專利名稱：外延膜、壓電元件、鐵電元件、它們的制造方法以及液體排出頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及優(yōu)選用于制備在Si襯底上形成的電子器件用緩沖層的外延膜、使用該外延膜的壓電元件和鐵電元件、它們的制造方法以及液體排出頭。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體單晶襯底的硅襯底具有優(yōu)異的結(jié)晶性，并且能擴(kuò)大襯底的面積，以致該襯底適合作為制備電子器件的襯底，并用于通常的目的。在Si襯底上疊層并制備的電子器件的例子包括介電器件、壓電器件、鐵電器件和熱電器件。為了改善器件的晶體結(jié)構(gòu)已對(duì)在Si襯底上形成的作為底層的緩沖層進(jìn)行了研究。在緩沖層中，作為在與襯底的Si晶體晶格匹配且與組成電子器件的鈣鈦礦氧化物的晶體晶格匹配方面優(yōu)異的材料，使用形成為外延膜的或用Y摻雜的穩(wěn)定&02。作為這樣的緩沖層，具體地報(bào)道有使用氧化鋯或摻雜Y的穩(wěn)定氧化鋯的薄膜的疊層薄膜(專利文獻(xiàn)1)以及使用Y穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)的壓電元件(專利文獻(xiàn)2)。但是，在專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的緩沖層中，通過(guò)電子束蒸發(fā)法形成其晶體表面與襯底的表面對(duì)準(zhǔn)的疊層薄膜，這不適合形成具有大面積的膜。因此，要求建立這樣的成膜技術(shù)以形成具有大面積的緩沖層。而且，作為傳統(tǒng)的外延膜得到的緩沖層在穩(wěn)定的^O2中具有大含量的包括&和Y 的稀土元素。另外，當(dāng)形成具有大于等于3英寸的大面積的膜時(shí)，具有面內(nèi)組成的波動(dòng)增加的問(wèn)題。例如，在1 - 的體單晶中Y的含量最大為3. 7%，而在外延膜中Y的含量為大于等于10%。難以在得到的膜中降低Y的含量。一般地，當(dāng)利用濺射法形成膜時(shí)，靶的組成并不原樣地反映在外延膜的組成中，非常難以發(fā)現(xiàn)用于得到具有目標(biāo)組成的外延膜的靶的最佳組成。因此，含有相對(duì)于氧化鋯過(guò)剩的氧化釔的外延膜具有歸屬于IO3的四方晶系的晶體，并且(100)取向和(001)取向混合存在于膜中。沒(méi)有得到具有單晶性的薄膜。要指出的是，專利文獻(xiàn)3的實(shí)施例1中公開(kāi)了“在Si襯底上的W2O3) χ (ZrO2) 1-χ (χ =0. 04)的外延生長(zhǎng)膜”。(專利文獻(xiàn)1)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. H09-110592(專利文獻(xiàn)2)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2002-234156(專利文獻(xiàn)3)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)NO.H02-08258
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有均勻組成和優(yōu)異的晶體取向的大面積外延膜以及該膜的制造方法。本發(fā)明的另一目的是提供其中使用晶格匹配方面優(yōu)異的外延膜作為Si襯底上的緩沖層以提供單取向晶體結(jié)構(gòu)并且具有優(yōu)異特性和大面積的壓電元件以及提供使用該外延膜的鐵電元件以及提供這些元件的制造方法。本發(fā)明的另一目的是提供大的液體排出頭，其中使用這些元件并且其具有優(yōu)異的液體排出性能。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明人深入研究了其上疊層外延膜的Si襯底、用于通過(guò)濺射法形成外延膜的靶材料的組成和與得到的外延膜的組成的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)作為以特定比例包括金屬元素的靶材料的金屬的濺射，能在具有特定厚度的SiO2層的Si襯底表面上形成金屬元素均勻分布并且具有單取向結(jié)晶和大面積的外延膜?；谶@樣的發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。即，本發(fā)明涉及外延膜的制造方法，包括加熱S i襯底，在該襯底的表面上設(shè)置有膜厚1. Onm IOnm的SW2層；和通過(guò)使用由以下組成式(1)表示的金屬靶在SiO2層上形成由以下組成式(2)表示的外延膜yA(l-y)B(1)，其中A為選自由包括Y和&的稀土元素組成的組的一種或多種元素，B為^ ，且 y為0. 03 0. 20的數(shù)值，XA203-(1-X) BO2(2)，其中A和B為分別與組成式(1)的A和B相同的元素，且χ為0.010 0.035的數(shù)值。