DE3603337A1 - Piezoelektrischer wandler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Piezoelektrischer wandler und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung und insbesondere einen
aus einem dünnen Film aus Bleititanat (PbTiO3) hergestellten
piezoelektrischen Wandler mit einer hervorragenden Piezoelektrizität
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es war bekannt, daß Bleititanat ein großes Achsenverhältnis und eine spontane Polarisation Ps in der ferroelektrischen
Phase (tetragonales System) aufweist.
Es wird allgemein davon ausgegangen, daß die Piezoelektrizitat
eines ferroelektrischen Kristalls proportional zur Größe der spontanen Polarisation Ps ist. Es wurde berichtet, daß
in einer Untersuchung, in der ein reiner Einkristall aus Bleititanat verwendet wurde, der ferroelektrische Kristall
tatsächlich eine große Piezoelektrizität aufwies.
Da es jedoch in der Praxis schwierig ist, Bleititanat in Form eines Einkristalls mit praktikablen Abmessungen herzustellen,
wird Bleititanat momentan in Form einer Keramik verwendet. Wird Bleititanat jedoch als eine Keramik ausgebildet, sind
die c-Achsen der PbTiO--Kristallite regellos orientiert, wodurch der Vorteil des Bleititanats, daß die Piezoelektrizität
in Richtung der c-Achse groß ist, nicht vollständig ausgenutzt werden kann.
Andererseits ist auch ein piezoelektrischer Wandler bekannt, bei dem ein Metallfilm als eine Elektrode auf einem Substrat
gebildet, und ein piezoelektrischer Dünnfilm darauf abgeschieden ist. In der Praxis können für piezoelektrische Wandler
jedoch nur piezoelektrische Dünnfilme aus bestimmten piezoelektrischen Materialien verwendet werden, da sich keine hinreichenden
piezoelektrischen Eigenschaften bei einem poly-
kristallinen Film erzielen lassen, in dem die Kristallit-Achsen
zufallsverteilt sind, entlang denen eine starke Piezoelektrizität auftritt. Ein durch Hochfrequenz-Sputtern auf
einem Goldfilm abgeschiedener ZnO-FiIm ist beispielsweise gleichmäßig orientiert und zeigt eine Piezoelektrizität in
Richtung der Dicke des Films, so daß er für einen piezoelektrischen Wandler verwendet werden kann. Wird jedoch mit den
gewöhnlichen Technologien zur Filmbildung ein piezoelektrisches Perowskit-Material als Dünnfilm ausgebildet, ist dieser
dünne Film nicht orientiert. Es war deshalb schwierig, praktisch anwendbare piezoelektrische Dünnfilm-Wandler herzustellen,
bei denen die große Piezoelektrizität vollständig ausgenutzt wird. Die offengelegte japanische Patentanmeldung
Nr. 223230/1984 zeigt ein spezielles Beispiel, in dem ein (100)-orientierter Platin(Pt)-Film als eine Elektrode auf
einem einkristallinen Magnesiumoxid(MgO)-Substrat angeordnet ,und anschließend ein bezüglich der c-Achse orientierter
Dünnfilm aus Bleititanat auf der Elektrode gebildet wird.
Bei diesem Verfahren ist es jedoch nur möglich, sehr beschränkte Arten von Einkristall-Substraten zu verwenden,
die eine Gitterkonstante aufweisen, die annähernd gleich der eines piezoelektrischen Stoffes ist.
Die generelle Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, einen piezoelektrischen Wandler sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung
anzugeben, womit die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere
sollen ein Film mit einer hervorragenden c-Achsen-Orientierung aus einem piezoelektrischen Perowskit-Material
und ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Dünnfilm-Wandlers mit sehr guter Piezoelektrizität angegeben
werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, unter Verwendung eines Materials mit einer willkürlichen Gitterkonstante
als Substratmaterial einen piezoelektrischen Dünnfilm-Wandler
zu schaffen.
