CN105474419B

CN105474419B - 多层薄膜压电设备和制造该设备的方法

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Publication number: CN105474419B
Application number: CN201480046500.7A
Authority: CN
Inventors: Y·李
Original assignee: Dimatix Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: WO2015026437A1; EP3036779A4; EP3036779B1; EP3036779A1; US20150054387A1; US9437802B2; JP6550387B2; CN105474419A; JP2016534563A

Abstract

多层薄膜压电材料堆和结合该堆的设备。在实施方式中，中间材料层被设置在衬底的区域的至少部分中的两个连续压电材料层之间，在该衬底上设置有多层压电材料堆。中间材料可以提供堆内的一个或多个功能，包括但不限于引起连续压电材料层的一者或二者两端的电场，引起两个连续压电材料之间的微结构的不连续性，调制压电材料堆的累积应力，以及用作用于根据衬底上的位置改变电场强度的基础。

Description

多层薄膜压电设备和制造该设备的方法

技术领域

本发明的实施方式一般涉及压电设备，且更具体地关于薄膜压电致动器和换能器。

背景技术

压电设备发现许多作为电机械致动器和换能器的应用。压电设备可以进一步被分类为使用块体压电材料或压电薄膜。块体压电材料一般具有超过20微米(μm)的厚度，且通常大大超过50μm，而薄膜设备使用厚度小于15μm的压电膜。

一般来说，在给定强度的电场下的压电材料的物理位移是压电膜厚度的函数。图1中示出了现有技术中的用于增加块体压电设备100的位移的一种技术。块体设备100使用多个块体压电材料平板135A、B、C(例如每个平板厚度(z)T₁＞50μm)，以交替方式与多个电极110、120、130、140层叠。如图1进一步示出，电极的电压偏置使得施加到每个连续压电平板两端的电场与下面或上面的平板两端的电场的方向相反。例如，在给定时刻正电压施加到电极110和130而负电压施加到电极120和140。这种偏置可以首先用于将块体压电平板的极性置于反向极性(例如平板135A和135C具有在第一方向的极性P₁，且平板135B具有在与P₁和P₃相反的第二方向的极性P₂)。这种相同的偏置可以然后用于在平板两端施加时变电场，产生大的累积物理位移。

薄膜压电设备能够有利地使用各种微机械技术(例如，材料沉积、光刻图案形成、蚀刻特征形成等)被廉价制造，具有极其高尺寸容差。这样，一个或多个压电薄膜设备可以被执制造成微电机械系统(MEMS)，其可以进一步包括使用兼容技术制造的一个或多个集成电路(IC)。作为一个示例，包括一个或多个流体室和压电泵送致动器的微流设备能够在单个打印头冲模中形成。作为另一个示例，能够在单个MEMS换能器冲模中形成超声换能器，该超声换能器包括能够在与换能器元件的暴露的外表面接触的传播介质(例如空气、水或体组织)中生成高频率压力波的压电膜阵列。

常规薄膜压电材料的一个问题是压电薄膜材料的厚度可能受到薄膜制造工艺(例如，膜沉积局限)的一个或多个方面的限制。因此，在给定强度的电场下的压电材料的位移与压电膜的厚度之间的关系不可以在与用于块体压电设备100相同的方式中容易地被利用。这样，对压电薄膜的厚度的限制能够限制薄膜压电设备的性能。能够实现更大的压电薄膜厚度且因此能够实现关于设计的膜位移的更大自由度的结构和技术因此在商业上是有利的。

发明内容

这里公开了多层薄膜压电材料堆和结合该堆的设备。薄膜压电材料堆被设置在衬底上，例如但不限于半导体晶片。在实施方式中，多层堆中的压电材料层在所有压电层具有基本相同的组成。针对某些这样的实施方式，中间材料层被设置在在衬底的区域的至少一部分中的两个连续压电材料层之间，该多层压电材料堆被设置在该衬底上。中间材料可以提供该堆内的一个或多个功能，包括但不限于引起连续压电材料层的一者或二者的两端的电场，引起两个连续压电材料之间的微结构的不连续性，调制压电材料堆的累积应力(stress)，以及用作用于根据衬底上的位置改变电场强度的基础。

在实施方式中，薄膜压电材料堆包括至少第一和第二压电材料层，该第一和第二压电材料层具有各向异性极性，这两个层基本朝向相同方向成极(pole)。在实施方式中，薄膜压电材料堆包括至少第一和第二压电材料层，该第一和第二压电材料层具有柱状多晶微结构。

在实施方式中，多层薄膜压电材料堆包括至少三个导电电极层，包括设置在两个压电材料层之间的至少一个内部电极层。针对某些这样的实施方式，至少一个外部电极层被设置在与内部电极层相反的压电层的至少一者的一侧上。在一个这样的实施方式中，第一压电材料层被设置在内部电极层与下电极层之间而第二压电材料层被设置在内部电极层上。在另一这样的实施方式中，第二压电材料层被设置在内部电极层与上电极层之间，第一压电材料层被设置在内部电极层的下面。在第三这样的实施方式中，第一压电材料层在内部电极层与下电极层之间而第二压电材料层被设置在内部电极层与上电极层之间。

