專利名稱：制造膜或壓電膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造膜，如壓電膜的一種方法。
背景技術(shù)：
氣懸體沉積(AD)是已知的利用壓電材料或類似材料的粒子在基板上形成膜的一種方法，該方法可被用于制造例如在噴墨打印機(jī)的打印頭中所用的壓電致動(dòng)器等類似元件。這包括向一個(gè)基板表面噴射氣體(氣懸體(aerosol))中散布的微粒子，通過引起微粒與基板碰撞并沉積在基板上而形成壓電膜(例如，參見日本公開專利申請(qǐng)11-330577號(hào))。

發(fā)明內(nèi)容
但是，上述方法存在一些問題，基板上壓電膜的粘性和膜的形成速度根據(jù)基板的類型而變化很大。因此，已提出了一些改進(jìn)措施，如提供一個(gè)中間層，例如在基板上的一個(gè)鈦膜，但這對(duì)于改善粘性或膜形成的速度并不一定是足夠的。
本發(fā)明根據(jù)這樣的條件來(lái)設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是提供制造如壓電膜的膜的一種簡(jiǎn)單方法，由此，如基板上的壓電膜的膜的粘性可以提高。
作為意欲研發(fā)制造膜的一種簡(jiǎn)單方法的重要研究結(jié)果，以由此改善基板上的膜的粘性，發(fā)明人已做出了下文中的發(fā)現(xiàn)。
在AD中，成膜材料的粒子以高速撞向基板表面，當(dāng)被嵌入和粘附到基板時(shí)這些粒子被壓碎。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，利用AD，當(dāng)成膜材料的粒子的硬度與基板材料的硬度存在較大差別時(shí)，成膜材料的粒子不粘附到該基板上，相信其原因如下。
首先，可以認(rèn)為是，當(dāng)成膜材料的粒子硬度與基板材料硬度相比足夠高時(shí)，撞上該基板表面的成膜材料的粒子不會(huì)被粉碎。然后，可以認(rèn)為由于粒子沒被粉碎，而作為大的粒子嵌入基板表面，所以粒子在基板上的粘附表面面積小于被粉碎的粒子嵌入基板的情況，并且基板上的粒子的粘附力降低了。
另外，可以相信，作為粒子沒被充分粉碎的結(jié)果，難以形成電和化學(xué)活性的粒子新表面(其中，通常僅通過被粉碎，這樣的新表面就能夠被暴露，電和化學(xué)反應(yīng)就可能發(fā)生在這樣的新表面上，因?yàn)闆]有氧化或污染)，并且因?yàn)樵撔卤砻媾c基板表面在較低的程度在電和化學(xué)上結(jié)合，所以基板表面上的粒子粘附強(qiáng)度降低。
同樣，當(dāng)基板是由易碎材料組成時(shí)，容易觀察到一個(gè)現(xiàn)象，即基板被沖擊的材料粒子所蝕刻。如果假定該現(xiàn)象是基于由于粒子與基板相比足夠硬而未被粉碎，以及粒子被粉碎時(shí)消耗的預(yù)期能量被用于損害基板表面的事實(shí)，則可以推測(cè)粒子沒被粉碎。
但是，也可以認(rèn)為是，當(dāng)成膜材料的粒子硬度充分地小于基板材料的硬度時(shí)，與基板表面碰撞的粒子被排斥，而不能嵌入基板表面，沒有形成足夠的錨層(anchor layer)，使膜的形成很困難。在該情況下，可以認(rèn)為，如果增加粒子的碰撞能量，則由于增加的碰撞能量有可能把粒子嵌入基板表面。但是，可以認(rèn)為，當(dāng)粒子的硬度非常小時(shí)，如果增加粒子碰撞能量使粒子自身會(huì)被破壞，且它們不能被嵌入基板表面。
新表面還可在基板表面內(nèi)形成，且該新表面被認(rèn)為是用來(lái)增加基板與粒子的粘附力。特別的是，可以認(rèn)為，當(dāng)粒子與基板之間的硬度比率在一個(gè)合適范圍內(nèi)時(shí)，變形、破裂、結(jié)構(gòu)缺陷、錯(cuò)位和應(yīng)變不僅發(fā)生在粒子中，也發(fā)生在基板表面，粘附表面面積增加，新表面形成，粒子與基板之間的粘附力增加。
基于上述發(fā)現(xiàn)和考慮，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)考慮粒子硬度與基板表面硬度之間的相對(duì)關(guān)系是極其有效的，以為了在通過允許粒子粘附到基板上時(shí)，控制成膜的特征。特別是，保持粒子硬度與表面基板硬度之間的比率在特定的范圍內(nèi)可以使粒子以被粉碎的狀態(tài)嵌入基板，或在粒子與基板表面形成電和化學(xué)活性的新表面?？商娲?，利用全部這些發(fā)現(xiàn)可以改善粒子與基板之間的粘附性。本發(fā)明基于這些新發(fā)現(xiàn)而設(shè)計(jì)。
特別是，本發(fā)明提供了通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上，在基板上制造膜的一種方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在允許粒子粘附到粘著表面的范圍內(nèi)。
同樣，本發(fā)明提供了通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造膜的一種方法，這樣粒子粘附于其上，其中，粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)。
同樣，本發(fā)明制造膜的方法優(yōu)選的是通過把含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到基板上，在基板上制造壓電膜的方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)。
