专利名称：电介质薄膜元件及使用它的执行元件、喷墨头和喷墨记录装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于压电元件、热电型红外线检测元件、不易失存储器、光电效应元件等的电介质薄膜元件以及使用压电性电介质的压电效果的执行元件和使用该执行元件的喷墨头以及具有该喷墨头的喷墨记录装置。
背景技术：
在电子领域中，电介质被应用于压电元件、红外线传感器、光调制元件、存储器元件等各种元件。而且，随着显微机械加工技术的发展以及各种机器的小型轻型化的需要，采用这些电介质材料的各种薄膜器件通过薄膜化技术、显微加工技术而被投入实用中。
图15示出了传统的电介质薄膜元件结构的一个例子(参见I.Kanno等人的Appl.Phys.Let.70(1997)P1378-1380)。如图15所示，该电介质薄膜元件具有这样的结构，即它在由氧化镁(MgO)构成的单晶衬底91依次形成有作为第一电极的铂(Pt)制下电极膜92、由钛锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O3))(以下称为PZT)构成的压电性电介质薄膜93和作为第二电极的铂(Pt)制上电极膜94。而且，该电介质薄膜元件通过加工单晶衬底91例如被用于执行元件、压力传感器、加速度传感器等。
通常，电介质薄膜的结晶面和晶格常数等结晶参数受到用于形成该电介质薄膜的衬底的很大影响。例如根据报告，强电介质钛酸铅(PbTiO3)是如此取向的，即(001)面定向于结晶取向面(100)外露地切出的并由氧化镁构成的单晶衬底上，而且，(111)面定向在c面((0001)面))蓝宝石(氧化铝)衬底上。这是因为，钛酸铅(PbTiO3)受到形成它的衬底的结晶面的很大影响。此外，在用于形成电介质薄膜的衬底是单晶衬底的场合下，衬底的晶格常数与电介质薄膜的晶格常数相差很大，这也影响了定向结晶面。而且，与氧化物单晶、金属、玻璃等衬底的类型无关地，由于与衬底的热膨胀系数不同，所以，所形成的电介质薄膜的内应力变化，这样一来，晶格常数等结晶参数变化了。
通常，当电介质薄膜的结晶参数变化时，其电气特性(比介电常数，矫顽电场、自动分极、压电常数、热电系数等)、光学特性(衍射率、光电系数等)等薄膜特性有很大变化。
在图15所示的传统电介质薄膜元件的结构中，也可以通过改变成膜时的制造条件来改变电介质薄膜的膜特性，尽管这种改变程度很小。
不过，利用图15所示的传统结构得到的电介质薄膜的膜特性的变化程度要小于衬底热膨胀系数变化大时的情况。
而且，在用于形成电介质薄膜的衬底是单晶衬底的场合下，电介质薄膜的结晶取向面在很大程度上依赖于衬底，由于很难随意地定向控制其面方位，所以，也很难显著改变膜特性。
此外，在所形成的电介质薄膜的热膨胀系数与支承该薄膜的衬底的热膨胀系数的大小相差很大的情况下，在形成后的电介质薄膜上存在着很大的压缩应力或拉伸应力，与之相伴地，在电介质薄膜元件上有上凸状弯曲或下凸状弯曲(见图9)。因此，在大面积形成元件的场合下，借助使用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切断工序等的作业性和操作性恶化。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题地制定了本发明。本发明的目的是制造合格率优良地提供具有最佳膜特性的电介质薄膜元件以及使用该薄膜元件的执行元件、喷墨头及喷墨记录装置。
为实现上述目的，本发明的电介质薄膜元件的第一结构的特征是，在具有衬底、形成在该衬底上的第一电极、形成在第一电极上的电介质薄膜、形成在该电介质薄膜上的第二电极并且在加热所述衬底的状态下被制成的电介质薄膜元件中，作为所述衬底的材料，使用有一定热膨胀系数的材料，根据该衬底的热膨胀系数来控制该电介质薄膜的结晶取向性。
根据该电介质薄膜元件的第一结构，通过将具有最佳热膨胀系数的材料用作支承电介质薄膜的衬底的材料，可以实现电气特性等各种特性得到最佳化的电介质薄膜元件。
此外，在本发明的电介质薄膜元件的第一结构中，最好在所述衬底与第一电极之间设有中间层。根据这个优选实施例，能够与衬底类型无关地通过设置有一定面方位的中间层而获得具有反映出中间层的面方位的最佳结晶取向的电介质薄膜，并且可以实现电气特性等各种特性得到最佳化的电介质薄膜元件。而且，在这种场合下，作为中间层，最好使用具有岩盐型结晶结构的氧化物膜。在这种情况下，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜又最好具有(100)面取向、(111)面取向或(110)面取向。在这种场合下，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜又最好是由氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)和氧化锰(MnO)中选出的至少一种构成的膜。而且，在这种场合下，作为中间层，最好使用具有尖晶石型结晶结构的氧化物膜。
