JPWO2015174265A1 - 強誘電体薄膜、圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ - Google Patents

強誘電体薄膜、圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ Download PDF

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Abstract

強誘電体薄膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる。上記強誘電体薄膜において、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上であり、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５２％以上５９％以下であり、膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である。

Description

本発明は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＮＺＴ）からなる強誘電体薄膜と、その強誘電体薄膜を備えた圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタとに関するものである。
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、シリコン（Ｓｉ）基板を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子が増加している。ＭＥＭＳ素子に圧電体を応用するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。圧電体を薄膜化することで、成膜、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現できる。また、大面積のウェハに素子を一括加工できるため、コストを低減できる。さらに、機械電気の変換効率が向上し、駆動素子の特性や、センサの感度が向上する等の利点がある。
このようなＭＥＭＳ素子を用いたデバイスの応用例として、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタでは、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを、用紙や布などの記録メディアに対して相対的に移動させながらインクの吐出を制御することで、二次元の画像が記録メディアに形成される。
インクの吐出は、圧力式のアクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形など）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。特に、高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、薄膜の圧電体を用いたインクジェットヘッドの利用が適している。
さらに近年、インクジェットプリンタには、より高速に高精細な画像を形成することが求められている。そのためには、インクジェットヘッドに対して、１０ｃｐ（０．０１Ｐａ・ｓ）以上の高粘度のインクを吐出する性能が求められる。高粘度のインクの吐出を実現するためには、圧電薄膜（強誘電体薄膜）に高い圧電特性（圧電定数ｄ31）と変位発生力（膜厚１μｍ以上）が必要となる。
一方、ＰＺＴなどの圧電体をＳｉなどの基板上に成膜する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。これらの製法により得られる薄膜の膜厚の上限は１０μｍ程度である。それ以上の膜厚になると、クラックや膜剥がれが生じてしまい、所望の特性が得られない。
成膜されたＰＺＴは、結晶が図９に示すペロブスカイト構造となるときに良好な圧電効果を発揮する。なお、ペロブスカイト構造とは、理想的には立方晶系の単位格子を有し、立方晶の各頂点に配置される金属Ａ、体心に配置される金属Ｂ、立方晶の各面心に配置される酸素Ｏとから構成されるＡＢＯ3型の結晶構造である。ペロブスカイト構造の結晶には、立方晶が歪んだ正方晶、斜方晶、菱面体晶等も含まれるものとする。
Ｓｉ基板上の電極の上に成膜されたＰＺＴの薄膜は、電極の結晶との格子定数の違いから、複数の結晶の集合体からなる多結晶となる。この多結晶は、製法にもよるが、粒径が数百ｎｍの粒状の結晶（粒状結晶）が寄り集まって構成されたり、幅は数百ｎｍで膜厚方向には１つの細長い結晶粒である柱状結晶が寄り集まって構成される。柱状結晶においては、膜厚方向に同じ結晶面で成長したものが多くなるほど（配向性が高くなるほど）、膜の圧電特性が高くなることが知られている。
圧電特性を向上させる方法の１つとして、圧電体に不純物を添加することでドメインの非１８０°分極回転を生じ易くさせ、比誘電率、圧電特性を向上させるというものがある。特に、図９に示したＡＢＯ3型のペロブスカイト構造の圧電体において、Ｂサイトに位置するジルコニウム（Ｚｒ）またはチタン（Ｔｉ）を、それらよりも一つだけ価数の大きい元素であるニオブ（Ｎｂ）で置換することで得られるＰＮＺＴという物質は、Ｎｂを添加しないＰＺＴに比べて、高い比誘電率と圧電定数を有することが知られている。
ここで、バルクセラミックスでは、Ｎｂの添加量はモル比で数％程度であり、それ以上の量を添加しようとすると、元のＰＺＴとの価数の違いから、適正に焼成することができず、圧電素子が得られなかった。しかし、近年では、ＰＮＺＴを薄膜にすることで、１０モル％を超えるような多量のＮｂを添加できることがわかってきた。例えば特許文献１では、ゾルゲル法でＰＮＺＴを成膜する際に、Ｓｉなどの焼結助剤をＮｂとともに添加することで、１０モル％以上のＮｂが添加可能であることが示されている。
ところが、焼結助剤を添加することで、Ｎｂの添加量は大きくできても、圧電特性は向上せず、アクチュエータとしては適さないことがわかった。そこで、例えば特許文献２では、ＰＮＺＴをスパッタ法によって非平衡状態で成膜することで、焼結助剤を用いずにＮｂを１０モル％以上添加できるようにしている。また、特許文献２では、ＰＮＺＴを、Ｐｂ1+δ〔（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）1-yＮｂy〕Ｏzで表したとき、１＋δ＝１．０２〜１．１０、ｙ＝０．１〜０．２５、２＜ｚ≦３のときに、強誘電性に優れたＰＮＺＴ膜が得られること、およびＰｂ1.12Ｚｒ0.43Ｔｉ0.44Ｎｂ0.13Ｏ3の組成で高い圧電定数ｄ31が得られることが開示されている。
さらに、特許文献３では、スパッタ法の成膜パラメータのうち、成膜温度とターゲット−基板間の距離とを適正な範囲とすることで、圧電特性ｄ31＝−２５０［ｐｍ／Ｖ］と高い特性を有するアクチュエータ用途のＰＮＺＴ膜が得られることが開示されている。
特開２００５−０７２４７４号公報（請求項１〜３、段落〔００２６〕等参照） 特開２００８−２７０７０４号公報（請求項１、段落〔００１０〕、〔００１１〕、〔００１４〕、〔００２２〕、〔００２３〕、〔００８５〕〜〔００９２〕、〔０１０２〕等参照） 特開２００８−０８１８０２号公報（請求項１、６、７、段落〔０００７〕、〔００２６〕、〔００２７〕、〔００８６〕〜〔００９３〕等参照）
ところが、特許文献２では、ＰＮＺＴ膜のＺｒ（またはＴｉ）の具体的な比率については、Ｚｒ／Ｔｉ＝０．５２／０．４８、Ｚｒ／Ｔｉ＝０．４３／０．４４の２種類が開示されているだけで、高い圧電特性が得られるようなＺｒの比率の具体的な範囲については何ら検討されていない。また、特許文献３では、Ｐｂ1.3Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48Ｏ3のターゲットを用いてＮｂドープのＰＺＴを成膜した点、および、成膜されたＰＮＺＴでは、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）＝１．０２である点が開示されているだけで、ｄ31＝−２５０［ｐｍ／Ｖ］と高い圧電特性が得られるＰＮＺＴ膜の詳細な組成（各元素の具体的なモル比）および組成比率の適切な範囲は全く開示されていない。
特に、ＰＮＺＴ膜におけるＺｒの比率は、圧電特性のみならず、耐電圧にも影響することがわかっている。したがって、耐久性の向上の観点からも、ＰＮＺＴ膜におけるＺｒの比率の範囲を適切に設定することが望まれる。
