專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶體材料的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，尤其涉及到一種控制鐵電薄膜取向生長(zhǎng)技術(shù)。
鐵電鈮酸鋰材料是一種具有許多獨(dú)特性能的功能材料，其優(yōu)良的壓電、熱釋電、鐵電、電光、聲光、彈光和非線性光學(xué)等效應(yīng)已有許多重要應(yīng)用或應(yīng)用前景。鈮酸鋰薄膜能與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容和實(shí)現(xiàn)集成化。為了對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，鈮酸鋰薄膜應(yīng)具有特定取向，以利用特定的物性張量的分量。為此，各國(guó)科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的生長(zhǎng)研究工作。但到目前為止，取向的鐵電鈮酸鋰薄膜只能在晶格匹配的特定單晶襯底上得到，如藍(lán)寶石等。而在硅基等襯底上難以得到取向鈮酸鋰薄膜，因此難以得到所要求的物理效應(yīng)。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，基于鈮酸鋰具有自發(fā)極化這一事實(shí)提出了用外加低電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直于薄膜的方向施加一個(gè)低電場(chǎng)，使生長(zhǎng)中的薄膜鐵電疇沿電場(chǎng)方向取向排列，從而達(dá)到取向生長(zhǎng)的目的。電場(chǎng)強(qiáng)度為2-20V/cm，電場(chǎng)在生長(zhǎng)平面的不均勻度為＜0.5％。
本發(fā)明的裝置有如下結(jié)構(gòu)包括蒸發(fā)、濺射、或其它薄膜淀積生長(zhǎng)裝置，在真空成膜室，室內(nèi)的靶臺(tái)和襯底臺(tái)之間加裝有電極裝置，上電極采用金屬絲網(wǎng)，下電極為金屬襯底臺(tái)，上下電極的距離為4-10mm。電極連接至外加直流電源，電源電壓在200V以下。
可以用脈沖激光閃蒸法(PLA)、化學(xué)氣相淀積(CVD和MOCVD)、磁控濺射等多種方法成功實(shí)現(xiàn)這一方法。無(wú)論是在方法上還是在機(jī)理上，本方法與極化方法完全不同。極化是樣品的后處理工藝。也就是說(shuō)，極化是在制備好的樣品上先鍍上或壓上電極，再施加電場(chǎng)極化的方法，所用電場(chǎng)一般都很高，達(dá)kV/cm量級(jí)。在極化工藝中，電極與樣品要求良好接觸。況且鈮酸鋰一般不能直接用直流電場(chǎng)極化，而宜采有脈沖電場(chǎng)極化，原因是鈮酸鋰易擊穿出現(xiàn)雪崩現(xiàn)象而損壞。此外，極化是使已存在的各個(gè)鐵電疇重新取向或反轉(zhuǎn)。
而在本方法及裝置中有下述效果施加電場(chǎng)和薄膜生長(zhǎng)合二為一，兩者原位同步進(jìn)行。在生長(zhǎng)初期的形核階段，電場(chǎng)即起作用，使得極化強(qiáng)度與電場(chǎng)平行的核最有利于形成和長(zhǎng)大。所需的電場(chǎng)也可以是極低的，有效值在10V/cm量級(jí)。而且電極與樣品是分立的，在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)。整個(gè)裝置簡(jiǎn)單且容易控制。
以下結(jié)合附圖和通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置的示意圖。
圖2為上下電極8mm時(shí)電場(chǎng)分布示意圖。
圖3為在不同電場(chǎng)下熔石英襯底上鈮酸鋰薄膜的X線衍射譜圖。
圖4為在不同電場(chǎng)下有二氧化硅覆蓋層的硅片上鈮酸鋰薄膜的X射線譜圖。
本發(fā)明的裝置有如下結(jié)構(gòu)包括脈沖激光閃蒸生長(zhǎng)裝置，即包括帶窗口的真空成膜室，室內(nèi)有靶架及襯底臺(tái)，在成膜室內(nèi)裝有電極裝置，上電極采用金屬絲網(wǎng)，下電極為金屬襯底臺(tái)，上下電極的距離為4-10mm。
PLA方法的實(shí)驗(yàn)裝置示如附圖1。一束激光經(jīng)聚焦后打在靶1上，產(chǎn)生閃蒸等離子體，沉積到襯底2上得到薄膜。激光器采用Lambda Physik公司的KrF準(zhǔn)分子激光器3，激光器3波長(zhǎng)248nm。靶材采用鈮酸鋰單晶或燒結(jié)陶瓷靶。襯底采用兩種結(jié)構(gòu)上等效的非晶襯底，即熔石英和有熱氧化非晶二氧化硅覆蓋層的硅片。生長(zhǎng)溫度選擇在600℃。生長(zhǎng)過(guò)程中通入的氧氣壓強(qiáng)在20至35pa之間。靶和襯底之間的距離約3.5cm。也可用其他準(zhǔn)分子激光器，如ArF、XeCl等，本質(zhì)上沒(méi)有差別。在PLA生長(zhǎng)系統(tǒng)中引入一套電極系統(tǒng)4，如附圖1所示。下電極4-1直接采用和鍍膜室5本體連在一起的不銹鋼襯底臺(tái)2-1。上電極采用一套由極細(xì)金屬銅線4-2(直徑小于0.5mm)連成的平行絲或織成的縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)。絲間距在1.5至2.5mm之間。上電極用一絕緣架4-3支起，絕緣架可以用玻璃管和玻璃棒組成，或用陶瓷片組成。上下電極間距離在6至8mm之間。上下電極尺寸在40mm左右。