專利名稱：柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法
技術領域：
本發明屬于電子材料技術領域，特別是涉及一種在柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法。
背景技術：
越來越多的電子器件朝著柔性化、超薄化的方向發展，有機柔性襯底氮化鋁壓電薄膜不但具有與硬性材料襯底氮化鋁薄膜同樣的壓電特性，而且由于其可卷曲、可撓曲、重量輕、不易破碎、易于大面積生產、便于運輸等獨特優點，可以廣泛應用于柔性薄膜體聲波諧振、柔性聲表面波諧振器和柔性傳感器等領域，因此國際上對有機柔性襯底沉積氮化鋁壓電薄膜的需求日益迫切。
傳統制備氮化鋁壓電薄膜都是基于硬性襯底材料，如金剛石襯底(專利公開號 CN 1257940A)、鋁酸鋰襯底(專利公開號CN 101235M0A)、藍寶石襯底(專利公開號CN 101325M0A)硅片及玻璃片襯底(專利公開號CN 10U80412A)等。在這些公開專利中，所有的襯底均為硬性材料，質量大，不能彎曲，不能卷繞式(roll-to-roll)連續化生產，并且在制備氮化鋁薄膜的工藝過程中都有一些共同的缺陷，就是襯底必須進行250° C以上溫度的加熱，其工藝難以適應低軟化點的襯底。有機柔性襯底不同于硬性襯底(如玻璃、藍寶石、硅片)，有著材質柔軟、輕薄、可以彎曲、可以卷繞式(roll-to-roll)連續化生產等優點，但是軟化點低、受熱時容易在熱應力的作用下發生形變，所以在柔性襯底上沉積壓電氮化鋁薄膜難以像在硬性襯底材料上那樣可以高溫沉積。低溫沉積壓電氮化鋁薄膜就顯得尤為重要。
發明內容
本發明的目的在于提供一種柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法。本發明是采用以下技術方案來實現上述目的清洗柔性襯底；抽真空；制備底金屬層；充入工作氣體；接通襯底冷卻裝置；紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜；各步驟的內容如下
清洗柔性襯底將有機柔性襯底用電子清洗劑擦洗后，用去離子水超聲清洗，再用無水乙醇超聲清洗，然后干燥；
抽真空將上述經清洗的柔性襯底緊貼在磁控濺射鍍膜機的真空腔中的基片冷卻裝置表面，抽真空，使其真空度達到10_7 10_3 Pa ；
制備底金屬層向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氬氣，維持真空腔內氬氣的壓強在2X KT1 8X KT1 Pa范圍內，采用磁控濺射的方法制備作為底電極或者過渡層的底金屬層；
充入工作氣體采用流量控制器向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氮氣和氬氣的混合氣體，氮氬比為0. 3 2，工作氣體總壓強為3. 8 X KT1 5 X KT1 Pa ；
3接通基片冷卻裝置對襯底進行冷卻，使柔性襯底在濺射過程保持低溫狀態； 紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜接通紫外輻照器進行在線輻照，并啟動磁控濺射源，在已鍍覆底金屬層的柔性襯底上反應濺射沉積氮化鋁薄膜；完成上述工藝后，向磁控濺射鍍膜機真空腔中放入大氣，取出樣品。所述的柔性襯底為聚脂、聚酰亞胺、液晶聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯對苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龍中的任一種熱穩定性優良、 耐腐蝕性好的有機材料制成的薄膜，薄膜的厚度為5 200 um。所述的柔性襯底緊貼在所述的冷卻裝置的平面基板上或者柱狀圓筒面上，冷卻劑是水、液氮、氟利昂中的一種。