專利名稱：一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵電薄膜材料領(lǐng)域，具體地說是一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制 備方法。
背景技術(shù)：
鈣鈦礦型氧化物Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)單晶具有優(yōu)異的介電、壓電、電 光及熱釋電性能，廣泛應(yīng)用于鐵電存儲器、壓電換能器、傳感器、驅(qū)動器、光開關(guān)、紅外探測 及成像器件。然而，體材料存在著減薄工藝復(fù)雜，成品率低，制作成本高、集成度低等缺點， 限制了器件的使用范圍。而薄膜不僅繼承了體材料容易制備、易于摻雜改性等優(yōu)點，同時又 具有靈敏元薄，靈敏高，響應(yīng)速度快，易與微電子技術(shù)集成的優(yōu)點，被視為實現(xiàn)器件和系統(tǒng) 微型化最有效的手段。引進(jìn)硅集成電路工藝，通過把鐵電薄膜直接沉積在制有讀出電路的 硅集成基片上，制備鐵電一半導(dǎo)體集成器件的潛力巨大。隨著薄膜制備技術(shù)的不斷進(jìn)步和 應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，鈣鈦礦型氧化物鐵電薄膜的制備和元器件開發(fā)已成為世界各國科學(xué) 界研究的重點技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)在氧化物單晶襯底(MgO、SrTiO3)上已成功地制備出了 PMN-PT鐵電薄膜 材料，現(xiàn)有技術(shù)的缺點是使用的氧化物單晶襯底材料價格昂貴、制備工藝復(fù)雜，限制了薄膜 的廣泛應(yīng)用。鐵電薄膜的硅基集成化是解決這一技術(shù)瓶頸的有效手段。已有一些研究人員 在硅襯底上制備出了 PMN-PT鐵電薄膜，但薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和性能都明顯劣于在氧化物單 晶襯底上制備的薄膜。因此在具有實際應(yīng)用價值的廉價硅基片上生長出高質(zhì)量的PMN-PT 鐵電薄膜對其與硅半導(dǎo)體的集成應(yīng)用具有重要意義。為了解決PMN-PT薄膜與Si基片之間存在的晶格失配問題，本發(fā)明采用Sol-gel 法首先在Si基片上制備一層具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、與PMN-PT的晶格失配度為4. 2%的 LaNiO3(LNO)導(dǎo)電薄膜，將此作為緩沖層和底電極，然后通過磁控濺射在緩沖層上制備出 PMN-PT薄膜。在Si基片與PMN-PT薄膜之間引入緩沖層可以有效地緩解晶格失配并抑制界 面擴(kuò)散，減少甚至消除界面缺陷和表面態(tài)，補(bǔ)償界面氧空位，消除焦綠石相，同時有助于薄 膜的擇優(yōu)取向或外延生長；而且，使用氧化物電極可以減少漏電流和抑制器件的疲勞現(xiàn)象， 從而改善PMN-PT薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能在硅基片上生長出具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向的 PMN-PT鐵電薄膜的方法。為實現(xiàn)上述目的，其具體步驟如下
一種鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，步驟如下
(1)制備PMN-PT陶瓷靶將純度大于99. 99%的PbO、Nb2O5, MgO和TiO2粉末均勻 混合；壓制成直徑為2英寸、厚度為3 mm的塊體；1200 0C下燒結(jié)成陶瓷靶； (2)清洗Si基片A依次使用丙酮、乙醇超聲清洗Si基片； B用去離子水沖洗； C用氮氣吹干；
D在真空室內(nèi)用氬離子束刻蝕剝離清洗； E清洗后的基片，迅速放入到真空室中； (3)制備LaNiO3導(dǎo)電緩沖層
A將清洗干凈的Si基片放在溶膠機(jī)吸附臺上，用注射器將LaNiO3溶液緩慢、均勻地滴 滿基片表面，打開油泵將其吸附；
B旋轉(zhuǎn)噴涂轉(zhuǎn)速2500 r/s,時間為15秒；
C將旋涂好的樣品放在300 0C烘膠臺上烘烤20秒；重復(fù)三次；
D將樣品放入馬弗爐，以10 °C/min的速率升溫至700 °C，保溫1小時，自然冷卻至室
(4)制備PMN-PT薄膜
A調(diào)整靶材和襯底距離9 cm，濺射腔體抽真空至5 X ΙΟ"5 Pa ； B控制襯底溫度在500至600 0C ； C通入氬氣和氧氣，沉積氣壓為2 Pa ；
D磁控濺射功率150 W，先預(yù)濺射30 min，然后在LaNi03/Si襯底上生長PMN-PT薄膜， 沉積完畢后原位自然冷卻至室溫。步驟(1)中PbO和MgO數(shù)量分別添加過量摩爾數(shù)10%和5%。步驟(4)中通入的氬氣和氧氣體積比為Ar O2 = 9 1。本發(fā)明的要點是先制備PMN-PT陶瓷靶；清洗Si基片；制備LaNiO3導(dǎo)電緩沖層； 最后制備PMN-PT鐵電薄膜。本發(fā)明的具體實施細(xì)節(jié)是