在实施方式中，多层薄膜压电材料堆通过使用三个电极中的二者的两端的时变电压被移置同时第三电极被偏置以将压电材料两个层两端的电场下降大约一半。在某些这样的实施方式中，三个电极中的第三者被维持在固定或时变的偏置电势。在一个这样的实施方式中，该偏置电势是在时变驱动电压的整个相位施加在两个电极两端的峰-峰电压的中间。在实施方式中，固定的地电势被维持同时施加到驱动电极的时变电压关于地电势对称变化。

在实施方式中，压电微机械换能器阵列(例如适用于超声带)包括多个换能器元件，每个换能器元件包括多层压电薄膜堆。在实施方式中，压电流体泵送阵列(例如适合用于打印头)包括多个泵送室，每个泵送室与多层压电薄膜堆进行流体通信。

附图说明

通过示例的方式且非限制方式示出了本发明的实施方式，且当结合附图考虑时参考以下具体实施方式能够更全面理解本发明的实施方式，在附图中：

图1是使用多个压电平板的常规块体压电设备的剖视图；

图2是具有超过临界厚度的压电材料厚度的薄膜压电设备的剖视图；

图3A是根据本发明的实施方式的使用中间材料层的多层薄膜压电设备的剖视图；

图3B是根据实施方式的使用中间电极的多层薄膜压电设备的剖视图；

图3C是根据实施方式的进一步示出中间电极的工作偏置的图3B的多层薄膜压电设备的剖视图；

图3D是使用多个中间材料层的多层薄膜压电设备的剖视图；

图4A是根据实施方式的使用形成图案的中间层的多层薄膜压电设备的剖视图；

图4B是根据实施方式的图4A中示出的多层薄膜压电设备中的形成图案的中间层的平面图；

图5是示出根据实施方式的制造多层薄膜压电设备的方法的流程图；

图6A是根据实施方式的在一个或多个换能器元件中使用多层薄膜压电膜的压电微机械超声换能器(pMUT)阵列的平面图；

图6B是根据实施方式的使用多层薄膜压电膜的pMUT换能器元件的剖视图；

图6C是根据实施方式的使用具有多层薄膜压电膜的pMUT阵列的超声换能器装置的示意图；以及

图7是根据本发明的实施方式的微机械压电流体泵送装置的剖视图；

图8A、8B和8C是根据实施方式的喷溅的薄膜压电设备的各自的剖视图。

具体实施方式

在以下描述中，提出了许多细节，但是本领域技术人员应当理解本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实施。在一些示例中，公知的方法和设备以框图形式示出，而不是示出细节，以避免使本发明模糊。说明书中引用“实施方式”是指与该实施方式有关描述的特定特征、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，说明书不同地方出现的短语“在实施方式中”不必指本发明的同一个实施方式。此外，特定特征、结构、功能或特性可以被结合在一个或多个实施方式中的任何适当的方式中。例如，第一实施方式可以与第二实施方式结合，只要这两个实施方式没有明确表示为相互排斥的。

这里使用的术语“耦合”用于描述组件之间的功能或结构关系。“耦合”可以用于表明两个或更多个元件是直接或间接(它们之间有其他中间元件或通过介质)彼此机械、声学、光学或电接触，和/或两个或更多个元件彼此合作或交互(例如因果关系)。

这里使用的术语“之上”、“之下”、“之间”、和“上面”指的是一个组件或材料层关于另一个组件或材料层的相对位置，其中这种物理关系在组装的环境中或在微机械堆的材料层的环境中对机械组件来说是值得注意的。设置在另一层(组件)之上或之下的一个层(组件)可以与另一层(组件)直接接触或可以具有一个或多个中间层(组件)。此外，设置在两个层(组件)之间的一个层(组件)可以与这两个层(组件)直接接触或可以具有一个或多个中间层(组件)。相比之下，在第二层(组件)“上面”的第一层(组件)与该第二层(组件)直接接触。

可以理解虽然这里描述的各种实施方式都在直接应用于微流体泵送装置或pMUT阵列的环境中被描述，但是公开的一个或多个结构或技术可以适用于其他类型的薄膜压电设备。因此，虽然模型实施方式具有某些配合和属性，但是本公开具有更宽的适用性。

图2是具有超过临界厚度T_c的压电材料厚度的薄膜压电设备200的剖视图。一般来说，薄膜设备200包括衬底202，其可以是常规用于薄膜压电设备的任意衬底。更具体地，衬底202可以包括一个或多个材料层，每个具有任意厚度(例如薄膜或块体平板材料)，但是组合起来用作用于多层薄膜压电堆的机械支撑的装置。例如，衬底202可以包括一个或多个薄膜，诸如电介质，设置在块体平板材料(诸如半导体(晶体硅)晶片)之上。其他块体材料(诸如玻璃或蓝宝石)也可以被使用。如别处进一步描述的，衬底202中的膜可以包括模板特征，在该特征上薄膜压电堆被沉积以影响压电堆的结构或轮廓形状。设置在衬底202上的是底电极210，其可以包括以层压和/或合金形式的一种或多种金属。一般来说，电极层210可以是本领域中任意已知的适用于形成具有合适双极特性的覆盖压电材料。更具体地，电极层210可以包括一种或多种金属和/或金属氧化薄膜层，其提供对压电材料的良好机械粘合，且提供合适的导电性以保证电极层210区域两端的阻抗足够小以用于压电设备301发挥功能。在进一步实施方式中，电极层210包括惰性贵金属，具有高温度稳定性和合适的微结构以促进压电层235的纹理成长。在实施方式中，与压电材料层235接面的电极层210的至少一个表面具有晶体纹理(在多晶材料中多晶方向的分布)，其中优选的方向是(111)。这样的纹理已经被发现促进压电层235中期望的微结构。示意性接面电极层材料包括Pt、Ni和Ir，其合金(例如，IrTiW、TiPt等)及其氧化物(例如，IrO₂、NiO₂、PtO₂等)。在电极层210是复合堆的进一步实施方式中，Pt、Ir、其合金或其氧化物的层被设置在Ti、W、或TiW层之上，这提供了良好的导电性并典型地是相对低压力的(例如＜200MPa)。当电极层210的总厚度可以变化时，示意性范围是0.1至0.2μm。

