TWI249437B - Dielectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
1249437 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使用介電薄膜之壓電致動器的介電 薄膜元件、壓電致動器、與液體排放頭及其製造方法。本 發明的介電薄膜元件不僅可應用在利用液體排放頭的壓電 致動器，而且應用在種種感應器、非揮發性記憶體與 DRAM (動態隨機存取記憶體）的電容器絕緣薄膜。 【先前技術】 目前相當吸引人的薄膜材料係爲具有分子式abo3所 組成之錦駄礦結構的介電材料。因爲該材料具有良好鐵電 特性、熱電特性、壓電特性與介電特性（以鉻鈦酸鉛爲代 表），所以液體排放頭之壓電致動器、麥克風、發聲體 (例如，擴音器）、種種變換感應器、非揮發性記憶體、 DRAM的電容器絕緣薄膜預料會使用以上特徵。 爲了改善這些材料的特性或者達到整合，薄膜的形成 是非常重要的。例如，進一步藉由使用壓電薄膜來縮小壓 電致動器的尺寸並且提高其功能已經造成微機械、微感應 器與液體排放頭應用的發展，而且被視爲不可能的微尺寸 與精確操作則預期可在種種不同領域中獲得。 在裝有使用壓電驅動元件之壓電致動器的液體排放紀 錄設備中，裝有壓電驅動元件的振動板被接合到一流動路 徑基板，該基板具有一壓力腔連通到液體供應腔，譬如墨 水腔，並具有一排放口（噴嘴）連通到壓力腔，而振動板 (2) 1249437 則同時面對該壓力腔。在此結構中，藉由施加一預定電壓 來擴張與收縮壓電驅動元件，可感應出彈性振動以壓縮液 體，譬如壓力腔中的墨水，而液滴則可從排放口中排放。 目前，彩色墨水噴射紀錄設備已被廣泛地使用，但改 善印製能力則必須，尤其是高解析度與高速印製，而且高 解析度與高速印製已藉由係爲一微處理液體排放頭的多噴 嘴頭結構之使用所嘗試。就液體排放頭的微製造而言，將 排放液體之壓電驅動元件的尺寸縮小是必要的。 習知地，藉由以譬如切割與硏磨技術爲基礎的燒結而 得到之壓電體部之微型輪廓化所製造的壓電薄膜，其係已 經被使用於此袖珍壓電驅動元件。除此之外，已經藉由疊 層一壓電體部作爲薄膜並應用使用於半導體的光微影製程 技術來進行硏究，以發展出高精確度的微壓電驅動元件。 此外，有鑑於該元件的高功能性，希望該壓電體部是一單 晶或單向介電薄膜，並盡力地擴展異質生長技術的發展。 在介電薄膜的異質生長技術中，將包括基板與介電薄 膜之諸基底層之間的晶格常數失配降低是重要的。一種將 中間層插入於基板與介電薄膜之間以來降低晶格失配的方 法是普遍且眾所皆知的。 另一方面，儘管基板與介電薄膜不具有任何外延關 係，但是一種形成具有高單向程度之介電薄膜的技術卻早 已被硏讀。例如，如日本專利申請案特開平07- 3 003 97號 所述，其係已建議一種藉由應用基板與介電薄膜的線性擴 張係數差來得到高指向壓電薄膜的方法。 -6 - (3) 1249437 不過，在應用日本專利申請案特開平07-3 0 0 3 9 7號所 代表的基板與介電薄膜之熱擴散係數差的以上習知外延薄 膜形成技術與薄膜形成方法中，起因於晶格失配或熱擴散 係數差的應力會產生在介電薄膜中，以造成薄膜剝落，藉 此可預防大面積介電薄膜元件的構造。 甚至在不造成薄膜剝落的情形中，產生在介電薄膜中 的應力會導致介電薄膜性質的敗壞，譬如鐵電RAM的疲 勞特徵，藉此可預防介電薄膜元件的形成。 尤其是，因爲壓電致動器具有大約0.5//m至500//m 的大薄膜厚度並具有壓電位移，譬如使用於微機械與墨水 噴射記錄設備的液體排放頭，其係已經被廣泛地硏讀且其 中介電薄膜受到移位，故介電薄膜自基板或中間層剝落的 問題是必要的。 【發明內容】 本發明鑑於習知技術的以上問題進行，其目的在於提 供一介電薄膜元件、一壓電致動器與一液體排放頭與其製 造方法，藉由將雙晶結構中間層插入於基板或基底層之 間、減輕產生於介電薄膜中的應力以避免起因於應力的薄 膜脫落與介電薄膜特性的敗壞，而能夠構成大面積的介電 薄膜，譬如單晶或單向壓電薄膜。 爲了達到上述目的，本發明的介電薄膜元件包含一形 成在基板上的中間層與一形成在該中間層上的單晶或單向 介電薄膜，其中該中間層具有一雙晶結構。 (4) 1249437 本發明的壓電致動器包含一振動板、一形成在振動板 上的中間層與一形成在該中間層上的單晶或單向壓電薄 膜，其中該中間層具有一雙晶結構。 較佳地是，壓電薄膜係爲一鋅壓電薄膜，且該中間層 具有欽酸錯或釕酸總薄膜。 本發明的液體排放頭藉由壓電驅動力來加壓壓力腔中 的液體’以排放液體經過排放口，其係並且包含一裝置有 壓力腔的流動路徑基板、一放置在流動路徑基板上的振動 板、一形成在振動板上的中間層、一形成在中間層上的單 晶或單向壓電薄膜以及一用來供電到壓電薄膜的電極，其 中該中間層具有一雙晶結構。 