[发明专利]c轴高度取向的钛酸钡薄膜及其在中低温下的原位制法

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料开发和薄膜材料制备技术，尤其涉及一种c轴高度取向钛酸钡薄膜及其制备方法。

背景技术

在微型化和集成化的技术发展趋势下，铁电薄膜材料因具有良好的铁电、压电、热释电等特性，在微电子学、光电子学和微电子机械系统等领域有着广泛的应用前景，是目前科学研究的前沿和热点之一，其中，简单立方钙钛矿型ABO3结构铁电材料因具有高介电常数、低介电损耗以及优异的铁电及压电性能等特性，在电子工业和陶瓷工业中有着很广泛的应用潜力。

钛酸钡(BaTiO3，简称BTO)是典型的钛矿型ABO3结构的铁电材料。作为钙钛矿型结构的重要特点：A、B位上的离子可以被不同电价以及半径的各类离子单独或者复合取代(其中A价态为+2或者+1价；B价态为+4或者+5价)，使得材料的各项性能在很大的范围内可调，进而满足不同的应用需求。

目前BaTiO3的制备方法主要集中于溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法以及新型的微弧氧化法等，以下分别介绍各种制备方法。

一、溶胶-凝胶法制备BaTiO3：在单晶硅基片上用甩膜法制备出均匀致密的BaTiO3薄膜。为了保证薄膜的质量，对其在300℃-700℃进行了煅烧处理，经过煅烧处理后的薄膜，晶粒大小在50-70nm，薄膜比较致密均匀。

二、磁控溅射的方法制备BaTiO3：在单晶硅基片上制备一层钛酸锶缓冲层，并依次溅射钌酸锶底电极和BaTiO3薄膜，BaTiO3的制备温度为630℃，退火温度为680℃。制备的BaTiO3薄膜有明显的(002)择优取向，且有明显的电致电阻效应。在上述制备BaTiO3薄膜的过程中，所进行的退火以及热处理过程不能与CMOS工艺兼容，CMOS工艺要求处理温度应该低于450℃-500℃。

三、新型的微弧氧化方法：用微弧氧化直流电源，在钛板上制备出BaTiO3薄膜，在1kHz下，薄膜的介电常数为113，并且随着溶液浓度的增加，薄膜的粗糙度变小，表面变得更加平整。此制备过程中，电解液温度在60℃左右。但是微弧氧化法的成膜依赖于辉光放电，在局部区域温度较高，因此由此方法所制备的薄膜会有表面形貌差、粗糙度大等缺点。

四、脉冲激光沉积法：通过脉冲激光沉积法在GdScO3基片上制备了一微米厚的外延BaTiO3薄膜，制备温度在600℃-800℃，薄膜具有优异的光学性能。

综合上述，上述制备BaTiO3薄膜的温度均为高温，工艺条件比较苛刻，因而如何在中温以及低温条件下制备高质量的BaTiO3薄膜的工艺亟待出现(本发明为磁控溅射法制备BaTiO3)。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于一种c轴高度取向的钛酸钡薄膜及其制备方法，从而克服了现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种c轴高度取向的钛酸钡薄膜，包括由下至上依次设置的底电极、钛酸钡介电层以及顶电极；

其中，所述底电极为导电金属薄膜，厚度约为60～150nm；所述钛酸钡介电层厚度为100～3000nm；所述顶电极为金属薄膜点电极，其直径为20-500μm。

作为本发明的优选方案之一，所述导电金属薄膜底电极为Pt/Ti薄膜底电极，其厚度约为100nm；和/或，所述钛酸钡介电层厚度为500nm；和/或，所述金属薄膜点电极采用金/铂/铜薄膜点电极，其直径为200或300或400或500μm。作为本发明的优选方案之一，该c轴高度取向的钛酸钡薄膜还包括设置于所述底电极、钛酸钡介电层之间的缓冲层，所述缓冲层采用晶格常数与钛酸钡c轴晶面匹配的钙钛矿氧化物缓冲层，其厚度约为150～250nm；优选的，所述钙钛矿氧化物缓冲层采用镍酸镧缓冲层，其厚度为200nm。

作为本发明的优选方案之一，所述底电极设置于基体上；进一步的，所述基体采用(100)取向的SiO2/Si衬底或Si单晶衬底。

本发明还公开了一种c轴高度取向的钛酸钡薄膜在中低温下的原位制法，包括以下步骤：

1)采用导电金属靶材，在第一保护性气氛中于基体上沉积底电极层，所述底电极即为导电金属薄膜，其中，所述导电金属靶材的靶功率密度为3.3～8.7W/cm²，所述底电极总膜厚为60～150nm；