专利名称：两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备钜钪酸铅基铁电薄膜的方法。
背景技术：
铁电薄膜具有铁电性、压电性、热释电效应、声光效应、光折变效应、非线性光学 效应等性质，因而可以利用这些性质中的一种性质做功能器件，也可以通过交叉耦合综 合利用两种或两种以上的性质做功能器件，还可以与其它材料的功能效应结合制成集成 功能器件，有着非常广阔的应用前景。钽钪酸铅Pb(Sca5Tao.5)03铁电薄膜是具有很高热释电系数的铁电薄膜材料，但其结 晶温度很高。目前，已经被广泛研究的钽钪酸铅基铁电薄膜大多采用在高温(一般在 700 80(TC)下保温的方法进行退火处理以获得高度晶化的薄膜。由于在这样的高温下 Si基半导体器件会被破坏，因此，难以实现钽钪酸铅基铁电薄膜与Si基半导体器件的 集成。再则，由于铅的熔点较低(327 'C)并且易挥发，高温下保温退火易引起铅的大量 挥发损失，往往导致钽钪酸铅基薄膜的成分偏离从而出现杂相，影响钽钪酸铅基薄膜的 性能。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种两步法退火制备钽钪酸铅基铁电 薄膜的方法，以解决钽钪酸铅基铁电薄膜的成分偏离问题，并有利于实现钽钪酸铅基铁 电薄膜与Si基半导体器件的集成。实现本发明目的的主要技术技方案是在对钽钪酸铅基铁电薄膜退火时，采用先快 速升温到一定的高温(即常规退火工艺所需的温度)不进行保温，然后立即将温度降低 200。C 30(TC进行保温的两步法快速退火工艺。这样即可避免在高温下长时间保温导致 铅的大量损失和Si基半导体器件被破坏。本发明所述两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，工艺步骤包括制备过渡 层、制备钽钪酸铅基铁电薄膜、钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理；钜钪酸铅基铁电薄膜 的退火处理是将钽钪酸铅基铁电薄膜放入退火炉中，在氧气流中以4(TC/秒的升温速率 升温至800。C 850。C后即刻停止加热，使其随炉冷却至500。C 60(TC保温3分钟~5分钟，然后随炉冷却至室温(退火工艺的温度-时间示意图见图1)。上述方法中，制备过渡层以Pt/Ti/Si02/Si为基片，过渡层的材料为Lao.5Sro.5Co03或 LaNi03或SrRu03，它们的晶格常数介于钽钪酸铅和基片之间且具有钙钛矿结构。制备 过渡层的方法有溶胶-凝胶法、溅射法、脉冲激光沉积、分子束外延法等方法，本发明 选用溅射法，溅射结束后，将沉积了过渡层的基片装入退火炉中，以40'C/s升温速率 升温至65(TC保温lmin，然后随炉冷却至室温。上述方法中，制备钽钪酸铅基铁电薄膜是在沉积了过渡层的基片上溅射钽钪酸铅基 铁电薄膜，溅射条件如下本底真空度《3X10^Pa，所用气氛为氧氩混合气，02与Ar的流量比为1:4,溅射 气压为2Pa，溅射功率60W，溅射过程中基片的温度控制在350'C 40(TC。采用溅射法制备过渡层和钽钪酸铅基铁电薄膜时，溅射时间由过渡层、钽钪酸铅基铁电薄膜所要求的厚度决定。 本发明具有以下有益效果-1、 采用本发明所述方法制备的钽钪酸铅基铁电薄膜钙钛矿相纯度高，可达100%。2、 采用本发明所述方法，有利于实现钽钪酸铅基铁电薄膜和Si基半导体器件集成。3、 本发明所述方法制备的钽钪酸铅基铁电薄膜不仅结晶性能好，表面均方根粗糙 度较低，而且还具有剩余极化强度高和高度择优取向的特点。
图1是本发明所述方法中钽钪酸铅基铁电薄膜的退火工艺温度-时间示意图；图2是实施例1制备的钽钪酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜(AFM)图谱；图3是实施例1制备的钽钪酸铅基铁电薄膜的X射线衍射(XRD)图谱，图中，LSCO是Lao.5Sro.5Co03的简写；图4是实施例1制备的钽钪酸铅基铁电薄膜的电滞回线图谱；图5是实施例2制备的钽钪酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜(AFM)图谱；图6是实施例2制备的钽钪酸铅基铁电薄膜的X射线衍射(XRD)图谱，图中，LSCO是Lao.5Sro.5Co03的简写。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明所述方法及所制备的钽钪酸铅基铁电薄膜作进 一步的说明。下述实施例中，所用磁控溅射装置为中国科学院沈阳科学仪器厂生产的JGP560C10 型高真空多功能磁控溅射装置。