また、ＰＮＺＴ薄膜の膜応力が小さすぎると、最適組成は応力がかかっていないバルクの場合に近くなり、薄膜特有の組成で高い圧電特性を得ることが困難になる。一方、膜応力が高すぎると、膜にクラックが入ったり、基板上に膜を形成したときに膜剥がれが生じやすくなって高い圧電特性を得ることが困難となる。したがって、薄膜特有の組成で、クラック等を生じさせずに高い圧電特性を実現するためには、必要に応じて膜応力を規定する必要がある。この点、特許文献２では、膜応力に関する記載は一切ない。また、特許文献３では、成膜中または成膜後の降温過程における応力については触れられているものの、薄膜特有の組成で高い圧電特性を得るための膜応力の調整については一切述べられていない。
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、ＰＮＺＴの組成比率の範囲を適切に規定し、必要に応じて膜応力の範囲を適切に規定することにより、ＰＮＺＴの薄膜特有の組成で高い圧電特性を実現できるとともに、耐電圧を向上させて耐久性を向上させることができる強誘電体薄膜と、その強誘電体薄膜を備えた圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタとを提供することにある。
本発明の一側面に係る強誘電体薄膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上であり、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５２％以上５９％以下であり、膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である。
本発明の他の側面に係る強誘電体薄膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上１０５％以下であり、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５４％以上５９％以下である。
ＰＮＺＴ薄膜の各組成の比率（比率ａ〜ｃ）の範囲を適切に規定し、必要に応じて膜応力の範囲を適切に規定することにより、ＰＮＺＴの薄膜特有の組成で高い圧電特性を実現することができるとともに、ＰＮＺＴ薄膜の耐電圧を向上させて、耐久性を向上させることができる。
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備え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である。 図２Ａ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。 基板上に圧電薄膜を成膜した圧電薄膜付き基板の製造工程を示す断面図である。 シード層を有する上記圧電薄膜付き基板の断面図である。 圧電変位測定計の概略の構成を示す斜視図である。 圧電体の結晶構造を模式的に示す説明図である。
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２Ａは、インクジェットヘッド２１のアクチュエータ２１ａ（圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ）の概略の構成を示す平面図であり、図２Ｂは、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。また、図３は、図２Ｂ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。
インクジェットヘッド２１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、下部電極２４、圧電薄膜２５、上部電極２６をこの順で有している。
基板２２は、厚さが例えば３００〜７５０μｍ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２Ｂ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（圧力室２２ａよりも圧電薄膜形成側に位置する壁）は、従動膜となる振動板２２ｂを構成しており、圧電薄膜２５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。
下部電極２４は、複数の圧力室２２ａに共通して設けられるコモン電極であり、Ｔｉ（チタン）層とＰｔ（白金）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、熱酸化膜２３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０．１μｍ程度である。
圧電薄膜２５は、例えばＰＺＴにＮｂ（ニオブ）を添加したＰＮＺＴ（ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛）からなる強誘電体薄膜で構成されており、各圧力室２２ａに対応して設けられている。圧電薄膜２５の膜厚は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。
本実施形態では、圧電薄膜２５を構成するＰＮＺＴにおいて、Ｚｒ（ジルコニウム）とＴｉとＮｂとの総和に対するＰｂ（鉛）の比率ａが、モル比で１００％以上であり、ＺｒとＴｉとＮｂとの総和に対するＮｂの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ＺｒとＴｉとの総和に対するＺｒの比率ｃが、モル比で５２％以上５９％以下であり、膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である。または、ＰＮＺＴにおいて、比率ａがモル比で１００％以上１０５％以下であり、比率ｂがモル比で１０％以上２０％以下であり、比率ｃがモル比で５４％以上５９％以下である。
言い換えれば、ＰＮＺＴの組成を、Ｐｂ1+δ〔（ＺｒxＴｉ1-x）1-yＮｂy〕Ｏ3で表したとき、
δ≧０
０．１０≦ｙ≦０．２０
０．５２≦ｘ≦０．５９
であり、かつ、膜応力が１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下であるか、
０≦δ≦０．０５
０．１０≦ｙ≦０．２０
０．５４≦ｘ≦０．５９
である。
このようにＰＮＺＴの組成比率を規定し、必要に応じて膜応力を規定することにより、高い圧電特性を持つＰＮＺＴを実現できるとともに、耐電圧を向上させることができるが、その詳細については、後述する実施例で説明する。
上部電極２６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２５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２６は、下部電極２４との間で圧電薄膜２５を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Ｐｔ層の代わりに、金（Ａｕ）からなる層を形成してもよい。
下部電極２４、圧電薄膜２５および上部電極２６は、圧力室２２ａ内のインクを外部に吐出させるための薄膜圧電素子２７を構成している。この薄膜圧電素子２７は、駆動回路２８から下部電極２４および上部電極２６に印加される電圧（駆動信号）に基づいて駆動される。インクジェットヘッド２１は、薄膜圧電素子２７および圧力室２２ａを縦横に並べることにより形成される。
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に収容される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２４および上部電極２６に電圧を印加すると、圧電薄膜２５が、下部電極２４と上部電極２６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２５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。
本実施形態のインクジェットヘッド２１ａにおいては、後述するように、圧電アクチュエータ２１ａの圧電薄膜２５の圧電特性が高いため、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となり、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタ１を実現することが可能となる。
