高度擇優(yōu)取向鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種高度擇優(yōu)取向鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電薄膜即是具有壓電性且厚度尺寸為數(shù)十納米到亞微米的材料。同塊體材料相比，壓電薄膜既具有與塊體材料相似的光、電、熱、聲等一系列重要性質(zhì)，又具有體積小，工作電壓低，便于發(fā)展小型器件以及和半導(dǎo)體工藝相集成等優(yōu)點，這使它在微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)、微機械學(xué)和微機電學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著壓電薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代微電子技術(shù)與壓電薄膜的多種功能相結(jié)合，必將開發(fā)出眾多新型功能器件，促進新興技術(shù)的發(fā)展。然而，過去使用較多的壓電材料鈦酸鉛(PT)、鋯鈦酸鉛(PZT)和鈮鎂酸鉛(PMN)的鉛含量約占原料總量的70%左右。在這類含鉛量過高的壓電材料在制備和使用過程中，都會給環(huán)境和人類帶來損害。為了保護環(huán)境和人類的健康，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，世界各國的科技工作者正在抓緊研宄少鉛或無鉛的壓電材料。其中，鈦酸鉍鈉具有良好的壓電性和鐵電性，其居里溫度較高(?320°C)。鈦酸鉍鈉材料的這些特點對壓電薄膜集成器件的制備非常有利。所以，Bia5Naa5T13(BNT)基材料近年來吸引了許多研宄者的研宄興趣。Pin-Yi Chen等在BNT的基礎(chǔ)上引入了 BT，研宄發(fā)現(xiàn)BNT-BT在其準(zhǔn)同型相界處具有優(yōu)異的鐵電和壓電性能。(P.-Y.Chen, C.-S.Chen, C.-S.Tu, T.-L.Chang, Large E-field induced strain and polar evolut1n in lead-free Zr-doped92.5 % (Bi0 5Na0 5)T13U % BaT13Ceramicsj Journal of the European CeramicSociety.34(2014)4223-4233.)
[0003]隨著薄膜材料制備技術(shù)、研宄方法和測試手段的提高，使得壓電薄膜材料的性能得到了極大的提高。然而，在壓電薄膜材料的研宄過程中仍然存在一些問題:如(I)目前在電子器件中應(yīng)用的壓電薄膜材料主要以鉛基壓電材料為主，但是鉛基的壓電材料在制備加工過程中造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。(2)制備的壓電薄膜通常具有較低的絕緣性和較高的介電損耗，使得壓電薄膜材料的使用壽命大大縮短。(3)壓電薄膜在制備過程中通常選擇的基底為Pt(lll)/Ti/Si02/Si，致使在薄膜制備過程中，其織構(gòu)度較差。雖然有些學(xué)者利用脈沖激光沉積技術(shù)制備出了高度擇優(yōu)取向的壓電薄膜，但是所需要的設(shè)備成本較高。(M.Bousquetj J.R.Duclerej C.Champeauxj A.Boullej P.Marchetj A.Catherinotj A.Wuj P.M.Vilarinhoj S.Deputierj M.Guilloux-Viryj A.Crunteanuj B.Gautier，D.Albertinij C.Bacheletj Macroscopic and nanoscale electrical properties of pulsed laserdeposited(100)epitaxial lead-free Na0 5Bi0 5Ti03thin films, Journal of AppliedPhysics.107(2010)034102.)還有些學(xué)者雖然利用單晶SrT13' MgO, LaAlO3襯底沉積的薄膜具有較高的取向性，但由于單晶基底的價格昂貴，不利于大面積Si集成電路的應(yīng)用和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn) D (R.Takayamaj Y.Tomitaj Preparat1n of epitaxial Pb (ZrxTi1J03thin films and their crystallographic, pyroelectric, and ferroelectricproperties, Journal of Applied Physics.65 (1989) 1666.)o