另外，本發(fā)明涉及外延膜，其在Si襯底上形成并且由組成式( 表示xA203-(1-x) bo2(2)，其中A為包括至少一種稀土元素例如Y和&的元素，B為Zr，且χ為0. 010 0. 035的數(shù)值。另外，本發(fā)明涉及壓電元件，其在Si襯底上依次具有第一電極層、壓電層和第二電極層，該壓電元件在該Si襯底和該第一電極層之間還包括由以下組成式表示的外延膜XA203-(1-X) BO2(2)，其中A為選自由稀土元素例如Y和Sc組成的組的一種或多種元素原子，B為Zr， 且χ為0. 010 0. 035的數(shù)值。另外，本發(fā)明涉及鐵電元件，其在Si襯底上依次具有第一電極層、鐵電層和第二電極層，該鐵電元件在該Si襯底和該第一電極層之間還包括由以下組成式表示的外延膜xA203-(1-x) bo2(2)，其中A為包括至少一種稀土元素例如Y和&的元素，B為Zr，且χ為0. 010 0. 035的數(shù)值。而且，本發(fā)明涉及液體排出頭，其具有以上壓電元件并適于通過(guò)使用該壓電元件而排出液體。能制備具有均勻組成、單取向晶體結(jié)構(gòu)和大面積的本發(fā)明的外延膜。而且，根據(jù)本發(fā)明的外延膜的制造方法，能容易地制造具有均勻組成、單取向晶體結(jié)構(gòu)和大面積的外延膜。另外，本發(fā)明的鐵電元件和壓電元件中，使用晶格匹配方面優(yōu)異的外延膜作為Si襯底上的緩沖層。因此，能制備具有單取向晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異特性和大面積的元件。而且，根據(jù)本發(fā)明的元件的制造方法，能容易地制造具有金屬元素均勻分布其中的單取向晶體結(jié)構(gòu)且具有大面積的元件。在本發(fā)明的液體排出頭中，能得到高分辨率，并且能以高速排出液體。甚至用高密度排出頭也能排出大量液體，并能將該頭放大。由以下參照附圖對(duì)示例性實(shí)施方案的說(shuō)明，本發(fā)明的進(jìn)一步的特點(diǎn)將變得明了。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭的一個(gè)實(shí)例的構(gòu)成示意圖。圖2為示出本發(fā)明壓電元件的一個(gè)實(shí)例的示意圖。圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭的制造方法的步驟圖。圖4為示出利用X射線衍射的根據(jù)本發(fā)明的外延膜的實(shí)施例1的剖面的圖。圖5為示出利用X射線衍射的根據(jù)本發(fā)明的壓電元件的實(shí)施例1的剖面的圖。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明的外延膜的Y2O3量和半峰全寬之間關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式(外延膜的制造方法)根據(jù)本發(fā)明的外延膜的制造方法的特征在于，加熱Si襯底，在該襯底的表面上包括具有l(wèi).Onm IOnm膜厚的SiO2層；和通過(guò)利用由組成式(1)表示的金屬靶在該襯底上形成由組成式( 表示的外延膜。用于根據(jù)本發(fā)明的外延膜的制造方法的金屬靶由以下組成式表示yA-(l-y)B(1)，其中A為選自由稀土元素例如Y和&組成的組的元素的一種或多種原子，B為Zr， 且y為0. 03 0. 20的數(shù)值。使用以上組成的靶能得到具有由組成式( 表示的組成作為目標(biāo)組成的外延膜。由組成式(1)的A表示的金屬元素的具體例子包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、 Gd、Dy、Yb、Lu 和 Eu,并且優(yōu)選為 Y、La、Ce 和 Dy。假設(shè)金屬靶中金屬元素的總數(shù)為1，金屬靶中由A表示的金屬元素?cái)?shù)即組成式(1) 的y為0. 03 0. 20。當(dāng)金屬靶中金屬元素?cái)?shù)是1并且金屬靶中包括的元素A的數(shù)大于等于0.03時(shí)，外延膜中組成式O)的χ大于等于0.01。在此情形中，金屬元素A的含量是合適的，并且能得到具有優(yōu)異結(jié)晶性的穩(wěn)定膜。當(dāng)金屬靶中金屬元素?cái)?shù)為1并且金屬靶中包括的元素A的數(shù)小于等于0. 20時(shí)，能容易地制備金屬靶，并且能得到具有均勻組成的外延膜。作為具有這樣組成的金屬靶，能使用合金靶(捏合金屬靶)。通過(guò)以元素組成比 y、l-y混合組成式(1)的元素A、B并在真空中熔融該組合物能制備合金靶。作為外延膜， 使用通過(guò)除去雜質(zhì)混合物而得到的靶能得到具有較少組成波動(dòng)、較少膜厚波動(dòng)和優(yōu)異結(jié)晶性的優(yōu)質(zhì)膜。可對(duì)金屬靶進(jìn)行濺射以清潔表面，即在安裝濺射單元后且在外延膜形成之前的所謂預(yù)濺射。