強誘電性単結晶膜構造物の製造方法
【課題】 優れた電気機械的及び電気光学的特性とともに高い誘電常数を有する強誘電性単結晶を用いて強誘電性膜構造物を製造する新規な方法を提供する。
【解決手段】 導電性接着剤又は金属層によって基板上に強誘電性単結晶板を接合(前記強誘電性単結晶薄板は前記基板に接合する前または後に研磨される)することによって、高性能の電気電子部品及び素子の製作に有用できる強誘電性単結晶膜構造物を製造できる。
【解決手段】 導電性接着剤又は金属層によって基板上に強誘電性単結晶板を接合(前記強誘電性単結晶薄板は前記基板に接合する前または後に研磨される)することによって、高性能の電気電子部品及び素子の製作に有用できる強誘電性単結晶膜構造物を製造できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロアクチュエータを含む各種の電気電子素子の製作に有用な強誘電性単結晶を含む膜構造物を特に接合法を用いて製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
強誘電性薄膜及び厚膜は、通常種々の電気電子部品に使用されているが、これまで、スクリーンプリンティング(screen printing)又はゾル−ゲル(sol-gel)法を用いて基板上にPZT膜をコーティングした後、コーティングされた基板を焼結してコーティング物質を結晶化するか、或いは真空下で単結晶−形成原料を蒸着させることによって製造されてきた(非特許文献1参照)。
【0003】
前記従来の方法は簡単で便利であるが、このように製作された膜は依然として電流損失、電気機械結合係数及び誘電常数の面で満足できない性能特性を示す。また、前記従来の方法の焼結段階は、電極材料として高コスト、高融点の金属(例えば、Pt及びAu)の使用を必要とする。
【0004】
したがって、電気電子素子及び部品に適した改善された物性を有する強誘電性膜を特に単結晶層の形態で提供する簡単な方法を開発する必要性があった。
【非特許文献1】N. Setter, Piezoelectric Materials in Devices, Ceramics Laboratory, EPEL 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
したがって、本発明の主な目的は、優れた電気機械的及び電気光学的特性とともに高い誘電常数を有する強誘電性単結晶を用いて強誘電性膜構造物を製造する新規な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一実施態様によって、本発明では導電性接着剤又は金属層を用いて強誘電性単結晶板を基板に接合することを含む、強誘電性単結晶膜構造物の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明の強誘電性膜構造物の製造方法は、高い誘電常数及び優れた電気機械的及び電気光学的特性を有する強誘電性単結晶を用いて、高温熱処理を必要としない接合工程を採択することを特徴とする。
【0008】
本発明では、膜の形態で測定するとき、誘電常数値が1,000以上の強誘電性単結晶物質が好ましく使用され得る。
【0009】
本発明に用いられる強誘電性単結晶の代表的な例としては、PMN−PT(マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛)、PZN−PT(亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛)、LN(ニオブ酸リチウム、LiNbO3)及びLT(タンタル酸リチウム、LiTaO3)、及び当分野に公知のその他の圧電及び電光物質がある。
【0010】
前記PMN−PT系及びPZN−PT系物質は、好ましくは下記式(I)の組成を有する。
【0011】
x(A)y(B)z(C)−p(P)n(N) (I)
〔式中、
(A)は、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3又はPb(Zn1/3Nb2/3)O3、
(B)は、PbTiO3、
(C)は、LiTaO3、
(P)は、Pt、Au、Ag、Pd及びRhからなる群から選ばれる金属、
(N)は、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu及びCdからなる群から選ばれる金属の酸化物、
xは、0.65〜0.98範囲の数、
yは、0.01〜0.34範囲の数、
zは、0.01〜0.1範囲の数であり、そして
p及びnは、各々独立して0.01〜5範囲の数である。〕