Weiterhin soll nach vorliegender Erfindung ein piezoelektrischer Dünnfilm angegeben werden, der zusammen mit einer elektrischen
Schaltung unter Verwendung eines Halbleitersubstrats eine monolithische Vorrichtung bildet.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in einem piezoelektrischen
Wandler mit einem Substrat, das auf der Hauptoberfläche ein Gitter bzw. Rippen mit einem Sägezahnprofil
hat, einer auf der Hauptoberfläche des Substrats gebildeten ersten Metallschicht, die ein kubisch-flächenzentriertes Metallmaterial
mit einer (111)-Orientierung auf der glatten Oberfläche aufweist, einem auf dieser Metallschicht gebildeten
piezoelektrischen Film, der ein piezoelektrisches Perowskit-Material aufweist, und einer auf diesem piezoelektrischen
Film gebildeten zweiten Metallschicht.
Als Material für die erste Metallschicht dient beispielsweise Platin, wobei ein (100)-orientierter Film dieses Metalls
durch Abscheidung von Pt auf der Hauptoberfläche des Substrats mit Sägezahnprofil-Gitter durch Graphoepitaxie gebildet
wird. Ein Beispiel für das auf dem Metallfilm gebildete piezoelektrische Material ist PbTiO3 oder eine Mischung davon
mit geringen Mengen anderer Komponenten. Dieses Material kann einen hervorragenden bezüglich der c-Achse orientierten
Dünnfilm bilden, wenn es auf der Metallschicht abgeschieden wird, so daß sich ein piezoelektrischer Wandler mit hervorragender
Piezoelektrizität erzielen läßt.
Das genannte Substrat mit dem Gitter mit Sägezahnprofil kann
man erhalten, indem eine streifenförmige SiO~-Maske auf der
Oberfläche eines typischerweise (100)-Siliziumsubstrats gebildet,
und dieses einem anisotropen Ätzvorgang ausgesetzt
wird. Eine derartige Struktur läßt sich auch erzielen, indem
eine streifenförmige Maske auf ein amorphes Substrat aufgebracht, und dieses einem Ionenfräsen von zwei Richtungen unterzogen
wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen
Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Wandlers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1B eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 1A;
Fig. 2A
bis 2F Darstellungen der Verfahrensschritte bei der Herstellung
eines Gitters auf einem Siliziumsubstrat; Fig. 3 eine Teilansicht des piezoelektrischen Wandlers nach
Fig. 1A;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils des piezoelektrischen
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils des piezoelektrischen
Wandlers nach Fig. 1A;
Fig. 5A eine Draufsicht auf eine Anordnung von erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Wandlern; und Fig. 5B eine Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 5A.
Die Fig. 1A und 1B zeigen eine perspektivische Ansicht bzw.
eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Wandlers eines ersten Beispiels der Erfindung.
In diesen Figuren ist mit Bezugsziffer 21 ein Substrat aus einem Silizium(Si)-Material bezeichnet, dessen Hauptoberfläche
22 mit einem Gitter bzw. mit Rippen versehen ist, die ein Sägezahnprofil aufweisen. Mit Bezugsziffer 23 ist eine
Platin aufweisende untere Elektrodenschicht, mit Bezugsziffer 24 ein auf Bleititanat basierender piezoelektrischer Dünnfilm
und mit Bezugsziffer 25 eine obere Elektrodenschicht dargestellt.
Das Siliziumsubstrat 21 ist aus einem Silizium-Einkristall mit den Abmessungen 10 mm 0 χ 10 mm hergestellt, dessen obere und
untere Oberflächen (100)-Ebenen sind. Die Fig. 2A bis 2F stellen
Verfahrensschritte für das Versehen des Siliziumsubstrats 21 mit dem Gitter bzw. den Rippen dar. Wie in Fig. 2A gezeigt,
wird zuerst auf der Hauptoberfläche 209 des Substrats 21 durch thermische Oxidation eine SiO2-Schicht 210 gebildet. Anschließend
wird auf der SiO2-Schicht ein Fotoresistfilm gebildet,
freigelegt und entwickelt, um ein Resistmuster 212 mit einer Teilung bzw. einem Zwischenraum von 0,3 μΐη zu erhalten,
wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Die SiO2~Schicht wird daraufhin
durch reaktives Ionenätzen mit CHF3-GaS geätzt, um die Schicht 210 in den in Fig. 2C gezeigten Zustand zu bringen.
