一種鋯鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法
【專利說明】
[0001]一、
技術領域
本發(fā)明涉及鐵電薄膜與器件制備技術領域，具體涉及一種鋯鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法。
[0002]二、
【背景技術】
由于鐵電體特殊的介電、電光、聲光、光折變、非線性光學、熱釋電和壓電性能，是一種極具商業(yè)應用前景的材料，因此鐵電體的應用很早就引起了物理學界和材料科學界的注意。七十年代以來，由于對鐵電體認識的深入，人工鐵電材料種類的擴大，微電子集成技術的進步，特別是隨著鐵電薄膜制備技術的一系列突破，成功地制備出性能優(yōu)良的鐵電薄膜，工作電壓可在3-5V，可與Si或GaAs電路集成，鐵電薄膜制備工藝與集成電路工藝兼容成為可能，極大地促進了鐵電薄膜的制備與器件應用研究的發(fā)展，使之在微電子學、光電子學、集成光學和微電子機械系統(tǒng)等領域有著廣泛的應用前景，成為國際上新型功能材料研究的熱點之一。
[0003]但是如何獲得高品質(zhì)的鐵電薄膜，如何讓鐵電薄膜的制備與集成電路的工藝兼容，是困擾著人們的難題，這在很大程度上限制了鐵電材料的應用與發(fā)展。近二十年來，隨著微納技術的發(fā)展及實際應用的需要，采用低成本的、易于商業(yè)化的溶膠凝膠或化學溶液沉積等濕化學法，制備具有各種磁、光、電學特性的薄膜逐漸受到人們重視。采用溶膠凝膠技術制備氧化物納米薄膜，并形成相應的器件，逐漸成為近年來的研發(fā)熱點。
[0004]然而，傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法制備鐵電氧化物薄膜存在一個重要的難題沒有克服，即溶膠凝膠法制備的這類鐵電薄膜的結(jié)晶溫度較高，一般都在600°C以上。而這一溫度是與當前Si基半導體工藝技術并不兼容(要求500°C以下)。發(fā)展新穎的低溫溶膠凝膠制備技術，是這類鐵電氧化物材料得以在微電子領域應用的關鍵。
[0005]鐵電材料中，鋯鈦酸鉛(簡稱PZT)固然具有優(yōu)良的鐵電特性。這一材料具有高剩余極化值，良好的耐疲勞特性，因此，在未來的非揮發(fā)存儲器中將有很大的應用價值。但溶膠凝膠制備的PZT薄膜，一般都需要600°C以上的結(jié)晶溫度，如何改進溶液成分，或借助其他措施，降低燒結(jié)溫度，使之與Si集成電路融合，是溶膠凝膠制備PZT薄膜得以應用必須解決的問題。另外，PZT中含有Pb，在熱處理過程中容易揮發(fā)，從而造成組分的不均勻，如何改進熱處理措施，減少Pb的損失，也是一個重要的難題。
[0006]三、

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明為了解決上述【背景技術】中的不足之處，提供一種鋯鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，其通過溶液改性與紫外輻照結(jié)合的辦法，使得薄膜的燒結(jié)溫度降低到了 500°C以下，解決了現(xiàn)有PZT鐵電薄膜燒結(jié)溫度高，Pb元素容易揮發(fā)等缺陷，并達到了與Si集成電路兼容的目的。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:一種鋯鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，其特征在于:所述的制備方法包括以下步驟:
O前驅(qū)溶液的制備:
1.1將醋酸鉛溶解在含有溶劑的溶液中，攪拌澄清后獲得溶液A ; 1.2將鈦酸丁酯溶液倒入含有溶劑和乙酰丙酮的混合溶液中，攪拌澄清后，獲得溶液B;溶液B中，乙酰丙酮和鈦酸丁酯的摩爾比為1~2:1 ；
1.3將乙酰丙酮鋯溶液倒入含有溶劑和硝酸的混合溶液中，攪拌澄清后，獲得溶液C ；溶液C中，乙酰丙酮鋯和硝酸的摩爾比為1:1 ；
1.4將溶液A，溶液B和溶液C按照Pb: Zr: Ti摩爾比為1: 0.52:0.48的比例混合，獲得鋯鈦酸鉛(以下簡稱PZT)前驅(qū)溶液；
