一种非破坏性得到柔性铁电薄膜电容的方法与流程

本发明涉及铁电薄膜器件及半导体工艺领域，适用于各类铁电薄膜电容，主要应用于得到具备柔性特征的铁电薄膜电容。

背景技术：

随着半导体工艺水平的发展，基于铁电材料的柔性衬底器件的研制受到了越来越多的关注，其良好的物理和化学性能，使得柔性衬底器件具有非常广阔的应用前景。传统的硅基材料具有机械脆性，难以承受较大形变，因此硅基材料器件在柔性应用方面有其自身的局限性。

通常情况下的柔性器件是生长在有机衬底上的，其电学特性远没有生长在无机衬底的器件理想。同时，考虑到有机柔性衬底器件的制作对设备和工艺的要求较高，需要大量的时间和资金的投入。基于此我们提出一种更为便捷、经济地得到柔性铁电薄膜电容的方法，能够保证其电学性能不受影响。同时可在较大受力条件下发生形变，并保持原有的电学性能，具备柔性器件的特性。

本发明提供了一种可以便捷得到柔性铁电薄膜电容的方法，且该方法简便、快捷，也可应用于其他小尺寸硅衬底器件。

技术实现要素：

本发明所要达成的目的是提供一种安全可靠的方法，以生长在硅(Si)衬底上的锆钛酸铅(PbZr_0.44Ti_0.56O₃,PZT)薄膜电容结构Pt/PZT/Pt/SiO₂/Si为主要研究对象，通过对刚性硅衬底的研磨，在不破坏器件结构和性能的情况下得到柔性PZT薄膜电容。

为达成上述目的，本发明提供如下解决方案：

一种生长在硅衬底上的锆钛酸铅(PbZr_0.44Ti_0.56O₃,PZT)薄膜电容结构特征包括：硅衬底1、外延缓冲二氧化硅层2、下电极3、PZT4、上电极5。下电极3和上电极5的材料为铂。外延缓冲二氧化硅层2生长在硅衬底1上，下电极3生长在外延缓冲二氧化硅层2上，PZT4生长在下电极3上，上电极5生长在PZT4上。

先将上电极5和PZT4用工业蜡6保护起来，并利用工业蜡6的热熔和冷凝使上电极5与小玻璃片7粘合到一起，进而用金刚砂实现衬底的研磨。

利用上述结构作为样品进行的一种非破坏性得到柔性铁电薄膜电容的方法，该方法的步骤实施如下。

实施该方法的实验器材包括：一种生长在硅衬底上的锆钛酸铅(PbZr_0.44Ti_0.56O₃，PZT)薄膜电容结构、金刚砂、工业蜡6、小玻璃片7、大玻璃板、螺旋测微计、刀片、镊子、加热平台、化学试剂、镜头纸、小烧杯、弹簧钢片。化学试剂包括四氯化碳、三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水；加热平台能够使蜡融化。

步骤一：利用工业蜡6的热熔和冷凝对PZT4顶部的上电极5进行保护，同时将上电极5与小玻璃片7的一侧进行粘合。

步骤二：采用金刚砂对一种生长在硅衬底上的锆钛酸铅薄膜电容结构的硅衬底1进行研磨，手握小玻璃片7并在硅衬底1上面“画8字”，直至硅衬底1厚度减至100μm左右。

步骤三：再次对小玻璃片7加热使工业蜡6融化，取下PZT4并放入垫有镜头纸的小烧杯中，利用化学试剂对其做最后的清洗。

考虑到样品研磨前后需要进行电学测量，且在研磨过程中需要与小玻璃片7保持较为紧密的粘合状态，故采用工业蜡6这一相对稳定的材料。

使用金刚砂较快地研磨好PZT的硅衬底1，同时金刚砂的主要成分为Al₂O₃，不会对样品性能产生影响。

最后的化学试剂清洗能够有效的去除附着在PZT4顶部、起保护作用的工业蜡6，以防止残留工业蜡6对样品的电学性能产生影响。刚性样品：衬底厚度较厚，不具备柔性特性(即反复弯折后电学性能发生退化)的样品。柔性样品：经过本方法得到的，衬底减薄后且具备柔性器件特性(即反复弯折后电学性能未发生退化)的样品。

本方法在对生长在硅衬底上的PZT薄膜电容进行研磨之前先用工业蜡对顶部电极进行保护，使得衬底减薄过程中不会对样品顶部的电极结构造成损伤，同时利用金刚砂作为研磨材料能够实现在不影响样品电学性能的情况下，安全、快速的完成衬底的减薄操作，从而得到柔性的PZT。