Durch Entfernen des Resistfilms ergibt sich der in Fig. 2D dargestellte Zustand. Die so erhaltene Anordnung wird einem
anisotropen Ätzvorgang mit einer mit Isopropylalkohol gesättigten, 20 %-igen wässrigen KOH-Lösung unterzogen, wobei
der streifenförmige SiO3-FiIm 211 als eine Maske verwendet
wird. Durch das Ätzen bei 750C für 15 Sekunden wird ein Gitter
mit Sägezahnprofil gebildet, das einen Neigungsschnittwinkel von 70,5° aufweist, wie es in Fig. 2E gezeigt ist. Entsprechend
Fig. 2F wird abschließend auf der das Gitter aufweisenden Oberfläche durch thermische Oxidation eine dünne SiO2-Schicht
214 gebildet. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansieht des Siliziumsubstrats 21 mit dem so gebildeten Gitter.
Dieses Substrat 21 wird auf 2000C erhitzt, und es erfolgt
eine Platin-Dampfabscheidung, um darauf eine untere Elektrodenschicht
23 zu bilden. Diese Anordnung wird bei 8000C für zwei Stunden ausgeheilt, um die Orientierung der Platinschicht
zu verbessern.
Da Platin eine starke (111)-Orientierung zeigt, ist die auf
der Hauptoberfläche mit dem Gitter gebildete Schicht 23 ein (100)-orientierter Film.
Das ist schematisch in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Dampfabscheidung und das Ausheilverfahren bewirkten eine
Graphoepitaxie, um die auf der Oberfläche 22 gebildete Schicht 23 in eine (100)-orientierte Schicht umzuformen.
Wenn die Temperatur des Substrats während der Dampfabscheidung angehoben wird, läßt sich ohne Anwendung irgendeines
Ausheilschrittes direkt eine (100)-orientierte Platinschicht
erzielen. In diesem Beispiel entspricht die Menge des abgeschiedenen Platins, die ausreicht, die Gitterrinnen zu füllen
und einen bis zu seiner Oberfläche (100)-orientierten
Platinfilm zu erhalten, der Menge, die verwendet werden würde, um einen 300 nm dicken Platinfilm durch Dampfabscheidung
auf einer flachen Oberfläche zu bilden.
Anschließend wird ein auf Bleititanat basierender Dünnfilm als eine piezoelektrische Schicht auf der unteren Elektrodenschicht
23 durch ein Hochfrequenz-Magnetron-Sputter-Verfahren gebildet. Bei diesem Schritt werden beispielsweise Zirkonium
(Zr) und Magnesium (Mg) als geringfügige Nebenkomponenten dem PbTiO., zugesetzt, um die Piezoelektrizität zu verbessern.
Bevorzugte Sputter-Bedingungen weisen eine Substrattemperatur von 5500C, einen Ar-O2 (90 % - 10 %)-Gasdruck von 3 Pa und
eine Sputter-Zeit von zehn Stundenlauf. Die Dicke eines unter
diesen Bedingungen gebildeten Films beträgt etwa 3 \xm.
Der so hergestellte piezoelektrische Dünnfilm wurde durch eine Röntgenstrahl-Beugungsmessung ausgewertet. Es ergab sich,
daß dieser Film eine starke (00A)-Beugungsspitze und eine schwache (h00)-Beugungsspitze aufwies und ein im wesentlichen
c-Achsen-orientierter Dünnfilm war. In diesem Fall ist I 1, 2 oder 3, und h 1 oder 3.
Anschließend werden zur Bildung einer oberen Elektrode 25 auf dem piezoelektrischen Dünnfilm 24 durch eine Maske mit
5 mm 0 über ein Dampfabscheidungsverfahren Chrom (Cr) und Gold (Au) abgeschieden.
Anschließend wird die Probe unter Halten der Probentemperatur auf 2000C gepolt, indem für etwa 20 Minuten zwischen den
Elektroden eine Gleichspannung von 100 kV/cm angelegt wird.
Die Messung der Empfindlichkeit des nach obigem Verfahren hergestellten
piezoelektrischen Wandlers erfolgte durch ein Impuls-Echo-Verfahren.
Dabei wurden durch Anlegen eines Stoßwellensignals zwischen den Elektroden 23 und 25 Ultraschallwellen
erzeugt, und die Intensität des vom anderen Ende der Substratsäule reflektierten Echos wurde im Frequenzbereich zwischen
0,1 und 1,2 GHz gemessen. Aus der erhaltenen Frequenzkennlinie wurde ein elektromechanischer Kopplungsfaktor mit einem
Wert von 0,62 bestimmt. Dieser Wert war größer als der (= 0,5)
einer auf PbTiO3 basierenden Keramik, so daß der piezoelektrische
Wandler nach diesem Beispiel durchaus einen Effekt zeigte, der von der Bildung des c-Achsen-orientierten piezoelektrischen
Dünnfilms herrührte.