較佳地是，該中間層具有一四角形薄膜，而且 (001)是一主要生長平面。 較佳地是，該中間層具有一正菱形薄膜，而且 (001)是一主要生長平面。 較佳地是，該中間層的雙平面是（101)或（011)。 較佳地是，該雙晶結構薄膜具有1至200nm的薄膜厚 度。 製造本發明液體排放頭的方法係爲一種製造藉由壓電 驅動力來加壓壓力腔中的液體，以排放液體經過排放口之 液體排放頭的方法，該方法包含該些步驟：形成一振動板 於形成壓力腔的流動路徑基板上，形成一中間層於振動板 上，藉由加熱該中間層形成一具有雙晶結構的薄膜，形成 一單晶或單向壓電薄膜於具有雙晶結構的薄膜上，以及形 -8 - (5) 1249437 成一電極以來供電到壓電薄膜。 此外，製造本發明液體排放頭的方法可能是一種製造 藉由壓電驅動力來加壓壓力腔中的液體，以排放液體經過 排放口之液體排放頭的方法，該方法包含該些步驟：形成 一振動板於形成壓力腔的流動路徑基板上，形成一中間層 於中間傳送元件上，藉由加熱該中間層形成一具有雙晶結 構的薄膜，形成一單晶或單向壓電薄膜於具有雙晶結構的 薄膜上，將在中間傳送元件上的壓電薄膜與中間層傳送到 該流動路徑基板的振動板，以及形成一電極以來供電到壓 電薄膜。 譬如壓電材料的介電薄膜係外延生長在振動板或基板 上’該板或基板係爲經由雙晶結構中間層之液體排放頭的 中間傳送元件。因爲當實施單晶體化或其他處理以將壓電 特性傳到介電薄膜時，由於晶格失配而產生於薄膜中的應 力被中間層的雙晶結構所吸收，所以可避免起因於應力的 薄膜脫落或者壓電特性的敗壞。根據此，可得到具有較優 壓電特性之大面積壓電薄膜的組成，並促進裝置有壓電致 動器之液體排放頭的高功能性與低成本。 【實施方式】 如圖1 A所示，係爲壓電驅動元件的介電薄膜元件1 〇 係由一基板1 1、一如圖1 A所示，係爲壓電驅動元件的介 電薄膜元件10係由一基板11、一具有叠層在基板11上之 多層結構的中間層與一形成於上的壓電薄膜1 3所形成。 -9 - (6) 1249437 壓電薄膜13係爲厚度0.5至500/im的單晶或高排向 介電薄膜，中間層12具有第一中間層12a與其下的第二 中間層1 2 b，第一中間層係爲具有雙晶結構的薄膜並且放 置在壓電薄膜13下面。 基板1 1較佳地是鈦酸緦、鈦酸緦鑭、氧化鎂、氧化 鋁、釕酸緦、氧化釕、鉑與矽單晶基板，尤其是鈦酸緦、 鈦酸緦鑭與氧化鎂的單晶基板，其中晶體面（1 〇〇 )類似 基板面，且其晶格常數類似譬如锆鈦酸鉛之鉛壓電薄膜的 晶格常數，該鉛壓電薄膜一般呈現出良好的鐵電特性。非 單晶玻璃基板或不鏽鋼基板亦可被應用。 在基板1 1與第一中間層12a之間，第二中間層12b 被插入，第二中間層1 2b係爲功能如下部電極和圖式未顯 示之上部電極的電極構件，但是具有第三中間層或更多的 多層結構疊層亦被插入。較佳地是，第二中間層12b的材 料具有與基板1 1或放置在基板1 1與第二中間層1 2b之間 之較低層薄膜的小晶格失配。 更佳地是，第二中間層1 2b係爲從鉑、鈀、銥與釕、 其氧化物或者鈣鈦礦氧化物（譬如鈦酸緦鑭與釕酸緦）組 成群組中選出的一單晶或單向金屬薄膜，其係顯現出導電 性，其生長面是（1〇〇) ，（010)或（〇〇1)。 具有雙晶結構的四角形鈣鈦礦氧化物，譬如PT (鈦 酸鉛）或者正菱形鈣鈦礦氧化物，譬如S RO (釕酸緦）較 佳用於第一中間層12a，生長面是（001)並且在（1〇1) 或（〇 1 1 )上具有雙面的單晶或單向薄膜則更佳。當形成 -10- (7) (7)1249437 單晶或單向壓電薄膜1 3時，第一中間層丨2 a的雙晶結構 能減輕產生在薄膜中的應力，而且起因於應力的薄膜脫落 與壓電薄膜1 3的性質敗壞則可避免，且大面積的介電薄 膜元件1 〇能輕易地組成。 圖1 A所示的介電薄膜元件1 〇組成具一薄膜組態之壓 電致動器的主動部分，在該薄膜組態中，介電薄膜夾於電 極之間，且該介電薄膜係爲呈現出壓電特性的壓電薄膜 13。在該元件中，包含第一中間層12與係爲下部電極之 第二中間層1 2 b的中間層1 2放置在基板1 1上，且單晶或 單向壓電薄膜13係形成在第一中間層l2a上，而且沒有 顯示於圖式中的上部電極則形成在壓電薄膜13上。 圖1 B所不之具有薄膜組態的介電薄膜元件2 0亦可被 使用，以替代此組態，在該薄膜組態中，具有雙晶結構薄 膜與壓電薄膜2 3之單層結構的中間層2 2係被疊層在基板 2 1上，該基板具有功能如同下部電極的導電性，並同樣地 當作圖1 A所示的第二中間層。 