[发明专利]前驱体空间分隔式制备镓酸铋薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铋基氧化物薄膜材料，具体地说是一种BiGaO₃铁电薄膜材料及其制备方法。

背景技术

近来人们发现铋基铁电材料如铁酸铋(BiFeO₃)、钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)、铝酸铋(BiAlO₃)等钙钛矿或赝钙钛矿结构的铁电氧化物具有漏电小、抗疲劳特性强、介电常数大以及对环境友好等特点而备受关注。近年来，人们对铁酸铋(BiFeO₃)和钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)的设计、制备、物理化学性质及在生产和生活中的应用有了普遍的认识和理解，2005年Baettig等人从理论上预言了镓酸铋(BiGaO₃)同样具有优异的铁电性能，然而目前人们对镓酸铋(BiGaO₃)材料的制备技术还极为缺乏，仅有报导采用高温高压固相反应法(压强在GPa量级、温度为一千多摄氏度)制备得到镓酸铋(BiGaO₃)的块体材料，而这样高温、高压生产条件，显然不适合运用于微电子行业进行器件、集成电路的生产，其块体材料也无法应用于越来越微型化、集成度越来越高的微电子领域，而适用于微电子领域的镓酸铋薄膜的制备工艺尚未有报导。

在文献CN103880078A中，我们已经公开了一种采用化学溶液旋涂法制备GaBiO₃薄膜材料的方法。然而，在制备大面积高厚度均匀性、厚度纳米级精确可控性方面，化学溶液旋涂法实在无能为力，与半导体制造工艺也难以集成、兼容。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种可精确控制薄膜厚度的空间分离式自限制性表面吸附反应制备的BiGaO₃薄膜材料的方法。实现本发明目的具体技术方案是：

一种BiGaO₃薄膜材料的制备方法，包括但不限于以下具体步骤：

A)将清洗洁净的衬底材料用惰性气体吹干，放置入衬底托盘中；

B)托盘连同衬底移入真空反应腔，开启真空泵对真空反应腔进行抽真空；

C)对真空腔进行加热，使真空腔中的托盘和衬底的温度在整个薄膜生长过程中维持在一个合适的温度窗口；

所选择的合适的温度窗口是指：在合适的温度范围内，即衬底的温度高于一个温度下限而低于一个温度上限，且前驱体气体供应的流速大于最低限值的情况下，薄膜的生长速率为一个基本恒定的值，薄膜的生长速率与前驱体气体供应的流速、载气即惰性气体的流速、前驱体的温度、衬底的温度、真空腔的分隔空间的真空度基本无关，这里所述的“基本无关”是指：即使薄膜的生长速率在此温度窗口中有波动，也是轻微波动，当生长温度超出此温度窗口即低于温度下限或高于温度上限，薄膜的生长速率会显著地增加或减小；

在温度窗口内，沉积速率不随温度变化；当温度不够高时，前驱体冷凝引起多层吸附导致过高的沉积速率，或导致吸附不完全，反应活性差；温度过高时前驱体分解导致额外的CVD式生长，或由于过高的热动能，前驱体解吸附；

真空反应腔中包括有多个分隔空间，分别用于通入铋前驱体气体、镓前驱体气体、氧前驱体气体、惰性气体；

D)当真空腔温度恒定一段时间后，设定托盘连同衬底转动的圈数，真空反应腔的不同分隔空间分别通入惰性气体、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)或其他铋前驱体气体、氧前驱体气体以及三甲基镓气体或其他镓前驱体气体；所有前驱体气体均分别采用惰性气体进行输运；

E)衬底托盘带动衬底材料一起运动，在通入三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铋(III)或其他铋前驱体气体的分隔空间、通入惰性气体的分隔空间、通入三甲基镓气体或其他镓前驱体气体的分隔空间、通入氧前驱体气体的分隔空间等四种分隔空间之间通过；

F)当托盘和衬底转动达到设定的圈数时，停止转动，薄膜厚度达到所需值，得到一定厚度的BiGaO₃薄膜材料，停止通入铋前驱体、镓前驱体、氧前驱体，继续通入惰性气体，停止托盘和衬底，停止真空腔的加热进行自然冷却；

G)真空腔达到或接近室温时，关闭真空泵，对真空反应腔进行充气使其气压达到一个大气压，取出已沉积得到BiGaO₃薄膜材料的衬底；