热释电钽酸锂LiTa₃O₈薄膜及其制备工艺的利记博彩app

专利名称：热释电钽酸锂LiTa₃O₈薄膜及其制备工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种热释电钽酸锂LiTa3CV薄膜及其制备工艺，特别是指溶胶-凝胶方法制备 钽酸锂LiTa30s薄膜的工艺。
背景技术：
非制冷热释电红外探测器的性能指标，比如电流响应、电压响应和探测率，与热释电红 外敏感元的厚度成反比，敏感元越薄(在iLim量级)，器件性能就越好。而目前热释电红外敏 感元，几乎都用晶体材料制造，由于受器件几何结构、厚度尺寸等限制，很难制造得到1 2pm 或以下的厚度的热释电晶体薄片，从而限制了热释电晶体材料在高性能热释电红外探测方面的应用。近年来，无机热释电材料，比如铅基陶瓷系列材料，TGS系列材料和钽酸锂系列材料，逐 步发展成为非制冷热释电薄膜红外探测器的主流材料。从国内外的产品和技术研究报告来看， 铅基PZT、 PT、 PLCT等陶瓷热释电薄膜材料及其器件的研究是最多的，是国内外实用热释电器 件的主流。然而，铅基陶瓷热释电薄膜也有它的致命缺点，由于结晶温度过高，与硅工艺并 不兼容，使器件制造成本非常高，限制了它的民用市场竞争力。另外铅基陶瓷薄膜及器件制 造过程中存在严重的铅污染问题，使其发展受到环保人士的指责和各国环保政策的限制。目 前能有效替代铅基陶瓷薄膜的绿色环保的无机热释电薄膜材料主要有TGS系列材料和钽酸锂 系列材料。从器件热释电性能单独某项指标(比如探测率)来看，TGS材料好于钽酸锂材料； 从器件制造角度来看，TGS材料易碎，器件加工困难，生产成本高，而钽酸锂材料加工性好， 有多种方法可以生产，生产成本较低从应用的角度来看，TGS材料居里点在49'C左右，比钽 酸锂材料的居里点(618°C)低很多，TGS材料制造的热释电探测器可使用的温度范围非常窄， 而钽酸锂材料可以在室温到618X:之间使用，工作温度范围很宽。除热释电特性外，钽酸锂材 料还是一种多功能材料，还具有良好的铁电、压电、电光和非线性光学等特性，常常利用它 的一种或几种特性来制作功能器件。所以本专利提出了一种热释电钽酸锂L汀a308薄膜，可利 用其优良的热释电特性制造非制冷热释电红外探测器。在钽酸锂薄膜制备工艺中，选择一种低成本的又能保证薄膜质量和性能良好的制造工艺 并非易事。从近年来国内外的研究来看，分别尝试过用机械化学抛光、离子刻蚀、金属有机 化学气相沉积(M0CVD)、金属有机物沉积(MOD)、射频磁控溅射、高温溶胶、溶胶-凝胶等 工艺来制造钽酸锂薄膜及器件。比较而言，机械化学抛光和离子刻蚀主要用物理减薄工艺来获得钽酸锂薄膜，由于加工极限的因素，制造的薄膜厚度一般在5pm以上，很难达到l~2pm。 M0CVD和高温溶胶工艺是通过化学沉积工艺来制造钽酸锂薄膜，同样由于其制造设备价格较 高，很难把薄膜制造成本降下来。另一种制造钽酸锂薄膜的工艺是射频磁控溅射工艺，它是 通过轰击钽酸锂陶瓷靶来物理沉积钽酸锂薄膜。射频磁控溅射工艺只能制造无定形钽酸锂薄 膜，制造过程中，钽酸锂陶瓷靶往往不是按预计的Li'、 Ta"化学计量比溅射沉积，所以薄膜 晶体的微结构和大面积生长薄膜一致性有待提高。溶胶-凝胶工艺是制造钽酸锂薄膜的一种低成本工艺。它的优点在于能精确控制Lr、 Ta" 化学计量比、能在较低温度制造大面积薄膜、而且薄膜的一致性好，设备和制造费用较低。 它的缺点在于钽酸锂溶胶的配制工艺较难掌握；薄膜的厚度与匀胶甩胶速度、时间和溶胶配 制的浓度都有关，需要根据具体情况用实验确定。另外，溶胶凝胶法制造的普通组份的钽酸锂LiTaO:,薄膜的泄漏电流较大，在极化过程中难以承受高极化电压，非常容易造成薄膜器件的击穿，使器件制作失败。