具有高透明度和高击穿电压的钝化透明压电器件的制作方法

1.本发明涉及一种压电器件，更具体地说，涉及一种透明压电器件。


背景技术：

2.诸如致动器等透明压电器件被用于许多应用中，例如触觉装置(显示器)。
3.基于压电薄膜且无钝化层的透明叉指驱动器表现出低电压介电击穿。由于主要通过空气发生的击穿，所述致动器在高驱动电压下表现出可靠性问题。因此，在施加高电压后，致动器被损坏。所述致动器还在透射光谱中表现出很大的法布里-珀罗振荡，这降低了它们在可见光谱中的透明度。因此，需要提供一种在可见光波长范围内保持高透明度的同时具有高击穿电压的压电器件。
4.公布的现有技术专利wo2017/202652 a1公开了一种透明压电器件，该透明压电器件包括透明衬底、衬底上的透明介电阻挡层、以及阻挡层上的透明压电层。透明叉指电极层覆盖透明压电层。该透明压电器件不具有高击穿电压。
5.robin nigon于2017年发表的名称为“用于压电能量收集的铁电薄膜中的内部电场和电极效应”的现有技术博士论文公开了一种压电器件，该压电器件包括不透明衬底(硅)，在该不透明衬底上沉积有压电层。该压电层上覆有叉指电极。在叉指电极上增加了顶部二氧化硅附加层。该压电器件不是光学透明的。
6.park等人发布的现有技术文献公开了一种压电器件。该压电器件包括塑料衬底，在该塑料衬底上沉积有pzt薄膜，并且在该压电薄膜上沉积有叉指电极。su-8环氧树脂层覆盖该器件，并且是通过光刻法沉积的，以封装该器件。但是，如该文献的图1所示，该压电器件不是光学透明的。


技术实现要素：

7.技术问题
8.本发明所要解决技术问题是提供一种具有高击穿电压的薄膜压电器件。更具体地说，本发明要解决的技术问题是提供一种具有高光学透明度的薄膜压电器件。
9.技术方案
10.本发明涉及一种压电器件，该压电器件包括：透明衬底；透明衬底上的透明压电层；透明压电层上的透明叉指电极层；其中所述压电器件还包括直接布置在透明压电层上的透明介电层，该透明介电层布置在叉指电极之间，并且具有大于3兆伏/米的介电强度。
11.根据一个优选实施例，所述叉指电极的每个电极包括与所述叉指电极的另一个电极的对应部分相邻的部分，以在所述部分和对应部分之间形成间隙，所述透明介电层在所述间隙之间延伸并桥接所述间隙。
12.根据一个优选实施例，所述透明介电层在叉指电极之间表现出的平均厚度是所述叉指电极的平均厚度的至少80％。
13.根据一个优选实施例，所述透明介电层在400纳米至700纳米波长范围内的折射率
低于所述透明压电层在该波长范围内的折射率。
14.根据一个优选实施例，所述透明介电层覆盖所述叉指电极的透明导电层。
15.根据一个优选实施例，所述透明介电层在400纳米至700纳米波长范围的折射率低于所述叉指电极的透明导电层在该波长范围内的折射率。
16.根据一个优选实施例，所述叉指电极的透明导电层在所述波长范围内的折射率低于所述透明压电层在该波长范围内的折射率。
17.有利地，所述透明介电层在所述波长范围内的折射率小于2，优选小于1.8，和/或大于1.4，优选大于1.5。
18.有利地，所述透明叉指电极层在所述波长范围内的折射率小于2.4，优选小于2.3，和/或大于1.8，优选大于1.9。
19.有利地，所述透明介电层的介电强度大于50兆伏/米，优选大于100兆伏/米，更优选大于400兆伏/米。
20.有利地，所述透明阻挡层施加在所述透明衬底与所述透明压电层之间。
21.有利地，所述透明压电层在所述波长范围内的折射率小于2.6，优选小于2.5，和/或大于2.2，优选大于2.3。
22.根据一个优选实施例，所述透明介电层的厚度小于5微米和/或大于0.2微米，优选等于1微米。
