[发明专利]铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液和铁电薄膜的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液，在通过化学溶液沉积（CSD，Chemical Solution Deposition）法涂布的铁电薄膜用溶胶-凝胶液经一次涂布得到的一层的厚度超过数百nm时，也能够在临时烧结、烧成之后得到无龟裂且致密的铁电薄膜。

背景技术

以往，CSD法，例如溶胶-凝胶法中，在基板上形成PZT系铁电薄膜（省略为“PZT膜”）时，以涂布一次PZT系铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液（省略为“溶胶-凝胶液”）而形成一层来成膜时，100nm左右为极限。这是因为，若对厚度超过100nm的膜进行临时烧结、烧成，则PZT膜中产生的拉伸应力在该膜中不均匀地产生，结果膜中屡次产生龟裂。由此，现状为为了得到数μm厚膜的PZT膜不得不使一层更薄且进行数十次的涂布，同时反复进行临时烧结、烧成。但是，该方法由于使生产效率降低，因此增加成膜成本。

因此，针对上述不良情况，提出有如下溶胶-凝胶液：用于制备溶胶-凝胶液的有机溶剂使用丙二醇，可通过涂布一次溶胶-凝胶液来得到一层为200nm以上的厚膜（例如参考专利文献1）。并且，还提出有如下方法：通过在高浓度的溶胶-凝胶液中添加高分子，来缓和在成膜中产生的拉伸应力，可将通过溶胶-凝胶液的一次涂布形成的一层涂得较厚（例如参考非专利文献J Sol-Gel Sci Technol（2008）47:316-325）。

专利文献1：日本专利公开2001-261338号公报（权利要求1、段落[0016]～[0024]、表1）

非专利文献1：J Sol-Gel Sci Technol（2008）47:316-325

但是，发明人等发现，即使使用上述提出的溶胶-凝胶液，也很难制造无龟裂且具有致密的膜结构并且实用上具备充分的特性的PZT膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PZT系铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液，即使在涂布一次溶胶-凝胶液形成的一层的层厚超过数百nm时，也能够在临时烧结、烧成之后形成无龟裂且致密的PZT膜。

本发明的第1方案为铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液，其特征在于，所述溶胶-凝胶液含有PZT系化合物、含聚乙烯吡咯烷酮的粘度调整用高分子化合物及含甲酰胺系溶剂的有机掺杂剂，以氧化物换算计含17质量%以上的所述PZT系化合物，以单体换算计所述聚乙烯吡咯烷酮相对所述PZT系化合物的摩尔比为PZT系化合物：聚乙烯吡咯烷酮=1:0.1～0.5，所述溶胶-凝胶液中含3质量%～13质量%的所述甲酰胺系溶剂。

本发明的第2方案为铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液，是基于第1方案的发明，其进一步的特征在于，所述甲酰胺系溶剂为甲酰胺、n-甲基甲酰胺或N，N-二甲基甲酰胺。

本发明的第3方案为铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液，是基于第1方案的发明，其进一步的特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的k值在15～90的范围内。其中，k值为与分子量相关的粘性特性值，且为根据下述Fikentscher公式对通过毛细管粘度计测定的相对粘度值（25℃）计算得到的值。

k值＝（1.5logηrel－1）/（0.15＋0.003c）＋（300clogηrel＋（c＋1.5clogηrel）²）^1/2／（0.15c＋0.003c²）

（ηrel：聚乙烯吡咯烷酮水溶液相对于水的相对粘度，c：聚乙烯吡咯烷酮水溶液中的聚乙烯吡咯烷酮浓度（%））

本发明的第4方案的特征在于，该方案为使用基于第1方案～第3方案的铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液形成铁电薄膜的方法。

本发明的第1方案的铁电薄膜形成用溶胶-凝胶液含有PZT系化合物、含聚乙烯吡咯烷酮的粘度调整用高分子化合物及含作为极性溶剂的甲酰胺系溶剂的有机掺杂剂，以氧化物换算计含17质量%以上的所述PZT系化合物，以单体换算计所述聚乙烯吡咯烷酮相对所述PZT系化合物的摩尔比为PZT系化合物:聚乙烯吡咯烷酮=1：0.1～0.5，所述溶胶-凝胶液中含3质量%～13质量%的所述甲酰胺系溶剂，由此若将该溶胶-凝胶液用于PZT系铁电薄膜的制造中，则能够制造无龟裂且具有致密的膜结构并且实用上具备充分的特性的PZT膜。