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)于特別通過采用粘合方法的方式來制造包括微型激勵(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，或者通過在真空下淀積形成單晶體的原料(參見N.Setter，Piezoelectric Materials in Devices，Ceramics Laboratory，EPFL 2002)來制備。
雖然現(xiàn)有的方法是簡單和方便的，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。
附圖簡介通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說明，本發(fā)明的上述和其它目的和特征將變得顯而易見，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)的過程，和用其制造微型激勵(lì)器的過程；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，并且可以通過固相反應(yīng)，隨后熔化-結(jié)晶來制備，如在韓國專利待審公開No.2001-96505中公開的那樣。具體地，可以通過(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。通過上述過程制備的單晶體最好具有5cm或更大的直徑。
通過Czochralski方法(參見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單地制備高性能單晶體膜結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^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?，并且便宜的金屬，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^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?；蛘撸紫韧ㄟ^氧化方法形成300到500nm厚的二氧化硅層，然后形成的層通過化學(xué)淀積方法進(jìn)一步生長到所希望的厚度。
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)氧樹脂膏和Pt溶膠在市場上可以買到，并且可以通過旋涂或絲網(wǎng)印刷方法均勻地涂覆。
為了通過振動(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，并且可以通過控制加到桿(300)上的壓力來調(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程1到24小時(shí)。硬化溫度越低，或者硬化時(shí)間越長，電極的特性變得越好。
或者，可以，例如，通過濺射或電子束蒸發(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。通過在100到300℃下對(duì)單晶體膜(80)施加10到100kV/cm的電場10到100分鐘來進(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^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)過噴嘴(1a)噴出墨水來操作打印頭。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。通過本發(fā)明的方法制備的壓電膜結(jié)構(gòu)比通過根據(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(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濺射或電子束蒸發(fā)方法形成導(dǎo)電金屬層。
12.通過根據(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