Im obigen Ausführungsbeispiel wurde ein Substrat mit einem Gitterabstand von 0,3 μΐη verwendet. Wünschenswert ist ein
Gitterabstand von 0,6 um oder darunter. Wenn auf ein Substrat
ein Gitter mit einem Rippenabstand kleiner als 0,3 μΐη aufgebracht
wird, kann die Graphoepitaxie eines Platinfilms erleichtert werden. Wenn die Temperatur des Sputterns zur Bildung
des Films 24 auf 2000C verändert wird, hat der piezoelektrische
Dünnfilm 24 keine klare Beugungslinie und ist amorph. Er wurde deshalb nach einem Ausheilschritt bei 700°C
für acht Stunden durch Röntgenstrahl-Beugungsmessung ausgewertet. Es ergab sich, daß der Film eine starke (001)-Beugungslinie
und eine schwache (h00)-Beugungslinie hatte.
Dieses Ergebnis zeigt, daß sich der c-Achsen-orientierte piezoelektrische
Dünnfilm 24 auch durch ein Verfahren erzielen läßt, das folgende Schritte aufweist: Bilden eines amorphen piezoelektrischen
Dünnfilms auf der (100)-orientierten Platin-
Elektrodenschicht 23 und anschließendes Ausheilen der amorphen Schicht unter bestimmten Bedingungen.
Auf die bereits oben beschriebene Weise wurde eine obere Elektrodenschicht
25 auf dem nach diesem Verfahren gebildeten Dünnfilm aus Bleititanat abgeschieden. Diese Probe wurde gepolt.
Der elektromechanische Kopplungsfaktor dieser Probe wurde durch ein Impuls-Echo-Verfahren gemessen und ergab einen Wert
von 0,58.
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansieht
einer piezoelektrischen Wandleranordnung, die entsprechend dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Beispiel hergestellt
wurde.
Ein Siliziumsubstrat 11 weist ein Gitter, wie es oben genannt
wurde, nur auf den Bereichen 16 der Hauptoberfläche auf, die
mit den Wandlerelementen zusammenfallen, während die (100)-Ebenen auf den anderen Bereichen unverändert belassen werden.
Auf diesem Substrat werden eine untere Elektrode 13, die als eine allen Elektroden der Wandlerelemente gemeinsame
Elektrode dient, und danach ein auf PbTiO3 basierender piezo-
elektrischer Film 14 gebildet. Weiterhin wird auf jedem mit den jeweiligen Bereichen 16 zusammenfallenden Teil eine Elektrode
15 angeordnet, die als Elektrode für das jeweilige Wandlerelement dient.
Bei dieser Struktur ist die untere Elektrode 13 ein (100)-orientierter
Film im Bereich 16, jedoch ein (111)-orientierter
Film im Bereich 17. Der Dünnfilm 14 aus Bleititanat ist
daher auf dem Platinfilm im Bereich 16 c-Achsen-orientiert,
wohingegen der Dünnfilm 14 aus Bleititanat auf dem Platinfilm im Bereich 17 ein nicht orientierter Film ist.
Wenn der so gebildete piezoelektrische Film 14 unter Verwen-
dung der Elektrode 13 sowie der Elektroden 15 gepolt wird,
kann nur der Bereich 16 piezoelektrisch aktiviert werden.
Auf diese Weise kann durch selektives Aufbringen von Gittern nur auf die Bereiche, die mit dem Wandlerelement übereinstimmen,
die Orientierung des piezoelektrischen Films gesteuert werden, womit sich eine piezoelektrische Wandleranordnung mit
einer hervorragenden Signaltrennung zwischen den Elementen erzielen läßt.
In den oben dargestellten Beispielen wird ein Siliziumkristall als Substrat verwendet. Es ist daher auch möglich, eine monolithische
Vorrichtung zu realisieren, in der Ansteuerschaltungen
oder Signalempfänger auf demselben Substrat gebildet sind.
