一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜材料的制备方法，属于 信息功能材料与器件领域。本发明专利技术方法包括先驱体溶液的配置，即将 醋酸铅，异丙醇锆，正丙醇钛先驱材料加人乙二醇甲醚等溶剂中，采 用聚乙烯醇和乙酰丙酮控制粘度和稳定度，在干燥气氛下配制成均匀 稳定透明的先驱体溶液。然后在硅基衬底上通过甩胶、干燥、退火等 过程制备所需厚度的铁电厚膜材料。本发明专利技术通过引入缓冲层减缓了由 于铁电厚膜材料和硅基衬底的热膨胀系数差异引起的热应力，实现了 硅基衬底上铁电厚膜材料的制备。本发明专利技术的硅基铁电厚膜材料可以用 于硅基的铁电、压电、热释电等微型集成器件的研制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜材料的制备方法，属于信息功能材料与器件领域。
技术介绍
斜方和四方相(MPB)附近的锆钛酸铅材料和其他铁电材料相比具有非常优异的介电、压电和铁电特性，因此，MPB附近的锆钛酸铅铁电膜材料在挥发性存储器、微致动器、热释电红外器件方面有广泛的应用前景。随着现代半导体技术的发展，铁电材料与半导体材料集成成为铁电材料在微器件应用方面的必然趋势。最近，锆钛酸铅铁电薄膜已经与半导体(如硅衬底)实现集成，厚度为0.3微米的铁电薄膜已经可以满足非挥发性铁电存储器的应用，但是对于微电机系统(MEMS)应用中所需的铁电膜材料要求具有较大的厚度以满足微致动器工作时获得更大的位移或作用力。因此制备具有较大厚度(5～10微米)的致密、无裂纹的硅基锆钛酸铅铁电厚膜材料对于MEMS应用至关重要。但是在硅基锆钛酸铅铁电厚膜材料的制备过程中，由于硅基衬底和铁电厚膜材料的热膨胀系数差异较大以及晶格不匹配，硅衬底上制备铁电厚膜的过程会产生很大的热应力，导致锆钛酸铅铁电厚膜开裂。较多文献报道了锆钛酸铅铁电厚膜材料制备，大部分是在氧化物单晶衬底上制备的，而较少文献报道在硅基衬底上制备铁电厚膜材料。总体来说，代表性的铁电厚膜材料的方法及其优缺点如下改进的溶胶-凝胶法，该方法采用较高浓度的先驱体溶液，使得单一退火层的厚度增加，基本实现了硅基锆钛酸铅厚膜材料的制备。参见Rajnish Kurchania，Steven J.Milne，Characterization ofsol-gle Pb(Zr0.53Ti0.47)O3films in the thickness range0.25-10μm，14，1852(1999)，Journal of Materials Research。但是，这种方法制备的锆钛酸铅厚膜材料的致密性较差。传统的厚膜制备方法，该法主要包括，丝网印刷等，将锆钛酸铅原材料和烧结相制成厚膜浆料，然后通过丝网印刷形成湿厚膜。然后在较高的温度如1100℃高温烧结。该方面的代表文献可参见BaominXu，David Shite，James Zesch，Alexandra Rodkin，Steve Buhler，John Fitch，Karl Littau，Characerisitics of lead zirconatetitanate ferroelectric thick films from a screen-printinglaser transfer method，Applied Physics Letters，87，192902(2005)。但是这种方法制备的厚膜的粗糙度较大，同时不容易和硅衬底兼容。物理类方法，如溅射法，该方法主要是采用Ar离子轰击烧结好的锆钛酸铅陶瓷靶材，让它沉积在衬底上。可以采用原位退火或者后退火而获得锆钛酸铅厚膜材料。代表文献如Shintaro Yokoyama，Yoshihisa Honda，Hitoshi Morioka，Shoji Okamoto，HiroshiFunakubo，Takashi Iijima，Hirofumi Matsuda，Keisuke Saito，Takashi Yamamoto，Hirotake Okino，Dependence of electricalproperties of epitaxial Pb(Zr，Ti)O3 thick films on crystalorientation and Zr/(Zr+Ti)ratio，Journal of Applied Physics，98，094106(2005)。该方法制备的锆钛酸铅厚膜材料的外延特性好，制备的厚膜材料的电学性能较好，但是，由于沉积速度较慢(5nm/min)，制备厚度大于5微米的锆钛酸铅厚膜非常困难。