前記式(I)の物質は均質な単結晶であり、韓国特許公開第2001−96505号に開示されているように固相反応させた後、溶融結晶化させることによって製造できる。具体的には、前記式(I)の物質は(a)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3及びPb(Zn1/3Nb2/3)O3のいずれか一成分をPbTiO3およびLiTaO3と各々0.65〜0.98、0.01〜0.34および0.01〜0.1範囲の相対モル量で混合し、(b)前記段階(a)で得られた混合物にPt、Au、Ag、PdおよびRhからなる群から選ばれる金属およびNi、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、CuおよびCdからなる群から選ばれる金属の酸化物を該混合物の総量を基準として各々0.01〜5重量%の量で加え、(c)前記段階(b)で得られた混合物を焼成した後、焼成体を粉砕し、(d)前記段階(c)で得られた粉末を溶融した後、(e)溶融物を冷却して結晶化することによって製造できる。前記工程によって製造された単結晶は、好ましくは5cm以上の直径を有する。
【0012】
前記LN単結晶は、Li2CO3とNb2O5から、前記LT単結晶はLi2CO3とTa2O5から、チョクラルスキー法(Czochralski's method)によって製造できる(文献[Yuhuan Xu, Ferroelectric materials and their applications, pp 221-224, North-holland 1991]参照)。これらの物質は市販されている。
【0013】
特に、前記式(I)の強誘電性単結晶は、従来のPZT単結晶或いは多結晶に比べて電気機械結合係数が格段と高いだけでなく、高い駆動電圧、広い範囲の曲げ変形及び優れた電気光学的特性を有するので微細加工が可能である。式(I)の強誘電性物質は約7,000の誘電常数(膜形態の場合、約2,000)、約0.001の損失圧電常数(膜形態の場合、約0.003)、約2,500のd33、及び約0.97のk33を示す。前記従来のPZT膜は通常約400〜500の誘電常数及び約0.006〜0.02の損失圧電常数値を有する。
【0014】
以下、本発明による単結晶膜構造物の製造方法を添付の図面を参照して説明する。
【0015】
図1は、電界を印加するための上部電極9と下部電極7、これらの間の圧電単結晶8、圧電単結晶8の変形によって振動される振動板6、及び基板領域4,4aを含む一般型のマイクロアクチュエータの一例を概略的に示す。振動板6と基板領域4,4aは通常の方法によって容易に製作できるが、上部電極9、下部電極7及び圧電単結晶8の積層構造物は高性能を示すように製作することが難しい。
【0016】
本発明によれば、高性能単結晶膜構造物を、強誘電性単結晶の板(plate)を薄膜(thin film)に研磨した後、該単結晶薄膜を導電性接着剤層又は金属層を用いて基板に接合させるか、又は基板にまず強誘電性単結晶の板を接合した後、生成積層体の単結晶表面を研磨することによって、簡単に製造できる。前記研磨は通常の機械的研磨法又は化学機械的研磨法によって行い得る。
【0017】
本発明の方法において、単結晶と基板の接合は比較的低温で行われる。したがって、本発明によれば、従来の方法に用いられた強誘電性膜構造物の形成のための約1,000℃での高温熱処理工程を省略でき、電極物質として低い融点を有するアルミニウムのような安価な金属を使用し得る。
【0018】
図2A〜図2Hは、本発明による単結晶膜構造物の製造工程、及び該膜構造物を用いた素子の一例としての一般型マイクロアクチュエータの製作工程を示す。
【0019】
具体的には、図2Aはシリコンのような基板40上にマイクロアクチュエータの振動板として用いる二酸化ケイ素層60を形成する段階を示す。前記二酸化ケイ素層は、通常の酸化方法によって酸素又はスチームを用いて1〜5μmの厚さに形成し得る。または、前記二酸化ケイ素層は、まず、酸化方法によって300〜500nmの厚さに形成した後、形成された層を化学蒸着法によって目的とする厚さにさらに成長させることもできる。
【0020】
前記振動板としては、前記二酸化ケイ素の他にも、スパッタリング、電子ビーム蒸発法のような一般の蒸着法によって蒸着され得る他の酸化物材料、たとえば、MgO、Al2O3及びZnOを二酸化ケイ素の代わりに使用できる。
【0021】
図2Bは、前記二酸化ケイ素層60上に金(Au)又は銀(Ag)含有エポキシペースト接着剤又は白金(Pt)含有接着ゾルのような導電性接着剤70を塗布する段階を示し、図2Cは前記接着剤層70に単結晶板80を積層した後、生成積層体を熱処理する段階を示す。前記エポキシペースト及びPtゾルは市販されており、スピンコーティング又はスクリーン印刷法によって均一に塗布できる。
【0022】
振動板を介して単結晶板の振動が効率よく伝達するためには、接着剤層70を均一に形成することが重要である。このために、本発明では、接着剤がスピンコーティング法やスクリーン印刷法で適用しにくい程度の高い粘度を有する場合、図3に示す加圧手段を用いる。図3の装置は、下板100上に置載固定された二酸化ケイ素層上に接着剤を塗布した後、その上に単結晶板を積層し、該単結晶板を棒300が備えられた上板200で覆った後、棒300に圧力を加えて二酸化ケイ素層/接着剤/単結晶板の積層体を圧着するように用いられる。棒300の末端部はゴムのような弾性材料からなり、棒300に加えられる圧力を調節することによって接着剤層の厚さを調節できる。
【0023】
図3の装置を使用する場合、均一な厚さの接着剤層を提供できる。好ましくは、前記接着剤層の厚さは約1〜5μm(乾燥状態基準)の範囲であり得る。
【0024】
