專利名稱：一種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵電薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，尤其涉及一種直徑為5英寸或5英寸以上(即大面積)鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
鐵電材料以其優(yōu)良的鐵電、壓電、介電、熱釋電、光電、聲光、光折變和非線性光學(xué)性能，在存儲(chǔ)器、探測器、微波器件、光波導(dǎo)、光開關(guān)、光調(diào)制、光倍頻、微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)今，微電子、光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對鐵電材料提出了小型化、薄膜化、高度集成化、智能化的要求。于是，鐵電薄膜及其集成器件的研究成為了鐵電學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一。目前，鐵電薄膜及其集成器件主要用的是鉛基類鐵電材料，在制備過程中，因氧化鉛揮發(fā)使得產(chǎn)品一致性差、成本高，而且鉛的毒性大，對人體器官和大腦神經(jīng)系統(tǒng)有不可逆轉(zhuǎn)的損害，對生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成嚴(yán)重污染。因此，發(fā)展無鉛鐵電薄膜材料是一項(xiàng)緊迫而有重要意義的課題。最近的研究表明，鑭系稀土離子(如La3+、Nd3+、ft·3+、Sm3+、Eu3+等)摻雜鈦酸鉍薄膜具有大的剩余極化強(qiáng)度、好的耐疲勞性質(zhì)、高的居里溫度和較低的熱處理溫度，是最有希望成為替代傳統(tǒng)鉛基鐵電薄膜的新型無鉛鐵電薄膜材料?，F(xiàn)有對鐵電薄膜的制備研究主要集中于小面積鐵電薄膜的制備。隨著大規(guī)模薄膜集成電路的發(fā)展，所需芯片面積不斷增大，在大尺寸的晶片上制備高質(zhì)量的大面積鐵電薄膜已是迫在眉睫。另外，為了適應(yīng)集成鐵電器件的發(fā)展，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，大面積鐵電薄膜制備技術(shù)也成為一項(xiàng)重要的研究任務(wù)。中科院上海硅酸鹽研究所通過改進(jìn)勻膠臺吸盤的氣路槽，利用溶膠-凝膠法在硅襯底上制備出了 4英寸鉛基鐵電薄膜，但是用溶膠-凝膠法制備鐵電薄膜存在實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差、周期長的缺點(diǎn)，而且在尺寸更大的襯底上不易保證薄膜的均勻性。然而對于大面積薄膜來說，薄膜均勻性的優(yōu)劣程度是決定其能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的前提，提高薄膜的均勻性也是制備大面積薄膜的主要難點(diǎn)所在。但是，目前關(guān)于大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜的制備還鮮見報(bào)道。因此，開發(fā)高均勻性的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜的制備技術(shù)具有很重要的意義。本發(fā)明就是針對上述問題，通過發(fā)展激光變速掃描熔蝕大尺寸靶材工藝和優(yōu)化工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)5英寸及5英寸以上高均勻性的鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜(薄膜的直徑為5英寸或5英寸以上)的制備方法，該制備方法能夠制備高均勻性(厚度偏差士3%以內(nèi))的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，包括以下步驟
步驟1 將靶材和襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材尺寸大于襯底尺寸；步驟2 加熱襯底至所需沉積溫度，即650 780V，向真空腔內(nèi)通入氧氣；步驟3 開啟激光器使激光在靶材表面變速掃描熔蝕靶材，沉積大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。步驟3中，靶材和襯底以相同的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，ω為15 30轉(zhuǎn)/分，激光沿靶材直徑往返變速掃描，激光熔蝕產(chǎn)生的等離子體羽輝動(dòng)態(tài)地沉積在襯底上，羽輝在襯底上的沉積軌跡為變速直線運(yùn)動(dòng)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡，襯底為硅襯底或者Pt/Ti/ Si02/Si 襯底。所述的激光沿靶材直徑往返變速掃描是指在靶材上，以靶材中心為圓心，以r為半徑的范圍內(nèi)，速度為v2，在該范圍外，速度為Vl，r表示襯底的半徑。V1和V2的取值如下a 當(dāng)滿足 15 彡 ω 彡 20 轉(zhuǎn) / 分時(shí)，V1 = 0. 1 0. 