底电极210上面设置的是一层压电材料，形成薄压电层235。一般来说，压电膜层235可以是已知的具有缺少反对称性(即被极化)的晶体形式的任意组成，且由此显示出被认为是压电效应的固态电荷-压力关系。在示意性实施方式中，压电材料层235是锆钛酸铅(PZT)，且更特别地是具有有利于钙钛矿型结构的晶体纹理的多晶PZT。各种掺杂物可以被包含在该PZT中，例如但不限于铌。

压电层235一般使用薄膜处理的一些典型的技术来沉积，例如但不限于RF磁控管、反应物理气相沉积(PVD)。该沉积工艺和底电极210的表面的界面对压电层235的组成和微结构具有明显的影响，且同时对于标称压电层厚度已经实现良好的压电性能，发明人还发现当沉积厚度超过临界厚度时，沉积的膜的物理和/或电性能降低。例如，压电层235中出现的大压力(例如＞1GPa)能够使衬底弯曲(抗压应力在图2中示出)和/或在超过阈值之后在该厚度的层235产生裂痕217。作为另一个示例，已经发现击穿电压在压电层235的厚度太厚时下降。发明人已经发现随着压电层235的厚度增加，柱状PZT的颗粒大小在增加。虽然没有理论依附，但是目前的理论是随着颗粒大小增加形成的较大颗粒边界导致裂痕且击穿电压降低，这在喷溅沉积到超过临界厚度的厚度的层可以看到。

在实施方式中，薄膜压电堆包括至少一对薄膜压电层，其由中间材料层隔开。一般来说，中间层可以提供压电材料堆内的一个或多个功能，包括但不限于引起连续压电材料层的一个或两个两端的电场，引起两个连续压电材料层之间的微结构的不连续性，调制压电材料堆的累积压力，以及用作用于根据衬底上的位置改变两个压电材料层两端的电场强度的基础。

图3A是根据实施方式的使用被中间材料层320隔开的第一和第二压电薄膜层315、325的一个这样的多层薄膜压电设备301的剖视图。一般来说，压电材料层315、325的每一个具有低于临界厚度T_c(例如4μm)的厚度(例如T₂)，但是其组合的厚度大于T_c，由此使得更大的压电总厚度可用于在薄膜压电设备中有利利用的微机械技术。而该更大的总厚度与使用降低厚度的薄膜压电材料相比提供压电设备301更大的电机械响应。层315、325的厚度可以不同且厚度的上限可以取决于膜组成以及堆内薄膜层的位置。例如，第二压电层325可以相对压电层315具有降低的厚度，且第三压电层(图3A中未示出)可以相对压电层325具有降低的厚度，等等。在实施方式中，压电层315和325的每一个具有小于10μm的厚度，有利地针对PZT实施方式是1-4μm，且更有利地针对显示出最高击穿电压的PZT实施方式是大约1-2μm。因此，针对包括压电层315和325的双层堆，总压电厚度可以是4μm，或更多，同时克服针对在图2的环境中的单层描述的限制。实际上，这种方式在某些实施方式中已经实现了总PZT厚度高达8μm，没有膜裂痕且击穿电压保持足够高以用于任何到至少6-7μm范围的应用。例如，喷溅压电膜针对厚度小于T_c可以具有大于或等于1MV/cm的击穿电压，且针对厚度大于T_c可以具有小于或等于500kV/cm的击穿电压。通过比较，块体PZT可以具有几百kV/cm数量级的击穿电压。明显地，由于图3A中示出的多层结构能够使用高的一致和被控过程(例如PVD)被制造，可以制造任意大小、形状或表面拓扑(例如平表面、圆顶、凹窝等)的膜。因此，基本上使用单个薄膜压电层的任意设备能够使用多层堆来制造，例如如图3A中所示的。此外，喷溅压电层能够比块体或溶胶压电层具有更高的居里温度。例如，相比针对块体和溶胶压电层大约200℃，喷溅压电层能够承受高达大约500℃的处理温度而不用脱芯。

