專利名稱：鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，具體講是利用常壓金屬有機(jī)化合物汽相沉積(APMOCVD)工藝制備鈦酸鉍鐵電薄膜的方法。
鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)薄膜具有優(yōu)良的鐵電性質(zhì)和電光性質(zhì)，可用于制作鐵電存貯器，電光器件，光存貯顯示器等，在微電子、光電子及集成光學(xué)諸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。鈦酸鉍薄膜的制備較早采用的是射頻濺射法[見“Ferroelectric thin film”，Condensed Matter News，1992.Vol.1.No.5]，其缺點是薄膜生長時襯底溫度較高(達(dá)675℃以上);生長速度慢(10-50
/分鐘);不便于大面積生長;薄膜組份均勻性及微結(jié)構(gòu)欠佳。金屬有機(jī)化合物汽相沉積(MOCVD)是較先進(jìn)的制備薄膜的方法，已廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體薄膜的生長及超晶格器件的制備。最近報道了低壓MOCVD制備鈦酸鉍薄膜的方法[見J.Crystal Growth 107(1991)712]，該方法要求低壓，故需抽真空系統(tǒng)及低壓控制系統(tǒng)，因而設(shè)備較復(fù)雜，造價較高，操作程序多。常壓MOCVD方法的優(yōu)點是可精確控制薄膜組份;能大面積的制備均勻的薄膜;可降低襯底溫度，提高生長速度，且所用設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。目前，利用常壓MOCVD方法制備鈦酸鉍薄膜以及采用Bi2Sr2Ca Cu2Ox超導(dǎo)單晶體襯底尚無先例。
本發(fā)明目的是試圖以常壓MOCVD方法制備酞酸鉍鐵電薄膜。
本發(fā)明是按如下方式來實現(xiàn)的選用單晶硅Si(100)，或Bi2Sr2CaCu2Ox超導(dǎo)單晶(001)或二氧化硅SiO2作襯底，將襯底置于生長室內(nèi)，加熱至500至650℃，并通入稀釋氣體氮氣，流量由流量控制器控制在300-800毫升/分鐘，二分鐘后用氣流切換閥切斷通向生長室的氣流，氣流從旁路進(jìn)入尾氣處理裝置。選金屬有機(jī)源為異丙氧基鈦(Ti[OCH(CH3)2]4)，將其放入鈦源揮發(fā)器中;鉍源選三苯基鉍[Bi(C6H5)3]，放入鉍源揮發(fā)器中。加熱鈦源揮發(fā)器至45°～65℃，并通入載氣氮氣攜帶揮發(fā)的異丙氧基鈦，流量控制在100-250毫升/分鐘;加熱鉍源揮發(fā)器至145°-175℃，通入載氣氮氣攜帶揮發(fā)的三苯基鉍，且控制流量在100～500毫升/分鐘;氧化劑氧氣流量控制在100～700毫升/分鐘。當(dāng)溫度和各路氣流量穩(wěn)定后，用氣流切換閥把所有氣流同時引入生長室，整個系統(tǒng)處于常壓狀態(tài)，開始生長薄膜，待20-120分鐘之后，可生長出0.4-2μm厚的鈦酸鉍鐵電薄膜，然后停止加熱，自然冷卻至室溫，即可取出。載氣和稀釋氣體氮可用氬氣代替;鈦源也可選用鈦酸正丁酯(C16H38O4Ti)，此時鈦源揮發(fā)器加熱溫度應(yīng)為125°-150℃;襯底材料也可選用超導(dǎo)薄膜YBCO/SrTiO3。
利用本發(fā)明方法生長鈦酸鉍鐵電薄膜可降低襯底溫度;生長速度快，速度可達(dá)200-500
/分鐘，使生長時間大大縮短;且設(shè)備簡單，勿需低壓控制及抽真空系統(tǒng)，從而使成本降低。該發(fā)明工藝簡便、穩(wěn)定，制備的薄膜組份均勻、致密、無微裂;薄膜鐵電性能和電光性能良好。
本發(fā)明實施例如下1.采用Si(100)單晶襯底，生長室溫度(即襯底溫度)510℃，Bi源(三苯基鉍)揮發(fā)器溫度165℃，其載氣氮流量110毫升/分鐘。Ti源(異丙氧基鈦)揮發(fā)器溫度50℃，其載氣氮流量100毫升/分鐘。氧氣流量150毫升/分鐘，稀釋氣體氮流量400毫升/分鐘。生長時間30分鐘，得到厚度為0.5μm的薄膜。
2.采用SiO2襯底，生長室溫度(襯底溫度)650℃ Bi源原揮發(fā)器溫度170℃，其載氣氮流量300毫升/分，Ti源(異丙氧基鈦)揮發(fā)器溫度60℃，其載氣氮流量200毫升/分鐘，氧氣流量600毫升/分鐘，稀釋氣氮流量800毫升/分鐘，生長40分鐘，可得2μm的薄膜。
