專利名稱：制備包括鐵電單晶層的膜結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備包括鐵電單晶層的膜結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)于特別通過(guò)采用粘合方法的方式來(lái)制造包括微型激勵(lì)器(microactuator)的電動(dòng)或電子裝置是有用的。
背景技術(shù)：
鐵電薄膜或厚膜常常用在各種電動(dòng)和電子部件中，迄今通過(guò)利用絲網(wǎng)印刷或溶膠-凝膠體(sol-gel)方法在襯底上涂覆PZT膜，焙燒涂覆的襯底以結(jié)晶材料，或者通過(guò)在真空下淀積形成單晶體的原料(參見(jiàn)N.Setter，Piezoelectric Materials in Devices，Ceramics Laboratory，EPFL 2002)來(lái)制備。
雖然現(xiàn)有的方法是簡(jiǎn)單和方便的，但是這樣制備的膜在電流損耗、機(jī)電耦合系數(shù)和介電常數(shù)方面仍然表現(xiàn)出不令人滿意的性能特性。此外，現(xiàn)有方法的焙燒步驟要求使用高成本、高熔點(diǎn)的金屬，例如，Pt和Au，作為電極材料。
因此，存在這樣一種需求開(kāi)發(fā)一種能夠提供適合于電動(dòng)和電子裝置或部件的具有改善特性的鐵電膜的簡(jiǎn)單方法，特別是以單晶層形式的鐵電膜。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種使用鐵電單晶體制備鐵電膜結(jié)構(gòu)的新穎方法，其中所述鐵電單晶體具有高介電常數(shù)同時(shí)具有良好的機(jī)電和電光特性。
根據(jù)本發(fā)明的方案，提供一種制備鐵電單晶體的膜結(jié)構(gòu)的方法，其包括通過(guò)導(dǎo)電粘合劑或金屬層將鐵電單晶體板粘結(jié)到襯底上。
附圖簡(jiǎn)介通過(guò)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說(shuō)明，本發(fā)明的上述和其它目的和特征將變得顯而易見(jiàn)，附圖分別示出圖1普通類型的微型激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2a到2h根據(jù)本發(fā)明制備單晶體膜結(jié)構(gòu)的過(guò)程，和用其制造微型激勵(lì)器的過(guò)程；圖3在發(fā)明的方法中使用從而均勻地形成粘合劑層的增壓裝置的剖面圖；以及圖4使用微型激勵(lì)器制造的壓電型噴墨打印頭的例子的剖面圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明形成鐵電膜結(jié)構(gòu)的發(fā)明方法的特征在于采用不要求高溫加熱處理步驟的粘合工藝，使用具有高介電常數(shù)以及良好的機(jī)電和電光特性的鐵電單晶體。
在本發(fā)明中，最好采用在以膜的形式測(cè)量時(shí)具有1000或更高的介電常數(shù)的鐵電單晶體材料。
在本發(fā)明中使用的鐵電單晶體的典型例子包括PMN-PT(鉛鎂鈮酸鹽-鉛鈦酸鹽)、PZN-PT(鉛鋅鈮酸鹽-鉛鈦酸鹽)、LN(鈮酸鋰，LiNbO3)和LT(鉭酸鋰(Lithium tanthalate)，LiTaO3)以及在本領(lǐng)域中已知的其它壓電和電光材料。
PMN-PT-和PZN-PT-基材料最好具有配方(I)的成分x(A)y(B)z(C)-p(P)n(N)(I)其中，(A)是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3或Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，
(B)是PbTiO3，(C)是LiTaO3，(P)是從Pt、Au、Ag、Pd和Rh構(gòu)成的組中選出的金屬，(N)是從Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu和Cd構(gòu)成的組中選出的金屬的氧化物，x是從0.65到0.98范圍內(nèi)的數(shù)，y是從0.01到0.34范圍內(nèi)的數(shù)，z是從0.01到0.1范圍內(nèi)的數(shù)，以及p和n是從0.01到5范圍內(nèi)的彼此獨(dú)立的數(shù)。
