制备由锆钛酸铅制成的薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法，其包含以下步骤：提供衬底温度高于450℃的衬底以及铅靶材、锆靶材和钛靶材；通过将来自相应靶材的铅、锆和钛溅射到所述衬底上来施加所述薄膜，其中铅、锆和钛的总沉积速率大于10nm/min，选择锆的沉积速率以使得所述薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.2与0.3之间，且视衬底温度以及铅、锆和钛的总沉积速率而定，选择足够低的铅的沉积速率以使得111取向的锆钛酸铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值（19）；以及完成所述薄膜。

Process for the preparation of films made from lead zirconate titanate

The present invention relates to a method for preparing thin film made of lead zirconate titanate perovskite structure is made of 111 orientations, which comprises the following steps: providing a substrate temperature higher than 450 DEG C substrate and target, the target and the lead zirconium titanium target material; applying the film by up from the corresponding target lead, zirconium and titanium sputtering shoot to the substrate, wherein the total deposition rate of lead, zirconium and titanium is greater than 10nm/min, so as to choose the deposition rate of zirconium atom concentration of zirconium in the film with zirconium and titanium atom concentration between 0.2 and 0.3, and the substrate temperature as well as lead, zirconium and titanium and the total deposition rate. Choose the deposition rate is low enough to make the lead X ray diffraction pattern of lead zirconate titanate 111 orientation has a significant peak at 33 degrees to 35.5 degrees the diffraction angle range (19) and the completion of the film.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法。
技术介绍
由锆钛酸铅制成的薄膜用于利用锆钛酸铅的有利的介电、热电和压电性质的电子组件中。这一类型的电子组件为例如电容器、热电检测器、压电致动器或半导体记忆储存器。为了通过常规手段制造所述组件，将第一电极层沉积在衬底上，然后在其上沉积由锆钛酸铅制成的薄膜，且于其上沉积第二电极层。由锆钛酸铅制成的薄膜是用已知的薄膜法制造，所述薄膜法为溅射法、CVD法或溶胶-凝胶法。在溅射法中，使氩气和氧气的气体混合物在真空中借助于高电压而电离成等离子体。铅、锆和钛各自以靶材形式提供，其中所述靶材在电路中作为阴极连接，且衬底作为阳极连接。在溅射期间，原子从靶材中敲出且沉积在衬底上，形成薄膜。衬底常规上是硅晶片，在后续加工步骤中，这种硅晶片以类膜方式制造。钼适用作布置在衬底上的薄膜下方的电极材料，因为钼可以在溅射期间在高衬底温度下和在含氧气氛中经受住锆钛酸铅的沉淀条件，而不会遭到损坏且不会发生扩散到薄膜中的情况，这种扩散可能导致组成不利地改变且由此导致薄膜性质劣化。薄膜的热电性质的配置取决于具有铅、锆和钛的薄膜的组成。为了在红外传感器中使用薄膜，以自偏振方式使用溅射法来制造薄膜，特别是厚度在0.2 μ m到3 μ m的范围内的薄膜。派射法将在lnm/min到7nm/min范围内的铅、错和钛的总沉积速率下进行，其中薄膜被配置成具有111取向的钙钛矿结构，且薄膜的热电系数在2.10_4(:/πι2到5.10_4(:/πι2的范围内。所述派射法的缺点在于在lnm/min到7nm/min范围内的铅、错和钛的总沉积速率仅代表薄膜的低制备速度，使得使用这一溅射法仅可实现薄膜的低生产率，从而使得这种制备薄膜的溅射法的经济生存力较低。
技术实现思路
本发 明的一个目的是提供一种制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法，其中薄膜的高生产率可以使用所述方法实现，不过这种薄膜具有高热电系数。这一目标是使用权利要求1、10和11的特征来实现。在其他权利要求中揭示本专利技术的有利具体实例。制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的本专利技术方法包含以下步骤:提供衬底温度超过450°C的衬底以及铅靶材、锆靶材和钛靶材；通过将来自相应靶材的铅、锆和钛溅射到衬底上来施加薄膜，其中铅、锆和钛的总沉积速率大于10nm/min，选择锆的沉积速率以使得薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.2到0.3的范围内，且视衬底温度以及铅、锆和钛的总沉积速率而定，选择足够低的铅的沉积速率以使得111取向的钛酸锆铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值；以及完成所述薄膜。将来自相应靶材的铅、锆和钛溅射到衬底上优选地以共焦方式和/或同时进行。还优选的是，选择铅的沉积速率以使得薄膜中铅的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在1.1到1.3的范围内。优选地，在500°C到550°C的范围内的衬底温度下铅、锆和钛的总沉积速率经选择在介于llnm/min与13nm/min之间的范围内，其中优选地,选择铅的沉积速率以使得薄膜中铅的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在1.24到1.29的范围内，且优选地，选择锆的沉积速率以使得薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.25到0.29的范围内。