减薄后的PZT可以更好的实现反复的弯折，具备柔性器件的性质，且电学性能未发生退化。且此方法简便易实施，操作简单、用途广泛、价格低廉，可用于任何需要得到柔性铁电薄膜电容的领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1为一种生长在硅(Si)衬底上的锆钛酸铅PZT薄膜电容结构。

图2为与玻璃片粘合后的刚性硅衬底的PZT结构。

图3为与玻璃片粘合的柔性(衬底研磨后)PZT结构。

图4为刚性和柔性PZT样品的电滞回线对比。

图5为柔性PZT在不同受力圈数条件下的电滞回线。

图6为刚性硅衬底的PZT(衬底厚度约为500μm)在反复弯折5次(应变0.186％)与55次(应变0.186％)后测得的电滞回线对比。

图中：1、硅衬底，2、外延缓冲层二氧化硅(SiO₂)层，3、下电极，4、PZT，5、上电极，6、工业蜡，7、玻璃片。

具体实施方式

一种刚性硅衬底的PZT结构特征包括：硅衬底1、外延缓冲二氧化硅(SiO₂)层2、下电极3、PZT4、上电极5，如图1。

研磨前预先对样品的电滞回线进行测量，为后续测量结果做对比，使用的仪器为铁电性能测试仪，测试条件为：电压40V，频率1kHz，测试波形为三角波。

先对加热平台进行升温操作，将小玻璃片7放到加热平台上的同时将一小块工业蜡6置于小玻璃片7的中心位置处，当工业蜡6完全融化后(约80℃左右)用镊子夹住样品，此时样品为刚性，同时硅衬底1面朝上，放置在小玻璃片7的中心，使其与工业蜡6充分接触，如图2。

而后取下小玻璃片7冷却至常温，待其完全冷却后用刀片刮掉PZT4周围多余的工业蜡6，记小玻璃片粘有PZT4的一面为正面。

取适量金刚砂放置在大玻璃板上，用螺旋测微计测量粘有PZT的小玻璃片7厚度并记下，将小玻璃片7正面朝下放置在铺有金刚砂的大玻璃板上，按住小玻璃片7并在大玻璃板上“画8字”。

时刻保持硅衬底1与大玻璃板之间有金刚砂，并重复上述操作，每隔10次左右用螺旋测微计对粘有PZT4的小玻璃片7厚度进行测量，并与之前的测量结果相比较。

由于样品的厚度约为500μm，通过研磨前后的差值得到硅衬底的研磨量，进而得知硅衬底1剩余厚度。

当其硅衬底1的厚度减薄到约100μm时停止研磨，用干净的试纸擦掉小玻璃片7上的金刚砂，如图3。

此时将得到的柔性PZT连同玻璃片再次放置到加热平台上加热，直至工业蜡6融化，用镊子取下研磨后的PZT。将镜头纸垫至烧杯底部，放入四氯化碳和PZT，煮沸2分钟后取出PZT，而后依次用三氯乙烯、丙酮、乙醇试剂重复上述操作，最后用去离子水反复冲洗PZT至少20遍，以去除残留化学试剂。

利用探针台与铁电性能测试仪对样品进行电滞回线的测量，由此来判断研磨前后样品的电学特性是否发生改变。并将测量结果进行整合，如图4。

为判定刚性和柔性PZT样品在不同弯折幅度下电学性能的区别，将柔性PZT样品粘合在30mmx8mmx0.5mm的弹簧钢片上，通过施加外力使样品产生大小分别为0.186％、0.223％、0.260％的弯曲应变，每种应变反复施加50次，并对样品的电滞回线进行测量。结果如图5所示，样品的极化值并未发生退化。

取一块刚性硅衬底的PZT样品，使其产生5次0.186％弯曲应变与50次0.186％弯曲应变，并对其电滞回线进行测量。结果如图6所示，在对样品进行50次的反复弯折后，其极化值退化了22.8％。

由此认为得到的柔性PZT样品的电学性能未发生退化，同时可以在受到百次反复弯折后保持其电学特性(电滞回线)不发生变化，相比于刚性硅衬底的PZT样品更具备柔性特性。

最后应说明的是：以上实施例仅为用以说明本发明最佳实施例，而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，本领域的普通技术人员应当理解，凡依本案的设计关键所做的等同变化，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。