また、上記した圧電アクチュエータ２１ａ（圧電薄膜付き基板）において、圧電薄膜２５に対して下部電極２４とは反対側に別の上部電極２６が形成されているため、圧電薄膜２５を印加電圧に応じて確実に伸縮させることができる。
〔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４は、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をそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜２３ａ上に、ＴｉおよびＰｔの各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極２４を形成する。
続いて、基板２２を６００℃程度に再加熱し、変位膜となるＰＮＺＴの層２５ａをスパッタ法で成膜する。次に、基板２２に感光性樹脂３５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３５の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜２５の形状を転写する。その後、感光性樹脂３５をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２５ａの形状を加工し、圧電薄膜２５とする。
次に、圧電薄膜２５を覆うように下部電極２４上に、ＴｉおよびＰｔの各層をスパッタ法で順に成膜し、層２６ａを形成する。続いて、層２６ａ上に感光性樹脂３６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３６の不要な部分を除去し、形成する上部電極２６の形状を転写する。その後、感光性樹脂３６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、上部電極２６を形成する。
次に、基板２２の裏面（熱酸化膜２３ｂ側）に感光性樹脂３７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３７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３７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を形成してアクチュエータ２１ａとする。
その後、アクチュエータ２１ａの基板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２３ｂ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。
なお、下部電極２４を構成する電極材料は、上述したＰｔに限定されるわけではなく、その他にも、例えばＡｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）、ＩｒＯ2（酸化イリジウム）、ＲｕＯ2（酸化ルテニウム）、ＬａＮｉＯ3（ニッケル酸ランタン）、ＳｒＲｕＯ3（ルテニウム酸ストロンチウム）等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。
〔インクジェットヘッドの他の構成〕
図５は、インクジェットヘッド２１の他の構成を示す断面図である。同図のように、下部電極２４と圧電薄膜２５との間にシード層２９を設けるようにしてもよい。シード層２９は、圧電薄膜２５の結晶配向性を制御するための配向制御層である。このようなシード層２９は、例えばＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）で構成されるが、ＬａＮｉＯ3やＳｒＲｕＯ3で構成されてもよい。
〔実施例〕
次に、圧電薄膜を構成するＰＮＺＴの組成比の具体例について、圧電薄膜の製法も含めて実施例として説明する。また、実施例との比較のため、比較例についても併せて説明する。図６は、基板上に圧電薄膜を成膜した圧電薄膜付き基板の製造工程を示す断面図である。
（実施例１）
まず、厚さ４００μｍ程度の単結晶Ｓｉウェハからなる基板４１に、熱酸化膜４２を１００ｎｍ程度形成した。ウェハの厚みは３００μｍ〜７２５μｍ、直径は３インチ〜８インチなど、標準的な値でよい。熱酸化膜４２は、ウェット酸化用熱炉を用いてＳｉウェハを酸素雰囲気中に１２００℃程度の高温にさらすことで形成できる。なお、基板４１および熱酸化膜４２は、図２Ｂの基板２２および熱酸化膜２３にそれぞれ対応するものである。
次に、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、スパッタ法により、厚さ１０ｎｍ程度のＴｉ層を密着層として形成し、さらにＰｔ層を１５０ｎｍ程度形成して、下部電極４３を形成した。このときのＴｉのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、圧力：０．９Ｐａ、ターゲットに印加するＲＦパワー：１００Ｗ、基板温度：４００℃であった。また、Ｐｔのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、圧力：０．８Ｐａ、ターゲットに印加するＲＦパワー：１５０Ｗ、基板温度：４００℃であった。なお、下部電極４３は、図２Ｂの下部電極２４に対応するものである。
なお、Ｔｉ、Ｐｔの成膜は、チャンバー内にＴｉ、Ｐｔの２つのターゲットをもつ２元スパッタリング装置を用いて行った。これにより、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板の積層構造を、真空から出すことなく連続して形成することができる。
密着層としてのＴｉ層は、後工程（ＰＮＺＴ層の形成など）で高温にさらされるとＴｉがＰｔ膜内に拡散して、Ｐｔ層の表面にヒロックを形成し、ＰＮＺＴ膜の駆動電流のリークや配向性劣化などの不具合を生じる恐れがある。そこで、このような不具合防止のために、密着層をＴｉではなくＴｉＯｘとしてもよい。なお、ＴｉＯｘは、Ｔｉのスパッタ時に酸素を導入し、反応性スパッタで形成することもできるし、Ｔｉ成膜後にＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）炉により酸素雰囲気中で７００℃程度の加熱を行うことで形成することもできる。
続いて、スパッタリング装置を用い、Ｐｔ上にＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、ＰＮＺＴからなる圧電薄膜４４を形成した。これにより、基板４１上に圧電薄膜４４を形成した圧電薄膜付き基板４０が形成される。なお、圧電薄膜４４は、図２Ｂの圧電薄膜２５に対応するものである。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．６ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：６００℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：５００Ｗであった。
また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５７／４３となっているものにＮｂを１０モル％添加したものを用いた。なお、ターゲットに含まれるＰｂは、高温成膜時に再蒸発しやすく、形成された薄膜がＰｂ不足になりやすいため、ペロブスカイト結晶の化学量論比よりも多めに添加する必要がある。ターゲットのＰｂ量は、成膜温度にもよるが、化学量論比よりも１０〜３０％増やすことが望ましい。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸ線回折（ＸＲＤ：X-ray diffraction）で測定した結果、膜の結晶構造は擬立方晶であり、その（１００）配向度は９０％であった。なお、（１００）配向とは、ペロブスカイトの結晶配向を指し、これには分極方向が基板の面に平行な〈１００〉方向のみならず、これと等価な方向（例えば基板の面に垂直な〈００１〉方向）であるものも含まれる。上記のように膜の（１００）配向度は９０％であることから、残りの１０％は（１１１）配向であると考えることができる。