3mm/s, V2 = 40 45mm/s ；b 當(dāng)滿足 20 < ω 彡 25 轉(zhuǎn) / 分時(shí)，V1 = 0. 3 0. 6mm/s, V2 = 55 60mm/s ；c 當(dāng)滿足 25 < ω 彡 30 轉(zhuǎn) / 分時(shí)，V1 = 0. 8 1. Omm/s, V2 = 75 80mm/s。步驟1中，靶材成分為鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍，即Bi4_xRxTi3012，其中R為鑭系稀土元素，O 1. 5，襯底直徑大于等于5英寸，靶材直徑大于襯底直徑1英寸，靶材與襯底之間的距離為100 120mm，真空腔的真空度小于KT7Torr。所述步驟3中，激光波長為193 325nm，激光單脈沖能量為300 400mJ，激光脈沖重復(fù)頻率為25 35Hz。有益效果本發(fā)明提出的制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用激光變速掃描熔蝕大尺寸靶材，它能夠使激光熔蝕靶材產(chǎn)生的等離子羽輝均勻地到達(dá)大尺寸襯底的整個(gè)表面，從而實(shí)現(xiàn)薄膜在大尺寸襯底上的均勻生長，使制備的大面積薄膜均勻度高(士3%以內(nèi)，詳見實(shí)施例)，而且這種方法簡單高效、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好；利用本發(fā)明提供的方法制備的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜，不含有毒元素鉛，是一種環(huán)保的對人體無危害的大面積新型鐵電薄膜材料， 在高密度鐵電存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景；本發(fā)明的技術(shù)方案可以向其它類型大面積鐵電薄膜的制備方面推廣。


圖1為激光變速掃描熔蝕靶材沉積大面積鐵電薄膜的側(cè)視圖；圖2為激光變速掃描熔蝕靶材沉積大面積鐵電薄膜的俯視圖；圖3為激光熔蝕靶材產(chǎn)生的等離子體羽輝在襯底上的沉積軌跡示意圖；圖4為實(shí)施例1的薄膜厚度偏差圖；圖5為實(shí)施例1的薄膜掃描電鏡表面形貌圖。標(biāo)號說明1-襯底，2-靶材，3-羽輝，4-激光
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明實(shí)施例1
激光變速掃描熔蝕靶材沉積大面積鐵電薄膜的示意圖如圖1和圖2所示，激光熔蝕靶材產(chǎn)生的等離子體羽輝在襯底上的沉積軌跡示意圖如圖3所示。制備5英寸(直徑)釹摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜(Bi3.15NdQ.85Ti3012)。具體步驟如下 (1)把6英寸Bi3.15Nda85Ti3012靶材和5英寸硅襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材與襯底之間的距離為110mm，然后對真空腔抽真空至6X10_8Torr。(2)加熱襯底至750°C，向真空腔內(nèi)通入氧氣并保持氧氣壓強(qiáng)為200mTorr。(3)開啟激光器使激光在靶材表面以V1 = 0. 25mm/s,v2 = 43mm/s變速掃描熔蝕靶材，其中靶材和襯底以ω = 17轉(zhuǎn)/分的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，激光波長為 248nm,激光單脈沖能量為350mJ，激光脈沖重復(fù)頻率為30Hz，沉積5英寸釹摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。然后，利用F50-UV膜厚儀對所制備的5英寸釹摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的厚度均勻性進(jìn)行測試和分析，平均厚度為373nm，其厚度偏差圖如圖4所示，厚度偏差為士2.5%。實(shí)施例 1的薄膜掃描電鏡表面形貌圖如圖5所示，可以看出所制備的5英寸釹摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜致密、無裂紋、無孔洞。實(shí)施例2:制備5英寸釤摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜(Bi3.15Sm0.85Ti3012)。具體步驟如下⑴把6英寸Bi3.15Sma85Ti3012靶材和5英寸硅襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材與襯底之間的距離為120mm， 然后對真空腔抽真空至6Χ10_8Τοπ·。⑵加熱襯底至680°C，向真空腔內(nèi)通入氧氣并保持氧氣壓強(qiáng)為105mTorr。(3)開啟激光器，使激光在靶材表面以V1 = 0. 4mm/s、v2 = 58mm/s變速掃描熔蝕靶材，其中靶材和襯底以ω =22轉(zhuǎn)/分的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，激光波長為M8nm，激光單脈沖能量為380mJ，激光脈沖重復(fù)頻率為^Hz,沉積5英寸釤摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。