[发明专利]一种低温结晶制备减少无铅热释电薄膜界面扩散的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜的制备方法。 

背景技术

近年来，铁电陶瓷及其薄膜材料以其优良的介电、热释电、电光及非线性光学等特性，应用在微电子学、光电子学、集成光学、微机械学等领域，其可作为铁电存储器、热释电红外探测器、微型压电驱动器、薄膜电容器等各种精密仪器的控制部分的理想材料，具有非常广泛的应用前景。但是，在其材料选择及制备方法上仍存在一些问题：第一、多数热释电薄膜材料含铅量较大对环境和人造成危害；第二、热释电薄膜材料晶化过程中，温度过高时不仅使界面-衬底间扩散严重，而且不利于大面积Si集成电路应用和大规模工业化生产，温度较低时，探测优值下降比较明显；第三、薄膜制备通常选择的基底为(111)Pt/Ti/SiO₂/Si，致使在薄膜制备过程中，界面-衬底间扩散严重，严重影响薄膜的性能。虽然利用单晶的MgO、SrTiO₃或LaAlO₃衬底沉积的薄膜减弱了界面-衬底间扩散程度，但由于选择单晶衬底沉积外延薄膜增加了制备器件所用的材料及设备成本，不利于与大面积Si集成的应用和大规模工业化生产。 

发明内容

本发明要解决现有的热释电薄膜材料多数含铅量较大及其制备过程中薄膜晶化温度过高，薄膜-衬底间扩散严重；温度过低探测优值下降明显，工艺复杂，不利于节能和与大面积Si集成电路实际应用的问题，而提供的一种低温结晶制备减少无铅热释电薄膜界面扩散的方法。 

一种低温结晶制备减少无铅热释电薄膜界面扩散的方法，具体是按照以下步骤完成的： 

一、将醋酸钠、醋酸钾和硝酸铋加入醋酸中，然后在温度为65℃～75℃条件下，控制转速为300r/min～400r/min搅拌30min～40min，得到A溶液； 

二、将钛酸四丁酯加入乙二醇甲醚和乙酰丙酮的混合溶液，在室温下控制转速为300r/min～400r/min搅拌20min～30min，再加入甲酰胺溶液，继续搅拌20min～30min，得到B溶液； 

三、将步骤一得到的A溶液和步骤二得到的B溶液混合均匀，得到C溶液，再加入乙二醇甲醚，调整C溶液的浓度为0.2mol/L～0.3mol/L，再在室温下控制搅拌速度为 300r/min～400r/min搅拌30min～40min，然后静置24h～48h，得到钛酸铋钠钾溶胶； 

四、在(111)Pt/Ti/SiO₂/Si基底上旋转涂覆3～12层步骤三得到的钛酸铋钠钾溶胶，然后在温度为440℃～470℃条件下进行热分解处理，最后在温度为475℃～725℃的快速退火炉中进行退火晶化处理，得到晶化的无铅热释电薄膜。 

本发明的有益效果是： 

一、本发明充分晶化的热释电薄膜所有层中都不含铅，整个薄膜体系含铅量为零，不会对环境和人类生活造成危害，具有很好的环保特性。 

二、本发明的无铅热释电薄膜在(450℃～500℃)的时候均已经晶化，可以表现出优良电学性能。500℃晶化的热释电材料界面-衬底间扩散较少，晶化明显，不仅可以表现出优良的性能，而且更主要的是薄膜的缺陷相对较少，达到了优化界面的效果；不仅如此，低温晶化还有利于大面积Si集成电路的应用。 

三、本发明的晶化的热释电薄膜，钛酸铋钠钾层的热分解温度严格控制在440℃～470℃温度范围内。若温度过低，整个热释电薄膜体系内的有机物挥发不完全，残留的有机物会严重影响本发明的薄膜体系，得不到本发明薄膜的优良性能；若温度过高，就会在薄膜体系内生成焦绿石相物质，这种物质是杂质相，同样会使本发明的薄膜体系的性能大大降低；另外，过高的温度还会使薄膜体系中的易挥发元素(铋、钠、钾等)挥发严重，这样也得不到本发明薄膜的优良性能。 

四、在绝大多数情况下，此薄膜体系的退火晶化温度为600℃～700℃，而本发明制备的热释电薄膜体系在较低的温度(500℃)下就能晶化，不仅界面优化良好，并且有较低的介电常数；虽然热释电系数也有所降低，但是在如此低的晶化温度下，依然能够得到优良的探测优值（和700℃的探测优值差别不大）。 

五、本发明工艺、设备非常简单，所用原材料均为市场所售、价格低廉、成本较低，易于器件集成，适合于工业化生产。 

本发明用于制备无铅热释电薄膜。 

附图说明

图1为试验一和对比实验制备的薄膜的XRD物相扫描曲线图； 

图2为试验一和对比实验制备的薄膜的X射线小角镜面反射扫描曲线图； 

图3为试验一和对比实验制备的薄膜的电流密度曲线图。