[0004]中國專利CN101805181A公開了一種鈦酸鉍鈉基鐵電薄膜的制備方法，屬于電子功能材料和器件領(lǐng)域，這是一種化學(xué)制備方法，即溶膠-凝膠法，其襯底采用Pt/Ti/Si02/Si,前驅(qū)體溶液的濃度控制在0.1M-0.3M之間，通過加入一種新型螯合劑-氨水，獲得澄清透明的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇溶膠，并制備鐵電薄膜。該專利使用的制備薄膜的基片和本申請不同，制備的薄膜只是隨機取向的多晶薄膜。另外一點不同在于，本申請中沒有使用有毒性的螯合劑氨水，而是采用的充分?jǐn)嚢璧姆椒ǖ玫匠吻寰鶆虻哪z體。由于上述區(qū)別，使得制備鎳酸鑭緩沖層薄膜使用的是磁控濺射的方法，如果濺射的參數(shù)控制不準(zhǔn)確可能制備出的鎳酸鑭薄膜的致密度較低，結(jié)晶度較差，從而在鎳酸鑭上制備的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇薄膜的性能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的壓電薄膜材料多數(shù)含鉛量較大及其制備出的薄膜取向度較差、成本高、工藝復(fù)雜且不利于大面積Si集成電路應(yīng)用的問題，提供了一種高度擇優(yōu)取向的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]高度擇優(yōu)取向鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜的制備方法，采用以下步驟:
[0008](I)配置鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇前驅(qū)體溶液；
[0009](2)在Pt/Ti/Si02/Si基片上濺射鎳酸鑭，并在700°C熱處理30分鐘；
[0010](3)將濺射有鎳酸鑭的基片清洗干凈后烘干；
[0011](4)在步驟(3)獲得的基片上，使用鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇前驅(qū)體溶液逐層進行旋轉(zhuǎn)涂覆得到所需厚度的薄膜；
[0012](5)將步驟(4)獲得的薄膜在700°C進行退火處理120分鐘，即得到高度擇優(yōu)取向的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜。
[0013]優(yōu)選地，步驟(I)具體采用以下方法:
[0014]a、將乙酸鈉、硝酸鉍溶于乙酸，利用乙酰丙酮為絡(luò)合劑將鈦酸四正丁酯溶于乙二醇甲醚，再將上述溶液混合得到前驅(qū)體溶液A ;
[0015]b、將乙酸鋇溶于乙酸，利用乙酰丙酮為絡(luò)合劑將鈦酸四正丁酯溶于乙二醇甲醚，再將上述溶液混合得到前驅(qū)體溶液B ;
[0016]C、將前驅(qū)體溶液A和前驅(qū)體溶液B混合并在70°C下攪拌5小時制得鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇前驅(qū)體溶液，其濃度調(diào)整為0.1M。
[0017]乙酸鈉、硝酸鉍、乙酸鋇的摩爾比45-50:45-50:1-5。
[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中在Pt/Ti/Si02/Si基片上濺射150nm的鎳酸鑭。
[0019]優(yōu)選地，步驟(3)在清洗基片時，首先在丙酮中超聲清洗30分鐘，然后在蒸餾水中超聲清洗30分鐘，最后在乙醇中超聲清洗30分鐘。清洗后用高純氮氣吹干。
[0020]優(yōu)選地，步驟(4)具體采用以下方法:室溫下在步驟(3)獲得的基片上進行一次旋轉(zhuǎn)涂覆，旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分，勻膠時間為30秒；涂覆完成后，在150°C熱處理5分鐘，400°C熱處理5分鐘，700°C熱處理10分鐘。按照同樣的方法循環(huán)操作20次。
[0021]制備得到的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜可以在微電子學(xué)和微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用，其化學(xué)成分為0.94Na0.5Bi0.5Ti03-0.06BaTi03。
[0022]本申請使用的是在Pt/Ti/Si02/Si基片上濺射約150nm鎳酸鑭(LaN13)的LNO/Pt/Ti/Si02/Si基片，從而該專利在鎳酸鑭的誘導(dǎo)下得到了高度(100)取向的壓電薄膜。高度取向的薄膜和隨機取向的薄膜相比可以很大程度的提高其壓電和介電性能。另外，鎳酸鑭緩沖層的引入也可以起到優(yōu)化薄膜和電極之間的界面的作用，從而減小了薄膜中的漏電流和介電損耗。這些性能的優(yōu)化為壓電薄膜和硅工藝的集成和應(yīng)用提供了很好的條件。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服鉛基壓電薄膜在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對人類和生態(tài)環(huán)境的危害，提供了一種高度擇優(yōu)取向的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜的制備方法，高度擇優(yōu)取向的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜與隨機取向的鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇無鉛壓電薄膜相比具有較大的電致應(yīng)變和較高的介電常數(shù)，較低的介電損耗。
[0024]本發(fā)明公開的方法中，其操作步驟會對制備的產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。