兩電極間加上一直流電壓，電壓范圍在0至200伏即可。這里使下電極連同靶架和生長(zhǎng)室外殼共同接地而在上電極施加一直流偏壓Vb(可正可負(fù))。這樣在兩電極間就形成了一定大小的電場(chǎng)。電場(chǎng)分布如附圖2所示。在襯底和生長(zhǎng)薄膜的區(qū)域內(nèi)，可以認(rèn)為電場(chǎng)是均勻的。在其它薄膜生長(zhǎng)室中，原則上也可以設(shè)計(jì)出類(lèi)似的電極系統(tǒng)。生長(zhǎng)時(shí)閃蒸物穿過(guò)上電極到達(dá)襯底。為降低絲網(wǎng)的陰影效應(yīng)，襯底臺(tái)和上電極間應(yīng)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這里選擇襯底臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。在電場(chǎng)誘導(dǎo)下，薄膜核和生長(zhǎng)時(shí)其極化強(qiáng)度矢量沿電場(chǎng)方向平行排列的情形在能量上最為有利。具體結(jié)果如下在熔石英襯底上的取向生長(zhǎng)在沒(méi)有施加電場(chǎng)或不放置電極系統(tǒng)時(shí)，生長(zhǎng)出的鋰薄膜是無(wú)規(guī)取向的多晶。當(dāng)施加30伏的偏壓時(shí)，鈮酸鋰薄膜即表現(xiàn)出良好的(001)擇優(yōu)取向，在施加60伏到90伏的直流偏壓時(shí)，(001)擇優(yōu)取向更為突出，在110伏左右的偏壓下表現(xiàn)出完全的(001)擇優(yōu)取向。如附圖3所示。
在有熱氧化二氧化硅覆蓋層的硅片上的取向生長(zhǎng)在沒(méi)有施加電場(chǎng)或不放置電極系統(tǒng)時(shí)，生長(zhǎng)出的鈮薄鋰薄膜是無(wú)規(guī)取向的多晶。當(dāng)施加30伏的偏壓時(shí)，鈮酸鋰薄膜即表現(xiàn)出良好的(001)擇優(yōu)取向，在施加45伏到65伏的直流偏壓時(shí)，(001)擇優(yōu)取向更為突出，約在70至75伏偏壓下鈮酸鋰薄膜表現(xiàn)出完全的(001)擇優(yōu)取向。如附圖4所示。綜上所述，用電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法，在薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直于薄膜的方向可以施加一個(gè)6-12V/cm的偏壓電場(chǎng)，能生長(zhǎng)出取向的鈮酸鋰薄膜，具體偏壓電場(chǎng)值與襯底種類(lèi)有關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種用低電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征是在薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直于薄膜的方向施加一個(gè)電場(chǎng)，使生長(zhǎng)中的鈮酸鋰薄膜鐵電疇沿電場(chǎng)方向取向排列，從而達(dá)到取向生長(zhǎng)的目的，電場(chǎng)強(qiáng)度為2-20V/cm。
2.由權(quán)利要求1所述的用電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征是在薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直于薄膜的方向施加一個(gè)6-12V/cm的偏壓電場(chǎng)。
3.一種用電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰鐵電薄膜取向生長(zhǎng)的裝置，包括蒸發(fā)、濺射、或淀積生長(zhǎng)裝置，真空成膜室內(nèi)有靶架及襯底臺(tái)，在成膜室內(nèi)裝有電極裝置，上電極采用金屬絲網(wǎng)，下電極為金屬襯底臺(tái)，上下電極的距離為4-10mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制鐵電薄膜取向生長(zhǎng)技術(shù)。本發(fā)明基于鈮酸鋰具有自發(fā)極化這一事實(shí)提出了用外加電場(chǎng)誘導(dǎo)鈮酸鋰薄膜取向生長(zhǎng)的方法。在薄膜生長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直于薄膜的方向施加一個(gè)低電場(chǎng),使生長(zhǎng)中的薄膜鐵電疇沿電場(chǎng)方向取向排列,從而達(dá)到取向生長(zhǎng)目的?？梢杂妹}沖激光閃蒸法、化學(xué)氣相淀積、磁控濺射等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一方法。本發(fā)明施加電場(chǎng)和薄膜生長(zhǎng)合二為一,兩者原位同步進(jìn)行。所需的電場(chǎng)可以是極低的,在10V/cm量級(jí)。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1184863SQ96117210
公開(kāi)日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1996年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月13日
發(fā)明者劉治國(guó), 胡衛(wèi)生, 馮端 申請(qǐng)人:南京大學(xué)