此外，本發(fā)明制造膜的方法優(yōu)選的是通過把含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，這樣粒子粘附于其上，其中，粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.43≤Hv(p)/Hv(b)≤1.43的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明中，使用的粒子與基板的組合應(yīng)是其中的硬度Hv(b)與硬度Hv(p)之間的關(guān)系在上述范圍內(nèi)的組合。例如，鋯鈦酸鉛(PZT)或鐵素體(ferrite)可用于粒子，而玻璃基板(其中在表面上形成PZT膜的玻璃基板，或表面上形成鐵素體膜的玻璃基板)可用作基板。
基板與粒子的維氏硬度可由納米壓痕(nanoidentation)來(lái)測(cè)量，這允許測(cè)量薄膜和微區(qū)的硬度。
另外，對(duì)于本發(fā)明使用的粒子和基板來(lái)說(shuō)，粒子的維氏硬度Hv(p)最好不小于300，不大于400，基板的維氏硬度Hv(b)最好不小于280，不大于700。例如，PZT可用于具有該類型硬度的粒子。而例如SUS 430(由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)的鐵素體不銹鋼可用作基板。
同樣，本發(fā)明提供了通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造膜的一種方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著于基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度(compressionbreaking strength)Gv(p)之間的比率在允許粒子粘附到粘著表面的范圍內(nèi)。
同樣，本發(fā)明提供了通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造膜的一種方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子以GPa為單位的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率是在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)。
同樣，本發(fā)明制造膜的方法優(yōu)選的是通過把含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子以GPa為單位的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)。
同樣，本發(fā)明制造膜的方法優(yōu)選的是通過把含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，這樣粒子粘附于其上，其中粒子附著在基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子以GPa為單位的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率是在0.11≤Gv(p)/Hv(b)×100≤1.43的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明中，能夠使用的粒子與基板的組合應(yīng)是這樣的組合，其中硬度Hv(b)與抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的關(guān)系在上述范圍內(nèi)。例如，鋯鈦酸鉛(PZT)或鐵素體能夠用于粒子，而玻璃基板(其中在表面上形成PZT膜的玻璃基板，或表面上形成鐵素體膜的玻璃基板)可用作基板。
粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度可由納米壓痕來(lái)測(cè)量。抗壓裂斷強(qiáng)度定義如下抗壓裂斷強(qiáng)度＝抗壓裂斷過程中作用于粒子的張應(yīng)力＝0.9×Fd/d2。
“Fd”是當(dāng)粒子破裂時(shí)作用于粒子的壓力，而“d”是當(dāng)粒子破裂時(shí)在垂直于壓力方向上的粒子直徑。特別地，當(dāng)一個(gè)壓力垂直地作用于粒子，粒子從上面被觀察，和粒子破裂時(shí)，粒子直徑是具有與粒子的投影的截面面積相同的表面面積的圓的直徑。
同樣，對(duì)于本發(fā)明能夠使用的粒子與基板來(lái)說(shuō)，粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)最好不小于0.8GPa，不大于4.0GPa，而基板的維氏硬度Hv(b)優(yōu)選地不小于280，不大于700。例如，PZT可用于具有該類型的抗壓裂斷強(qiáng)度的粒子。而例如SUS 430(由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)的鐵素體不銹鋼可用作基板。
根據(jù)本發(fā)明，通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上而在基板上制造膜的一種方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)，由此可保證粒子粘附到基板的粘附性。