薄膜的X射线衍射图的显著峰值优选地在34°到34.5°的衍射角范围内。还优选的是，X射线衍射图中的显著峰值是由薄膜中二氧化锆晶体的薄膜产生的。可以想到氧化锆为二氧化锆或三氧化锆等。优选地施加薄膜以使得薄膜自偏振。W000/17921揭示一种制备自偏振铁电层(特别是由锆钛酸铅制成)的方法。本专利技术方法优选地还包含以下步骤:使薄膜偏振以使得所述薄膜的热电系数大于10_4C/m2。薄膜的厚度优选地在0.2 μ m到3 μ m的范围内。使用本专利技术方法制备的薄膜宜具有大约在1.2.10_4C/m2到5.10_4C/m2范围内的高热电系数，不过总沉积速率大于10nm/min。通过本专利技术方法在超过10nm/min的有利的高总沉积速率下制备的薄膜可以实现这种有利的高热电系数，其中选择锆的沉积速率以使得薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.2到0.3的范围内，且视衬底温度以及铅、锆和钛的总沉积速率而定，选择足够低的铅的沉积速率，使得111取向的锆钛酸铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值。优选地,铅、错和钛的总沉积速率在10nm/min到50nm/min的范围内，其中根据本专利技术制备的薄膜优选地在其X射线衍射图中在34°到34.5°的衍射角范围内具有显著峰值。由于根据本专利技术制备的钛酸锆铅的X射线衍射图中的显著峰值在33°到35.5°且优选地在34°到34.5°的衍射角范围内出现，因此薄膜中形成由氧化锆晶体产生的另一个相。氧化锆可以为二氧化锆或三氧化锆等。然而，如果薄膜在550°C的衬底温度下制备，其中铅的沉积速率经选择使得锆钛酸铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内不具有显著峰值，那么根据本专利技术可实现的高热电系数仅可在铅、锆和钛的总沉积速率小于10nm/min时实现。由于在本专利技术制备方法的情况下有可能选择较高(具体地说高于10nm/min)的铅、锆和钛的总沉积速率，所以使用本专利技术的方法可以快速而经济地制备薄膜，不过所述薄膜仍具有高热电系数，具体地说在1.2.10_4C/m2到5.10_4C/m2的范围内。因此，在铅、锆和钛的总沉积速率大于10nm/min的情况下，宜制备薄膜以使得薄膜的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值，因为作为其结果，薄膜的热电系数较高。为了能制备呈钙钛矿结构的锆钛酸铅，应选择高于450°C的衬底温度。薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度基本上不依赖于衬底温度的水平。然而，由于铅相对于衬底温度具有低蒸发温度，因此必须与所选衬底温度相应地调节铅的沉积速率相对于锆和钛的沉积速率的比率，以补偿在高衬底温度下铅从衬底中的较高蒸发。类似地，在选择低衬底温度的情况下，由于铅的蒸发减少，因此必须相应地减小铅的沉积速率。然而，如果在较低衬底温度下，铅的沉积速率应过高，那么薄膜中铅的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度过高，由此无法实现锆钛酸铅的111取向。为了获得锆钛酸铅的钙钛矿结构的111取向，沉积的铅、锆和钛在选择为相应较高的衬底温度下应具有活化能，使得锆钛酸铅以111取向的钙钛矿结构配置。当溅射铅时，优选地将锆和钛同时施加到衬底上，以使铅、锆和钛形成呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅。原则上，需要在铅、锆和钛的最高可能沉积速率下进行溅射以使得在薄膜制备期间的生产率较高。然而，在铅、锆和钛的沉积速率被不适宜地设置成较高的情况下，铅、锆和钛不再有充足时间变为以111取向的钙钛矿结构布置，这是因为每单位时间从靶材中沉积过多材料到衬底上。为了对其作补偿，可以进一步升高衬底温度，其中衬底温度的升高将必然与活化能的增加相关联，由此增加铅、锆和钛变为以111取向的钙钛矿结构布置的机率。然而，在这种情形下，由于衬底温度升高，因此铅的沉积速率将增加。本专利技术电子组件具有作为衬底的膜和施加到所述膜上的薄膜，其中所述薄膜是使用本专利技术方法由呈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法，其包含以下步骤：提供温度超过450℃的衬底以及铅靶材、锆靶材和钛靶材；通过将来自所述相应靶材的铅、锆和钛溅射到所述衬底上来施加所述薄膜，其中，铅、锆和钛的总沉积速率大于10nm/min，选择锆的沉积速率以使得所述薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.2到0.3的范围内，且视所述衬底温度以及铅、锆和钛的总沉积速率而定，选择足够低的铅的沉积速率以使得111取向的锆钛酸铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值（19）；以及完成所述薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.15 DE 102011000752.01.一种制备由呈ill取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法，其包含以下步骤: 提供温度超过450°c的衬底以及铅靶材、锆靶材和钛靶材； 通过将来自所述相应靶材的铅、锆和钛溅射到所述衬底上来施加所述薄膜， 其中， 铅、错和钛的总沉积速率大于IOnm/min, 选择锆的沉积速率以使得所述薄膜中锆的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在0.2到0.3的范围内，且视所述衬底温度以及铅、锆和钛的总沉积速率而定，选择足够低的铅的沉积速率以使得111取向的锆钛酸铅的X射线衍射图在33°到35.5°的衍射角范围内具有显著峰值(19);以及 完成所述薄月旲。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述将来自所述相应靶材的铅、锆和钛溅射到所述衬底上是以共焦方式和/或同时进行的。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，选择铅的沉积速率以使得所述薄膜中铅的原子浓度相对于锆和钛的原子浓度在1.1到1.3的范围内。4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，在500°C到550°C的范围内的衬底温度下铅、错和钛的总沉积速率经选择在介于llnm/min与13...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯顿·吉伯乐，尼尔·康威，
申请(专利权)人：派洛斯有限公司，
类型：
国别省市：