次いで、接着剤層70を硬化して下部電極を形成するための熱処理段階を室温〜150℃範囲の温度で1〜24時間行い得る。硬化温度を低めるか、硬化時間を長くするほど電極特性が優秀になる。
【0025】
これとは異なり、振動板60と単結晶板80の接合は、振動板60及び単結晶板80の表面にアルミニウム、銅及び金のような導電性金属の電極層を、たとえばスパッタリング法又は電子ビーム蒸発法によって形成し、これは前記振動板と単結晶板の2つの電極層を接合させた生成積層体を、たとえば100〜600℃の昇温で加圧することによって行い得る。
【0026】
前記振動板の表面に形成される電極層の導電性物質は前記単結晶板上に形成される物質と同じでも異なっていてもよい。蒸着される前記2つの導電性金属が同一である場合、その界面では拡散が起こる。これに対し、前記2つの導電性金属が異なる場合(たとえば、アルミニウムと銅が用いられる場合)は、共融現象(eutectic phenomena)が起こる。共融現象とは、2つ以上の金属が互いに接触するとき、共融(eutectic melting)によって界面領域が低い温度で溶け合うことを意味する。たとえば、アルミニウムは660℃の融点を有しているが、界面で形成され得る80%のアルミニウムと20%の銅の合金は融点が548.2℃まで低くなる。
【0027】
さらに、前記金属電極より低い融点を有するスズ(Sn)又はその合金を媒介層(intermediate layer)として用いて、白金、金などから選ばれた金属からなる2つの電極層を互いに融着できる。スズの使用は、積層体の加圧−熱処理工程をさらに低い温度で行うことを可能にする。
【0028】
図2Dは、単結晶板80を研磨して約1〜100μmの厚さの薄膜を形成する段階を示す。該研磨段階は接合段階前に行い得る。すなわち、単結晶板80を予め膜の形態で研磨した後振動板60と接合し得る。
【0029】
このようにして製造された本発明による単結晶膜構造物は、図2E〜図2Hに示す一般型マイクロアクチュエータを初めとした種々の電気又は電子部品又は素子の製作に用いられる。
【0030】
図2Eは、スパッタリング又は電子ビーム蒸発法を用いて単結晶膜80上に上部電極90を形成する段階を示す。PZTペーストをスクリーン印刷した後、1,000℃以上で焼結して多結晶薄膜を形成する従来の方法では、上部電極90として高融点を有するPt、Au及びAgのような高価の金属を使用しなければならない。しかし、本発明の場合、Alを初めとする安価な物質を使用できる。上部電極の厚さは約1〜5μmの範囲であり得る。
【0031】
次いで、上下部電極90,70の間に位置する単結晶膜80を分極化して分極処理された単結晶層80aを得る段階を図2Fに示す。前記分極化工程は100〜300℃で単結晶膜80に10〜100kV/cmの電界を10〜100分間印加することによって行い得る。
【0032】
次の段階では、図2Gに示すように、シリコン基板40をエッチングして基板領域40,40aを形成し、図2Hに示すように、振動板上に積層された単結晶膜と2つの電極層を適宜エッチングすることによってパターンを形成する。前記エッチング工程は通常の方法、たとえば、フォトレジスト工程、ドライエッチング工程、又はダイシング(dicing)工程を用いて行い得る。
【0033】
本発明に従って製造された強誘電性単結晶膜構造物は、インクジェットプリンタヘッド用又はディスプレイ用のマイクロアクチュエータ、超音波プローブ、可変フィルタなどの電気電子部品の製作に有用である。
【0034】
図4は、一般型マイクロアクチュエータを用いて製作された圧電方式インクジェットプリンタヘッドの断面図を示す。前記圧電方式インクジェットプリンタヘッドは、基板領域4,4aにいくつかの薄層3,2,1を形成し、これらの層を適宜エッチングしてリストリクタ3a(restrictor)、リザーバ2a(reservoir)、流路5及びノズル1aを形成することによって製造され得る。前記プリンタヘッドはチャンバ板としての基板4上に順次位置する圧電単結晶層8と振動板6を駆動させることによって作動され、ノズル1aを介してインクを噴射できる。具体的には、電極7,9に電圧が引加されると、圧電単結晶層8は曲げ変形を起し、チャンバ4a内の体積が減少し、これにより、チャンバ4a内のインクが流路5を経てノズル1aを介して吐出される。電圧の印加が途切れると、圧電単結晶層8が元の状態に戻りチャンバ4aの体積が増加することにより、吸入力が発生してチャンバ4aがインクで充填される。すなわち、マイクロアクチュエータの駆動力は電圧の印加によって引き起される圧電単結晶の変形程度及びこれによる上部電極と下部電極との間の通電量に依存する。
【0035】
また、本発明の強誘電性単結晶膜構造物は、様々な通信システムに広く使用されている薄膜共振器(FBAR; film bulk acoustic resonator)の製作に使用され得る。本発明の方法によって製造された圧電性膜構造物は従来の方法に従ってスパッタリングによって形成されたZnO、AlN又はPZT膜より優れた特性を示すので、加工する場合、優れた誘電常数を有する薄膜に製造できる。
【0036】
さらに、本発明の強誘電性単結晶膜構造物は2GHzから7MHzの広帯域の超音波プローブの製作にも有用できる。