实施例l本实施例制备0.9SPb(Sco.5Tao.5)03-0.05PbTi03铁电薄膜(简写为PSTT5),工艺步骤 如下(1) 基片的处理基片选用Pt/Ti/Si02/Si，将基片在甲苯中超声波清洗5分钟，再在丙酮中超声波清 洗5分钟，最后在无水乙醇中超声波清洗5分钟。(2) 制备过渡层制备过渡层采用溅射法，将经步骤(1)清洗后的基片固定在溅射装置的基片位置 上。靶材为Lao.5Sra5Co03，按照Lao.5Sra5Co03的化学计量比称量原料PbO、 La203、 Co203 和SrC03，采用传统陶瓷合成工艺将原料制成靶材。将靶材固定在溅射装置的耙位置上， 靶与基片的间距为5cm。溅射条件如下本底真空度为3X10^Pa，所用气氛为氧氩混合 气，02的流量为10sccm， Ar的流量为40sccm，溅射气压为2Pa,基片温度控制在350 'C，基片自转速度为10转/分钟，溅射功率为60W，溅射时间为2小时，形成的过渡层 厚度约180nm。溅射结束后，取出沉积了过渡层的基片装入快速退火炉中，以40'C/秒升温速率升 温至65(TC保温1分钟，然后随炉冷却至室温。(3) 制备钽钪酸铅基铁电薄膜制备钽钪酸铅基铁电薄膜采用溅射法，将步骤(2)制备的退火处理后的沉积了过 渡层的基片固定在溅射装置的基片位置上。靶材为0.95Pb(Sc0.5Tao.5)03-0.05PbTi03，以 氧化铅(PbO)、氧化钛0102)、氧化钪(Sc203)、氧化钽(化205)为原料，按照 0.95Pb(Sco.5Tao.5)03-0.05PbTi03-0.1PbO (加入过量的O.lPbO是用来补偿烧结中Pb的损 失)的化学计量比称量原料PbO、 Ti02、 Sc203、 Ta205，采用传统陶瓷合成工艺将原料 制成靶材。将靶材固定在溅射装置的靶位置上，靶与基片的间距5cm。溅射条件如下 本底真空度为3Xl(T4Pa，所用气氛为氧氩混合气，02的流量为10sccm， Ar的流量为 40sccm，溅射气压为2Pa，基片温度控制在350°C，沉积了过渡层的基片自转速度为10 转/分钟，溅射功率为60W，溅射时间为2小时，形成的薄膜厚度约500nm。(4) 钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理 将步骤(3)制备的钽钪酸铅基铁电薄膜放入快速退火炉中，在氧气流(流量:2L/min)中以4(TC/秒的升温速率升温至80(TC后即刻停止加热，使其随炉冷却至550°C (约用10 秒时间)保温4分钟，保温结束后随炉冷却至室温。本实施例所获经两步法退火的钽钪酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜(AFM)扫描(扫 描范围为lumXlum)图谱见图2， X射线衍射(XRD)图谱见图3，电滞回线图谱见图 4。从图2可知，钽钪酸铅基铁电薄膜的均方根粗糙度(RMS)为4.065nm;从图3可以看 出，钽钪酸铅基铁电薄膜形成了高度(220)取向的完全钙钛矿结构的薄膜；从图4可以看 出钽钪酸铅基铁电薄膜的剩余极化强度尸r较大，2Pr为25.4tiC/cm2,而矫顽场&较小， 2&为175.4kV/cm。实施例2本实施例制备0.95Pb(Sco.5Taa5)03-0.05PbTi03铁电薄膜(简写为PSTT5)，工艺步骤 如下(1) 基片的处理基片选用Pt/Ti/Si02/Si，其清洗处理与实施例1相同。(2) 制备过渡层制备过渡层采用溅射法，将经步骤(1)清洗后的基片固定在溅射装置的基片位置 上。靶材为Lao.5Sro.5Co03，按照Lao.5SrQ.5Co03的化学计量比称量原料PbO、 La203、 Co203 和SrC03，采用传统陶瓷合成工艺将原料制成靶材。将耙材固定在溅射装置的耙位置上， 靶与基片的间距为5cm。溅射条件如下本底真空度为3X10々a，所用气氛为氧氩混合 气，02的流量为10sccm， Ar的流量为40sccm，溅射气压为2Pa，基片温度控制在400 °C，基片自转速度为10转/分钟，溅射功率为60W，溅射时间为2小时，形成的过渡层 厚度约180nm。溅射结束后，取出沉积了过渡层的基片装入快速退火炉中，以40'C/秒升温速率升 温至65(TC保温1分钟，然后随炉冷却至室温。(3) 制备钜钪酸铅基铁电薄膜制备钜钪酸铅基铁电薄膜采用溅射法，将步骤(2)制备的退火处理后的沉积了过 渡层的基片固定在溅射装置的基片位置上。