如图3A中所示，多层薄膜压电堆被设置在支持衬底202的第一区之上，衬底202可以是在图2的上下文中描述的任意衬底，其针对具有相同性能的结构该描述中的相同的附图标记被保留。在衬底202上设置第一电极层210，其具有之前描述的任意组成和结构。多层压电堆被设置在电极层210的上面(即，与其直接或紧密接触)。在实施方式中，第一和第二压电薄膜层315、325可以具有相同或不同的组成。在示意性实施方式中，堆内的所有压电层是PZT。但是在其他实施方式中，压电材料层的至少一个可以具有另外的组成，例如但不限于III-N材料，例如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)，这两者当在纤锌矿型结构中时显示压电效应。仍然在其他实施方式中，BaTiO₃或甚至聚偏(二)氟乙烯(PVDF)聚合物颗粒可以被用在压电层315和325的一个或多个中。

在实施方式中，多层堆内的压电层都具有相同的极化方向。针对电极层210提供具有(111)纹理的界面且压电层315是PZT的示意性实施方式，压电层315相对衬底202具有柱状微结构，且如图3A示出的该膜具有永久极化。具有永久极化，不用进行成极(poling)来引起压电效应(相比于块体材料或溶胶)。喷溅压电层在它们被沉积(例如通过PVD)在电极层210上时被成极。更具体地，压电层315内的极化场具有与衬底202垂直的方向(方位)。垂直极化场可以在与衬底202垂直的两个方向中的一个，如图3A中极化场箭头P_A所示。同样地，压电层325内的垂直极化场也是在与衬底202垂直的两个方向中的一个，如图3A中极化场箭头P_B所示。

在压电层325上设置第二或“顶”电极材料层330，其可以包括针对电极210所述任意的相同材料和/或结构。例如在一个实施方式中，诸如包含Au、Pt或Ir的任意贵金属的贵金属层被设置在压电层325的表面上。在示意性实施方式中，Ti、W或TiW层被设置在该贵金属层的下面，例如以提供与压电层的良好粘结。当顶电极材料层330的总厚度可以改变时，示意性范围是0.1至0.2μm。

设置在压电层315、325之间的是中间层320。该中间层320一般是与压电层315、325的组成不同的组成。在进一步实施方式中，中间层320是破坏压电材料层315的颗粒结构的材料，但是用作与压电材料层315和325二者的良好界面。颗粒结构的破坏用于限制压电层325内的颗粒/边界大小。中间层320具有与压电材料层315和325的良好粘结，且进一步提供到压电材料层325的界面，这促进期望用于压电的结晶度(例如压电层325是PZT的钙钛矿)。示意性中间材料包括用于压电材料层315和电极层210的界面的材料，例如但不限于Pt、Ni和Ir、其合金(例如IrTiW、TiPt等)以及其氧化物(例如，IrO₂、NiO₂、PtO₂等)。当中间层320的厚度可以变化时，示意性厚度低于0.15μm且可以低至几十纳米。

在实施方式中，中间层320还用作内部电极，该内部电极包括导电材料，其能够保持与电极210的电压不同的电压。图3B是根据实施方式的使用这样的中间电极的多层薄膜压电设备302的剖视图。这样，设备302保留设备301的另外的方面的性能，即为中间层320用于保持相对于电极210和330的偏置或参考电压电势，电极210和330在该上下文中称为“外部”电极而中间层320是“内部”电极。在某些这样的实施方式中，中间层320包括Pt、Ni和Ir、其合金和其氧化物(例如，IrO₂、NiO₂、PtO₂等)，与压电层315和325紧密接触。这样的层还被具有更大块体导电性、更低压力或满足一个或多个其他电极设计标准的其他特性的中间金属层分隔。例如，Ti、W或TiW材料可以被插入在两个Ir、或Ir氧化物层之间，一个层与压电层315交界，另一个层与压电层325交界。当中间层320的厚度在还用作内部电极时可以变化时，示意性厚度在0.1μm与0.2μm之间。

图3B还示出了适用于多层压电堆的电驱动信号，其中两个压电薄膜具有相同的极化方向。一般来说，内部电极是在外部电极两端施加的峰-峰电压的中间的电势。该中间电势可以被维持在施加在外部电极两端的时变电势的整个相位上。如图3B中所示，在电极层210被驱动到正峰值电压(+V)且电极层330被驱动到负峰值电压(-V)处，中间层320是被维持在地电势的电极层。随着时变驱动电压改变相位，电极层210在负峰值电压(-V)且电极层330在正峰值电压(+V)，施加在压电层315和325的每一者的两端的电场保持朝向在相同方向由此每个压电层的电机械效应在相位上彼此同相。

图3C是根据实施方式的多层薄膜压电设备303的剖视图，其基本具有与图3B所述的相同结构，但是还示出了中间层320的操作偏压。使用施加在外部电极210、330两端的时变电压，使用DC偏置电势V_偏置驱动中间层320，该V_偏置是时变电压源的峰值电压的中间值。依据该实施方式，V_偏置可以是相对地参考电势固定的或变化的正和/负电压。

