一种具有高热释电性能的反铁电薄膜制备方法技术

本发明专利技术属于微电子技术领域，涉及一种具有高热释电性能的反铁电薄膜制备方法。本发明专利技术利用反铁电薄膜在某一临界厚度以下显示铁电性而在此临界厚度以上显示反铁电性的特征，构建一层凹凸有致具有多种不同厚度的台阶状反铁电薄膜，每一阶台阶对应一种厚度，可以在单层反铁电薄膜上实现铁电区域和反铁电区域的交叉排列。由于反铁电薄膜和铁电薄膜堆叠后，薄膜的热释电系数相比单纯的反铁电薄膜会得到很大的提高，因此利用本方法制备的反铁电薄膜可以作为良好的热释电材料，用于红外热释电探测器，机敏器件和系统，且制备方法简单易操作，具有很大的成本优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，具体涉及一种具有高热释电性能的反铁电薄膜制 备方法。
技术介绍
热释电效应指的是极化随温度变化的现象，热电材料是一种具有内在电极化的 材料，其极化的大小随温度而变化，由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化， 使在相应表面上自由电荷增加或减少从而产生电流，因此这种材料可以用来做热电探测 器(周围环境温度的变化通过产生电信号来量化)。目前，热电材料被应用在防盗报警、 火灾报警、污染检测及气体分析、辐射计、热成像摄像管和激光探测器，具有广泛的商 业用途。表征热电材料热释电效应强弱的参数为热释电系数，其值为极化强度随温度变 化的大小，改善热电探测器的一个重要途径就是提高热电材料的热释电系数。研究显 示，铁电薄膜材料由于具有较大的热释电系数而成为一种主要的热电材料，而铁电薄膜 与反铁电薄膜叠加的双层膜又能大幅提高热释电性能，目前制备这种双层结构膜的方法 为溶胶-凝胶旋涂法以及磁控溅射法，该两种方法存在的缺点是铁电、反铁电薄膜间会 形成一层界面层，此界面层的存在使得热释电性能部分损失，从而影响薄膜的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种具有高热释电性能的反铁电 薄膜制备方法，以获得具有良好热释电性能的反铁电薄膜，用于红外热释电探测器、机 敏器件和系统。本专利技术利用反铁电薄膜在某一临界厚度( 200nm)以下显示铁电性而在此临 界厚度以上显示反铁电性的特征，采用纳米压印的方法将反铁电薄膜压成凹凸有致具有 多种不同厚度的铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状结构，每一阶台阶对应一种厚 度，厚度小于200nm的台阶显示铁电性，而厚度大于200nm的台阶显示反铁电性。也 即，可以在单层反铁电薄膜上实现铁电区域和反铁电区域的交叉排列，从而实现铁电薄 膜和反铁电薄膜的叠加。采用本专利技术的制备方法能够避免出现上述界面层从而提高薄膜 的热释电性能，而且制备工艺简单、成本低，拥有很好的应用前景。本专利技术的具有高热释电性能的反铁电薄膜制备方法，通过构建一层凹凸有致具 有多种不同厚度的铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状反铁电薄膜，可以改善反铁 电薄膜的热释电性能。其特征在于包括下述步骤(1)利用溶胶_凝胶的方法在基片上旋涂一层反铁电薄膜；(2)利用纳米压印技术将上述反铁电薄膜压成凹凸有致具有多种不同厚度的铁电 区域和反铁电区域交叉排列的台阶状结构。作为可选技术方案，所述的具有高热释电性能的反铁电薄膜，其制备过程包括 以下两个步骤(1)制备前驱体溶液所采用的溶质为乙酸铅、丙醇锆和钛酸丁酯，溶剂为乙 二醇、乙酸、甲醇和水，前驱体溶液最终浓度控制在0.2 0.4Mol/L之间；(2)制备胶膜采用与半导体工艺相兼容的旋转涂覆方法制备凝胶膜，然后进 行热处理，重复此过程，直到获得所需要厚度的薄膜。作为可选技术方案，所述铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状反铁电薄膜 的制备方法除了纳米压印技术外，还可以采用机械压印或者光刻及蚀刻技术。作为可选技术方案，所述的经过纳米压印技术压印后的铁电区域薄膜厚度小于 临界厚度200nm，反铁电区域的薄膜厚度大于临界厚度200nm。本专利技术所提供的通过纳米压印技术制备的铁电区域和反铁电区域交叉排列的台 阶状反铁电薄膜不但可以作为良好的热释电材料，用于红外热释电探测器，机敏器件和 系统，而且制备方法简单易操作，具有很大的成本优势。附图说明图1为利用溶胶-凝胶旋涂方法制备的反铁电薄膜的XRD图；图2A 2D为依据本专利技术的第一实施例(铁电区域对应的薄膜厚度只有一个值， 且为接近临界厚度值的某个最大值)的制备过程及其对应的剖面示意图；图3为依据本专利技术的第二实施例(铁电区域对应的薄膜厚度具有1^2个，且第η 个厚度为接近临界厚度值的某个最大值)的剖面示意图。