一种采用低电场诱导控制湿化学法制备的薄膜取向的方法技术

一种采用低电场诱导控制湿化学法制备的铋系和铅系薄膜取向的方法，通过在湿化学法制备薄膜的后续热处理工艺中，对湿膜热分解转变成无定型态的干膜，在后续的高温退火结晶过程中，引入直流低电场，来实现对薄膜的取向控制。本发明专利技术用低电场诱导几种不同的薄膜材料在几种不同衬底的取向生长来看，效果非常明显，特别是对在铂涂层硅衬底或硅衬底上沉积的钛酸铋薄膜，能诱导出极强的Ｃ轴取向。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其是钛酸盐类铁电、压电材料的热处理过程中用低电场诱导控制薄膜取向的方法。湿化学法，包括溶胶凝胶法(Sol-gel)、金属有机物分解法(Metalorganicdecomposition，MOD)和化学溶液沉积法(Chemical solution deposition，CSD)，其具体成膜工艺可通过甩胶法(Spin-coating)、浸渍法(Dipping-coating)、喷涂法(Spray)来实现。湿化学法制备薄膜已经是比较成熟的工艺，其具有在衬底上微区组分高度均匀，化学计量比准确，易于掺杂，易于大面积成膜，设备投资成本低，工艺简单，适于工业化应用等特点，是目前薄膜制备方法中最具有实际应用价值同时又具有重要科研价值的技术之一，在微电子学与光电子学领域有广阔的应用前景。然而其不足之处在于较难控制薄膜的取向，湿化学法得到的薄膜常常是随机取向居多。可是在一些集成、光电器件中如声表面波器件、光波导及红外探测器应用中，通常需要具有择优取向甚至外延的铁电、压电薄膜，这一要求极大地限制了湿化学法制备薄膜在实际中的应用。目前解决这个难题主要有两种方法，一种是通过选择合适的衬底或者在衬底上引入适配的过渡层，但这种方法有很大的局限性，另一种方法是通过选择合适的前体溶液，然而这种方法很麻烦，且不一定有效。中国专利96117210公开了用电场诱导铌酸锂铁电薄膜取向生长的方法及装置，但其是真空生长的铁电薄膜。还未见有低电场诱导控制湿化学法制备的薄膜取向的方法。尤其是铋系盐类铁电、压电材料的热处理过程中用低电场诱导控制薄膜取向的方法。湿化学法制薄膜是现有技术，例如参见1．金属有机化合物分解淀积生长铁电薄膜(Metalorganic decomposition(MOD)processing of ferroelectric and electropotic filmsa review″，R．W．Vest，Ferroelctrics，vol．102，1990，p53-68．2．)2．铁电薄膜″Ferroelctric thin films″，N．Y．Turova and M．I．Yanovskaya，Gordon andBreach，Amsterdam，1996，p233-328。本专利技术的目的是提供，制备带取向的多种薄膜，特别是对在商品铂涂层硅衬底(Pt／TiO2／SiO2／Si)或硅衬底上沉积的钛酸铋(Bi4Ti3O12)薄膜，能诱导出极强的c轴取向。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术采用一种简便可行的方法，通过在湿化学法制备薄膜的后续热处理工艺中(传统管式扩散炉热处理或者新颖的快速热处理过程中)，即对湿膜热分解转变成无定型态的干膜在后续的高温退火结晶过程中，引入不同方向、不同大小的直流低电场，来实现对薄膜的取向控制。其生长条件为，上电极与下电极之间距离2-10mm，电场强度为0．01-1kV／cm，传统管式扩散炉的热处理加电场的时间为10-120分钟，快速热处理过程中加电场的时间为10-1200秒。本专利技术的特点是从目前对低电场诱导几种不同的薄膜材料在几种不同衬底的取向生长来看，效果非常明显，特别是对在商业的铂涂层硅衬底(Pt／TiO2／SiO2／Si)或硅衬底上沉积的钛酸铋(Bi4Ti3O12)薄膜，能诱导出极强的c轴取向，在铁电场效应管器件上具有切实可行的应用前景。以下结合附图并通过实施例对本专利技术作进一步说明附图说明图1为本专利技术装置即热处理系统中加原位电场退火装置示意图。图2在不同电场强度下快速热处理得到的钛酸铋薄膜的X射线衍射谱图。可见低电场诱导出强烈的C轴取向生长。图中Y方向表示衍射强度，X方向表示衍射角度，Pyro表示有害的焦绿石相。图3为SBT薄膜a轴取向度、c轴取向度随电场方向、强度的变化曲线。d上电极与下电极之间距离8mm。图4为本专利技术快速热处理(RTA)晶态多层镀膜(CMC，下面的图)和非晶多层镀膜(AMC，上面的图)方式的工艺流程示意图。