一种在Ｓｉ单晶基片上制备ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜的方法技术

一种在Ｓｉ单晶基片上制备ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜的方法，包括：１）将沿ａ轴方向生长的Ｓｉ单晶基片和ＭｇＯ陶瓷靶材送入沉积室中并抽真空，加热基片并通入高纯氧气，将脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面产生等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成ＭｇＯ薄膜缓冲层；２）将沉积有ＭｇＯ薄膜缓冲层的Ｓｉ单晶基片和ＢａＴｉ２Ｏ５陶瓷靶材送入沉积室中并抽真空，加热基片并通入高纯氧气，将脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面产生等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜。本发明专利技术通过构筑与ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜相匹配的ＭｇＯ薄膜缓冲层，能够获得在Ｓｉ单晶基片上沿ｂ轴方向择优生长、物相单一的ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜，实现ＢａＴｉ２Ｏ５铁电薄膜与半导体工艺的兼容性，有利于与传统半导体器件的集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在Si单晶基片上制备BaTi2O5铁电薄膜的方法。
技术介绍
铁电薄膜具有良好的介电、压电、铁电、热释电、光电及非线性光学等特性，在微电 子、光电子、集成光学和微电子机械系统等领域具有广泛的应用。目前，广泛使用的是钛酸 铅、锆钛酸铅等含铅类铁电薄膜，但是这类材料在制备和使用过程中会给环境和人类健康 带来危害。因此，进一步开发不含铅的、与环境友好的铁电薄膜新材料，已成为当前新材料 研究的热点之一。BaTi2O5薄膜就是近年来发展起来的一种介电和铁电性能优良的无铅铁 电材料，它有望替代传统的铅基铁电薄膜，应用于动态随机存储器和非挥发性铁电随机存 储器等集成器件，社会效益和经济价值显著。研究表明，BaTi2O5的铁电性只表现在b轴方向上，因此制备出沿b轴方向择优 生长的BaTi2O5薄膜是实现其应用的必要前提。由于BaTi2O5铁电薄膜的制备和取向控 制都很困难，其国内外的研究报道很少，目前仅 有采用脉冲激光沉积技术(Pulsed Laser Deposition, PLD)在MgO单晶基片上制备BaTi2O5铁电薄膜的相关研究，通过控制沉积工 艺参数，可以实现BaTi2O5薄膜沿b轴方向的择优生长。虽然MgO单晶基片与BaTi2O5铁电 薄膜的晶格匹配且其热稳定性和化学稳定性良好，但MgO单晶基片的价格昂贵、加工困难， 而且不利于与传统半导体器件的集成。Si单晶是半导体工业中最常用的基片材料，为实现 BaTi2O5铁电薄膜与半导体工艺的兼容性，还必须要开展BaTi2O5铁电薄膜在Si单晶基片上 的制备研究，这对于满足铁电器件小型化、集成化发展的需要以及环境保护和社会可持续 发展的需求，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在Si单晶基片上制备沿b轴方向择优生长的BaTi2O5 铁电薄膜的方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是=BaTi2O5铁电薄膜的制备方法， 其特征在于它包括如下步骤1)以MgO陶瓷为靶材，MgO靶材的纯度>98%、致密度>90%，基片材料为沿a轴 方向生长的Si单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并抽真空，加热基 片至300 450°C，然后通入高纯氧气并保证沉积室内的氧压小于lPa，随后将能量密度为 3 4J/cm2的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并产生高温高压等离子 体羽辉，最后沉积在基片上形成MgO薄膜缓冲层；沉积时间为0. 5 1. 5h，得到的MgO薄膜 物相单一、沿a轴方向择优生长、厚度60 180nm ；2)以BaTi2O5陶瓷为靶材，BaTi2O5靶材的纯度> 98%、致密度> 90%，基片材料 采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积 设备的沉积室中并抽真空，加热基片至700 800°C并通入高纯氧气使沉积室内的氧压为10 15Pa，随后将能量密度为1. 5 2. 5J/cm2的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表 面高温熔蚀并产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成BaTi2O5铁电薄膜；沉积 时间为2 4h，得到的BaTi2O5铁电薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长、厚度170 320nm。本专利技术利用脉冲激光沉积技术，先在Si单晶基片上构筑与BaTi2O5薄膜相匹配的 MgO薄膜缓冲层，解决BaTi2O5薄膜与Si单晶基片之间的晶格失配问题以实现BaTi2O5薄膜 的择优生长；然后再在MgO/Si基片上，通过控制脉冲激光沉积工艺调控BaTi2O5薄膜的结晶 取向，制备沿b轴方向择优生长的BaTi2O5铁电薄膜。