一种简便而有效的制备锆钛酸铅薄膜的方法

摘要

一种简便而有效的制备锆钛酸铅薄膜的方法,属于锆钛酸铅薄膜领域。前驱液以醋酸铅、丙醇锆、钛酸丁脂为原料,以乙二醇甲醚为溶剂,利用醋酸铅三个结晶水控制水解程度,按Pb∶Zr∶Ti=1∶X∶1－X,0.1≤X≤0.9配比,与目前采用的方法相比具有明显的优点:不需精馏,不需另加水,不加稳定剂,整个过程只需2小时;溶液存放周期长,且稳定性好,用此溶液借助甩胶法制备的PZT铁电薄膜性能良好。

说明书

本发明涉及一种铁电薄膜的制备方法，属于锆钛酸铅薄膜领域。

锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜由于其独特的铁电性在微电子领域中具有极大的应用前景，与半导体集成，可制备各种新型的集成电子器件，如非挥发铁电薄膜存储器(FeRAM)等。制备PZT铁电薄膜的方法有很多，如溅射法，金属有机化学法、电子束沉积法、激光法和溶胶-凝胶法等，其中溶胶-凝胶法具有成本低、处理温度低、易于大面积成膜的优点，从而成为最主要的方法之一。溶胶-凝胶法工艺通常包含水解反应，这与水的量有着密切的联系，精确控制溶液中的水分，是制备优质铁电薄膜的关键所在。为了制备高质量的前驱液，高纯的起始原料是必要的，所以配制前驱液前，首先要对原料进行多次精馏，以去除杂质和水分，每次制备薄膜时，再加入适当的水控制水解的速度和程度，因此整个过程比较繁琐，配制时间长。

本发明的目的在于提供一种简便的制备锆钛酸铅(PZT)薄膜的方法，特别是前驱液的配制，不需精馏，不需加水，不加稳定剂，利用醋酸铅中的三个结晶水，来控制水解程度，关键是先把含有3个结晶水的醋酸铅溶于乙二醇甲醚中充分溶解，再加入相应的锆、钛溶液，整个前驱液配制过程只需2小时，前驱液稳定性好，存放周期长，如存放100天后再制膜效果不变。用此前驱液制备的PZT铁电薄膜性能良好。

本发明的目的是通过下述配制过程实施的：

1、首先将含三个结晶水的醋酸铅溶于乙二醇甲醚，控制加热至70℃，搅拌30分钟，得到澄清的醋酸铅溶液。

2、将丙醇锆、钛酸丁酯分别溶于乙二醇甲醚，加热至50℃，搅拌5分钟。

3、按所需的Zr/Ti比，将丙醇锆溶液倒入钛酸丁酯溶液中搅拌10分钟。

4、铅、锆、钛三者比例克分子浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶X∶1-X，0.1≤X≤0.9，将锆钛混合溶液倒入冷却的醋酸铅溶液中，加热至50℃，搅拌10分钟，放置，使溶液水解。

5、将配制好的溶液用慢速定性滤纸过滤去除杂质，从而得到澄清的PZT前驱液。图1是制备前驱液的流程图。

6、制备PZT薄膜。将上述前驱液用甩胶成膜法制膜，选择Pt/Ti/SiO₂/Si为基片，甩胶速度控制在3000-5000转/分钟，时间30秒，然后放在320℃-420℃的热板上预处理5分钟，经过多次成膜-预处理-再成膜，获得一定厚度的PZT膜，再经600℃-650℃/10分钟氧气氛下迅速退火处理，得到结晶完善，择优取向的PZT薄膜。图2为本发明提供的方法制备的PZT(40/60)铁电薄膜的XRD谱，预烧结温度在320℃，显然在(111)面择优取向特征明显，而图3为该组分的SEM照片，从照片看显然晶粒尺寸均一，显微结构均匀。图4为该组分的铁电性能，它是用真空蒸发方法在PZT薄膜上沉积直径0.1-0.2mm的Au电极，用RT66A铁电测试仪测量的，图中表明，其剩余极化强度达26μC/cm²。

本发明提供的制薄膜的方法与目前采用的方法相比有明显的优点：不需精馏，不需另外加水，不需加稳定剂，整个过程只需2小时，前驱液存放周期长，稳定性好，存放100天后制膜，性能不变。

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。然而，本发明决非仅局限于所述的实施例。

实施例1

前驱液中金属离子摩尔浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.4∶0.6，其制备方法如图1所示，甩胶速度3300转/分钟，时间30秒，预处理温度320℃，时间5分钟，反复4次，获得厚度为2000的薄膜，经650℃/10分钟氧气氛下迅速退火处理，得到结晶完善、高度(111)择优取向的PZT薄膜，再在膜上蒸发Φ0.2mm的Au电极，测量其铁电性能。图2、3、4是PZT(40/60)薄膜的XRD谱、形貌、铁电性能，

实施例2

前驱液中金属离子摩尔浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.4∶0.6，前驱液放置100天后制膜，甩胶速度5000转/分钟，时间30秒，预处理温度370℃，时间5分钟，反复4次，获得厚度为1500的薄膜，经600℃/10分钟氧气氛下迅速退火处理，得到结晶完善，择优取向的PZT薄膜。其余同实施例1。

实施例3

前驱液中金属离子摩尔浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.3∶0.7，甩胶速度4000转/分钟，时间30秒，预处理温度420℃，时间5分钟，反复4次，获得厚度为1800的薄膜，经650℃/10分钟氧气氛下迅速退火处理，得到结晶完善，择优取向的PZT薄膜。其余同实施例1。

实施例4

前驱液中金属离子摩尔浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.2∶0.8，其余同实施例1。

实施例5

前驱液中金属离子摩尔浓度比为Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.52∶0.48，其余同实施例1。