此外，在本发明的电介质薄膜元件的第一结构中，作为第一电极材料，优选使用从铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)和导电氧化镍(NiO)中选择的至少一种。
此外，本发明的电介质薄膜元件的第二结构的特点是，在具有衬底、形成在该衬底上的第一电极、形成在第一电极上的电介质薄膜、形成在该电介质薄膜上的第二电极并且在加热所述衬底的状态下被制成的电介质薄膜元件中，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，满足以下关系，即0.8≤αf/αs≤1.2。
根据这个电介质薄膜元件的第二结构，能够忽略在整个元件上形成的弯曲程度。结果，能够实现借助使用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切割分断工序等的作业性和操作性的提高。
而且，在本发明电介质薄膜元件的第二结构中，当所述电介质薄膜的厚度为tf并且所述衬底的厚度为ts时，最好满足以下关系，即0.2μm≤tf≤10μm并且0.15mm≤ts≤1.5mm。根据这个优选实施例，能够忽略在整个元件上形成的弯曲程度。结果，能够实现作业性和操作性的进一步提高。
此外，在本发明电介质薄膜元件的第二结构中，该电介质薄膜材料是压电性电介质薄膜材料，并且最好满足以下关系，即αf/αs＞1。根据这个优选实施例，可以实现压电特性更好的电介质薄膜元件。
此外，在本发明电介质薄膜元件的第二结构中，该电介质薄膜材料是热电性电介质薄膜材料，并且最好满足以下关系，即αf/αs＜1。根据这个优选实施例，可以实现热电性更好的电介质薄膜元件。
此外，在本发明电介质薄膜元件的第二结构中，该电介质薄膜材料最好至少有铅(Pb)和钛(Ti)的成分。
而且，在本发明电介质薄膜元件的第二结构中，最好在该衬底与第一电极之间设有中间层。在这种场合下，作为中间层，最好使用具有岩盐型结晶结构的氧化物膜。在这种情况下，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜又最好具有(100)面取向、(111)面取向或(110)面取向。在这种场合下，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜又最好是由氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)和氧化锰(MnO)中选出的至少一种构成的膜。而且，在这种场合下，作为中间层，最好使用具有尖晶石型结晶结构的氧化物膜。
此外，在本发明的电介质薄膜元件的第二结构中，作为第一电极材料，优选使用从铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)和导电氧化镍(NiO)中选择的至少一种。
与本发明相关的执行元件的特点是，它使用了上述的电介质薄膜元件。
与本发明有关的喷墨头的特点是，在具有执行元件、固定所述执行元件的振动板、容纳油墨并通过该振动板使该执行元件位移的多个压力室的喷墨头中，作为所述执行元件，使用上述的本发明执行元件。
与本发明有关的喷墨记录装置的特点是，在具有喷墨头、在大致垂直于该喷墨头宽度的方向上使记录载体移动的记录载体移动机构的喷墨记录装置中，作为该喷墨头，使用上述的本发明喷墨头。
通过考虑和选择加工衬底而形成的压力室部件的材料的热膨胀系数，可以控制构成执行元件的电介质薄膜元件的性能。这样，尤其是当构成执行元件的材料(电介质薄膜材料)的热膨胀系数为αf并且所述压力室部件的材料的热膨胀系数为αs时，如果满足0.8≤αf/αs≤1.2地选择构成执行元件的材料及压力室部件的材料，则能够实现可以高速高密度打印的并且高密度地配备有许多喷孔的大面积喷墨头。
图2表示本发明第一实施例的电介质薄膜的X线衍射图。
图3表示本发明第一实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上的电介质薄膜的(111)面的衍射角2θ之间的关系。