化学溶液法，参见Shuhui Yu，Kui Yao，SantiranjanShaannigrahi，Francis Tay Eng Hock，Effects of poly-(ethyleneglycol)additive molecular weight on the microstructure andproperties of sol-gel-derived lead zirconate titanate thinfilms.Journal of Materials Research，Vol.18，No.3，737(2003).他们在硅衬底上实现了锆钛酸铅厚膜材料的制备，但是获得的锆钛酸铅厚膜的致密度差，同时厚度仍然不够(小于3微米)。S.H.Hu等报道了溶胶-凝胶法制备锆钛酸铅厚膜材料，见S.H.Hu，X.J.Meng，G.S.Wang，J.L.Sun，D.X.Li，Preparationand characterization of multi-coating PZT thick films bysol-gel process，Journal of crystal Growth，264，307(2004)，并获得了中国专利技术专利(CN1210223C)。他们在SrTiO3衬底上实现了3微米厚的锆钛酸铅厚膜的制备，因为SrTiO3和PZT的比较匹配。但是该方法中，先驱体没有采用必要的聚合物来改变溶液的粘度，使得制备厚膜时需要较大的先驱体浓度如1.0M，利用这样的浓先驱体溶液在硅衬底上的制备厚膜时容易开裂，导致厚膜的矫顽场较大(大于100kV/cm)。
技术实现思路
根据上述铁电厚膜制备方面的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种工艺简单且能制备出致密无裂纹的硅基铁电厚膜材料，满足微传感器和致动器等集成铁电器件的应用要求。具体的步骤如下1、稳定的先驱体溶液的配制溶剂为乙二醇甲醚或醋酸，稳定剂为聚乙烯醇，乙酰丙酮为螯合剂，它们的体积比为20～40∶5∶1～2。醋酸铅，正丙醇锆，异丙醇钛分别为锆钛酸铅中的铅、锆、钛的原材料，铅、锆、钛以摩尔比为1.05～1.20∶40～60∶60～40进行配制，配制溶液的浓度为0.5～0.8摩尔/升。配制的溶液采用微孔过滤器过滤，除去溶液中的微细颗粒。具体配制程序如下按比例称取醋酸铅，加入乙二醇甲醚或醋酸和乙酰丙酮。首先加热溶解，待溶液冷却后，加热蒸馏除去醋酸铅中的水份。冷却后加入正丙醇锆，异丙醇钛。由于正丙醇锆和异丙醇钛对空气中的水份比较敏感，这些操作需在氮气气氛下进行。在上述混合溶液中添加聚乙烯醇(分子量为100～400)，过量的聚乙烯醇会使厚膜的气孔增多。加热回流，不要蒸馏出液体。冷却，放置，老化，过滤。从而获得0.5～0.8摩尔/升的锆钛酸铅先驱体溶液。2、衬底准备将硅基衬底进行清洗1～10分钟，清洗后烘干作为衬底基片。3、缓冲层的制备采用镍酸镧作为硅基衬底和铁电厚膜之间的过渡层，制备过程如下以醋酸镍和醋酸镧为起始原料，溶解在醋酸和水的混合溶液中。形成浓度为0.2摩尔/升的镍酸镧先驱体溶液。将上述的镍酸镧先驱体溶液通过甩胶沉积到处理好的硅片上，经过干燥，热解，退火等过程制备镍酸镧缓冲层，缓冲层的厚度在100～300纳米。4、厚膜制备本专利技术的锆钛酸铅铁电厚膜是制备在有镍酸镧缓冲层的硅片上。将上述1配制好的先驱体溶液滴到上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜的制备方法，包括先驱体的配制、甩胶、干燥、热解、退火等步骤，其特征在于包括下述步骤：　　　　（１）将醋酸铅、异丙醇锆、正丙醇钛加入有机溶剂中，采用聚乙烯醇和乙酰丙酮控制粘度和稳定度，在干燥气氛下通过蒸馏，回流，过滤配制成锆钛酸铅铁电厚膜先驱体溶液，溶液的浓度大于０．５摩尔／升；　　　　（２）在清洗的硅基片上制备镍酸镧过渡层；　　　　（３）在镍酸镧过渡层上通过锆钛酸铅铁电厚膜先驱体溶液的甩胶、干燥、退火备所需厚度的厚膜材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜的制备方法，包括先驱体的配制、甩胶、干燥、热解、退火等步骤，其特征在于包括下述步骤(1)将醋酸铅、异丙醇锆、正丙醇钛加入有机溶剂中，采用聚乙烯醇和乙酰丙酮控制粘度和稳定度，在干燥气氛下通过蒸馏，回流，过滤配制成锆钛酸铅铁电厚膜先驱体溶液，溶液的浓度大于0.5摩尔/升；(2)在清洗的硅基片上制备镍酸镧过渡层；(3)在镍酸镧过渡层上通过锆钛酸铅铁电厚膜先驱体溶液的甩胶、干燥、退火备所需厚度的厚膜材料。2.按权利要求1所述的一种硅基锆钛酸铅铁电厚膜的制备方法，其特征在于所述的镍酸镧过渡层制备方法是以醋酸镍和醋酸镧为起始原料，溶解在醋酸和水的混合溶液中。形成浓度为0.2摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：王根水，董显林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31