在圖1A與1B中，當係爲介電薄膜之壓電薄膜的a軸 長度是由ad所表示，雙晶結構薄膜製成之單層中間層或 第一中間層的a軸長度是由ai所表示，且c軸長度是由 c i所表示時，各晶體軸會維持a ί < ad < c !的關係。更佳地 是，當具雙晶結構之單層中間層或第一中間層的a軸長度 是由 ^所表示，C軸長度是由 Ci所表示，且基板或第二 中間層的a軸長度是由a2表不時’各晶體軸會維持ai<a2 < ci的關係。藉由滿足這些關係，可進一步減輕產生於 -11 - (8) 1249437 壓電薄i吴中的應力’且可進一步改善壓電薄膜的薄膜脫落 或特性敗壞’甚至可得到較大面積的介電薄膜元件。 例如，當鈦酸錯使用於具有雙晶結構的第一中間層 時，鈦酸緦，鈦酸緦鑭或Pt的單晶或單向第二中間層則 較佳，其中（001)是生長面。這是因爲，關於表體陶瓷 的文獻値，在鈦酸緦情形中，第二中間層的a軸a2長度是 a2 3.9 0 5 ( JCPDS-3 5 07 3 4 )，且在 pt 的情形中，a2 = 3.92 3 ( JCPDS- 040 8 02 )，而四角形鈦酸鉛（J C P D S · 〇6〇452)的a軸長度文獻値則是ai=3.899，且c軸長度 則是〜=4.153，其係滿足前述關係ai<a2<Cl。 就壓電薄膜而言，具有鉛鈣鈦礦結構的單晶或單向介 電薄膜較佳，其中（001 )是生長面。例如，銷鈦酸鉛/鈦 酸鉛/Pt/氧化鎂疊層結構較佳當作一壓電驅動元件，其具 有（壓電薄膜/第一中間層/第二中間層/基板）的圖1A薄 膜組態，而且鍩鈦酸鉛/鈦酸鉛/鈦酸緦鑭的疊層結構較佳 當作一壓電驅動元件，其具有（壓電薄膜/中間層/基板） 的圖 1B 薄膜組態。這是因爲，關於四角形 Pb (TiG.48，Zr().52 ) 〇3 表體陶瓷的文獻値（JCPDS-330784) ，a軸長度係爲ad=4.036，其係滿足以上關係a〗 < ad < c i。壓電薄膜可以是非鉛鈦酸鉍或者鈦酸鋇強介電 型薄膜或者鈦酸緦介電薄膜。 就單晶或單向壓電薄膜而言，可選出由 Pb(Zr，Ti)〇3(鍩鈦酸鉛）所表示的以下錯介電薄膜。其實例 包括 ΡΖΤ^ΡΙ^ΖΓχΤυΟΟ，ΡΜΝ(Ρ13(Μ§ΧΝΙ^·Χ)03)， -12- (9) 1249437 PNN(Pb(NbxNi ,.x)〇3)? PSN(Pb(ScxNb ^,)03), PZN(Pb(ZnxNb1.x)〇3)? PMN-PT{(l-y)(Pb(MgxNbi-x)〇3)-y(PbTi03)}, PSN.PT{(l-y)(Pb(ScxNb1.x)〇3).y(PbTi〇3)}? 以及 ΡΖΝ-ΡΤ{(1-γ)(Ρΐ3(ΖιιχΝΙ^χ)03)π(Ρ5Τί03)}。
在此，X與y是不超過1且不小於0的數目。在PMN 的情形中，例如，X是〇 · 2至0 · 5，且在P S N中，X較佳是 0.4至0.7，而且較佳地，在PMN—PT中y是0.2至0.4， 在 PSN— P丁中 y 是 0.35 至 0.5，在 PZN— PT 中 y 是 〇.〇3 至 〇·35 。 此外，可使用摻雜鑭 PZT:PLZT ((Pb，La)(Zr，Ti)03)的合成物，其中譬如鑭的微量元件會 被摻雜到以上主要元件。 單晶或單向薄膜意指根據X射線衍射中2 0 Θ測量的 薄膜排向程度，不小於90% ，較佳不小於99% 。因爲介 電薄膜的介電、熱電、壓電與鐵電特性明顯降低，所以小 於90%的排向程度並非較佳。 此外，說到製造單晶或單向壓電薄膜、第一中間層與 第二中間層的方法，單一晶體化可藉由濺射方法的薄膜形 成來進行，同時加熱該基板。例如，當PZT薄膜由濺射方 法形成時，射頻磁電管濺射方法則較佳。在射頻磁電管濺 射方法中的薄膜形成情況，包括在薄膜形成期間內不小於 500°C至不大於7〇〇°C的基板溫度，在不小於20/1至不大 於50/1之氬/氧氣下的氬/氧比例，不小於0.2帕至不大於 0.5帕的氣體壓力，不小於0.5瓦/平方公分至不大於1 .2 瓦/平方公分的射頻輸入功率，以及在薄膜形成後不小於 -13- (10) (10)1249437 6 5 °C /分的基板冷卻率。更佳的狀況包括在薄膜形成期間 內不小於30/1至不大於50/1之氬/氧比例，不小於0.2帕 至不大於〇 . 3帕的氣體壓力，不小於0 · 5瓦/平方公分至不 大於0.8瓦/平方公分的射頻輸入功率，以及在薄膜形成後 不小於3 0 °C /分的基板冷卻率。尤其是’在添加譬如鑭之 摻雜劑的系統中’基板溫度可以更低’射頻輸入功率則可 被設定更高。當加熱基板時，可應用紅外線加熱方法或抗 熱方法。 尤其是，在包含具雙晶結構之薄膜的中間層（第一中 間層）中，雙晶結構能在薄膜形成中的熱濺射或接著譬如 回火的熱化步驟期間內，藉由改變溫度數十度的熱化處理 所輕易地形成。