[发明专利]一种射频溅射制备织构化钛酸锶钡介电陶瓷薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种射频溅射制备(111)织构(Ba_xSr_1-x)TiO₃介电陶瓷薄膜的方法，即通过陶瓷靶材，优化工艺参数，制备出单一钙钛矿相的(111)织构的(Ba_xSr_1-x)TiO₃介电陶瓷薄膜，制备出的BST薄膜具有大的高的可调性、介电常数、较低的损耗以及低的漏电流。

背景技术

自20世纪五十年代以来，钙钛矿型铁电固溶体一直是人们感兴趣的研究对象。BaTiO₃是最早发现的一种钙钛矿型铁电体，其特点是介电常数大、非线性强、有明显的温度、频率依赖性。SrTiO₃性能稳定、绝缘性好、温度系数小、介电损耗小，SrTiO₃是一种先兆型铁电体，由热力学理论推算其居里温度点T_C为3.0K左右。人们通常以Sr原子取代BaTiO₃中的Ba原子，形成(Ba_xSr_1-xTiO₃)(BST)。从材料学观点分析，BST是BaTiO₃和SrTiO₃固溶体，BT和ST电学性质完全不同，但是BST固溶体却有非常好的电性能，兼有BT高介电常数，低介电损耗和ST结构稳定的特点。特别是当Ba/Sr的比例近于1时，这种材料具有高的介电常数、低的介电损耗以及室温下有很好的可调性(在外加一定直流偏压下，介电常数能发生很大的变化)。因此，其薄膜材料被选用于高频率敏感微波器件，例如：振荡器、移相器、延迟线、天线和可调性滤波器等。另外，铁电钛酸锶钡薄膜作为一种新型介电材料，在动态随机存储器(DRAM)上拥有非常好的应用前景，原因在于通过合理选择Ba/Sr比，能使材料满足工作条件在室温范围内，并能同时具备所要求的不同的性质；而同时具备相对较低的漏电流和高的介电常数，这正好满足了DRAM对电容介电材料的优势。BST已被认为是开发下一代超大规模集成电路动态随机存储器(ULSIDRAM)的重要材料。正因为其优越的介电/铁电性能，对钛酸锶钡材料的研究与应用开发已成为大家竞相角逐的热点问题之一。参见[1]H.N.Lee，D.Hesse，N.Zakharov，and U.Gsele，Science(科学)296，2006(2002).[2]C.H.Ahn，K.M.Rabe，and J.-M.Triscone，Science(科学)303，488(2004).[3]J.Im，O.Auciello，P.K.Baumann，S.K.Streiffer，D.Y.Kaufman，and A.R.Krauss，Applied Physics Letters(应用物理快报)76，625(2000).[4]A.I.Kingon，J.-P.Maria，S.K.Streiffer，Nature(自然)406，1032(2000).

(Ba_xSr_1-x)TiO₃是此类材料中被研究较多的典型代表。目前许多研究组都在研究，在不同的单晶衬底(诸如：LaAlO₃、MgO、Al₂O₃等)进行外延生长BST薄膜。近年来，随着铁电薄膜制备技术的突破，薄膜材料和薄膜制备技术的研究有了长足的进步，使方便地制备各种铁电薄膜成为可能。并且，多晶的BST薄膜的性能已尽可以达到和外延薄膜相同的优势。由于半导体集成技术的进步，在单晶Si上集成钙钛矿铁电薄膜越来越多的吸引了人们的研究视线。例如：在单晶Si上通过缓冲层等技术达到在Si(100)上生长(100)取向的外延或者高取向织构铁电/介电薄膜。然而最近在不同取向的单晶MgO上外延出不同取向的BST薄膜，试验结果表明(111)取向的BST薄膜在可调微波器件应用方面比(100)取向的薄膜具有更大的优势。[5]S.E.Moon，E.-K.Kim，M.-H.Kwak，H.-C.Ryu，Y.-T.Kim，K.-Y.Kang，S.-J.Lee，and W.-J.Kim，Applied Physics Letters(应用物理快报)83，2166(2003)。