また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。成膜されたＰＮＺＴ膜の結晶構造が柱状結晶となることで、膜厚方向には単一の結晶粒からなる膜が得られ、結晶粒の体積が粒状結晶よりも大きくなる。このため、単結晶内に分極ドメインがより多く存在するようになり、それによって分極回転による圧電特性の向上が望める。
さらに、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）によりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５６．８／４３．２となっており（Ｚｒ組成比は５６．８モル％）、Ｎｂ組成比（添加比）は１０．５モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０４．１モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを接触式段差計を用いて測定し、膜応力を求めた。膜応力は、成膜前後のウェハの反りから、以下の式で求められる。
Figure 2015174265
ここで、ｄは膜厚、Ｄはウェハの厚さ、Ｅｓはウェハの縦弾性係数、νｓはウェハのポアソン比、ａは基板半径、ｈ2は成膜後のウェハの反り、ｈ1は成膜前のウェハの反りを表す。本実施例で用いているＳｉ基板の場合、Ｅｓは１６０［ＧＰａ］、νｓは０．２となっている。測定の結果、本実施例のＰＮＺＴの膜応力は、１５０ＭＰａであった。
なお、ＰＮＺＴの組成を、Ｐｂ1+δ〔（ＺｒxＴｉ1-x）1-yＮｂy〕Ｏ3で表したとき、Ｚｒ組成比はｘの値に対応しており、Ｎｂ組成比はｙの値に対応しており、Ｐｂ組成比は（１＋δ）の値に対応している。
次に、圧電薄膜４４上に、Ａｕを蒸着して上部電極を形成し、圧電素子５０（図８参照）を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、図８に示す圧電変位測定計を用いたカンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２３５．６ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
なお、上記の圧電変位測定計では、カンチレバーの可動長さが１０ｍｍになるように、圧電素子５０の端部を固定部５１でクランプして片持ち梁構造とし、関数発生器５２により、上部電極に最大０Ｖ、下部電極に最小−２０Ｖの電圧を５００Ｈｚの周波数にて印加し、圧電素子５０の端部の変位をレーザードップラー振動計５３によって観察した。そして、得られた圧電変位から、公知の手法で圧電定数ｄ31を求めた。
次に、アジレント社製の半導体パラメータアナライザＢ１５００Ａを用い、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行った。その結果、耐電圧は７２Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（実施例２）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、図７に示すシード層４５としてのＰＬＴを１００ｎｍ程度形成した。なお、シード層４５は、図５のシード層２９に対応するものである。ＰＬＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：３０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．６ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：７００℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：３００Ｗであった。
続いて、スパッタリング装置にて、ＰＬＴ上にＰＮＺＴを３μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．５ｓｃｃｍ、圧力：０．４Ｐａ、基板温度：５５０℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：６００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５４／４６となっているものにＮｂを１２モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、ＰＮＺＴ膜は多配向となっていることがわかった。また、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５４．１／４５．９となっており、Ｎｂ組成比は１２．１モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０２．５モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は１００ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２５０．３ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は８０Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（実施例３）
実施例２と同様にして作製したＰＬＴ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを６μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．５ｓｃｃｍ、圧力：０．４Ｐａ、基板温度：６５０℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：６００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５４／４６となっているものにＮｂを１５モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９９％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚６μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５５．４／４４．６となっており、Ｎｂ組成比は１５．４モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０４．４モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は２５０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２８０．２ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は７２Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（実施例４）
実施例２と同様にして作製したＰＬＴ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを５μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、実施例３と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５８／４２となっているものにＮｂを１８モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９８％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚５μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５８．９／４１．１となっており、Ｎｂ組成比は１８．２モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０５．０モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は２００ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２６９．９ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は８０Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（実施例５）
