の２原子％のときはほとんど柱状構造
が見られず、図１０の５原子％のときから顕著に柱状構
造が発達する。さらに図１１の１０原子％のときには均
一に柱状構造が発達している。なお、図９乃至図１１の
写真では、ニオブは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）
に添加した。
【００７２】このように、ニオブを第１層に一定量含有
させると、チタン酸鉛の柱状構造を促進することがわか
る。
【００７３】さらに、比較例としてあげた図１２乃至図
１４のマンガン（Ｍｇ）を添加した第１層を用いた場合
と、図１５乃至図１７のニッケル（Ｎｉ）を添加した第
１層を用いた場合とに、顕著な柱状構造が見られない。
【００７４】また、図１８に示すように、第１層にニオ
ブを添加した場合と、ニオブ以外の元素（マンガン（Ｍ
ｇ）やニッケル（Ｎｉ））を添加した場合とでは、その
含有率に対する誘電率が変化する。同図からわかるよう
に、ニオブを添加した場合の誘電率が著しく改善され
た。なお、図１２乃至図１８では、ニオブ、マンガンお
よびニッケルは、各々ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）
に添加した。
【００７５】上記したように、本実施の形態によれば、
第１層にニオブを添加することによって、圧電性薄膜の
特性を改善させることができる。その圧電性薄膜を圧電
素子に適用した場合には、圧電ｄ特性を大きく改善させ
ることができ、好適なインクジェットプリンタヘッドに
用いる圧電体素子を提供できる。
【００７６】＜その他の変形例＞本発明は、上記各実施
形態によらず種々に変形して適応することが可能であ
る。例えば、本発明の圧電性薄膜層は、第２層として複
数の同一のセラミックス層を積層したが、異なる種類の
セラミックス層を積層してももちろんよい。また、積層
するセラミックス層の総数や膜厚を適宜設計変更するこ
とができる。
【００７７】また、本発明の圧電性薄膜は、上記インク
ジェットプリンタヘッドの圧電体素子のみならず、不揮
発性半導体記憶装置、薄膜コンデンサ、パイロ電気検出
器、センサ、表面弾性波光学導波管、光学記憶装置、空
間光変調器、ダイオードレーザ用周波数二倍器等のよう
な強誘電体装置、誘電体装置、パイロ電気装置、圧電装
置、および電気光学装置の製造に適応することができ
る。すなわち、本発明の圧電性薄膜は、高い誘電率を備
えるために、誘電率の高さによりその性能が定められる
ような媒体に適用する薄膜として最適だからである。
【００７８】
【発明の効果】本発明によれば、高い圧電ｄ定数を維持
しうる圧電性薄膜を提供することができる。
【００７９】すなわち、本発明によれば、複数の層のう
ち１層にニオブを添加することにより、圧電性薄膜の圧
電特性を向上させ、同一の電圧であれば従来より体積変
化の大きく、また、同一の圧力が印加されれば従来より
多くの電圧変化を生ずる圧電性薄膜の層構造を提供でき
る。
【００８０】これにより、より特性のよい圧電体素子を
提供できる。当該圧電体素子を適用したインクジェット
プリンタヘッドによれば、従来より多量のインク滴を高
速に吐出させることができる。
【００８１】また、本発明によれば、良好な圧電特性を
維持しうる強誘電体セラミックスの組成が提供できる。
【００８２】また、本発明によれば、本発明の圧電性薄
膜の好適な製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットプリンタヘッドの斜視
図一部断面図である。
【図２】本発明の圧電体素子（圧電性薄膜）の積層構造
を説明する断面図である。
【図３】本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法を説明する製造工程断面図である。
【図４】第１層のニオブ含有量に対する誘電率の変化
を、第１層単独で測定した特性図である。
【図５】本発明の圧電性薄膜の第１層のニオブ含有量に
対する圧電ｄ定数の変化を測定した特性図である。
【図６】本発明の圧電性薄膜の第１層のニオブ含有量に
対する誘電率の変化を測定した特性図である。
【図７】本発明の圧電性薄膜の第１層のニオブ含有量に
対する圧電ｇ定数の変化を測定した特性図である。
【図８】本発明の圧電体素子のＸ線回折強度を示すスペ
クトル図である。
【図９】第１層のニオブ含有量が２原子％時における薄
膜断層写真である。
【図１０】第１層のニオブ含有量が５原子％時における
薄膜断層写真である。
【図１１】第１層のニオブ含有量が１０原子％時におけ
る薄膜断層写真である。
【図１２】第１層のマンガン含有量が２原子％時におけ
る薄膜断層写真である。
【図１３】第１層のマンガン含有量が５原子％時におけ
る薄膜断層写真である。
【図１４】第１層のマンガン含有量が１０原子％時にお
ける薄膜断層写真である。
【図１５】第１層のニッケル含有量が２原子％時におけ
る薄膜断層写真である。
【図１６】第１層のニッケル含有量が５原子％時におけ
る薄膜断層写真である。
【図１７】第１層のニッケル含有量が１０原子％時にお
ける薄膜断層写真である。
【図１８】第１層単独で添加物の種類とその含有量を変
化させた際の誘電率の変化の特性図である。
【符号の説明】
１…ノズル板 ２…圧力室基板 ３…振動板 ４…圧電体素子 １１…ノズル ２１…キャビティ １００…第１層 ２００…第２層 １０１…シリコン基板 １０２…絶縁膜 １０３…下部電極膜 １０４…上部電極膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 41/187 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｄ 41/24 41/22 Ａ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ニオブ（Ｎｂ）が添加された圧電性物質
    を含む第１層に、圧電性物質を含む第２層を積層して構
    成された圧電性薄膜。
  2. 【請求項２】 前記第１層は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ
    3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：