23.根据一个优选实施例，所述透明介电层是由选自双酚a酚醛环氧树脂、二氧化硅、氮化硅、sio
x
ny、氧化铝、二氧化铪、二氧化锆的材料组成的。
24.根据一个优选实施例，所述透明叉指电极层包括两组共面的叉指电极，每组叉指电极具有两个电极，每个电极具有多个叉指形的指。
25.根据一个优选实施例，所述压电器件还包括垫，每个垫连接至所述透明叉指电极层的一个电极，所述垫没有透明介电层。
26.根据一个优选实施例，所述透明叉指电极层是由导电透明材料氧化物组成的。
27.根据一个优选实施例，所述导电透明材料氧化物是氧化铟锡、或氧化氟锡、或掺铝氧化锌、或氧化镓铟锡、或氧化锌铟锡、或氧化镓铟、或氧化锌铟。
28.根据一个优选实施例，所述透明阻挡层是由二氧化钛、二氧化铪、二氧化锆之一组成的。
29.根据一个优选实施例，所述透明压电层是由pb(zr,ti)o3(pzt)、(k,na)nbo3、(ba,cr)(zr,ti)o3、(bi
0.5
na
0.5
)tio
3-batio3、氮化铝、掺钪氮化铝、bifeo3、掺镧bifeo3、掺锰bifeo3、或它们的任何组合制成的。
30.根据一个优选实施例，所述透明压电层具有代表所述透明衬底的表面的100％的表面。
31.本发明还涉及一种制造透明压电器件的方法，该方法包括以下步骤：提供透明衬底；在透明衬底上沉积透明压电层；在透明压电层上沉积透明叉指电极层；其中所述方法还包括在叉指电极之间直接在透明压电层上沉积具有高于3兆伏/米的介电强度的透明介电层并使该透明介电层与叉指电极接触的步骤。
32.根据一个优选实施例，所述透明压电器件是根据本发明的透明压电器件。
33.根据一个优选实施例，所述在透明压电层上并且优选在叉指电极层上沉积透明介
电层的步骤是通过旋涂进行的。
34.根据一个优选实施例，所述方法还包括在沉积透明介电层的步骤之后通过光刻对透明介电层图案化的步骤。
35.本发明的优点
36.本发明特别令人感兴趣的是，本发明的器件表现出更高的击穿电压，并且可选地在可见光范围内表现出更高的光学透明度。实际上，透明压电层上的介电层桥接叉指电极，以防止电击穿，从而能够提高所述压电器件的击穿电压。它还可以作为光学指数匹配层。本发明还表现出易于制造的优点。本发明特别令人感兴趣的是，本发明的器件可以用于许多电子应用中，例如用于触觉装置的致动器、传感器。
附图说明
37.图1是本发明的压电器件的横截面图。
38.图2是本发明的器件的俯视图。
39.图3示出了在没有介电层的压电器件上测量的极化与施加电压的关系。
40.图4是示出没有介电层的压电器件的ito电极在施加电压后的劣化的俯视光学显微镜显微照片。
41.图5示出了本发明的压电器件上的极化与施加电压的关系。
42.图6是示出本发明的压电器件的ito电极没有劣化的俯视光学显微镜显微照片。
43.图7示出了有介电层和没有介电层的压电器件的平均透射率的对比。
44.图8示出了有介电层和没有介电层的压电器件在紫外-可见光范围内的透射光谱。
45.图9示出了具有不同厚度的电介质su-8的压电样品的平均透射率的对比。
具体实施方式
46.在下文的说明中，术语“透明”用于表示材料或器件透过至少70％、优选至少80％的入射可见光，即，在400纳米至700纳米的波长范围内。
47.器件的结构
