專利名稱：一種采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的薄膜取向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的薄膜取向的方法，尤其是鈦酸鹽類鐵電、壓電材料的熱處理過(guò)程中用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制薄膜取向的方法。
濕化學(xué)法，包括溶膠凝膠法(Sol-gel)、金屬有機(jī)物分解法(Metalorganicdecomposition，MOD)和化學(xué)溶液沉積法(Chemical solution deposition，CSD)，其具體成膜工藝可通過(guò)甩膠法(Spin-coating)、浸漬法(Dipping-coating)、噴涂法(Spray)來(lái)實(shí)現(xiàn)。濕化學(xué)法制備薄膜已經(jīng)是比較成熟的工藝，其具有在襯底上微區(qū)組分高度均勻，化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確，易于摻雜，易于大面積成膜，設(shè)備投資成本低，工藝簡(jiǎn)單，適于工業(yè)化應(yīng)用等特點(diǎn)，是目前薄膜制備方法中最具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值同時(shí)又具有重要科研價(jià)值的技術(shù)之一，在微電子學(xué)與光電子學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
然而其不足之處在于較難控制薄膜的取向，濕化學(xué)法得到的薄膜常常是隨機(jī)取向居多。可是在一些集成、光電器件中如聲表面波器件、光波導(dǎo)及紅外探測(cè)器應(yīng)用中，通常需要具有擇優(yōu)取向甚至外延的鐵電、壓電薄膜，這一要求極大地限制了濕化學(xué)法制備薄膜在實(shí)際中的應(yīng)用。目前解決這個(gè)難題主要有兩種方法，一種是通過(guò)選擇合適的襯底或者在襯底上引入適配的過(guò)渡層，但這種方法有很大的局限性，另一種方法是通過(guò)選擇合適的前體溶液，然而這種方法很麻煩，且不一定有效。中國(guó)專利96117210公開(kāi)了用電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法及裝置，但其是真空生長(zhǎng)的鐵電薄膜。還未見(jiàn)有低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的薄膜取向的方法。尤其是鉍系鹽類鐵電、壓電材料的熱處理過(guò)程中用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制薄膜取向的方法。濕化學(xué)法制薄膜是現(xiàn)有技術(shù)，例如參見(jiàn)1．金屬有機(jī)化合物分解淀積生長(zhǎng)鐵電薄膜(Metalorganic decomposition(MOD)processing of ferroelectric and electropotic filmsa review″，R．W．Vest，F(xiàn)erroelctrics，vol．102，1990，p53-68．2．)2．鐵電薄膜″Ferroelctric thin films″，N．Y．Turova and M．I．Yanovskaya，Gordon andBreach，Amsterdam，1996，p233-328。
本發(fā)明的目的是提供一種采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的薄膜取向的方法，制備帶取向的多種薄膜，特別是對(duì)在商品鉑涂層硅襯底(Pt／TiO2／SiO2／Si)或硅襯底上沉積的鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)薄膜，能誘導(dǎo)出極強(qiáng)的c軸取向。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明采用一種簡(jiǎn)便可行的方法，通過(guò)在濕化學(xué)法制備薄膜的后續(xù)熱處理工藝中(傳統(tǒng)管式擴(kuò)散爐熱處理或者新穎的快速熱處理過(guò)程中)，即對(duì)濕膜熱分解轉(zhuǎn)變成無(wú)定型態(tài)的干膜在后續(xù)的高溫退火結(jié)晶過(guò)程中，引入不同方向、不同大小的直流低電場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的取向控制。其生長(zhǎng)條件為，上電極與下電極之間距離2-10mm，電場(chǎng)強(qiáng)度為0．01-1kV／cm，傳統(tǒng)管式擴(kuò)散爐的熱處理加電場(chǎng)的時(shí)間為10-120分鐘，快速熱處理過(guò)程中加電場(chǎng)的時(shí)間為10-1200秒。