图4表示本发明第一实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上的(111)面取向的电介质薄膜的比介电常数之间的关系。
图5是表示本发明第二实施例的电介质薄膜元件的截面图。
图6表示本发明第二实施例的电介质薄膜的X线衍射图。
图7本发明第二实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上的电介质薄膜的(002)面的衍射角2θ之间的关系。
图8表示本发明第二实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上的(001)面或(100)面取向的电介质薄膜的比介电常数之间的关系。
图9示意表示由本发明实施例的电介质薄膜元件的热膨胀系数差异引起的结晶参数变化机理以及电介质薄膜弯曲状态。
图10表示本发明第三实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上热电性电介质薄膜(PLT电介质薄膜)的比介电常数之间的关系。
图11表示本发明第三实施例的电介质薄膜元件的衬底的热膨胀系数与形成在衬底上热电性电介质薄膜(PLT电介质薄膜)的热电系数γ之间的关系。
图12是表示本发明第四实施例的喷墨记录装置的整体结构的示意斜视图。
图13是表示本发明第四实施例的喷墨头的整体结构的示意斜视图。
图14是表示本发明第四实施例的喷墨头主要部分的局部分解斜视图。
图15是表示传统电介质薄膜元件的截面图。
图1是表示本发明第一实施例的电介质薄膜元件的截面图。
在图1中，10是电介质薄膜元件。电介质薄膜元件10具有这样的结构，即在衬底11上依次形成有作为第一电极12的铂(Pt)制下电极膜、作为电介质薄膜13的钛锆酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3)(以下称为PZT)膜以及作为第二电极14的铬(Cr)制上电极膜。在这里，作为衬底11，采用如表1所示的热膨胀系数不同的各种衬底。
表1
如此制成上述电介质薄膜元件10。
即，首先，在真空槽内，作为衬底11地例如设置石英衬底，在真空除气后，将衬底11加热到600℃并保温，用3英寸的铂靶并通过射频磁电管溅射法在衬底11上形成作为第一电极12的且由铂构成的250纳米厚的下电极膜(Pt电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在1帕，施加100瓦高频电地进行10分钟的溅射。
接着，将衬底温度到达580℃，利用6英寸的PZT烧结体靶(按摩尔比20％过剩地添加氧化铅(PbO))并通过射频磁电管溅射法在第一电极12上形成由PZT构成的4微米厚电介质薄膜(PZT电介质薄膜)13。在这种场合下，将氩气(Ar)和氧气(O2)的混合气用作溅射气体(Ar∶O2＝19∶1)，气压保持在0.4帕，施加500瓦高频电地进行200分钟的溅射。
随后，不加热衬底，用4英寸铬靶并通过DC溅射法，在PZT电介质薄膜13上作为第二电极14地形成由铬制成的10纳米厚的上电极膜(Cr电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在0.7帕，施加100瓦高频电地进行5分钟的溅射。
图2示出了在上述石英衬底上通过Pt电极膜(第一电极膜12)形成的PZT电介质薄膜14的X射线衍射图。这是在形成第二电极14前的阶段内进行评价的图。如图2所示，作为第一电极12的Pt电极膜的取向为(111)面，与之相伴地，PZT电介质薄膜14也取向(111)面。而且，表示PZT电介质薄膜14的(111)面的峰值的衍射角2θ为38.12°。
另外，也采用除石英衬底以外的如上(表1)所示的其它衬底的情况下，PZT电介质薄膜14的结晶取向也主要为(111)面取向。
使用上述(表1)热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法形成PZT电介质薄膜，调查衬底的热膨胀系数与所形成的PZT电介质薄膜的(111)面的衍射角2θ之间的关系，其结果如图3所示。如图3所示，衬底的热膨胀系数大，所形成的PZT电介质薄膜的(111)面的衍射角2θ变得越小(晶格常数大)。由此可见，衬底热膨胀系数的不同造成了PZT电介质薄膜的晶格常数变化。