在实施方式中，多层压电薄膜堆包括多个中间层，其至少两个被中间压电层分隔。图3D是使用多个中间材料层320A、320B和320C的多层薄膜压电设备304的剖视图。如图所示，设备304使用在设备302中示出的双层压电堆的扩展以示出如何实现更厚的压电厚度同时仍然保持膜的质量。图3D还示出了多个中间层如何按照准则被电驱动，该准则是内部电极被驱动/偏置以保证在外部电极210、330两端生成的一部分场在压电薄膜层315、325、335、345的每一者的两端下降。针对这种实施方式，压电薄膜层335和345的组成和厚度可以是这里针对层315和325所描述的任意的压电薄膜层，例如所有压电层315-345具有相同组成和厚度(例如，所有小于临界厚度T_c)，但是该组成和厚度也可以在压电膜层两端变化。同样，中间层320A、320B和320C的每一者可以具有针对中间层320在别处所描述的任意组成。例如，在一个实施方式中，每个中间层形成与相邻压电层的Ir或Ir氧化物界面。如图3D中所示，每个压电膜层315、325、335、345中的极化方向相同，且是永久的(例如，每个是RF磁控管反应喷溅沉积PZT)。对于每个中间层还用作内部电极的这样的实施方式，到各个电极的电驱动信号可以采用图3D中进一步示出的形式，其中施加到内部电极的电压电势在施加在外部电极210、330两端的峰值电压之间递加。例如，电阻器网络可以用于引起电极210和中间层320A之间的第一IR下降并引起电极330与中间层320C之间的第二IR下降(例如其等于第一IR)。中间电极320B然后可以被保持在地电势(如图所示)，或相对于所施加的时变电压被合适偏置，以将压电材料层325和335两端的电场对齐压电材料层315和345两端的电场。

在实施方式中，中间层跨越的区域比下电极、上电极和/或相邻压电层的至少一者的小。针对这样的实施方式，一个压电层直接被设置在另一压电层上，其中没有中间层。这样的实施方式可以实现许多这里描述的堆叠的多层压电结构的好处(如果不是所有的话)，即使在某些设备区域中层叠的压电包括两个材料层，其可以是基本相同的直接接触的组成，且总厚度超过连续薄膜性能降低的临界厚度。

图4A是根据实施方式的使用形成图案的中间层320的多层薄膜压电设备401的剖视图。如图所示，使用图案形成，中间层320跨越被电极210覆盖的衬底202的仅一部分表面区域(x-y平面)，其中，层315、325在不超过临界尺寸CD_s的区域中彼此接触，该临界尺寸至少等于压电层中的一者(例如在该示例中的层325)的厚度。长度小于CD_s的接触区降低了层315、325之间的孔隙的可能性。中间层320提供的粘结，虽然相对图3A-3C示出的实施方式降低了比例，和/或有利的颗粒不连续性，和/或应变集中或中间层边缘321赋予的其他模式的压电应力降低，仍然可以允许压电材料粘结更大组合厚度而不会有裂痕的不利影响，等等。

使用形成图案的中间层，多个设备设计方式是可能的。在第一实施方式中，形成图案的中间层可以用作用于根据衬底202上的位置改变电场强度的基础。例如，形成图案的中间层可以相对外部电极被偏压以引起第一和第二压电材料中的仅一者的两端的整个电场，而在没有中间层的区域中电场将在第一和第二压电材料的整个厚度两端下降。在第二实施方式中，可以制成压电膜，其在膜区域的仅一部分中包括三个或更多电极(例如两个外部电极和一个内部电极)，例如一个连续的内部部分，或一个连续的外围部分。在第三实施方式中，压电膜可以包括仅两个电极(例如顶电极和底电极)但是在膜区域的连续的内部或外部部分或不连续的部分具有中间材料。在这样的实施方式中，中间材料可以使得在有中间材料的区域之间的间隔更厚的压电材料。

图4B是根据实施方式的多层薄膜压电设备401的形成图案的中间层320的平面图。如图所示，形成图案的中间层320形成电连续材料的网，其例如可以被偏压到参考(地)电势(如图4A所示)。形成图案的中间层320的结构还可以用于降低例如压电堆的应力。在以上第二实施方式中，设备401然后可以包括跨越多个开口450的压电膜。在以上第三实施方式中，其中形成图案的中间层320没有被电偏置或驱动(即，电漂移)，图4B示出的区域可以跨越多个压电设备，其中单个压电膜在每个开口450形成双倍厚度。在一个这样的实施方式中，第一外部电极(例如210)然后可以是在衬底202上的连续的膜并电接地，而第二外部电极(例如330)被形成图案以至少存在在开口450的区域中(例如具有与图4A中的CD_s差不多的临界尺寸)。在该实施方式中，假定压电层315、325直接接触的区域的临界尺寸能够与设备应用所需的压电膜的尺寸一样大(例如CD_s>一个膜的CD)，图案形成的中间层320的添加仅相当于相对于常规单个压电膜层的额外膜沉积和形成图案操作，其膜的设计和操作近乎与压电材料的连续双倍厚度的相同。

图5是示出根据实施方式的制造多层薄膜压电设备的方法501的流程图。该方法501开始于操作502，接收合适的衬底，例如在衬底202的上下文中的任意地方所描述的。在操作515，下电极金属薄膜层或堆通过PVD、化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)的任意被沉积。在一个示意性实施方式中，PVD被适用于来沉积金属堆，包括Ti、W或TiW层和贵金属界面层，例如Pt、Ir或Ir氧化物，沉积在Ti、W或TiW层上。

