一种在SI单晶基片上制备BATISUB2/SUBOSUB5/SUB铁电薄膜的方法.pdf

一种在Si单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种在Si单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的方法。

    背景技术

    铁电薄膜具有良好的介电、压电、铁电、热释电、光电及非线性光学等特性，在微电子、光电子、集成光学和微电子机械系统等领域具有广泛的应用。目前，广泛使用的是钛酸铅、锆钛酸铅等含铅类铁电薄膜，但是这类材料在制备和使用过程中会给环境和人类健康带来危害。因此，进一步开发不含铅的、与环境友好的铁电薄膜新材料，已成为当前新材料研究的热点之一。BaTi₂O₅薄膜就是近年来发展起来的一种介电和铁电性能优良的无铅铁电材料，它有望替代传统的铅基铁电薄膜，应用于动态随机存储器和非挥发性铁电随机存储器等集成器件，社会效益和经济价值显著。

    研究表明，BaTi₂O₅的铁电性只表现在b轴方向上，因此制备出沿b轴方向择优生长的BaTi₂O₅薄膜是实现其应用的必要前提。由于BaTi₂O₅铁电薄膜的制备和取向控制都很困难，其国内外的研究报道很少，目前仅有采用脉冲激光沉积技术(Pulsed Laser Deposition，PLD)在MgO单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的相关研究，通过控制沉积工艺参数，可以实现BaTi₂O₅薄膜沿b轴方向的择优生长。虽然MgO单晶基片与BaTi₂O₅铁电薄膜的晶格匹配且其热稳定性和化学稳定性良好，但MgO单晶基片的价格昂贵、加工困难，而且不利于与传统半导体器件的集成。Si单晶是半导体工业中最常用的基片材料，为实现BaTi₂O₅铁电薄膜与半导体工艺的兼容性，还必须要开展BaTi₂O₅铁电薄膜在Si单晶基片上的制备研究，这对于满足铁电器件小型化、集成化发展的需要以及环境保护和社会可持续发展的需求，具有重要的意义。

    【发明内容】

    本发明的目的在于提供一种在Si单晶基片上制备沿b轴方向择优生长的BaTi₂O₅铁电薄膜的方法。

    为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：BaTi₂O₅铁电薄膜的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

    1)以MgO陶瓷为靶材，MgO靶材的纯度＞98％、致密度＞90％，基片材料为沿a轴方向生长的Si单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并抽真空，加热基片至300～450℃，然后通入高纯氧气并保证沉积室内的氧压小于1Pa，随后将能量密度为3～4J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成MgO薄膜缓冲层；沉积时间为0.5～1.5h，得到的MgO薄膜物相单一、沿a轴方向择优生长、厚度60～180nm；

    2)以BaTi₂O₅陶瓷为靶材，BaTi₂O₅靶材的纯度＞98％、致密度＞90％，基片材料采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并抽真空，加热基片至700～800℃并通入高纯氧气使沉积室内的氧压为10～15Pa，随后将能量密度为1.5～2.5J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成BaTi₂O₅铁电薄膜；沉积时间为2～4h，得到的BaTi₂O₅铁电薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长、厚度170～320nm。

    本发明利用脉冲激光沉积技术，先在Si单晶基片上构筑与BaTi₂O₅薄膜相匹配的MgO薄膜缓冲层，解决BaTi₂O₅薄膜与Si单晶基片之间的晶格失配问题以实现BaTi₂O₅薄膜的择优生长；然后再在MgO/Si基片上，通过控制脉冲激光沉积工艺调控BaTi₂O₅薄膜的结晶取向，制备沿b轴方向择优生长的BaTi₂O₅铁电薄膜。

    本发明的有益效果是：本发明的方法能够获得在Si单晶基片上沿b轴方向择优生长、物相单一的BaTi₂O₅铁电薄膜，实现了BaTi₂O₅铁电薄膜与半导体工艺的兼容性，克服了MgO单晶基片价格昂贵、加工困难等问题，有利于与传统半导体器件的集成，有力推动了BaTi₂O₅铁电器件小型化、集成化的发展。

    【附图说明】

    图1制备MgO薄膜缓冲层和BaTi₂O₅铁电薄膜的实验过程示意图。图中，1-沉积室；2-基片；3-靶材；4-氧气；5-激光器；6-反射镜；7-透镜；8-等离子体羽辉。

    图2为实施例1在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的物相和结晶取向。

    图3为实施例1在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的表面形貌。

    图4为实施例1在MgO/Si基片上制备的BaTi₂O₅铁电薄膜的物相和结晶取向。

    图5为实施例1在MgO/Si基片上制备的BaTi₂O₅铁电薄膜的断面形貌。

    【具体实施方式】

    为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

    实施例1：

    一种在Si单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的方法，它包括如下步骤：

    1)采用脉冲激光沉积技术制备MgO薄膜缓冲层：以纯度98.5％、致密度93％的MgO陶瓷为靶材，基片材料为沿a轴方向生长的Si单晶，实验过程如图1所示：先将基片2和靶材3分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室1中并对沉积室1抽真空至10^-4Pa，基片2与靶材3以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片2加热至400℃，再将激光器5产生的高功率脉冲激光束(激光能量密度3.5J/cm²)经反射镜6和透镜7聚焦后照射在靶材3表面上，使靶材3表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉8，最后沉积在基片2上形成MgO薄膜缓冲层，沉积时间为1.2h。

    MgO薄膜缓冲层的物相、结晶取向和表面形貌分别如图2和图3所示。图2说明了在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的物相和结晶取向，薄膜为单一的MgO物相，结晶良好而且沿a轴方向择优生长；图3说明了在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的表面形貌，薄膜表面平整，厚度约150nm。

    2)采用脉冲激光沉积技术进一步制备BaTi₂O₅铁电薄膜：以纯度99％、致密度95％的BaTi₂O₅陶瓷为靶材，基片材料采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶(表示为MgO/Si基片)，实验过程如图1所示：先将基片2和靶材3分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室1中并对沉积室1抽真空至10^-4Pa，基片2与靶材3以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片2加热至700℃，通入纯度99.999％的氧气4并使沉积室1内的氧压为12.5Pa；随后将激光器5产生的高功率脉冲激光束(激光能量密度2J/cm²)经反射镜6和透镜7聚焦后照射在靶材3表面上，使靶材3表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉8，最后沉积在基片2上形成BaTi₂O₅薄膜，沉积时间为2.6h。

    BaTi₂O₅铁电薄膜的物相、结晶取向和表面形貌分别如图4和图5所示。图4说明了在MgO/Si基片上制备的BaTi₂O₅铁电薄膜的物相和结晶取向，可以看出，除Si单晶基片和MgO薄膜缓冲层的衍射峰外，图谱中只出现了BaTi₂O₅的特征峰，说明得到的BaTi₂O₅铁电薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长；图5说明了在MgO/Si基片上制备的BaTi₂O₅铁电薄膜的断面形貌，可以看出，BaTi₂O₅铁电薄膜、MgO薄膜缓冲层与Si单晶基片之间结合紧密，界面清晰，各层厚度均匀，BaTi₂O₅铁电薄膜和MgO薄膜缓冲层的厚度分别为150nm和200nm。

    实施例2：

    一种在Si单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的方法，它包括如下步骤：

    1)采用脉冲激光沉积技术制备MgO薄膜缓冲层：以纯度99％、致密度91％的MgO陶瓷为靶材，基片材料为沿a轴方向生长的Si单晶，先将基片和靶材分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并对沉积室抽真空至10^-5Pa，基片与靶材以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片加热至300℃，通入纯度99.99％的氧气并保证沉积室内的氧压为0.1Pa；随后将能量密度为3J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成MgO薄膜缓冲层。沉积时间为0.5h，得到的MgO薄膜物相单一、沿a轴方向择优生长、厚度60nm。

    2)采用脉冲激光沉积技术进一步制备BaTi₂O₅铁电薄膜：以纯度98.5％、致密度90％的BaTi₂O₅陶瓷为靶材，基片材料采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶，先将基片和靶材分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并对沉积室抽真空至10^-5Pa，基片与靶材以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片加热至750℃，通入纯度99.99％的氧气并使沉积室内的氧压为10Pa；随后将能量密度为1.5J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成BaTi₂O₅薄膜。沉积时间为2h，得到的BaTi₂O₅铁电薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长、厚度170nm。

    实施例3：

    一种在Si单晶基片上制备BaTi₂O₅铁电薄膜的方法，它包括如下步骤：

    1)采用脉冲激光沉积技术制备MgO薄膜缓冲层：以纯度98.7％、致密度95％的MgO陶瓷为靶材，基片材料为沿a轴方向生长的Si单晶，先将基片和靶材分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并对沉积室抽真空至10^-4Pa，基片与靶材以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片加热至450℃，通入纯度99.999％的氧气并保证沉积室内的氧压为1Pa；随后将能量密度为4J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成MgO薄膜缓冲层。沉积时间为1.5h，得到的MgO薄膜物相单一、沿a轴方向择优生长、厚度180nm。

    2)采用脉冲激光沉积技术进一步制备BaTi₂O₅铁电薄膜：以纯度98％、致密度92％的BaTi₂O₅陶瓷为靶材，基片材料采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶，先将基片和靶材分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并对沉积室抽真空至10^-4Pa，基片与靶材以20转/分的转速均匀旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm；然后，将基片加热至800℃，通入纯度99.999％的氧气并使沉积室内的氧压为15Pa；随后将能量密度为2.5J/cm²的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成BaTi₂O₅薄膜。沉积时间为4h，得到的BaTi₂O₅铁电薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长、厚度320nm。

    本发明所列举的各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。