[发明专利]一种具有高调谐率的钛酸锶铅铁电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铁电材料领域，具体涉及利用物理沉积的方法制备具有不同微观结构的具有高调谐率的钛酸锶铅铁电薄膜及其制备方法。

背景技术

铁电薄膜材料以其较大介电常数以及高的介电常数随电场可调的特性而被广泛应用于动态随机存储器，滤波器，微波通讯和射频调谐器件。在上述应用的候选材料中，最为突出的莫过于钛酸锶钡（BST），但由于BST薄膜材料需要较高的处理温度，且介电损耗较大，这不利于同以硅（Si）为代表的半导体集成电路集成。而钛酸锶铅（(Pb_xSr_1-x)TiO₃(PST)）薄膜以其居里温度随着Pb/Sr比线性可调、电学性能受晶粒尺寸影响较小、处理温度较低其损耗较小而引起研究者的注意。从过去的研究中不难发现铁电薄膜材料如BST，锆钛酸铅（PZT）和钛酸锶铅（PST）都需要较高的处理温度，这不利于同硅半导体的集成而且会显著增加薄膜本身的损耗以及同器件集成时的匹配噪声。而目前关于如何降低PST薄膜的处理温度特别是如何降低磁控溅射法制备的薄膜的后处理温度方面研究不多。

作为微波/射频调谐器件，最主要的参数就是调谐率，被定义为：100%*(ε₍₀₎–ε_(E))/ε₍₀₎其中分别是ε₍₀₎和ε_(E)零场和电场下的介电常数。一般认为当电场大于400kV/cm时，介电常数皆为本征介电响应贡献（C.Ang and Z.Yu,Applied Physics Letters,vol.85,pp.3821-3823,Oct 25 2004.），而本征介电常数只同薄膜晶格结构有关系，而对于钙钛矿相致密的薄膜材料（BST、PZT和PST等）而言，ε_(E)（E>400kV/cm）变化不大（X.Lei,J.Am.Ceram.Soc.,2011.L.Yang,J.Am.Ceram.Soc.,vol.93,pp.1215–1217,2010）。所以以往的研究者将注意力主要放在提高零场下的介电常数进而提高材料的可调性，但提高零场下的介电常数往往以升高损耗为代价的，而介电常数一味的升高还会带来很多器件集成的问题。

上述两方面的工作对于应用于微波调谐的铁电薄膜材料走向应用非常重要，而遗憾的是现在这两方面的工作，特别是第二个方面的内容鲜有人报道。

现有技术中，申请号201010613934.4的对比文件1所采用的是溶胶凝胶方法（化学法），而本申请使用的是磁控溅射法（物理法），两种方法存在很大的差异，而且对比文件1保护的是LSMO和钛酸锶铅的复合结构，而本专利保护的是一种制备具有高介电可调性的多孔薄膜的方法；第二方面的差别在于二者关注的薄膜性能不同，对比文件1所保护的是复合薄膜铁电和磁电性能，而本专利所关注的是薄膜的介电性能，特别是介电调谐性能：即介电常数随着电场的变化；本申请给出的材料组分范围是基于对钛酸锶铅薄膜材料可以应用于调谐应用的组分而设计的。已经证明，本申请提供的方法（非原位－室温磁控溅射方法中改变不同氧气氩气比例），在微结构和介电性能上可以获得相似的结果。

申请号为200610018792.0虽然公开了通过改变磁控溅射过程中的氧气和氩气的比例，但其薄膜材料不同，为钛酸锶铅薄膜，且是为改变材料的取向，而其结构没有显著的变化。

发明内容

面对现有技术问题，本发明人意识到通过在溅射过程中改变氧气和氩气的比例（OMR）可以制备具有不同微观结构（致密度和晶粒生长方式）的钛酸锶铅铁电薄膜。本发明人还发现了致密度对于薄膜零场和高场下介电常数变化规律的影响，从而提供一种高调谐率的钛酸锶铅铁电薄膜。

在此，一方面，本发明提供一种具有高调谐率的钛酸锶铅铁电薄膜的制备方法，所述方法是在具有底电极的衬底上利用非原位射频磁控溅射的方法制备钛酸锶铅铁电薄膜，通过改变磁控溅射过程中通入的氧气和氩气的比例为0～50%以制备具有不同致密度和不同晶粒生长模式的钛酸锶铅薄膜；其中在后退火处理过程中后退火温度为400～750℃。

具体地，所述晶粒的生长模式为柱状生长模式或颗粒状生长模式。

在本发明中，使溅射气体为纯氩气时，薄膜材料表现为致密的微观结构，且其晶粒的生长模式为柱状生长模式。此外，优选地使氧气和氩气的比例为10～50%，所述薄膜材料呈现多孔的不致密结构，且其晶粒的生长模式为颗粒状生长模式。

优选地，所述溅射功率为30～150W、溅射气压为2Pa～20Pa。