[发明专利]一种快速制备氧化锆薄膜的低温液相方法

说明书

技术领域

本发明属于材料、化学及化工领域，特别涉及一种快速制备氧化锆薄膜的低温液相方法，氧化锆薄膜在晶体管、太阳能电池、电容器等领域有重要应用前景。

背景技术

氧化锆是一种重要的无机材料。氧化锆薄膜具有良好的稳定性、较高的硬度、较大的带隙、耐摩擦耐腐蚀以及优异的光学性能，使其在微电子器件、光学薄膜、强激光应用和记忆材料等领域中得到了广泛的应用。特别是对于集成电路核心器件的金属-氧化物-场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)，由于其特征尺寸不断缩小，传统的栅介质材料氧化硅已经接近物理极限，导致MOS的隧穿漏电流急剧增大，大大影响了器件的可靠性和稳定性。近年来，氧化锆，氧化铝，和氧化铪等高介电常数材料吸引了研究者们广泛关注。其中，氧化锆由于具有较高的介电常数(~20)，较大的禁带宽度，适中的价带和导带偏移，以及与硅基底的良好热稳定性, 而成为取代氧化硅的一种很有潜力的高介电常数材料。

目前制备氧化锆薄膜的方法多种多样，主要包括气相法和液相法两大类。例如，磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积及化学气相沉积等方法都被用来制备氧化锆薄膜。公开号为CN101476104B的中国发明专利公开了一种高介电系数锆硅氧薄膜和制备方法：使用合适配比的ZrO₂和SiO₂烧结后制成陶瓷靶材，然后使用激光脉冲沉积方法制备高介电系数锆硅氧薄膜。然而，这些气相方法通常需要真空操作，不仅增加了成本，而且工艺周期很长，至少几小时或几十小时。近年来，溶胶-凝胶法、喷雾热解法等液相方法由于成本低廉、操作简易而日益引起了广泛的关注和迅速的发展。例如，公开号为CN104599947A的中国发明专利公开了一种氧化锆绝缘薄膜及其制备方法：通过将乙酰丙酮锆溶于二甲基甲酰胺中，并添加乙醇胺、油酸作为稳定剂混合制成前驱体溶液，通过将前驱体溶液涂覆在衬底上经退火处理制成氧化锆绝缘薄膜。公开号为CN104009093A的中国发明专利公开了一种高k介电层水性氧化铟薄膜晶体管的制备方法：先将乙酰丙酮锆溶于二甲基甲酰胺中，同时加入与乙酰丙酮锆等摩尔量的乙醇胺作为稳定剂形成前驱体溶液；再在清洗后的低阻硅衬底上旋涂前驱体溶液得到样品，将样品放到高压汞灯下进行紫外光照处理得到光退火后的样品；然后将光退火后的样品进行退火得到薄膜样品。由上述发明专利可以看出，虽然液相法可以制备较高性能的氧化锆薄膜，但液相法通常需要几小时的高温（高于400℃）退火，才能促使前驱体薄膜分解并致密化，形成致密无针孔的氧化锆薄膜。因此，寻找一种新的快速低温溶液技术制备技术，对于氧化锆薄膜在各种领域的大规模应用是极为重要和迫切的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速制备氧化锆薄膜的低温液相方法，实现氧化锆的简易高效制备，更易于大规模生产和应用。本发明的创新点主要在于：发展了新的低温光波方法高效合成高介电性能的氧化锆薄膜。

本发明的技术方案，具体包括以下步骤：

(1) 制备氧化锆前驱体溶液：称取硝酸氧锆，量取溶剂，配置浓度为0.01-0.5摩尔/升的氧化锆前驱体溶液，经过0.1-3小时的磁力搅拌和超声分散形成澄清透明的氧化锆前驱体溶液；

(2) 将氧化锆前驱体溶液涂覆到清洗好的衬底上形成氧化锆前驱体薄膜，经过0.5-4.9分钟的光波退火，光波退火过程中的温度为100-300 ℃；

(3) 步骤1和2可重复多次以得到不同厚度要求的氧化锆薄膜。

本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的溶剂为乙二醇甲醚、乙醇、水或乙二醇中的一种或两种以上。

本发明所述制备方法的步骤(2)中，所述涂覆方法为旋转涂覆法、滴涂法、浸涂法、喷雾法或喷墨打印法。

本发明所述制备方法的步骤(2)中，所述的光波的生成仪器为用作厨具的光波炉或具有卤素灯管的加热仪器。

本发明所述制备方法的步骤(2)中，所述的衬底为刚性衬底，如硅片、玻璃片；或柔性衬底，如塑料片、金属片。

本发明的有益效果是：本发明工艺简单容易操作，原料廉价易得，所制备的氧化锆薄膜性能高，有望在晶体管、太阳能电池、电容器等器件中得到应用。通过本发明的工艺可以避免通常的高温溶液工艺、工艺周期长或昂贵设备等，成本低，适合工业化大规模生产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为实施例之一的氧化锆薄膜的扫描电镜图片，图中标尺为500纳米，显示所得薄膜具有均匀平滑的表面。