配方(I)的材料是均勻的單晶體，并且可以通過(guò)固相反應(yīng)，隨后熔化-結(jié)晶來(lái)制備，如在韓國(guó)專利待審公開(kāi)No.2001-96505中公開(kāi)的那樣。具體地，可以通過(guò)(a)將從Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3中選擇的成分與PbTiO3和LiTaO3分別以從0.65到0.98、從0.01到0.34和從0.01到0.1的范圍內(nèi)的相對(duì)摩爾量混合，(b)在(a)中得到的混合物中基于混合物以重量在0.01到5％的范圍的量加入從Pt、Au、Ag、Pd和Rh構(gòu)成的組中選出的金屬和從Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu和Cd構(gòu)成的組中選出的金屬的氧化物，(c)焙燒在(b)中得到的混合物，隨后粉碎焙燒產(chǎn)品，(d)熔化在(c)中得到的粉末，以及(e)冷卻熔融物以結(jié)晶，制備配方(I)的材料。通過(guò)上述過(guò)程制備的單晶體最好具有5cm或更大的直徑。
通過(guò)Czochralski方法(參見(jiàn)Yuhuan Xu，F(xiàn)erroelectric materials andtheir applications，pp 221-224，North-holland(1991))可以由Li2CO3和Nb2O5制備LN單晶體，由Li2CO3和Ta2O5制備LT單晶體。這些材料在市場(chǎng)上可以買到。
特別是，配方(I)的鐵電單晶體具有高于已有的PZT單晶體或多晶體的機(jī)電耦合系數(shù)以及高驅(qū)動(dòng)電壓、寬的彎曲變形范圍和良好的電光特性，由此能夠精密地處理。配方(I)的鐵電材料具有大約7000(以膜的形式大約2000)的介電常數(shù)，大約0.001(以膜的形式大約0.003)的損耗壓電常數(shù)，大約2500的d33和大約0.97的k33。已有的PZT膜通常顯示出大約400到500的介電常數(shù)和大約0.006到0.02的損耗壓電常數(shù)。
下面參考


根據(jù)本發(fā)明的制備單晶體膜結(jié)構(gòu)的方法。
圖1示意性地示出了普通型微型激勵(lì)器的實(shí)施例，包括對(duì)其施加電場(chǎng)的上電極(9)和下電極(7)、設(shè)置在其間的壓電單晶體(8)、通過(guò)壓電單晶體(8)的變形而振動(dòng)的振動(dòng)板(6)、以及襯底區(qū)(4、4a)。雖然通過(guò)常規(guī)方法容易取得振動(dòng)板(6)和襯底區(qū)(4、4a)，但是難以制造由上電極(9)、下電極(7)和壓電單晶體(8)構(gòu)成的具有高性能的疊層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過(guò)拋光鐵電單晶體板形成薄膜，然后使用導(dǎo)電粘合劑或金屬層將單晶體膜粘結(jié)到襯底上，或者通過(guò)將鐵電單晶體板粘結(jié)到襯底上，然后拋光疊層的單晶體的表面簡(jiǎn)單地制備高性能單晶體膜結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)常規(guī)機(jī)械或化學(xué)機(jī)械拋光方法實(shí)現(xiàn)拋光。
在發(fā)明的方法中，在較低的溫度下進(jìn)行將單晶體到襯底的粘合。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以避免在形成鐵電膜的常規(guī)方法中采用的在大約1000℃下的高溫?zé)崽幚恚⑶冶阋说慕饘?，例如，具有低熔點(diǎn)的鋁，可以用作電極材料。
圖2a到2h示出了根據(jù)本發(fā)明制備單晶體膜結(jié)構(gòu)的過(guò)程，以及使用膜結(jié)構(gòu)制造作為裝置的實(shí)施例的普通型微型激勵(lì)器的過(guò)程。