所以，我们在溶胶-凝胶工艺研究过程中，提出了一种新组份的钽酸锂LiTa:A薄膜，通过实验解决了普通钽酸锂 LiTaQ,薄膜泄漏电流过大、极化中难以承受高极化电压问题。发明内容本发明涉及一种热释电钽酸锂LiTaA薄膜及其制备工艺，特别是指溶胶-凝胶方法制备 钽酸锂LiTaA薄膜的工艺。本发明的目的是提供一种新组份的热释电钽酸锂LiTaA薄膜，与普通组份的钽酸锂 LiTaO:,薄膜相比，具有更小的漏电电流，能承受更高的极化电压，可制造出性能更好的钽酸 锂薄膜器件。本发明提供的新组份的钽酸锂LiTa:A薄膜，是一种非制冷的热释电薄膜，基于 其制造的红外探测器可在室温条件下工作、无需低温制冷，可解决光子型红外探测器必需超 低温制冷才能保证器件正常工作，而造成探测器制造成本高，系统结构复杂的问题。除热释 电特性外，钽酸锂LiTaA薄膜还具有良好的铁电、压电、电光和非线性光学特性，利用其一 种或几种特性可制作功能器件。另外，钽酸锂LiTaA薄膜还是一种绿色环保型的热释电薄膜， 可取代铅基陶瓷热释电薄膜，避免铅基陶瓷热释电薄膜在薄膜制备过程中存在的铅污染问题。本发明的另一个目的是提供了一种溶胶-凝胶方法制备钽酸锂LiTa:,(V薄膜的工艺。以 Pt/Ti/Si(VSi (100)或Si单晶为基底，以高纯度的金属锂和乙醇钽为原料，以分析纯的乙 二醇甲醚为溶剂，首先制备得到LiTa.A溶胶，然后通过旋转涂膜技术在基底上得到LiTaA 湿膜，通过对湿膜快速热退火得到LiTa.A薄膜。重复上述工艺得到所需厚度的LiTaA薄膜。 本发明提供的溶胶-凝胶工艺制备的钽酸锂LiTa:A薄膜，其厚度可做到0. 2 5nm或以下，可 充分利用该薄膜材料热容小、不受器件几何结构和厚度尺寸限制的优势，可取代钽酸锂晶体材料，制备高性能的非制冷钽酸锂红外探测器。 本发明的目的通过以下技术方案加以实现一种热释电钽酸锂LiTa30s薄膜的制备工艺，特别是指溶胶-凝胶方法制备钽酸锂LiTa308 薄膜的工艺。包括一种钽酸锂LiTaA溶胶配制工艺采用纯度为99. 9796或以上的金属锂和纯度为99. 996% 或以上的乙醇钽为起始原料，以分析纯的乙二醇甲醚为溶剂，先将一定量金属锂溶解在微热 (40 7(TC)的乙二醇甲醚中，制备得到锂的醇盐Li0C晶0CH:,。然后将溶液倒入洁净烧杯中 置于烘箱中去除水分，烘箱温度设为100 14(TC,烘烤时间300 400min;烘好后再往冷却 到室温的溶液中加2 20ml分析纯的乙酸调节溶液酸度在pH值在3 7之间；而后往溶液中 加入适量乙二醇甲醚，并置于带加热器的磁力搅拌器上使溶液混合均匀，加热搅拌温度设为 30 8(TC，加热搅拌时间为10 60min;然后按摩尔比1: 3往溶液中加入乙醇钽溶液，并 将溶液搅拌加热到30 11(TC以上使溶液充分反应同时去除溶液中的水分，搅拌加热时间为 30 120min,除去反应副产物(乙醇)和水，滤除颗粒物，最后加入适量乙二醇甲醚，调整 得到浓度为0. 2 raol. L—1的淡黄色LiTa:A溶胶。一种钜酸锂LiTaA薄膜制造的溶胶-凝胶工艺将按上述方法配制的LiTa:A溶胶用乙二 醇甲醚稀释成浓度为0. 1 mol. L—'，在匀胶甩胶机上将溶胶旋转涂敷于带电极的单晶硅基底上， 形成湿膜，匀胶条件100 800rpm， 2 20s;甩胶条件2000 8000rpm， 10 100s。将得到的湿膜置于快速热处理炉中，在氧气氛下进行退火、结晶。退火过程分两步第一步先裂解膜上有机溶剂，温度设定为400 470。C保持2 10min;第二步为薄膜结晶过程，结晶温 度设为650 950°C保持2 8min。