一種bmn薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于濺射鍍膜，尤其涉及一種BMN薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 靶材是磁控濺射鍍膜的濺射源，靶材的好壞對薄膜的性能起至關(guān)重要的作用，因 此高品質(zhì)的靶材是保證薄膜質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)，大量研究表明，影響靶材品質(zhì)的因素主要 有：純度、致密度、結(jié)構(gòu)取向、晶粒大小及分布、尺寸、形狀等，其中衡量靶材品質(zhì)最重要的指 標(biāo)是靶材的相對密度、純度、結(jié)晶取向及其微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。濺射過程對靶材的致密度的 要求很高，如果靶材結(jié)構(gòu)的致密性較差，具有高能量密度的Ar+轟擊靶材時，會導(dǎo)致靶表面 大塊物質(zhì)的剝落，從而使得薄膜表面具有較多的大顆粒。這將嚴(yán)重影響薄膜表面的平整度， 最終導(dǎo)致薄膜性能的惡化。此外，磁控濺射過程中高能量密度的Ar+轟擊，也會導(dǎo)致靶材的 升溫，為了能夠更好地承受靶材內(nèi)部的熱應(yīng)力，因此需要獲得高密度和高強(qiáng)度的靶材。靶材 的純度是靶材品質(zhì)的主要性能指標(biāo)之一。薄膜性能的好壞很大程度上受靶材純度的影響。 濺射沉積薄膜的主要污染源是靶材中的雜質(zhì)以及靶材氣孔中的氧氣和水。實(shí)際應(yīng)用中，靶 材的用途對其所含雜質(zhì)含量有不同的要求。靶材微觀結(jié)構(gòu)的均勻性也是磁控濺射鍍膜的質(zhì) 量關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。靶材微觀結(jié)構(gòu)均勻、晶粒尺寸相差較小，那么磁控濺射制得的薄 膜厚度比較均勻。此外，晶粒細(xì)小的靶材，其濺射速率一般要比晶粒粗大的靶材的濺射速率 快。濺射成膜時，靶材的原子容易沿原子的立方最緊密排列的方向優(yōu)先濺射出來，為達(dá)到較 高的濺射速率，可以通過改變靶材的結(jié)晶結(jié)構(gòu)來增加濺射速率。此外，靶材的結(jié)晶方向?qū)R 射薄膜厚度的均勻性也有很大影響。因此，通過工藝調(diào)節(jié)控制靶材的結(jié)晶取向是至關(guān)重要 的。因此，采用濺射法制備BiuMgNbuC^薄膜，必須首先制備高質(zhì)量的靶材。
[0003] 在濺射鍍膜過程中，濺射粒子的能量除了受到濺射氣壓與濺射氣氛比的影響之 外，還與濺射功率有關(guān)，一般來說，濺射功率的增大將引起氬氣分子被激發(fā)成Ar+的量的 增加，等離子密度的提高使得離子對靶材的轟擊作用加強(qiáng)，那么將會有更多的原子或者微 小團(tuán)簇被濺出；濺射粒子的速率也會增大，從而到達(dá)基片時具有的能量增大，有利于陶瓷 薄膜的成核生長，最終提高薄膜的結(jié)晶度?，F(xiàn)有技術(shù)中在室溫環(huán)境下，采用磁控濺射法在 Pt (111) /Ti/Si02/Si襯底上制備BMN薄膜，研究從基片負(fù)偏壓條件對BMN薄膜的物相組成、 化學(xué)成分、微觀形貌和介電性能的影響還沒有相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種BMN薄膜的制備方法，旨在研究從基片負(fù)偏壓條件對 BMN薄膜的物相組成、化學(xué)成分、微觀形貌和介電性能的影響的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種BMN薄膜的制備方法，該BMN薄膜的制備方法包括：
[0006] 在陰極靶位置上安裝BMN陶瓷靶材，將預(yù)處理的襯底固定在基板支架上，打開分 子栗對濺射腔室進(jìn)行抽真空；
[0007] 到達(dá)本底真空度后，向?yàn)R射腔室內(nèi)通入高純的氬氣，調(diào)節(jié)流量計(jì)使氣壓，加高壓對 基片再次進(jìn)行清洗；
[0008] 關(guān)閉高壓，打開基片旋轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)芐基片轉(zhuǎn)速為30rpm ;
[0009] 襯底溫度升高，關(guān)閉靶材檔板，調(diào)節(jié)射頻功率，預(yù)濺射3-5min ;
[0010] 通入高純氧氣，調(diào)節(jié)流量計(jì)，設(shè)定Ar/02體積比，并使腔室氣壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)的濺射氣 壓 4. OPa ;