同樣，根據(jù)本發(fā)明，通過把含有壓電材料粒子的氣懸體噴射到基板上而在基板上制造壓電膜的方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)，由此可保證粒子到基板的粘附性，且壓電膜可被可靠地制造。
此外，根據(jù)本發(fā)明，通過把含有壓電材料粒子的氣懸體噴射到基板上而在基板上制造壓電膜的方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.43≤Hv(p)/Hv(b)≤1.43的范圍內(nèi)，由此可進(jìn)一步改善粒子到基板的粘附性，并可以設(shè)計(jì)制造壓電膜的一種有成本效益的方法。
根據(jù)本發(fā)明，通過把含有粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率是位于允許粒子粘附到粘著表面的范圍內(nèi)，特別是在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)，由此可保證粒子粘附到基板的粘附性。
同樣，根據(jù)本發(fā)明，通過把含有壓電材料粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)，由此可保證粒子粘附到基板的粘附性，和壓電膜可被可靠地制造。
此外，根據(jù)本發(fā)明，通過把含有壓電材料粒子的氣懸體噴射到基板上在基板上制造壓電膜的方法，使得粒子粘附于其上，其中粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率是在0.11≤Gv(p)/Hv(b)×100≤1.43的范圍內(nèi)，由此可進(jìn)一步改善粒子粘附到基板的粘附性，和可以設(shè)計(jì)制造壓電膜的一種有成本效益的方法。


圖1是本發(fā)明的成膜裝置的一個(gè)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的形成如壓電膜的成膜裝置示意圖表示在圖1中。該成膜裝置1包括在運(yùn)載氣體中散布材料粒子2以形成氣懸體3的氣懸體發(fā)生器10，通過噴嘴噴射氣懸體3和允許氣懸體粘附到基板的成膜腔20，和使用后從氣懸體3收回材料粒子2的一個(gè)粉末回收裝置30。
氣懸體發(fā)生器10包括在其內(nèi)部能夠儲(chǔ)存成膜材料的粒子2的一個(gè)氣懸體腔11，和安裝在氣懸體腔11上和引起氣懸體腔11振蕩的一個(gè)振動(dòng)裝置12。導(dǎo)入運(yùn)載氣體的氣瓶13通過導(dǎo)入管14連接到氣懸體腔11。導(dǎo)入管14的末端位于氣懸體腔11的內(nèi)部底面附近，并在材料粒子2中降低。運(yùn)載氣體的例子包括惰性氣體，如氦、氬和氮，以及其它氣體，如空氣和氧氣。成膜材料不受特別限制。同樣，當(dāng)壓電膜形成膜時(shí)，壓電膜常用的材料例如可以使用鋯鈦酸鉛(PZT)、石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇、鈦酸鉛、偏鈮酸鉛(lead metaniobate)、氧化鋅，等等。
成膜腔20包括安裝基板4的一個(gè)臺(tái)架21，以及在臺(tái)架21下面提供的噴射嘴22。噴射嘴22通過氣懸體供給管23連接到氣懸體腔11，氣懸體腔11內(nèi)的氣懸體3通過氣懸體供給管23供給到噴射嘴22。同樣當(dāng)基板4通過圖中未標(biāo)出的驅(qū)動(dòng)裝置安裝時(shí)，臺(tái)架21能夠在平面的方向上移動(dòng)，基板表面的角度可以相對(duì)于氣懸體從噴射嘴22中噴射的方向而調(diào)節(jié)(參見圖1中的箭頭)。另外，真空泵25通過粉末回收裝置30連接到成膜腔20，以降低其內(nèi)部壓力。
當(dāng)利用該成膜裝置1形成膜時(shí)，材料粒子2被導(dǎo)入氣懸體腔11內(nèi)部。然后，運(yùn)載氣體從氣瓶13被導(dǎo)入，材料粒子2被氣體壓力升高。同時(shí)，氣懸體腔11被振動(dòng)裝置12振蕩，由此材料粒子2與運(yùn)載氣體混合，產(chǎn)生氣懸體3。然后，作為由真空泵25降低的成膜腔20中的壓力的結(jié)果，由于氣懸體腔11與成膜腔20之間的壓力差，氣懸體3漸增的速度從噴射嘴22被噴出。包含在噴射的氣懸體3中的材料粒子2與基板4碰撞，并沉積在其上面，形成膜5。當(dāng)基板4通過為臺(tái)架21而放置的驅(qū)動(dòng)裝置在平面方向上進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，氣懸體噴射，由此，膜5是在基板4的全部外表面上形成。
如果基板與材料粒子的選擇使基板4的維氏硬度Hv(b)與粒子2的維氏硬度Hv(p)的比率滿足成膜條件的優(yōu)選范圍中的關(guān)系0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08，膜5可在基板4上形成。例如，這些條件是，成膜腔中的內(nèi)部壓力為50到400Pa，氣懸體腔中的內(nèi)部壓力為10000到80000Pa，噴嘴的開口尺寸是10mm×0.4mm，氦或空氣作為該類型的運(yùn)載氣體，噴嘴-基板間的相對(duì)速度是1.2mm/秒，噴嘴到基板的距離為10到20mm，材料粒子的平均直徑為0.3到1μm，粒子速度為150到400m/秒。
