Способ получения сегнетоэлектрических пленок ba1-xsrx tio3

Способ получения сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃ относится к технологиям получения тонких пленок и может быть использован при получении сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ для сверхвысокочастотной техники. На первом этапе распыляют мишень состава Ba_0,4Sr_0,6TiO₃ на сапфировую подложку с подслоем платины в атмосфере кислорода при давлении 2 Па и температуре подложки 700-900°С в течение времени, достаточного для создания сплошного сегнетоэлектрического слоя. На втором этапе процесс распыления прекращается на время, достаточное для отжига сплошного сегнетоэлектрического слоя, прочие технологические параметры не изменяются. Затем этапы повторяются несколько раз для получения необходимой толщины сегнетоэлектрической пленки. Техническим результатом является высокая диэлектрическая нелинейность сегнетоэлектрической пленки при низких диэлектрических потерях, что позволяет использовать полученные сегнетоэлектрические пленки в сверхвысокочастотной технике. 2 ил.

 

Изобретение относится к технологиям получения тонких пленок и может быть использовано для получения сегнетоэлектрических пленок Ва_1-xSr_xTiO₃ для сверхвысокочастотной техники.

Известен способ (Патент № US 6346424) получения сегнетоэлектрических пленок Ва_1-xSr_xTiO₃ с диэлектрической проницаемостью (~200), путем отжига готового сегнетоэлектрического слоя в несколько стадий. На первом этапе отжига происходит быстрая термическая обработка в инертной атмосфере при температуре выше температуры подложки во время осаждения, на втором этапе происходит длительная термическая обработка в атмосфере кислорода при температуре выше температуры осаждения, но ниже температуры первого этапа. Известный способ позволяет добиться снижения токов утечки за счет восстановления кислородных вакансий во время отжига, однако диэлектрическая проницаемость данной пленки недостаточна для применения в электрически управляемых приборах современной сверхвысокочастотной электроники.

Известен способ (Barbara Malic, Miso Vukadinovic, Iulian Boerasu, Mira Mandeljc, Elena Ion, Marija Kosec, Vladimir Sherman, Tomoaki Yamada, Nava Setter. Relation Between Processing, Microstructure and Electric Field-Dependent Dielectric Properties of Ba0.3Sr0.7TiO3 Thin Films on Alumina Substrates. Integrated Ferroelectrics, 93, 2007, 119-125) получения сегнетоэлектрической пленки Ва_1-xSr_xTiO₃ золь-гель методом с высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями путем многоступенчатого осаждения с использованием промежуточного отжига. В процессе получения пленки происходит нанесение сегнетоэлектрического слоя на подложку и отжиг слоя в воздушной атмосфере при температуре больше 700°С. Процесс повторяется до получения необходимой толщины пленки. Известный способ позволяет добиться высокой диэлектрической проницаемости и некоторого улучшения диэлектрической нелинейности, тем не менее, не достаточной для применения в сверхвысокочастотной электронике, а также данным методом затруднительно получить пленки большой толщины с отсутствием примесей.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому, является способ (Заявка № WO 2007027535 (А2)) получения сегнетоэлектрических пленок Ва_1-xSr_xTiO₃ на подложке SiC помощью импульсного осаждения из паровой фазы или с помощью процесса высокочастотного распыления мишени без нагрева подложки, с последующим этапом отжига при температуре выше 650°С. Получение сегнетоэлектрической пленки без нагрева подложки позволяет достигнуть высоких скоростей роста, необходимых в промышленных масштабах, но сильно ухудшает микроструктуру пленки, что снижает диэлектрическую нелинейность и увеличивает потери. Для улучшения микроструктуры пленки в способе используется отжиг при высокой температуре, тем не менее, достигаемые диэлектрические характеристики недостаточны для применения в сверхвысокочастотной технике.