Es ist auch möglich, das Substrat 21 als akustische Linse zu verwenden, indem am Boden des Substrats 21 eine halbrunde
Öffnung 26 gebildet wird, wie sie in Fig. 1B mit einer gestrichelten
Linie dargestellt ist. Wird das Substrat 21 als eine akustische Linse verwendet, wird die Oberfläche außerhalb
der halbrunden öffnung 26 vorzugsweise abgefast, wie es mit Bezugsziffer 27 dargestellt ist.
Der in den obigen Beispielen verwendete Siliziumkristall kann durch andere anisotrop ätzbare Materialien ersetzt werden,
beispielsweise GaAs- oder InP-Kristalle. Diese Materialien
können als Substrate verwendet werden, indem auf sie in der oben beschriebenen Weise Gitter mit Sägezahnprofil aufgebracht
werden.
Daneben sind die Verfahren zur Erzielung eines Substrats mit einem Gitter bzw. mit Rippen nicht auf die oben beschriebenen
beschränkt. Es ist beispielsweise möglich, ein Substrat mit einem Gitter zu erhalten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, indem
eine streifenförmige Maske auf einer Quarzglas-Oberfläche
gebildet wird,und anschließend Ionenfräsen aus zwei Richtungen
erfolgt.
Andererseits sind als Materialien für die untere Elektrodenschicht
Metalle mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur zu nennen, die eine (111)-Orientierung zeigen, beispielsweise
Gold (Au), Aluminium (Al), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder
Rhodium (Rh) sowie Platin (Pt). Vorzugsweise wird jedoch ein Metallmaterial mit einer Gitterkonstante gewählt, die der
eines piezoelektrischen Materials am nächsten ist, das aufwachsen und orientiert werden soll.
JA/bi
Claims (12)
1. Piezoelektrischer Wandler,
gekennzeichnet durch ein Substrat (21) mit einem Gitter mit Sägezahnprofil auf der Hauptoberfläche (209); eine erste Metallschicht (23) mit einem kubisch-flächenzentrierten Metallmaterial, das eine (111)-Orientierung auf der glatten Oberfläche zeigt; einen auf der ersten Metallschicht (23) gebildeten piezoelektrischen Film (24) mit einem piezoelektrischen Perowskit-Material; und eine auf dem piezoelektrischen Film (24) gebildete zweite Metallschicht (25).
gekennzeichnet durch ein Substrat (21) mit einem Gitter mit Sägezahnprofil auf der Hauptoberfläche (209); eine erste Metallschicht (23) mit einem kubisch-flächenzentrierten Metallmaterial, das eine (111)-Orientierung auf der glatten Oberfläche zeigt; einen auf der ersten Metallschicht (23) gebildeten piezoelektrischen Film (24) mit einem piezoelektrischen Perowskit-Material; und eine auf dem piezoelektrischen Film (24) gebildete zweite Metallschicht (25).
2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gitterrippen (22) auf der Hauptoberfläche (209)
des Substrats (21) einen Neigungsschnittwinkel von 70,5° aufweisen,
3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gitterrippen (22) einen Abstand von 0,6 um oder
weniger aufweisen.
4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
il.uluirh
<i c k c» η ti :". ο i c h ii ο t,
·« daß die o.rsLü Metallschicht. (23) Piahin (Pt) aufweist.
5. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film (24) ein auf Bleititanat
basierendes piezoelektrisches Material aufweist.
6. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21) einen Silizium-Einkristall aufweist.
BAD ORIGINAL
7. Piezoelektrische Wandleranordnung, in der eine Vielzahl von Wandlerelementen regelmäßig angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
ein Substrat (11) mit einem Gitter (12) mit Sägezahnprofil
auf den Bereichen (16) der Hauptoberfläche, die mit den Wandlerelementen übereinstimmen;
eine auf der Hauptoberfläche des Substrats (11) gebildete
erste Metallschicht (13) mit einem eine (111)-Orientierung
zeigenden kubisch-flächenzentrierten Metall auf der glatten Oberfläche, die als eine den Wandlerelementen
des Wandlers gemeinsame Elektrode dient;
einen auf der ersten Metallschicht (13) gebildeten piezoelektrischen Film (14), der ein piezoelektrisches
Perowskit-Material aufweist; und
eine auf den den Wandlerelementen entsprechenden Bereichen (16) der Hauptoberfläche des Substrats (11) auf
dem piezoelektrischen Film (14) gebildete zweite Metallschicht (15), von der der Teil in jedem der genannten Bereiche
(16) als Elektrode für das jeweilige Wandlerelement dient.
8. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bilden eines Gitters (22) mit Sägezahnprofil auf der
Hauptoberfläche (209) eines Substrats (21);
Bilden einer ersten Metallschicht (23) mit einem kubisch-flächenzentrierten
Metallmaterial auf der Hauptoberfläche (209) des Substrats (21);
Bilden eines piezoelektrischen Films (24) mit einem piezoelektrischen Perowskit-Material auf der ersten Metallschicht
(23); und
Bilden einer zweiten Metallschicht (25) auf dem piezoelektrischen Material (24) .
9. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Wandlers nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der ersten Metallschicht
(23) das Dampfabscheiden des Metallmaterials auf der
Hauptoberfläche des Substrats (21) und das Ausheilen der abgeschiedenen Metallschicht (23) aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Wandlers nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Bildens des piezoelektrischen Films (24) einen Hochfrequenz-Sputter-Vorgang aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Wandlers nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des piezoelektrischen Films (24) das Bilden einer amorphen Schicht durch einen Hochfrequenz-Sputter-Vorgang und das Umwandeln der amorphen Schicht in einen c-Achsen-orientierten piezoelektrischen Film durch Ausheilen aufweist.
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des piezoelektrischen Films (24) das Bilden einer amorphen Schicht durch einen Hochfrequenz-Sputter-Vorgang und das Umwandeln der amorphen Schicht in einen c-Achsen-orientierten piezoelektrischen Film durch Ausheilen aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
To Wandlers,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bilden einer streifenförmigen Maske (211) auf der
(100)-Ebene eines einkristallinen Substrats (21);
Bilden eines Gitters (22) mit Sägezahnprofil auf der
Oberfläche des Substrats (21) durch anisotropes Ätzen des Substrats durch die Maske (211);
Bilden einer ersten Metallschicht (23) mit einem kubisch-flächenzentrierten
Metallmaterial mit (111)-Orientierung auf der Oberfläche des Substrats (21) mit dem
Gitter (22) ;
Bilden eines piezoelektrischen Films (24) auf der ersten Metallschicht (23) mit einem piezoelektrischen
— ο —
Stoff, der eine ferroelektrische Phase im tetragonalen System zeigt;
Bilden einer zweiten Metallschicht (25) auf dem piezoelektrischen Film (24); und
Polen des piezoelektrischen Films (24) durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Metallschicht
(23, 25) .
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---|---|---|---|
JP1944685A JPH0763101B2 (ja) | 1985-02-04 | 1985-02-04 | 圧電変換器およびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE3603337C2 DE3603337C2 (de) | 1991-09-26 |
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---|---|---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006004448B3 (de) * | 2006-01-31 | 2007-10-04 | Siemens Ag | Dünnfilmkondensator mit strukturierter Bodenelektrode, Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmkondensators und Verwendung des Dünnfilmkondensators |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2532381B2 (ja) * | 1986-03-04 | 1996-09-11 | 松下電器産業株式会社 | 強誘電体薄膜素子及びその製造方法 |
US4816125A (en) * | 1987-11-25 | 1989-03-28 | The Regents Of The University Of California | IC processed piezoelectric microphone |
US5210455A (en) * | 1990-07-26 | 1993-05-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive actuator having ceramic substrate having recess defining thin-walled portion |
WO1993005208A1 (en) * | 1991-09-10 | 1993-03-18 | Massachusetts Institute Of Technology | Enhanced heteroepitaxy |
US5270298A (en) * | 1992-03-05 | 1993-12-14 | Bell Communications Research, Inc. | Cubic metal oxide thin film epitaxially grown on silicon |
US5155658A (en) * | 1992-03-05 | 1992-10-13 | Bell Communications Research, Inc. | Crystallographically aligned ferroelectric films usable in memories and method of crystallographically aligning perovskite films |
US5466932A (en) * | 1993-09-22 | 1995-11-14 | Westinghouse Electric Corp. | Micro-miniature piezoelectric diaphragm pump for the low pressure pumping of gases |