方法的实施例图见图1电场强度正向0．01-1k V／cm(下电极1接地，上电极2加正偏压)或反向0．01-1k V／cm(下电极接地，上电极加负偏压)薄膜材料4钛酸铋(Bi4Ti3O12，BIT)，钛酸镧铋(Bi4-xLaxTi3O12，BLT)(X=0-2．8)(化学溶液沉积法制备)钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9，SBT)(金属有机物分解法制备)锆钛酸铅(Pb{ZrTi}O3，PZT)，钛酸铅(PbTiO3，PTO)，钛酸钡(BaTiO3，BTO)(溶胶凝胶法制备)，并在衬底材料上成膜。衬底材料3商业单晶硅片N或P型(100)或(111)商业铂涂层硅衬底(Pt／TiO2／SiO2／Si)并上述制备膜的方法是现有技术，主要是采用合适的前体溶液通过适当的方法，形成所需的湿膜，再经后续的热处理工艺处理得到所要的薄膜。成膜后在热处理设备中进行热处理时以电场诱导取向，热处理设备传统管式扩散炉热处理(Conventional furnace anneal，CFA)，最快升温速度～50度／每分钟快速热处理退火设备热处理(Rapid thermal anneal，RTA)，最快升温速度～250度／每秒钟热处理工艺非晶多层镀膜方式(Amorphous multilayer deposition，AMC)晶态多层镀膜方式(Crystal multilayer deposition，CMC)用上述工艺生长的薄膜厚度为50纳米～3微米，效果获得择优取向薄膜，减少甚至去除副相或杂相例如1．钛酸铋(BIT)薄膜化学溶液沉积法沉积在Pt／TiO2／SiO2／Si衬底上，分别采用650(600-700℃)快速热处理(RTA)晶态多层镀膜(CMC)和非晶多层镀膜(AMC)方式上下电极板之间的距离为2mm，外加电压为100V，快速热处理过程以及加电场的时间为180秒。表一．快速热处理下，低电场诱导对钛酸铋薄膜取向和相的影响 快速热处理条件下，低电场诱导出强烈的c轴择优取向，且去除了有害的焦绿石相2．钛酸铋(BIT)薄膜化学溶液沉积法沉积在Si或Pt／TiO2／SiO2／Si衬底上，采用传统管式扩散炉热处理(CFA)晶态多层镀膜(CMC)或非晶多层镀膜(AMC)方式；电场强度正向0．01-1kV／cm(下电极接地，上电极加正偏压)表二．传统热处理下，低电场诱导对钛酸铋薄膜取向和相的影响 传统热处理条件下，低电场诱导出明显的c轴择优取向，且减少甚至去除了有害的焦绿石相3．钽酸锶铋(SBT)金属有机物分解法沉积在Pt／TiO2／SiO2／Si衬底上，采用750℃传统管式扩散炉热处理(CFA)晶态多层镀膜(CMC)方式，电压与c轴取向的关系参见图3。可见，在正向电场情况下，低电场诱导出明显的c轴取向。4．钛酸铅(PTO)溶胶凝胶法沉积在Si衬底上，采用600℃传统管式扩散炉热处理(CFA)非晶多层镀膜(AMC)方式表三．传统热处理下，低电场诱导对钛酸铅薄膜取向的影响 可见，低电场诱导出较强的c轴和a轴取向。在上述实施例中，热处理的气氛和气压条件如下在普通空气和常压状态即可，当然也可以在纯氧或富氧的气氛条件下工作。施加电场的时间主要在结晶过程中最有效，也就是在热处理的初始时间，而在热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用低电场诱导控制湿化学法制备的铋系和铅系薄膜取向的方法，其特征是通过在湿化学法制备薄膜的后续热处理工艺中，对湿膜热分解转变成无定型态的干膜，在后续的高温退火结晶过程中，引入不同方向、不同大小的直流低电场，来实现对薄膜的取向控制，其生长条件为，上电极与下电极之间距离２－１０ｍｍ，电场强度为０．０１－１ｋＶ／ｃｍ。

【技术特征摘要】
1．一种采用低电场诱导控制湿化学法制备的铋系和铅系薄膜取向的方法，其特征是通过在湿化学法制备薄膜的后续热处理工艺中，对湿膜热分解转变成无定型态的干膜，在后续的高温退火结晶过程中，引入不同方向、不同大小的直流低电场，来实现对薄膜的取向控制，其生长条件为，上电极与下电极之间距离2-10mm，电场强度为0．01-1kV／cm。2．由权利要求1所述的采用低电场诱导控制湿化学法制备的铋系和铅系薄膜取向的方法，其特征是传统管式扩散炉的热处理加电场的时间为10-120分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱东，吴迪，凌惠琴，刘治国，闵乃本，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]