具體地，圖2a顯示出在諸如硅的襯底(40)上形成用作微型激勵(lì)器的振動(dòng)板的二氧化硅層(60)?？梢酝ㄟ^(guò)常規(guī)氧化方法使用氧或蒸汽形成1到5μm厚的二氧化硅層?；蛘?，首先通過(guò)氧化方法形成300到500nm厚的二氧化硅層，然后形成的層通過(guò)化學(xué)淀積方法進(jìn)一步生長(zhǎng)到所希望的厚度。
除了氧化硅之外，對(duì)于振動(dòng)板，能夠通過(guò)諸如濺射、E束蒸發(fā)等常規(guī)淀積方法淀積的任何氧化物材料都是可用的。例如，MgO、Al2O3和ZnO可以代替氧化硅。
圖2b示出了在二氧化硅層(60)上涂覆導(dǎo)電粘合劑(70)的步驟，其中所述導(dǎo)電粘合劑例如是含有金(Au)或銀(Ag)的環(huán)氧膏狀粘合劑或含有鉑(Pt)的粘合劑溶膠，圖2c示出了單晶體板(80)疊置在粘合劑層(70)上然后對(duì)疊層進(jìn)行熱處理的步驟。環(huán)氧樹(shù)脂膏和Pt溶膠在市場(chǎng)上可以買到，并且可以通過(guò)旋涂或絲網(wǎng)印刷方法均勻地涂覆。
為了通過(guò)振動(dòng)板有效地傳遞單晶體板的振動(dòng)，重要的是均勻地形成粘合劑層(70)。為此，在本發(fā)明中，當(dāng)粘合劑由于具有太高的粘性而不能通過(guò)旋涂或絲網(wǎng)印刷均勻地涂覆時(shí)，采用圖3所示的加壓裝置。通過(guò)在設(shè)置并固定在下平板(100)上的二氧化硅層上涂覆粘合劑，在粘合劑上疊置單晶體板，用配備有桿(300)的上平板(200)覆蓋單晶體板，然后對(duì)桿(300)施加壓力從而對(duì)二氧化硅層、粘合劑和單晶體板的疊層加壓，來(lái)使用圖3的裝置。桿(300)的端部是由諸如橡膠的彈性材料制成的，并且可以通過(guò)控制加到桿(300)上的壓力來(lái)調(diào)節(jié)粘合劑層的厚度。
圖3設(shè)備的使用可以提供具有均勻厚度的粘合劑層。最好，粘合劑層的厚度在從大約1到5μm的范圍內(nèi)(基于干燥狀態(tài))。
隨后，在從室溫到150℃的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行用于硬化粘合劑層(70)以形成下電極的熱處理過(guò)程1到24小時(shí)。硬化溫度越低，或者硬化時(shí)間越長(zhǎng)，電極的特性變得越好。
或者，可以，例如，通過(guò)濺射或電子束蒸發(fā)方法，在振動(dòng)板(60)和單晶體板(80)的表面形成諸如鋁、銅和金的導(dǎo)電金屬的電極層；組合振動(dòng)板和單晶體的兩個(gè)電極層；以及在升高的溫度下，例如，從100到600℃，對(duì)得到的疊層進(jìn)行加壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)板(60)與單晶體板(80)的粘結(jié)。
在振動(dòng)板表面上形成的電極層的導(dǎo)電材料可以與在單晶體板上形成的電極層的導(dǎo)電材料相同或不同。當(dāng)要淀積的兩種導(dǎo)電金屬相同時(shí)，在其之間的接觸面上出現(xiàn)擴(kuò)散。另一方面，當(dāng)要淀積的兩種導(dǎo)電金屬不同時(shí)(例如，使用鋁和銅)，出現(xiàn)共晶現(xiàn)象。共晶現(xiàn)象意味著當(dāng)兩種或更多種金屬彼此接觸時(shí)，由于共晶熔化導(dǎo)致分界面區(qū)域熔合在一起。例如，鋁具有660℃的熔點(diǎn)，但是在接觸面可能形成的80％的鋁和20％的銅的合金具有548.2℃的降低的熔點(diǎn)。
另外，比金屬電極具有更低熔點(diǎn)的錫(Sn)或其合金可以用作中間層，從而將由從鉑、金等中選出的金屬制成的兩個(gè)電極層熔合在一起。錫的使用使在更低的溫度下進(jìn)行疊層的加壓熱處理工藝成為可能。
圖2d示出了拋光單晶體板(80)從而形成大約1到100μm厚的薄膜的步驟?？梢栽谡辰Y(jié)步驟之前進(jìn)行拋光步驟。即，可以拋光單晶體板(80)以形成膜，并粘結(jié)到振動(dòng)板(60)上。
可以在包括普通型微型激勵(lì)器的各種電動(dòng)或電子部件或裝置的制造中采用這樣制備的根據(jù)本發(fā)明的單晶體膜結(jié)構(gòu)，如圖2e到2h所示。
