薄膜压电元件及其制造方法与流程

本发明涉及信息压电元件，尤其涉及一种外延生长薄膜压电元件及其制造方法。

背景技术：

压电材料依照不同的需求而制成各种各样的压电元件，尤其广泛用于功能性电子元件，例如通过施加电压从而产生形变的驱动器，或通过元件的形变从而产生电压的传感器，等等。

随着压电材料用作磁盘驱动器的驱动器以控制磁头的精细动作，一种具有大压电特性的铅基电介质材料，特别是锆钛酸铅(pb(zr1-xtix)o3，pzt)基钙钛矿铁电材料被广泛使用，通常，这种压电材料由通过烧结而形成在独立元件上的氧化物而形成。

构成pzt的压电材料的晶体结构随pbtio3/pbzro3的比值而变化。图1a展示了pzt的相图，其中居里温度tc为高温立方顺电相(pc)和低温铁电相的分界。而晶相转换边界(morphotropicphaseboundary,mpb)将铁电相区划分成两个相区：四方相区(ft)及菱形相区(fr)。如图所示，当晶体结构位于mpb时，自发性极化所处的自由能最高，因而具有最佳的机电转换特性和最佳的压电特性，从而获得出色的压电常数d31和d33。

另外,外延生长的压电薄膜具有极少的晶体缺陷而有利于电畴的有序排列,因而具备更大的压电常数,更小的漏电流,及更好的热稳定性。

然而，把晶体结构准确地控制在mpb上显得十分困难。因此传统的薄膜压电元件往往采用在mpb附近的组分，如pb(zr0.52ti0.48)o3orpb(zr0.58ti0.42)o3。如图1b所示，一种传统的薄膜压电元件100包括衬底101、形成在衬底101之上的两个电极层102、103，以及层压于两个电极层102、103之间的压电层104。层体102、103、104往往通过溅镀、激光消融、溶-凝胶涂镀、各种化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)或分子束外延化学气相沉积(molecularchemicalvapordeposition，mocvd)形成。具体地，衬底101由硅材料或如氧化镁(mgo)等其他材料制成，电极层102、103由铂材料或如srruo3(sro)等导电氧化物或其组合物，或其他导电材料制成。传统地，压电层104的组分在mpb附近，其晶体结构为四方相结构或菱形相结构。然而，随着产品对行程的要求越来越高，该种单相压电元件100的压电常数显得不足够。而且，通过此方法制造的薄膜压电元件的热稳定性不佳，在高温条件下性能十分不稳定，造成温度系数较高，无法满足制造商的要求。

因此，亟待一种改进的外延生长薄膜压电元件及其制造方法以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种外延生长薄膜压电元件的制造方法，其能获得出色的热稳定性，较低的温度系数以及较大的压电常数。

本发明的另一目的在于提供一种外延生长薄膜压电元件，其能获得出色的热稳定性，较低的温度系数以及较大的压电常数。

为了实现上述目的，本发明提供了一种外延生长薄膜压电元件的制造方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上通过外延生长形成下电极层；在所述下电极层上通过外延生长形成c轴取向的第一压电层；在所述第一压电层上通过外延生长形成c轴取向且组分相结构不同于所述第一压电层的第二压电层；以及在所述第二压电层形成上电极层。

较佳地，在所述下电极层上形成c轴取向的第一压电层具体包括：在所述下电极层的表面溅射形成(001)取向或(002)取向的第一压电元件。

较佳地，在所述第一压电层上形成c轴取向的第二压电层具体包括：在所述第一压电元件的表面溅射形成(001)取向或(002)取向的第一压电元件。

较佳地，在所述衬底上形成下电极层具体包括：在(100)取向的衬底表面沉积形成(200)取向的下电极层。

较佳地，在所述第二压电层形成上电极层具体包括：在所述第二压电层的表面溅射形成所述上电极层。

较佳地，所述第一压电层和所述第二压电层的厚度比小于或等于1:2。

较佳地，所述第一压电层具有菱形相结构，所述第二压电层具有四方相结构。

较佳地，所述第一压电层和所述第二压电层的成分在晶相转换边界附近。

相应地，本发明的一种外延生长薄膜压电元件，包括：衬底；以及形成于所述衬底上的压电薄膜叠层，所述压电薄膜叠层包括上电极层、下电极层，以及层夹于所述上电极层和所述下电极层之间的c轴取向的第一压电层及c轴取向且组分相结构不同于所述第一压电层的第二压电层。

较佳地，所述第一压电层和所述第二压电层为(001)取向或(002)取向。

较佳地，所述下电极层为(200)取向。

较佳地，所述第一压电层具有菱形相结构，所述第二压电层具有四方相结构。

较佳地，所述第一压电层和所述第二压电层的成分在晶相转换边界附近。

较佳地，所述第一压电层和所述第二压电层的厚度比小于或等于1:2.