图中标号说明100硅衬底，102第一金属层，104两阶反铁电薄膜，104-1第一 台阶处的反铁电区域，104-2第二台阶处的铁电区域，106第二金属层，200硅衬底，202 第一金属层，204具有η个不同厚度铁电区域的阶梯状反铁电薄膜，204-1第一台阶处的 反铁电区域，204-2第二台阶处的铁电区域，204-η第η台阶处的铁电区域，206第二金属层。具体实施例方式下文结合图示在参考实施例中更具体地描述本专利技术，本专利技术提供优选实施例， 但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的 厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本专利技术的理想化实施例的示意图，本专利技术所示的实施例不应该被认为 仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如 刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本专利技术实施例中，均以矩形表示，图 中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本专利技术的范围。图1为利用溶胶-凝胶法在基片上旋涂的反铁电薄膜的XRD图。其中Pt(Ill) 表示旋涂时所选择的基片中的Pt金属层产生的XRD峰。反铁电薄膜产生极强的(111) 方向峰，说明具有纯的钙钛矿结构。图2为依据本专利技术的第一实施例(铁电区域对应的薄膜厚度只有一个值，且为接 近临界厚度值的某个最大值)的制备过程及其对应的剖面示意图。参考图2，所示为铁电区域薄膜厚度只有一个值且为接近临界厚度值的某个最大 值( 200nm)的台阶状反铁电薄膜。利用溶胶_凝胶方法在基片上旋涂一层反铁电薄膜，其中基片由第一金属层102和硅衬底100组成，第一金属材料可以为钼，钌，铱，铬 金合金以及氧化铱。接着通过纳米压印，机械压印或先进的光刻及蚀刻技术将上述反铁 电薄膜压成铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状结构，其中较厚的第一台阶部分标 为104-1，较薄的第二台阶部分标为104-2。由于反铁电薄膜在某一临界厚度( 200nm) 以下时会由反铁电性转变为铁电性，因此选择第二台阶的薄膜厚度为接近此临界厚度的 某一最大值，第一台阶的厚度可以根据反铁电薄膜的厚度与热释电性能的关系进行最优 化调整，以获得最佳的热释电性能。反铁电薄膜材料可以为锆钛酸铅、钛酸锶铋、钛酸 铋镧、钛酸钡锶以及聚偏二氟乙烯基等反铁电材料。在反铁电薄膜104上形成第二金属 层106，可以为钼，钌，铱，铬金合金以及氧化铱。图2A 2D是根据本专利技术的第一实施例的制备过程剖面图。图2A为在硅衬底100上淀积第一金属层102作为基片的横截面图。所选择的 Si衬底100为低阻型(111)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H2SO4 H2O2 =1 1加热至100度左右，并保持5到10分钟，之后再用去离子水冲干甩干，再讲硅 片放入H2O HF = 10 1的溶液中浸泡20分左右，去除表面氧化物，之后用去离子水 冲干甩干，再将硅片放入NH4OH H2O2 H2O = 1 2 5体积比的I号溶液煮沸5分 钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCL H2O2 H2O = 1 2 8体积比 的II号液中煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干；在清洗好的硅片上淀积第一金属层 102，如钼，钌，铱，铬金合金以及氧化铱。图2B为利用溶胶-凝胶方法在基片上旋涂一层反铁电薄膜104后的横截面 图。反铁电薄膜材料可以为锆钛酸铅、钛酸锶铋、钛酸铋镧、钛酸钡锶以及聚偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高热释电性能的反铁电薄膜制备方法，其特征在于，通过构建一层凹凸有致具有多种不同厚度的铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状反铁电薄膜，改善反铁电薄膜的热释电性能，其包括下述步骤：（１）利用溶胶－凝胶的方法在基片上旋涂一层反铁电薄膜；（２）利用纳米压印技术将上述反铁电薄膜压成凹凸有致具有多种不同厚度的铁电区域和反铁电区域交叉排列的台阶状结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万海军，翁旭东，陈志辉，沈臻魁，江安全，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31