[发明专利]磁控溅射制备BaTiO3-Ni0.5Zn0.5Fe2O4铁电铁磁复合陶瓷薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成铁电铁磁复合材料的制备方法，特别涉及一种磁控溅射制备BaTiO₃ -Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄铁电铁磁复合陶瓷薄膜及制备方法。

背景技术

铁电铁磁型复合材料指的是两种单相材料——铁电相和铁磁相，经过一定的方法复合得到，属于多铁性材料范畴，能够同时表现出铁电性能和铁磁性能，以此可以用于同时需要如电容和电感、铁电和铁磁等特性的领域。如作为四态存储器、整流滤波器和抗电磁干扰器件等的材料使用，已经得到了很好的发展。

这种复合材料可以是块材料、粉末材料和薄膜材料，薄膜材料的优点在于它可以直接制备在现有的各种微器件、集成电路上；又由于薄膜本身的体积非常小，并考虑到目前电子设备和电子器件的不断小型化和微型化，因而薄膜材料是当今大量用于各类电子器件的重要材料之一，对于同时拥有电容和电感功能的薄膜材料而言，由于其更可取代现有的由分立电容和电感组成的微电子器件，为进一步实现小型化提供了材料支持。此外，随着电子器件设备的不断小型化和集成化，这种铁电铁磁复合薄膜也为大量需要的抗电磁干扰（EMI）器件提供了重要的材料支持。因此铁电铁磁复合薄膜逐渐成为研究热点。

目前合成铁电铁磁复合材料时，粉末和块体材料主要用烧结方法制备，通过在高温下由两相混合或通过原位形成烧结得到。而薄膜的主要制备方法与上述块体和粉体材料完全不同，主要通过利用如化学试剂（包括液体和气体）进行涂覆或沉积，或在一定条件下将原材料气化或等离子化等再进行沉积而获得，主要方法包括化学气相沉积法、溶胶凝胶法、磁控溅射法等。不同的制备方法其基本原理及科学机制不同、技术条件与控制制度不同、甚至其获得的薄膜性能也不尽相同，因而其分别属于不同的技术领域。此外，受到环境因素的影响，其不同薄膜制备方法制备薄膜时，其薄膜的制备、形成和质量等也在一定程度上受到不同影响，其中化学气相沉积法，受气源本身难以获得限制，如利用一些有机源气体时所需的一些具有足够高饱和蒸气压的成分源由于易挥发而难以获得，且纯度稳定性难以控制，利用直接气体源时由于一些含有所需金属离子的气体无法获得等原因，薄膜的制备和应用在一定程度上也受到限制；溶胶凝胶法则具有很大经验性，制备参数难以控制，又不易与目前的半导体工艺结合且量产相对不方便，再则容易受外界环境如饱和蒸汽压、湿度影响，获得的薄膜质量相对不够稳定；而磁控溅射法制备薄膜，相对成膜速度较快、膜层性能稳定、薄膜附着力大，且利用靶材进行油射沉积，其靶材大部分都可以预先制备获得，再则磁控溅射方法与现有半导体工艺兼容，有利于薄膜产业化生产，因而是一种相对较好的薄膜制备方法。

在磁控溅射法单一靶材制备复合薄膜时，特别对制备一些复杂的多相体系，如BaTiO₃-Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄复合体系，受到在靶材中的各相材料被溅射时其溅射特性不同的影响，被溅射后在溅射室中形成的等离子体中各种离子含量会偏离原靶材中相对组成含量比，从而使沉积薄膜的组成含量与靶材不同，进而偏离设计使薄膜沉积失去控制。因而，在这种体系复杂的复相材料单靶材溅射沉积时，对靶材的设计和靶材的均匀性提出了更高的要求。由于利用普通固相烧结法通过多相原料合成的方法制备的陶瓷靶材一般晶粒大，分布相对不均匀；进一步在烧结制备BaTiO₃-Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄复合材料时，由于这两种晶相的形成条件差别较大，从而形成的晶粒大小也有很大的差异，进而较难用于设计薄膜的溅射沉积用靶材。已经知道，溶胶凝胶法可以控制体系达到分子量级的均匀性，以这种方法制备的陶瓷靶材有望控制形成均匀体系，从而使溅射后的等离子气进而使沉积后的薄膜达到设计组成要求。