【0037】
本発明を上述の実施態様と関連させて記述したが、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で、当該分野の熟練者が本発明を多様に変形および変化させ得ると理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】一般型のマイクロアクチュエータ(microactuator)の構造を示す断面図。
【図2A】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2B】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2C】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2D】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2E】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2F】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2G】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2H】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図3】本発明の方法において接着剤層を均一に形成するのに用いられた加圧手段の断面図。
【図4】マイクロアクチュエータを用いて製作された圧電方式インクジェットプリンタヘッドの一例を示す断面図。
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロアクチュエータを含む各種の電気電子素子の製作に有用な強誘電性単結晶を含む膜構造物を特に接合法を用いて製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
強誘電性薄膜及び厚膜は、通常種々の電気電子部品に使用されているが、これまで、スクリーンプリンティング(screen printing)又はゾル−ゲル(sol-gel)法を用いて基板上にPZT膜をコーティングした後、コーティングされた基板を焼結してコーティング物質を結晶化するか、或いは真空下で単結晶−形成原料を蒸着させることによって製造されてきた(非特許文献1参照)。
【0003】
前記従来の方法は簡単で便利であるが、このように製作された膜は依然として電流損失、電気機械結合係数及び誘電常数の面で満足できない性能特性を示す。また、前記従来の方法の焼結段階は、電極材料として高コスト、高融点の金属(例えば、Pt及びAu)の使用を必要とする。
【0004】
したがって、電気電子素子及び部品に適した改善された物性を有する強誘電性膜を特に単結晶層の形態で提供する簡単な方法を開発する必要性があった。
【非特許文献1】N. Setter, Piezoelectric Materials in Devices, Ceramics Laboratory, EPEL 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
したがって、本発明の主な目的は、優れた電気機械的及び電気光学的特性とともに高い誘電常数を有する強誘電性単結晶を用いて強誘電性膜構造物を製造する新規な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一実施態様によって、本発明では導電性接着剤又は金属層を用いて強誘電性単結晶板を基板に接合することを含む、強誘電性単結晶膜構造物の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明の強誘電性膜構造物の製造方法は、高い誘電常数及び優れた電気機械的及び電気光学的特性を有する強誘電性単結晶を用いて、高温熱処理を必要としない接合工程を採択することを特徴とする。
【0008】
本発明では、膜の形態で測定するとき、誘電常数値が1,000以上の強誘電性単結晶物質が好ましく使用され得る。
【0009】
本発明に用いられる強誘電性単結晶の代表的な例としては、PMN−PT(マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛)、PZN−PT(亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛)、LN(ニオブ酸リチウム、LiNbO3)及びLT(タンタル酸リチウム、LiTaO3)、及び当分野に公知のその他の圧電及び電光物質がある。
【0010】
前記PMN−PT系及びPZN−PT系物質は、好ましくは下記式(I)の組成を有する。
【0011】
x(A)y(B)z(C)−p(P)n(N) (I)
〔式中、
(A)は、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3又はPb(Zn1/3Nb2/3)O3、
(B)は、PbTiO3、
(C)は、LiTaO3、