特別是，當(dāng)壓電材料(PZT)的粒子2噴射到基板4形成壓電膜5時(shí)，基板4的維氏硬度Hv(b)與粒子2的維氏硬度Hv(p)的比率在0.43≤Hv(p)/Hv(b)≤1.43的范圍內(nèi)。這樣的粒子2與基板4的組合的一個(gè)可能的例子是具有300到400的維氏硬度Hv(p)的PZT粒子，和由具有280到700的硬度Hv(b)的SUS430(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))制成的基板。
如果基板與材料粒子的選擇使基板4的維氏硬度Hv(b)與粒子2的以GPa為單位的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)的比率滿足其它優(yōu)選的成膜條件的范圍中的關(guān)系0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08，則膜5也可在基板4上形成。例如，這些條件是，成膜腔中的內(nèi)部壓力為50到400Pa，氣懸體腔中的內(nèi)部壓力為10000到80000Pa，噴嘴的開口尺寸是10mm×0.4mm，氦或空氣作為該類型的運(yùn)載氣體，噴嘴-基板間的相對(duì)速度是1.2mm/秒，噴嘴到基板的距離為10到20mm，材料粒子的平均直徑為0.3到1μm，粒子速度為150到400m/秒。
特別是，當(dāng)壓電材料(PZT)的粒子2噴到基板4形成壓電膜5時(shí)，基板4的維氏硬度Hv(b)與粒子2的以GPa為單位的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)的比率是在0.11≤Gv(p)/Hv(b)×100≤1.43的范圍內(nèi)。這樣的粒子2與基板4的組合的一個(gè)可能的例子是具有0.8到4.0GPa的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)的PZT粒子，和由具有280到700的硬度Hv(b)的SUS430(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))制成的基板。
示例參考下面的示例，更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
首先，示例1a，1b，1c和1d涉及膜的形成，并將在粒子PZT和粒子鐵素體被噴射到玻璃基板上中描述。
<示例1a>
對(duì)于基板，使用的是玻璃基板，其中噴有氣懸體的粘著表面具有Hv 644的維氏硬度。粘著表面被拋光以使十點(diǎn)平均粗糙度(即，基板上任選十點(diǎn)的平均粗糙度)是Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。同樣，具有0.3到1μm的平均粒子直徑和Hv300到400的維氏硬度的PZT被用作粒子成膜材料。
根據(jù)利用來(lái)自+CSM儀器的Nano-Hardness Tester(納米硬度測(cè)試器)作為測(cè)量設(shè)備的納米壓痕，測(cè)量維氏硬度，其中測(cè)試器利用Berkovitch壓痕計(jì)(identer)作為壓痕設(shè)備，測(cè)試力F是0.008N。
厚度為10μm的壓電膜(PZT膜)通過與上述示例中相同的成膜裝置在玻璃基板上形成。成膜條件是成膜腔中的內(nèi)部壓力為150Pa，氣懸體腔中的內(nèi)部壓力30000Pa，噴嘴的開口尺寸是10mm×0.4mm，氦作為該類型的運(yùn)載氣體，噴嘴-基板間的相對(duì)速度是1.2mm/秒，噴嘴到基板的距離為10到20mm，粒子速度為250m/秒。成膜的結(jié)果通過視覺的觀察來(lái)證實(shí)。
<示例1b>
對(duì)于基板，使用的是玻璃基板，其中噴有氣懸體的粘著表面具有Hv 644的維氏硬度。粘著表面被拋光以使十點(diǎn)平均粗糙度是Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。同樣，具有0.3到1μm的平均粒子直徑和Hv 960到1120的維氏硬度的鐵素體被用作粒子成膜材料。其它方面以與示例1a中相同的方式形成膜，成膜的結(jié)果通過視覺的觀察來(lái)證實(shí)。
<示例1c>
對(duì)于基板，使用的是玻璃基板，其中在噴有氣懸體的基板表面上形成厚度為3到5μm的鐵素體膜。鐵素體膜的表面被拋光以使算術(shù)平均粗糙度是Ra≤0.8(Ra指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的算術(shù)平均粗糙度)，并且使十點(diǎn)平均粗糙度Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。該鐵素體膜的表面(粘著表面)的維氏硬度是Hz 985。同樣，具有0.3到1μm的平均粒子直徑和Hv 300到400的維氏硬度的PZT被用作粒子狀的膜形成材料。其它地，以與示例1a中相同的方式形成膜，膜形成的結(jié)果通過視覺的觀察來(lái)證實(shí)。
<示例1d>
對(duì)于基板，使用的是玻璃基板，其中在噴有氣懸體的基板表面上形成厚度為3到5μm的PZT膜。PZT膜的表面被拋光以使十點(diǎn)平均粗糙度是Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。該P(yáng)ZT膜的表面(粘著表面)的維氏硬度是Hz 611。同樣，具有0.3到1μm的平均粒子直徑和Hv 960到1120的維氏硬度的鐵素體被用作粒子的成膜材料。其它地，以與示例1a中相同的方式形成膜，成膜的結(jié)果通過視覺的觀察來(lái)證實(shí)。
<結(jié)果與討論>
基板和材料粒子的類型與成膜結(jié)果之間的關(guān)系在表1中表示。
