[发明专利]一种钛酸锶钡薄膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电薄膜材料的生长方法，具体是指一种基于化学汽相沉积法制备钛酸锶钡薄膜材料的方法。

背景技术

铁电薄膜材料是指具有铁电特性并且厚度在数十纳米到数微米的薄膜材料，它具有铁电、压电、热释电、电学、光学等一系列优良性能。铁电薄膜材料主要应用在三个领域中：微波器件(如滤波器，移相器)、存储器(如铁电随机存储器)、微系统(如微型传感器阵列)。将Sr原子部分取代BaTiO₃中的Ba原子，我们就可以得到钛酸锶钡(Ba，Sr)TiO₃(简称BST)。BST铁电薄膜具有介电系数大、非线性强、损耗因子小、漏电流小、不易疲劳且通过调整Ba，Sr比可以改变其居里温度等特点，因而国内外对BST铁电薄膜的制备、组成、结构、性能及应用等方面进行了大量研究，并取得了一些令人可喜的成果。

目前制备BST铁电薄膜技术比较成熟的常用方法主要有：磁控溅射法(Magnetron Sputtering)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)。国内大多采用磁控溅射法和溶胶-凝胶法。中国专利：CN1932080A的“一种钛酸锶钡薄膜材料的制备方法”，该专利介绍了钛酸锶钡薄膜材料的磁控溅射制备方法，采用该方法制备的薄膜，其不足之处是生长速度慢，薄膜成分与靶材有一定的偏差。而中国专利：CN1277953C的“制备钛酸锶钡铁电薄膜的方法”，该专利介绍了钛酸锶钡铁电薄膜材料的Sol-Gel制备方法，采用该方法制备的薄膜致密性较差，易出现龟裂现象。

金属有机化学气相沉积法(MOCVD)是一种化学气相沉积技术，利用MO源(高纯金属有机化合物)作为气态先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜。人们利用同位素示踪技术研究揭示了MOCVD制备BST薄膜的两个成膜反应：氧化过程和前驱体分子的热分解过程。这种方法的优点是：薄膜沉积速率较高，可制备大面积薄膜，适于大批量生产，能精确控制薄膜的化学组分和厚度，薄膜纯度高等。但是，由于BST铁电薄膜其复杂的结构和元素组成，因此使用MOCVD系统生长的BST铁电薄膜的质量、工艺兼容性等与实用化要求还有较大距离，对BST铁电薄膜的沉积工艺、微结构、介电性能等方面有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于金属有机化学气相沉积法的快速加热金属有机化合物化学气相沉积(RT-MOCVD)法，该方法采用两阶段生长过程来生长BST薄膜。它包括：低温(～700℃)的成核阶段和高温(～850℃)的生长阶段。这种方法具有快速使反应腔的温度从低温到达高温，这样就可以消除不理想的晶核形成和扩散过程，从而得到一种纯度高、质量好、铁电性能优良的BST薄膜。

本发明的方法是在金属有机化学气相沉积系统中完成，利用钡、锶、钛和氧源作为前驱物，氩气作为前驱物的运载气体，在衬底上快速加热完成BST薄膜的生长。最后将BST薄膜放在热处理炉中进行热处理。

本发明的钛酸锶钡薄膜材料的制备步骤如下：

A.衬底的清洗和氧化

将衬底放在金属有机化学气相沉积系统的反应腔里的样品架上，使系统循环水的温度保持在25℃，通氩气使反应腔里的压力稳定在1-4Torr，快速加热至1000℃，在氩气气氛中清洗衬底，时间：1-5分钟；

接着将温度降至900℃、再通氧气，流量为100-200sccm，在氩气和氧气的混合气氛下，压力稳定在2-4Torr，保持1-5分钟，氧化衬底。

B.BST薄膜材料的生长

原位将衬底温度降至650-700℃，在上述的氩气和氧气的混合比和气压下，向反应腔内通入钛、钡、锶的前驱物，保持20-30分钟进行BST的晶核生长；接着快速升温，升温速率大于200℃/s，将温度升到800-850℃，保持30-60分钟，完成BST薄膜的生长，随后在氩气的气氛中冷却到室温。

C.BST薄膜的热处理：将沉积好的BST薄膜从反应腔中取出后，立即放入洁净小坩埚内，然后将小坩埚置于热处理炉的石英管中，在氧气流量为0.5-2L/min条件下，在200分钟内使热处理炉从室温匀速升温至400-600℃后，保温1小时；然后再在250分钟内使热处理炉内的温度匀速降至150℃，然后关闭氧气和电源，降至室温取出。