実施例２と同様にして作製したＰＬＴ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを３μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、実施例３と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５８／４２となっているものにＮｂを２０モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９８％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚３μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５７．８／４２．２となっており、Ｎｂ組成比は２０．０モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０１．９モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は１５０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２０３．０ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は８５Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（実施例６）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．６ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：６５０℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：５００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５２／４８となっているものにＮｂを１０モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５２．５／４７．５となっており、Ｎｂ組成比は１０．１モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０３．０モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は１８０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２１４．６ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は７１Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（比較例１）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．６ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：５００℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：５００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５２／４８となっているものにＮｂを１０モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５２．１／４７．９となっており、Ｎｂ組成比は９．５モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０３．６モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は９０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１７８．７ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は６２Ｖであり、目標の７０Ｖには届いていなかった。
（比較例２）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを６μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、実施例１と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で６０／４０となっているものにＮｂを２２モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚６μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で６０．１／３９．９となっており、Ｎｂ組成比は２１．５モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０６．１モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は２６０ＭＰａであった。このような高い応力のため、膜の一部にはクラックが入っていた。
次に、実施例１と同様にして、クラックが入っていない領域の圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１９０．２ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は５８Ｖであり、目標の７０Ｖには届いていなかった。
（比較例３）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＺＴのスパッタ条件は、実施例１のＰＮＺＴのスパッタ条件と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５２／４８となっているものを用いた。
成膜されたＰＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５２．２／４７．８となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０４．１モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＺＴの膜応力は９０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１６６．０ｐｍ／Ｖとなっており、ＰＮＺＴで達成できている−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は５６Ｖであり、目標の７０Ｖには届いていなかった。
（比較例４）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＺＴのスパッタ条件は、実施例１のＰＮＺＴのスパッタ条件と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５５／４５となっているものを用いた。
成膜されたＰＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５４．５／４５．５となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０３．９モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＺＴの膜応力は１１０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１４４．３ｐｍ／Ｖとなっており、ＰＮＺＴで達成できている−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は７５Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（比較例５）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＺＴのスパッタ条件は、実施例１のＰＮＺＴのスパッタ条件と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で６０／４０となっているものを用いた。