靶材为0.95Pb(SC().5Taa5)O3-0.05PbTiO3，以 氧化铅(PbO)、氧化钛(Ti02)、氧化钪(Sc2Cb)、氧化钽(Ta20s)为原料，按照 0.95Pb(Sco.5TaQ.5)03-0.05PbTi03-0.1PbO (加入过量的O.lPbO是用来补偿烧结中Pb的损 失)的化学计量比称量原料PbO、 Ti02、 Sc203、 Ta205,采用传统陶瓷合成工艺将原料 制成靶材。将靶材固定在溅射装置的靶位置上，靶与基片的间距5cm。溅射条件如下 本底真空度为3X10^Pa，所用气氛为氧氩混合气，02的流量为10sccm， Ar的流量为 40sccm，溅射气压为2Pa，基片温度控制在400°C，沉积了过渡层的基片自转速度为10转/分钟，溅射功率为60W，溅射时间为2小时，形成的薄膜厚度约500nm。 (4)钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理将步骤(3)制备的钽钪酸铅基铁电薄膜放入快速退火炉中，在氧气流(流量:2L/min) 中以40'C/秒的升温速率升温至85(TC后即刻停止加热，使其随炉冷却至600°C (约用10 秒时间)保温3分钟，保温结束后随炉冷却至室温。本实施例所获经两步法退火的钽钪酸铅基铁电薄膜的原子力显微镜(AFM)扫描(扫 描范围为lymXlum)图谱见图5， X射线衍射(XRD)图谱见图6。从图5可知，钽钪 酸铅基铁电薄膜的均方根粗糙度(RMS)为4.764nm;从6可以看出，钽钪酸铅基铁电薄 膜形成了 (220)取向的完全钙钛矿结构的薄膜。
权利要求
1、一种两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，工艺步骤包括制备过渡层、制备钽钪酸铅基铁电薄膜、钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理，其特征在于钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理是将钽钪酸铅基铁电薄膜放入退火炉内，在氧气流中以40℃/秒的升温速率升温至800℃～850℃后即刻停止加热，使其随炉冷却至500℃～600℃保温3分钟～5分钟，然后随炉冷却至室温。
2、 根据权利要求1所述的两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，其特征在 于过渡层的材料为Lao.5Sr。.5Co03或LaNi03或SrRu03。
3、 根据权利要求1或2所述的两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，其特 征在于制备过渡层采用溅射法，溅射结束后，将沉积了过渡层的基片装入退火炉中，以 40°C/s升温速率升温至650 。C保温lmin，然后随炉冷却至室温。
4、 根据权利要求1或2所述的两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，其特 征在于制备钽钪酸铅基铁电薄膜是在沉积了过渡层的基片上溅射钽钪酸铅基铁电薄膜， 溅射条件如下本底真空度《3X10""Pa，所用气氛为氧氩混合气，02与Ar的流量比为1:4，溅射 气压为2Pa，溅射功率60W,溅射过程中基片的温度控制在35(TC 40(TC。
5、 根据权利要求3所述的两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，其特征在 于制备钽钪酸铅基铁电薄膜是在沉积了过渡层的基片上溅射钽钪酸铅基铁电薄膜，溅射 条件如下本底真空度《3Xl(^Pa，所用气氛为氧氩混合气，02与Ar的流量比为1:4，溅射 气压为2Pa,溅射功率60W，溅射过程中基片的温度控制在35(TC 40(TC。
全文摘要
一种两步法退火制备钽钪酸铅基铁电薄膜的方法，工艺步骤包括制备过渡层、制备钽钪酸铅基铁电薄膜、钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理；钽钪酸铅基铁电薄膜的退火处理是将钽钪酸铅基铁电薄膜放入退火炉内，在氧气流中以40℃/秒的升温速率升温至800℃～850℃后即刻停止加热，使其随炉冷却至500℃～600℃保温3分钟～5分钟，然后随炉冷却至室温。采用上述方法制备的钽钪酸铅基铁电薄膜钙钛矿相纯度可达100％，结晶性能好，表面均方根粗糙度较低，而且还具有剩余极化强度高和高度择优取向的特点。
文档编号H01L41/24GK101532175SQ20091005846
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者孙宇澄, 朱基亮, 朱建国, 李雪东, 肖定全 申请人:四川大学