或者，具類似雙晶結構的中間層可藉由 MOCVD、溶膠-凝膠方法、MBE、PLD方法或氫熱合成方 法來得到。 因爲壓電薄膜是單向晶體或單晶，所以根據本實施例 所設計的介電薄膜元件可提供具高壓電特性的高密度壓電 致動器。此外，因爲產生於壓電致動器中的應力可藉由中 間層的雙晶結構來減輕，所以大面積介電薄膜元件的組成 則變得有可能，從而能夠組成大面積壓電致動器。 此外，在本實施例的壓電致動器中，在圖1A所示之 組態中基板1 1不展現傳導性的情形中，第二中間層12b 必須是具導電性的電極。在第二中間層1 2b不展現傳導性 的情形中，基板11必須具傳導性並使一電極運行。 當一展現傳導性層不形成在壓電薄膜下時，例如，當 -14- (11) 1249437 圖1 B中的基板2 1不具傳導性時，基板2 1可使用當作一 中間傳導元件。亦即是，一中間層2 2置於中間傳送元件 上，一單晶或單向壓電薄膜2 3置於中間層2 2上，未顯示 於圖式之電極形成在壓電薄膜23上的壓電薄膜疊層接合 到譬如液體排放頭之振動板的結構體，且包含基板2 1的 中間傳送元件則隨後移除。 在此情形中，係爲中間傳送元件的基板2 1並不存在 於液體排放頭上之壓電致動器的層結構中。在此方式中， 使用基板2 1做爲中間傳送元件之壓電致動器的層結構， 包括一中間層22、一壓電薄膜23與其上第一電極，還 有，在將中間傳送元件移除之中間層22暴露表面上的第 二電極。 如上述，因爲壓電薄膜是單向晶體或單晶，故應用中 間傳送元件的壓電致動器亦可獲得一具高壓電特性的高密 度壓電致動器。此外，因爲形成在中間傳送元件上的壓電 薄膜應力可藉由中間層的雙晶結構來減輕，所以大面積壓 電薄膜的組成則變得可能，從而能夠組成一大面積壓電致 動器。 圖2A與2B說明根據第二實施例所設計的一液體排放 頭，其係安裝有一具基板3 1的壓電致動器，該基板係爲 一介電薄膜元件3 0所驅動的振動板，該介電薄膜元件係 爲一壓電驅動元件。該介電薄膜元件3 0組成一壓電驅動 元件，該元件包含由第一中間層3 2 a與第二中間層3 2 b組 成的一中間層32，是介電薄膜的一壓電薄膜33與一上部 -15- (12) (12)1249437 電極3 4，第一中間層3 2 a係爲具雙晶結構的薄膜，第二中 間層則是一下部電極。基板3 1形成作爲一振動板，用來 關閉主體4 0上之壓力腔4 2的開口，該開口包含爲噴嘴的 一排放口 4 1，該壓力腔42溝通到排放口 4 1以及一具液體 供應腔4 3的流動路徑基板，譬如矽基板。 就液體排放頭的壓電振動部件而言’可使用壓電致動 器，該壓電致動器在同樣作爲振動板的基板3 1上具有上 述壓電驅動元件。壓電薄膜3 3與上部電極3 4係藉由沿著 圖2B所示壓力腔42之形狀的圖案化來切割。主體40上 的排放口 41具有一噴嘴形狀，且在壓力腔42中的壓力會 由於壓電振動部件的移位而變動，以從排放口 4 1排放液 體，譬如從液體供應腔43供應的墨水。 壓電薄膜33與上部電極34的切割會或不會符合每一 壓力腔42。此外，無法避免壓電薄膜3 3擴張與收縮的低 硬度樹脂可存在於被切割的壓電薄膜33之間。壓力腔42 的形狀可從矩形、圓形與橢圓形組成的群組選出。在側邊 熱氣泡噴墨的情形中，在壓力腔4 2的截面可變窄到噴嘴 方向。 組成振動板的基板3 1具有例如二氧化砂薄膜3 1 a、石夕 (100)薄膜31b或者氧化鎂（1〇〇)薄膜31c，且第二中 間層3 2 b係爲鉑（1 0 0 )薄膜。 本實施例液體排放頭之層結構的具體實例1至1 6陳 列於下。每一實例的層結構係由上部電極//壓電薄膜//第 一中間層//下部電極（第二中間層）//振動板//基板（主 -16- (13) 1249437 體）所指出。至少壓電薄膜、下部電極與振動板係由外延 生長所形成，且由於第一中間層的雙晶結構，在壓電薄膜 與包含下部電極、振動板與基板（主體）的疊層之間產生 的應力可被減輕。第一中間層或具雙晶結構的中間層會被 強調。此外，如圖1 B所示，一層同時滿足下部電極、振 動板與基板（主體）之功能的一種結構亦可被應用。 實例 1 鈾 //PZT(001)/PT(001)// 鉑（100)// 氧化鎂 (1 00)"矽（1 00) 實例 2 鉑 //ΡΖΤ(001)/ΡΤ(001)//鉑（ioo)//sto(ioo)//矽 (100) 實例 3 金//pzt(ooi)/pt(ooi)//lsto(ioo)//矽（100)/二 氧化矽/矽（100) 實例 4 鉑 //PZT(001)/PT(001)//鉑（100)//氧化鋁（100)// 矽（1〇〇) 實例 5 鉑 //ΡΖΤ(111)/ΡΤ(111)//鉑（lll)//YSZ(100)/Zr// 矽（1〇〇) 實例 6 銀 /PZT(001)//BT(001)// 鉑（100)// 鋁酸鑭 (100)//矽（100) 實例 7 金//PZT(001)/PT(001)//鉑（l〇〇)//YSZ(l 1 1)/ 二 氧化矽//矽（111) 實例 8銥//?2丁（00 1)/?