这能够通过图9如下所述地说明。就是说，当电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，满足以下关系，如图9(a)所示，如果αf＜αs，则在成膜结束后并在返回室温的状态下，衬底要比电介质薄膜更强烈地收缩，受体积更大的衬底的影响，在电介质薄膜上产生压缩应力，与此同时，膜厚方向上的晶格常数极微小地增大。另一方面，如图9(b)所示，如果αf＞αs，则相反地，在成膜结束后且在返回室温的状态下，电介质薄膜比衬底更强烈地收缩，受收缩小的衬底的影响，在电介质薄膜上产生拉伸应力，与此同时，膜厚方向上的晶格常数极微小地缩小。
此外，使用上述(表1)的热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法制造成电介质薄膜元件，调查衬底热膨胀系数与所形成的PZT电介质薄膜的比介电常数之间的关系，其结果如图4所示。如图4所示，衬底的热膨胀系数大，则所形成的PZT电介质薄膜的比介电常数越小。
从上可知，通过使衬底的热膨胀系数不同即使用热膨胀系数不同的衬底来控制所形成的电介质薄膜的结晶取向性，由此一来，可以改变电气特性(比介电常数，矫顽电场、自动分极、压电常数、热电系数等)、光学特性(衍射率、光电系数等)等薄膜特性。因此，通过将热膨胀系数最佳的材料用作用于支承电介质薄膜的衬底的材料，可以实现使电气特性等各种特性得到最佳化的电介质薄膜元件。
另外，在将除铂(Pt)外的钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)或导电氧化镍(NiO)用作第一电极12的材料的场合下，或者在组合使用这些材料中的两种以上材料的场合下，通过使所用衬底的热膨胀系数互不相同，能够无损电介质薄膜13特性地获得同样的改变其结晶取向面的衍射角与比介电常数的效果。
在廉价地大量供应上述电介质薄膜元件的场合下，可以作为一个方法考虑使用大面积的衬底。在这种场合下，如果在电介质薄膜元件上有上凸或下凸状弯曲(见图9)，则借助采用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切割分断工序等的作业性和操作性恶化。可是，根据本发明的结构，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，如果满足以下关系，即0.8≤αf/αs≤1.2，则能够忽略在整个元件上出现的弯曲程度，结果，实现了借助采用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切割分断工序等的作业性和操作性的提高。
而且，在这种场合下，当所述电介质薄膜的厚度为tf并且所述衬底的厚度为ts时，如果满足以下关系，即0.2μm≤tf≤10μm并且0.15mm≤ts≤1.5mm，则能够忽略在整个元件上出现的弯曲程度，结果，进一步提高了作业性和操作性。
图5是表示本发明第二实施例的电介质薄膜元件的截面图。
在图5中，50是电介质薄膜元件。电介质薄膜元件50具有这样的结构，即在衬底51上依次形成有作为中间层55的氧化镁膜等具有岩盐型结晶结构的氧化物膜、作为第一电极52的铂(Pt)制下电极膜、作为电介质薄膜53的钛锆酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3)(以下称为PZT)膜(热膨胀系数约为60×10-7/K)、作为第二电极54的铬(Cr)制上电极膜。在这里，作为衬底51，与上述第一实施例一样地采用如表1所示的热膨胀系数不同的各种衬底。
如此制成上述电介质薄膜元件50。
即，首先，在真空槽内，作为衬底51地例如设置冈尼格7059玻璃衬底，在真空除气后，将衬底51加热到400℃并保温，通过等离子体MOCVD法在衬底51上形成结晶取向为(100)面的具有岩盐型结晶结构的且由氧化镁膜构成的约700纳米厚的中间层55，在这种场合下，作为CVD原料气体，使用在215℃下气化的Mg(C5H7O2)2，在将由惰性氮气(N2)构成的载体气体输入的同时，作为反应气体地输入氧气(O2)。输入气体的流量比为N2∶O2＝250(sccm)∶500(sccm)，气体压力保持在30帕，施加400瓦高频电地进行成膜。
接着，将形成有中间层55的衬底51设置在其它真空槽内，在真空除气后，将衬底51加热到600℃并保温，用4英寸Pt靶并通过射频磁电管溅射法在中间层上形成作为第一电极52的且由铂构成的250纳米厚的下电极膜(Pt电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在1帕，施加100瓦高频电地进行10分钟的溅射。