圖2e示出了使用濺射或電子束蒸發(fā)方法在單晶體膜(80)上形成上電極(90)的步驟。在現(xiàn)有技術(shù)方法中，其中絲網(wǎng)印刷PZT膏，然后在1000℃或更高的溫度下焙燒以形成多晶薄膜，必須使用具有高熔化溫度的昂貴金屬，例如，Pt、Au和Ag，作為上電極(90)。然而，在本發(fā)明中，可以使用包括Al的便宜的金屬。上電極的厚度可以在從大約1到5μm的范圍內(nèi)。
隨后，在圖2f中示出了極化設(shè)置在上電極和下電極(90和70)之間的單晶體膜(80)，以得到極化的單晶體層(80a)的步驟。通過(guò)在100到300℃下對(duì)單晶體膜(80)施加10到100kV/cm的電場(chǎng)10到100分鐘來(lái)進(jìn)行極化處理。
在下一個(gè)步驟中，蝕刻硅襯底(40)以形成襯底區(qū)(40、40a)，如圖2g所示，并且通過(guò)適當(dāng)?shù)匚g刻在振動(dòng)板上疊置的單晶體層和兩個(gè)電極層來(lái)形成圖形，如圖2h所示。例如，可以使用光刻膠或干蝕刻或切割工藝，以常規(guī)方式進(jìn)行蝕刻處理。
可以在包括微型激勵(lì)器的其它電動(dòng)和電子部件的制造中使用根據(jù)本發(fā)明制備的鐵電單晶體的膜結(jié)構(gòu)，其中所述微型激勵(lì)器用于噴墨打印頭或顯示器、超聲波探頭、可變?yōu)V波器等。
圖4示出了使用普通型微型激勵(lì)器制造的壓電型噴墨打印頭的剖面圖。通過(guò)在襯底區(qū)(4、4a)形成幾個(gè)薄層(3、2和1)，并且適當(dāng)?shù)匚g刻這些層以形成節(jié)流閥(3a)、貯水槽(2a)、流動(dòng)路徑(5)和噴嘴(1a)制備壓電型噴墨打印頭?？梢酝ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)作為室板(chamberplate)依次設(shè)置在襯底(4)上的壓電單晶體層(8)和振動(dòng)板(6)從而經(jīng)過(guò)噴嘴(1a)噴出墨水來(lái)操作打印頭。具體地，當(dāng)電壓加到電極(7、9)上時(shí)，壓電單晶體層(8)彎曲變形，并且室(4a)的體積減小，由此導(dǎo)致在室(4a)中的墨水通過(guò)流動(dòng)路徑(5)和噴嘴(1a)噴出。當(dāng)斷電時(shí)，壓電單晶體層(8)恢復(fù)到最初的尺寸，并且室(4a)的體積增加，由此產(chǎn)生吸力將墨水填充到室(4a)中。即，微型激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力取決于由所加的電壓引起的壓電單晶體的變形程度，而這又取決于在上、下電極之間電流量。
此外，鐵電單晶體的非常薄的膜結(jié)構(gòu)用在已經(jīng)廣泛用在各種通信系統(tǒng)中的膜體聲學(xué)諧振器(film bulk acoustic resonator)(FBAR)的制造中。通過(guò)本發(fā)明的方法制備的壓電膜結(jié)構(gòu)比通過(guò)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法的濺射形成的ZnO、AlN或PZT膜具有更好的特性，由此，可以進(jìn)行處理以產(chǎn)生具有良好的介電常數(shù)的非常薄的膜。
另外，本發(fā)明的鐵電單晶體膜結(jié)構(gòu)可以有利地用在具有2GHz到7MHz的寬頻帶的超聲波探頭的制造中。
雖然結(jié)合上述具體實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離如附帶的權(quán)利要求書(shū)所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明做出各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種制備鐵電單晶體膜結(jié)構(gòu)的方法，包括通過(guò)導(dǎo)電粘合劑或金屬層將鐵電單晶體板粘合到襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在與該襯底粘合之前或之后將該單晶體板拋光到1至100μm的