專利名稱：一種制備大面積鐵電薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種勻膠法制備大面積鐵電薄膜的制備方法，更確切地說，涉及的是通過勻膠臺吸盤的氣路槽的改進和工藝參數的優化，實現4英寸大面積鐵電薄膜的制備。屬于鐵電薄膜制備領域。
背景技術：
鐵電薄膜由于其獨特的性能在微電子領域和光通訊中具有極大的應用前景，與半導體集成，可制備各種新型的集成電子器件，如非揮發鐵電薄膜存儲器，光波導器件等。制備薄膜的方法有很多，如濺射法，金屬有機化學法，激光法和溶膠凝膠法等。其中溶膠凝膠法具有成本低，處理溫度低，易于大面積成膜等優點，從而成為制備鐵電薄膜的主要方法之一。
溶膠凝膠法有二種成膜工藝，一種是勻膠法，一種是提拉法。其中勻膠法制備大面積鐵電薄膜通常是通過勻膠方法將溶液涂敷在襯底上，對制備大面積薄膜來說，其難點在于薄膜厚度的均勻性很難控制，從而影響薄膜的性能均勻性。
勻膠法制膜的工藝過程是先把基片放在勻膠臺的吸氣盤上，把配置好的溶液均勻地涂沒在基片上，利用機械泵抽氣使基片牢牢地吸在吸氣盤上，吸氣盤吸著基片經高速旋轉，使溶液在基片上形成一層厚度均勻的薄層，經過預燒結后，再重復以上的過程以達到所需的膜厚。吸氣盤對基片的吸力大小、模式直接影響了薄膜厚度的均勻性。一般的吸氣盤的吸氣槽是較深的園型，如圖1所示，吸氣槽較寬較深，甩膠時能把基片牢牢地吸在盤上。但有明顯的缺點，往往在緊貼在槽的上方的溶液與其他部位相比得到更大的吸力，容易沉積，成膜后在與吸氣槽相應的位置存在明顯的干涉條紋，隨著沉積次數增加，這種不均勻性更為顯著，造成膜性能的不均勻，而在實際應用中，對薄膜性能均勻性要求很高。若單單減小槽的深度和寬度，則片子會吸不住。
針對以上問題，本發明人通過吸氣槽的結構改進和工藝參數的優化處理，從而實現用溶膠法制備大面積鐵電薄膜。
發明目的本發明的目的在于提供一種用溶膠凝膠法制備4英寸或4英寸以上大面積鐵電薄膜的方法。
本發明的目的是通過下述方式實施的(1)首先，對勻膠法中使用的吸氣盤進行結構上改進常用的吸氣盤槽較寬(3mm)，也較深(1mm)，機械泵對基片的吸力很不均勻，當基片高度旋轉時，對應于槽上的溶液由于有較大的吸力而甩不開，容易產生厚度不均勻的衍射環。而使用經改進后的吸氣盤，減小了槽的寬度(0.8-1.5mm)和深度(0.5-0.8mm)，從而有效地增加了槽的數量，由原來的圓環狀改成發射狀，使吸氣盤上的基片均勻地受到機械泵的吸力，從而使溶液經高速旋轉后能均勻地分布在基片上，消除了衍射環，厚度的均勻性大大提高。
(2)按欲制備的鐵電薄膜組份，配置成溶液，選定基片，并對甩膠速度、時間和次數以及退火處理工藝條件作了優化處理。
通常對純鋯鈦酸鉛或摻鑭鋯鈦酸鉛鐵電薄膜，甩膠速度控制在3000-5000轉/分鐘，時間20-40秒，然后放在320℃-420℃的熱板上預燒結10-15分鐘，經5-10次成膜-預燒結-再成膜制成的鐵電薄膜，再經650-750℃在氧氣氛下10分鐘快速退火處理，得到結晶完善、厚度和性能均勻的鐵電薄膜。
本發明提供的制備均勻4英寸或更大面積鐵電薄膜的方法比先前采用的方法的明顯優點是使用經結構改進的吸氣盤后，它能使機械泵對基片的吸力均勻地分布在基片上，對槽上的溶液吸力均勻，勻膠后溶液能均勻地涂抹在基片上，用此吸氣盤成功地制備成性能優良的4英寸的PZT鐵電薄膜，厚度均勻性和性能均勻性偏差分別為2.5％和3％，薄膜的鐵電性能為剩余極化強度Pr≥30μC/cm2，可翻轉極化強度dP≥42μC/cm2。(詳見實施例)
圖1先前常用吸氣盤圖2本發明改進后的發射狀吸氣盤圖3實施例1中4英寸鐵電薄膜的測試部位示意4為實施例1中1-13各測試點厚度分布圖，圖橫座標為圖3所示的1到13的測試位置，縱座標為厚度(nm)具體實施方式
本發明提供的制備均勻大面積鐵電薄膜的方法比以前采用的方法所制備的薄膜有明顯的優點。下面通過實施例進一步闡明本發明的實質性特點和顯著的進步面。本發明決非僅局限于所述的實施例。