在操作515，第一极化压电薄膜直接被沉积在下电极的贵金属界面上，其厚度低于阈值或临界厚度。针对示意性PZT实施方式，在操作515使用PVD过程。更具体地，使用在提高的温度(例如大于400℃)执行的RF磁控管反应PVD工艺来沉积PZT。使用该工艺，沉积的PZT被极化且具有高的居里温度(例如比常规薄膜需要成极高超过100℃)。

该方法501进行到操作520，其中中间层被沉积。在实施方式中，中间层包括沉积在在操作515形成的压电材料上的贵金属层，例如Pt或Ir，或Ir氧化物。在进一步实施方式中，其中操作520要形成中间或内部电极金属薄膜，通过第一贵金属层(例如但不限于Pt、Ir或Ir氧化物)的PVD之后通过PVD沉积W、Ti或TiW层，然后通过第二贵金属层(例如但不限于Pt、Ir或Ir氧化物)的PVD，实现更大的导电金属厚度。

在某些实施方式中，在操作521然后对中间电极金属薄膜层形成图案，例如使用常规的光刻和蚀刻工艺。该形成图案将中间电极的区域减少到低于在操作515形成的压电材料占据的区域。换句话说，形成图案操作521暴露第一压电层的一部分。在操作525，第二极化压电薄膜被沉积，其厚度小于某阈值或临界厚度(T_c)。在示意性实施方式中，操作525基本上是操作521的重复，沉积相同的材料(例如PZT)到相同的厚度(例如2-4μm)。

该方法501然后进行到操作530，其中顶(上)电极金属薄膜被沉积。在一个示意性实施方式中，操作530需要PVD沉积贵金属层，例如但不限于沉积在也是通过PVD被沉积的W、或TiW层上的Au、Pt、Ir或Ir氧化物。在某些实施方式中，在操作531，顶电极金属薄膜层然后被形成图案，例如使用任意的常规光刻和时刻工艺。形成图案将顶电极的区域减少到低于在操作525形成的压电材料占据的区域。换句话说，形成图案操作531暴露第二压电层的一部分。在某些这样的实施方式中，上电极被形成图案以沉积在第一和第二压电膜直接接触的区域内(例如如图4A所示)。值得注意，依据给定堆中的压电薄膜的数量，操作525-531可以被循环重复直到得到压电材料的期望的总厚度。还注意，在可替换实施方式中，作为形成图案操作531的另外或替换，可以仅如针对顶电极所述的对下电极形成图案。一旦完全形成多层压电堆，方法501然后进行到根据常规实践在操作580完成特定设备。

图6A是根据实施方式的pMUT阵列600的平面图。图6B是根据实施方式的使用在阵列600中使用的多层薄膜压电膜的pMUT换能器元件的剖视图。图6C是使用pMUT阵列600的超声换能器装置的示意图。

首先参考图6A，阵列600包括多个驱动/感测电极堆130，该电极堆130沉积在衬底202的第一维度x和第二维度y定义的区域上。该驱动/感测电极导轨堆130重复互相交叉的ted电极布局，其中另外的单元形成任意大小(例如128，256等)的1D电极阵列。驱动/感测电极导轨堆的每一个是独立于衬底202上排列的任意其他驱动/感测电极导轨堆电可寻址的。

在实施方式中，pMUT阵列包括多个压电换能器元件群。每个压电换能器元件群用作与是每个元件群中的单独换能器元件602的合成的频率响应相关联的群组。在实施方式中，每个压电换能器元件602包括多层薄膜压电膜。虽然压电膜一般可以是本领域中常规的任意形状，但是在示意性实施方式中压电膜具有轴对称。例如，在pMUT阵列600中，每个换能器元件602包括具有圆形几何形状的压电膜。压电膜还可以是球体，其在第三维度(z)的弯曲部分形成圆顶(如在图6B进一步示出的)，或凹窝。平面膜也是可能的。在一些实施方式中可以包括内部电极620的驱动/感测电极导轨堆和多层压电膜在图6B的剖视图中被示出。

在图6B的上下文中，单独换能器元件的示意性微机械(即，微电机械)方面被简单示出。可以理解图6B示出的结构被包括主要用作本发明的特定方面的上下文且进一步示出了关于压电换能器元件结构的本发明的宽适用性。在图6B中，凸的换能器元件602包括顶面604，其在操作期间形成pMUT阵列600的振动外部表面的部分。换能器元件602还包括底面606，其附着到衬底202的顶面。换能器元件602包括凸的或圆顶形状的多层压电膜，包括沉积在内部电极620的各一侧的薄膜层615和625，并还被驱动/感测电极610和630围绕。在一个实施方式中，多层压电膜能够通过在轮廓传输衬底(例如光阻)上以均匀层615、625沉积(例如喷溅)压电材料颗粒来形成，该衬底在例如平面顶面上形成有圆顶。