表1

如表1中所示，當(dāng)包含有PZT粒子(維氏硬度Hv 300到Hv 400)的氣懸體被噴到玻璃基板(維氏硬度Hv 644)，包含有鐵素體粒子(維氏硬度Hv 960到Hv 1120)的氣懸體被噴到玻璃基板(維氏硬度Hv644)，和包含有PZT粒子(維氏硬度Hv 300到Hv 400)的氣懸體被噴到玻璃基板上的鐵素體膜(維氏硬度Hv 985)時(shí)，噴射的粒子被證實(shí)已形成膜。特別是，通過視覺觀察證實(shí)，成膜材料形成完全覆蓋基板而不露出基板的膜。這些情況下，Hv(p)/Hv(b)比率分別是0.47到0.62，1.49到1.74，和0.30到0.41。
然而，當(dāng)包含有鐵素體粒子(維氏硬度Hv 960到Hv 1120)的氣懸體噴到玻璃基板上的PZT膜(維氏硬度Hv 611)時(shí)，通過視覺觀察證實(shí)，鐵素體膜在PZT膜上形成。但有時(shí)還發(fā)生部分的剝離。這種情況下，Hv(p)/Hv(b)比率是1.57到1.83。
示例1c與示例1d的比較表示，只互換構(gòu)成基板的材料與噴射粒子的材料，其它條件相同?？紤]到在兩個(gè)層疊的材料層中的擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果沒有不同，這兩個(gè)示例中要考慮的不同條件只是基板硬度與噴射粒子硬度之間的關(guān)系。因此，相信該差別對(duì)成膜結(jié)果有影響。特別地，可以認(rèn)為由于在示例1d中粒子的硬度與基板的硬度相比是大于示例1c中的情況，但噴到基板上時(shí)被粉碎的粒子的比例較低，則粉碎消耗較小的能量，較大的能量積聚在作為結(jié)果的膜上，且該能量增加了膜內(nèi)的內(nèi)部應(yīng)力，使膜易于剝離。
從上面可清楚的是，成膜的特征取決于粒子所粘著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率。特別地，應(yīng)該清楚的是，最好是0.30≤Hv(p)/Hv(b)≤1.57的比率，因?yàn)檫@樣形成的膜不太可能發(fā)生剝離的現(xiàn)象。
下面，將描述示例2a，2b，2c，2d，2e，2f和2g，其中PZT粒子被噴射到鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS 430)組成的基板上，和噴射到在基板表面上形成的Pt膜上，以形成壓電膜。
<示例2a>
在氣懸體噴射到的基板表面(粘著表面)具有Hv 210的維氏硬度的鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS 430)板被用作基板。拋光該基板表面，以使十點(diǎn)平均粗糙度是Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。同樣，平均粒子直徑為0.3到1μm和維氏硬度為Hv 300到400的PZT被用作材料粒子。
不銹鋼基板的表面硬度通過在空氣中或真空中加熱基板到400到800℃和改變表面特征來(lái)調(diào)節(jié)。根據(jù)利用來(lái)自+CSM儀器的Nano-Hardness Tester(納米硬度測(cè)試器)作為測(cè)量設(shè)備的納米壓痕，測(cè)量維氏硬度，其中測(cè)試器利用Berkovitch壓痕計(jì)作為壓痕設(shè)備，測(cè)試力F是0.015N。
厚度為10μm的壓電膜通過與上述示例中相同的成膜裝置在基板上形成。成膜條件是成膜腔中的內(nèi)部壓力為150Pa，氣懸體腔中的內(nèi)部壓力30000Pa，噴嘴的開口尺寸是10mm×0.4mm，氦作為該類型的運(yùn)載氣體，噴嘴-基板間的相對(duì)速度是1.2mm/秒，噴嘴到基板的距離為10到20mm，粒子速度為250m/秒。壓電膜形成的速度可被測(cè)量。
<示例2b>
對(duì)于基板，鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板被使用，其中噴有氣懸體的基板表面具有Hv 280的維氏硬度，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例2c>
對(duì)于基板，使用具有Hv 290的維氏硬度的鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例2d>
對(duì)于基板，具有Hv 440的維氏硬度的鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板被使用，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例2e>
對(duì)于基板，通過在鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板的表面(氣懸體被噴射的表面)上噴濺，預(yù)先形成一個(gè)Pt膜，表面的維氏硬度被調(diào)節(jié)到Hv 700，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量膜的形成速度。
<示例2f>
對(duì)于基板，使用具有Hv 130的維氏硬度的鍍金板，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例2g>
對(duì)于基板，陶瓷板的表面(氣懸體被噴射的表面)被預(yù)先涂覆糊狀形式的Pt，并在850到1200℃燒結(jié)，以把表面的維氏硬度調(diào)節(jié)到Hv770，其它地，以與示例2a中相同的方式形成膜，測(cè)量膜的形成速度。
