压电薄膜元件制造技术

一种用于制造压电薄膜元件的方法，该压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和在其间的一个或更多个压电薄膜，该方法包括通过使用三种溶液的化学溶液沉积形成包括PZT的压电薄膜，其中PZT薄膜的形成包括由三种溶液形成主体PZT薄膜层，其中每种溶液具有不同于任何其它溶液的Zr/Ti含量的Zr/Ti含量，并且至少一种溶液具有大于任何其它溶液的过量铅含量的过量铅含量，使得主体PZT薄膜层在其厚度方向上具有基本上均匀的铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电薄膜元件本公开大体上涉及适于在致动器、传感器、能量收集设备中和在多层电容器中的使用的压电薄膜元件以及制造该元件的方法。本公开特别地但不排他地涉及适于用作微滴沉积装置中的微滴沉积头的致动器的压电薄膜元件的制造方法、以及包括该元件的致动器、包括致动器的微滴沉积头和包括该微滴沉积头的微滴沉积装置。各种替代流体可由微滴沉积头沉积。例如，微滴沉积头可以喷射墨滴，该墨滴可以行进到纸张或卡片上，或者行进到其他接收介质上，诸如瓷砖或成型制品(例如，罐、瓶等)，以形成图像，正如喷墨打印应用中的情况(其中微滴沉积头可以是喷墨打印头，或者更具体地，按需滴定喷墨打印头)。可选地，流体的微滴可用于构建结构，例如，电活性流体可沉积到接收介质(诸如电路板)上，以便能够对电气设备进行原型设计。在另一个示例中，含有流体的聚合物或熔融聚合物可以沉积在连续的层中，以便产生物体的原型模型(如在3D打印中)。在其它应用中，微滴沉积头可适于将含有生物或化学物质的溶液的微滴沉积到接收介质(诸如微阵列)上。适用于这种替代流体的微滴沉积头在结构上通常可以类似于打印头，并具有对所讨论的特定流体进行处理所做出的一些调整。微滴沉积头可以是按需滴定微滴沉积头，其中喷射的微滴图案根据提供给该头的输入数据而变化。适合用作微滴沉积头的致动器的典型压电薄膜元件包括在硅或其他衬底上形成的金属或金属氧化物底部电极、金属顶部电极、以及介入这些电极之间的压电薄膜。压电薄膜可以包括含铅钙钛矿(ABO3)，诸如锆钛酸铅(PZT)，并且可以通过各种技术形成，包括溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)和化学溶液沉积。然而，最常用的技术是化学溶液沉积，诸如溶胶-凝胶沉积。在化学溶液沉积中，压电薄膜形成为包括多个已经单独形成并一起退火的压电薄膜层的叠层。溶液(例如)首先被沉积到底部电极上、被干燥并热解以形成对于第一压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第一压电薄膜层。溶液然后被施加到第一压电薄膜层、被干燥并热解以形成对于第二压电薄膜层的前体层。对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第二压电薄膜。重复这些后面的步骤，以便在底部电极上获得压电薄膜，该压电薄膜包括具有多个压电薄膜层和具有用于压电元件预期用途的适当厚度的叠层。为了控制压电薄膜层和压电薄膜的厚度，化学溶液沉积可以在热处理之前通过重复施加、干燥和热解溶液来形成多个前体层。这些厚度还取决于溶液的总溶质浓度以及其它参数，诸如溶液的旋涂速率。最后，例如通过溅射金属(诸如铂、铱或钌)和/或通过金属氧化物(诸如二氧化铱)的反应溅射，在压电薄膜上形成顶部电极。在整个文献中详细描述了使用化学溶液沉积且特别是溶胶-凝胶沉积来形成包含含铅钙钛矿(诸如PZT)的压电薄膜。一个详细描述可以在例如美国专利申请2003/0076007A1(通过引用并入本文)中找到。尽管化学溶液沉积与其它沉积技术相比更方便，并且为压电薄膜的电气和机械性能的控制提供了更大的灵活性，但是这种控制的程度受到实际可利用的不同溶液的数量的限制。特别地，沉积中使用的工具通常只允许三种(或有时四种)不同的溶液的沉积。提供压电元件的优异性能的压电薄膜必须同时显示高效压电常数(d31,f)、低电流泄漏和高击穿电压以及受控的压电陶瓷-电极界面。这种压电薄膜需要至少五或六种不同溶液的沉积，并且需要对现有工具进行昂贵的修改。这种修改还会导致操作过于复杂且成本高昂的工具。现在已经发现了能够制造包括锆钛酸铅(PZT)的压电薄膜的方法，该压电薄膜在压电元件中提供了优异的性能，该压电薄膜不需要超过三种不同的溶液并且可以采用常规工具而无需修改。US6080499公开了一种铁电电容器，其包括具有不同铅组合物的PZT层。使用富铅靶和较不富的铅靶溅射PZT层。成核层和可选的覆盖PZT层(capPZTlayer)由富铅靶形成，而主体层(bulklayer)由较不富的铅靶形成。US2013/0002767A1公开了一项研究，其中通过从具有不同铅含量但具有相同Zr/Ti含量的成对的溶胶-凝胶溶液层压多个PZT薄膜来形成六个机电换能器膜。这里所说的是，当平均Pb/(Zr+Ti)比率在100％和110％之间并且界面PZT薄膜的Pb/(Zr+Ti)比率与平均值相差高达20％时，换能器膜的铅含量在其厚度方向上基本均匀。还据说，当界面PZT薄膜的Zr/(Zr+Ti)比率与平均值相差高达20％时，获得优异的转换特性。本公开涉及一种方法，其与US6080499和US2013/0002767A1中公开的压电元件相比可以提供优异性能的压电薄膜元件。