(P)は、Pt、Au、Ag、Pd及びRhからなる群から選ばれる金属、
(N)は、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu及びCdからなる群から選ばれる金属の酸化物、
xは、0.65〜0.98範囲の数、
yは、0.01〜0.34範囲の数、
zは、0.01〜0.1範囲の数であり、そして
p及びnは、各々独立して0.01〜5範囲の数である。〕
前記式(I)の物質は均質な単結晶であり、韓国特許公開第2001−96505号に開示されているように固相反応させた後、溶融結晶化させることによって製造できる。具体的には、前記式(I)の物質は(a)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3及びPb(Zn1/3Nb2/3)O3のいずれか一成分をPbTiO3およびLiTaO3と各々0.65〜0.98、0.01〜0.34および0.01〜0.1範囲の相対モル量で混合し、(b)前記段階(a)で得られた混合物にPt、Au、Ag、PdおよびRhからなる群から選ばれる金属およびNi、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、CuおよびCdからなる群から選ばれる金属の酸化物を該混合物の総量を基準として各々0.01〜5重量%の量で加え、(c)前記段階(b)で得られた混合物を焼成した後、焼成体を粉砕し、(d)前記段階(c)で得られた粉末を溶融した後、(e)溶融物を冷却して結晶化することによって製造できる。前記工程によって製造された単結晶は、好ましくは5cm以上の直径を有する。
【0012】
前記LN単結晶は、Li2CO3とNb2O5から、前記LT単結晶はLi2CO3とTa2O5から、チョクラルスキー法(Czochralski's method)によって製造できる(文献[Yuhuan Xu, Ferroelectric materials and their applications, pp 221-224, North-holland 1991]参照)。これらの物質は市販されている。
【0013】
特に、前記式(I)の強誘電性単結晶は、従来のPZT単結晶或いは多結晶に比べて電気機械結合係数が格段と高いだけでなく、高い駆動電圧、広い範囲の曲げ変形及び優れた電気光学的特性を有するので微細加工が可能である。式(I)の強誘電性物質は約7,000の誘電常数(膜形態の場合、約2,000)、約0.001の損失圧電常数(膜形態の場合、約0.003)、約2,500のd33、及び約0.97のk33を示す。前記従来のPZT膜は通常約400〜500の誘電常数及び約0.006〜0.02の損失圧電常数値を有する。
【0014】
以下、本発明による単結晶膜構造物の製造方法を添付の図面を参照して説明する。
【0015】
図1は、電界を印加するための上部電極9と下部電極7、これらの間の圧電単結晶8、圧電単結晶8の変形によって振動される振動板6、及び基板領域4,4aを含む一般型のマイクロアクチュエータの一例を概略的に示す。振動板6と基板領域4,4aは通常の方法によって容易に製作できるが、上部電極9、下部電極7及び圧電単結晶8の積層構造物は高性能を示すように製作することが難しい。
【0016】
本発明によれば、高性能単結晶膜構造物を、強誘電性単結晶の板(plate)を薄膜(thin film)に研磨した後、該単結晶薄膜を導電性接着剤層又は金属層を用いて基板に接合させるか、又は基板にまず強誘電性単結晶の板を接合した後、生成積層体の単結晶表面を研磨することによって、簡単に製造できる。前記研磨は通常の機械的研磨法又は化学機械的研磨法によって行い得る。
【0017】
本発明の方法において、単結晶と基板の接合は比較的低温で行われる。したがって、本発明によれば、従来の方法に用いられた強誘電性膜構造物の形成のための約1,000℃での高温熱処理工程を省略でき、電極物質として低い融点を有するアルミニウムのような安価な金属を使用し得る。
【0018】
図2A〜図2Hは、本発明による単結晶膜構造物の製造工程、及び該膜構造物を用いた素子の一例としての一般型マイクロアクチュエータの製作工程を示す。
【0019】
具体的には、図2Aはシリコンのような基板40上にマイクロアクチュエータの振動板として用いる二酸化ケイ素層60を形成する段階を示す。前記二酸化ケイ素層は、通常の酸化方法によって酸素又はスチームを用いて1〜5μmの厚さに形成し得る。または、前記二酸化ケイ素層は、まず、酸化方法によって300〜500nmの厚さに形成した後、形成された層を化学蒸着法によって目的とする厚さにさらに成長させることもできる。
【0020】
前記振動板としては、前記二酸化ケイ素の他にも、スパッタリング、電子ビーム蒸発法のような一般の蒸着法によって蒸着され得る他の酸化物材料、たとえば、MgO、Al2O3及びZnOを二酸化ケイ素の代わりに使用できる。
【0021】
図2Bは、前記二酸化ケイ素層60上に金(Au)又は銀(Ag)含有エポキシペースト接着剤又は白金(Pt)含有接着ゾルのような導電性接着剤70を塗布する段階を示し、図2Cは前記接着剤層70に単結晶板80を積層した後、生成積層体を熱処理する段階を示す。前記エポキシペースト及びPtゾルは市販されており、スピンコーティング又はスクリーン印刷法によって均一に塗布できる。