US5889871A (en) * | 1993-10-18 | 1999-03-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Surface-laminated piezoelectric-film sound transducer |
JP4122564B2 (ja) * | 1998-04-24 | 2008-07-23 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびそれらの製造方法 |
US6204757B1 (en) * | 1998-05-29 | 2001-03-20 | Francis Christopher Evans | Seatbelt usage and safety data accounting system |
US6438070B1 (en) | 1999-10-04 | 2002-08-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Hydrophone for use in a downhole tool |
US6609430B1 (en) | 2000-05-09 | 2003-08-26 | Shrinivas G. Joshi | Low profile transducer for flow meters |
US7119800B2 (en) * | 2003-06-24 | 2006-10-10 | Tyco Electronics Corporation | Acoustic touch sensor with low-profile diffractive grating transducer assembly |
US7057330B2 (en) * | 2003-12-18 | 2006-06-06 | Palo Alto Research Center Incorporated | Broad frequency band energy scavenger |
US7293411B2 (en) | 2004-12-20 | 2007-11-13 | Palo Alto Research Center Incorporated | Energy scavengers which adjust their frequency by altering liquid distributions on a beam |
US7764003B2 (en) * | 2006-04-04 | 2010-07-27 | Kolo Technologies, Inc. | Signal control in micromachined ultrasonic transducer |
US11079543B1 (en) * | 2010-09-23 | 2021-08-03 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Isotropic etchback method of linewidth tailoring multilayer dielectric diffraction gratings for improvement of laser damage resistance and diffraction efficiency |
US8866367B2 (en) * | 2011-10-17 | 2014-10-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Thermally oxidized seed layers for the production of {001} textured electrodes and PZT devices and method of making |
GB2498213B (en) | 2012-01-09 | 2018-11-21 | Bae Systems Plc | Transducer arrangement |
JP2016032007A (ja) * | 2014-07-28 | 2016-03-07 | 株式会社リコー | 圧電膜の製造方法、圧電素子の製造方法、液体吐出ヘッド及び画像形成装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59223230A (ja) * | 1983-05-30 | 1984-12-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | チタン酸鉛配向薄膜の製造方法 |
DE3510247A1 (de) * | 1984-03-23 | 1985-10-03 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo | Wandler |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1541523B1 (de) * | 1965-12-21 | 1970-07-09 | Nippon Electric Co | Piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement und Verfahren zu seiner Herstellung |
US3872332A (en) * | 1971-04-19 | 1975-03-18 | Honeywell Inc | Composite bond for acoustic transducers |
US3891869A (en) * | 1973-09-04 | 1975-06-24 | Scarpa Lab Inc | Piezoelectrically driven ultrasonic generator |
US3942139A (en) * | 1974-11-08 | 1976-03-02 | Westinghouse Electric Corporation | Broadband microwave bulk acoustic delay device |
JPS52113713A (en) * | 1976-03-22 | 1977-09-24 | Hitachi Ltd | Array type ultra-high frequency sound oscillator |
GB2056810B (en) * | 1979-08-14 | 1984-02-22 | Clarion Co Ltd | Surface-acoustic-wave device |
JPS5832360U (ja) * | 1981-08-20 | 1983-03-02 | ティーディーケイ株式会社 | 超音波探触子 |
US4480209A (en) * | 1981-10-09 | 1984-10-30 | Clarion Co., Ltd. | Surface acoustic wave device having a specified crystalline orientation |
-
1985
- 1985-02-04 JP JP1944685A patent/JPH0763101B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-01-31 US US06/824,728 patent/US4677336A/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-02-04 DE DE19863603337 patent/DE3603337A1/de active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59223230A (ja) * | 1983-05-30 | 1984-12-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | チタン酸鉛配向薄膜の製造方法 |
DE3510247A1 (de) * | 1984-03-23 | 1985-10-03 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo | Wandler |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006004448B3 (de) * | 2006-01-31 | 2007-10-04 | Siemens Ag | Dünnfilmkondensator mit strukturierter Bodenelektrode, Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmkondensators und Verwendung des Dünnfilmkondensators |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0763101B2 (ja) | 1995-07-05 |
US4677336A (en) | 1987-06-30 |
JPS61177900A (ja) | 1986-08-09 |
DE3603337C2 (de) | 1991-09-26 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: STREHL, P., DIPL.-ING. DIPL.-WIRTSCH.-ING. SCHUEBE |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |