[發明專利]ZnO納米晶須增強硅基鋯鈦酸鉛壓電復合厚膜的制備方法

無效

• 申請號: 200910082803.5
• 申請日: 2009-04-22
• 公開（公告）號: CN101533889A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 曹茂盛;段中夏;趙全亮;袁杰;路冉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01L41/22
• 分類號: H01L41/22;C04B35/81;C04B35/491;C04B35/622
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明涉及一種ZnO納米晶須增強硅基鋯鈦酸鉛壓電復合厚膜的制備方法，屬于電子材料領域。

背景技術

鋯鈦酸鉛即PZT，其化學式為PbZr_xTi_1-xO₃，屬于ABO₃型鈣鈦礦結構的二元系固溶體(PbZrO₃和PbTiO₃的固溶體)。在每個鈣鈦礦元胞中，鉛離子(Pb²⁺)占據8個頂點的位置，氧離子(O^2-)占據6個面心，鋯或鈦離子(Zr⁴⁺/Ti⁴⁺)位于八面體中心位置。鋯和鈦離子半徑分別為0.072(nm)和0.061(nm)均小于八面體的空位，所以在外加電場或壓力之后可以發生位移，同時氧離子將向鋯、鈦離子的反方向發生位移，從而電子云畸變，正負電荷重心不重合而形成極化。PZT具有優異的熱釋電、壓電和鐵電特性，被廣泛地應用于電子、航天等高技術領域，用于制備制動器、換能器、存儲器等電子元器件。近年來，隨著微機電系統技術的迅速發展，PZT薄膜材料以尺寸小、重量輕、工作電壓低、具有高壓電常數和高機電耦合系數等優點越來越引起大家的關注，成為微機電系統(MEMS)中最有前途的傳感和驅動材料之一，主要用于制作鐵電存儲器、熱釋電紅外探測器、壓電驅動器、鐵電聲納換能器、聲壓傳感器等MEMS器件。

PZT薄膜材料(＜1μm)雖然具備許多的優點，但由于其具有很強的表面、界面效應，尤其是薄膜與電極之間的界面效應在很大程度上影響了器件的性能，另外，PZT薄膜易受外界電、光、熱和力等因素激勵的影響，還有PZT薄膜壓電性能不足、驅動力小，限制了其應用，同時受本身制備工藝的影響，較難制備出大面積均勻、無微空隙且均勻度、一致性好和漏電導很小的膜層。而PZT壓電厚膜兼顧了塊體材料和薄膜的優點，工作電壓低，輸出信號高，噪音低，使用頻率范圍寬，可承受較大的工作電壓，符合微電子機械系統器件小型化、平面化的要求，與半導體集成電路兼容，并且PZT厚膜與薄膜相比具有更大的驅動力和壓電性能，因而成為目前國內外科學工作者研究的熱點之一。國內外一些研究者已經采用不同的方法制備出了厚度大于1μm的PZT厚膜，如：1996年，Barrow等人運用改進的Sol-Gel法，在不同的基底上制備了大于10μm的PZT厚膜(US5585136)；2001年，韓國的KIM等用絲網印刷法制備了25μm的PZT厚膜，(WO/2001/088222)；國內，2001年，上海硅酸鹽研究所的丁愛麗等用改進的Sol-Gel法，制備了3.5μm的PZT厚膜(CN1288976)；2004年，中科院上海技術物理研究所的胡淑紅等用Sol-Gel法在SrTiO₃基片上制備了(001)取向的PZT厚膜，(CN1522985)。但是，目前采用傳統化學方法制備PZT厚膜容易產生微裂紋，嚴重影響厚膜的工作性能，甚至導致其失效，另外，還存在表面粗糙度大等問題，限制了厚膜的發展和應用；采用改進的傳統工藝后，如采用0-3復合、非壓電相、聚合物等低壓電相的增強方法，即使減少了微裂紋的產生，PZT厚膜的力學性能還是不盡人意，工作易疲勞、穩定性差，而且壓電性能損失較大。因此如何能夠既可以提高PZT膜厚度、防止膜開裂，又可以改善PZT厚膜表面質量，改善其壓電性能和力學性能仍然是急需解決的問題。

近年來，美國Georgia理工大學王中林小組制備了各種形貌的ZnO納米結構，首次測試了ZnO納米線結構壓電性能，此后，他們又分別在塑料基體上生長了具有強壓電性的ZnO納米線陣列和用于能量采集的微纖維和納米線混合結構，并預測了其良好的壓電性能具有廣泛的研究與應用前景。因此，由納米結構ZnO材料與傳統的PZT材料形成的復合材料，不僅可以保持良好的壓電性能，更可以提高PZT的力學性能。

PZT膜在微傳感器和微驅動器的應用中，必須以特定的物理結構與提供MEMS器件所需的電子和機械功能的Si基片集成。MEMS器件在基底材料和壓電膜之間是底電極，其結構的設計既要保證界面的結合性能，又要防止界面的擴散效應，同時，還要求在高溫時底電極和PZT膜不發生相互反應，由于底電極既提供一個電接觸，又是壓電膜直接生長的表面，所以要求底電極具有好的導電性，并與PZT膜在結構上相匹配，通常采用的是Pt電極，但由于其界面結合力不高及熱處理時易發生剝落脫層現象及易形成金屬硅化物，故電極不能直接沉積在基底材料上，可先濺射一層Cr過渡層，形成Pt/Cr/SiO₂/Si襯底結構。