[发明专利]一种锰稳定氧化铪薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锰稳定氧化铪薄膜的制备方法，具体涉及一种在氧化物 半导体装置中的栅介质、磁性薄膜、高温超导涂层导体等领域中具有广泛 应用潜力的锰稳定氧化铪Hf_0.8Mn_0.2O₂薄膜的制备方法。

背景技术

氧化铪(HfO₂)体材料在氧探测器、高温燃料电池、催化技术和光导 装置中有着广泛的应用潜力。氧化铪(HfO₂)也是一种高温结构陶瓷材料， 熔点高达3173K，具有与氧化锆相似的晶体结构和离子电导性能，但与后 者相比，HfO₂材料在高温下的相变温度比ZrO₂高，因此HfO₂材料具有更好 的抗热震性能、更高的化学稳定性。在大气环境下，氧化铪存在三种同质 异形体，即单斜晶系(m-HfO₂)、四方晶系(t-HfO₂)和立方晶系(c-HfO₂)。 纯的HfO₂在烧结后的冷却过程中会发生四方相到单斜相的马氏体相变，同 时伴随有体积变化，导致制备的材料开裂，限制了氧化铪材料在工程上的 应用。

开发氧化铪(HfO₂)薄膜材料对于氧化物半导体装置中的栅介质、磁 性薄膜、高温超导涂层导体等领域具有重要意义。针对半导体中的栅极材 料应用，理论计算表明，虽然单斜相的介电常数较非晶态氧化铪的小，但 是四方相的介电常数可以高达70，因此稳定高温四方相成为氧化铪材料研 究的重要方向，而制备出四方相单一取向薄膜甚至单晶薄膜就成为半导体 中新型栅极材料研究的热点。通常情况下，纯的氧化铪(HfO₂)薄膜不易 呈现单一的四方相，少量单斜相会伴生在氧化铪薄膜中，而且在衬底/薄膜 的界面处会出现第二相氧化物。在过渡金属氧化物中引入磁性元素可以获 得铁磁性半导体，这种材料将极大地影响未来的信息技术。这些铁磁性半 导体材料的应用首先依赖于它们薄膜的性质，然而磁性元素掺杂的氧化铪 薄膜的研究鲜有报道。在高温超导涂层导体中，处在金属基带与超导层之 间的缓冲层的关键作用是化学阻隔和织构传递。结构稳定和结构匹配是选 择缓冲层的重要依据。在稳定氧化锆(铪)材料中，仅有钇稳定的氧化锆 (YSZ)薄膜被应用在涂层导体缓冲层中，然而利用磁控溅射沉积的YSZ 不能应用在缓冲层的种子层中，因为随着YSZ薄膜厚度的增加，YSZ薄 膜容易发生开裂。因此，探索新型缓冲层材料及其制备技术也是目前高温 超导涂层导体领域的努力方向之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提出一种新 型锰稳定氧化铪薄膜的制备方法，稳定体材氧化铪所采用的稳定剂是 MnO₂，制备锰稳定氧化铪薄膜所采用的方法是脉冲激光沉积法。该方法 可以克服现有技术在制备氧化铪薄膜时存在的单斜相与高温相混存、衬底 /薄膜界面处易出现第二相氧化物的问题，而且制备工艺简单及重复性好， 该方法制备的锰稳定氧化铪薄膜与单晶衬底之间具有原子级的锐利界面。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锰稳定氧化铪 薄膜的制备方法，其特征在于制备过程为：

(1)将金属氧化物HfO₂和MnO₂，按照Hf_0.8Mn_0.2O₂中Hf∶Mn的摩 尔比为4∶1称量，混合研磨后在1400℃温度下恒温处理12-24小时后取 出；

(2)再仔细研磨，混合充分，在压片机上用硬质钢模具将混合粉末 压制成圆片；

(3)将步骤(2)中的圆片放在刚玉坩埚里，在硅碳管发热体管式高 温炉内烧结，在氩气气氛中于1400℃温度下烧结12-24小时，然后随炉冷 却至室温，得到相应的稳定氧化铪样品；

(4)对步骤(3)中的稳定氧化铪样品表面进行打磨制备成靶材；