用于根據(jù)本發(fā)明的外延膜的制造方法中的Si襯底優(yōu)選具有單晶結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫哂袉稳∠蚪Y(jié)構(gòu)的外延膜容易在襯底上形成。具有單晶結(jié)構(gòu)的Si襯底的表面可具有(100)取向。即使當(dāng)SOI襯底用作Si襯底時(shí)，襯底表面也可具有(100)取向單晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)襯底具有處理層時(shí)，該處理層可以具有(110)晶體結(jié)構(gòu)。這樣的Si襯底的表面在其表面上具有膜厚1. Onm IOnm的SW2層。該Si襯底具有有這樣膜厚的SW2層，由此能在Si襯底上形成經(jīng)受靶濺射的金屬元素氧化物的外延膜。該膜具有優(yōu)異的結(jié)晶性，并且具有以上的組成。當(dāng)SiO2層具有小于等于l.Onm的膜厚時(shí)，得到具有均勻組成和改善的結(jié)晶性的外延膜。即使在具有大面積的Si襯底上也能形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的外延膜。當(dāng)SW2層具有小于等于IOnm的膜厚時(shí)，能減少起始成膜步驟所需的時(shí)間，并且能在短時(shí)間內(nèi)提高襯底溫度。而且，能抑制外延膜的生產(chǎn)率降低。3102層可具有1. Onm 5. Onm的膜厚。用緩沖氫氟酸對(duì)Si襯底的表面進(jìn)行處理以除去粘附于S^2層表面的雜質(zhì)，然后通過(guò)氧化處理例如氨過(guò)氧化物水處理或氫氯酸過(guò)氧化物水處理能將SW2層形成所需的膜厚。此處，作為SiO2層的膜厚，可以使用以光譜橢偏儀(由JOBIN YVONCo.制造的 UVISEL)測(cè)定的值。通過(guò)濺射法在Si襯底上形成外延膜。在濺射法中，使加速粒子與靶碰撞，并且將靶的金屬元素釋放到空間、引導(dǎo)到襯底上、互相結(jié)合并與襯底結(jié)合，由此在襯底上形成外延膜。濺射法的例子包括射頻濺射、直流濺射、磁控濺射、離子束濺射和化學(xué)轉(zhuǎn)化濺射，并優(yōu)選使用射頻濺射。為通過(guò)濺射法形成外延膜，可以使用公知的濺射系統(tǒng)。作為濺射法的條件，成膜開(kāi)始后即刻的外延膜的初期形成期間，不使用含氧氣體， 可使用惰性氣體例如Ar，并且將氣體壓力設(shè)定為優(yōu)選0. 1 1. OPa，更優(yōu)選0. 1 0.9Pa。濺射功率優(yōu)選設(shè)定為lW/cm2 5W/cm2。此處，取決于成膜條件，成膜開(kāi)始后即刻的外延膜的初期成形從成膜開(kāi)始對(duì)應(yīng)1 500秒，更優(yōu)選1 250秒。在成膜開(kāi)始后即刻的外延膜的初期形成期間，不使用含氧氣體，由此能控制在S i襯底上形成的外延膜的膜厚。 在外延生長(zhǎng)和氧化之間的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)中，能防止結(jié)晶性受到干擾。具體地，氧分壓優(yōu)選為小于等于 1 X 10_4Pa，更優(yōu)選 1 X 10_5Pa。在外延膜的初期形成后，可使用含氧氣體，以便能高效地形成具有大膜厚的外延膜。具體地，以合適的比例使用其中將A和Ar混合的混合氣體，并且在等于以上壓力的氣壓下將濺射功率優(yōu)選設(shè)定為5W/cm2 lOW/cm2。優(yōu)選將襯底的溫度設(shè)定為400°C 760°C，更優(yōu)選為400°C 640°C?？梢杂靡r底包埋型熱電偶測(cè)定襯底溫度。將襯底設(shè)定為恒溫，然后開(kāi)始成膜，由此能形成具有單取向晶體結(jié)構(gòu)的外延膜。通過(guò)濺射法在Si襯底上形成的外延膜為以下組成式表示的穩(wěn)定氧化物，XA203-(1-X) BO2(2),其中A和B為與組成式(1)的那些相同的金屬元素原子，并且χ為0.010 0.035 的數(shù)值。在組成式⑵中，χ小于等于0.035，由此四方晶軸c/a比接近1.0，并且膜的結(jié)晶性提高。當(dāng)χ大于等于0. 01并且由A2O3表示的氧化物存在時(shí)，可避免無(wú)居里溫度的不穩(wěn)定狀態(tài)。在組成式O)中，A為包括至少一種稀土元素例如Y和&的元素。具體地，該元素與在以上組成式(1)中所示的類似。在組成式O)中，B為&。另外，當(dāng)組成式O)中A 為Y且B為&時(shí)，外延膜包括用IO3穩(wěn)定的&02，并且具有晶格常數(shù)為0. 515nm 0. 518nm 的晶體結(jié)構(gòu)。這樣的穩(wěn)定氧化物的外延膜為YSZ的體單晶，并與0. 037Y203-0. 963Zr02的晶格常數(shù)0.516nm具有0.3 0.4%范圍內(nèi)的差。因此，即使當(dāng)外延膜在膜內(nèi)具有小應(yīng)力并且形成大面積時(shí)，也能抑制襯底翹曲的產(chǎn)生?？蓪⒕哂写竺娣e的各種器件層疊在外延膜上。 即，在此外延膜上能形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的膜。