【0022】
振動板を介して単結晶板の振動が効率よく伝達するためには、接着剤層70を均一に形成することが重要である。このために、本発明では、接着剤がスピンコーティング法やスクリーン印刷法で適用しにくい程度の高い粘度を有する場合、図3に示す加圧手段を用いる。図3の装置は、下板100上に置載固定された二酸化ケイ素層上に接着剤を塗布した後、その上に単結晶板を積層し、該単結晶板を棒300が備えられた上板200で覆った後、棒300に圧力を加えて二酸化ケイ素層/接着剤/単結晶板の積層体を圧着するように用いられる。棒300の末端部はゴムのような弾性材料からなり、棒300に加えられる圧力を調節することによって接着剤層の厚さを調節できる。
【0023】
図3の装置を使用する場合、均一な厚さの接着剤層を提供できる。好ましくは、前記接着剤層の厚さは約1〜5μm(乾燥状態基準)の範囲であり得る。
【0024】
次いで、接着剤層70を硬化して下部電極を形成するための熱処理段階を室温〜150℃範囲の温度で1〜24時間行い得る。硬化温度を低めるか、硬化時間を長くするほど電極特性が優秀になる。
【0025】
これとは異なり、振動板60と単結晶板80の接合は、振動板60及び単結晶板80の表面にアルミニウム、銅及び金のような導電性金属の電極層を、たとえばスパッタリング法又は電子ビーム蒸発法によって形成し、これは前記振動板と単結晶板の2つの電極層を接合させた生成積層体を、たとえば100〜600℃の昇温で加圧することによって行い得る。
【0026】
前記振動板の表面に形成される電極層の導電性物質は前記単結晶板上に形成される物質と同じでも異なっていてもよい。蒸着される前記2つの導電性金属が同一である場合、その界面では拡散が起こる。これに対し、前記2つの導電性金属が異なる場合(たとえば、アルミニウムと銅が用いられる場合)は、共融現象(eutectic phenomena)が起こる。共融現象とは、2つ以上の金属が互いに接触するとき、共融(eutectic melting)によって界面領域が低い温度で溶け合うことを意味する。たとえば、アルミニウムは660℃の融点を有しているが、界面で形成され得る80%のアルミニウムと20%の銅の合金は融点が548.2℃まで低くなる。
【0027】
さらに、前記金属電極より低い融点を有するスズ(Sn)又はその合金を媒介層(intermediate layer)として用いて、白金、金などから選ばれた金属からなる2つの電極層を互いに融着できる。スズの使用は、積層体の加圧−熱処理工程をさらに低い温度で行うことを可能にする。
【0028】
図2Dは、単結晶板80を研磨して約1〜100μmの厚さの薄膜を形成する段階を示す。該研磨段階は接合段階前に行い得る。すなわち、単結晶板80を予め膜の形態で研磨した後振動板60と接合し得る。
【0029】
このようにして製造された本発明による単結晶膜構造物は、図2E〜図2Hに示す一般型マイクロアクチュエータを初めとした種々の電気又は電子部品又は素子の製作に用いられる。
【0030】
図2Eは、スパッタリング又は電子ビーム蒸発法を用いて単結晶膜80上に上部電極90を形成する段階を示す。PZTペーストをスクリーン印刷した後、1,000℃以上で焼結して多結晶薄膜を形成する従来の方法では、上部電極90として高融点を有するPt、Au及びAgのような高価の金属を使用しなければならない。しかし、本発明の場合、Alを初めとする安価な物質を使用できる。上部電極の厚さは約1〜5μmの範囲であり得る。
【0031】
次いで、上下部電極90,70の間に位置する単結晶膜80を分極化して分極処理された単結晶層80aを得る段階を図2Fに示す。前記分極化工程は100〜300℃で単結晶膜80に10〜100kV/cmの電界を10〜100分間印加することによって行い得る。
【0032】
次の段階では、図2Gに示すように、シリコン基板40をエッチングして基板領域40,40aを形成し、図2Hに示すように、振動板上に積層された単結晶膜と2つの電極層を適宜エッチングすることによってパターンを形成する。前記エッチング工程は通常の方法、たとえば、フォトレジスト工程、ドライエッチング工程、又はダイシング(dicing)工程を用いて行い得る。
【0033】
本発明に従って製造された強誘電性単結晶膜構造物は、インクジェットプリンタヘッド用又はディスプレイ用のマイクロアクチュエータ、超音波プローブ、可変フィルタなどの電気電子部品の製作に有用である。
【0034】
図4は、一般型マイクロアクチュエータを用いて製作された圧電方式インクジェットプリンタヘッドの断面図を示す。前記圧電方式インクジェットプリンタヘッドは、基板領域4,4aにいくつかの薄層3,2,1を形成し、これらの層を適宜エッチングしてリストリクタ3a(restrictor)、リザーバ2a(reservoir)、流路5及びノズル1aを形成することによって製造され得る。前記プリンタヘッドはチャンバ板としての基板4上に順次位置する圧電単結晶層8と振動板6を駆動させることによって作動され、ノズル1aを介してインクを噴射できる。具体的には、電極7,9に電圧が引加されると、圧電単結晶層8は曲げ変形を起し、チャンバ4a内の体積が減少し、これにより、チャンバ4a内のインクが流路5を経てノズル1aを介して吐出される。電圧の印加が途切れると、圧電単結晶層8が元の状態に戻りチャンバ4aの体積が増加することにより、吸入力が発生してチャンバ4aがインクで充填される。すなわち、マイクロアクチュエータの駆動力は電圧の印加によって引き起される圧電単結晶の変形程度及びこれによる上部電極と下部電極との間の通電量に依存する。
