[发明专利]一种磁控溅射制备BMN薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于溅射镀膜技术领域，尤其涉及一种磁控溅射制备BMN薄膜的方法。

背景技术

靶材是磁控溅射镀膜的溅射源，靶材的好坏对薄膜的性能起至关重要的作用，因此高品质的靶材是保证薄膜质量的前提和基础，大量研究表明，影响靶材品质的因素主要有：纯度、致密度、结构取向、晶粒大小及分布、尺寸、形状等，其中衡量靶材品质最重要的指标是靶材的相对密度、纯度、结晶取向及其微观结构的均匀性。溅射过程对靶材的致密度的要求很高，如果靶材结构的致密性较差，具有高能量密度的Ar⁺轰击靶材时，会导致靶表面大块物质的剥落，从而使得薄膜表面具有较多的大颗粒。这将严重影响薄膜表面的平整度，最终导致薄膜性能的恶化。此外，磁控溅射过程中高能量密度的Ar⁺轰击，也会导致靶材的升温，为了能够更好地承受靶材内部的热应力，因此需要获得高密度和高强度的靶材。靶材的纯度是靶材品质的主要性能指标之一。薄膜性能的好坏很大程度上受靶材纯度的影响。溅射沉积薄膜的主要污染源是靶材中的杂质以及靶材气孔中的氧气和水。实际应用中，靶材的用途对其所含杂质含量有不同的要求。靶材微观结构的均匀性也是磁控溅射镀膜的质量关键的性能指标之一。靶材微观结构均匀、晶粒尺寸相差较小，那么磁控溅射制得的薄膜厚度比较均匀。此外，晶粒细小的靶材，其溅射速率一般要比晶粒粗大的靶材的溅射速率快。溅射成膜时，靶材的原子容易沿原子的立方最紧密排列的方向优先溅射出来，为达到较高的溅射速率，可以通过改变靶材的结晶结构来增加溅射速率。此外，靶材的结晶方向对溅射薄膜厚度的均匀性也有很大影响。因此，通过工艺调节控制靶材的结晶取向是至关重要的。因此，采用溅射法制备Bi_1.5MgNb_1.5O₇薄膜，必须首先制备高质量的靶材。

在溅射镀膜过程中，溅射粒子的能量除了受到溅射气压与溅射气氛比的影响之外，还与溅射功率有关，一般来说，溅射功率的增大将引起氩气分子被激发成Ar+的量的增加，等离子密度的提高使得离子对靶材的轰击作用加强，那么将会有更多的原子或者微小团簇被溅出；溅射粒子的速率也会增大，从而到达基片时具有的能量增大，有利于陶瓷薄膜的成核生长，最终提高薄膜的结晶度。现有技术中在室温环境下，采用磁控溅射法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备BMN薄膜，研究从不同射频功率的溅射条件对BMN薄膜的物相组成、化学成分、微观形貌和介电性能的影响还没有相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同射频功率对BMN薄膜的影响的方法，旨在研究不同射频功率的溅射条件对BMN薄膜的物相组成、化学成分、微观形貌和介电性能的影响的问题。

本发明是这样实现的，本发明旨在提供一种磁控溅射制备BMN薄膜的方法，该磁控溅射制备BMN薄膜的方法包括：

在阴极靶位置上安装BMN陶瓷靶材，将预处理的衬底固定在基板支架上，打开分子泵对溅射腔室进行抽真空；

到达本底真空度后，向溅射腔室内通入高纯的氩气，调节流量计使气压，加高压对基片再次进行清洗；

关闭高压，打开基片旋转电机，调节基片转速为30rpm；

当衬底温度达到温度后，先关闭靶材档板，调节射频功率至80-200W，预溅射3-5min；

通入高纯氧气，调节流量计，设定Ar/O₂体积比，并使腔室气压达到溅射气压4.0Pa；

调节基片电压为100V，打开档板，开始镀膜；

经过700℃氧气氛下退火30min得到晶化薄膜。

进一步，本体真空度为2.0×10^-4Pa。

进一步，所述氩气纯度为99.999％。

进一步，所述调节流量计使气压控制在1.8-2.0Pa，加高压对基片再次进行清洗5-10min。

进一步，所述氧气纯度为99.999％，Ar/O₂体积比为2:1。

本发明提供的磁控溅射制备BMN薄膜的方法带来的积极效果：

1)各溅射功率条件下，制备的BMN薄膜样品都具有明显的立方焦绿石单相结构。随着溅射功率的升高，BMN薄膜的(222)择优取向程度增强；但当溅射功率增大到200W时，由于沉积的BMN薄膜的组分偏差，导致其(222)择优取向程度减弱。

2)溅射功率在80-150W的范围内，射频功率的改变对薄膜组分几乎没有影响；而当溅射功率增大到200W时，薄膜中原子量较小的Mg原子的反溅射导致薄膜组分偏差。