選用純度大于99. 99%的Pb0、Nb205、Mg0和TiO2粉末均勻混合；為了補(bǔ)償在高溫下燒結(jié) 陶瓷靶和沉積薄膜過程中Pb和Mg的揮發(fā)，制備陶瓷靶時添加摩爾數(shù)過量10%的PbO和5% 的MgO。將各材料混合均勻，壓制成塊；在1200 °(下燒結(jié)制成濺射PMN-PT薄膜所用的陶瓷 靶。依次使用丙酮、乙醇超聲清洗Si基片；再用去離子水沖洗；用氮氣吹干，最后在真 空室內(nèi)用氬離子束刻蝕剝離清洗。以上清洗所得的基片，迅速放入到真空室中以避免污染。將清洗干凈的Si基片平穩(wěn)的放在溶膠機(jī)的吸附臺上，用注射器將LaNiO3溶液緩 慢、均勻地滴滿基片的表面，然后打開油泵將其吸附。旋涂轉(zhuǎn)速設(shè)定為2500 r/s，旋涂時間 為15秒，最后將旋涂好的樣品放在300 °C的烘膠臺上烘烤約20秒。以上過程重復(fù)三次后， 將樣品放在傳統(tǒng)的馬弗爐中，以10 °C/min的速率升溫至700 °C，在700 °C保溫1小時后自 然冷卻至室溫。最后制備PMN-PT薄膜安裝靶材和襯底時，調(diào)整靶材和襯底之間的距離為9 cm, 將濺射腔體抽真空至5X 10_5 Pa,同時用加熱器加熱襯底，加熱溫度范圍控制在500至600 °C，然后通入氬氣和氧氣(Ar O2 = 9 1)，直至沉積氣壓為2 Pa。磁控濺射功率設(shè)定為 150 W，先預(yù)濺射30 min，然后在LaNi03/Si(100)襯底上生長PMN-PT薄膜，沉積完畢后原位 自然冷卻至室溫。
本發(fā)明鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，優(yōu)點是
1、制備工藝簡單，重復(fù)性好；
2、能在具有實際應(yīng)用價值的廉價硅襯底上制備大面積具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向的 PMN-PT薄膜，不僅與Si集成工藝相兼容，而且制備成本低，有利于器件大批量生產(chǎn)；
3、制備的薄膜具有良好的鐵電性能，適用于鐵電一半導(dǎo)體集成器件。


圖1.襯底溫度分別為 200。C、450 0C,500。C、550。C、600。C、650。(時生長的 PMN-PT薄膜的X射線衍射圖。圖2.襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄膜 的SEM圖譜。圖3.襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄膜 的電滯回線。圖4.襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b)550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄膜 在極化后的介電常數(shù)和損耗隨頻率的變化。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明
圖1是襯底溫度分別為室溫200 °C、450 °C、500 °C、550 °C、600 °C、650 0C時生長的 PMN-PT薄膜的X射線衍射圖。從圖中可以看出，當(dāng)襯底溫度低于450 °C時，薄膜含有少量 焦綠石相，基本為非晶。當(dāng)襯底溫度達(dá)到500 - 600 °(時，出現(xiàn)(110)擇優(yōu)取向具有純鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)的PMN-PT薄膜，擇優(yōu)取向度可達(dá)71%。當(dāng)襯底溫度為500 0C時，在LNO/Si襯底上生 長的PMN-PT薄膜的(110)衍射峰峰位幾乎同塊體峰位一致，這說明應(yīng)力已基本釋放完畢。 與塊體峰位相比，550 °(和600 °C生長的薄膜的PMN-PT(IlO)峰位分別向高角度和低角度 方向移動，說明薄膜在面內(nèi)受到應(yīng)力。當(dāng)襯底溫度升高至650°C時，薄膜中又重新出現(xiàn)焦綠 石相。原因在于高溫時由于Pb和Mg元素?fù)]發(fā)比較嚴(yán)重，由此引起元素的化學(xué)計量比偏 離。由此可見，PMN-PT薄膜的結(jié)晶性能對襯底溫度非常敏感，適當(dāng)?shù)囊r底溫度能有效地抑 制焦綠石相的產(chǎn)生，促進(jìn)鈣鈦礦相的生成。圖2是襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b) 550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄 膜的SEM圖譜。從圖中可以看出，襯底溫度為500 °(時生長的薄膜表面平整致密，晶粒尺 寸50—100 nm;襯底溫度為550 °(和600 °C時生長的薄膜表面平整致密，但晶粒尺寸不均 勻。圖3是襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b) 550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄 膜的電滯回線。