[发明专利]制备由锆钛酸铅制成的薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备由呈111取向的钙钛矿结构的锆钛酸铅制成的薄膜的方法。

背景技术

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。

铂适用作布置在衬底上的薄膜下方的电极材料，因为铂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0.2μm到3μm的范围内的薄膜。溅射法将在1nm/min到7nm/min范围内的铅、锆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^-4C/m²到5·10^-4C/m²的范围内。

所述溅射法的缺点在于在1nm/min到7nm/min范围内的铅、锆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。

发明内容

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发明的有利具体实例。

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发明方法包含以下步骤：提供衬底温度超过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℃到550℃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11nm/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。WO00/17921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。本发明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0.2μm到3μm的范围内。