丁（0 0 1)//銥（1〇〇)"二氧化矽//矽 (1〇〇) 實例 9 金 //PZT(111)/PT(111)//鉑（111)//YSZ(100)/二 氧化矽//矽（100) -17- (14) 1249437 實例 10 金//PZT(001)//SRO(001)//矽（100) 實例 11 鉑 //PZT(1 1 1)/PT(1 1 1)// 鉑（1 1 1)// 氧化鎂 (1 1 1)//矽（100) 實例 12 氧化銥 //PZT(001)/BT//SRO(001)//矽（100) 實例 13 金 //PZT(001)/PT(001)//鈾（100)//氧化鎂（100) 實例j 14 金 / /PZT(001)/PT(001)//棄白（100)//ST〇（100) 實侈ij 15 鉑 //PZT(001)/PT(001)//LSTO(100) 實例 16 金 //PZT(001)/PT(001)//鉑（100)//氧化鎂（100) 在以上具體實例中，ΡΖΤ已作爲壓電薄膜的例子，但 是被修改的層結構亦可被應用，包括鉛壓電薄膜，譬如 ΡΜΝ、ΡΖΝ、PSN、ΡΝΝ、ΡΜΝ-ΡΤ、PSN-PT 與 ΡΖΤ-ΡΤ。 此外，亦可使用譬如摻雜鑭的合成物 PZT:PLZT ((Pb，La)(Zr，Ti)03 )，其中譬如鑭的微量元件會被摻雜到 以上主要元件。在此，BT係爲（BaTi03,鈦酸鋇）的縮 寫，且YSZ係爲添加氧化釔的穩定氧化锆。 亦可使用一結構以作爲本實施例的修改例子，其中係 爲基板上中間傳送元件的中間層//壓電薄膜//電極（下部 電極）之層結構，會被傳送到液體排放頭的主體。在此情 形中，液體排放頭具有一主體，該主體具一連通到排放口 的一壓力腔，以及爲了關閉壓力腔之開口而形成的壓電振 動部件，而且隨著中間傳送元件結構體的電極表面與壓電 振動部件之振動板被接合，然後中間傳送元件被移除，中 間傳送元件並不存在於壓電振動部件上。 除了上述中間層以外，在此情形中之壓電振動部件的 -18- (15) 1249437 層結構還包括在移除中間傳送元件之表面上的壓電薄膜與 第一電極（下部電極），第二電極（上部電極）。此外， 至少壓電薄膜、中間層與上部電極被切割，而主體的排放 口則具有噴嘴形狀。壓力腔中的壓力會因爲壓電振動部件 的移位而變動，且譬如從液體供應腔所供應之墨水的液滴 則會從排放口排放。 壓電薄膜與電極的切割會或不會符合每一壓力腔。此 外’無法避免壓電薄膜擴張與收縮的低硬度樹脂可存在於 被切割的壓電薄膜之間。壓力腔的形狀可從矩形、圓形與 橢圓形組成的群組選出。在側邊熱氣泡噴墨的情形中，壓 力腔的截面可變窄到噴嘴方向。 在上述壓電致動器中，壓電薄膜的壓電移位取決於施 加到壓電薄膜的有效電場，因此具雙晶結構之第一中間層 (中間層）的薄膜厚度較佳地很小，其係不小於3 nm到不 大於200nm。因爲施加到壓電薄膜的有效電場降低且壓電 薄膜的壓電位移變小，所以大於2 00nm的薄膜厚度不佳。 因爲第一中間層（中間層）的雙晶結構不會形成，所以小 於3nm的薄膜厚度不佳。 根據本實施例，因爲壓電致動器的壓電薄膜是單向晶 體或單晶，故可得到高密度與高排放能力，同時符合高頻 率。此外，因爲中間層具有雙晶結構，故可減輕產生於壓 電振動部件中的應力，避免薄膜脫落，並可得到大尺寸的 液體排放頭。 (16) 1249437 實例1 說到圖3所示本實例之介電薄膜元件（壓電驅動元 件）的薄膜組態，0.2 // m鋁（0 〇 1 )藉由濺射同時以不小 於5 0 0 °C的加熱而外延生長在氧化鎂（〇 〇 1 )基板上（單晶 基板）以作爲同樣當作電極的第二中間層，0.2 // mPT (00 1 )則不小於5 00 °C地外延生長以作爲第一中間層，隨 後2 μ mPZT外延生長，以作爲壓電薄膜。在所有薄膜形 成步驟中，在薄膜形成以後，基板會以不小於3 0 °C /分地 快速冷卻。在薄膜形成中 PZT 的成分係爲 PbCZro.^Tim)。；。此外，在薄膜形成期間內，是第一中 間層之PT (001)的基板加熱溫度是605。(：，其係意圖在±25 °C的範圍內改變以形成一雙晶結構薄膜。根據所得到介電 薄膜元件之單晶化X光繞射光譜（XRD )而設計的測量結 果係顯示於圖4中。由此X射線衍射圖案，在（00 1 ) 中，PZT的排向被確認不小於99% 。 