【0035】
また、本発明の強誘電性単結晶膜構造物は、様々な通信システムに広く使用されている薄膜共振器(FBAR; film bulk acoustic resonator)の製作に使用され得る。本発明の方法によって製造された圧電性膜構造物は従来の方法に従ってスパッタリングによって形成されたZnO、AlN又はPZT膜より優れた特性を示すので、加工する場合、優れた誘電常数を有する薄膜に製造できる。
【0036】
さらに、本発明の強誘電性単結晶膜構造物は2GHzから7MHzの広帯域の超音波プローブの製作にも有用できる。
【0037】
本発明を上述の実施態様と関連させて記述したが、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で、当該分野の熟練者が本発明を多様に変形および変化させ得ると理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】一般型のマイクロアクチュエータ(microactuator)の構造を示す断面図。
【図2A】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2B】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2C】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2D】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2E】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2F】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2G】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図2H】本発明による単結晶膜構造物の製造工程及びそれを用いたマイクロアクチュエータの製作過程を示す図。
【図3】本発明の方法において接着剤層を均一に形成するのに用いられた加圧手段の断面図。
【図4】マイクロアクチュエータを用いて製作された圧電方式インクジェットプリンタヘッドの一例を示す断面図。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電性接着剤又は金属層によって強誘電性単結晶板を基板に接合することを含む、強誘電性単結晶膜構造物の製造方法。
【請求項2】
前記単結晶板を前記基板と接合する前及び後に1〜100μmの厚さに研磨することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記単結晶板と基板との間に導電性接着剤を位置させた後、接着剤を含有する生成積層体を室温〜150℃範囲の温度で1〜24時間熱処理して接着剤を硬化させることによって単結晶板を基板に接合することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項4】
前記導電性接着剤は、金又は銀含有エポキシペースト又はPt含有接着剤ゾル(sol)であることを特徴とする請求項3記載の方法。
【請求項5】
前記接着剤は、弾性ゴムからなる丸い末端部を有する加圧棒が備えられた板を用いて塗布されることを特徴とする請求項3記載の方法。
【請求項6】
前記単結晶板と基板の各々の片面に導電性金属層をコーティングし、この2つの導電性金属層を接合して得られる積層体を100〜600℃の温度で加圧熱処理することによって単結晶板を基板に接合することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項7】
前記積層体の加圧熱処理段階前に、前記2つの導電性金属層の間に2つの導電性金属より低い融点を有する金属の板を挿入することをさらに含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
【請求項8】
前記強誘電性単結晶は、膜の形態で測定された誘電常数値が1,000以上であることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項9】
前記強誘電性単結晶は、LiNbO3、LiTaO3又は下記式(I)の組成を有する物質であることを特徴とする請求項1記載の方法:
x(A)y(B)z(C)−p(P)n(N) (I)
〔式中、
(A)は、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3又はPb(Zn1/3Nb2/3)O3、
(B)は、PbTiO3、
(C)は、LiTaO3、