进一步如图6B所示，在一些实施中，换能器元件602能够可选地包括薄膜层622，例如二氧化硅，其能够用作在制造期间的支撑和/或蚀刻阻止。电介质膜624还可以用作绝缘各种垂直堆叠的电极金属化。垂直方向的电互连626将驱动/感测电极610经由驱动/感测电极导轨611连接到驱动/感测电路。类似的互连632连接电极630而内部电极620可以被形成图案(例如在y维度)以将多个换能器元件内部电极耦合到同一个偏置/参考电势。环形支撑636围绕腔641，具有定义了换能器元件602的中心的对称轴，环形支撑636将多层压电膜机械耦合到衬底202。支撑636可以是任意常规的材料，例如但不限于二氧化硅、多晶硅、多晶锗、SiGe等。支撑636的示意性厚度的范围从10-50μm且膜624的示意性厚度范围从2-20μm。

图6C是根据本发明的实施方式的使用pMUT阵列600的超声换能器装置675的功能框图。在示意性实施方式中，超声换能器装置675用于生成并感测介质中的压力波，介质例如是水、组织物等。超声换能器装置675具有多种应用，其中感兴趣的是介质或多个介质内的内部结构变化的成像，例如在医学诊断、产品缺陷检测中。设备675包括至少一个pMUT阵列600，其可以是别处所描述的任意pMUT阵列，具有所描述的任意换能器元件和元件群属性。在示意性实施方式中，pMUT阵列600被装在手柄部分678中，其可以通过机械或通过装置675的使用者来操作以按期望改变pMUT阵列600的外部表面的朝向和位置(例如面向要被成像的区域)。电连接器680将pMUT阵列600的通道电耦合到手柄部分678的外部的通信接口。

图7是根据本发明的实施方式的微机械压电流体泵送装置的剖视图。在该示例中，通过帧流路径712提供墨水，该路径712通到衬底的底面715。声能通过多层薄膜压电膜704被施加到墨水泵送室。在该示意性实施方式中，膜704包括被中间材料层720(其还可以用作内部电极)分隔的第一和第二压电薄膜层715和725。在操作期间，使用时变电压(例如脉冲)驱动电极710和730，该时变电压相对底面715移位膜704且由此将墨水从泵送室内移出喷嘴，和/或从流路径712内移到泵送室。依据该实施方式，这里描述的任意多层薄膜压电膜可以用于膜704。

图8A、8B和8C示出了根据实施方式的具有柱状结构的喷溅薄膜压电设备的各自的剖视图800、810、820。在视图800、810、820中各种示出的设备可以具有这里描述的喷溅薄膜压电设备的特征的一些或全部。例如，这样的设备可以包括在压电设备302、303、304、换能器元件602等中的一些或所有中各种找到的特征。

如视图800所示，设备的硅衬底804可以在其上沉积电极806和压电薄膜802。虽然某些实施方式不限于这个方面，但是薄膜802在衬底804的肿块(bump)上形成至少部分圆顶结构。视图810提供了圆顶结构的一个边的更详细视图，以及视图820提供了圆顶结构的中心的更详细视图。在某些实施方式中，在视图800、810、820中示出的处理阶段之后的另外处理可以被执行以改变薄膜802、衬底804和电极806中的一些或全部。

视图800、810、820分别示出了相对于衬底804的表面具有基本柱状的多晶微结构的压电薄膜802。如这里所述，柱状PZT的颗粒随着压电层厚度的增加而增加，且随着颗粒大小的增加形成的更大颗粒边界已经与喷溅沉积到超过临界厚度的厚度的PZT层的裂痕和击穿电压降低相关联。

虽然已经描述了许多实施方式，可以理解上述描述是示例性的而非限制性的。例如，虽然图中的流程图示出了本发明的某些实施方式执行的操作的特定顺序，应当理解这样的顺序可以不是必须的(例如可替换实施方式可以以不同顺序执行操作，组合某些操作，重叠某些操作等)。此外，本领域技术人员在阅读并理解上述描述后可以明白许多其他实施方式。虽然本发明参考特定示意性实施方式来描述，但是可以理解本发明不限于所述的实施方式，且能够实施为在权利要求书的思想和范围内进行修改和改变。因此本发明的范围应当参考权利要求书以及权利要求书赋予的等同的整个范围来确定。

Claims

1.一种薄膜压电设备，包括：

设置在衬底的第一区域上的下电极；

设置在所述下电极上的第一压电层，该第一压电层具有第一极性；

设置在所述第一压电层上的第二压电层，该第二压电层具有所述第一极性；

设置在所述第一压电层和所述第二压电层之间的图案化中间层，其中所述图案化中间层位于所述第一压电层的第一部分上，其中所述图案化中间层包含开口，其中所述第二压电层沉积在所述第一压电层的第二部分上的所述开口内，其中所述开口不大于所述第一压电层和所述第二压电层之一的厚度，其中所述图案化中间层的组成与所述第一压电层和所述第二压电层的组成不同，其中所述图案化中间层包含面向所述第一压电层的第一金属层、面向所述第二压电层的第二金属层、以及位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的第三金属层；以及

