[发明专利]一种大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铁电薄膜制备技术领域，涉及一种大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜的制备方法，尤其涉及一种直径为5英寸或5英寸以上(即大面积)镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜的制备方法。

背景技术

铁电材料以其优良的铁电、压电、介电、热释电、光电、声光、光折变和非线性光学性能，在存储器、探测器、微波器件、光波导、光开关、光调制、光倍频、微机械系统(MEMS)等方面具有广泛的应用前景。当今，微电子、光电子技术的飞速发展，对铁电材料提出了小型化、薄膜化、高度集成化、智能化的要求。于是，铁电薄膜及其集成器件的研究成为了铁电学研究中最活跃的领域之一。

目前，铁电薄膜及其集成器件主要用的是铅基类铁电材料，在制备过程中，因氧化铅挥发使得产品一致性差、成本高，而且铅的毒性大，对人体器官和大脑神经系统有不可逆转的损害，对生态环境也会造成严重污染。因此，发展无铅铁电薄膜材料是一项紧迫而有重要意义的课题。最近的研究表明，镧系稀土离子(如La³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺等)掺杂钛酸铋薄膜具有大的剩余极化强度、好的耐疲劳性质、高的居里温度和较低的热处理温度，是最有希望成为替代传统铅基铁电薄膜的新型无铅铁电薄膜材料。

现有对铁电薄膜的制备研究主要集中于小面积铁电薄膜的制备。随着大规模薄膜集成电路的发展，所需芯片面积不断增大，在大尺寸的晶片上制备高质量的大面积铁电薄膜已是迫在眉睫。另外，为了适应集成铁电器件的发展，提高生产效率、降低生产成本，大面积铁电薄膜制备技术也成为一项重要的研究任务。中科院上海硅酸盐研究所通过改进匀胶台吸盘的气路槽，利用溶胶-凝胶法在硅衬底上制备出了4英寸铅基铁电薄膜，但是用溶胶-凝胶法制备铁电薄膜存在实验重复性差、周期长的缺点，而且在尺寸更大的衬底上不易保证薄膜的均匀性。然而对于大面积薄膜来说，薄膜均匀性的优劣程度是决定其能否实现工业化应用的前提，提高薄膜的均匀性也是制备大面积薄膜的主要难点所在。但是，目前关于大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋无铅铁电薄膜的制备还鲜见报道。因此，开发高均匀性的大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋无铅铁电薄膜的制备技术具有很重要的意义。本发明就是针对上述问题，通过发展激光变速扫描熔蚀大尺寸靶材工艺和优化工艺参数，从而实现5英寸及5英寸以上高均匀性的镧系稀土离子掺杂钛酸铋无铅铁电薄膜的制备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜(薄膜的直径为5英寸或5英寸以上)的制备方法，该制备方法能够制备高均匀性(厚度偏差±3％以内)的大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜。

本发明的技术解决方案如下：

一种大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将靶材和衬底安装在真空腔内，靶材尺寸大于衬底尺寸；

步骤2：加热衬底至所需沉积温度，即650～780℃，向真空腔内通入氧气；

步骤3：开启激光器使激光在靶材表面变速扫描熔蚀靶材，沉积大面积镧系稀土离子掺杂钛酸铋铁电薄膜。

步骤3中，靶材和衬底以相同的角速度ω转动，ω为15～30转/分，激光沿靶材直径往返变速扫描，激光熔蚀产生的等离子体羽辉动态地沉积在衬底上，羽辉在衬底上的沉积轨迹为变速直线运动和匀速圆周运动的复合运动轨迹，衬底为硅衬底或者Pt/Ti/SiO₂/Si衬底。

所述的激光沿靶材直径往返变速扫描是指：在靶材上，以靶材中心为圆心，以r为半径的范围内，速度为v₂，在该范围外，速度为v₁，r表示衬底的半径。

v₁和v₂的取值如下：

a：当满足15≤ω≤20转/分时，v₁＝0.1～0.3mm/s，v₂＝40～45mm/s；

b：当满足20＜ω≤25转/分时，v₁＝0.3～0.6mm/s，v₂＝55～60mm/s；

c：当满足25＜ω≤30转/分时，v₁＝0.8～1.0mm/s，v₂＝75～80mm/s。