多次重复以上溶胶-凝胶工艺，直到薄膜达到所需厚度为 止。薄膜制造过程中，用X射线衍射仪XRD和扫描电镜SEM观察薄膜质量，确保薄膜平整、 均匀、无裂纹。本发明的优点在于提供了一种新组份的钽酸锂LiTaA薄膜，与普通组份的钜酸锂LiTa03 薄膜相比，具有更小的泄漏电流，能承受更高的极化电压,在测试电场为47.6kV/cm时,LiTa30ii 薄膜漏电不大于2.54xl(T7A/cm2; lpm厚的LiTa308薄膜能够承受高达700 kV/cm的电场强度而不被击穿。本发明的优点还在于所提供的新组份的钽酸锂LiTa,(V薄膜是一种非制冷的热释电薄膜， 可在室温条件下工作、无需低温制冷，可解决光子型红外探测器必需70 90K低温制冷工作而 造成的成本高、红外系统结构复杂问题。本发明的优点还在于所提供的新组份的钽酸锂LiTa:A薄膜是一种绿色环保的热释电薄 膜，可取代铅基陶瓷热释电薄膜制造热释电器件，可避免铅基陶瓷薄膜及器件在制造过程中存在的严重的铅污染带来的环境保护问题。本发明的优点还在于所提出的制备钽酸锂LiTa:A薄膜的溶胶-凝胶工艺，是一种低成本 的制造工艺，充分利用它能精确控制Li+、 Ta"化学计量比、能在较低温度制造大面积薄膜、 而且薄膜的一致性好，设备和制造费用较低。充分利用薄膜溶胶-凝胶工艺与器件MEMS工艺 兼容性好的优势，解决铅基陶瓷热释电薄膜由于结晶温度过高，与硅工艺不兼容，造成器件 制造成本高的问题。


图1是一种钽酸锂LiTaA溶胶配制工艺流程。图2是一种钽酸锂LiTaA薄膜制造的溶胶-凝胶工艺流程。图3是Pt/Ti/Si02/Si (100)基底上溶胶-凝胶法制备得到的非晶钽酸锂LiTaA薄膜的X射线衍射曲线。 图4是Pt/Ti/Si02/Si (100)基底溶胶-凝胶法制备得到的非晶钜酸锂LiTa:A薄膜的扫 描电镜SEM图片，图4 (a)扫描电镜SEM平面图，图4 (b)扫描电镜SEM断面图。
具体实施方式
参考图1是钽酸锂LiTa:A溶胶配制工艺流程。所述钽酸锂LiTa.A溶胶配制工艺，为溶 胶-凝胶工艺，采用纯度为99. 97%或以上的金属锂和纯度为99. 996%或以上的乙醇钽为起始原 料，以分析纯的乙二醇甲醚为溶剂。先在氩气氛保护下准确称取一定量高纯金属锂，放入茄 形烧杯中，加入一定量的乙二醇单甲醚(M0E)，微热(40 70'C)反应直到金属锂全部溶解， 用乙二醇单甲醚稀释到锂的醇盐LiOCAOCH.,浓度为0.5mol丄—'。然后将溶液倒入洁净烧杯中 置于烘箱中去除水分，烘箱温度设为100 124°C，烘烤时间300 400min:烘好后再往冷却 到室温的溶液中加2 10ml分析纯的乙酸或丁酸调节溶液酸度在pH值在3 7之间；而后往 溶液中加入适量乙二醇单甲醚，并置于带加热器的磁力搅拌器上使溶液混合均匀，加热搅拌 温度设为50 6CTC，加热搅拌时间为10 30min;然后按摩尔比1: 3往溶液中加入乙醇钽 溶液，用旋转蒸发仪加热回流约30 120min，加热到30 1 l(TC以上，蒸发除去反应副产物 (乙醇)和水分，滤除颗粒物，最后加入适量乙二醇甲醚稀释溶液到0.2 mol.L—'的淡黄色 LiTaA溶胶。参考图2是一种新组份钽酸锂LiTa:,(V薄膜制造的溶胶-凝胶工艺流程将按上述方法配 制的LiTaA溶胶用乙二醇甲醚稀释成浓度为0. 1 mol. L—'，在台式匀胶甩胶机上将溶胶旋转涂 敷于铂金Pt/Ti/Si(VSi (100)基底或Si单晶基底上，形成湿膜，匀胶甩胶条件为匀胶 100 800 rpm，保持2 20s;甩胶2000 8000rpm,保持10 100s。将得到的湿膜置于快速热处理炉中，在氧气氛下进行退火、结晶。