设置在所述第二压电层的位于所述图案化中间层的所述开口内的部分上的上电极，所述图案化中间层用作根据在所述在衬底上的位置改变电场强度的基础。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述图案化中间层是内部电极，该内部电极包括导电材料，该导电材料能够保持与所述下电极或所述上电极的电压不同的电压。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一金属层和所述第二金属层中的每一者包括Pt、Ir、Pt或Ir的合金、或Pt或Ir的氧化物的至少一者，其中所述第一金属层与所述第一压电层直接接触，所述第二金属层与所述第二压电层直接接触，且其中所述第三金属层为Ti、W、或TiW层。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一压电层和所述第二压电层的每一者包括PZT，且其中所述下电极包括被设置与所述第一压电层直接接触的含Pt或Ir的层。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一压电层和所述第二压电层包括厚度为2至8μm的PZT。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一压电层和所述第二压电层包括厚度为2至4μm的PZT，且其中所述第一压电层和所述第二压电层厚度相同。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述图案化中间层是被中间压电层分隔的多个中间层中的一者。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述图案化中间层跨越的区域比所述上电极和所述下电极中的至少一者跨越的区域小，且其中所述第二压电层在所述第一区域的没有所述中间层的部分中被直接设置在所述第一压电层上。

9.一种压电装置，包括：

衬底；

设置在所述衬底上的压电元件阵列，其中每个元件包括：

设置在衬底的第一区域上的第一电极；

设置在所述第一电极上的第一压电层，该第一压电层具有第一极性；

设置在所述第一压电层上的第二压电层，该第二压电层具有所述第一极性；以及

设置在所述第一压电层和所述第二压电层之间的图案化中间层，其中所述图案化中间层位于所述第一压电层的第一部分上，其中所述图案化中间层包含开口，其中所述第二压电层的一部分沉积在所述第一压电层的第二部分上的所述开口内，其中所述开口不大于所述第一压电层和所述第二压电层之一的厚度，其中所述图案化中间层的组成与所述第一压电层和所述第二压电层的组成不同，其中所述图案化中间层包含面向所述第一压电层的第一金属层、面向所述第二压电层的第二金属层、以及位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的第三金属层；以及

设置在所述第二压电层的位于所述图案化中间层的所述开口内的所述部分上的第二电极，所述图案化中间层用作根据在所述衬底上的位置改变电场强度的基础。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述图案化中间层跨越的区域比所述第一电极跨越的区域小，且其中所述第二压电层在所述第一区域的没有所述中间层的部分中被直接设置在所述第一压电层上。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一电极和所述第二电极的至少一者被形成图案以被设置在没有所述中间层的区域中。

12.根据权利要求9所述的装置，其中每个压电元件与微流体设备的泵送室进行流体通信。

13.根据权利要求9所述的装置，其中所述每个压电元件被设置在超声换能器的密封的腔上。

14.一种制造薄膜压电设备的方法，该方法包括：

在衬底上沉积下电极金属薄膜；

在所述下电极膜上沉积第一极化压电薄膜；

在所述第一极化压电薄膜的第一部分上沉积图案化中间层，其中该图案化中间层包含开口；

在所述图案化中间层上沉积第二极化压电薄膜，其中所述第二极化压电薄膜的一部分沉积在第一极化压电薄膜的第二部分上的所述开口内，其中所述开口不大于所述第一极化压电薄膜和所述第二极化压电薄膜之一的厚度，其中所述图案化中间层包含面向所述第一极化压电薄膜的第一金属层、面向所述第二极化压电薄膜的第二金属层、以及位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的中间电极金属薄膜；以及

在所述第二极化压电薄膜的位于所述图案化中间层的所述开口内的所述部分上沉积上电极，所述图案化中间层用作根据在所述衬底上的位置改变电场强度的基础。

15.根据权利要求14所述的方法，其中沉积所述第一极化压电薄膜和所述第二极化压电薄膜的每一者还包括通过RF磁控管物理气相沉积(PVD)来沉积1至4μm的PZT。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括对所述中间电极形成图案以占据比所述第一极化压电薄膜和所述第二极化压电薄膜占据的区域小的区域。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括对所述上电极和所述下电极的至少一者形成图案，其中所述形成图案形成设置在所述第一极化压电薄膜和所述第二极化压电薄膜直接接触所在的区域中的形成图案的上电极或下电极。

18.一种操作薄膜压电设备的方法，该方法包括：

驱动上电极和下电极两端的时变电压以在具有相同极性的堆叠的第一压电层和第二压电层两端设置电场，其中所述下电极被设置在衬底的第一区域上且低于所述第一压电层；以及

对在所述第一压电层和所述第二压电层之间的内部电极进行偏压，其中所述内部电极为位于所述第一压电层的第一部分上的图案化中间层的一部分，其中所述图案化中间层包含开口，其中所述第二压电层的部分沉积在所述第一压电层的第二部分上的所述开口内，其中所述开口不大于所述第一压电层和所述第二压电层之一的厚度，其中所述内部电极包含面向所述第一压电层的第一金属层、面向所述第二压电层的第二金属层、以及位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的第三金属层，以及其中所述上电极被布置在所述第二压电层的位于所述图案化中间层的所述开口内的所述部分上，所述图案化中间层用作根据在所述衬底上的位置改变电场强度的基础。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述下电极、内部电极和上电极被驱动以在所述第一压电层和所述第二压电层的每一者的两端设置朝向相同方向的相等电场。

20.根据权利要求18所述的方法，其中使用时变电压源来驱动所述上电极和所述下电极的每一者，该时变电压源具有峰-峰电压，且其中在所述时变电压的整个相位上所述内部电极被保持在所述时变电压的电压中值。