3.用Bi2Sr2CaCu2Ox超導(dǎo)單晶作襯底，生長室溫度為550℃，Bi源揮發(fā)器溫度160℃，其載氣氮流量150毫升/分鐘;Ti源鈦酸正丁脂揮發(fā)器溫度135℃，其載氣氮流量125毫升/分鐘;氧氣流量300毫升/分鐘，稀釋氮氣流量500毫升/分鐘;生長1小時，得到1.2μm的薄膜。
4.采用Bi2Sr2CaCu2Ox單晶(001)切片作襯底，生長室溫度500℃，Bi源揮發(fā)器溫度150℃，其載氣氮流量200毫升/分鐘;Ti源(鈦酸正丁脂)揮發(fā)器溫度130℃，其載氣氮流量110毫升/分鐘;氧氣流量400毫升/分鐘，稀釋氣氮流量600毫升/分鐘，生長時間1.5小時，可得1.8μm厚薄膜。


圖1是本發(fā)明方法的工藝流程圖，其中1是載氣氮(或氬)氣源，2是氧氣源，3是鈦源揮發(fā)器，4是鉍源揮發(fā)器，5～8是氣體流量控制器，9是氣流切換閥，10是生長室，11是尾氣處理器，12是襯底，13是旁路管道。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，選用單晶硅Si(100)，或二氧化硅SiO2，作襯底；以氮氣為稀釋氣體和載氣；選鈦源為異丙氧基鈦(Ti[OCH(CH3)2]4)或鈦酸正丁酯；鉍源為三苯基鉍(Bi(C6H5)3)；氧氣為氧化劑，其特征是將鈦源和鉍源分別放入鈦源揮發(fā)器和鉍源揮發(fā)器中加熱使其揮發(fā)，用載氣氮分別攜帶揮發(fā)的鈦源和鉍源，經(jīng)流量控制器通入放置有襯底的薄膜生長室內(nèi)，同時經(jīng)流量控制器分別將稀釋氣體氮和氧氣通入生長室內(nèi)，通氣時生長室溫度加熱至500℃-650℃，生長時間為20-120分鐘，整個過程在常壓狀態(tài)下進(jìn)行，隨后停止加熱、通氣，自然冷卻至室溫，在襯底上制成薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征為所述的鈦源為異丙氧基鈦時，鈦源揮發(fā)器加熱溫度為45-60℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述的鈦源為鈦酸正丁酯時，鈦源揮發(fā)器加熱溫度為125-150℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征為所述的鉍源揮發(fā)器加熱溫度為145-175℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述用氮氣攜帶揮發(fā)的鈦源流量控制在100-250毫升/分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述的用氮氣攜帶揮發(fā)的鉍源流量控制在100-500毫升/分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述的通入生長室的稀釋氮氣流量控制在300-800毫升/分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述的通入生長室的氧氣流量控制在100-700毫升/分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜制備方法，其特征是所述的襯底材料可選用Bi2Sr2CaCu2Ox超導(dǎo)單晶。
全文摘要
一種鈦酸鉍鐵電薄膜的制備方法，采用常壓有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝將鈦源和鉍源加熱揮發(fā)，用氮氣為載氣攜帶揮發(fā)鈦源和鉍源通入生長室時，同時氮氣和氧氣通入生長室內(nèi)，生長室內(nèi)放有襯底，在常壓加熱情況下，在襯底上制得薄膜，該方法工藝簡單，方便，薄膜生長周期短，制得的薄膜均勻，致密、無微裂，且鐵電性能及電光性能良好，可用于制作鐵電存貯器和電光器件及鐵電超導(dǎo)復(fù)合器件。
文檔編號H01L41/24GK1090428SQ9311024
公開日1994年8月3日 申請日期1993年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月15日
發(fā)明者王弘, 王民, 付麗偉, 余立, 尚淑霞, 王曉林 申請人:山東大學(xué)