一种钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的水基制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子新材料制备技术领域，特别涉及一种钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的水基制备方法。
【背景技术】
[0002]铁电压电薄膜是一类重要的功能性薄膜材料，多年来一直是铁电性研究和高技术新材料研究的前沿和热点。钙钛矿结构的(NaQ.5BiQ.5)Ti03-(K().5Bi().5)Ti03(NKBT)二元体系由于其较好的压电特性和高的居里温度被认为是很有应用前景的非铅铁电材料，已经成为十分重要的研究方向。同时，随着电子元器件小型化以及新型电子元器件的发展，材料的研究从体材料向薄膜材料转变。为了将NKBT 二元薄膜应用在小型化电子元器件，需要进一步提高和优化其压电特性。近年来，研究发现经过掺杂改性的(NaQ.5BiQ.5)Ti03薄膜由于其剩余极化、压电响应都有了很大提高，成为最具有应用前景的铁电材料之一 [A.Sasaki，T.Chiba,Y.Mamiya，E.0tsuki,Jpn.J.Appl.Phys.Part 1-Regul.Pap.Short NotesRev.Pap.，38:5564-67(1999);T.Yu，K.W.Kwok，H.L.W.Chan，Mater.Lett.,61:2117-20(2007)；S.Kuharuangrong ff.Schulze,J.Am.Ceram.Soc.,78:2274-78(1995)；J.Kreisel，A-M-GlazerjG-JonesjP.A.Thomas,L-AbellojG.Lucazeau，J.Phys.-Condes.Matter,12:3267-80(2000).]。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的不足，本发明提供了一种钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的水基制备方法，包括以下步骤:
[0004](I)制备具有Pt底电极的Si衬底；为了改善Si衬底与Sc掺杂的(Na0.85KQ.15)
0.5BiQ.5Ti(1—x)Scx03前驱体溶液之间的浸润性能，干燥之后的衬底还需要用快速热处理炉中在500°C?600°C下处理30秒?60秒并随炉冷却；
[0005](2)制备3(:掺杂的(恥0.851(().15)().收().511(1—#(^0办=0?0.4)前驱体溶液；
[0006](3)制备 Sc 掺杂的(Na0.ssK0.1s) 0.sB1.5Ti (1—x)Scx03 薄膜；
[0007]其中，步骤(2)中制备前驱体溶液时使用的溶剂为去离子水。
[0008]进一步地，步骤(2)的具体操作为:
[0009](2.1)以去离子水作为溶剂，将异丙醇、乙酰丙酮和冰醋酸作为稳定剂加入去离子水中，在室温下搅拌0.5小时?1.0小时；
[0010](2.2)将钛酸四丁酯、硝酸铋、乙酸钾、乙酸钠和乙酸钪作为前驱体原料依次加入步骤(2.1)所得溶液中，在室温下搅拌1.0小时?2.0小时；由于在后续的热处理过程中会造成部分化、他和1(的挥发，因此在制备3(3掺杂的(他0.851(().15)().收().51^(1—#(^03前驱体溶液时会加入一定量过量的硝酸铋(10%?20%)、乙酸钠(5%?10%)和乙酸钾(5%?10%);
[0011](2.3)过滤步骤(2.2)所得溶液，并加入甲酰胺作为螯合剂，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)Q.5B1.5Ti(i—x)Scx03 前驱体溶液；
[0012](2.4)将所得前驱体溶液放置3个月?6个月。
[0013]由于在前驱体溶液制备过程中可能引入一些固体颗粒杂质，实验中采用MILLIP0RE公司的MILLEX-GP型薄膜过滤器进行实时过滤，其孔径为0.16微米?0.22微米，从而保证实验中使用溶液的纯度及后续形成的薄膜的质量。
[0014]进一步地，步骤(3)的具体操作为:
[0015](3.1)将步骤(2)所得前驱体溶液滴于步骤(I)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以300转/分?500转/分的转速匀胶6秒?10秒，使溶液能够均匀地分布在硅衬底表面并将多余的溶液甩离衬底表面;然后在4000转/分?6000转/分的转速下甩胶，时间为30秒?60秒;在步骤(3.1)的操作过程中，部分溶剂的挥发及伴随的缩聚反应使得前驱体溶液迅速地发生凝胶化转变，而高转速甩胶可使成膜表面光滑、厚度均匀；
[0016](3.2)将步骤(3.1)所得薄膜放入烘箱中进行干燥处理，温度为80°C?120°C，时间为10分钟?20分钟；
[0017](3.3)将步骤(3.2)所得薄膜放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为300°C?400°C，时间为2分钟?5分钟；
[0018](3.4)将步骤(3.3)所得薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600°C?800°C，退火时间为I分钟?4分钟；
[0019](3.5)重复步骤(3.1)-(3.4)，直至获得所需厚度的薄膜；
[0020](3.6)将薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600°(:?800°(:，退火时间为5分钟?10分钟，得到不同比例3(3掺杂的(恥0.851(().15)().收().511(11)Scx03薄膜。
[0021]进一步地，所述Sc掺杂的(Na0.85KQ.15)Q.5Bi().5Ti(1—x)Scx03薄膜厚度为300纳米?600纳米。
[0022]进一步地，所述前驱体溶液的浓度为0.05M?0.1M。
[0023]本发明针对传统的溶胶-凝胶法制备NKBT二元压电薄膜采用金属醇盐极易水解，遇水即形成大量沉淀的问题，提供了一种新的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的水基制备方法，优化了薄膜的制备工艺，提高了(NaQ.85KQ.15)().5Bi().5Ti03的铁电及压电特性，同时该水基制备方法还可应用在多元压电薄膜的制备中。
[0024]本发明的有益效果是:
[0025](I)本发明制备的(Na0.85KQ.15)().5Bi().5Ti(1—x)Scx03 二元压电薄膜结晶性能良好、表面致密均匀、界面清晰，薄膜压电特性提高；
[0026](2)制备过程中所需结晶温度较低，与电子压电器件集成工艺的兼容性好。
【附图说明】
[0027]图1为本发明制备的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的XRD衍射图。
[0028]图2为本发明制备的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的AFM和FSEM测试结果图；其中，图2(a)为X = 0.25时钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的AFM图，图2 (b)为x = 0.4时钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜表面的AFM图；图2(c)为x = 0.25时钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的FSEM表面图，图2(d)为X = 0.25时钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的FSEM断面图。
[0029]图3为本发明制备的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的压电特性曲线；图3(a)和图3(b)中，曲线3、13、(:、(1、6所对应的(似0.851(。.15)。^。.51^(1^)3(^03的叉值依次为0，0.05，0.15，0.25，0.4ο
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0031 ]实施例1 一种柱状钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜的水基制备方法
[0032](I)制备具有Pt底电极的Si衬底，具体方法为:
[0033](1.1)将硅基底按标准CMOS工艺进行表面处理和清洗；
[0034](1.2)采用热氧化法，在硅基底表面生成50纳米?100纳米厚的二氧化硅阻挡层；
[0035](1.3)采用磁控溅射法在二氧化硅阻挡层上制备20纳米?50纳米厚的二氧化钛粘结层；
[0036](1.4)采用磁控溅射法在二氧化钛粘结层上制备100纳米?200纳米厚的下电极金属层Pt;
[0037]为了改善Si衬底与Sc掺杂的(Na0.85K0.15)().5Bi().5Ti(1—x)Scx03前驱体溶液之间的浸润性能，干燥之后的衬底还需要用快速热处理炉中在500°C?600 °C下处理