【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电材料，尤其涉及一种锆钛酸铅薄膜及其低温制备方法与应用。
技术介绍
1、压电材料是指一系列能够在机械应力(如压力或振动)作用下表面发生电荷改变，其在表面施加电场时能形变的特殊材料，而这种机械能和电能相互转化的效应称为(逆)压电效应。常用的压电材料有石英(quartz)、钛锆酸铅(pzt)、氧化锌(zno)、氮化铝(aln)和一些聚合物材料(如pvdf等)。其中，pzt因其出色的压电、介电和铁电性能从众多压电材料中脱颖而出，被广泛应用于各式各样的传感器、执行器和换能器当中，如超声换能器成像阵列、声表面波(saw)器件、能量捕捉器、mems扬声器、mems加速度计、动态随机存取储存器(drams)、非易失性随机存取存储器(nvrams)等。
2、pzt材料按尺寸可分为陶瓷材料和薄膜材料两大类，其中，pzt陶瓷靠粉末混合烧制成型，可以精确控制各组分的比例，因此拥有较高的压电系数。然而，陶瓷宏观上表现为体块材料，厚度大，面积小，通量低，难以满足当下mems传感器和执行器越来越小型化、微型化的需求。pzt薄膜材料则使用半导体工艺制备，具有高集成度、高通量、低成本和便于小型化的优点，是近年来pzt材料的一个重要发展方向。pzt薄膜的主流制备方法有溶胶凝胶法(sol-gel process)，脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition，pld)和磁控溅射法(magnetron sputtering)三种。然而，现有pzt薄膜制备方法难以高通量的制备出结晶性好、晶向均一、内应力小和具有高压电系数的
3、因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锆钛酸铅薄膜及其低温制备方法与应用，旨在解决现有工艺制得的pzt薄膜内应力大，导致膜层表面破损的问题。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，包括步骤：
4、提供衬底；
5、将ti金属作为射频靶材在所述衬底上进行第一溅射沉积处理，形成ti粘附层；
6、在所述ti粘附层上形成底电极；
7、将pbxzr0.52ti0.48o3陶瓷作为射频靶材在所述底电极上进行第二溅射沉积处理，经快速热处理，形成pzt种子层；其中，x在1.1-1.3之间；
8、将pbxzr0.52ti0.48o3陶瓷作为射频靶材在所述pzt种子层上进行第三溅射沉积处理，经快速热处理，重复所述第三溅射沉积处理和所述快速热处理，形成锆钛酸铅薄膜。
9、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述衬底包括(100)晶向的单晶硅片、表面有sio2层的(100)晶向单晶硅片、(100)晶向的soi硅片中的一种。
10、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述第一次溅射沉积处理在惰性气氛下进行；所述第一次溅射沉积处理的腔室内气压为0.5mtorr-5mtorr，所述第一次溅射沉积处理的射频功率为50w-300w。
11、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理在惰性气体和氧气混合气氛下进行；所述惰性气体的气体流量为19sccm-77sccm，所述氧气的气体流量为0.4sccm-1sccm。
12、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理的射频功率为50w-80w；所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理过程中，用于承载所述衬底的托盘转速为6rpm-10rpm。
13、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述快速热处理的升温速率为2.5℃/s-10℃/s；所述快速热处理包括预退火阶段和退火阶段；所述预退火阶段的温度为450℃-550℃，所述预退火阶段的时间为60s-120s；所述退火阶段的温度为600℃-700℃，所述退火阶段的时间为2min-15min。
14、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述pzt种子层的厚度为30nm-100nm；单次所述第三溅射沉积处理后，在所述pzt种子层上形成300nm-600nm的锆钛酸铅薄膜。
15、所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其中，所述锆钛酸铅薄膜的厚度为1μm-2μm。
16、一种锆钛酸铅薄膜，利用锆钛酸铅薄膜的低温制备方法制得。
17、一种锆钛酸铅薄膜在微机电系统中的应用。
18、有益效果：本专利技术提供一种锆钛酸铅薄膜及其低温制备方法与应用，锆钛酸铅薄膜的低温制备方法包括步骤：提供衬底；将ti金属作为射频靶材在所述衬底上进行第一溅射沉积处理，形成ti粘附层；在所述ti粘附层上形成底电极；将pbxzr0.52ti0.48o3陶瓷作为射频靶材在所述底电极上进行第二溅射沉积处理，经快速热处理，形成pzt种子层；其中，x在1.1-1.3之间；将pbxzr0.52ti0.48o3陶瓷作为射频靶材在所述pzt种子层上进行第三溅射沉积处理，经快速热处理，重复所述第三溅射沉积处理和所述快速热处理，形成锆钛酸铅薄膜。本专利技术在溅射沉积pzt薄膜材料过程中不额外对衬底托盘进行加热，减少了pbo的损失挥发，能够有效维持薄膜组分稳定，同时避免了衬底托盘升降温时间，减少了pzt薄膜制备工时，优化了pzt薄膜材料的制备成本；并且，利用pzt种子层提供更多的晶核，促进pzt薄膜的均匀结晶，从而提高pzt薄膜的结晶质量和电学性能，减少晶界缺陷，并增强薄膜与衬底的附着力和稳定性；同时，该方法制得的pzt薄膜内应力小，膜层表面光滑平整。
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1.一种锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述衬底包括(100)晶向的单晶硅片、表面有SiO2层的(100)晶向单晶硅片、(100)晶向的SOI硅片中的一种。
3.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第一溅射沉积处理在惰性气氛下进行；所述第一溅射沉积处理的腔室内气压为0.5mTorr-5mTorr，所述第一溅射沉积处理的射频功率为50W-300W。
4.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理在惰性气体和氧气混合气氛下进行；所述惰性气体的气体流量为19sccm-77sccm，所述氧气的气体流量为0.4sccm-1sccm。
5.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理的射频功率为50W-80W；所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理过程中，用于承载所述衬底的托盘转速为6rpm-10rpm。
<...【技术特征摘要】
1.一种锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述衬底包括(100)晶向的单晶硅片、表面有sio2层的(100)晶向单晶硅片、(100)晶向的soi硅片中的一种。
3.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第一溅射沉积处理在惰性气氛下进行；所述第一溅射沉积处理的腔室内气压为0.5mtorr-5mtorr，所述第一溅射沉积处理的射频功率为50w-300w。
4.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理在惰性气体和氧气混合气氛下进行；所述惰性气体的气体流量为19sccm-77sccm，所述氧气的气体流量为0.4sccm-1sccm。
5.根据权利要求1所述的锆钛酸铅薄膜的低温制备方法，其特征在于，所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉积处理的射频功率为50w-80w；所述第二溅射沉积处理和所述第三溅射沉...
【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫，李云飞，刘荣跃，罗芹，詹绍虎，李义麟，徐靖夫，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
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