[0011] 調(diào)芐基片電壓為80-150V，打開檔板，開始鍍膜；
[0012] 經(jīng)過700°C氧氣氛下退火30min得到晶化薄膜。
[0013] 進(jìn)一步，本底真空度為2. 0X10 4Pa。
[0014] 進(jìn)一步，所述氬氣純度為99. 999%。
[0015] 進(jìn)一步，所述調(diào)節(jié)流量計(jì)使氣壓控制在1. 8-2. OPa，加高壓對基片再次進(jìn)行清洗 5-10min〇
[0016] 進(jìn)一步，所述調(diào)節(jié)射頻功率至150W，預(yù)派射3-5min。
[0017] 進(jìn)一步，所述氧氣純度99. 999%。
[0018] 進(jìn)一步，所述Ar/02體積比為2:1。
[0019] 本發(fā)明提供的BMN薄膜的制備方法積極效果和優(yōu)點(diǎn)：1)不同基片負(fù)偏壓條件下， 沉積的BMN薄膜均為立方焦綠石單相結(jié)構(gòu)。隨著基片負(fù)偏壓從80V升高到120V，BMN薄膜 (222)擇優(yōu)取向趨勢逐漸增強(qiáng)；但當(dāng)基片負(fù)偏壓達(dá)到150V時，BMN薄膜從（222)擇優(yōu)取向結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。2)隨著基片負(fù)偏壓的增大，BMN薄膜的組分幾乎沒有變化，但薄 膜的沉積速率迅速減??；薄膜的表面粗糙度先減小后增大，在基片偏壓為120V時，BMN薄膜 的表面粗糙度最小，為3. 53nm。3)當(dāng)基片負(fù)偏壓從80V升高到120V，BMN薄膜的介電性能 逐漸改善，在基片偏壓為120V時，薄膜的介電常數(shù)最大（166. 4)，介電損耗最低（0.0038)， 在628kV/cm的外加電場下，其調(diào)諧率為24. 83%。當(dāng)基片負(fù)偏壓增大到150V，BMN薄膜的 介電性能惡化。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法流程圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積濺射BMN 薄膜的XRD圖；
[0022] 圖中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0023] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積薄膜的陽 離子摩爾比（虛線分別表示1. 5和3)圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積BMN薄膜 的斷面二次電子像圖；
[0025] 圖中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0026] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法BMN薄膜的沉積速率隨基片負(fù)偏 壓的變化曲線圖；
[0027] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積BMN薄膜 的AFM圖；
[0028] 圖中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0029] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法薄膜表面粗糙度的均方根隨基片 負(fù)偏壓的變化曲線圖；
[0030] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積BMN薄膜 的漏電流密度曲線圖；
[0031] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法不同基片負(fù)偏壓下沉積BMN薄膜 的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率的變化曲線圖；圖中：（a)10kHz-lMHz，（b)lMHz-lOMHz。
[0032] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法中1MHz下BMN薄膜的介電常數(shù) 和介電損耗隨基片負(fù)偏壓的變化關(guān)系圖；
[0033] 圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的BMN薄膜的制備方法中1MHz下不同基片負(fù)偏壓下沉 積BMN薄膜的介電常數(shù)和介電損耗隨直流偏壓的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的說明。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的BMN薄膜的制備方法包括以下步驟：