如圖所示，在25V電壓下，PMN-PT薄膜的電滯回線形狀呈對稱性，這說明上 下電極之間的非對稱空間電荷分布對內(nèi)建電場的影響很小。500 0C時生長的PMN-PT薄膜 的鐵電性能優(yōu)于550 0C和600 0C時生長的PMN-PT薄膜。PMN-PT薄膜的剩余極化(慫)可 達(dá) YJ μ C/cm2，矯頑場(瓦)為 133 kV/cm。圖4是襯底溫度分別為(a) 500 °C、(b) 550 °C、(c) 600 °C時生長的PMN-PT薄 膜在極化后的介電性能隨頻率的變化。從圖中可以看出，1 kHz時薄膜的介電常數(shù)為470，與單晶的介電常數(shù)(640)相當(dāng)；在100 Hz - 10000Hz頻率范圍內(nèi)，薄膜的損耗約為0.04，大 小與未極化單晶的介電損耗(0.025)數(shù)量級一致。500 °(時生長的PMN-PT薄膜的介電損 耗低于550 °(和600 °(時生長的PMN-PT薄膜，介電常數(shù)及損耗的差別主要是由于薄膜微 結(jié)構(gòu)引起的。鑒于以上薄膜制備工藝及薄膜性能的分析，可得出最佳實施方案為襯底溫度500 0C,用磁控濺射法在LNO/Si襯底上沉積PMN-PT薄膜。通過對沉積功率、氣氛、沉積時間等 因素的控制，得到PMN-PT薄膜的性能參數(shù)如下
在25 V的電壓下，PMN-PT薄膜的剩余極化O0r)為17// C/cm2，矯頑場(瓦)為133 kV/ cm;l kHz時薄膜的介電常數(shù)為470，介電損耗為0. 04。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任 何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種鈮鎂酸鉛 鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，步驟如下(1) 制備PMN PT陶瓷靶將純度大于99.99%的PbO、Nb2O5、MgO和TiO2粉末均勻混合；壓制成直徑為2英寸、厚度為3 mm的塊體；1200 oC下燒結(jié)成陶瓷靶；(2) 清洗Si基片A依次使用丙酮、乙醇超聲清洗Si基片；B用去離子水沖洗；C用氮氣吹干；D在真空室內(nèi)用氬離子束刻蝕剝離清洗；E清洗后的基片，迅速放入到真空室中；(3) 制備LaNiO3導(dǎo)電緩沖層A將清洗干凈的Si基片放在溶膠機(jī)吸附臺上，用注射器將LaNiO3溶液緩慢、均勻地滴滿基片表面，打開油泵將其吸附；B旋轉(zhuǎn)噴涂轉(zhuǎn)速2500 r/s，時間為15秒；C將旋涂好的樣品放在300 oC烘膠臺上烘烤20秒；重復(fù)三次；D將樣品放入馬弗爐，以10 oC/min的速率升溫至700 oC，保溫1小時，自然冷卻至室溫；(4) 制備PMN PT薄膜A調(diào)整靶材和襯底距離9 cm，濺射腔體抽真空至5 × 10 5 Pa；B控制襯底溫度在500至600 oC；C通入氬氣和氧氣，沉積氣壓為2 Pa；D磁控濺射功率150 W，先預(yù)濺射30 min，然后在LaNiO3/Si襯底上生長PMN PT薄膜，沉積完畢后原位自然冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，其特征在于步驟 (1)中PbO和MgO數(shù)量分別添加過量摩爾數(shù)10%和5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，其特征在于步驟(3)中在Si基片和PMN-PT薄膜之間制備LaNiO3導(dǎo)電緩沖層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法，其特征在于步驟(4)中通入的氬氣和氧氣體積比為Ar O2 = 9 1。
全文摘要
本發(fā)明屬于鐵電薄膜材料領(lǐng)域，一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛PMN-PT鐵電薄膜的制備方法。本發(fā)明方法是先制備PMN-PT陶瓷靶；清洗Si基片；制備LaNiO3導(dǎo)電緩沖層；最后制備PMN-PT鐵電薄膜。本發(fā)明鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電薄膜的制備方法優(yōu)點是制備工藝簡單，重復(fù)性好；能在具有實際應(yīng)用價值的廉價硅襯底上制備大面積具有純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向的PMN-PT薄膜，不僅與Si集成工藝相兼容，而且制備成本低，有利于器件大批量生產(chǎn)；制備的薄膜具有良好的鐵電性能，適用于鐵電—半導(dǎo)體集成器件。
文檔編號C23C14/06GK101956166SQ20101050511
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者唐艷學(xué), 孫大志, 田玥, 石旺舟 申請人:上海師范大學(xué)