[發明專利]一種快速制備氧化鋯薄膜的低溫液相方法

在審

• 申請號: 201711233373.3
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107902694A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 夏國棟;涂廣升;王素梅
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: C01G25/02
• 分類號: C01G25/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于材料、化學及化工領域，特別涉及一種快速制備氧化鋯薄膜的低溫液相方法，氧化鋯薄膜在晶體管、太陽能電池、電容器等領域有重要應用前景。

背景技術

氧化鋯是一種重要的無機材料。氧化鋯薄膜具有良好的穩定性、較高的硬度、較大的帶隙、耐摩擦耐腐蝕以及優異的光學性能，使其在微電子器件、光學薄膜、強激光應用和記憶材料等領域中得到了廣泛的應用。特別是對于集成電路核心器件的金屬-氧化物-場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)，由于其特征尺寸不斷縮小，傳統的柵介質材料氧化硅已經接近物理極限，導致MOS的隧穿漏電流急劇增大，大大影響了器件的可靠性和穩定性。近年來，氧化鋯，氧化鋁，和氧化鉿等高介電常數材料吸引了研究者們廣泛關注。其中，氧化鋯由于具有較高的介電常數(~20)，較大的禁帶寬度，適中的價帶和導帶偏移，以及與硅基底的良好熱穩定性, 而成為取代氧化硅的一種很有潛力的高介電常數材料。

目前制備氧化鋯薄膜的方法多種多樣，主要包括氣相法和液相法兩大類。例如，磁控濺射、電子束蒸發、原子層沉積及化學氣相沉積等方法都被用來制備氧化鋯薄膜。公開號為CN101476104B的中國發明專利公開了一種高介電系數鋯硅氧薄膜和制備方法：使用合適配比的ZrO₂和SiO₂燒結后制成陶瓷靶材，然后使用激光脈沖沉積方法制備高介電系數鋯硅氧薄膜。然而，這些氣相方法通常需要真空操作，不僅增加了成本，而且工藝周期很長，至少幾小時或幾十小時。近年來，溶膠-凝膠法、噴霧熱解法等液相方法由于成本低廉、操作簡易而日益引起了廣泛的關注和迅速的發展。例如，公開號為CN104599947A的中國發明專利公開了一種氧化鋯絕緣薄膜及其制備方法：通過將乙酰丙酮鋯溶于二甲基甲酰胺中，并添加乙醇胺、油酸作為穩定劑混合制成前驅體溶液，通過將前驅體溶液涂覆在襯底上經退火處理制成氧化鋯絕緣薄膜。公開號為CN104009093A的中國發明專利公開了一種高k介電層水性氧化銦薄膜晶體管的制備方法：先將乙酰丙酮鋯溶于二甲基甲酰胺中，同時加入與乙酰丙酮鋯等摩爾量的乙醇胺作為穩定劑形成前驅體溶液；再在清洗后的低阻硅襯底上旋涂前驅體溶液得到樣品，將樣品放到高壓汞燈下進行紫外光照處理得到光退火后的樣品；然后將光退火后的樣品進行退火得到薄膜樣品。由上述發明專利可以看出，雖然液相法可以制備較高性能的氧化鋯薄膜，但液相法通常需要幾小時的高溫（高于400℃）退火，才能促使前驅體薄膜分解并致密化，形成致密無針孔的氧化鋯薄膜。因此，尋找一種新的快速低溫溶液技術制備技術，對于氧化鋯薄膜在各種領域的大規模應用是極為重要和迫切的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種快速制備氧化鋯薄膜的低溫液相方法，實現氧化鋯的簡易高效制備，更易于大規模生產和應用。本發明的創新點主要在于：發展了新的低溫光波方法高效合成高介電性能的氧化鋯薄膜。

本發明的技術方案，具體包括以下步驟：

(1) 制備氧化鋯前驅體溶液：稱取硝酸氧鋯，量取溶劑，配置濃度為0.01-0.5摩爾/升的氧化鋯前驅體溶液，經過0.1-3小時的磁力攪拌和超聲分散形成澄清透明的氧化鋯前驅體溶液；

(2) 將氧化鋯前驅體溶液涂覆到清洗好的襯底上形成氧化鋯前驅體薄膜，經過0.5-4.9分鐘的光波退火，光波退火過程中的溫度為100-300 ℃；

(3) 步驟1和2可重復多次以得到不同厚度要求的氧化鋯薄膜。

本發明所述制備方法的步驟(1)中，所述的溶劑為乙二醇甲醚、乙醇、水或乙二醇中的一種或兩種以上。

本發明所述制備方法的步驟(2)中，所述涂覆方法為旋轉涂覆法、滴涂法、浸涂法、噴霧法或噴墨打印法。

本發明所述制備方法的步驟(2)中，所述的光波的生成儀器為用作廚具的光波爐或具有鹵素燈管的加熱儀器。

本發明所述制備方法的步驟(2)中，所述的襯底為剛性襯底，如硅片、玻璃片；或柔性襯底，如塑料片、金屬片。

本發明的有益效果是：本發明工藝簡單容易操作，原料廉價易得，所制備的氧化鋯薄膜性能高，有望在晶體管、太陽能電池、電容器等器件中得到應用。通過本發明的工藝可以避免通常的高溫溶液工藝、工藝周期長或昂貴設備等，成本低，適合工業化大規模生產。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

附圖1為實施例之一的氧化鋯薄膜的掃描電鏡圖片，圖中標尺為500納米，顯示所得薄膜具有均勻平滑的表面。