本發(fā)明的特點(diǎn)是從目前對(duì)低電場(chǎng)誘導(dǎo)幾種不同的薄膜材料在幾種不同襯底的取向生長(zhǎng)來(lái)看，效果非常明顯，特別是對(duì)在商業(yè)的鉑涂層硅襯底(Pt／TiO2／SiO2／Si)或硅襯底上沉積的鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)薄膜，能誘導(dǎo)出極強(qiáng)的c軸取向，在鐵電場(chǎng)效應(yīng)管器件上具有切實(shí)可行的應(yīng)用前景。
以下結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置即熱處理系統(tǒng)中加原位電場(chǎng)退火裝置示意圖。
圖2在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下快速熱處理得到的鈦酸鉍薄膜的X射線衍射譜圖?？梢?jiàn)低電場(chǎng)誘導(dǎo)出強(qiáng)烈的C軸取向生長(zhǎng)。圖中Y方向表示衍射強(qiáng)度，X方向表示衍射角度，Pyro表示有害的焦綠石相。
圖3為SBT薄膜a軸取向度、c軸取向度隨電場(chǎng)方向、強(qiáng)度的變化曲線。d上電極與下電極之間距離8mm。
圖4為本發(fā)明快速熱處理(RTA)晶態(tài)多層鍍膜(CMC，下面的圖)和非晶多層鍍膜(AMC，上面的圖)方式的工藝流程示意圖。
方法的實(shí)施例圖見(jiàn)圖1電場(chǎng)強(qiáng)度正向0．01-1k V／cm(下電極1接地，上電極2加正偏壓)或反向0．01-1k V／cm(下電極接地，上電極加負(fù)偏壓)薄膜材料4鈦酸鉍(Bi4Ti3O12，BIT)，鈦酸鑭鉍(Bi4-xLaxTi3O12，BLT)(X=0-2．8)(化學(xué)溶液沉積法制備)鉭酸鍶鉍(SrBi2Ta2O9，SBT)(金屬有機(jī)物分解法制備)鋯鈦酸鉛(Pb{ZrTi}O3，PZT)，鈦酸鉛(PbTiO3，PTO)，鈦酸鋇(BaTiO3，BTO)(溶膠凝膠法制備)，并在襯底材料上成膜。
襯底材料3商業(yè)單晶硅片N或P型(100)或(111)商業(yè)鉑涂層硅襯底(Pt／TiO2／SiO2／Si)并上述制備膜的方法是現(xiàn)有技術(shù)，主要是采用合適的前體溶液通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒?，形成所需的濕膜，再?jīng)后續(xù)的熱處理工藝處理得到所要的薄膜。
成膜后在熱處理設(shè)備中進(jìn)行熱處理時(shí)以電場(chǎng)誘導(dǎo)取向，熱處理設(shè)備傳統(tǒng)管式擴(kuò)散爐熱處理(Conventional furnace anneal，CFA)，最快升溫速度～50度／每分鐘快速熱處理退火設(shè)備熱處理(Rapid thermal anneal，RTA)，最快升溫速度～250度／每秒鐘熱處理工藝非晶多層鍍膜方式(Amorphous multilayer deposition，AMC)晶態(tài)多層鍍膜方式(Crystal multilayer deposition，CMC)用上述工藝生長(zhǎng)的薄膜厚度為50納米～3微米，效果獲得擇優(yōu)取向薄膜，減少甚至去除副相或雜相例如1．鈦酸鉍(BIT)薄膜化學(xué)溶液沉積法沉積在Pt／TiO2／SiO2／Si襯底上，分別采用650(600-700℃)快速熱處理(RTA)晶態(tài)多層鍍膜(CMC)和非晶多層鍍膜(AMC)方式上下電極板之間的距離為2mm，外加電壓為100V，快速熱處理過(guò)程以及加電場(chǎng)的時(shí)間為180秒。
表一．快速熱處理下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)對(duì)鈦酸鉍薄膜取向和相的影響 快速熱處理?xiàng)l件下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)出強(qiáng)烈的c軸擇優(yōu)取向，且去除了有害的焦綠石相2．鈦酸鉍(BIT)薄膜化學(xué)溶液沉積法沉積在Si或Pt／TiO2／SiO2／Si襯底上，采用傳統(tǒng)管式擴(kuò)散爐熱處理(CFA)晶態(tài)多層鍍膜(CMC)或非晶多層鍍膜(AMC)方式；電場(chǎng)強(qiáng)度正向0．01-1kV／cm(下電極接地，上電極加正偏壓)表二．