接着，将衬底温度到达580℃，用6英寸的PZT烧结体靶(按摩尔比20％过剩地添加氧化铅(PbO))并通过射频磁电管溅射法在第一电极52上形成由PZT构成的4微米厚电介质薄膜(PZT电介质薄膜)53。在这种场合下，将氩气(Ar)和氧气(O2)的混合气用作溅射气体(Ar∶O2＝19∶1)，气压保持在0.4帕，施加500瓦高频电地进行200分钟的溅射。
随后，不加热衬底，用4英寸铬靶并通过DC溅射法，在PZT电介质薄膜53上作为第二电极54地形成由铬制成的10纳米厚的上电极膜(Cr电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在0.7帕，施加100瓦高频电地进行5分钟的溅射。
在图6中，示出了在上述冈尼格7059玻璃衬底上通过(100)取向的氧化镁膜(中间层55)以及Pt电极膜(第一电极52)形成的PZT电介质薄膜53的X射线衍射图。这是在第二电极54形成前的阶段中进行评估的图。如图6所示，作为第一电极52的Pt电极膜的取向为(100)面，与此相伴地，PZT电介质薄膜53的取向为(001)面。而且，表示PZT电介质薄膜53的(001)面以及(002)面的峰值的衍射角2θ分别为21.73°和44.22°。
另外，在采用除石英衬底以外的如上(表1)所示的其它衬底的情况下，PZT电介质薄膜14的结晶取向也主要为(111)面取向。
使用上述(表1)热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法形成PZT电介质薄膜，调查衬底的热膨胀系数与所形成的PZT电介质薄膜的(002)面的衍射角2θ之间的关系，其结果如图7所示。如图7所示，衬底的热膨胀系数大，所形成的PZT电介质薄膜的(002)面的衍射角2θ变得越小(晶格常数大)。由此可见，与上述第一实施例时一样，衬底热膨胀系数的不同造成了PZT电介质薄膜的晶格常数的变化。
就此而言，与上述第一实施例一样地，能够用图9所示的机理来说明。
此外，使用上述(表1)的热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法来制造电介质薄膜元件，调查衬底的热膨胀系数与所形成的PZT电介质薄膜的比介电常数之间的关系，其结果如图8所示。如图8所示，衬底的热膨胀系数大，则所形成的PZT电介质薄膜的比介电常数越小。
从上可知，通过使衬底的热膨胀系数不同即使用热膨胀系数不同的衬底来控制所形成的电介质薄膜的结晶取向性，由此一来，可以改变电气特性(比介电常数，矫顽电场、自动分极、压电常数、热电系数等)、光学特性(衍射率、光电系数等)等薄膜特性。
此外，在将除氧化镁外的其它具有岩盐型结晶结构的氧化物如氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)或氧化锰(MnO)用作中间层55的材料的场合下，或者在组合使用这些材料中的两种以上的场合下，在本发明结构的情况下，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的晶格常数等结晶参数以及比介电常数等膜特性显示出了完全一样的倾向。
而且，在用作中间层55的具有岩盐型结晶结构的氧化物膜取向(111)面或(110)面的场合下，所形成的PZT电介质薄膜也分别显示出(111)面取向或(110)面取向，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的晶格常数等结晶参数以及比介电常数等膜特性显示出完全一样的倾向。
而且，在铝酸镁(MgAl2O4)等具有尖晶石型结晶结构的氧化物被用作中间层55的材料的场合下，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的晶格常数等结晶参数以及比介电常数等膜特性也显示出完全一样的倾向。
此外，在将除铂(Pt)外的钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)或导电氧化镍(NiO)用作第一电极52材料的场合下，或者在组合使用这些材料中的两种以上的场合下，显示出这样的结果，即也可以无损电介质薄膜13特性，并且由所用衬底的热膨胀系数的不同造成的结晶参数和比介电常数等膜特性的变化的倾向也完全一样。