48.图1和图2分别示出了本发明的压电器件2的横截面图和俯视图。压电器件2包括光学透明衬底4。衬底4可以由任何透明材料制成，例如玻璃，例如熔融石英晶片。在衬底上设有透明阻挡层6。所述阻挡层可以由二氧化锆、氧化镁、二氧化钛或二氧化铪组成。所述阻挡层是均匀沉积层(例如通过原子层沉积(ald)、溅射、旋转或csd溶液沉积)或连续层，并且优选覆盖透明衬底的表面的100％。压电器件2包括衬底上的透明压电层8，例如直接在透明阻挡层6上。压电层8可以由pb(zr,ti)o3(pzt)、(k,na)nbo3、(ba,cr)(zr,ti)o3、(bi
0.5
na
0.5
)tio
3-batio3、氮化铝、掺钪氮化铝、bifeo3、掺镧bifeo3、掺锰bifeo3、或它们的任何组合制成。压电层8可以覆盖透明阻挡层6的表面的100％。但是，可以通过使用标准光刻技术蚀刻该压电层或者在沉积期间使用诸如喷墨印刷、气溶胶喷射印刷或丝网印刷等印刷技术直接对该压电层图案化。
49.器件2还包括压电层上的叉指电极12的透明层10。叉指电极12的透明层10由导电透明材料氧化物组成，例如氧化铟锡(ito)、氧化镓铟锡、氧化锌铟锡、氧化镓铟或氧化锌铟、掺铝氧化锌，优选是ito。叉指电极12的透明层10包括一组或更多组共面的叉指电极12。
每组叉指电极具有两个电极12，每个电极具有多个叉指形的指14。
50.压电器件2还包括叉指电极12的透明层10上的透明介电层16。透明介电层16的折射率低于透明叉指电极层的折射率，并且其介电强度大于3兆瓦/米，优选大于100兆瓦/米，更优选大于400兆瓦/米。透明介电层16可以由双酚a酚醛环氧树脂(又称为su-8，n＝1.57，针对可见光的平均值)组成，或者可以由其它透明介电材料组成，例如二氧化硅(n＝1.45，针对可见光的平均值)、氮化硅(n＝2.05，针对可见光的平均值)、sio
x
ny、氧化铝(al2o3，n＝1.76，针对可见光的平均值)、二氧化铪(hfo2，n＝2.1，针对可见光的平均值)、二氧化锆(zro2，n＝2.16，针对可见光的平均值)或聚对二甲苯(n＝1.66，针对可见光的平均值)。透明介电层16的厚度小于200微米，优选小于2微米和/或大于50纳米。
51.透明介电层16至少覆盖相邻指14之间的间隙，优选至少覆盖叉指电极12的透明层10的整个表面，如图1和图2所示。根据本发明的一个实施例，如图1和图2所示，叉指电极12的透明层10部分地覆盖压电层8，优选至多覆盖压电层8的整个表面。
52.在图1中能明显看出，介电层16在透明压电层8上，位于由透明层10形成的叉指电极之间。介电层16在相邻指之间延伸并桥接所述指。这是提高电极之间的击穿电压的最低要求。
53.在图1和2中，介电层16覆盖叉指电极12的透明层10和电极之间的压电层8。在远离叉指电极所在区域的位置，介电层使得压电层8的其余部分没有所述介电层16。或者，介电层16可以覆盖压电层8。在这种情况下，透明介电层16的折射率也低于压电层8的折射率。
54.应说明的是，具有作为光敏抗蚀剂的透明介电层是有利的，因为它可以通过标准光刻被直接图案化，并且不需要额外的蚀刻步骤。例如，这是对于任何光刻抗蚀剂的情况。su8抗蚀剂是特别令人感兴趣的，因为它是极其透明的，并且在聚合之后不能被去除。
55.压电器件2还包括接触垫18，每个接触垫18连接至透明叉指电极层的电极。如图2所示，接触垫18没有透明介电层。
56.压电器件的制造实例
57.使用厚度为500微米的熔融硅晶片作为透明衬底。使用原子层沉积(ald)反应器，以四(乙基甲基氨基)铪(iv)(temahf)和去离子(di)水作为前体，在熔融硅晶片上沉积23纳米厚的二氧化铪层。
58.如下制备具有pb
1.1
(zr
0.53
ti
0.47
)o3组成的pzt溶液。将含有异丙醇钛(iv)和丙醇锆(iv)的溶液旋涂在衬底上。在热板上进行干燥和热解。在快速热退火(rta)炉中在空气气氛中进行结晶。可以在结晶之前重复沉积-加热步骤。重复整个沉积-加热-结晶过程数次，以达到最终厚度。