P Z T的電子衍射是藉由從垂直基板法線軸的（〇 1 〇 ) 引進電子束所實施，結果，PZT確定具有單晶結構’其薄 膜生長面係爲（001 )。此外，PT的電子衍射是藉由從垂 直基板法線軸的（〇 1 〇 )引進電子束所實施’結果’ Ρτ確 定具有雙晶結構’其薄膜生長面係爲（0 〇 1 )。 再者，PT搖晃曲線測量（ω掃描）是藉由XRD所實 施，其中20軸被固定在對應ρτ之a軸而間隔之面。該 些結果係顯示於圖5。從此X射線衍射圖案，P T確認具有 一雙晶結構，其中（1 〇 1 )是雙平面。該雙晶結構亦可由 -20- (17) 1249437 形成在（ 2 00 )上之PT的截面穿透式電子顯微鏡（TEM)暗 場影像所確認。 此外，第二中間層鋁，第一中間層PT與壓電薄膜 PZT的晶格常數會根據XRD測量來評估。結果，PZTa軸 長度 ad = 4.04，PTa 軸長度 ai=3.90 與 PTc 軸長度 ci=4.16 被發現具有a^adSc!之關係，且PTa軸長度3^3.90， PTc軸長度Cl=4.16與鋁a軸長度a2 = 3.93被發現具有a! <a2<Ci之關係。此外，PZT a軸長度ad = 4.04等於a二 4.03 6，其係爲锆/鈦=52/48之表體陶瓷的文獻値（1〇?〇3-3 3 〇7 84 )，其係證實甚至在外延薄膜的情形中該應力都被 減輕。 實例2 說到圖6所示本實例之介電薄膜元件（壓電驅動元 件）的薄膜組態，〇 · 1 // m P T ( 0 0 1 )外延生長在小於5 0 〇 °C時同樣當作下部電極之鈦酸緦鑭（〇 〇 1 )基板上（單晶 基板）以作爲中間層，3 // mPZT則隨後外延生長以作爲壓 電薄膜。在所有薄膜形成步驟中，在薄膜形成以後，基板 會以不小於3 0 °C /分地快速冷卻。在薄膜形成中p z T的成 分係爲 Pb ( Ζιτο.υ,Τίο.η ) 03。此外，在薄膜形成期間 內，是第一中間層之PT(OOl)的基板加熱溫度是605。〇， 其係意圖在± 2 5 °C的範圍內改變以形成一雙晶結構薄膜。 根據所得到介電薄膜元件之單晶化X光繞射光譜（XRD ) 而設計的測量結果係顯示於圖7中。由此X射線衍射圖 -21 - (18) (18)1249437 案，在（001 )中，PZT的排向被確認近乎100% 。 ΡΖΤ的電子衍射是藉由從垂直基板法線軸的（〇〗〇 ) 引進電子束所實施，結果，PZT確定具有單晶結構，其薄 膜生長面係爲（0 0 1 )。此外，鈦酸鉛的電子衍射是藉由 從垂直基板法線軸的（0 1 〇 )引進電子束所實施，結果， Ρ Τ確定具有雙晶結構，其薄膜生長面係爲（〇 〇丨）。同樣 地’從ΡΤ搖晃曲線測量（ω掃描）以及形成在（2 00 )上 的ΡΤ截面穿透式電子顯微鏡（ΤΕΜ)暗場影像，如在實例1 中，ΡΤ被確認具一薄膜生長面（〇〇1)與（101)是雙平 面的一雙晶結構。 因此得到之壓電驅動元件的壓電薄膜會根據交叉切割 測試而受到黏附測試，而且吾人證實沒有看到任何剝落， 且該黏附如同實例1中地良好。當藉由XRD測量PZT a 軸時，ad是4.04並等於鍩/鈦=5 2/48之表體陶瓷的文獻値 (JCPDS-3 3 07 84 )，其係證實該應力被減輕。 實例3 在圖2所示之液體排放頭的結構中’是振動板的氧化 鎂（100)會形成在使用摻雜硼單晶矽（100) /二氧化矽/ 矽結構之厚度〇.3/zm的矽（100)上（每一薄膜厚度： 2.5 ^ mil β m /2 5 0 β m )。再者，〇.2#m 的鉑（001)外延 生長於上以當作是下部電極的第二中間層，0 · 1 V m的 ΡΤ(〇〇1)當作第一中間層，隨後2/im的PZT則當作壓電薄 膜。在所有薄膜形成步驟中’基板會在薄膜形成以後快速 -22- (19) (19)1249437 冷卻。薄膜形成中的PZT成分是Pb(Zr〇.47,Ti〇.53)〇3。 在薄膜形成期間內，第一中間層PT ( 001)的基板加 熱溫度是6 0 5 °c，其係打算在± 5 °c範圍內改變以形成一薄 te。以此方式將在第一中間層中具有雙晶結構的介電薄月吴 元件形成，並將金塗糊在上部電極上。 矽層會受到使用SF6與C4F8的電漿蝕刻，以形成壓力 腔。然後，組成部分壓力腔的矽基板與具排放口的壓嘴板 則會相鄰。該壓力腔寬度60//m，深度2.2mm，壓力腔的 隔板寬度則是2 4 # m。 墨水耐久性測試使用驅動頻率1 kHz與驅動電壓 0V/3 0V的此液體排放頭來實施。結果，則在所有噴嘴 (排放口）中獲得達到排放數1 07的墨水排放，這證實在 耐久性測試以後並未發現介電薄膜元件的薄膜脫落。 