成膜されたＰＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で６０．３／３９．７となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０３．６モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＺＴの膜応力は１００ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１３７．１ｐｍ／Ｖとなっており、ＰＮＺＴで達成できている−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は７８Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
（比較例６）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、実施例２と同様であり、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５２／４８となっているものにＮｂを１２モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５１．９／４８．１となっており、Ｎｂ組成比は１２．４モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１０３．８モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は１２０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−２４９．５ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖよりも高い圧電特性が得られていることがわかった。
しかし、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は５５Ｖであり、目標の７０Ｖには届いていなかった。
（比較例７）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．８ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：４５０℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：５００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５２／４８となっているものにＮｂを１０モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５２．２／４７．８となっており、Ｎｂ組成比は１０．６モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は１１１．０モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は８０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１８６．４ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は４５Ｖであり、目標の７０Ｖには届いていなかった。
（比較例８）
実施例１と同様にして作製したＰｔ／Ｔｉ／Ｓｉ基板上に、スパッタリング装置を用いて、ＰＮＺＴを４μｍ程度成膜し、圧電薄膜４４を形成した。ＰＮＺＴのスパッタ条件は、Ａｒ流量：２０ｓｃｃｍ、Ｏ2流量：０．３ｓｃｃｍ、圧力：０．５Ｐａ、基板温度：７００℃、ターゲットに印加するＲＦパワー：５００Ｗであった。また、スパッタのターゲットには、Ｚｒ／Ｔｉ比がモル比で５５／４５となっているものにＮｂを１５モル％添加したものを用いた。
成膜されたＰＮＺＴ膜をＸＲＤで測定した結果、膜の（１００）配向度は９０％であった。また、成膜されたＰＮＺＴ膜の断面形状をＳＥＭで確認すると、膜厚４μｍの柱状結晶が得られていることがわかった。さらに、ＥＤＸによりＰＮＺＴ膜の組成を分析した結果、Ｚｒ／Ｔｉ比はモル比で５５．２／４４．８となっており、Ｎｂ組成比は１５．５モル％となっており、ターゲット組成に近い組成の膜が得られていることがわかった。ちなみに、膜のＰｂ組成比は９７．８モル％であった。また、成膜前後のウェハの反りを測定して膜応力を求めた結果、ＰＮＺＴの膜応力は２１０ＭＰａであった。
次に、実施例１と同様にして、圧電薄膜４４上に上部電極を形成して圧電素子５０を完成させた後、ウェハから圧電素子５０を短冊状に切り出し、カンチレバー法により圧電定数ｄ31を求めた。その結果、ｄ31＝−１３７．５ｐｍ／Ｖとなっており、目標値となる−２００ｐｍ／Ｖには達していなかった。
また、実施例１と同様にして、Ｉ−Ｖ耐電圧の評価を行ったところ、耐電圧は９０Ｖであり、目標の７０Ｖを超える耐電圧が得られていた。
表１は、実施例１〜６および比較例１〜８における測定結果をまとめたものである。また、それぞれの組成およびパラメータの目標値と、膜の評価結果とを表１に併せて示す。なお、膜の評価結果は、以下の基準に基づいて評価した結果を示している。
（評価基準）
×・・・圧電特性が目標値未満である。
△・・・圧電特性が目標値以上であり、耐電圧が目標値未満である。
○・・・圧電特性および耐電圧の両方が目標値以上である。
◎・・・圧電特性および耐電圧の両方が目標値以上であり、かつ、圧電特性が非常に高い（｜ｄ31｜≧２６０Ｖ）。
Figure 2015174265
表１より、比較例１〜８の膜（ＰＮＺＴ膜またはＰＺＴ膜）では、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各組成比および膜応力の少なくともいずれかが目標値の範囲を外れており、その結果、圧電特性および耐電圧の少なくとも一方が目標値未満となっている。これに対して、実施例１〜６のＰＮＺＴ膜では、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各組成比および膜応力の全てについて、目標値の範囲に入っており、その結果、圧電特性および耐電圧の両方が目標値以上となっている。
したがって、ＰＮＺＴ膜において、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各組成比および膜応力を、目標値の範囲となるように適切に調整することにより、ＰＮＺＴの薄膜特有の組成で高い圧電特性（｜ｄ31｜≧２００Ｖ）を実現することができるとともに、ＰＮＺＴ薄膜の耐電圧を向上させて、耐久性を向上させることができると言える。
つまり、ＰＮＺＴ膜において、以下の条件（１）の（１ａ）〜（１ｄ）を同時に満足すれば、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖを超える高い圧電特性が得られるとともに、７０Ｖを超える耐電圧が得られると言える。ちなみに、実施例１〜６は条件（１）を満足している。
＜条件（１）＞
（１ａ）Ｐｂ組成比（ＺｒとＴｉとＮｂとの総和に対するＰｂの比率ａ）が、モル比で１００％以上である。
（１ｂ）Ｎｂ組成比（ＺｒとＴｉとＮｂとの総和に対するＮｂの比率ｂ）が、モル比で１０％以上２０％以下である。
（１ｃ）Ｚｒ組成比（ＺｒとＴｉとの総和に対するＺｒの比率ｃ）が、モル比で５２％以上５９％以下である。
（１ｄ）膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である。
ここで、ＰＮＺＴ膜の膜応力が１００ＭＰａよりも小さくなると、最適組成は応力がかかっていないバルクの場合に近くなり、薄膜特有の組成では高い圧電特性を得ることが困難になる。一方、膜応力が２５０ＭＰａよりも大きくなると、膜にクラックが入ったり、基板上に膜を形成したときに膜剥がれが生じやすくなって高い圧電特性を得ることが困難となる。したがって、条件（１）において、膜応力を１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下とすることにより、上記した薄膜特有の組成（比率ａ〜ｃ）で、クラック等を生じさせずに高い圧電特性を実現することができる。
なお、膜応力は大きいほうが好ましいが、１９０ＭＰａを超えると圧電特性が大きくなり、基板上に膜を形成したときに膜剥がれが生じやすいため、公知の方法で膜剥がれを防止するための補強を行うことが望ましい。