<結(jié)果與討論>
表2表示基板材料、維氏硬度和成膜速度的數(shù)據(jù)。
表2

如表2所示，Hv130的基板硬度導(dǎo)致較低的成膜速度0.13μm/秒。增加基板硬度逐漸增加成膜速度，特別在接近Hv280的硬度時(shí)，示出了一個(gè)突然的增加，并在Hv290的硬度時(shí)到達(dá)其最大值0.29μm/秒。可以認(rèn)為，是因?yàn)槲⒘Ｗ永喂痰卣掣降交澹蛘掣降狡渌呀?jīng)粘著的粒子上，這是與基板表面碰撞的微粒子被粉碎的比例增加的結(jié)果。
進(jìn)一步增加基板的硬度逐漸地降低了成膜速度，在接近Hv700的硬度時(shí)，成膜速度有極大地降低?？梢哉J(rèn)為，是因?yàn)槲⒘Ｗ颖换灞砻媾懦?，并不太可能嵌入其中。?duì)于實(shí)際的目標(biāo)，在上升到Hv700的基板硬度時(shí)，成膜速度是滿意的，并且通過視覺觀察證實(shí)具有滿意的粘附性的壓電膜完全覆蓋基板表面。進(jìn)一步增加硬度導(dǎo)致成膜速度的進(jìn)一步下降。
從上面可以證實(shí)，通過在130到770的范圍內(nèi)保持基板的維氏硬度Hv(b)，或特別地是通過保持粒子所粘附的基板的附著表面的維氏硬度Hv(b)與微粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)，可以可靠地獲得膜的生長(zhǎng)。清楚的是，具有足夠粘附性的壓電膜可以在較短的時(shí)間可靠地形成，獲得滿意的結(jié)果，這是通過保持在280到770范圍內(nèi)的基板的維氏硬度Hv(b)，或特別地是通過保持粒子附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與微粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.43≤Hv(p)/Hv(b)≤1.43的范圍內(nèi)而獲得的。進(jìn)一步，可以清楚的是，保持基板的維氏硬度Hv(b)在290到440的范圍內(nèi)，或特別地，保持上述比率在0.68≤Hv(p)/Hv(b)≤1.38的范圍內(nèi)，可以獲得制造壓電膜的方法，該方法在生產(chǎn)率和制造成本方面(微粒子材料成本)是有優(yōu)勢(shì)的，該膜可以高速一致地形成。
下面，測(cè)試當(dāng)改變氣懸體被噴射的速度時(shí)的成膜結(jié)果。
<示例3>
基板與材料粒子與示例2a中相同，材料粒子的粒子速度在150m/s到400m/s的范圍內(nèi)變化。其它的成膜條件與示例2a中相同。
<結(jié)果與討論>
當(dāng)改變粒子速度時(shí)與成膜結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)表示在表3中。0.1μm/s或更大的成膜速度由“G”(良好)來(lái)指明，小于0.1μm/s的由“NG”(不好)表示。符號(hào)“-”表示沒有被測(cè)量的粒子速度與硬度比率的組合。
表3

如表3所示，當(dāng)粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與微粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率是在0到0.25的范圍內(nèi)，即使在200m/s到400m/s的范圍內(nèi)改變氣懸體粒子的速度時(shí)，也沒有形成膜。但是，當(dāng)Hv(b)與Hv(p)的比率在0.25到3.0的范圍內(nèi)時(shí)，即使氣懸體粒子的速度被設(shè)定為150m/s到400m/s范圍內(nèi)的任何數(shù)值時(shí)(除了成膜速度沒被測(cè)量的硬度比與粒子速度的組合外)，可證實(shí)膜的形成。從這些結(jié)果，可以認(rèn)為，氣懸體粒子速度對(duì)成膜的結(jié)果具有小的影響。
在AD技術(shù)中，由于粒子是通過粒子碰撞基板的能量而被粉碎和粘附到基板，所以成膜速度受到基板與材料粒子的硬度比率的影響，還受到基板的硬度與材料粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度的比率的影響。
現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述示例4a、4b、4c和4d，其中PZT粒子被噴到由鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)組成的基板上，和噴到在基板表面上形成的Pt膜上，以形成壓電膜。
<示例4a>
在氣懸體被噴射到的基板表面上(粘著表面)具有Hv 210的維氏硬度的鐵素體不銹鋼板(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS 430)被用作基板。拋光該基板表面，以使十點(diǎn)平均粗糙度是Rz≤0.7(Rz指的是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十點(diǎn)平均粗糙度)。同樣，平均粒子直徑為0.3到1μm和抗壓裂斷強(qiáng)度為0.8到4.0GPa的PZT被用作材料粒子。
不銹鋼基板的表面硬度通過在空氣中或真空中在400到800℃加熱基板和改變表面特性來(lái)調(diào)節(jié)。通過利用來(lái)自+CSM儀器的Nano-Hardness Tester(納米硬度測(cè)試器)作為測(cè)量設(shè)備的納米壓痕，測(cè)量維氏硬度，其中Berkovitch壓痕計(jì)被用作為壓痕設(shè)備，測(cè)試力F是0.015N。Nano-Hardness Tester還可用來(lái)測(cè)量抗壓裂斷強(qiáng)度。