實例4 準備具有與實例3相同結構的複數個液體排放頭，除 了第一中間層PT ( 00 1 )薄膜厚度分別是 1 nm、1 Onm、 1 Ο 0 nm、2 Ο 0 nm與3 Ο 0 nm以外。墨水排放測試則使用驅動 頻率ΙΟΚΗζ與驅動電壓5V/20V的這些液體排放頭來實 施。在每一實例中的排放數係爲1 〇7，且耐久性測試會被 同時地實施。在薄膜厚度PT ( )分別是l〇nm、lOOnm 與2 0 Onm之液體排放頭的測試中，墨水排放會在所有噴嘴 中達到，而且介電薄膜元件的薄膜脫落並沒有在耐久性測 試後被發現。另一方面，由於在一些噴嘴中缺乏排放能 -23- (20) 1249437 力，所以P T ( 0 0 1 )薄膜厚度3 0 0 n m的液體排放頭則無法排 放墨水。此外，在ΡΤ(001)薄膜厚度Inm的液體排放頭 中，介電薄膜元件之薄膜脫落所造成的墨水排放失效會在 複數個噴嘴中被看出，其係證實介電薄膜元件的薄膜脫落 發生於耐久性測試以後。 表1 PT(001)薄膜厚度（nm ) 1 10 100 200 300 排放測試 〇 〇 〇 〇 X 耐久性測試 X 〇 〇 〇 〇 (比較性實例1 ) 除了第一中間層不具有雙晶結構以外，將具有與圖 1 A所示實例1相同結構的介電薄膜元件準備，以作爲實 例1的比較性實例。在薄膜形成期間內，是第一中間層之 ?丁（001)的基板加熱溫度是63 0。(：，其係固定在±2°(：的範 圍內以形成一薄膜。因此所得到之介電薄膜元件的晶體化 是由XRD測量，而且PZT被確認較佳排向於（〇〇1 )中。 由於從垂直基板法線軸之（〇1〇 )引入電子束所造成 的PZT電子衍射，PZT被確認具有單晶結構，其薄膜生長 面是（〇 01 )。此外，由於從垂直基板法線軸之（0 1 0 )引 入電子束所造成的P T電子衍射，P T亦被確認具有單晶結 構，其薄膜生長面是（001)。再者，當藉由XRD來測量 PZT的a軸時，ad是4.01，並小於鉻/鈦=52/48之表體陶 -24- (21) 1249437 瓷的文獻値（JCPDS-330784) a = 4.036，其係證實會產生 起因於壓縮的應力。 因此得到之壓電薄膜元件的壓電薄膜會根據交叉切割 測試而受到黏附測試◦該基板的面積係爲lcm2、2cm2、 3cm2、4cm2與 5cm2，並準備該些元件的黏附，亦即第一 中間層PT具雙晶結構之實例1的介電薄膜元件，與第一 中間層P T不具有雙晶結構之比較性實例1的介電薄膜元 件。該些結果係顯示於表2。在實例1的介電薄膜元件 中，壓電薄膜在所有基板尺寸中完全無薄膜脫落，而且該 黏附是優等的。另一方面，在比較性實例1的介電薄膜元 件中，基板面積越大/剝落就越多，而且黏附不良。 表2 基板面積（cm2) 1 2 3 4 5 具雙晶結構 沒有 剝落 沒有 剝落 沒有 剝落 沒有 剝落 沒有 剝落 不具雙晶結構 10°/〇 剝落 2 0% 剝落 3 0% 剝落 4 0% 剝落 5 0% 剝落 (比較性實例2 )
除了中間層不具有雙晶結構以外，將具有與實例2相 同結構的介電薄膜元件準備，以作爲實例2的比較性實 例。如在比較性實例1中，在薄膜形成期間內，是中間層 之PT(OOl)的基板加熱溫度係爲630 °C，其係固定在±2°C -25- (22) 1249437 的範圍內以形成一薄膜。因此所得到之介電薄膜元件的單 晶體化是由XRD測量，而且PZT被確認較佳排向於實例 2 的（0 0 1 )中。 由於從垂直基板法線軸之（010 )引入電子束所造成 的PZT電子衍射，PZT被確認具有單晶結構，其薄膜生長 面是（0 0 1 )。此外，由於從垂直基板法線軸之（0 1 0 )引 入電子束所造成的PT電子衍射’ PT被確認亦具有單晶結 構，其薄膜生長面是（0 0 1 )，如比較性實例1。再者，當 藉由XRD來測量PZT的a軸時，ad是4.00，並小於鉻/鈦 = 5 2/48之表體陶瓷的文獻値（JCPDS-3 3 07 8 4 ) ’其係證 實會產生起因於壓縮的應力。 因此得到之壓電薄膜元件的壓電薄膜會根據交叉切割 測試而受到黏附測試。該基板的面積係爲lcm2、2cm2、 3 cm2、4 cm2與5 cm2，並準備該兩元件的黏附’亦即中間 層PT具雙晶結構之實例2的介電薄膜元件’與中間層PT 不具有雙晶結構之比較性實例2的介電薄膜元件。該些結 果係顯示於表3。在實例2的介電薄膜元件中’壓電薄膜 在所有基板尺寸中完全無薄膜脫落，且該黏附是優等的。 另一方面，在比較性實例2的介電薄膜元件中，基板面積 越大，剝落就越多，而且黏附不良。 -26- 1249437 ------ 表 3 基板面積（cm2 ) 1 2 3 4 5 具雙晶結構 沒有 沒有 沒有 沒有 沒有 剝落 剝落 剝落 剝落 剝落 不具雙晶結構 2 0% 3 0% 4 0% 5 0% 6 0% 剝落 剝落 剝落 剝落 剝落 (比較性實例3 ) 除了第一中間層不具有雙晶結構以外，將具有與實例 3相同結構的液體排放頭準備’以作爲實例3的比較性實 例。在薄膜形成期間內，是第一中間層之p τ (〇 〇丨）的基板 加熱溫度係爲63 0°C，其係固定在±2t的範圍內以形成一 薄膜。 墨水耐久性測試使用驅動頻率1 kHz與驅動電壓 Ο V / 3 Ο V的此液體排放頭來實施。結果，介電薄膜元件之 薄膜脫落所造成的墨水排放失效會在達到1 〇7排放數目的 複數個噴嘴中被看到，這證實介電薄膜元件的薄膜脫落會 發生在耐久性測試以後。 【圖式簡單說明】 圖i A與1 B係爲說明根據第一實施例與其修改實例所 設計之介電薄膜元件之薄膜組態的圖式； 圖2A與2B係爲說明第二實施例之液體排放頭的圖 式；圖2A係爲其槪要截面，且圖2B係爲其部份平面； -27- (24) (24)1249437 圖3顯示實例1之薄膜組態的圖式； 圖4係爲實例1的X光繞射光譜（XRD )圖表； 圖5係爲顯示實例1PT之X光繞射光譜（XRD )振動 曲線圖案的圖表； 圖6係爲顯示實例2薄膜組態的圖式；以及 圖7係爲實例2的X光繞射光譜（XRD )表。 【主要元件符號說明】 1 〇 :介電薄膜元件 1 1 :基板 1 2 :中間層 1 2 a :第一中間層 1 2 b :第二中間層 13 :壓電薄膜 20 :壓電薄膜元件 2 1 :基板 22 :中間層 23 :壓電薄膜 3 0 :介電薄膜元件 3 1 :基板 3 1 a :二氧化砂薄膜 3 1 b :矽薄膜 3 1 c :氧化鎂薄膜 3 2 :中間層 -28- (25) (25)1249437 3 2 a :第一中間層 32b :第二中間層 3 3 :壓電薄膜 3 4 :上部電極 40 :主體 4 1 :排放口 42 :壓力腔 43 :液體供應腔 -29-
Claims (1)
- (1) 1249437 十、申請專利範圍 1. 一種介電薄膜元件，包含： 一中間層，形成在一基板上；以及 一單晶或單向介電薄膜，形成在該中間層上， 其中該中間層具有雙晶結構。 2 . —種壓電致動器，包含·· 一振動板； 一中間層，形成在該振動板上；以及 一單晶或單向壓電薄膜，形成在該中間層上， 其中該中間層具有一雙晶結構。 3 ·如申請專利範圍第2項之壓電致動器，其中該壓電 薄膜係爲一鉛壓電薄膜，且其中該中間層具有鈦酸鉛 (PbTi03 )或釕酸緦（SrRu03 )薄膜。 4 . 一種藉由將液體排放經過一排放口的壓電驅動力來 加壓一壓力腔中液體的液體排放頭，該液體排放頭包含： 一流動路徑基板，裝有該壓力腔； 一振動板，放置在該流動路徑基板上； 一中間層，形成在該振動板上； 一單晶或單向壓電薄膜，形成在該中間層上；以及 一電極，用來供應電流到該壓電薄膜， 其中該中間層具有一雙晶結構。 5 .如申請專利範圍第4項之液體排放頭，其中該中間 層具有一四角形薄膜，而且（001)是主要生長面。 6.如申請專利範圍第4項之液體排放頭，其中該中間 -30- (2) 1249437 層具有一正菱形薄膜，而且（001)是主要生長面。 7 ·如申請專利範圍第4項之液體排放頭，其中該中間 層具有鈦酸鉛（PbTi03 )或釕酸緦（SrRu03 )薄膜。 8 .如申請專利範圍第4項之液體排放頭，其中該中間 層雙晶平面係爲（1 0 1 )或（0 1 1 )。 9 ·如申請專利範圍第4項之液體排放頭，其中該具有 雙晶結構的薄膜具有1至20 0 nm的薄膜厚度。 1 〇 . —種製造液體排放頭的方法，該液體排放頭藉由 將液體排放經過一排放口的 壓電驅動力來加壓一壓力腔中的液體，該方法包含以 下步驟： 形成一振動板於一流動路徑基板上，在該基板上則 形成壓力腔， 形成一中間層於該振動板上， 藉由加熱該中間層，形成一具有雙晶結構的薄膜， 形成一單晶或單向壓電薄膜於具有一雙晶結構的薄膜 上，以及 形成一電極，以用來供電到壓電薄膜。 1 1 . 一種製造液體排放頭的方法，該液體排放頭藉由 將液體排放經過一排放口的壓電驅動力來加壓一壓力腔中 的液體，該方法包含以下步驟： 形成一振動板於一流動路徑基板上，在該基板上則 形成壓力腔， 形成一中間層於一中間傳送元件上， -31 - (3) 1249437 藉由加熱該中間層，形成具有一雙晶結構的一薄膜， 形成一單晶或單向壓電薄膜於具有一雙晶結構的薄膜 上， 傳送在中間傳送元件上之壓電薄膜與中間層到流動路 徑基板之振動板上，以及 形成一電極，以供電到該壓電薄膜。 -32-
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