外延膜具有優(yōu)選1. Onm 500nm的膜厚。當(dāng)膜厚小于等于1. Onm時(shí)，容易控制在外延膜上設(shè)置的壓電層和鐵電層的取向。當(dāng)膜厚小于等于500nm時(shí)，可抑制成膜時(shí)間延長(zhǎng)， 并且可高效地制備器件。而且，在具有以上膜厚的外延膜中，用X射線衍射(XRD)測(cè)定的IO3-^O2 (200)取向的峰強(qiáng)度為大于等于8000cps，并且峰的半峰全寬小于等于0.8°。當(dāng)將電極層和壓電層層疊在該外延膜上時(shí)，由XRD測(cè)定的峰強(qiáng)度降低。但是，當(dāng)設(shè)置具有例如約3 μ m的膜厚的壓電層時(shí)，外延膜的(200)取向的峰強(qiáng)度大于等于200cps。在這樣的外延膜上，可穩(wěn)定地設(shè)置具有優(yōu)異結(jié)晶性的介電層、壓電層和鐵電層。本發(fā)明的壓電元件在Si襯底上依次具有第一電極層、壓電層和第二電極層，并且該壓電元件在該Si襯底和該第一電極層之間具有以下組成式表示的外延膜xA203-(1-X) BO2(2)，其中A為選自由稀土元素例如Y和&組成的組的一種或多種元素原子，B為Zr， 并且χ為0. 010 0. 035的數(shù)值。在本發(fā)明的壓電元件中，Si襯底和設(shè)置在該Si襯底上的外延膜與上述的那些類似，并且外延膜起到緩沖層的作用。在壓電元件的第一和第二電極層中，使用金屬或?qū)щ娧趸?。金屬的例子包括Pt、 Ir、Ru、Au、Ni、Al和W。在它們中，特別優(yōu)選使用面心立方金屬例如Pt、Ir、Au、Ni或Al。 導(dǎo)電氧化物的例子包括Ir02、RuO2, RbO2, La-SrTiO3^ SrRuO3和LaNi03。第一和第二電極層可以由相同材料或不同材料形成。第一電極層優(yōu)選包括導(dǎo)電氧化物。為了形成以上電極層，形成外延膜，然后優(yōu)選在沒(méi)有暴露于空氣的情況下在相同的腔室中連續(xù)地形成電極層。因此，能在保持優(yōu)異的結(jié)晶性的狀態(tài)下形成取向膜或單晶膜。在由組成式( 表示的外延膜的電極層和緩沖層之間可以設(shè)置不同組成例如氟氧化物的緩沖層。在壓電元件的壓電層中，可以使用ABO3鈣鈦礦氧化物。相對(duì)于Si襯底，壓電層優(yōu)選具有(100)取向、(001)取向、(110)取向、(111)取向或其中(100)取向和(001)取向混合存在的取向的晶體結(jié)構(gòu)。壓電層具有(100)取向、(001)取向或其中(100)取向和(001) 取向如下所示混合存在的取向。即，將氟氧化物，優(yōu)選&02在以上外延膜上形成外延膜。接著，設(shè)置具有疊層結(jié)構(gòu)例如SrRU03/LaNi03的氧化物電極層，并且可以在SrRuO3上設(shè)置壓電層。而且，為形成具有(110)取向的壓電層，ABO3鈣鈦礦氧化物的電極層在外延膜上直接外延生長(zhǎng)以得到(Iio)取向的電極層并可以形成壓電層。可優(yōu)選地將與上述類似的ABO3 鈣鈦礦氧化物用于電極層中。為了形成(111)取向的壓電層，在外延膜上形成金屬(優(yōu)選面心立方金屬)的電極層，然后可以形成壓電層。作為電極層，可以在該金屬上層疊氧化物例如SrRu03。作為以上取向的壓電層，可以使用導(dǎo)電材料例如PZT、PMN、PNN、PSN、PMN-PT、 PNN-PT、PSN-PT、PZN-PT 或 BTO。該壓電元件具有結(jié)晶性優(yōu)異的外延膜的緩沖層，以致該元件具有單晶結(jié)構(gòu)或單取向晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)異結(jié)晶性。因此，可選擇壓電材料以形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的壓電元件。該壓電元件具有所需的晶體取向，并且面內(nèi)取向在膜厚度方向上也具有高度取向。通過(guò)在Si襯底上形成外延膜，然后相繼設(shè)置第一電極層、壓電層和第二電極層， 能制造該壓電元件。作為這樣的壓電元件的制造方法的例子，可以應(yīng)用用于半導(dǎo)體制造方法中的沉積膜形成技術(shù)。形成第一電極層的方法的例子包括濺射法和溶膠凝膠法。形成壓電層的方法的例子包括濺射法、溶膠凝膠法、CVD法、EB法和蒸鍍(evaporation)法。形成第二電極層的方法的例子包括涂敷法、蒸鍍法和濺射法。本發(fā)明的鐵電元件在Si襯底上依次具有第一電極層、鐵電層和第二電極層，并且該鐵電元件在該Si襯底和該第一電極層之間還具有由以下組成式表示的外延膜xA203-(1-X) BO2(2)，其中A為選自由稀土元素例如Y和&組成的組的一種或多種元素原子，B為Zr， 且χ為0. 010 0. 035的數(shù)值。具體地，本發(fā)明的鐵電元件中Si襯底、在該Si襯底上設(shè)置的外延膜和第一和第二電極層可以與上述壓電元件中的那些類似，并且可以通過(guò)與上述類似的方法得到。