專利名稱：一種高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法，屬于電子功能 材料與器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
薄膜用于微波可調(diào)諧器件所需的低電壓以及制作的低成本使得薄膜的研究成為 當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。鐵電薄膜種類較多，常見的有BaTi03(BT)、 (Ba，Sr)Ti03(簡稱BST)、 Pb(Zr,Ti)03(簡稱PZT)、 (Pb,La) Ti03(簡稱PLT)、 (Pb,La) (Zr,Ti)。3(簡稱PLZT)、 Ba(Zr，Ti)03(簡稱BZT)等。鈦錫酸鋇Ba(Sn，Ti)03(BTS)是對BaTi03(AB03)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行B位替代而來。這 種材料在接近相變點(diǎn)的順電相區(qū)具有高的介電常數(shù)以及小的損耗，而且其介電常數(shù)隨 外電場的變化而變化，具有可調(diào)諧性，是一種有前途的微波介質(zhì)材料。目前鐵電薄膜的制備技術(shù)主要有濺射法、激光閃蒸法(PLD)及水熱法。然而這 些方法均不適宜于大面積制備性能優(yōu)良的薄膜材料，這是因?yàn)闉R射法和激光閃蒸法所 需設(shè)備昂貴，難以大面積成膜，同時(shí)由于是在比較低的氧分壓下成膜，其氧缺陷難以 消除，影響薄膜的性能；而水熱法一般需要較高的壓強(qiáng)，且工藝重復(fù)性差。溶膠—凝膠以其化學(xué)計(jì)量比控制準(zhǔn)確、成膜面積大且均勻、設(shè)備簡單等優(yōu)勢而為 人們所采用。然而，利用這種方法直接在Pt電極上制備的鈦錫酸鋇鐵電薄膜通常具有 多晶結(jié)構(gòu)，而且薄膜的調(diào)制率不高。那么，如何找到一種新的方法來提高薄膜的調(diào)制 率，同時(shí)又能得到高取向的薄膜就具有非常重要的意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可較大程度上提高鈦錫酸 鋇鐵電薄膜調(diào)制率并且得到高取向薄膜的方法，使其能夠在硅集成工藝中得到實(shí)際應(yīng) 用。本發(fā)明所敘述的通過籽晶層的引入提高鈦錫酸鋇鐵電薄膜調(diào)制率并且得到高取 向薄膜的方法如下一種高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟-a、 按照配比BaSnxTh.x03 ， x=0.10 0.20;將醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正 丁酯溶于冰醋酸和乙二醇乙醚，配制為前驅(qū)體溶液，前驅(qū)體溶液的最終濃度控 制在0.03-0.08M;b、 先把Pt (lll)/Ti/Si02/Si基片置于650°C 750°C的管式爐中處理25~35分鐘；c、 在步驟b獲得的基片上，將前驅(qū)體溶液旋轉(zhuǎn)涂覆第一層薄膜，旋轉(zhuǎn)速度為 3000 4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為20 30秒；d、 對第一層薄膜采用160°C 200°C處理1 2分鐘，450 QC 550°C處理1 2 分鐘，680。C 720。C處理25 40分鐘；使第一層薄膜生成籽晶層e、 在第一層薄膜上旋轉(zhuǎn)涂覆多層步驟a獲得的前驅(qū)體溶液，160°C 200 °C處 理1 2分鐘，45(TC 550。C處理1 2分鐘，680 °C 720°C處理4 6分鐘。其中，所述的步驟d中，所述的第一層薄膜處理后的厚度為12 — 18nm。 本發(fā)明提出的通過籽晶層的引入提高鈦錫酸鋇鐵電薄膜調(diào)制率并且得到高取向薄膜的方法，是一種化學(xué)制備方法，其襯底采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si，其熱處理工藝為一種快速熱處理方法。 本發(fā)明的有益效果-本發(fā)明利用溶膠凝膠的方法、以Pt(lll)/Ti/Si02/Si為基底，通過引入籽晶層的方 法，制備出具有優(yōu)良性能的(111)擇優(yōu)取向的鈦錫酸鋇鐵電薄膜，本發(fā)明制得的鈦 錫酸鋇鐵電薄膜具有較大的調(diào)制和優(yōu)值，其調(diào)制率和優(yōu)質(zhì)均大于在LaNi03襯底上制 備的鈦錫酸鋇薄膜。
圖1是實(shí)施例1制備在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層的BaSnai5Tia8503 薄膜和沒有籽晶層的BaSnai5Tia8503薄膜的X射線衍射圖譜(XRD)。圖2是實(shí)施例1制備在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層的BaSn(n5Tia8503 薄膜和沒有籽晶層的BaSnai5Tia8503薄膜的介電常數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3是實(shí)施例1制備在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層的BaSno.15Tio.8503 薄膜和沒有籽晶層的BaSnai5Tia8503薄膜在100 kHz下的介電常數(shù)和介電損耗隨外加 電場的變化曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上制備(lll)擇優(yōu)取向的高調(diào)制的BaSnxTiLx03鐵電薄 膜，其中x-0.15。a、 所采用的化學(xué)原料為醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正丁酯，溶劑為冰醋酸 和乙二醇乙醚。先將醋酸鋇和二丁基氧化錫按照BaSn(H5Tio.8503的化學(xué)配比在冰醋酸 溶液中加熱至沸騰，然后停止加熱，并冷卻至室溫。將20ml乙二醇乙醚與摩爾比為1: 2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮混合，并將此混合溶液加入醋酸鋇和二丁基氧化錫的乙 酸溶液，最后加入冰醋酸將最終溶液的濃度調(diào)整到0.05 M，攪拌1小時(shí)。放置24小 時(shí)后用來制備薄膜。b、 采用溶膠凝膠的方法配制前驅(qū)體溶液，然后旋轉(zhuǎn)涂覆在Pt (111)/Ti/Si02/Si基 片上，旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間20秒。c、 在涂覆之前，先把Pt (111)/Ti/Si(VSi基片置于700 ^的管式爐中處理30分鐘。d、 涂覆好的凝膠膜采用快速熱處理工藝，我們采用200 QC處理1分鐘，500 °C 處理1分鐘，700GC處理30分鐘的快速熱處理方式，首先制備出15nm的籽晶層，然后再在籽晶層上涂覆多層步驟b所述的前驅(qū)體溶液，用200 。C處理1分鐘，500 °C處理1分鐘，700 °C處理5分鐘的快速熱處理，即可制備出鈦錫酸鋇鐵電薄膜。電性能的測試采用直流濺射的方法在上表面濺射金電極作為上電極，其直徑為 0.5mm，厚度約為100nm。實(shí)施例1在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層和沒有籽晶層的 BaSnai5Tia8503薄膜的X射線衍射圖譜(XRD)如圖1所示；實(shí)施例1在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層和沒有籽晶層的BaSn(u5Tia8503薄膜的頻譜如圖 2所示；實(shí)施例1在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上的具有籽晶層和沒有籽晶層的 BaSn(H5Tia8503薄膜在100 kHz頻率下的介電常數(shù)有外加電壓的關(guān)系圖如圖3所示。實(shí)施例2:在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上制備(lll)擇優(yōu)取向的高調(diào)制的BaSnJlk03鐵電薄 膜，其中乂=0.20。a、所采用的化學(xué)原料為醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正丁酯，溶劑為冰醋酸 和乙二醇乙醚。先將醋酸鋇和二丁基氧化錫按照BaSno.2oTi,03的化學(xué)配比在冰醋酸 溶液中加熱至沸騰，然后停止加熱，并冷卻至室溫。將20ml乙二醇乙醚與摩爾比為1:2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮混合，并將此混合溶液加入醋酸鋇和二丁基氧化錫的乙 酸溶液，最后加入冰醋酸將最終溶液的濃度調(diào)整到0.08 M，攪拌1.5小時(shí)。放置20 小時(shí)后用來制備薄膜。b、 采用溶膠凝膠的方法配制前驅(qū)體溶液，然后旋轉(zhuǎn)涂覆在Pt (111)/Ti/Si02/Si基 片上，旋轉(zhuǎn)速度為4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間30秒。c、 在涂覆之前，先把Pt (lll)/Ti/Si02/Si基片置于650 °C的管式爐中處理25分鐘。d、 涂覆好的凝膠膜采用快速熱處理工藝，我們采用160 。