在本实施例的场合下，中间层的厚度也是相对衬底可忽略不计的厚度，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，如果满足以下关系，即0.8≤αf/αs≤1.2，则能够忽略在整个元件上出现的弯曲程度，结果，能够实现借助采用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切割分断工序等的作业性和操作性的提高。因此，通过使用大面积衬底，可以廉价地大量生产电介质薄膜元件。
而且，在本实施例的场合下，当所述电介质薄膜的厚度为tf并且所述衬底的厚度为ts时，如果满足以下关系，即0.2μm≤tf≤10μm并且0.15mm≤ts≤1.5mm，则能够忽略在整个元件上出现的弯曲程度。
在这个实施例中，参见图5来说明使用具有与上述实施例2一样的结构的本发明其它热电性电介质材料的电介质薄膜元件。
如图5所示，本实施例的热电性电介质薄膜元件50具有这样的结构，即在衬底51上依次形成作为中间层55的氧化镁膜等具有岩盐型结晶结构的氧化物膜、作为第一电极52的铂(Pt)制下电极膜、作为电介质薄膜53的钛镧酸铅(Pb0.9La0.1Ti0.975O3)(以下称为PZT)膜(热膨胀系数约为30×10-7/K)、作为第二电极54的镍铬(NiCr)制上电极膜。在这里，作为衬底51，与上述第二实施例一样地采用如表1所示的热膨胀系数不同的各种衬底。
如此制成上述热电性电介质薄膜元件50。
即，首先，在真空槽内，作为衬底51地例如设置SUS304衬底，在真空除气后，与上述第二实施例一样地，将衬底51加热到400℃并保温，通过等离子体MOCVD法在衬底51上形成结晶取向为(100)面的具有岩盐型结晶结构的且由氧化镁膜构成的约700纳米厚的中间层55，在这种场合下，作为CVD原料气体，使用在215℃下气化的Mg(C5H7O2)2，在将由惰性氮气(N2)构成的载体气体输入的同时，作为反应气体地输入氧气(O2)。输入气体的流量比为N2∶O2＝250(sccm)∶500(sccm)，气体压力保持在30帕，施加400瓦高频电地进行成膜。
接着，将形成有中间层55的衬底51设置在其它真空槽内，在真空除气后，将衬底51加热到600℃并保温，用4英寸Pt靶并通过射频磁电管溅射法在中间层55上形成作为第一电极52的且由铂构成的250纳米厚的下电极膜(Pt电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在1帕，施加100瓦高频电地进行10分钟的溅射。
接着，使衬底温度到达560℃，用6英寸的PLT烧结体靶(按摩尔比20％过剩地添加氧化铅(PbO))并通过射频磁电管溅射法在第一电极52上形成由PZT构成的3微米厚电介质薄膜(PLT电介质薄膜)53。在这种场合下，将氩气(Ar)和氧气(O2)的混合气用作溅射气体(Ar∶O2＝19∶1)，气压保持在0.35帕，施加350瓦高频电地进行180分钟的溅射。
随后，不加热衬底，用4英寸镍铬靶并通过DC溅射法，在PLT电介质薄膜53上作为第二电极54地形成由镍铬(NiCr)制成的10纳米厚的上电极膜(NiCr电极膜)。在这种场合下，氩气(Ar)被用作溅射气体，气压保持在0.7帕，施加100瓦高频电地进行5分钟的溅射。
另外，在使用除SUS304衬底以外的上述(表1)所示其它衬底的场合下，通过氧化镁膜(中间层55)形成的PLT电介质薄膜53的结晶取向性主要为(001)面取向。
使用上述(表1)的热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法来制造热电性电介质薄膜元件，调查衬底的热膨胀系数与所形成的PLT电介质薄膜的比介电常数之间的关系，其结果如图10所示。如图10所示，与上述第二实施例一样，衬底的热膨胀系数大，则所形成的PLT电介质薄膜的比介电常数变得越小。
而且，利用上述(表1)的热膨胀系数不同的各种衬底并通过与上述一样的方法来制造热电性电介质薄膜元件，调查衬底的热膨胀系数与从使PLT电介质薄膜的温度变化而得到的热电电流中求出的热电系数γ之间的关系，其结果如图11所示。如图11所示，衬底热膨胀系数大，则PLT电介质薄膜的热电系数增大，在热电性电介质薄膜元件被用作热电型红外线传感器的场合下的热电性能能够简单地用热电系数γ与比介电常数ε之比γ/ε来表示，因此，从上述结果中知道了，如果使用热膨胀系数高的衬底，则热电型红外线传感器的性能变得良好。就是说，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，如果满足以下关系，即αf/αs＜1，则能够实现性能良好的热电性电介质薄膜元件。
