[发明专利]一种钛酸锶铅薄膜的制备方法及制备的钛酸锶铅薄膜

说明书

技术领域

本发明属于铁电材料领域，具体涉及利用磁控溅射的方法在较低的衬底温度下制备高介电调谐率的钛酸锶铅铁电薄膜的方法。

背景技术

随着电子信息技术（无线通讯器件、动态随机存储器等）的不断进步和应用范围的扩大和的不断普及强烈依赖于具有高介电常数、高调谐率（可调性）、低损耗的铁电薄膜材料。另外，为了实现薄膜材料的产业化应用，即将薄膜材料直接集成于硅半导体衬底上，则需要在更低的处理温度下来制备薄膜。因为当处理温度高于500℃，硅半导体被严重破坏。此外，较高的处理温度还会导致薄膜某些成分的挥发，如铅等，从而使得薄膜的成分偏离化学计量比，进而恶化薄膜材料的性能，如增加损耗。但薄膜材料在低温下结晶性差，甚至出现第二相，如焦绿石相等。

为了实现在铁电薄膜低温结晶，研究者们使用了各种化学法和物理法，如化学溶液沉积（M.L.Calzada,I.Bretos,R.Jimenez,H.Guillon and L.Pardo,Adv Mater 16(18),1620，(2004)、C.De Dobbelaere,M.L.Calzada,R.Jimenez,J.Ricote,I.Bretos,J.Mullens,A.Hardyand M.K.Van Bael,J Am Chem Soc 133(33),12922-12925(2011).）、化学气相沉积，激光脉冲沉积等。另外，一些其他的手段还被用于同这些方法结合，比如利用镍酸镧籽晶层、物理法中的原位结晶（J.L.Wang,Y.S.Lai,B.S.Chiou,C.C.Chou,T.G.Y.Lee,H.Y.Tseng,C.K.Janand H.C.Cheng,Appl Phys a-Mater 90(1),129-134(2008)）、紫外辅助退火以及利用铅适度过量等方法以降低薄膜材料的处理温度（I.Bretos,R.Jimenez,J.Garcia-Lopez,L.Pardo and M.L.Calzada,Chem Mater 20(18),5731-5733(2008).）等。遗憾的是，几乎没有关于低温制备的薄膜具有较好的可调性的报道，特别是使用磁控溅射的方法。磁控溅射是制备薄膜的一种重要的方法，因其具有可以制备大尺寸薄膜、薄膜成分均匀、沉积速率高等优点，非常适合工业化生产应用。

本发明介绍的方法结合了适度铅过量、籽晶层和原位沉积的方法利用磁控溅射工艺实现了钛酸锶铅薄膜材料的低温结晶，该工作对于微波调谐用铁电薄膜材料的应用非常重要。

发明内容

本发明通过调控薄膜的铅过量、利用原位沉积和使用缓冲层的方法利用磁控溅射的方法达成降低薄膜处理温度，且薄膜在极低的温度（300℃）下便具有较好的调谐性能。为微波调谐薄膜的实际应用提供理论和技术支撑。

面对现有技术问题，本发明人意识到通过直接对衬底加热，在极低的处理温度下就能够制备具有较好的调谐性能的铁电薄膜；并在溅射过程中通过改变衬底温度，可以制备具有不同微观结构和调谐率的钛酸锶铅薄膜。

在此，一方面，本发明提供一种钛酸锶铅薄膜的制备方法。所述方法是在具有底电极的衬底上利用原位射频磁控溅射的方法制备钛酸锶铅薄膜；在制备薄膜过程中将衬底温度加热到200-500℃，使溅射和薄膜的结晶在所述衬底温度下进行以制备所述薄膜。

本发明的方法在导电金属氧化物底电极上利用原位射频磁控溅射的方法制备钛酸锶铅薄膜。在制备薄膜过程中衬底加热到一定温度，溅射和薄膜的结晶在衬底温度（200-500℃）下进行。该衬底温度同硅器件集成电路所能承受温度兼容。为了获得较好的结晶性和改善薄膜的电学性能，比如漏电流和损耗，优选地对已制备的薄膜在磁控溅射仪腔体中进行原位退火，退火温度较低、为衬底温度200-500℃。此外，所述退火降温速度优选为2-10℃/min。

在本发明200-500℃的衬底温度下，衬底温度越高所制得的薄膜的致密度越高；衬底温度越高薄膜的零场下介电常数越高，在300℃情况下调谐率为43%，350℃以后，衬底温度越高薄膜的调谐率越高。

使用本发明的方法，可以制备具有不同调谐率的钛酸锶铅薄膜。本发明制备的铁电薄膜零场下的介电常数和施加高电场（400kV/cm-700kV/cm）下的介电常数都随着薄膜的衬底温度有所变化。且本发明制备的钛酸锶铅薄膜调谐率较高。