本专利技术的有益效果是本专利技术的方法能够获得在Si单晶基片上沿b轴方向择优 生长、物相单一的BaTi2O5铁电薄膜，实现了 BaTi2O5铁电薄膜与半导体工艺的兼容性，克服 了 MgO单晶基片价格昂贵、加工困难等问题，有利于与传统半导体器件的集成，有力推动了 BaTi2O5铁电器件小型化、集成化的发展。附图说明图1制备MgO薄膜缓冲层和BaTi2O5铁电薄膜的实验过程示意图。图中，沉积 室；2-基片；3-靶材；4-氧气；5-激光器；6-反射镜；7-透镜；8-等离子体羽辉。图2为实施例1在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的物相和结晶取向。图3为实施例1在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的表面形貌。图4为实施例1在MgO/Si基片上制备的BaTi2O5铁电薄膜的物相和结晶取向。图5为实施例1在MgO/Si基片上制备的BaTi2O5铁电薄膜的断面形貌。具体实施例方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的 内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1 一种在Si单晶基片上制备BaTi2O5铁电薄膜的方法，它包括如下步骤1)采用脉冲激光沉积技术制备MgO薄膜缓冲层以纯度98.5%、致密度93%的 MgO陶瓷为靶材，基片材料为沿a轴方向生长的Si单晶，实验过程如图1所示先将基片2 和靶材3分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室1中并对沉积室1抽真空至10_4Pa，基片2与 靶材3以20转/分的转速均勻旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm ；然后，将基片2加 热至40(TC，再将激光器5产生的高功率脉冲激光束(激光能量密度3. 5J/cm2)经反射镜6 和透镜7聚焦后照射在靶材3表面上，使靶材3表面高温熔蚀并进一步产生高温高压等离 子体羽辉8，最后沉积在基片2上形成MgO薄膜缓冲层，沉积时间为1. 2h。MgO薄膜缓冲层的物相、结晶取向和表面形貌分别如图2和图3所示。图2说明了 在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的物相和结晶取向，薄膜为单一的MgO物相，结晶 良好而且沿a轴方向择优生长；图3说明了在Si单晶基片上制备的MgO薄膜缓冲层的表面 形貌，薄膜表面平整，厚度约150nm。2)采用脉冲激光沉积技术进一步制备BaTi2O5铁电薄膜以纯度99%、致密度 95%的BaTi2O5陶瓷为靶材，基片材料采用上一步获得的、沉积有MgO薄膜缓冲层的Si单晶 (表示为MgO/Si基片)，实验过程如图1所示先将基片2和靶材3分别送入脉冲激光沉积设备的沉积室1中并对沉积室1抽真空至10_4Pa，基片2与靶材3以20转/分的转速均勻 旋转，二者之间的垂直距离保持为50mm ；然后，将基片2加热至700°C，通入纯度99. 999% 的氧气4并使沉积室1内的氧压为12. 5Pa ；随后将激光器5产生的高功率脉冲激光束(激 光能量密度2J/cm2)经反射镜6和透镜7聚焦后照射在靶材3表面上，使靶材3表面高温 熔蚀并进一步产生高温高压等离子体羽辉8，最后沉积在基片2上形成BaTi2O5薄膜，沉积 时间为2. 6h。BaTi2O5铁电薄膜的物相、结晶取向和表面形貌分别如图4和图5所示。图4说明了在MgO/Si基片上制备的BaTi2O5铁电薄膜的物相和结晶取向，可以看出，除Si单晶基片 和MgO薄膜缓冲层的衍射峰外，图谱中只出现了 BaTi2O5的特征峰，说明得到的BaTi2O5铁电 薄膜物相单一、沿b轴方向择优生长；图5说明了在MgO/Si基片上制备的BaTi2O5铁电薄膜 的断面形貌，可以看出，BaTi2O5铁电薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在Ｓｉ单晶基片上制备ＢａＴｉ↓［２］Ｏ↓［５］铁电薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：　　１）以ＭｇＯ陶瓷为靶材，ＭｇＯ靶材的纯度＞９８％、致密度＞９０％，基片材料为沿ａ轴方向生长的Ｓｉ单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并抽真空，加热基片至３００～４５０℃，然后通入高纯氧气并保证沉积室内的氧压小于１Ｐａ，随后将能量密度为３～４Ｊ／ｃｍ↑［２］的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成ＭｇＯ薄膜缓冲层；沉积时间为０．５～１．５ｈ，得到的ＭｇＯ薄膜物相单一、沿ａ轴方向择优生长、厚度６０～１８０ｎｍ；　　２）以ＢａＴｉ↓［２］Ｏ↓［５］陶瓷为靶材，ＢａＴｉ↓［２］Ｏ↓［５］靶材的纯度＞９８％、致密度＞９０％，基片材料采用上一步获得的、沉积有ＭｇＯ薄膜缓冲层的Ｓｉ单晶；先将基片和靶材送入脉冲激光沉积设备的沉积室中并抽真空，加热基片至７００～８００℃并通入高纯氧气使沉积室内的氧压为１０～１５Ｐａ，随后将能量密度为１．５～２．５Ｊ／ｃｍ↑［２］的脉冲激光束照射在靶材表面上，使靶材表面高温熔蚀并产生高温高压等离子体羽辉，最后沉积在基片上形成ＢａＴｉ↓［２］Ｏ↓［５］铁电薄膜；沉积时间为２～４ｈ，得到的ＢａＴｉ↓［２］Ｏ↓［５］铁电薄膜物相单一、沿ｂ轴方向择优生长、厚度１７０～３２０ｎｍ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张联盟，王传彬，沈强，王芳，李凌，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]