厚度為10μm的壓電膜通過與上述示例中相同的成膜裝置在基板上形成。成膜條件是成膜腔中的內(nèi)部壓力為150Pa，氣懸體腔中的內(nèi)部壓力30000Pa，噴嘴的開口尺寸是10mm×0.4mm，氦作為該類型的運(yùn)載氣體，噴嘴-基板間的相對(duì)速度是1.2mm/秒，噴嘴到基板的距離為10到20mm，粒子速度為250m/秒。壓電膜形成的速度可被測(cè)量。
<示例4b>
對(duì)于基板，使用鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板，其中噴有氣懸體的基板表面具有Hv 280的維氏硬度，其它方面以與示例4a中相同的方式形成膜，并測(cè)量該膜的形成速度。
<示例4c>
對(duì)于基板，使用具有Hv 290的維氏硬度的鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板，其它方面以與示例4a中相同的方式形成膜，并測(cè)量該膜的形成速度。
<示例4d>
對(duì)于基板，使用具有Hv 440的維氏硬度的鐵素體不銹鋼板(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)，其它方面以與示例4a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例4e>
對(duì)于基板，通過在鐵素體不銹鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SUS430)板的表面(氣懸體被噴射的表面上)上噴濺，預(yù)先形成一個(gè)Pt膜，并且表面的維氏硬度被調(diào)節(jié)到Hv 700，其它方面以與示例4a中相同的方式形成膜，測(cè)量膜的形成速度。
<示例4f>
對(duì)于基板，使用具有Hv 130的維氏硬度的鍍金板，其它方面以與示例4a中相同的方式形成膜，測(cè)量該膜的形成速度。
<示例4g>
對(duì)于基板，陶瓷板的表面(氣懸體被噴射的表面)被預(yù)先涂覆糊狀形式的Pt，并在850到1200℃燒結(jié)，以把表面的維氏硬度調(diào)節(jié)到Hv770，其它地，以與示例4a中相同的方式形成膜，測(cè)量膜的形成速度。
<結(jié)果與討論>
表4表示了下列數(shù)據(jù)，基板材料，基板的維氏硬度Hv(b)，基板的維氏硬度Hv(b)與材料粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)/GPa之間的比率，以及成膜速度。
表4

如表4所示，Hv130的基板硬度導(dǎo)致小的成膜速度0.13μm/秒。增加基板硬度逐漸增加成膜速度，在接近Hv280的硬度時(shí)，表示了一個(gè)突然的增加，并且在Hv290的硬度時(shí)到達(dá)其最大值0.29μm/秒。可以認(rèn)為，是因?yàn)槲⒘Ｗ永喂痰卣掣降交?，或粘附到其它已?jīng)粘著的粒子上，這是作為與基板表面碰撞的微粒子被粉碎的比例增加的結(jié)果。
進(jìn)一步增加基板的硬度逐漸地降低了成膜速度，在接近Hv700的硬度時(shí)，成膜速度極大地降低?？梢哉J(rèn)為，是因?yàn)槲⒘Ｗ颖换灞砻媾懦猓⑶也惶赡芮度肫渲?。在上升到Hv700的基板硬度時(shí)，對(duì)于實(shí)際目的，成膜速度是滿意的，這可通過視覺觀察證實(shí)，即具有滿意的粘附性的壓電膜完全覆蓋基板表面。進(jìn)一步增加硬度導(dǎo)致成膜速度的進(jìn)一步下降。
從上面可以證實(shí)，通過在130到770的范圍內(nèi)保持基板的維氏硬度Hv(b)，或特別地通過保持粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的微粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)，可以獲得可靠的膜的生長(zhǎng)?？梢郧宄氖?，具有足夠粘附性的壓電膜可以在較短的時(shí)間可靠地形成，獲得滿意的結(jié)果，這是通過保持基板的維氏硬度Hv(b)在280到700范圍內(nèi)，或特別地是通過保持粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的微粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.11≤Gv(p)/Hv(b)×100≤1.43的范圍內(nèi)而獲得的。進(jìn)一步，清楚的是，保持基板的維氏硬度Hv(b)在290到440的范圍內(nèi)，或特別地保持上述比率在0.18≤Gv(p)/Hv(b)100≤1.38的范圍內(nèi)，可以獲得制造壓電膜的方法，該方法在生產(chǎn)率和制造成本方面(微粒子材料成本)是有優(yōu)勢(shì)的，且該膜可以高速一致地形成。
如上述示例中描述的制造的壓電膜中，壓電材料粒子在粒子被粉碎的同時(shí)被嵌入基板中的狀態(tài)下粘附到基板的表面。在這樣的狀態(tài)中，粒子的邊界被認(rèn)為是長(zhǎng)于未被粉碎時(shí)粒子粘附到基板時(shí)的情況。因此，當(dāng)這樣制造的壓電膜被用作壓電致動(dòng)器時(shí)，該致動(dòng)器可被提供有優(yōu)良的介電強(qiáng)度特性。