通過調(diào)節(jié)溶劑用量，使得溶液中Pb，Zr和Ti離子的總濃度控制在0.2-0.4mol/l范圍內(nèi)；
2)凝膠膜的制備:
利用步驟I)獲得的PZT前驅(qū)溶液，在鍍有Pt、ITO或1^祖03導電層的Si基底上，通過提拉或旋涂法，制得PZT凝膠膜；
3)PZT凝膠膜的預處理:
將步驟2)獲得的PZT凝膠膜，置于250-300°C的加熱板上，利用波長為184_254nm的紫外燈輻照20-50min，獲得PZT前驅(qū)膜；
4)PZT前驅(qū)膜的終處理:
將步驟3)紫外燈輻照后的PZT前驅(qū)膜，置入紅外感應加熱爐中，快速升溫至460-480 0C，并保溫30分鐘，得PZT薄膜；
為了增加PZT薄膜的厚度，需重復步驟2)，步驟3)及步驟4) 5-6次，即可獲得晶化的PZT薄膜。
[0008]所述的步驟I)中所述的溶劑為甲醇或者乙二醇甲醚。
[0009]所述的步驟3)紫外燈發(fā)射的紫外光中，波長184nm的紫外線占10%以上，而波長254nm的紫外線占80%以上。
[0010]步驟3)中所述的紫外燈與PZT前驅(qū)膜的距離保持在l_5cm范圍內(nèi)。
[0011]步驟4)中所述的PZT前驅(qū)膜快速升溫速度控制在每秒鐘25_50°C范圍內(nèi)。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和效果如下:
1、在溶液中添加乙酰丙酮為穩(wěn)定劑，與鈦酸丁酯絡合，形成了不易水解縮聚的鈦金屬絡合物，從而使得溶液穩(wěn)定，不發(fā)生沉淀。另外，這種鈦金屬絡合物及鋯的乙酰丙酮鹽對254nm波長的紫外線具有強烈的吸收作用，吸收的能量促進了金屬有機物的分解，并形成金屬-氧-金屬框架，為后續(xù)的低溫燒結(jié)提供了基礎。同時，通過在溶液中加入硝酸作為氧化齊U，避免了分解后的薄膜缺氧現(xiàn)象的發(fā)生。形成了相應的氧化物?？傊景l(fā)明通過化學溶液組份和添加劑的精確控制，和紫外線輔助照射提供能量，使得原本需要600°C以上結(jié)晶的鈦酸鉍薄膜的燒結(jié)溫度降低到了 500°C以下，即實現(xiàn)了 Si半導體所能容忍的溫度以下。這樣，為將來Si基鐵電薄膜器件提供了一種新思路。
[0013]2、由于短波長的紫外線輻照作用，與凝膠薄膜發(fā)生光化學反應，分解凝膠膜中的氧離子，而形成臭氧，具有強烈的活性及氧化作用，從而與凝膠膜中的碳發(fā)生反應，形成CO2帶出薄膜，極大程度地降低了薄膜內(nèi)碳的殘留，從而保障了薄膜的鐵電特性。
[0014]3、PZT薄膜中的Pb具有很強的揮發(fā)性，熱處理溫度越高，揮發(fā)的越多，本專利通過短波長的紫外線輻照的作用而降低了燒結(jié)溫度，從而降低了 Pb的揮發(fā)性，有效地保證了PZT中Pb與Zr，Ti的化學計量比，從而確保了所得PZT薄膜具有良好的特性。
[0015]四、
【附圖說明】
圖1PZT薄膜的XRD圖；
圖2PZT薄膜的極化強度與外加電場的關系。
[0016]五、
【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0017]實施例1
O前驅(qū)溶液的制備
1.1將醋酸鉛溶解在含有甲醇的溶液中，攪拌澄清后獲得溶液A ;
1.2將鈦酸丁酯溶液倒入含有甲醇和乙酰丙酮的混合溶液中，攪拌澄清后，獲得溶液B，溶液B中，乙酰丙酮和鈦酸丁酯的摩爾比例1:1;
1.3將乙酰丙酮鋯溶液倒入含有甲醇和硝酸的混合溶液中，攪拌澄清后，獲得溶液C，溶液C中，乙酰丙酮鋯和硝酸的摩爾比例1:1;
1.4將溶液A，溶液B和溶液C按照Pb:Zr:Ti摩爾比=1:0.52:0.48混合，獲得鋯鈦酸鉛(以下簡稱PZT)前驅(qū)溶液，通過調(diào)節(jié)甲醇用量，使得溶液中Pb，Zr和Ti離子的總濃度為
0.25mol/l ；
2)凝膠膜的制備
利用步驟I)獲得的PZT前驅(qū)溶液，在鍍有1^祖03導電層的Si基底上，通過提拉或旋涂法，制得PZT凝膠膜；
3)