なお、条件（１）では、Ｐｂ組成比の上限を規定していないが、これは、膜応力が１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の条件を満たす範囲で、Ｐｂ組成比を大きくできることを意味する。実際には、Ｐｂ組成比を大きくすれば、膜応力が増大するため、膜応力を２５０ＭＰａ以下に抑えるためには、Ｐｂ組成比を１０５モル％以下とすることが望ましい。
また、表１の実施例１〜５の結果より、ＰＮＺＴ膜において、以下の条件（２）の（２ａ）〜（２ｃ）を同時に満足することにより、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖを超える高い圧電特性が得られるとともに、７０Ｖを超える耐電圧が得られると言える。
＜条件（２）＞
（２ａ）Ｐｂ組成比（ＺｒとＴｉとＮｂとの総和に対するＰｂの比率ａ）が、モル比で１００％以上１０５％以下である。
（２ｂ）Ｎｂ組成比（ＺｒとＴｉとＮｂとの総和に対するＮｂの比率ｂ）が、モル比で１０％以上２０％以下である。
（２ｃ）Ｚｒ組成比（ＺｒとＴｉとの総和に対するＺｒの比率ｃ）が、モル比で５４％以上５９％以下である。
特に、条件（２）のように、Ｚｒの組成比をモル比で５４％以上５９％以下とし、条件（１）よりもさらに絞ることにより、ＰＮＺＴ薄膜の耐電圧を７２Ｖ以上に確実に向上させて、耐久性を確実に向上させることができると言える。
また、実施例３および４では、｜ｄ31｜が２６０ｐｍ／Ｖと目標値よりもさらに高い値が得られている。したがって、この結果より、条件（１）または（２）を満足するＰＮＺＴ膜において、Ｎｂ組成比（比率ｂ）がモル比で１５％以上１９％以下であり、Ｚｒ組成比（比率ｃ）がモル比で５５％以上５９％以下であれば、さらに高い圧電特性を実現できると言える。特に、表１より、Ｐｂ組成比（比率ａ）がモル比で１０４％以上１０５％以下であることで、その効果を確実に得ることができると言える。
また、実施例１、３〜６では、ＰＮＺＴ膜の（１００）配向度は９０％以上であり、結晶配向（主配向）は（１００）配向と言える。（１００）配向であれば、ドメインの分極回転（例えば基板の面に平行な〈１００〉方向から基板の面に垂直な〈００１〉方向への分極方向の変化）を利用して圧電特性を向上させることができる。したがって、このようなドメインの回転が生じない（１１１）配向の場合に比べて、高い圧電特性を実現することができる。
また、基板４１上に圧電薄膜４４を形成した圧電薄膜付き基板４０においては、異種材料である圧電薄膜４４と基板４１との熱膨張係数の違いにより、圧電薄膜４４に上記した高い膜応力（熱応力）が付与されるものと考えられる。これにより、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖを超える圧電特性を得ることができる。
特に、Ｓｉの熱膨張係数は、２．６ｐｐｍ／Ｋであり、ＰＮＺＴの熱膨張係数は、約８ｐｐｍ／Ｋであるため、基板４１をＳｉで構成し、圧電薄膜４４をＰＮＺＴで構成した場合には、基板４１との熱膨張係数の差により、高温成膜によって圧電薄膜４４に高い膜応力が確実に付与されるものと考えられる。これにより、圧電薄膜４４において高い圧電特性を確実に実現することができる。なお、基板４１は、Ｓｉを含むものであれば、シリコン基板単体であってもよいし、前述のＳＯＩ基板であってもよい。
また、実施例２〜５のように、基板４１と圧電薄膜４４との間にシード層４５が形成されていることにより、シード層４５を下引き層として、その上に高い結晶性を有する圧電薄膜４４を形成することができる。これにより、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖを超える圧電特性を容易に実現することができるものと考えられる。
特に、シード層がペロブスカイト構造を有するＰＬＴであるため、ＰＬＴの上に圧電薄膜４４をペロブスカイト単層で形成することが容易となり、高い圧電特性を実現することがさらに容易になるものと考えられる。
また、基板４１と圧電薄膜４４との間に電極（下部電極４３）が形成されているので、圧電薄膜４４を一対の電極（下部電極４３および上部電極）で挟んで構成される圧電アクチュエータ（圧電素子５０）に好適な圧電薄膜付き基板４０を実現することができる。
次に、ＰＮＺＴ薄膜の膜厚と圧電特性との関係について調べた結果を以下に示す。
（実施例７〜９、比較例９〜１０）
実施例２と同様の手法でＰＮＺＴを成膜した。その際に、ＰＮＺＴの成膜時間を変えることで、膜厚を３．０〜１３．２μｍの間で変化させてＰＮＺＴを成膜した。そして、各膜厚のＰＮＺＴの圧電特性を評価した。表２は、膜厚の異なるＰＮＺＴについて、実施例１等と同様にして測定した膜応力と圧電特性の結果を示したものである。なお、比較例１０については、高応力によって膜にクラックが入ったため、圧電特性を測定していない。
Figure 2015174265
表２より、ＰＮＺＴの膜厚が１０μｍ以下では、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖを超える高い圧電特性が得られていることがわかる（実施例２、７〜９参照）。一方、比較例９および１０のように、ＰＮＺＴ膜の膜厚が１０μｍを超えると、ｄ31が−２００ｐｍ／Ｖに達しなくなり、ひいては膜にクラックが入ることになるため、ＰＮＺＴ膜の膜厚は１０μｍ以下が望ましいと言える。また、ＰＮＺＴ膜の膜厚が１μｍ未満の場合、薄膜で所望の変位発生力を得ることが困難となり、圧電アクチュエータ等のデバイスへの適用が困難になることがわかっている。したがって、デバイスへの適用および圧電特性を考えると、ＰＮＺＴ膜の膜厚は１〜１０μｍの範囲であることが望ましいと言える。
〔その他〕
以上の実施例では、圧電薄膜（強誘電体薄膜）の形成にスパッタ法を用いているが、膜の製法はこれらに限定されるわけではない。本実施形態で示したＰＮＺＴの組成比率を実現できるのであれば、例えば、パルスレーザーデポジション（ＰＬＤ）法やイオンプレーティング法などの物理成膜法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などの化学成膜法を用いて圧電薄膜を成膜してもよい。
以上で説明した本実施形態の強誘電体薄膜、圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタは、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。
本実施形態の強誘電体薄膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上であり、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５２％以上５９％以下であり、膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である。
ＰＮＺＴを構成するＰｂ、Ｎｂ、Ｚｒの各比率（比率ａ〜ｃ）を、バルクでの最適範囲とは異なる上記範囲に規定することにより、ＰＺＴの薄膜では実現できないような高い圧電特性（例えば｜ｄ31｜≧２００ｐｍ／Ｖ）を、ＰＮＺＴの薄膜で実現することができる。また、膜応力を上記範囲に規定することにより、上記した薄膜特有の組成（比率ａ〜ｃ）で、クラック等を生じさせずに高い圧電特性を実現することができる。さらに、ＰｂおよびＮｂの各比率の範囲を上記のように規定した上で、Ｚｒ比率を上記範囲に規定することにより、ＰＮＺＴ膜の耐電圧を向上させて、耐久性を向上させることができる。なお、Ｚｒ比率（比率ｃ）は、モル比で５２％よりも大きく５９％未満であることが、ＰＮＺＴ膜の耐電圧を確実に向上させて、耐久性を確実に向上させる観点から望ましい。
前記比率ａが、モル比で１０５％以下であってもよい。この場合、上述した比率ｂおよび比率ｃの範囲で、上記範囲の膜応力を確実に実現することができる。
本実施形態の強誘電体薄膜は、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上１０５％以下であり、ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５４％以上５９％以下である。
ＰＮＺＴを構成するＰｂ、Ｎｂ、Ｚｒの各比率（比率ａ〜ｃ）を、バルクでの最適範囲とは異なる上記範囲に規定することにより、ＰＺＴの薄膜では実現できないような高い圧電特性（例えば｜ｄ31｜≧２００ｐｍ／Ｖ）を、ＰＮＺＴの薄膜で実現することができる。また、比率ａおよび比率ｂが上記範囲のときに、比率ｃを上記範囲に絞ることにより、ＰＮＺＴ薄膜の耐電圧を確実に向上させて、その耐久性を確実に向上させることができる。