所述的底金屬層為鋁、金、銀、銅、鐵、鉬、鈦、鎳、鉻、鎢、鉬、鋅、鈷、鋯、鈮中的任意一種導電性能良好、與氮化鋁匹配的金屬材料，其厚度為10 500 nm。所述的紫外線輻照器是波長為10 400 nm，布置在真空鐘罩內的紫外線燈或者是布置在真空鐘罩外的激光器。所述的磁控濺射源為平面靶磁控濺射源、柱型靶磁控濺射源、S-槍磁控濺射源或它們的孿生靶的一種。所述的氮化鋁壓電薄膜是采用直流濺射、射頻濺射、中頻濺射的一種磁控濺射方法制成的，濺射的功率密度為2 25 W/cm2，靶材到襯底的距離為5 10 cm，靶材為純度 99. 999%的金屬鋁靶，氮化鋁壓電薄膜厚度為200 5000 nm。與現有技術相比，本發明的優點在于由于采用紫外線在線輻照，大大提高了氮元素參與濺射分子的活性與遷移率，因而不必加熱就能在柔性襯底上獲得膜層致密、高c軸取向的氮化鋁壓電膜；柔性襯底無需加熱，對基體不產生損傷。
圖1是本發明的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的設備之剖面示意圖。圖2是本發明的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜示意圖。圖3是實施例1所獲得的樣品的XRD圖。圖4是實施例1所獲得的樣品的SEM圖。附圖標號說明1-冷卻裝置，Ia-冷卻劑，Ib-柱狀圓筒體，Ic-柱狀圓筒面，2-柔性襯底，3-底金屬層，4-氮化鋁壓電薄膜，5-真空腔，6-透明視窗，7-激光器，8-紫外線燈， 9-隔板，10-濺射氮化鋁的磁控濺射靶，11-擋膜板，12-濺射底金屬層的磁控濺射靶，13-真空抽氣機組，14-氬氣(Ar)流量控制器、15-氮氣(N2)流量控制器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。參照圖1，這是制備本發明的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的設備之剖面示意圖，它包括真空腔5，連接在所述真空腔5上的真空抽氣機組13，氬氣和氮氣的流量控制器14、15，濺射氮化鋁和底金屬層磁控濺射靶10、12，紫外線燈8或激光器7以及基片冷卻裝置1等部件。經過電子清洗劑擦洗、去離子水超聲清洗和無水乙醇超聲清洗并干燥后的柔性襯底2緊貼在所述冷卻裝置1的冷卻表面Ic上，冷卻裝置1可以是能夠轉動的平面結構或者能作卷繞運動的柱狀圓筒結構，冷卻劑可以是水、液氮、氟利昂的一種； 所述的柔性襯底2為聚脂、聚酰亞胺、液晶聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯對苯二甲酯、聚丙烯己二酯、 聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龍中的任一種熱穩定性優良、耐腐蝕性好的有機材料制備的薄膜，柔性襯底厚度為5 200 um ；在冷卻裝置1的上方分別布置了濺射底金屬層3的磁控濺射靶12和濺射氮化鋁壓電薄膜4的磁控濺射靶10，濺射靶12 與10之間設置了一個用來屏蔽另一個濺射靶膜層的可以轉動的擋膜板11，所述的磁控濺射靶12、10為平面靶磁控濺射源、柱型靶磁控濺射源、S-槍磁控濺射源或它們的孿生靶的一種；在冷卻裝置1的上方還布置了一個進行在線輻照的紫外輻照器8或7，所述的紫外線輻照器是波長為10 400 nm的安裝在真空腔內的紫外線燈8或者是布置在真空腔外的激光器7 ；為了防止紫外燈8被污染，在紫外燈8與濺射靶10之間還設置了一個用來擋膜的隔板9，如果采用激光器進行輻照，激光器7—般布置在真空腔體外，其激光束通過設置在真空腔體上的透明視窗6進入真空腔；真空抽氣機組13、氬氣(Ar)流量控制器14、氮氣( ) 流量控制器15分別連接在真空腔體5上。參照圖2，這是本發明所制備的柔性襯底氮化鋁壓電薄膜示意圖，它包括柔性襯底 2和依次沉積在柔性襯底2上的底金屬層3和氮化鋁壓電薄膜4.
再參照圖1，當真空抽氣機組13將裝有柔性襯底2的真空腔體抽到10_7 10_3 Pa高真空后，氬氣流量控制器14向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氬氣，維持真空腔內氬氣的壓強在2X KT1 8X KT1 Pa范圍內，采用磁控濺射的方法制備作為底電極或者過渡層的底金屬層3 ；所述的底金屬層為鋁、金、銀、銅、鐵、鉬、鈦、鎳、鉻、鎢、鉬、鋅、鈷、鋯、鈮中的任意一種導電性能良好、與氮化鋁匹配的金屬材料，其厚度為10 500 nm，柔性壓電薄膜做成器件時，一般都要在壓電薄膜的兩個表面鍍覆電極，本步驟所制備的底金屬膜層3既作為底電極，同時也過渡、匹配了柔性襯底與氮化鋁薄膜的熱力學特性。鍍完底金屬層3后，通過流量控制器14、15向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氮氣和氬氣的混合氣體，氮氬比為0. 3 2，工作氣體總壓強為3. 8X KT1 5X KT1 Pa。然后接通基片冷卻裝置1，對襯底進行冷卻，使柔性襯底在濺射過程保持低溫狀態，避免柔性薄膜在后續工藝中產生熱應力；本發明的整個過程中，柔性襯底2始終緊貼于冷卻裝置1的冷卻表面Ic上，冷卻裝置1可以是可以轉動的平面結構或者可以卷繞運動的柱狀圓筒結構。接下來進行紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜，開啟紫外燈8輻照柔性襯底，或者開啟激光器7對襯底進行掃描輻照，并啟動濺射氮化鋁的磁控濺射靶10，在已鍍覆底金屬層3的柔性襯底上反應濺射沉積氮化鋁薄膜4。所述磁控濺射源為平面靶磁控濺射源、柱型靶磁控濺射源、S-槍磁控濺射源或它們的孿生靶的一種，濺射方法為直流磁控濺射、射頻磁控濺射、中頻磁控濺射、非平衡磁控濺射等中的一種，濺射所用的靶材為純度99. 999%的金屬鋁靶，濺射的功率密度為2 25 W/cm2，靶材到襯底的距離為5 10 cm, 氮化鋁壓電薄膜厚度為200 5000 nm ；所述的輻照器可以是波長為10 400 nm的紫外燈8或激光器7的一種，紫外輻照用來提高濺射粒子的活性與遷移速度，實現在室溫下快速沉積擇優取向的氮化鋁薄膜。實施本發明所用的柔性襯底如果剛生產的并經過真空包裝，則不必進行清洗。完成上述工藝后，向磁控濺射鍍膜機真空腔中放入大氣，取出樣品。實施例1
將面積為10 cm X 10 cm的聚酰亞胺襯底用丙酮超聲清洗后，用去離子水超聲清洗 2遍，再用無水乙醇超聲清洗；然后用氮氣吹干，貼于磁控濺射設備真空腔中的冷卻平板上并抽真空，本底真空為5X10_4 Pa ；通入氬氣，調節流量，使得氬氣氣壓為2. 7 X KT1 Pa ；關閉襯底擋板，接通直流磁控濺射電源，調節功率為300 W，預濺金屬鋁靶20 min;打開擋板， 在聚酰亞胺襯底上沉積底金屬層鋁，厚度為70 nm ；關閉擋板，通入氬氣和氧氣，調節流量， 使得氮氬比保持為3 :2，工作總壓強為3.8ΧΚΓ1 Pa;接通放置于真空鐘罩內工作波長為 365 nm的紫外線燈進行在線紫外輻照；接通襯底冷卻裝置；采用直流磁控濺射，調節功率為沈01，在沉積有金屬過渡層的聚酰亞胺襯底上沉積氮化鋁薄膜，濺射時間為1 h，在室溫下所制備厚度為880 nm的氮化鋁壓電薄膜。然后向真空腔內放入大氣，取出樣品。圖3是本實施例所得到的樣品的XRD圖譜，圖中位于22. 4°和26. 1°的衍射峰為聚酰亞胺的峰， 36°為氮化鋁(002)衍射峰，38. 4°為金屬層鋁(111)衍射峰，表明聚酰亞胺柔性襯底上低溫生長了高c軸擇優取向氮化鋁壓電薄膜。圖4是本實施例所得樣品的SEM圖，由圖可以看出氮化鋁薄膜厚度為880 nm，膜層致密，晶粒程柱狀生長。
權利要求