[0037] S101 :在陰極靶位置上安裝BMN陶瓷靶材，將預(yù)處理的襯底固定在基板支架上，打 開分子栗對濺射腔室進(jìn)行抽真空，本底真空度為2. 0X 10 4Pa ;
[0038] S102 :到達(dá)本底真空度后，向?yàn)R射腔室內(nèi)通入高純的氬氣，純度為99. 999%，調(diào)節(jié) 流量計(jì)使氣壓控制在1. 8-2. OPa，加高壓對基片再次進(jìn)行清洗5-10min，以去除安裝襯底時 其表面吸附的雜質(zhì)；
[0039] S103 :關(guān)閉高壓，打開基片旋轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)芐基片轉(zhuǎn)速為30rpm ;
[0040] S104 :當(dāng)襯底溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后，先關(guān)閉靶材檔板，調(diào)節(jié)射頻功率至100W，預(yù)濺 射3-5min，以去除靶材表面的污染物，達(dá)到凈化靶材表面的目的；
[0041] S105 :通入高純氧氣，純度99. 999%，調(diào)節(jié)流量計(jì)，設(shè)定八以02體積比為2:1，并使 腔室氣壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)的濺射氣壓4. OPa ;
[0042] S106 :調(diào)芐基片電壓為80-150V，打開檔板，開始鍍膜；
[0043] S107 :經(jīng)過700°C氧氣氛下退火30min得到晶化薄膜，BMN薄膜的厚度控制在 300nm以內(nèi)。
[0044] 下面結(jié)合試驗(yàn)對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0045] 磁控濺射鍍膜的過程中，等離子體區(qū)域因受到磁場的作用，被強(qiáng)烈的束縛在靶材 表面附近的區(qū)域內(nèi)，若被濺射出的粒子直接沉積到基體的表面，則粒子由于速度小而能量 較低，沉積的薄膜與襯底之間的結(jié)合強(qiáng)度較差，并且低能粒子在襯底表面的迀移能力較低， 容易生長成多孔粗糙的薄膜，其薄膜的性能必然受到影響。解決這一問題最直接的方法是 對襯底施加一定的負(fù)偏壓。對襯底施加負(fù)偏壓后，從靶材濺射出的陽離子在電場的作用下 加速飛向襯底，獲得更大表面迀移能；同時輝光中的部分Ar+也在電場的作用下飛向襯底， 與成膜原子交換能量，并且轟擊作用能在一定程度上升高襯底的溫度，從而有利于薄膜的 生長。本組實(shí)驗(yàn)通過改變薄膜沉積過程中的基片負(fù)偏壓的大小，研究其對薄膜相組成、微觀 形貌以及電性能的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。
[0046] 表2不同基片負(fù)偏壓下BMN薄膜的制備參數(shù)
[0048] 試驗(yàn)方法具體包括：
[0049] 步驟一，基片負(fù)偏壓對BMN薄膜相結(jié)構(gòu)的影響：
[0050] 圖2為不同基片負(fù)偏壓下制備BMN薄膜經(jīng)過退火后的XRD圖。各基片負(fù)偏壓條件 下沉積的BMN薄膜均為立方焦綠石單相結(jié)構(gòu)。當(dāng)基片負(fù)偏壓小于120V時，隨著基片負(fù)偏 壓的增大，BMN薄膜（222)擇優(yōu)取向趨勢逐漸增強(qiáng)。但是，當(dāng)基片負(fù)偏壓達(dá)到150V時，BMN 薄膜的取向結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，XRD圖中出現(xiàn)了較強(qiáng)的（511)峰，表明隨著基片負(fù)偏壓的增 大，BMN薄膜的擇優(yōu)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這是因?yàn)榧盎?fù)偏壓過大導(dǎo)致Ar+過度轟擊襯底，破 壞了成膜粒子原有的排列程度，也就是說高能粒子的不斷轟擊導(dǎo)致晶粒取向性遭到破壞， 因而造成BMN薄膜呈現(xiàn)無擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不利于BMN薄膜介電調(diào)諧率的增大，因 此，磁控濺射法制備BMN薄膜的過程中，基片負(fù)偏壓的設(shè)置也不宜過大。
[0051] 步驟二，基片負(fù)偏壓對BMN薄膜組成的影響：
[0052] 不同基片負(fù)偏壓條件下沉積BMN薄膜各元素的摩爾比如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，各基 片負(fù)偏壓條件下沉積的BMN薄膜