与现有技术相比，本发明提供的外延生长薄膜压电元件在衬底上通过外延生长而形成c轴取向的第一、第二压电层，且两层的压电件的组分具有不同的相结构，因此当施加交流电压到薄膜压电元件时，在第一、第二压电层上会发生电荷增加，从而增大薄膜压电元件的矫顽力，继而可达到更大的施加电场而不会产生去极化，进而提高压电常数d31；再且，具有双层压电层的薄膜压电元件的热稳定性良好，温度系数较低，甚至可优化到零温度系数，满足当前的生产需要。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1a为传统的pzt材料的相图。

图1b为传统的薄膜压电元件的剖面图。

图2为本发明的外延生长薄膜压电元件的一个实施例的剖面图。

图3为本发明的外延生长薄膜压电元件的制造方法的一个实施例的流程图。

图4为本发明外延生长薄膜压电元件和传统薄膜压电元件的x光衍射结果的对比图。

图5为本发明外延生长薄膜压电元件和传统薄膜压电元件在不同温度下的极化偏移的对比图。

图6为本发明外延生长薄膜压电元件的温度系数的图表。

具体实施方式

下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本发明的实质在于提供一种外延生长薄膜压电元件及其制造方法，其能获得出色的热稳定性，较低的温度系数以及较大的压电常数。

请参考图2，本发明的外延生长薄膜压电元件的一个实施例包括衬底201以及外延生长形成于衬底201之上的下电极层211、依次外延生长形成在下电极层211之上的第一压电层212、外延生长形成的第二压电层213、形成的上电极层214。该第一压电层212和第二压电层213的成分的相结构不相同，且在衬底201上均沿c轴方向定向。下文将有详细说明。结合图3解释本发明的薄膜压电元件的制造方法及其结构组成。

具体地，该下电极层211可包括形成在衬底201表面上的缓冲层211a，以及形成在缓冲层211a表面上的下电极薄膜211b。可选地，该下电极层211也可直接由下电极薄膜211b形成。

衬底201用来确保整个薄膜压电元件的机械强度，并用作使缓冲层211a的表面定向的基底。该衬底201可由硅单晶或mgo组成。

缓冲层211a可由zro2，y2o3，reo2组成，其中re是例如钇(y)或稀土元素、mgo、mgal2o4，等等。优选地，从这些材料中选取一种与衬底201si(100)晶格常数失配小的材料来形成缓冲层211a,并且其晶格常数与组成下电极材料晶格常数失配小以有利于外延生长下电极层。

下电极薄膜211b可由pt、ru、rh、pd、ir、au、ag、cu、ni之类的金属、或至少包含这些金属之一作为主要成分的合金，例如srruo3、caruo3、srvo3、srcro3的导电氧化物组成。优选地，从这些材料中选取一种与缓冲层211a及第一压电层212晶格常数失配小的材料来形成下电极薄膜211b。

例如，在形成硅单晶衬底201si(100)和形成pt下电极薄膜211b的情况下，优选采用zro2、reo2之类与si衬底201以及pt下电极薄膜211b晶格失配小的材料形成缓冲层211a。

在本实施例中，第一压电层212和第二压电层213由pb(zrxti1-x)o3制成。该第一、第二压电层212、213的厚度为0.1μm～1.5μm，较佳为1μm。而且，该第一、第二压电层212、213的厚度可调节，以改善压电元件的温度系数。优选地，第一压电层212和第二压电层213的厚度比小于或等于1:2。

优选地，该第一压电层212和第二压电层213分别具有不同的相结构。较佳地，第一压电层212具有菱形相结构，例如其成分为pb(zr0.61ti0.39)o3，其中pbtio3/pbzro3的比值为0.423(即pbtio3的含量为42.3mol％)；而第二压电层213具有四方相结构，例如其成分为pb(zr0.58ti0.42)o3,其中pbtio3/pbzro3的比值为0.469。在本实施例中，两种成分的成分梯度为0.046。可选地，该两压电层212、213的成分梯度范围是0.01～0.90。