1.一種柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟清洗柔性襯底；抽真空；制備底金屬層；充入工作氣體；接通襯底冷卻裝置；紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜；各步驟的內容如下清洗柔性襯底將有機柔性襯底用電子清洗劑擦洗后，用去離子水超聲清洗，再用無水乙醇超聲清洗，然后干燥；抽真空將上述經清洗的柔性襯底緊貼在磁控濺射鍍膜機的真空腔中的基片冷卻裝置表面，抽真空，使其真空度達到10_7 10_3 Pa ；制備底金屬層向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氬氣，維持真空腔內氬氣的壓強在2X KT1 8X KT1 Pa范圍內，采用磁控濺射的方法制備作為底電極或者過渡層的底金屬層；充入工作氣體采用流量控制器向磁控濺射鍍膜機真空腔中動態地通入氮氣和氬氣的混合氣體，氮氬比為0. 3 2，工作氣體總壓強為3. 8 X KT1 5 X KT1 Pa ；接通基片冷卻裝置對襯底進行冷卻，使柔性襯底在濺射過程保持低溫狀態；紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜接通紫外線輻照器進行在線輻照， 并啟動磁控濺射源，在已鍍覆底金屬層的柔性襯底上反應濺射沉積氮化鋁薄膜；完成上述工藝后，向磁控濺射鍍膜機真空腔中放入大氣，取出樣品。
2.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的柔性襯底為聚脂、聚酰亞胺、液晶聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯對苯二甲酯、聚丙烯己二酯、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜、尼龍中的任一種熱穩定性優良、 耐腐蝕性好的有機材料制成的薄膜，薄膜的厚度為5 200 um。
3.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的柔性襯底緊貼在所述的冷卻裝置的平面基板上或者柱狀圓筒面上，冷卻劑是水、液氮、氟利昂中的一種。
4.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的底金屬層為鋁、金、銀、銅、鐵、鉬、鈦、鎳、鉻、鎢、鉬、鋅、鈷、鋯、鈮中的任意一種導電性能良好、與氮化鋁匹配的金屬材料，其厚度為10 500 nm。
5.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的紫外線輻照器是波長為10 400 nm，布置在真空鐘罩內的紫外線燈或者是布置在真空鐘罩外的激光器。
6.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的磁控濺射源為平面靶磁控濺射源、柱型靶磁控濺射源、S-槍磁控濺射源或它們的孿生靶的一種。
7.根據權利要求1所述的柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法，其特征在于所述的氮化鋁壓電薄膜是采用直流濺射、射頻濺射、中頻濺射的一種磁控濺射方法制成的，濺射的功率密度為2 25 W/cm2，靶材到襯底的距離為5 10 cm，靶材為純度 99. 999%的金屬鋁靶，氮化鋁壓電薄膜厚度為200 5000 nm。
全文摘要
本發明屬于電子材料技術領域，特別是涉及一種柔性襯底上室溫反應濺射沉積氮化鋁壓電薄膜的方法；其特征在于，包括以下步驟清洗柔性襯底；抽真空；制備底金屬層；充入工作氣體；接通襯底冷卻裝置；紫外線在線輻照并反應濺射制備氮化鋁壓電薄膜；該方法的特點是襯底為柔性材料，制備的氮化鋁壓電薄膜可彎曲，膜層致密，不脫落，高c軸擇優取向，并且具有制造工藝簡單、可卷繞式(roll-to-roll)連續化生產、成本低廉的優點。
文檔編號C23C14/06GK102383095SQ20111034528
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者余德永, 馮斌, 周劍, 王德苗, 金浩 申請人:浙江大學, 浙江百士迪科技有限公司