薄膜压电元件制造技术

通过控制形成压电薄膜时施加的压力并提供具有钙化钛结构的压电薄膜，可以产生一个具有改进的和稳定的特性的压电薄膜。一个薄膜压电元件，其中衬底上形成一个下电极、上述下电极上形成含铅的压电薄膜、上电极又被摆放在上述压电薄膜上。该压电薄膜的特征在于它是一个具有钙钛矿结构的电介质，该结构的主要成份是铅、锆、和钛，它的构成范围是总的压电薄膜的Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）的组成比率不小于０．５３，它是一个四边形晶体结构，其中ｃ轴比ａ轴长。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一个使用一个压电的薄膜材料的压电元件。(2)
技术介绍
一般来说，一个压电的物质根据不同的目的被制成不同的压电元件，这些元件广泛地用作有用的电子元件，尤其包括通过施加一个电压产生形变的致动器和其逆作用的生成基于其元件形变的电压的传感器。作为一种使用于致动器和传感器的压电物质，以铅作衬底的电介质现在已被广泛使用，它们具有一个大的压电特性的、特别是被称作PZT的Pb(Zr1-xTix)O3族的钙钛矿类型的铁电体，它们通常由个体元件组成的烧结氧化物形成。目前，随着各种电子元件朝着尺寸更小性能更好的趋势发展，压电元件也非常需要更小的尺寸和更高的性能。然而，在用以烧结方法为主的传统的制造方法制成的压电物质中，随着厚度变薄，特别当厚度接近10微米时，便接近于构成物质的晶体颗粒的尺寸，由此晶体颗粒的效应就不能被忽视。因此便产生了一个问题特性上的变化和衰退变得显著。为了避免这个问题，最近几年开始研究一种应用作为烧结方法的替代的薄膜技术或类似技术来形成压电物质的方法。至今为止已研究了形成具有压电性的薄膜(如，一块压电薄膜)的化学蒸汽沉淀法，通常是rf溅射法和MOCVD法，它们能把构成一个压电物质的材料汽化并将其沉淀在衬底上。然而，由于颗粒边界和结晶取向所引起的问题，当与称作块料的由烧结形成的压电物质的压电特性相比，由这些技术形成的压电薄膜的特性有很大的不同。此外，由于施加于压电薄膜的应力的影响等等，压电薄膜尚未能提供一个实践上用于传感器和致动器的足够的压电特性。特别地，为了实现一个使用压电薄膜的微致动器和微传感器，形成一种具有双压电或单压电晶片结构的压电元件就被视作它的一种应用。然而在这种情况下，压电常数d31的值是重要的压电特性。当把压电薄膜作为实际应用于微型元件时，它要求压电常数d31的值等于或大于-100pC/V，这与块料要求的相同。如果考虑到批量生产特性，压电薄膜就需要使用一个与制造其他元件的过程兼容的衬底。因此，便需要把压电薄膜的材料的发展和制造技术的发展与高压电的实现结合起来。而在将压电物质构成薄膜时，举个例子来说，如果用总称为PZT的压电物质构成薄膜时，则需在高温下进行处理或在大等于500摄氏度的高温下在衬底上产生薄膜。从而在薄膜形成之后的冷却过程中，在已形成的压电薄膜中会有巨大的内部应力。这个残余应力使薄膜的晶体结构在质量上与块料大不相同，并降低了它的压电特性并引起其压电特性的变化。由于这些原因，很难把压电薄膜设计成一个致动器和一个传感器，因此没有例子表明压电薄膜可用于实际应用中。如果把压电薄膜用作一个微致动器或一个微传感器，便需要实现一个高压电特性并减少特性上的变化。通常，压电薄膜的特性主要取决于薄膜材料及其晶体结构的合成结构。此外压电薄膜的晶体结构主要取决于构成它的衬底和薄膜形成工艺。当把压电薄膜用作一个压电元件时，就要在薄膜特有的环境下获得一个稳定的高压电特性，如上述的内部应力，由此便需要一个制造薄膜的工艺和适合薄膜的材料的发展。(3)
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述的问题并为了实现即使在薄膜中也具有高压电特性的压电薄膜，它通过控制和优化一个压电薄膜材料的微观晶体结构，来提供一个能经得起实际运用的薄膜压电元件。本专利技术还为了实现一种用来稳定地构造一个具有与块料相同的高压电特性的压电薄膜的技术，它通过优化压电薄膜的材料成份并使用一种调节成份的构造方法，来提供一个能实际用作微致动器或微传感器的薄膜压电元件。在一个衬底上有下电极的薄膜压电元件中，含铅的压电薄膜在下电极上形成，此外把一个上电极放在压电薄膜上，本专利技术的薄膜压电元件是一个具有钙钛矿结构的电介质，该结构的主要成份是铅、锆、和钛，它的构成范围是总的压电薄膜的Zr/(Zr+Ti)的组成比率等于或大于0.53，它是一个四边形晶体结构，其中c轴比a轴长。此外，在一个衬底上有下电极的薄膜压电元件中，含铅的压电薄膜在下电极上形成，然后一个上电极被放在压电薄膜上。本专利技术的薄膜压电元件是一个具有钙钛矿结构的电介质，该结构的主要成份是铅、锆、和钛。