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)在所述單晶體板與所述襯底之間設(shè)置導(dǎo)電粘合劑，并且在從室溫到150℃的范圍內(nèi)的溫度下熱處理所得到的含有所述粘合劑的疊層1到24小時(shí)以硬化所述粘合劑，從而將所述單晶體板粘合到所述襯底上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述導(dǎo)電粘合劑是含有金或銀的環(huán)氧樹(shù)脂膏，或含有Pt的粘合劑溶膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，使用配備有加壓桿的板來(lái)涂覆所述粘合劑，其中所述加壓桿具有由彈性橡膠制成的圓形端部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)在所述單晶體板和所述襯底的每個(gè)表面上淀積導(dǎo)電金屬，組合兩個(gè)導(dǎo)電金屬層，并且在100到600℃的溫度下加壓和熱處理所得到的疊層，從而將所述單晶體板粘合到所述襯底上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在所述疊層的加壓和熱處理步驟之前在所述兩個(gè)導(dǎo)電金屬層之間插入比所述導(dǎo)電金屬熔點(diǎn)低的金屬板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)以膜的形式測(cè)量時(shí)，所述鐵電單晶體具有1000或更大的介電常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鐵電單晶體是LiNbO3、LiTaO3或具有配方(I)的成分的材料x(chóng)(A)y(B)z(C)-p(P)n(N) (I)其中，(A)是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3或Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，(B)是PbTiO3，(C)是LiTaaO3，(P)是從Pt、Au、Ag、Pd和Rh構(gòu)成的組中選出的金屬，(N)是從Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu和Cd構(gòu)成的組中選出的金屬的氧化物，x是從0.65到0.98范圍內(nèi)的數(shù)，y是從0.01到0.34范圍內(nèi)的數(shù)，z是從0.01到0.1范圍內(nèi)的數(shù)，以及p和n是從0.01到5范圍內(nèi)的彼此獨(dú)立的數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底包括從SiO2、MgO、Al2O3和ZnO中選出的氧化物材料的層，并且該氧化物層與所述導(dǎo)電粘合劑層接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在與所述粘合劑層相對(duì)的所述單晶體板的表面上通過(guò)濺射或電子束蒸發(fā)方法形成導(dǎo)電金屬層。
12.通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法制備的鐵電單晶體膜結(jié)構(gòu)。
13.包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的鐵電單晶體膜結(jié)構(gòu)的電動(dòng)或電子裝置。
全文摘要
通過(guò)用導(dǎo)電粘合劑或金屬層將鐵電單晶體板粘合到襯底上來(lái)制備有利于用在高性能電動(dòng)或電子部件或裝置的制造中的鐵電單晶體膜結(jié)構(gòu)，在與襯底粘合之前或之后拋光鐵電單晶體板。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1714429SQ03825649
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者殷宰煥, 李相救, 崔炳珠, 林圣珉 申請(qǐng)人:伊布勒光子學(xué)公司