退火过程分两步第一步先裂解膜上有机溶剂，温度设定为400 470。C保持2 10min;第二步为薄膜结晶过程，结晶温度设为650 950°C， 保持2 8ndn。多次重复以上溶胶-凝胶工艺，薄膜厚度可达到0. 2 5nm之间。在薄膜制造 过程中，通过X射线衍射仪XRD和扫描电镜SEM观察薄膜成膜质量，确保薄膜平整、均匀、无裂纹。实施例采用高纯度的金属锂和乙醇钽为原料，以分析纯的乙二醇甲醚为溶剂，在氩气氛保护下 配制LiTaA溶胶，用乙二醇单甲醚稀释成浓度为O. lmol.r'，在台式匀胶甩胶机上将溶胶旋 转涂敷于Pt/Ti/Si02/Si (100)基底上，形成湿膜，将湿膜置于快速热处理炉在氧气氛下进 行退火、结晶处理。重复上述工艺，制备得到所需厚度的非晶LiTaA薄膜，其X射线衍射曲 线如图3所示。利用扫描电镜SEM测试发现，薄膜平整、均匀、无裂纹，与Pt/Ti/Si02/Si (100)基底结合良好，薄膜厚度约为lpm，如图4所示。
权利要求
1、一种热释电钽酸锂LiTa3O8薄膜及其制备工艺，特别是指溶胶-凝胶方法制备钽酸锂LiTa3O8薄膜的工艺，包括一种热释电钽酸锂LiTa3O8薄膜。所述热释电钽酸锂LiTa3O8薄膜是一种新组份的钽酸锂薄膜，比普通的钽酸锂LiTaO3薄膜，具有更小的漏电电流，能承受更高的极化电压。所述钽酸锂LiTa3O8薄膜，是一种非制冷的热释电薄膜，基于其制造的红外探测器可在室温条件下工作、无需低温制冷，解决了光子型红外探测器必需超低温制冷才能保证器件正常工作，而造成探测器制造成本高，系统结构复杂的问题。除热释电特性外，所述钽酸锂LiTa3O8薄膜还具有良好的铁电、压电、电光和非线性光学特性，利用其一种或几种特性可制作功能器件。另外，所述钽酸锂LiTa3O8薄膜还是一种绿色环保型的热释电薄膜，可取代铅基陶瓷热释电薄膜制造热释电红外探测器，可避免铅基陶瓷热释电薄膜在薄膜及器件制备过程中存在的铅污染问题。一种溶胶-凝胶方法制备钽酸锂LiTa3O8薄膜的工艺。所述热释电钽酸锂LiTa3O8薄膜溶胶-凝胶方法制备工艺，是以铂金基底(Pt/Ti/SiO2/Si(100))或硅单晶为基底，以高纯度的金属锂和乙醇钽为原料，以分析纯的乙二醇甲醚为溶剂，在氩气氛保护下配制LiTa3O8溶胶，在台式匀胶甩胶机上固定Pt/Ti/SiO2/Si(100)基底或Si单晶基底，通过旋转涂敷在基底上形成湿膜，将得到的湿膜置于快速热处理炉中，在氧气氛下进行退火、结晶热处理，重复上述工艺最后得到所需厚度的平整、均匀、无裂纹的LiTa3O8薄膜。上述溶胶-凝胶工艺制备的钽酸锂LiTa3O8薄膜，其厚度可做到0.2～5μm或以下，可充分利用该薄膜材料热容小、不受器件几何结构和厚度尺寸限制的优势，大大提高了非制冷钽酸锂红外探测器的性能。所述新组份的热释电钽酸锂LiTa3O8薄膜溶胶-凝胶方法制备工艺，是一种低成本的制造工艺，具有能精确控制Li+、Ta+5化学计量比、能在较低温度制造大面积薄膜、而且薄膜的一致性好，设备和制造费用较低的优点。充分利用薄膜溶胶-凝胶工艺与器件MEMS工艺兼容性好的优势，可解决铅基陶瓷热释电薄膜由于结晶温度过高，与硅工艺不兼容，造成器件制造成本高的问题。
2、 根据权利要求l所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征在于所述钽 酸锂薄膜是指薄膜中Li+、 Ta+M七学计量比为l: 3的LiTa3(V薄膜，而不是LiTa0:,薄膜。
3、 根据权利要求l所述热'释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是所述热释 电钽酸锂LiTa:,Os薄膜是一种不含铅的非制冷热释电薄膜，可用于制备非制冷热释电红外探测器。