Недостатком известного способа являются большие диэлектрические потери пленок на сверхвысоких частотах и необходимость использования подложки SiC, которая не удовлетворяет требованиям сверхвысокочастотной техники по добротности и допустимой рабочей мощности.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка технологии получения сегнетоэлектрической пленки Ва_1-xSr_xTiO₃ высокого структурного качества, с высокой диэлектрической проницаемостью и нелинейностью (зависимостью диэлектрической проницаемости от внешнего электрического поля) при низких диэлектрических потерях.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе получения сегнетоэлектрической пленки Ва_1-xSr_xTiO₃ так же, как и в известном, распыляют мишень состава Ва_1-xSr_xTiO₃, но в отличие от известного способа, в предлагаемом для осаждения используется сапфировая подложка с подслоем платины при температуре 700-900°С с периодическим прерыванием процесса распыления мишени через время, достаточное для создания сплошного сегнетоэлектрического слоя, на время, достаточное для отжига сплошного сегнетоэлектрического слоя. Общая длительность процесса осаждения определяется требуемой толщиной сегнетоэлектрического слоя.

Техническим результатом является высокая диэлектрическая нелинейность сегнетоэлектрической пленки при низких диэлектрических потерях на СВЧ, позволяющая использовать полученные сегнетоэлектрические пленки в сверхвысокочастотной технике.

Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлены дифрактограммы сегнетоэлектрической пленки Ва_1-xSr_xTiO₃, полученной с периодическим прерыванием процесса распыления (а), и однослойной пленки, полученной в непрерывном процессе (б), на сапфире с подслоем платины. На фигуре 2 представлены зависимости нормированной емкости и диэлектрических потерь (tan δ) конденсаторных структур на основе пленки, полученной предлагаемым способом, и на основе однослойной пленки от управляющего напряжения, измеренные на частоте 1,5 ГГц.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа. На первом этапе распыляют мишень состава Ва_0,4Sr_0,6TiO₃ на сапфировую подложку с подслоем платины в атмосфере кислорода при давлении 2 Па и температуре подложки 750°С, создавая сплошной сегнетоэлектрический слой. Диапазон температур подложки ограничен 700°С с одной стороны, что объясняется наличием посторонних полититанатных фаз при меньшей температуре, и 900°С с другой, что объясняется нестехиометрическим переносом компонентов мишени на подложку при более высокой температуре. Длительность этапа распыления составляет 20 минут. На втором этапе процесс распыления мишени прерывается на 10 минут для отжига осажденного слоя сегнетоэлектрической пленки, прочие технологические параметры не изменяются. Затем этапы повторяются несколько раз, для получения необходимой толщины сегнетоэлектрической пленки.

Суть предлагаемого метода состоит в температурном воздействии на очень тонкие слои сегнетоэлектрической пленки непосредственно в процессе напыления, что обеспечивает высокую эффективность температурного воздействия на структуру пленки, по сравнению с традиционным отжигом после формирования всего сегнетоэлектрического слоя.

Из фигуры 1 видно, что пленка, полученная при использовании предлагаемого способа, проявляет преимущественно ориентированную структуру, тогда как однослойная пленка является поликристаллической. Для пленки, полученной предлагаемым способом, наличие рефлекса второго порядка (200) свидетельствует о (h00) преимущественной ориентации, а увеличение суммарной интенсивности пиков (100) и (200) говорит об улучшении ее кристаллического качества, что приводит к увеличению нелинейности и снижению диэлектрических потерь. Из фигуры 2 следует, что конденсаторная структура на основе сегнетоэлектрической пленки, полученной предлагаемым способом, имеет высокую диэлектрическую нелинейность, так как изменяет свою емкость в 5 раз под действием управляющего напряжения 40 В, при этом диэлектрические потери данного конденсатора не превышают 4% в всем интервале управляющих напряжений. Ранее не сообщалось о пятикратном изменении емкости конденсаторов на основе Ba_1-xSr_xTiO₃ сегнетоэлектрических тонких пленок, сохраняющих при этом столь низкие потери на сверхвысоких частотах.

Использование данного метода позволяет получить сегнетоэлектрическую пленку высокого структурного качества без включения полититанатных фаз и с минимальным количеством дефектов за счет отжига тонких слоев пленки, и реализовать рекордную нелинейность конденсаторных структур на ее основе при низких диэлектрических потерях на сверхвысоких частотах.

Способ получения сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ путем распыления мишени состава Ba_1-xSr_xTiO₃, отличающийся тем, что в качестве подложки используется подложка сапфира с подслоем платины, а процесс распыления проводится при температуре подложки 700-900°С с периодическим прерыванием распыления мишени через время, достаточное для создания сплошного сегнетоэлектрического слоя, на время, достаточное для отжига сплошного сегнетоэлектрического слоя.