所制備的5英寸釤摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜平均厚度為378nm，厚度偏差為士 2. 8%。實(shí)施例3 制備5英寸鑭摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜(Bi125IAl75Ti3O12)。具體步驟如下⑴把6英寸B^25IAl75Ti3O12靶材和5英寸硅襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材與襯底之間的距離為115mm， 然后對真空腔抽真空至6Χ10_8Τοπ·。(2)加熱襯底至700°C，向真空腔內(nèi)通入氧氣并保持氧氣壓強(qiáng)為150mTorr。(3)開啟激光器使激光在靶材表面以V1 = 0. 9mm/s,v2 = 77mm/s變速掃描熔蝕靶材，其中靶材和襯底以ω =27轉(zhuǎn)/分的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，激光波長為M8nm，激光單脈沖能量為320mJ，激光脈沖重復(fù)頻率為33Hz，沉積5英寸鑭摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。所制備的5英寸鑭摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜平均厚度為368nm，厚度偏差為士 2. 6%。
權(quán)利要求
1.一種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 將靶材和襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材尺寸大于襯底尺寸；步驟2 加熱襯底至所需沉積溫度，即650 780°C，向真空腔內(nèi)通入氧氣；步驟3 開啟激光器使激光在靶材表面變速掃描熔蝕靶材，沉積大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3中，靶材和襯底以相同的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，ω為15 30轉(zhuǎn)/分，激光沿靶材直徑往返變速掃描，激光熔蝕產(chǎn)生的等離子體羽輝動(dòng)態(tài)地沉積在襯底上，羽輝在襯底上的沉積軌跡為變速直線運(yùn)動(dòng)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡，襯底為硅襯底或者Pt/Ti/Si02/ Si襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，所述的激光沿靶材直徑往返變速掃描是指在靶材上，以靶材中心為圓心，以r為半徑的范圍內(nèi)，速度為v2，在該范圍外，速度為Vl，r表示襯底的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，V1和V2的取值如下a 當(dāng)滿足15 (ω < 20 轉(zhuǎn) /ζ分時(shí)，V！ = 0. 1 --0.3mm/s, ν2 = 40-^ 45mm/s ；b 當(dāng)滿足20 <ω < 25 轉(zhuǎn) /ζ分時(shí)，V！ = 0. 3 --0.6mm/s, ν2 = 55-^ 60mm/s ；c 當(dāng)滿足25 <ω < 30 轉(zhuǎn) /ζ分時(shí)，V！ = 0. 8 --1.Omm/s,ν2 = 75-^ 80mm/so
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，步驟1中，靶材成分為鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍，即Bi4_xTxTi3012，其中R為鑭系稀土元素，01. 5，襯底直徑大于等于5英寸，靶材直徑大于襯底直徑1英寸，靶材與襯底之間的距離為100 120mm，真空腔的真空度小于KT7Torr。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟3中，激光波長為193 325nm，激光單脈沖能量為300 400mJ，激光脈沖重復(fù)頻率為25 35Hz。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1將靶材和襯底安裝在真空腔內(nèi)，靶材尺寸大于襯底尺寸；步驟2加熱襯底至所需沉積溫度，即650～780℃，向真空腔內(nèi)通入氧氣；步驟3開啟激光器使激光在靶材表面變速掃描熔蝕靶材，沉積大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜。其關(guān)鍵是通過發(fā)展激光變速掃描熔蝕大尺寸靶材工藝和優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜的均勻生長。所制備的5英寸鑭系稀土離子摻雜鈦酸鉍無鉛鐵電薄膜的厚度均勻性偏差在±3％以內(nèi)。
文檔編號C23C14/06GK102154620SQ20111003184
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者周益春, 王芳, 王金斌, 賈永銳, 鐘向麗 申請人:湘潭大學(xué)