4、 根据权利要求l所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是所述热释电钽酸锂LiTa:A薄膜比普通的LiTaO:,薄膜，具有更小的泄漏电流，耐受更高的极化电压。在 测试电场为47.6kV/cm时，LiTa308薄膜漏电不大于2.54xl(T7A/cm2; 1pm厚的LiTa;(08薄膜 能承受不大于700 kV/cm的电场强度而不被击穿。
5、 根据权利要求1所述热释电钜酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，特别是指溶胶-凝胶方 法制备钽酸锂LiTa30s薄膜的工艺，其特征是所述溶胶-凝胶工艺制备的钽酸锂LiTa30s薄 膜厚度可到0.2 5pm或以下，可取代钜酸锂晶体材料，制备高性能的非制冷钽酸锂红外探测器。
6、 根据权利要求1所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是钽酸锂 LiTa308薄膜制备工艺特指溶胶-凝胶工艺，所用LiTa308溶胶是用纯度为99.996%或以上的乙 醇钽Ta(OC2H5)5和乙醇锂Li0C晶0CH:,原料配制的。其中乙醇锂Li0C凡0CH:,是通过纯度为 99.996%或以上的金属锂在微热(40 70°C)的乙二醇单甲醚中溶解得到。通过混合乙醇钽和 乙醇锂溶于乙二醇单甲醚中，加热到30 11(TC旋转回流30 120min得到LiTa30s溶胶。配 制LiTa30s溶胶过程中的保护气体是氩气。
7、 根据权利要求1所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是LiTa308 薄膜制备基底，是铂金基底(Pt/Ti/Si(VSi (100))或硅单晶基底。
8、 根据权利要求l所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是所述制备 钽酸锂LiTa30s薄膜的溶胶-凝胶工艺，形成LiTa308湿膜的匀胶条件为转速100~800 rpm， 保持2 20s;甩胶条件为转速为2000 8000rpm，保持10 100s。
9、 根据权利要求l所述热释电钽酸锂LiTa308薄膜及其制备工艺，其特征是所述制备 钽酸锂LiTa308湿膜的快速退火条件是进行两步退火第一步先裂解膜上有机溶剂，温度设 定为400 470°C，保持2 10min;第二歩为薄膜结晶过程，结晶温度设为650 950°C，保 持2 8min。
全文摘要
本发明涉及一种热释电钽酸锂LiTa₃O₈薄膜及其溶胶-凝胶法制备工艺。本发明提供一种新组份的热释电钽酸锂LiTa₃O₈薄膜，比普通的钽酸锂LiTaO₃薄膜，具有更小的漏电电流，能承受更高的极化电压。除具有非制冷的热释电特性外，钽酸锂LiTa₃O₈薄膜还具有良好的铁电、压电、电光和非线性光学特性，利用其一种或几种特性可制作功能器件。本发明所述制备钽酸锂LiTa₃O₈薄膜的溶胶-凝胶工艺以铂金基底或硅单晶为基底，以高纯度金属锂和乙醇钽为原料，以乙二醇甲醚为溶剂，氩气保护下制备LiTa₃O₈溶胶，通过在基底上旋转涂膜得到LiTa₃O₈湿膜，对湿膜快速热退火得到0.2～5μm厚LiTa₃O₈薄膜。
文档编号C04B35/495GK101265094SQ20081004496
公开日2008年9月17日 申请日期2008年3月13日 优先权日2008年3月13日
发明者张德银, 坤 李, 李金华, 政 董, 黄大贵 申请人:电子科技大学