實施例1制備4英寸PZT(40/60)鐵電薄膜。首先配置溶液，溶液中金屬離子摩爾濃度比為Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.4∶0.6。用4英寸的Pt/Ti/SiO2/Si做基片，將基片放在改進后吸氣盤上，吸取一定量的溶液均勻地滴在基片上，開始甩膠，甩膠速度控制在3300轉/分鐘，時間30秒，停止后取下基片放在平板爐上進行預燒結，溫度320℃度，時間5分鐘，反復四次，獲得一定厚度的PZT薄膜，在氧氣氛下經650度10分鐘快速退火處理，得到結晶完善，高度擇優取向的4英寸鐵電薄膜。用光刻的方法在4英寸鐵電薄膜片子的不同部位刻出薄膜臺階，用測厚儀測試厚度，再在不同的部位用蒸發的方法制備的Φ0.2mm的Au電極，用鐵電測試儀測其鐵電性能。圖3給出了4英寸鐵電薄膜測試部位圖，圖4和表1給出了其相應的厚度和鐵電性能。
測定的圖3所示的標號為1-22各點的厚度分別為1、170.5nm 2、171nm3、170nm 4、171.5nm 5、172nm 6、175nm 7、170nm 8、168nm9、168nm 10、173.5nm 11、173.5nm 12、168nm 13、170nm 14、171.5nm 15、172nm 16、172.5nm 17、172nm 18、175nm 19、173nm 20、174nm 21、176nm 22、172nm本實施例使用的吸氣盤如圖2所示，槽寬度減少到1.2mm，深度為0.8mm。較先前使用的吸氣盤，其槽的數量增加而槽的深度減小。
表1.利用本發明提供的改進型吸氣盤后制備的4英寸鐵電薄膜鐵電性能
Pr剩余極化強度，dP可翻轉極化強度，Vc矯頑電壓，I漏電流。
實施例2制備4英寸PLZT(12/40/60)鐵電薄膜，用Pt/Ti/SiO2/Si做基片，溶液中的金屬摩爾濃度比為Pb∶La∶Zr∶Ti＝0.91∶0.09∶0.4∶0.6，甩膠速度5000轉/分鐘，時間30秒，預處理時間5分鐘，反復7次，經730℃，10分鐘氧氣氛下迅速退火處理，得到結晶完善，表面無衍射環，擇優取向的PLZT薄膜。使用經改進的發射狀吸氣盤，吸氣盤的槽寬為1mm，深度為0.8mm，從而使槽的數量增加，所得的薄膜的性能良好。
權利要求
1.一種大面積鐵電薄膜的制備方法，按制備的鐵電薄膜的配置成溶液，選定基片，然后用勻膠法制備薄膜，其特征在于基片放在改進后的發射狀吸氣盤上，將溶液均勻滴在基片上，甩膠速度控制在3000-5000轉/分鐘，時間20-40秒；然后放在320-420℃的熱板上預燒結10-15分鐘，經5-10次成膜—預燒結—再成膜制成鐵電薄膜，最后經650-750℃，氧氣氛下快速退火處理；所述的改進后發射狀吸氣盤圓槽的寬度為0.8-1.5mm；深度為0.5-0.8mm。
2.按權利要求1所述的大面積鐵電薄膜的制備方法，其特征在于所述的基片為4英寸的Pt/Ti/SiO2/Si圓片。
3.按權利要求1所述的大面積鐵電薄膜的制備方法，其特征在于所述快速退火處理時間為10分鐘。
4.按權利要求1所述的大面積鐵電薄膜的制備方法，其特征在于所述的吸氣盤槽的寬度為1mm，深度為0.8mm。
全文摘要
本發明涉及一種制備均勻大面積鐵電薄膜的方法，屬于鐵電薄膜制備領域。其特征在于采用化學勻膠成膜的方法制備鐵電薄膜。關鍵是改進了勻膠臺吸盤的氣路槽和優化工藝參數。設計的氣路槽寬減小至0.8－1.5mm，槽深減至0.5－0.8mm，增加了槽的數量由圓環狀改為發射狀，且工藝參數優化，與原來較深的圓槽相比，勻膠后的膜顏色均勻，沒有衍射環，所制備的4英寸PZT鐵電薄膜厚度均勻性和性能均勻性偏差分別為2.5％和3％。
文檔編號H01L41/22GK1581530SQ200410018579
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者仇萍蓀, 丁愛麗, 何夕云, 程文秀, 鄭鑫森 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所