在鐵電元件的鐵電層中可以使用ABO3鈣鈦礦氧化物。優(yōu)選使用相對(duì)于Si襯底具有(111)取向的晶體結(jié)構(gòu)的鐵電層。具體地，具有(111)取向的晶體結(jié)構(gòu)的鐵電層可以與 (111)取向的壓電層類似。這樣的鐵電層可通過(guò)與形成壓電元件的壓電層的方法類似的方法形成。在本發(fā)明的鐵電元件中，介由包括具有優(yōu)異結(jié)晶性的外延膜的緩沖層在襯底上形成鐵電層，以使鐵電元件具有優(yōu)異的結(jié)晶性和令人滿意的耐久性。對(duì)本發(fā)明的液體排出頭沒(méi)有任何特別限制，只要該排出頭具有以上的壓電元件。 具體地，該排出頭具有排出液體的排出口、與該排出口連通的獨(dú)立液體腔室、構(gòu)成部分該獨(dú)立液體腔室的振動(dòng)板和設(shè)置在該獨(dú)立液體腔室外部的向振動(dòng)板施加振動(dòng)的壓電元件。在這樣的液體排出頭中，由于振動(dòng)板在獨(dú)立液體腔室中產(chǎn)生體積變化，將獨(dú)立液體腔室的液體從排出口排出。在該液體排出頭中，使用具有包括外延膜的緩沖層的壓電元件，借此可容易地得到具有均勻且高的排出性能、優(yōu)異的耐久性和大尺寸的排出頭。能將該液體排出頭用于圖像形成設(shè)備例如噴墨打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)合機(jī)器、復(fù)印機(jī)或排出油墨以外的液體的工業(yè)排出設(shè)備。參照?qǐng)D1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的液體排出頭的一個(gè)例子。圖1中所示的液體排出頭包括排出液體的排出口 11、使該排出口 11與獨(dú)立液體腔室13連通的連通孔12和向該獨(dú)立液體腔室13供給液體的共用液體腔室14。每個(gè)獨(dú)立液體腔室13的一部分包括振動(dòng)板15，并在該振動(dòng)板15上設(shè)置對(duì)該振動(dòng)板15施加振動(dòng)的壓電元件10。如圖2的剖面示意圖中所示，壓電元件10具有將包括上述外延膜的緩沖層19、第一電極層16、壓電層7和第二電極層18相繼層疊在對(duì)應(yīng)于Si襯底的振動(dòng)板15上的結(jié)構(gòu)。壓電元件10具有矩形形狀，但可以具有梯形形狀或倒梯形形狀。參照?qǐng)D3的步驟圖說(shuō)明這樣的液體排出頭的制造方法的一個(gè)例子。通過(guò)在襯底5 上形成圖案形成包括外延膜緩沖層、第一電極層、壓電層和第二電極層的壓電膜IOa以形成壓電元件10，襯底5的一部分構(gòu)成振動(dòng)板15，并且蝕刻襯底的背面以形成獨(dú)立液體腔室 13。另一方面，將設(shè)置有連通孔12和排出口 11的襯底14與設(shè)置有獨(dú)立液體腔室13的襯底5粘結(jié)以形成液體排出頭。因此，能得到具有優(yōu)異壓電特性和大面積的液體排出頭。(實(shí)施例)下文將具體說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的外延膜、壓電元件、鐵電元件和液體排出頭的實(shí)施例。(實(shí)施例1)(外延膜的制備)通過(guò)使用含Y和Ir組分的0. 11Υ-0. 89Zr合金靶在Si (100)單晶襯底上形成外延膜并通過(guò)真空熔融法如下制備。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為，并將襯底加熱30分鐘。經(jīng)過(guò)30分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 5 和2. 96W/cm2。進(jìn)行10 分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射4秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 3Pa和5. 92ff/cm2,并使用Ar和仏的混合氣體。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))進(jìn)行XRD(由Panalytical Co.制造的X' Pert MRD)以評(píng)價(jià)得到的外延膜。在 X射線管中使用CuKa1輻射，將X射線管電壓設(shè)為45kV，并將X射線管電流設(shè)為40mA。通過(guò)平行束法進(jìn)行測(cè)定。在光學(xué)系統(tǒng)中，在入射束側(cè)使用Ge Q20)的混合鏡、防止垂直發(fā)散的 1/2°狹縫和防止橫向發(fā)散的0.02rad太陽(yáng)狹縫。而且，在衍射束側(cè)使用0. 09°準(zhǔn)直管。在圖4中示出外延膜的XRD圖案結(jié)果。IO3IrO2 (200)取向的峰強(qiáng)度為9997cps。半峰全寬為0. 7552°，并且晶格常數(shù)為0. 517nm。而且，在起始層成膜期間，引入氧氣以制備外延膜。