C處理2分鐘，450 QC 處理1.5分鐘，68(TC處理25分鐘的快速熱處理方式，首先制備出18nm的籽晶層，e、 然后再在籽晶層上涂覆多層步驟b所述的前驅(qū)體溶液，用160。C處理2分鐘， 450 °C處理2分鐘，680 °C處理6分鐘的快速熱處理，即可制備出鈦錫酸鋇鐵電薄膜。實(shí)施例3:在Pt (lll)/Ti/Si02/Si基底上制備(lll)擇優(yōu)取向的高調(diào)制的BaSnxTik03鐵電薄 膜，其中f0.10。a、 所采用的化學(xué)原料為醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正丁酯，溶劑為冰醋酸 和乙二醇乙醚。先將醋酸鋇和二丁基氧化錫按照BaSn(uoTi,03的化學(xué)配比在冰醋酸 溶液中加熱至沸騰，然后停止加熱，并冷卻至室溫。將20ml乙二醇乙醚與摩爾比為1: 2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮混合，并將此混合溶液加入醋酸鋇和二丁基氧化錫的乙 酸溶液，最后加入冰醋酸將最終溶液的濃度調(diào)整到0.03 M，攪拌2小時(shí)。放置20小 時(shí)后用來制備薄膜。b、 采用溶膠凝膠的方法配制前驅(qū)體溶液，然后旋轉(zhuǎn)涂覆在Pt (111)/Ti/Si02/Si基 片上，旋轉(zhuǎn)速度為3500轉(zhuǎn)/分，時(shí)間25秒。c、 在涂覆之前，先把Pt (111)/Ti/Si02/Si基片置于720 °<:的管式爐中處理35分鐘。d、 涂覆好的凝膠膜采用快速熱處理工藝，我們采用18(TC處理1.5分鐘，550 °C 處理2分鐘，720。C處理40分鐘的快速熱處理方式，首先制備出13nm的籽晶層，e、 然后再在籽晶層上涂覆多層步驟b所述的前驅(qū)體溶液，用180 。C處理1.5分 鐘，550 。C處理1.5分鐘，720 。C處理4分鐘的快速熱處理，即可制備出鈦錫酸鋇鐵 電薄膜。
權(quán)利要求
1、一種高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a、按照配比BaSnxTi1-xO3，x＝0.10～0.20；將醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正丁酯溶于冰醋酸和乙二醇乙醚，配制為前驅(qū)體溶液，前驅(qū)體溶液的最終濃度控制在0.03～0.08M；b、先把Pt(111)/Ti/SiO2/Si基片置于650℃～750℃的管式爐中處理25～35分鐘；c、在步驟b獲得的基片上，將前驅(qū)體溶液旋轉(zhuǎn)涂覆第一層薄膜，旋轉(zhuǎn)速度為3000～4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為20～30秒；d、對第一層薄膜采用160℃～200℃處理1～2分鐘，450℃～550℃處理1～2分鐘，680℃～720℃處理25～40分鐘；e、在第一層薄膜上旋轉(zhuǎn)涂覆多層步驟a獲得的前驅(qū)體溶液，160℃～200℃處理1～2分鐘，450℃～550℃處理1～2分鐘，680℃～720℃處理4～6分鐘。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，所述 的歩驟d中，所述的第一層薄膜處理后的厚度為12 — 18nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高調(diào)制、高取向鈦錫酸鋇鐵電薄膜的制備方法，包括以下步驟a.按照配比BaSn<sub>x</sub>Ti<sub>1-x</sub>O<sub>3</sub>，x＝0.10～0.20；將醋酸鋇、二丁基氧化錫、鈦酸四正丁酯溶于冰醋酸和乙二醇乙醚，配制為前驅(qū)體溶液，前驅(qū)體溶液的最終濃度控制在0.03～0.08M；b.先把Pt(111)/Ti/SiO<sub>2</sub>/Si基片置于700℃的管式爐中處理25～35分鐘；c.在步驟b獲得的基片上，將前驅(qū)體溶液旋轉(zhuǎn)涂覆第一層薄膜，旋轉(zhuǎn)速度為3000～4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為20～30秒；d.對第一層薄膜采用160℃～200℃處理1～2分鐘，450℃～550℃處理1～2分鐘，700℃處理25～40分鐘；e.在第一層薄膜上旋轉(zhuǎn)涂覆多層步驟a獲得的前驅(qū)體溶液，160℃～200℃處理1～2分鐘，450℃～550℃處理1～2分鐘，700℃處理4～6分鐘。本方法可用于制備鈦錫酸鋇鐵電薄膜。
文檔編號C01G23/00GK101219805SQ200810032969
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者宋三年, 翟繼衛(wèi) 申請人:同濟(jì)大學(xué)