59.通过采用激光直写的剥离光刻对叉指电极进行图案化。电极的指的宽度和它们之间的间隙为10微米。通过直流溅射沉积100纳米厚的氧化铟锡(in2o3/sno
2 90/10重量％)。在剥离过程之后，在热板上进行后退火。
60.利用下面的方案通过旋涂法沉积su8的介电层。用su8 2000稀释剂以3:1的体积比稀释su8 2002。通过在pzt样品上旋涂光致抗蚀剂然后进行预烘烤来进行沉积。使用采用无掩模激光写入系统的直接写入来进行曝光。可以进行曝光后烘烤。使用su8显影剂进行显影。然后在热板上进行后烘烤。
61.器件的特性
62.图3示出了在没有介电层的压电器件上测量的极化与施加电压的关系。向两个叉指电极施加100hz频率的-80伏到 80伏的交流电压。很明显，曲线表明极化随着正电压提高，直到大约60伏，然后在从大约60伏到80伏的电压范围内逐渐降低。这也适用于极化为负的负电压。
63.图4示出了俯视光学显微镜显微照片，该照片示出了在施加100hz频率的-100伏到 100伏的上述交流电压后，没有介电层的压电器件的电极发生劣化。
64.图5示出了在本发明的器件(即，具有su8介电层)上极化与施加电压的关系。电压是100hz的-400伏到 400伏的交流电压。很明显，最终的极化达到大约20微库伦/平方厘米，而没有发生击穿，即，比没有介电层时高大约104倍，参见图3。
65.图6是本发明的包括ito电极和su8介电层的压电器件的俯视光学显微镜显微照片。该图像表明，在对所述器件施加与图5相关的上述交流电压之后，所述器件没有劣化。
66.图7示出了包含熔融硅衬底、ito叉指电极透明层、pzt层，并且包含或不包含作为介电层的su8层的两个压电样品的平均透射率。su8层为1微米。该图清楚地表明，在压电器件包含su8层时，压电器件的平均透射率提高。
67.图8示出两个样品的透射率与波长的函数关系。结果表明，su8层减少了透射光谱中的振荡。因此，介电层作为折射率匹配层，并增强整个器件的总透射率。
68.图9示出了不同压电样品的平均透射率的图示。该图示表明，包含介电层的压电样品与在顶部不包含介电层的另外两种压电器件(pzt/sio2和ito/pzt/sio2)相比具有更好的透射率。
69.透射率的提高是折射率匹配的结果。根据关于光的反射和透射的菲涅耳方程，在垂直入射在折射率为n1和n2的不同光学电介质之间的界面上时，光的反射率r可以如下计算。
[0070][0071]
这意味着折射率n1和n2之间的差异越大，反射率就越高，透射率就越低。在如本发明中的多层衬底的情况下，在不同光学电介质之间的每个界面处具有有限的折射率差异是有利的。例如，对于折射率为1(例如空气)和2(透明材料)的光学介质之间的单个界面，反射率为11％，透射率为91％(1-反射率)，而对于折射率为1、1.5和2的光学介质之间的两个重叠界面，第一界面(折射率在1和1.5之间)的反射率为4％，第二界面(折射率在1.5和2之间)的反射率为2％，导致总透射率为94.08％，该值高于单个界面的透射率。这表明，在当前情况下，增加具有适当的折射率的层提高透射率，由此提高器件的透明度。假设第一光学电介质是空气(折射率n＝1)，并且压电层表现出较高的折射率(例如大约2.5)，那么有利的是透明介电层表现出的折射率介于空气的折射率与透明压电层的折射率之间，更有利的是介于空气的折射率与叉指电极的透明导电层的折射率之间。
[0072]
因此，结果表明，在透明叉指电极层上增加介电层改善了两种不相关的特性，即，结构的介电强度和光学透射率。