该压电薄膜表层部分的Zr/(Zr+Ti)的组成比率不小于衬底分界面部分的10％，另外它的构成范围是压电薄膜表层部分的Zr/(Zr+Ti)的组成比率等于或大于0.53，它是一个四边形晶体结构，其中c轴比a轴长。同样，如果构成压电薄膜的衬底将硅、铁、氧化镁、氧化铝以及氧化锆的至少一种作为主要成份、压电薄膜的晶体结构将c轴作为优先取向、c轴和a轴的比例c/a在不低于1.01且不高于1.03的范围内，那么就能实现具有极好的压电特性的薄膜压电元件。(4)附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例的薄膜压电元件的透视图。符号的描述1压电薄膜2振动层3下电极4上电极5衬底(5)具体实施方式参照附图描述根据本专利技术的一个实施例的一个压电元件的配置。图1表示根据本专利技术的压电元件的一个实施例。压电薄膜1含有Pb(Zr1-xTix)O3(0.47×1)组成(下文中称为PZT)并且薄膜厚度为3微米。该薄膜形成在由氧化镁组成的衬底6上。衬底6具有隔膜结构，这便于压电薄膜1振动。其中，压电薄膜1由一种溅射方法形成在真空容器中放置与已形成薄膜组成相同的烧结体目标，在氧化的气体中在目标上生成等离子体，从而把薄膜1淀积在受热的衬底6之上。已使用的氧化镁衬底6是(100)平面上的一个单晶体衬底，其上形成许多长为500微米宽为50微米的凹槽。衬底6的一个表面具有隔膜结构，该表面被一个下电极铂层3覆盖，该层被取向在(100)平面，厚度为2微米。下电极层3比通常厚度更厚一点，由此层3可以作为根据压电薄膜1的伸展和收缩而产生上下振动的隔膜。一个单晶体氧化镁衬底便于使下电极铂层3取向，它也能控制形成于其上的PZT压电薄膜1的取向。当隔膜在对应于压电薄膜1上的每个隔膜的位置处形成时，上电极铂层具有同样的厚度0.2微米。该元件通过对上下电极之间施加的电压来实现致动器的操作。这时，上下电极间加上一个1KHz的正弦波，并通过测量隔膜上压电薄膜1的上下振动来评价压电特性。用在隔膜中央测得的值来规定振动的大小，该位置处的振动大小将达到最大值。通常，PZT材料的晶体结构根据Zr与Ti的组成比例而变化。当Zr/Ti的组成比例约为53/47时，在四边形和菱形系统间会存在一个相位边界。因为那里的相位结构变得不稳定，因此在接近该相位边界的组成方式中可观察到高压电特性。另一方面，溅射法和CVD法的工艺在薄膜材料的情况下不能提供像烧结工艺所提供的那样好的成份可控性。此外，由于衬底6中产生的应力的影响，实际晶体结构通常与烧结体的晶体结构不同，从而导致了压电薄膜1的压电特性产生很大的变化。为此，实际使用中还没有具有极佳压电特性并能提供极佳再现性的压电薄膜材料。在溅射法的情况下，薄膜材料的内部应力可通过调整各种溅射条件来控制。通常，在块料中，相位边界的Zr/Ti具有菱形结构，它比比率为53/47时具有更多的锆，该晶格形变c/a为1。根据本专利技术，通过优化像溅射气压这样的工艺参数，可以控制由PZT材料构成的压电薄膜1中的应力并改变其晶体结构。也就是说，根据本专利技术形成的PZT薄膜经受使用四轴X射线衍射的晶体结构分析，并涉及一个Zr/Ti的组成比率大于53/47的PZT压电薄膜，可以发现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜压电元件，其中衬底上形成一个下电极、上述下电极上形成含铅的压电薄膜、上述压电薄膜上进一步设置一上电极，其特征在于所述压电薄膜是一个具有钙钛矿结构的电介质，该结构的主要成份是铅、锆、和钛，它的构成范围是在总的压电薄膜成分中Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）的组成比率等于或大于０．５３，它是一个四边形晶体结构，其中ｃ轴比ａ轴长。

【技术特征摘要】
JP 2000-7-24 222271/001.一种薄膜压电元件，其中衬底上形成一个下电极、上述下电极上形成含铅的压电薄膜、上述压电薄膜上进一步设置一上电极，其特征在于所述压电薄膜是一个具有钙钛矿结构的电介质，该结构的主要成份是铅、锆、和钛，它的构成范围是在总的压电薄膜成分中Zr/(Zr+Ti)的组成比率等于或大于0.53，它是一个四边形晶体结构，其中c轴比a轴长。2.一种薄膜压电元件，其中衬底上形成一个下电极、上述下电极上形成含铅的压电薄膜、上述压电薄膜上进一步设置一上电极，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：神野伊策，原慎太郎，中野貴德，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]