[发明专利]一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及薄膜的技术领域，尤其涉及一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法。使用常规的磁控溅射方法制备铂薄膜，并使用氩气和氧气的混合气体作为溅射载气，通过调节溅射时氩气和氧气混合气体中氧气的含量，进而调节沉积态铂薄膜中的“氧含量”，并与薄膜后续的热处理温度和热处理气氛相配合，主要调整薄膜晶粒长大过程中的表面能和应变能，使得其在热处理的某一阶段，具有特定取向的晶粒具有热力学或动力学方面的生长优势，从而不断消耗周围的小晶粒而异常长大，直至异常长大的晶粒相互接触，最终获得晶粒尺寸大、且晶粒分布均匀的铂薄膜。本发明的制备方法简单，制备的铂薄膜结构缺陷少，具有优良的电学性能。

技术领域

本发明涉及一种薄膜，尤其涉及一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法。

背景技术

无论对于块体材料还是薄膜材料，晶粒尺寸对材料电、磁、力、光等性能都有重要影响。单晶薄膜在半导体工业、集成电路等领域有着重要应用。单晶薄膜通常需要使用单晶基底，并利用外延技术制备，但通常外延设备昂贵，且外延法对基底材料选择有限，通常要求薄膜与基底晶格尺寸差小于15%，此外，单晶基底通常经熔炼-提拉-切割-抛光制成，制造成本较高。

在一些应用中，降低了对单晶薄膜的基底材料要求，并希望获得具有大尺寸晶粒的薄膜。例如，在铂薄膜电阻温度传感器中，为了制备高精度的传感器，需要制备晶界、位错和微孔洞等结构缺陷少的铂薄膜，而常用的物理气相沉积方法如蒸镀、溅射等方法由于其气-固相变的原理限制，决定了其制备的沉积态薄膜中含有大量的晶界、位错和微孔洞等结构缺陷。虽然经过合适的热处理后这些缺陷会大量减少，但仍有相当数量的缺陷会被保留，特别是对于晶界，薄膜晶粒尺寸通常会受到其厚度的限制，其最大晶粒尺寸具有与其厚度相当、且均匀的分布。为了获得更大尺寸的晶粒，即更低的晶界密度，可以增加薄膜的厚度，然而铂是一种贵金属，增加铂薄膜的厚度对于降低材料成本是不利的。

薄膜晶粒生长的驱动力来自薄膜-基底系统总能量的降低，薄膜与基底构成的系统能量主要包括：表面能、界面能、晶界能和应变能。在具有晶体结构的薄膜中，上述能量均具有各向异性。在面心立方中，（111）面通常具有最低的表面能，对于体心立方和密排六方则分别为（110）面和（0002）面；应变能取决于应变大小和材料弹性模量，而弹性模量与晶体取向相关，在面心立方晶体中，[100]方向具有最小的弹性模量；界面能则还与基底有关，若基底为晶态，则与基底取向与和薄膜取向均有关，若基底为无定形态，则主要与薄膜的面内取向有关。

在薄膜晶粒的生长过程中，为使总能量最小化，有时某些具有特定取向的晶粒会因外部条件而具有热力学或动力学方面的生长优势，从而不断消耗其周围的小晶粒而异常生长，长大成为超大的晶粒。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法，该方法使用磁控溅射方法，以氩气和氧气作为溅射载气，在多晶或单晶陶瓷基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜，再通过一次或多次简单热处理即可获得具有超大晶粒的铂薄膜。

本发明中，使用常规的磁控溅射方法制备铂薄膜，但使用氩气和氧气的混合气体作为溅射载气。溅射完成后，氧能溶解在金属铂中，或是形成铂氧化物，并主要影响沉积态薄膜的表面能和应变能。而在后续热处理过程中，溶解在铂晶格中的氧将从铂薄膜中脱溶，逸出铂薄膜，铂氧化物也将发生热分解，又析出金属铂，这个过程也将影响薄膜的表面能和应变能。通过调节溅射时氩气和氧气混合气体中氧气的含量，进而调节沉积态铂薄膜的“氧含量”，并与后续热处理相配合，主要调整薄膜晶粒长大过程中的表面能和应变能，使得在热处理的某一阶段，具有特定取向的晶粒具有热力学或动力学方面的生长优势，从而不断消耗周围的小晶粒而异常长大，直至异常长大的晶粒相互接触，从而获得具有晶粒尺寸大、且晶粒分布均匀的铂薄膜。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超大晶粒的铂薄膜，包括陶瓷基底；在所述陶瓷基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述陶瓷基底为质量百分含量为96% ~99%的多晶氧化铝陶瓷，或单晶氧化铝陶瓷。