在2004年3月30日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2004-100282的說(shuō)明書、權(quán)利要求、發(fā)明內(nèi)容和附圖的全部公開內(nèi)容在此結(jié)合，作為參考。
權(quán)利要求
1.一種通過將含有粒子的氣懸體噴射到基板上以使粒子粘著其上的在基板上制造膜的方法；其中，所述粒子所附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與所述粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在允許所述粒子粘附到所述粘著表面的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的制造膜的方法，其中，所述粘著表面的維氏硬度Hv(b)與所述粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的制造膜的方法，其中，所述方法是通過將含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到所述基板上以使所述粒子粘著其上的在所述基板上制造壓電膜的一種方法；和其中，所述粒子所附著的基板中的所述粘著表面的維氏硬度Hv(b)與所述粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的制造膜的方法，其中，所述方法是通過將含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到所述基板上以使所述粒子粘著其上的在所述基板上制造壓電膜的一種方法；和其中，所述粒子所附著的基板中的所述粘著表面的維氏硬度Hv(b)與所述粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.43≤Hv(p)/Hv(b)≤1.43的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的制造壓電膜的方法，其中所述粒子的維氏硬度Hv(p)不小于300且不大于400，并且所述基板的維氏硬度Hv(b)不小于280且不大于700。
6.一種通過將含有粒子的氣懸體噴射到所述基板上以使所述粒子粘著其上的在基板上制造膜的方法；其中，所述粒子所附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與所述粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在允許所述粒子粘附到所述粘著表面的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的制造膜的方法，其中所述粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的所述粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求6所述的制造膜的方法，其中，所述方法是通過將含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到所述基板上以使所述粒子粘著其上的在所述基板上制造壓電膜的一種方法；和其中，所述粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的所述粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.10≤Gv(p)/Hv(b)×100≤3.08的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求6所述的制造膜的方法，其中，所述方法是通過將含有壓電材料的粒子的氣懸體噴射到所述基板上以使所述粒子粘著其上的在所述基板上制造壓電膜的一種方法；和其中，所述粒子所附著的基板的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與以GPa為單位的粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)之間的比率在0.11≤Gv(p)/Hv(b)×100≤1.43的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的制造壓電膜的方法，其中所述粒子的抗壓裂斷強(qiáng)度Gv(p)不小于0.8GPa且不大于4.0GPa，并且所述基板的維氏硬度Hv(b)不小于280且不大于700。
全文摘要
本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單方法，來(lái)制造如壓電膜的膜，其中可以改善基板上的膜的粘附性。包含粒子的氣懸體被噴射到基板上以使粒子粘著在其上，其中粒子附著的基板中的粘著表面的維氏硬度Hv(b)與粒子的維氏硬度Hv(p)之間的比率在0.39≤Hv(p)/Hv(b)≤3.08的范圍內(nèi)。粒子與基板之間的粘性因而被改善，以可靠地形成膜。本發(fā)明可滿意地應(yīng)用于壓電膜的形成。
文檔編號(hào)H01L41/39GK1676668SQ20051005884
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者安井基博, 明渡純, 馬場(chǎng)創(chuàng) 申請(qǐng)人:兄弟工業(yè)株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所