前記比率ｂが、モル比で１５％以上１９％以下であり、前記比率ｃが、モル比で５５％以上５９％以下であることが望ましい。この場合、ＰＮＺＴの薄膜で、さらに高い圧電特性（例えば｜ｄ31｜≧２６０ｐｍ／Ｖ）を実現することができる。
上記の強誘電体薄膜において、膜の結晶配向が、擬立方晶の（１００）配向であることが望ましい。この場合、ドメインの非１８０°分極回転が他の結晶構造に比べて低い電界で生じるため、これを利用して圧電特性を向上させることができる。これにより、膜の結晶配向が（１１１）配向の場合に比べて、高い圧電特性を実現することができる。
上記の強誘電体薄膜において、膜の結晶構造が、柱状結晶であることが望ましい。この場合、膜の結晶構造が粒状結晶である場合に比べて、単結晶内に分極ドメインがより多く存在するようになり、分極回転による圧電特性の向上が期待できる。
上記の強誘電体薄膜において、膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。ＰＮＺＴ薄膜の膜厚が１μｍ未満の場合、薄膜で所望の変位発生力を得ることが困難となり、圧電アクチュエータ等のデバイスへの適用が困難となる。一方、膜厚が１０μｍを超えると、膜にクラックが入りやすくなり、高い圧電特性を得ることが困難となる。したがって、ＰＮＺＴ薄膜の膜厚を上記範囲に規定することにより、薄膜で所望の変位発生力を得てデバイスへの適用を容易にできるとともに、高い圧電特性を得ることができる。
本実施形態の圧電薄膜付き基板は、基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板であって、前記圧電薄膜は、上述した強誘電体薄膜で構成されている。この場合、基板との熱膨張係数の違いにより、圧電薄膜（強誘電体薄膜）に高い膜応力を付与して高い圧電特性を実現することができる。
前記基板は、シリコン基板またはＳＯＩ基板からなることが望ましい。なお、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板は、２枚のシリコン基板を酸化膜を介して貼り合わせた基板である。基板のＳｉとＰＮＺＴとは熱膨張係数が異なるなるため、ＰＮＺＴからなる圧電薄膜に高い膜応力を確実に付与して、高い圧電特性を確実に実現することができる。
前記基板と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層が形成されていることが望ましい。この場合、シード層の上に、高い結晶性を有する圧電薄膜を形成して、高い圧電特性を実現することが容易となる。
前記シード層は、チタン酸ランタン鉛からなることが望ましい。ＰＬＴはペロブスカイト構造を有するため、ＰＬＴの上に圧電薄膜をペロブスカイト単層で形成することが容易となり、高い圧電特性を実現することがさらに容易となる。
前記基板と前記圧電薄膜との間に電極が形成されていることが望ましい。この場合、圧電薄膜を一対の電極で挟んで構成される圧電アクチュエータに好適な圧電薄膜付き基板を実現できる。
本実施形態の圧電アクチュエータは、上述した圧電薄膜付き基板と、前記圧電薄膜付き基板の前記圧電薄膜に対して前記電極とは反対側に形成される別の電極とを備えている。この場合、圧電薄膜を印加電圧に応じて伸縮させる構成を確実に実現することができる。
本実施形態のインクジェットヘッドは、上記の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータ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。この構成では、圧電アクチュエータの圧電特性が高いため、高粘度のインクを用いたインク吐出が可能となる。
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。上記のインクジェットヘッドを備えていることにより、高速で高精細な描画に有利なインクジェットプリンタを実現できる。
本発明の強誘電体薄膜は、基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板や、その圧電薄膜付き基板を有する圧電アクチュエータ、さらにはインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに利用可能である。
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（圧電薄膜付き基板、圧電アクチュエータ）
２２ 基板
２２ａ 圧力室（開口部）
２４ 下部電極
２５ 圧電薄膜（強誘電体薄膜）
２６ 上部電極
２９ シード層
３１ ノズル基板
３１ａ 吐出孔（ノズル孔）
４０ 圧電薄膜付き基板
４１ 基板
４３ 下部電極
４４ 圧電薄膜（強誘電体薄膜）
４５ シード層

Claims (15)

  1. ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、
    ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上であり、
    ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、
    ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５２％以上５９％以下であり、
    膜応力が、１００ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下である、強誘電体薄膜。
  2. 前記比率ａが、モル比で１０５％以下である、請求項１に記載の強誘電体薄膜。
  3. ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる強誘電体薄膜であって、
    ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対する鉛の比率ａが、モル比で１００％以上１０５％以下であり、
    ジルコニウムとチタンとニオブとの総和に対するニオブの比率ｂが、モル比で１０％以上２０％以下であり、
    ジルコニウムとチタンとの総和に対するジルコニウムの比率ｃが、モル比で５４％以上５９％以下である、強誘電体薄膜。
  4. 前記比率ｂが、モル比で１５％以上１９％以下であり、
    前記比率ｃが、モル比で５５％以上５９％以下である、請求項１から３のいずれかに記載の強誘電体薄膜。
  5. 膜の結晶配向が、擬立方晶の（１００）配向である、請求項１から４のいずれかに記載の強誘電体薄膜。
  6. 膜の結晶構造が、柱状結晶である、請求項１から５のいずれかに記載の強誘電体薄膜。
  7. 膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１から６のいずれかに記載の強誘電体薄膜。
  8. 基板上に圧電薄膜を形成した圧電薄膜付き基板であって、
    前記圧電薄膜は、請求項１から７のいずれかに記載の強誘電体薄膜で構成されている、圧電薄膜付き基板。
  9. 前記基板は、シリコン基板またはＳＯＩ基板からなる、請求項８に記載の圧電薄膜付き基板。
  10. 前記基板と前記圧電薄膜との間に、前記圧電薄膜の結晶配向性を制御するためのシード層が形成されている、請求項８または９に記載の圧電薄膜付き基板。
  11. 前記シード層は、チタン酸ランタン鉛からなる、請求項１０に記載の圧電薄膜付き基板。
  12. 前記基板と前記圧電薄膜との間に電極が形成されている、請求項８から１１のいずれかに記載の圧電薄膜付き基板。
  13. 請求項１２に記載の圧電薄膜付き基板と、
    前記圧電薄膜付き基板の前記圧電薄膜に対して前記電極とは反対側に形成される別の電極とを備えている、圧電アクチュエータ。
  14. 請求項１３に記載の圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータ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。
  15. 請求項１４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。
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