傳統(tǒng)熱處理下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)對(duì)鈦酸鉍薄膜取向和相的影響 傳統(tǒng)熱處理?xiàng)l件下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)出明顯的c軸擇優(yōu)取向，且減少甚至去除了有害的焦綠石相3．鉭酸鍶鉍(SBT)金屬有機(jī)物分解法沉積在Pt／TiO2／SiO2／Si襯底上，采用750℃?zhèn)鹘y(tǒng)管式擴(kuò)散爐熱處理(CFA)晶態(tài)多層鍍膜(CMC)方式，電壓與c軸取向的關(guān)系參見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，在正向電場(chǎng)情況下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)出明顯的c軸取向。
4．鈦酸鉛(PTO)溶膠凝膠法沉積在Si襯底上，采用600℃?zhèn)鹘y(tǒng)管式擴(kuò)散爐熱處理(CFA)非晶多層鍍膜(AMC)方式表三．傳統(tǒng)熱處理下，低電場(chǎng)誘導(dǎo)對(duì)鈦酸鉛薄膜取向的影響 可見(jiàn)，低電場(chǎng)誘導(dǎo)出較強(qiáng)的c軸和a軸取向。
在上述實(shí)施例中，熱處理的氣氛和氣壓條件如下在普通空氣和常壓狀態(tài)即可，當(dāng)然也可以在純氧或富氧的氣氛條件下工作。施加電場(chǎng)的時(shí)間主要在結(jié)晶過(guò)程中最有效，也就是在熱處理的初始時(shí)間，而在熱處理的后期也可以停止施加外電壓。
權(quán)利要求
1．一種采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的鉍系和鉛系薄膜取向的方法，其特征是通過(guò)在濕化學(xué)法制備薄膜的后續(xù)熱處理工藝中，對(duì)濕膜熱分解轉(zhuǎn)變成無(wú)定型態(tài)的干膜，在后續(xù)的高溫退火結(jié)晶過(guò)程中，引入不同方向、不同大小的直流低電場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的取向控制，其生長(zhǎng)條件為，上電極與下電極之間距離2-10mm，電場(chǎng)強(qiáng)度為0．01-1kV／cm。
2．由權(quán)利要求1所述的采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的鉍系和鉛系薄膜取向的方法，其特征是傳統(tǒng)管式擴(kuò)散爐的熱處理加電場(chǎng)的時(shí)間為10-120分鐘，快速熱處理過(guò)程中加電場(chǎng)的時(shí)間為10-1200秒。
3．由權(quán)利要求1所述的采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的鉍系和鉛系薄膜取向的方法，其特征是鈦酸鉍(BIT)薄膜化學(xué)溶液沉積法沉積在Pt／TiO2／SiO2／Si襯底上，襯底選用單晶硅片N或P型(100)或(111)，商業(yè)鉑涂層硅襯底(Pt／TiO2／SiO2／Si)，采用600-700℃快速熱處理(RTA)晶態(tài)多層鍍膜(CMC)和非晶多層鍍膜(AMC)方式，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為電場(chǎng)強(qiáng)度為0．1-0．5kV／cm。
全文摘要
一種采用低電場(chǎng)誘導(dǎo)控制濕化學(xué)法制備的鉍系和鉛系薄膜取向的方法,通過(guò)在濕化學(xué)法制備薄膜的后續(xù)熱處理工藝中,對(duì)濕膜熱分解轉(zhuǎn)變成無(wú)定型態(tài)的干膜,在后續(xù)的高溫退火結(jié)晶過(guò)程中,引入直流低電場(chǎng),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的取向控制。本發(fā)明用低電場(chǎng)誘導(dǎo)幾種不同的薄膜材料在幾種不同襯底的取向生長(zhǎng)來(lái)看,效果非常明顯,特別是對(duì)在鉑涂層硅襯底或硅襯底上沉積的鈦酸鉍薄膜,能誘導(dǎo)出極強(qiáng)的C軸取向。
文檔編號(hào)C30B30/02GK1288981SQ00112548
公開(kāi)日2001年3月28日 申請(qǐng)日期2000年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月18日
發(fā)明者李愛(ài)東, 吳迪, 凌惠琴, 劉治國(guó), 閔乃本 申請(qǐng)人:南京大學(xué)