[发明专利]氧化锌基低压压敏陶瓷薄膜材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化锌压敏陶瓷，具体地说是氧化锌基低压压敏陶瓷薄膜材料及制备方法。

背景技术

氧化锌是一种重要的功能材料和新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，它具有室温下3.37eV的直接带隙和的60meV激子束缚能，良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷，作为一种具有宽带隙、低介电常数、高化学稳定性及优异的压电、光电特性的功能材料在许多领域被广泛应用，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实施掺杂，ZnO压敏电阻是一种广泛应用于各种电路过流保护的电子元件，而C轴取向的ZnO薄膜具有显著的光电和压电效应，常被用于非线性光学器件、发光器件及压电转换器件。

氧化锌基陶瓷薄膜的制备方法较多，主要有分子束外延（MBE）、金属有机物气相沉积（MOCVD）、溶胶-凝胶法（Sol-gel）、磁控溅射法等。

分子束外延是一种新发展起来的外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺，它是在超高真空条件下，将薄膜组分元素的分子束流直接喷到衬底表面，从而形成外延层的技术，生长高质量的ZnO薄膜MBE主要有激光增强型和微波增强型两种，一般采用蓝宝石衬底，分子束外延可以生长高C轴取向、高质量的ZnO薄膜，但工艺复杂、设备昂贵、生长速度慢，不利于规模化生产。

金属有机物气相沉积是一种利用含Zn的有机金属化合物为Zn源，在一定的温度条件下汽化、分解和沉积的气相外延生长薄膜的CAD技术，MOCVD法成膜质量好，并能实现高速度、大面积、均匀、多片一次生长，符合产业化发展要求，MOCVD法的缺点是原料化学性质不稳定、有毒且价格昂贵，尾气需要专门设备处理。

溶胶-凝胶法是采用提拉或甩胶法将含锌盐类的有机溶胶均匀涂于基片上以制取ZnO薄膜的工艺，该工艺容易实现对多元素掺杂的ZnO薄膜的制备。然而其成膜质量不太好，容易出现裂纹。

磁控溅射法是研究和应用最广泛的技术，磁控溅射具有以下优点：(1)溅射出的粒子能量为几十电子伏特，能量大，膜/基结合力较好，成膜较致密；(2)可实现大面积靶材的溅射沉积；(3)可用于高熔点金属、合金和化合物成膜；(4)溅射速率高，基底升温小。

国内外许多学者在制备ZnO压敏薄膜方面做了大量工作，主要成果如下：Y. Suzuoki等利用射频溅射法在玻璃基片上沉积了ZnO/Bi₂O₃双层薄膜，膜厚1μm/0.3μm，压敏电压小于10V，并具有较大的非线性系数；N. Horio等利用射频溅射法制备了ZnO/Pr₆O₁₁双层压敏薄膜，膜厚为600nm/400nm，压敏电压为20V，非线性系数α值为10；贾锐等利用溶胶-凝胶喷雾热分解法制备的Bi₂O₃等掺杂的ZnO薄膜，厚度为3.25～8.41μm，压敏电压为13.58～25.31V，非线性系数α值为7.99～22.38；陆慧等利用直流气体放电活化反应蒸发镀膜技术，在改制的真空镀膜机上进行，以纯金属锌粉为蒸发源，在高真空背景下加热基底，通入一定气压值的氧气，并对放电环加负电压，在蒸发源与基片之间产生氧气等离子体辉光放电，蒸发的锌被氧化，在基片上沉积出ZnO薄膜，薄膜厚度为0.3μm，压敏电压为25V，非线性系数α值为9；黄焱球等利用新型溶胶-凝胶法，将Bi₂O₃、Sb₂O₃掺杂的ZnO纳米粉体均匀分散于含有Zn(CH₃COO)₂、Bi(NO₃)₃及Sb₂O₃的溶胶中制成先驱体溶液，采用旋涂的方法制备ZnO压敏薄膜，膜厚约为3μm，非线性系数α值为6.2，压敏电压为5V，漏电流为8μA；姜胜林等应用新型溶胶-凝胶法制备ZnO陶瓷薄膜，其压敏电压低于5V，非线性系数可达到20，漏电流密度小于0.5μA/mm²；但是上述的制备方法制备出的ZnO压敏薄膜的压敏电压偏高，非线性系数偏低，不适合于用作微电子行业中要求压敏电压低，非线性系数高的技术要求。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氧化锌基低压压敏陶瓷薄膜材料的制备方法。

本发明的目的之二是提供一种产品性能良好，能够直接在Si基材料上成型的氧化锌基低压压敏陶瓷材料薄膜。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：