(P)は、Pt、Au、Ag、Pd及びRhからなる群から選ばれる金属、
(N)は、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu及びCdからなる群から選ばれる金属の酸化物、
xは、0.65〜0.98範囲の数、
yは、0.01〜0.34範囲の数、
zは、0.01〜0.1範囲の数であり、そして
p及びnは、各々独立して0.01〜5範囲の数である。〕
【請求項10】
前記基板は、SiO2、MgO、Al2O3及びZnOから選ばれた酸化物層を含み、該酸化物層が導電性接着剤層と接触されることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項1】
導電性接着剤又は金属層によって強誘電性単結晶板を基板に接合することを含む、強誘電性単結晶膜構造物の製造方法。
【請求項2】
前記単結晶板を前記基板と接合する前及び後に1〜100μmの厚さに研磨することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項3】
前記単結晶板と基板との間に導電性接着剤を位置させた後、接着剤を含有する生成積層体を室温〜150℃範囲の温度で1〜24時間熱処理して接着剤を硬化させることによって単結晶板を基板に接合することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項4】
前記導電性接着剤は、金又は銀含有エポキシペースト又はPt含有接着剤ゾル(sol)であることを特徴とする請求項3記載の方法。
【請求項5】
前記接着剤は、弾性ゴムからなる丸い末端部を有する加圧棒が備えられた板を用いて塗布されることを特徴とする請求項3記載の方法。
【請求項6】
前記単結晶板と基板の各々の片面に導電性金属層をコーティングし、この2つの導電性金属層を接合して得られる積層体を100〜600℃の温度で加圧熱処理することによって単結晶板を基板に接合することを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項7】
前記積層体の加圧熱処理段階前に、前記2つの導電性金属層の間に2つの導電性金属より低い融点を有する金属の板を挿入することをさらに含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
【請求項8】
前記強誘電性単結晶は、膜の形態で測定された誘電常数値が1,000以上であることを特徴とする請求項1記載の方法。
【請求項9】
前記強誘電性単結晶は、LiNbO3、LiTaO3又は下記式(I)の組成を有する物質であることを特徴とする請求項1記載の方法:
x(A)y(B)z(C)−p(P)n(N) (I)
〔式中、
(A)は、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3又はPb(Zn1/3Nb2/3)O3、
(B)は、PbTiO3、
(C)は、LiTaO3、
(P)は、Pt、Au、Ag、Pd及びRhからなる群から選ばれる金属、
(N)は、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu及びCdからなる群から選ばれる金属の酸化物、
xは、0.65〜0.98範囲の数、
yは、0.01〜0.34範囲の数、
zは、0.01〜0.1範囲の数であり、そして
p及びnは、各々独立して0.01〜5範囲の数である。〕
【請求項10】
前記基板は、SiO2、MgO、Al2O3及びZnOから選ばれた酸化物層を含み、該酸化物層が導電性接着剤層と接触されることを特徴とする請求項1記載の方法。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3】
【図4】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3】
【図4】
【公表番号】特表2006−510222(P2006−510222A)
【公表日】平成18年3月23日(2006.3.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−560670(P2004−560670)
【出願日】平成15年7月14日(2003.7.14)
【国際出願番号】PCT/KR2003/001390
【国際公開番号】WO2004/055875
【国際公開日】平成16年7月1日(2004.7.1)
【出願人】(505230043)イブル・フォトニクス・インコーポレイテッド (2)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成18年3月23日(2006.3.23)
【国際特許分類】
【出願日】平成15年7月14日(2003.7.14)
【国際出願番号】PCT/KR2003/001390
【国際公開番号】WO2004/055875
【国際公開日】平成16年7月1日(2004.7.1)
【出願人】(505230043)イブル・フォトニクス・インコーポレイテッド (2)
【Fターム(参考)】
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