此外，在将除氧化镁外的其它具有岩盐型结晶结构的氧化物如氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)或氧化锰(MnO)用作中间层55的材料的场合下，或者在组合使用这些材料中的两种以上的场合下，在本发明结构的情况下，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的比介电常数、热电性能等膜特性显示出了完全一样的倾向。
此外，在用作中间层55的具有岩盐型结晶结构的氧化物膜取向(111)面或(110)面的场合下，所形成的PLT电介质薄膜也分表显示出(111)面取向或(110)面取向，可以看出，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的比介电常数、热电性能等膜特性显示出完全一样的倾向。
而且，在铝酸镁(MgAl2O4)等具有尖晶石型结晶结构的氧化物被用作中间层55的材料的场合下，相对衬底热膨胀系数的电介质薄膜的比介电常数、热电性能等膜特性也显示出完全一样的倾向。
此外，在将除铂(Pt)外的钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)或导电氧化镍(NiO)用作成形于中间层55上的第一电极52的材料的场合下，或者在组合使用这些材料中的两种以上的场合下，显示出这样的结果，即也可以无损电介质薄膜53的特性，并且，由所用衬底的热膨胀系数不同造成的比介电常数、热电性能等膜特性的变化的倾向也完全一样。
在本实施例的场合下，中间层的厚度也是相对衬底可忽略不计的厚度，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，如果满足以下关系，即0.8≤αf/αs≤1.2，则能够忽略在整个元件上出现的弯曲程度，结果，能够实现借助采用光蚀刻技术的显微加工的元件成图工序、加工后的接合工序或切割分断工序等的作业性和操作性的提高。因此，通过使用大面积衬底，可以廉价地大量生产电介质薄膜元件如电介质薄膜元件和红外摄象元件。
而且，在本实施例的场合下，当所述电介质薄膜的厚度为tf并且所述衬底的厚度为ts时，如果满足以下关系，即0.2μm≤tf≤10μm并且0.15mm≤ts≤1.5mm，则也能忽略在整个元件上出现的弯曲程度。
图12是表示本发明第四实施例的喷墨记录装置的整体结构的示意斜视图。如图12所示，本实施例的喷墨记录装置100具有利用压电性电介质薄膜的压电效果来进行记录的喷墨头101，从喷墨头101中喷出的墨滴击中纸等记录载体102并且能够在记录载体102上进行记录。喷墨头101被安装一个可滑动地固定在沿主扫描方向(图12的X方向)设置的支承轴103上的喷墨头架104上。而且，通过喷墨头架104在支承轴103上的往复运动，喷墨头101在主扫描方向X上往复运动。此外，喷墨记录装置100具有多个使记录载体102在大致垂直于喷墨头101宽度方向(即主扫描方向X)的副扫描方向Y上移动的辊(记录载体输送机构)105。
图13是表示本发明第四实施例的喷墨头整体结构的示意斜视图。图14是表示喷墨头主要部分的结构的局剖分解视图。在图13、14中，A是加工硅衬底而形成的压力室部，在压力室部A上形成压力室开口部1。B是覆盖压力室开口部1的上端开口面地设置的且由本发明的电介质薄膜元件构成的执行元件部，C是覆盖压力室开口部1的下端开口面地设置的流墨道部。就是说，压力室部A的压力室开口部1通过在其上下的执行元件部B和流墨道部C被划分开，由此形成压力室2。在执行元件部B上，位于压力室2上方地设置单独电极3。另外，如图12所示，压力室2与单独电极3成千岛状地独立设置。另外，在流墨道部C中，形成有与供墨方向平行的、各压力室2之间所共用的共用液室5、使共用液室5与压力室2连通的供应口6、压力室2内的油墨流出的流墨道7。D是喷孔板，在喷孔板D上穿设有与流墨道连通的喷孔8。而且，在图13中，E是IC管，IC管E通过连线BW给多个独立电极3提供电压。
在这种场合下，通过考虑选择加工衬底形成的压力室部A的材料的热膨胀系数，可以控制构成执行元件部B的电介质薄膜元件的性能。因此，尤其是当构成执行元件部B的材料(电介质薄膜材料)的热膨胀系数αf并且所述压力室部A的材料的热膨胀系数为αs时，满足αf/αs＞1的关系地选择构成执行元件部B的材料以及压力室部A的材料，这样一来，可以实现具有压电特性(在这里是打印特性)更好的电介质薄膜元件喷墨头。而且，如果如此选择构成执行元件部B的材料以及压力室部A的材料，即上述的αf和αs满足0.8≤αf/αs≤1.2的关系，则能够实现可高速高密度打印的并高密度地配设有多个喷孔的大面积喷墨头。