可选地，第一压电层212的菱形相结构可控制在晶相转换边界(mpb)附近，而第二压电层213的四方相结构亦控制在晶相转换边界(mpb)附近。

在本实施例中，第一压电层212和第二压电层213通过在外延生长形成。具体地，在下电极层211的表面上通过溅镀形成第一压电层212，并获得c轴取向的第一压电层212，如(001)取向的菱形相pzt层212。继而，在(001)取向的菱形相pzt层212的表面上溅镀形成c轴取向的第二压电层213，如(002)取向的四方相pzt层213。可选地，第一、第二压电层212，213可形成为(002)取向或(001)取向，只要保证两者的取向c轴重合，从而获得最大的压电性能。

另外，本发明的第一压电层212和第二压电层213在压电常数d31模式下工作。

作为本发明的其他可选实施例，该第一、第二压电层212、213可由铌酸钾钠基(knanbo3,)、锂铌酸(linbo3)、锂钽酸(litao3)、钡钛酸(batio3)、铅钛酸(pbtio3)或钛酸锶钡(basrtio3)材料制成。材料并不受限，只要第一、第二压电层212、213的成分的相结构不同即可。

上电极层214可以由相同于下电极层211的材料组成。

下面描述该外延生长薄膜压电元件200的制造方法。

如图3所示，在一个实施例中，在si(100)衬底201上通过evp外延生长沉积工艺生长形成(200)取向的pt层体，继而在(200)取向的pt的表面上溅镀外延生长形成(200)取向的sro层体，因此形成下电极层211(pt/sro)。然而，用外延生成工艺形成电极层的方法没有特殊限制，例如真空沉积工艺、溅射工艺、脉冲激光沉积工艺(pld)、化学气相沉积工艺(cvd)、化学溶液沉积工艺(csd)之类的薄膜制备工艺亦可。

继而，在下电极层211的sro层体表面上外延生长溅镀菱形相pzt层212，且其取向为(001)。接着在(001)取向的菱形相pzt层213表面上外延生长溅镀四方相pzt层213，且其取向为(002)。

最后，在(002)取向的四方相pzt层213表面上依次溅镀形成sro层体以及pt层体，以形成与下电极层211相同结构的上电极层214。同样，该上电极层214的形成方法也不限制，只要能够外延生长该上电极层214即可。

如图4所示，其为本发明的双层的外延生长薄膜压电元件200和传统的单层的薄膜压电元件100的x光衍射(xrd)结果的曲线图。其中结果显示，本发明的外延生长薄膜压电元件和传统的薄膜压电元件100在si衬底上的外延生长均展现单晶结构，然而，在(002)取向的压电材料pzt213的峰值上，本发明的外延生长薄膜压电元件200展现两个峰值r、t，亦即在外延生长薄膜压电元件200中存在两种相结构；而传统的薄膜压电元件100的曲线上则只出现一个峰值(如箭头所指)，即只存在一种相结构。

如图5所示，其展示了不同温度下的本发明外延生长薄膜压电元件200和传统薄膜压电元件100在ac电压下的极化情况。可见，在不同温度环境下，本发明的外延生长薄膜压电元件200的极化偏移情况较一致，曲线不会出现如传统的薄膜压电元件100的剧烈变化。由此可见，本发明的外延生长薄膜压电元件200对温度变化不敏感，呈现良好的热稳定性。

另外，可通过调节第一压电层212和第二压电层213的厚度来获得更低的温度系数，如图6所示的温度-电容变化曲线以及温度-电压变化曲线。其中，第一压电层212和第二压电层213的厚度比分别为1:1和1:2，可见后者比前者在温度升高时的表现较为出色，通过调整两压电层的厚度可获得更低甚至零温度系数。

综上所述，本发明提供的外延生长薄膜压电元件在衬底上通过外延生长而形成下电极层、以及c轴取向的第一、第二压电层，且两层的压电件的组分具有不同的相结构，因此当施加交流电压到薄膜压电元件时，在第一、第二压电层上会发生电荷增加，从而增大薄膜压电元件的矫顽力，继而可达到更大的施加电场而不会产生去极化，进而提高压电常数d31；再且，具有双层压电层的薄膜压电元件的热稳定性良好，温度系数较低，甚至可优化到零温度系数，满足当前的生产需要。

本发明的外延生长薄膜压电元件200可用作微致动器、传感器、磁盘驱动器或其他设备。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。