    ＰＺＴ）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）にニオブ（Ｎ
    ｂ）を添加して構成される請求項１に記載の圧電性薄
    膜。
  3. 【請求項３】 前記第１層は、組成式 Ｐｂ（ＴｉxＮｂy）Ｏ3（ｙ＞０、ｘ＋ｙ＝１） からなる強電性物質を含む請求項１に記載の圧電性薄
    膜。
  4. 【請求項４】 前記第１層は、ニオブ（Ｎｂ）の含有率
    が５原子％より大きく、１５原子％より小さい請求項３
    に記載の圧電性薄膜。
  5. 【請求項５】 前記第２層は、ジルコン酸チタン酸鉛
    （Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、チタン酸鉛ラン
    タン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸
    鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3：ＰＬ
    ＺＴ）またはマグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸
    鉛（Ｐｂ（（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3），Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）の
    うちいずれかの圧電性物質を含む請求項１に記載の圧電
    性薄膜。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
    の圧電性薄膜を導電性のある電極薄膜で狭持させた圧電
    体素子。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
    の圧電性薄膜を導電性のある電極薄膜で狭持した圧電体
    素子を、インクが充填される圧力室基板の少なくとも一
    方の面に設けられた振動板上に備えたインクジェットプ
    リンタヘッド。
  8. 【請求項８】 ニオブ（Ｎｂ）が添加された圧電性物質
    を含む溶解液を用いて第１層を形成し、当該第１層上
    に、圧電性物質を含む溶解液を用いて第２層をさらに積
    層することを特徴とする圧電性薄膜の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記第１層の形成は、当該第１層の溶解
    液を一定の膜厚に塗布する第１層形成工程と、 前記第１層形成工程後に一定の雰囲気下で乾燥させる乾
    燥工程と、 前記乾燥工程を経た前記第１層をさらに焼結する焼結工
    程と、により行われる請求項８の圧電性薄膜の製造方
    法。
  10. 【請求項１０】 前記第１層の溶解液は、２−ｎ−ブト
    キシエタノールを主溶媒としたイミノジエタノールを添
    加した溶媒に、酢酸鉛三水和物（Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2
    ・３Ｈ2Ｏ）、チタニウムテトライソプロポキシド（Ｔ
    ｉ（ＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）4）およびペンタエタキシニオ
    ブ（Ｎｂ（ＯＣ2Ｈ5）5）を含む溶質を解かした溶解液
    である請求項８に記載の圧電性薄膜の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１層の溶質の有機金属の金属分
    を、前記溶媒に１５重量％以下の濃度で調合する請求項
    １０に記載の圧電性薄膜の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記イミノジエタノールの添加量は、
    チタニウムイソプロポキシドおよびペンタエタキシニオ
    ブに含まれるアルコキシド基の総モル量と、イミノジエ
    タノールのモル量と、が等量になるよう調合される請求
    項１０に記載の圧電性薄膜の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記第２層の形成は、前記第２層の溶
    解液を一定の膜厚に塗布し、前記第２層を形成する第２
    層形成工程と、 前記第２層形成工程後に一定の雰囲気下で乾燥させる乾
    燥工程と、 前記乾燥工程を経た前記第２層をさらに焼結する焼結工
    程と、により行われる請求項８の圧電性薄膜の製造方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記第２層の溶解液は、２−ｎ−ブト
    キシエタノールを主溶媒としたイミノジエタノールを添
    加した溶媒に、酢酸鉛三水和物（Ｐｂ（ＣＨ3ＣＯＯ）2
    ・３Ｈ2Ｏ）、チタニウムテトライソプロポキシド（Ｔ
    ｉ（ＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）4）、ペンタエタキシニオブ
    （Ｎｂ（ＯＣ2Ｈ5）5）、テトラ−ｎ−プロポキシジル
    コニウム（Ｚｒ（Ｏ−ｎ−Ｃ3Ｈ7）4）および酸化マグ
    ネシウム（Ｍｇ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・５Ｈ2Ｏ）を含む溶
    質を解かした溶解液である請求項８に記載の圧電性薄膜
    の製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記第２層の溶質の有機金属の金属分
    を、前記溶媒に１５重量％以下の濃度で調合する請求項
    １４に記載の圧電性薄膜の製造方法。
  16. 【請求項１６】 前記イミノジエタノールの添加量は、
    チタニウムイソプロポキシド、ペンタエタキシニオブお
    よびテトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムに含まれるア
    ルコキシド基の総モル量と、イミノジエタノールのモル
    量と、が等量になるよう調合される請求項１４に記載の
    圧電性薄膜の製造方法。
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