工业实用性如上所述，根据本发明，通过考虑热膨胀系数并选择衬底材料，能够实现具有能够使比介电常数等膜特性大幅度变化的电介质薄膜的电介质薄膜元件，因而，本发明可被用在要求合格率良好地控制元件特性并使其最佳化的压电元件、红外线传感器、光学开关、存储器元件等中。
权利要求
1.电介质薄膜元件，它具有衬底、形成在该衬底上的第一电极、形成在第一电极上的电介质薄膜、形成在该电介质薄膜上的第二电极并且它是在加热所述衬底的状态下制成的，其特征在于，作为所述衬底的材料，使用有一定热膨胀系数的材料，根据该衬底的热膨胀系数来控制该电介质薄膜的结晶取向性。
2.如权利要求1所述的电介质薄膜元件，其特征在于，在所述衬底与第一电极之间设有中间层。
3.电介质薄膜元件，它具有衬底、形成在该衬底上的第一电极、形成在第一电极上的电介质薄膜、形成在该电介质薄膜上的第二电极并且它是在加热所述衬底的状态下制成的，其特征在于，当该电介质薄膜材料的热膨胀系数为αf并且所述衬底材料的热膨胀系数为αs时，满足以下关系，0.8≤αf/αs≤1.2。
4.如权利要求3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，当所述电介质薄膜的厚度为tf并且所述衬底的厚度为ts时，满足以下关系，0.2μm≤tf≤10μm并且0.15mm≤ts≤1.5mm。
5.如权利要求3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，该电介质薄膜材料是压电性电介质薄膜材料，并且满足以下关系，αf/αs＞1。
6.如权利要求3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，该电介质薄膜材料是热电性电介质薄膜材料，并且满足以下关系，αf/αs＜1。
7.如权利要求3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，该电介质薄膜材料至少有铅(Pb)和钛(Ti)的成分。
8.如权利要求3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，在该衬底与第一电极之间设有中间层。
9.如权利要求2或8所述的电介质薄膜元件，其特征在于，作为该中间层，使用具有岩盐型结晶结构的氧化物膜。
10.如权利要求9所述的电介质薄膜元件，其特征在于，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜具有(100)面取向、(111)面取向或(110)面取向。
11.如权利要求9所述的电介质薄膜元件，其特征在于，所述具有岩盐型结晶结构的氧化物膜是由氧化镁(MgO)、氧化镍(NiO)、氧化钴(CoO)和氧化锰(MnO)中选出的至少一种构成的膜。
12.如权利要求2或8所述的电介质薄膜元件，其特征在于，作为该中间层，使用具有尖晶石型结晶结构的氧化物膜。
13.如权利要求1或3所述的电介质薄膜元件，其特征在于，作为第一电极材料，使用从铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、二氧化铱(IrO2)、二氧化钌(RuO2)和导电氧化镍(NiO)中选择的至少一种。
14.一种执行元件，它使用了如权利要求1-5和7-13之一所述的电介质薄膜元件。
15.一种喷墨头，它具有执行元件、固定所述执行元件的振动板、容纳油墨并通过该振动板使该执行元件位移的多个压力室，其特征在于，作为所述执行元件，使用如权利要求14所述的执行元件。
16.一种喷墨记录装置，它具有喷墨头、在大致垂直于该喷墨头宽度的方向上使记录载体移动的记录载体移动机构，其特征在于，作为该喷墨头，使用如权利要求15所述的喷墨头。
全文摘要
本发明涉及控制电介质薄膜的结晶取向性并可以使电气特性等各种特性最佳化的电介质薄膜元件。该电介质薄膜元件(10)具有衬底(11)、形成在该衬底(11)上的第一电极(12)、形成在第一电极(12)上的电介质薄膜(13)、形成在该电介质薄膜(13)上的第二电极(14)并且它是在加热所述衬底(11)的状态下制成的。作为所述衬底(11)的材料，使用有一定热膨胀系数的材料，根据衬底(11)的热膨胀系数来控制该电介质薄膜(13)的结晶取向性。
文档编号H01L41/22GK1483225SQ01816412
公开日2004年3月17日 申请日期2001年9月26日 优先权日2000年9月27日
发明者镰田健, 雄, 鸟井秀雄, 一, 高山良一 申请人:松下电器产业株式会社