因此，在第一方面中，本公开提供了一种用于制造压电薄膜元件的方法，该压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和在其间的一个或更多个压电薄膜，该方法包括通过使用三种溶液的化学溶液沉积形成包括PZT的压电薄膜，其中PZT薄膜的形成包括由三种溶液形成主体PZT薄膜层，其中每种溶液具有不同于任何其它溶液的Zr/Ti含量的Zr/Ti含量，并且至少一种溶液具有大于任何其它溶液的过量铅含量的过量铅含量，使得主体PZT薄膜层具有在其厚度方向上基本上均匀的铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率。注意，本文中对主体PZT薄膜层的提及是对单独或与一个或更多个类似的PZT薄膜层一起形成PZT薄膜的主要部分的PZT薄膜层的提及。进一步注意，对化学溶液沉积的提及包括对溶胶-凝胶沉积的提及，并且对溶液的提及包括对溶胶-凝胶溶液以及在沉积期间不产生溶胶或凝胶的溶液的提及。这种溶液的不同之处仅在于所选择的前体化合物的溶解度，并且用于施加溶液的沉积步骤基本相似。还要注意，在PZT薄膜层的厚度方向上具有基本均匀的铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率的主体PZT薄膜层是在该层的厚度方向上基本上没有铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率的梯度或者有最小梯度(例如，各自高达+/-3％或5％)的主体PZT薄膜层。每种溶液包括Zr/Ti含量，该含量被选择以考虑在通过退火三个前体层形成主体PZT薄膜层期间发生的不同的Zr和Ti离子扩散。每种溶液还包括过量铅含量，该过量铅含量被选择以考虑在由三个前体层在另一个PZT薄膜层上形成主体PZT薄膜层期间发生的铅蒸发和扩散。在一个实施例中，该方法包括通过由第一溶液形成第一前体层、在该第一前体层上由第二溶液形成第二前体层、以及在该第二前体层上由第三溶液形成第三前体层来形成主体PZT薄膜层，其中第一溶液具有高于第二溶液的Zr/Ti含量，第三溶液具有低于第二溶液的Zr/Ti含量，并且其中第二或第三溶液具有高于任何其它溶液的过量铅含量。可以以其他方式选择第二或第三溶液的过量铅含量，使得由第二或第三溶液形成的一个或更多个前体层在电极上形成PZT薄膜层。该选择考虑了在电极上形成PZT薄膜层期间发生的铅损耗和蒸发。特别地，第二或第三溶液的过量铅含量大于任何其它溶液的过量铅含量。在一个实施例中，该方法还包括由第二或第三溶液在第一电极上形成PZT薄膜层，且特别是取向控制PZT薄膜层。可以以其他方式选择第一溶液的Zr/Ti含量，使得由该溶液形成的一个或更多个前体层形成电流泄漏阻挡PZT薄膜层(此后为阻挡PZT薄膜层)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造压电薄膜元件的方法，所述压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜，所述方法包括通过使用三种溶液的化学溶液沉积形成包括PZT的压电薄膜，其中，所述PZT薄膜的形成包括由所述三种溶液形成主体PZT薄膜层，其中每种溶液具有不同于任何其它溶液的Zr/Ti含量的Zr/Ti含量，并且至少一种溶液具有大于任何其它溶液的过量铅含量的过量铅含量，使得所述主体PZT薄膜层在其厚度方向上具有基本上均匀的铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.16 EP 16160657.91.一种用于制造压电薄膜元件的方法，所述压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜，所述方法包括通过使用三种溶液的化学溶液沉积形成包括PZT的压电薄膜，其中，所述PZT薄膜的形成包括由所述三种溶液形成主体PZT薄膜层，其中每种溶液具有不同于任何其它溶液的Zr/Ti含量的Zr/Ti含量，并且至少一种溶液具有大于任何其它溶液的过量铅含量的过量铅含量，使得所述主体PZT薄膜层在其厚度方向上具有基本上均匀的铅含量和Zr/(Zr+Ti)比率。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主体PZT薄膜层的形成包括由第一溶液形成第一前体层、在所述第一前体层上由第二溶液形成第二前体层、以及在所述第二前体层上由第三溶液形成第三前体层，其中所述第一溶液具有高于所述第二溶液的Zr/Ti含量，以及所述第三溶液具有低于所述第二溶液的Zr/Ti含量。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二溶液或所述第三溶液的过量铅含量大于任何其它溶液的过量铅含量。4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，还包括由所述第二溶液或所述第三溶液在所述第一电极上形成取向控制PZT薄膜层。5.根据权利要求4所述的方法，还包括由所述第一溶液或由所述第一溶液和第二溶液或第三溶液形成阻挡PZT薄膜层。6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，还包括由所述第一溶液或由所述第一溶液和第二溶液或第三溶液形成电极界面PZT薄膜层。7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每种溶液的Zr/Ti含量提供用于形成具有在约0.40与0.60之间的Zr/(Zr+Ti)比率的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·马迪洛维奇，高松远，苏珊·特罗利尔麦金斯特里，特伦特·博尔曼，朱宛琳，
申请(专利权)人：赛尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB