TWI243496B - Piezoelectric film element, method of manufacturing the same, and liquid discharge head - Google Patents
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1243496 (1 ) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一壓電薄膜元件，其應用至諸如噴墨印表 機等之液體排放記錄裝置的液體排放頭、諸如麥克風、喇 叭等之聲音產生本體、各種振動器及振盪器、及進一步用 於各種感測器之驅動器單元等，並有關製造該壓電薄膜元 件之方法，以及有關一液體排放頭。 【先前技術】 至今爲止’一使用具有壓電特性之介電薄膜（壓電薄 膜）的壓電薄膜元件係寬廣地用於感測器及致動器中，當 作一用於將電能轉變成機械能之能量轉換元件。特別地 是’近來，有安裝在一噴墨印表機等上之液體排放頭的壓 電致動器當作區別範例，而該壓電薄膜元件係應用至此範 例。 該液體排放頭的壓電致動器之壓電薄膜元件大致上係 由一壓電薄膜及一設置越過該壓電薄膜之上電極與下電極 所構成。當作該壓電薄膜之一成份，已習知一種主要包含 錯欽酸錯（P Z T )之二成份之組成、或藉著將第三成份加 至該二成份所製備之三成份之組成。再者，當作一製造該 壓電薄膜之方法，使用噴濺法、溶膠-凝膠法、化學氣相 沉積法等。 日本專利特許公開申請案第H8 - 0 7 8 7 4 8號揭示一主要 包含PZT之壓電薄膜及一噴墨記錄頭。 -4- (2) 1243496 圖5顯示一揭示在日本專利特許公開申請案第H 8 -〇78748號之普通壓電薄膜元件之薄膜架構’其中該壓電薄 膜元件具有一當作基板之矽基板1 〇 1、矽熱氧化薄膜 1〇9、下電極103、壓電薄膜1〇4、及上電極105’ 一接近 之接觸層105a係介於該上電極105及該壓電薄膜104之 間，旦一接近之接觸層103a係介於該下電極103及該壓 電薄膜104之間。 雖然近來之噴墨印表機達成可與照片之品質比較之影 像品質，在此有更增加之使用者需求’用於需要影像品質 中之進一步改善及列印速度中之改善°爲應付這些需求’ 對於該液體排放記錄裝置之壓電致動器需要大量之位移以 及低耗電量及減少尺寸。據此，其想要的是開發一具有較 高壓電特性之壓電薄膜。爲獲得一良好之壓電常數，一壓 電薄膜通常必須在由攝氏5 0 0度至攝氏700度或更高溫度 下遭受一熱處理。然而，一傳統之壓電薄膜元件係藉著層 疊一壓電薄膜、一下電極、一上電極等所製成，它們具有 一如圖5所示層疊之不同熱膨脹係數。據此，由於它們的 熱膨脹係數間之一差異，因爲它們於上述熱處理製程中不 同地熱膨脹而產生應力，藉此該壓電薄膜之壓電特性係惡 化’及發生破裂等。當該基板係由一具有與該壓電薄膜相 同之熱膨脹係數的材料所構成時，能減少施加至該壓電薄 膜之應力。然而，發生一問題’其中大幅地限制能用於該 基板之材料及製程。再者’應力係亦可藉著使得該基板之 厚度製成大約相等或少於該壓電薄膜之厚度而減少。然 -5- (3) (3)1243496 而，既然該壓電薄膜之厚度係製成數微米至數十微米，這 是不實用的’雖然不是不可能，因爲處理係很困難的。 當作一用於減少應力之主意，日本專利特許公開申請 案第H 1 0 -09 5 1 1 1號提出一結構，其中一下電極係由至少 二金屬薄膜層所構成，且第一層之金屬薄膜微粒係製成比 第二層之金屬薄膜微粒較小。以上面之架構，既然該下電 極在與一基板相向之方向中捲曲，能減少施至一壓電薄膜 之應力。 然而，於日本專利特許公開申請案第H10-095111號 所揭示之薄膜架構中，至少當該壓電薄膜係用作一致動器 時，該下電極之厚度必須製成等於或少於該壓電薄膜之厚 度，及該厚度通常係〇 . 5微米或更少。於對比上下，既然 該基板之厚度通常係40 0微米或更多，其打算藉著該下電 極減少該基板之熱應力影響。 【發明內容】 由於該傳統技術之未解決問題，本發明之一目的係提 供一壓電薄膜元件，其藉著在一壓電薄膜元件之基板及壓 電薄膜之間置入一多小孔層’減少該基板及壓電薄膜之熱 膨脹係數間之差異所產生之壓力’並於一製程中抑止該壓 電薄膜之性能惡化及剝落片及碎片等之發生，以藉此促成 一液體排放頭等之性能增強’以增加其密度及減少其成 本；一種用於製造該壓電薄膜元件之方法，及該液體排放 頭。 -6 - (4) (4)1243496 爲達成上面之目的，本發明之一壓電薄膜元件包含一 基板；一多小孔層，其形成在該基板上；單一晶體或單一 導向之薄膜，其形成在該多小孔層上；及一壓電薄膜，其 形成在該薄膜上。 其較佳的是該基板係矽由所構成，及該多小孔層係由 多小孔矽所構成。 其較佳的是一氧化物薄膜層係置入該壓電薄膜及該薄 膜之間。 一用於製造本發明之壓電薄膜元件的方法包含一多小 孔層形成步驟，其在一基板上形成多小孔層；在該多小孔 層上取向增生單晶薄膜之步驟；及在該薄膜上形成壓電薄 膜之步驟。 其較佳的是該多小孔層形成步驟係一藉著陽極電鍍該 基板之一表面形成該多小孔層之步驟。 其較佳的是將一導電層置入該壓電薄膜及該薄膜之 間。 一液體排放頭包含一流動路徑基板，其用於藉著一壓 電驅動力量加壓壓力產生室中之一液體及'由該排放通口排 放該液體，該壓力產生室係設置在該流動路徑基板上；一 震動薄片，其設置在該流動路徑基板上，並對應於該壓力 產生室；一多小孔層，其形成在該震動薄片上；單晶或單 一導向之薄膜，其形成在該多小孔層上；一壓電薄膜，其 形成在該薄膜上；及電極，其用於供電至該壓電薄膜。 用於將該壓電薄膜製成單晶或一高度導向多晶之單晶 (5) 1243496 薄膜係一經過該基板上之多小孔層藉著該取向增生所層疊 之薄膜，且該單晶薄膜之厚度係製成等於該壓電薄膜之厚 度。除了上面以外，既然該多小孔層具有一應力減輕層之 作用，該壓電薄膜係免於該基板之限制。據此，可大幅地 減少藉著該壓電薄膜及該基版間之熱膨脹係數差異對該壓 電薄膜所產生之應力，藉此能獲得高品質之壓電薄膜。 當該單晶薄膜係由矽所構成、該多小孔層係由多小孔 矽所構成、及該基板係由矽所構成時，成本能藉著使用已 廣泛地硏究及使用當作半導體材料及MEMS材料之矽而減 少。再者，用於處理矽之方法係已廣泛地探討，且能選擇 一寬廣變化之處理方法。 置於該壓電薄膜及該單晶薄膜間之氧化物薄膜層係有 用的，並當作一預防層，用於當該壓電薄膜係遭受一熱處 理時防止相互擴散。當一包含諸如易於擴散之鉛等元素之 材料係用作一壓電材料時，該氧化物薄膜層係特別適合使 用。 當單晶係用作該壓電薄膜時，其較佳的是使用一具有 高導向特性之薄膜或單晶氧化物薄膜當作該氧化物薄膜 層。其亦較佳的是使用由一導電氧化物薄膜所構成之氧化 物薄膜層當作該電極。當該壓電薄膜包含鉛、鈦、及鉻之 任何一種或所有時，在此能獲得一具優異壓電性能之壓電 薄膜。 如上面所述，藉著在該多小孔層上取向增生該單晶薄 膜及將該壓電薄膜設置在該單晶薄膜上，具有低應力之優 (6) 1243496 異性能的壓電薄膜能藉著減少施加至該處之應力所形成。 當採用陽極電鍍當作一用於形成該多小孔層之方法 時，其係可能形成一具有想要密度之多小孔層。 對該液體排放頭等使用可穩定地製成之高品質低應力 壓電薄膜，將能夠促成增強其細微程度及減少其成本。 【實施方式】 圖1根據第一具體貫施例顯不一壓電薄膜元件之薄膜 0 架構，其中一多小孔層1 2係形成在一單晶基板n上，一 單晶或單一導向之薄膜1 3 (下文稱爲“單晶薄膜”）係形 成在該多小孔層12上，且一下電極14、一壓電薄膜15及 一*上電極16係相繼形成在該單晶薄膜13上。 圖2根據第二具體實施例顯示一壓電薄膜元件之薄膜 架構’其中一防止擴散之氧化物薄膜層2 3係置於單晶薄 膜1 3及下電極丨4之間。既然一基板丨丨、一多小孔層 1 2、一單晶薄膜1 3、一壓電薄膜1 5、及用作一電極機構 鲁 之上電極16與下電極14係與該第一具體實施例相同，它 們係標以相同之參考數字，且不重複其說明。 圖1所示壓電薄膜元件之一製程將參考圖3A' 3B及 3 C說明。首先’如在圖3 A所示，該多小孔層1 2係形成 在該基板1 1上。一陽極電鍍法、〜溶膠-凝膠法等能用作 一用於形成該多小孔層1 2之方法。多小孔矽、多小孔砷 化鎵、多小孔礬土、多小孔氧化鈦等能用作該多小孔層1 2 之材料。該多小孔層1 2亦可由一包含碳或非燒結陶瓷之 -9- (7) (7)1243496 材料· m形成。該多小孔層12具有數微米至數十微米之厚 度係充分的。 其次’如在圖3 B所示，該單晶薄膜1 3係藉著取向增 生形成在該多小孔層1 2上。雖然該單晶薄膜1 3之薄膜厚 度係考慮該材料及該壓電薄膜1 5之厚度所決定，其薄膜 厚度係大約與該壓電薄膜之厚度相同，或最好2微米或更 少°在此時’一化學氣相沉積法及一物理氣相沉積法能用 作一取向增生法。再者，藉著取向增生層疊在一不同基板 上之單晶可接合至該多小孔層1 2及配置當作該單晶薄膜 1 3 〇 當該氧化物薄膜層23係形成在該單晶薄膜1 3上時， 如圖2所示’能當使用一易於擴散之元素時防止擴散。 再者’當一具有高導向特性之薄膜及一單晶薄膜係用 作該壓電薄膜1 5時，該氧化物薄膜層2 3係較佳的。 Si02、YSZ、MgO、Al2〇3、LaAl〇3、Ir2〇3、SR〇、STO 等 能用作該氧化物薄膜層23之一材料。 在形成該單晶薄膜13之後，該下電極14、該壓電薄 膜1 5、及該上電極1 6係連續地形成，如在圖3 c所示。雖 然一關閉接觸層及一金屬層之組合，譬如一鈦薄膜及一白 金薄膜 '諸如1^〇3等之導電氧化物結晶之組合能用作該 下電極1 4 ’考慮一材料及該壓電薄膜1 5之一製造方法選 擇一較佳之材料。 在形成該下電極1 4之後，該壓電薄膜丨5係形成。譬 如锆鈦酸給（ρ ζ τ )、鈦酸鋇、锆鈦酸鋇、或這些加以諸 -10- (8) (8)1243496 如錳、鈮、鑭、鍺等元素之材料可用作該壓電薄膜丨5之 材料。再者’該材料可爲單晶及多晶之任何一種。噴濺 法、溶膠-凝膠法、水熱結晶法、化學氣相沉積法、雷射 侵蝕法、氣體沈積法等能用作〜用於形成該壓電薄膜i 5 之方法。在形成該壓電薄膜1 5之後，該上電極1 6係形 成。類似於該下電極1 4之一材料能用作該上電極丨6之一 材料。 圖4A及4B顯示一液體排放頭之架構，圖1所示壓電 薄膜元件能安裝在該排放頭上。如在圖4 A所示，由矽基 板所構成並用作一流動路徑基板之主要本體1包含用作排 放通口 2之溝槽、壓力產生室3、普通之液體室4等，該 壓電薄膜元件之基板1丨係接合至該主要本體1，以便封閉 該主要本體1之一上開口，且該壓電薄膜15及該上電極 1 6係根據圖4B所示壓力產生室3之形狀設計圖案。藉著 供給驅動電力至該壓電薄膜元件之下電極14及上電極 16’對該壓電薄膜15產生變形扭曲，且該壓力產生室3 中之一液體係經過用作一震動薄片之基板1 1加壓，藉此 該液體係由該排放通口 2排放。 (範例1 ) 根據範例1，於具有圖1所示薄膜架構之一壓電薄膜 元件中，多小孔矽係形成在一矽基板上，且多晶PZT係形 成在取向增生單晶矽上。 首先，如圖3A所示，具有6；25微米厚度之5吋p型 -11 ~ (9) 1243496 (1 Ο Ο )單晶矽基板係用作該基板1 1，且一用作多小孔層 1 2之多小孔矽層係於百分之4 9之H F溶液中藉著陽極電 鍍該單晶砍基板形成在該基板1 1上。當一電流密度係設 定至l〇〇mA/cm2時，一多小孔層形成速度係8.4微米/分， 且具有20微米厚度之多小孔層1 2係藉著執行該陽極電鍍 達大約2 · 5分鐘所獲得。其次，如在圖3 B所示，單晶石夕 係在該多小孔層1 2上藉著一化學氣相沉積法取向增生至2 微米厚度，及配置當作一單晶砂薄膜13。該取向增生之條 件係顯示如下。 所使用之氣體：SiH4/H2 ; 氣體流速：0.62/ 1 40 (升/分） 溫度：攝氏75 0度 壓力：1 0640巴 生長速率：0.12微米/分 其次，爲防止擴散，該單晶矽薄膜13係在攝氏1100 度下於蒸氣環境中遭受一熱處理，藉此具有0.1微米厚度 之熱氧化薄膜（未示出）形成在該單晶薄膜1 3上，用作 一取向增生層。 隨後如在圖3C所示’一下電極14、一壓電薄膜15、 及一上電極1 6係連續地形成。首先，如該下電極1 4，鈦 及鉑係分別藉著噴濺法連續地層疊至4奈米及1 5 0奈米之 厚度。噴濺條件係顯示如下。 RF頻率：1 3 .56百萬赫茲 RF功率：3 00瓦 -12- (10) 1243496 噴濺壓力：ο · 6 7巴 氬之流速：30 seem 在上面之條件下，一鈦薄膜形成速率係大約4.8 分，及一鉑薄膜形成速率係大約1 4奈米/分。其次 PZT係藉著該噴濺法形成至一具有大約3微米厚度 膜。該P ZT之噴濺條件係顯示如下。 RF頻率：13.56百萬赫茲 RF功率：200瓦 噴濺壓力：3巴 Μ之流速：50 seem 在上面之條件下，一 PZT薄膜形成速率係大約5 米/分。在藉著該噴濺法形成該PZT薄膜之後，其係 氏700度下於氧氣環境中遭受一熱處理，藉此形成該 薄膜1 5。當具有該壓電特性之PZT薄膜係藉著X光 射所評估時，其已確認該PZT薄膜係由一高導向之多 構成。最後，鈦及鉑係分別藉著該噴濺法連續地層疊 奈米及150奈米之厚度，藉此形成該上電極16。噴濺 係與該下電極1 4相同。 (範例2 ) 根據範例2，於具有圖2所示薄膜架構之一壓電 元件中，多小孔矽係形成在一矽基板上，且多晶P Z T 成在取向增生單晶矽上。圖2所示基板1 1係由具有 微米厚度之5吋p型（丨〇〇 )基板所構成，一多小孔擇 赛米/ , - 之薄 .5奈 在攝 壓電 線繞 晶所 至4 條件 薄膜 係形 625 I 1 2 -13- (11) 1243496 係由多小孔砂所構成’一單晶薄膜1 3係由取向增生 矽所構成，一下電極1 4係由一導電氧化物單晶所構 一壓電薄膜15係由單晶PZT所構成，及一上電極16 成在該壓電薄膜15上。 該P型矽基板1 1係已於一類似該範例1之H F溶 陽極電鍍，藉此形成一由多小孔矽所構成之多小孔層 該多小孔矽層之厚度及陽極電鍍條件係與該範例1相 其次，由一具有2微米厚度之取向增生單晶（1〇〇) 膜所構成之單晶薄膜1 3係藉著與範例1相同之方式 成。然後，一氧化物薄膜層23係在攝氏800度下藉 濺（100 ) YSP所形成，且具有0.3微米厚度之單晶 係在攝氏40度或更高之冷卻速度下藉著冷卻該氧化 膜層2 3所形成。 此後，具有0.5微米厚度之下電極14係噴濺（1 鉛所形成，且（1 1 1 )鉑及（1 1 1 ) ΡΖΤ係在攝氏600 連續地形成在該下電極14上，藉此形成具有3.5微米 之壓電薄膜15。在此時，具有0.02微米厚度之Si02 係形成在由該（1 〇 0 ) Y S Z所構成之氧化物薄膜層2 3 該取向增生單晶（1 〇〇 )矽薄膜所構成之單晶薄膜1 3 介面上。當該壓電薄膜1 5之結晶性係藉著X光線繞 評估時，其已確認該壓電薄膜1 5係由具有百分之9 9 多（1 1 1 )方位之單晶P Z T所構成。最後，欽及鉑係 藉著該噴濺法層疊至4奈米及150奈米之厚度’當作 電極1 6。 :單晶 丨成， 係形 液中 1 2 〇 同。 石夕薄 所形 著噴 YSZ 物薄 11 ) 度下 厚度 薄膜 及由 間之 射所 或更 分別 該上 -14- (12) 1243496 於上面所述範例1及2中，形成在該基板上之多小孔 層減少由於該基板及該壓電薄膜間之熱膨脹係數差異對該 壓電薄膜所產生之應力。 據此’可有效地防止在該製程中發生於壓電薄膜中之 剝落片、碎片等’藉此一具有優異壓電特性之壓電薄膜元 件可於一高密度中穩定地製成。 在一液體排放頭上安裝該壓電薄膜元件當作一壓電致 動器將促成增強該液體排放頭之性能，對其提供較高之細 微程度及減少其成本。 【圖式簡單說明】 圖1係一視圖，其根據第一具體實施例顯示一壓電薄 膜元件之薄膜架構； 圖2係一視圖，其根據第二具體實施例顯示一壓電薄 膜元件之薄膜架構； 圖3 A、3 B、及3 C係製程視圖，其說明圖1所示壓電 薄膜元件之一製程； 圖4 A及4 B顯示一液體排放頭之主要部份，其中圖 4A係該液體排放頭之一槪要局部剖視圖，及圖4B係一平 面圖，其顯示一壓力產生室等之型式；及 圖5係一視圖，其根據一傳統範例顯示一壓電薄膜元 件之薄膜架構。 [主要元件符號說明】 -15- (13)1243496 1 主要本體 2 排放通口 3 壓力產生室 4 液體室 11 基板 1 2 多小孔層 13 薄膜
14 下電極 15 壓電薄膜 16 上電極 23 氧化物薄膜層
-16 -
Claims (1)
- (1) (1)1243496 十、申請專利範圍 1 . 一種壓電薄膜元件，其包含一基板；一多小孔 層，其形成在該基板上；單一晶體或單一導向之薄膜，其 形成在該多小孔層上；及一壓電薄膜，其形成在該薄膜 上。 2. 如申請專利範圍第1項之壓電薄膜元件，其中該 基板包含矽，及該多小孔層包含多小孔矽。 3. 如申請專利範圍第1項之壓電薄膜元件，其中一 氧化物薄膜層係置入該壓電薄膜及該薄膜之間。 4. 一種壓電薄膜元件的製造方法，其包含： 一多小孔層形成步驟，其在一基板上形成多小孔層； 一在該多小孔層上取向增生單晶或單一導向薄膜之步 驟；及 一‘在該薄膜上形成壓電薄膜之步驟。 5 .如申請專利範圍第4項之壓電薄膜元件的製造方 法，其中該多小孔層形成步驟係一藉著陽極電鍍該基板之 一表面形成該多小孔層之步驟。 6. 如申請專利範圍第4項之壓電薄膜元件的製造方 法，其中一導電層係置入該壓電薄膜及該薄膜之間。 7. 一種液體排放頭，用於藉著一壓電驅動力量加壓 該壓力產生室中之一液體及由該排放通口排放該液體，其 包含： 一流動路徑基板，該壓力產生室係設置在該流動路徑 基板上； -17- (2) (2)1243496 一震動薄片，其設置在該流動路徑基板上，並對應於 該壓力產生室； 一多小孔層，其形成在該震動薄片上； 一單晶或單一導向之薄膜，其形成在該多小孔層上； 一壓電薄膜，其形成在該薄膜上；及 電極，其用於供電至該壓電薄膜。-18-
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