在該膜中J2O3-^O2 (200)取向的峰強(qiáng)度為小于等于300cps，并且結(jié)晶性有缺陷。在該膜上設(shè)置壓電層的情形中，沒(méi)有觀察到(200)取向的峰。(用光譜橢偏儀的評(píng)價(jià))用光譜橢偏儀(由JOBIN YVON Co.制造的UVISEL)測(cè)定在外延膜形成于其上的 Si襯底上的SiO2層和Y2O3-ZrO2層的膜厚。膜厚分別為2. 3nm和158. Inm0(用XRF的評(píng)價(jià))用XRF (X-射線熒光分析分光計(jì)，由Panalytical Co.制造的Magix Pro)測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為0. 020Y203-0. 980 。
(壓電元件的制備)在外延膜上，通過(guò)濺射形成( 層與LaNiO3和SrRuO3的第一電極層，將PZT (001) 壓電膜在第一電極層上形成為具有3. 0 μ m厚度的第二電極層，然后蒸鍍Au電極以得到壓電元件。用XRD測(cè)定得到的壓電元件。在圖5中示出壓電元件的XRD圖案的結(jié)果。將PZT 層(001)/(100)外延取向，并且外延膜YSZ層的峰強(qiáng)度為400cps。(液體排出頭)使用以上壓電元件制備具有圖1構(gòu)造的液體排出頭以評(píng)價(jià)液體排出特性。該排出頭具有令人滿意的排量(displacement)和耐久性。特別地，來(lái)自四英寸Si襯底的排出頭具有穩(wěn)定特性和提高的產(chǎn)率。(實(shí)施例2)(外延膜的制備)如下通過(guò)使用含Y和^ 組分的0. 14Y-0. 86 合金靶在Si (100)單晶襯底上形成
外延膜。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為635°C，并將襯底加熱30分鐘。經(jīng)過(guò)30分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 3 和2. 96W/cm2。進(jìn)行10 分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射4秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 3Pa和5. 92ff/cm2,并使用Ar和仏的混合氣體。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。Y2O3-ZrO2(200)取向的峰強(qiáng)度為8652cps。峰的半峰全寬為0. 7787°，并且晶格常數(shù)為0. 517nm。(用光譜橢偏儀的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定在外延膜形成于其上的Si襯底上SW2層和 Y2O3-ZrO2層的膜厚。厚度分別為2. Inm和141. 7nm。(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. 035Υ203-0· 965Zr02。(實(shí)施例3)(外延膜的制備)如下通過(guò)使用含Y和Ir組分的0. 07Υ-0. 993Zr合金靶在Si (100)單晶襯底上形成外延膜。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為600°C，并將襯底加熱25分鐘。經(jīng)過(guò)35分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 5 和2. 96W/cm2。進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射4秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 5Pa和5. 92ff/cm2,并使用Ar和仏的混合氣體。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。Y2O3-ZrO2(200)取向的峰強(qiáng)度為8315cps。峰的半峰全寬為0. 7982°，并且晶格常數(shù)為0. 517nm。(用光譜橢偏儀的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定在外延膜形成于其上的Si襯底上的SiO2層和 Y2O3-ZrO2層的膜厚。厚度分別為2. 2nm禾口 168. 3nm。(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. OlOY2O3-O. 990Zr02o(比較例1)通過(guò)使用含Y和Ir組分的0. 22Υ-0. 78Zr合金靶在Si (100)單晶襯底上形成外延膜。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為800°C，并將襯底加熱25分鐘。經(jīng)過(guò)35分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 3 和2. 96W/cm2。進(jìn)行10 分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射4秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 5Pa和2. 76W/cm2。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。Y2O3-ZrO2(200)取向的峰強(qiáng)度為1641cps。峰的半峰全寬為0.9474°，并且晶格常數(shù)為0. 518nm。(用光譜橢偏儀的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定在外延膜形成于其上的Si襯底上的SiO2層和 Y2O3-ZrO2層的膜厚。厚度分別為2. 2nm和117. 3nm。(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. 037YA-0. 963Zr02O此處，在圖6中示出Y2O3-ZrO2(200)取向的Y2O3量和半峰全寬之間的關(guān)系。由圖6可知，當(dāng)^O3的量超過(guò)0.035mol時(shí)，半峰全寬擴(kuò)展超過(guò)0.8°。當(dāng)該量低于0. OlOmol時(shí)，半峰全寬也擴(kuò)展超過(guò)0.8°。(比較例2)
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通過(guò)使用含Y和ττ組分的0. 32Υ-0. 68Zr合金靶在i (100)單晶襯底上形成外延膜。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為760V，并將襯底加熱30分鐘。經(jīng)過(guò)30分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為1. 0 和0. 69W/cm2。進(jìn)行10 分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射4秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為1. OPa和2. 76W/cm2。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。Y2O3-ZrO2(200)取向的峰強(qiáng)度為142. 7cps，不能測(cè)定峰的半峰全寬和晶格常數(shù)。(用光譜橢偏儀的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定在外延膜形成于其上的Si襯底上的SiO2層和 Y2O3-ZrO2層的膜厚。厚度分別為2. 3nm禾口 158. Inm0(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. 113Y203-0. 887Zr02。(比較例3)通過(guò)使用安裝的靶在Si (100)單晶襯底上形成外延膜，在靶中，在金屬rLx上距離中心15mm的位置徑向配置4個(gè)2. 5mm正方形Y金屬片。(起始層成膜)將加熱溫度設(shè)為，并將襯底加熱30分鐘。經(jīng)過(guò)30分鐘后，引入Ar氣，并開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為1. 3 和2. 96W/cm2。進(jìn)行10 分鐘的預(yù)濺射，然后進(jìn)行濺射6秒鐘以形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為0. 9Pa和5. 92ff/cm2,并使用Ar和仏的混合氣體。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。Y2O3-ZrO2(002)取向的峰強(qiáng)度為273. Scps。峰的半峰全寬為1. 8759°，并且晶格常數(shù)為0. 520nm。(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. 208Υ203-0· 792Zr02。IO3-ZiO2 層的厚度為 117. 3nm。(比較例4)
通過(guò)使用安裝的靶在Si (100)單晶襯底上形成外延膜，在靶中，在金屬I(mǎi)r上距離中心15mm的位置徑向配置4個(gè)2. 5mm正方形Y金屬片。(起始層成膜)除了將襯底的加熱溫度設(shè)為900°C外，以與比較例2中相同的方式形成起始層。(氧化物層成膜)形成了起始層，然后關(guān)閉濺射電源以引入02氣。再次開(kāi)啟濺射電源以開(kāi)始預(yù)濺射。 此時(shí)，將氣壓和濺射功率分別設(shè)為1. 3Pa和5. 92W/cm2。從預(yù)濺射起始層開(kāi)始經(jīng)過(guò)15分鐘后結(jié)束預(yù)濺射，這樣形成了氧化物層。(外延膜的評(píng)價(jià))(基于XRD的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式進(jìn)行得到的外延膜的XRD測(cè)定。不能確認(rèn) Y2O3-ZrO2 (002)取向的峰強(qiáng)度，并且膜未結(jié)晶。膜看起來(lái)具有白色渾濁。(用XRF的評(píng)價(jià))用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)定得到的外延膜的組成。組成為 0. HY2O3-O. 862Zr02O Y2O3-ZrO2 層的厚度為 104. 8nm。(實(shí)施例4)(鐵電元件的制備)以與實(shí)施例1中相同的方式，在由YSZ制成的外延膜上形成Pt(Ill)外延膜，并在該外延膜上形成SrRuO3(Ill)膜。在該膜上，將PZT形成為膜，由此可得到具有令人滿意的結(jié)晶性的(111)外延膜。將膜厚設(shè)為150nm。膜的剩余極化ft·接近40 μ C/cm2，并且具有令人滿意的重復(fù)耐久性。由以上結(jié)果看出，根據(jù)本發(fā)明的外延膜的制造方法，與體單晶相比在Si襯底上的外延膜具有優(yōu)異的結(jié)晶性。通過(guò)使用緩沖層中的外延膜能得到具有優(yōu)異特性且具有大面積的壓電元件和鐵電元件。能制備具有大量待排出液體的液體排出頭，該排出頭能夠以高速排出液體且具有大的面積。此申請(qǐng)要求2007年3月30日提交的日本專利申請(qǐng)No. 2007-094116的權(quán)益，在此
將其全文引為參考。
權(quán)利要求
1.外延膜，其在Si襯底上形成并且由以下組成式表示 XA203-(1-X) BO2(2),其中A為選自由包括Y和Sc的稀土元素組成的組的一種或多種元素原子，B為^ ，并且χ為0.010 0.035的數(shù)值，并且(200)取向的半峰全寬為0.8°以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的外延膜，其中晶格常數(shù)在0.515nm 0.518nm的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的外延膜，其中膜厚在1.Onm 500nm的范圍內(nèi)。
4.壓電元件，其在Si襯底上按下述順序具有第一電極層、壓電層和第二電極層，該壓電元件在該Si襯底和該第一電極層之間還包括由以下組成式表示的外延膜XA203-(1-X) BO2(2),其中A為選自由例如Y和Sc的稀土元素組成的組的一種或多種元素原子，B為^ ，且 χ為0.010 0.035的數(shù)值，并且(200)取向的半峰全寬為0.8°以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的壓電元件，其中該壓電層相對(duì)于Si襯底具有(100)取向、(001) 取向、(110)取向、(111)取向或其中(100)取向和(001)取向混合存在的取向。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的壓電元件，其中該壓電層的膜厚在1.Onm 500nm的范圍內(nèi)。
7.液體排出頭，其具有根據(jù)權(quán)利要求4的電極層并且適于通過(guò)使用該壓電元件排出液體。
8.鐵電元件，其在Si襯底上按下述順序具有第一電極層、鐵電層和第二電極層，該鐵電元件在該Si襯底和該第一電極層之間還包括由以下組成式表示的外延膜xA203-(1-X) BO2(2),其中A為選自由例如Y和Sc的稀土元素組成的組的一種或多種元素原子，B為^ ，且 χ為0.010 0.035的數(shù)值，并且(200)取向的半峰全寬為0.8°以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的鐵電元件，其中該鐵電層相對(duì)于該Si襯底具有(111)取向。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了外延膜，其包括加熱Si襯底，在該襯底的表面上設(shè)置有具有1.0nm～10nm膜厚的SiO2層；和通過(guò)使用由以下組成式(1)表示的金屬靶在該SiO2層上形成由以下組成式(2)表示的外延膜yA(1-y)B(1)，其中A為選自由包括Y和Sc的稀土元素組成的組的一種或多種元素，B為Zr，且y為0.03～0.20的數(shù)值，xA2O3-(1-x)BO2 (2)，其中A和B為分別與組成式(1)的A和B相同的元素，且x為0.010～0.035的數(shù)值。
文檔編號(hào)H01L41/187GK102214788SQ20111014863
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者松田堅(jiān)義, 林潤(rùn)平, 福井哲朗, 舟洼浩 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社, 國(guó)立大學(xué)法人東京工業(yè)大學(xué)