專利名稱：一種鉭酸鋰薄膜離子束增強沉積制備工藝方法
技術領域：
本發明涉及功能薄膜制備工藝，特別涉及一種鉭酸鋰薄膜的離子束增強沉積制備工藝方法。
背景技術：
紅外成像探測器是紅外熱像儀的核心關鍵性部件，用于將不可見的紅外輻射轉換成可測量的信號。近二十年來發展的非致冷紅外探測器，突破了致冷型探測器室溫下必須制冷才能工作的限制，使成像系統成本和組件的復雜性大大降低，由于其高性價比符合民用市場的需求，已經在紅外技術中起著非常重要的作用。熱釋電型紅外探測器是非制冷紅外探測器中的一種，依靠材料本身的熱釋電效應探測紅外信號。熱釋電效應是指熱釋電材料為保持表面電中性，表面吸附有電荷(電子)，由于材料受紅外熱輻射產生溫度變化時， 材料的電偶極矩發生變化，為保持電中性，材料表面會釋放電荷，故稱熱釋電現象。熱釋電材料的熱電效應已經在非致冷紅外探測器領域廣泛應用。近年來，隨著制備技術的發展和提高，具有良好熱釋電性的材料，比如TGS系列材料，鉭酸鋰系列材料，PVDF系列材料，鉛基PZT系列材料，BST系列材料等，逐步發展成為非致冷的熱釋電紅外探測器的常用材料。鉭酸鋰(LiTaO3)材料是一種具有重要的應用價值的多功能材料，它具有良好的熱釋電、鐵電、壓電、電光和非線性光學等特性，是優良的熱釋電紅外探測材料。然而鉭酸鋰晶體材料制備非致冷紅外焦平面陣列存在一些難以克服的問題，如熱像元與讀出電路工藝不兼容、熱像元與讀出電路的焊接困難等阻礙了高性能、高密度、大面積的熱釋電型紅外焦平面陣列的制作；另外鉭酸鋰晶體材料受限于幾何厚度較大、熱傳導損失嚴重等因素，很難制造得到I 2 μ m或以下的厚度的熱釋電晶體薄片，并不適合高性能系統方面的應用。綜上原因，發展了薄膜型鉭酸鋰薄膜探測器用以克服上述缺陷，制備鉭酸鋰薄膜的方法有很多，如化學氣相沉積(CVD)、射頻磁控濺射、金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)，脈沖激光沉積(PLD)和溶膠-凝膠(Sol-Gel)工藝，分子束外延(MBE)等。總體上講，目前鉭酸鋰薄膜紅外探測器性能還不如鉭酸鋰晶體紅外探測器性能。目前鉭酸鋰薄膜制備研究中最成功的兩種方法是濺射法和溶膠凝膠法。然而采用射頻磁控濺射法制作器件過程中鉭酸鋰陶瓷靶往往不是按預計的Li+、Ta+5化學計量比濺射沉積，所以薄膜晶體的微結構和大面積生長薄膜一致性有待提高。用溶膠凝膠法制備時，鉭酸鋰溶膠的配制工藝非常難掌握；最困難的是鉭酸鋰(LiTaO3)薄膜器件的泄漏電流較大，在極化過程中難以承受高極化電壓，非常容易造成薄膜器件的擊穿，使器件制作失敗。所以，高性能的鉭酸鋰紅外敏感薄膜及其器件制備工藝研究目前還處于實驗室摸索階段。
發明內容
本發明針對現有方法所制備的鉭酸鋰(LiTaO3)薄膜的不足，提供了一種新的能夠制備致密且漏電小、介電損耗小，剩余極化強度相對較大的鉭酸鋰(LiTaO3)薄膜的干法制備工藝，采用離子束增強沉積(IBED-Ion Beam Enhanced Deposition)方法,在Pt/Ti/S i02/S i襯底上濺射沉積制得了均勻、致密、與襯底粘附良好、與CMOS工藝兼容、低介電損耗、低漏電、高剩余極化強度的鉭酸鋰薄膜。離子束增強沉積鉭酸鋰薄膜步驟一濺射前將用酒精將離子束增強沉積設備IBED-C600M腔體擦拭干凈并保持設備腔體自然干燥，使酒精分子自然溢出，并安裝好濺射靶；步驟二 用去離子水將襯底片Pt/Ti/Si02/Si清洗干凈，然后用丙酮擦拭干凈，清洗干凈并自然晾干后放入沉積腔體樣品臺。步驟三利用真空泵將腔體抽真空，沉積開始前要求本底真空度到達5 X 10_3pa。步驟四當真空到達沉積要求時，可以開始準備濺射沉積，沉積之前用輔助離子源·Ar氣對樣品襯底表面進行清理,轟擊掉樣品襯底上的雜質；樣品自轉角速度10 20r/min ；氬氣流速10 20cm3/s ;燈絲電流8 13A ;陽極電流O. 8 I. 2A ;抑制電壓90 IlOV ;溉射源高壓2400 2600V ;高壓電流60 70mA ;襯底表面輔助清理時間為4 5min。步驟五清理完后，關閉輔助離子源轟擊，然后開啟濺射離子源開始薄膜沉積。用高純Ar氣產生的氬離子束對靶材進行轟擊，濺射產生的離子束能量約I. 7keV，束流大小60 70mA，以45°入射角轟擊濺射靶，對安裝在樣品臺上的樣品襯底片Pt/Ti/Si02/Si (100)做鉭酸鋰薄膜沉積。濺射過程中通過調節燈絲電流使氬離子束保持聚焦，同時控制調節注入離子束的能量和束流，通過設定濺射時間控制所得薄膜的厚度。離子束增強沉積主要工藝參數為樣品自轉角速度10 20r/min ;公轉角速度5 10r/min ;IS氣流速10 18cm3/s ;工作腔體壓力I 4. 5X 10_2pa ;燈絲電流8 13A ;陽極電流O. 8 I. 2A ;抑制電壓100V ;濺射源高壓2500V ;高壓電流60 70mA ;沉積時間為3 4h。步驟六將得到的濺射鉭酸鋰薄膜樣品置于快速熱處理爐RTP-500中，在氧氣氛下(O2流量I. 5 2L/min)進行退火、結晶。退火過程分兩段第一段為低溫退火，退火溫度設定為200 250°C，低溫段保持4min ;第二段為高溫結晶退火，退火溫度設為550°C 650°C，高溫退火均保持5min ;低溫退火與高溫退火之間過渡溫度上升率設為15 20°C /s，用以抑制高溫段過沖。
圖I離子束增強沉積設備示意圖。圖2Pt/Ti/Si02/Si (100)基底上 550_650°C退火 IBED 法制備的 LiTaO3 薄膜 XRD
-i'TfeP曰。圖3Pt/Ti/Si02/Si (100)基底上550°C退火IBED法制備的LiTaO3薄膜電滯回線。圖4Pt/Ti/Si02/Si (100)基底上550°C退火IBED法制備的LiTaO3薄膜漏電特性曲線。
具體實施例方式本發明通過以下技術方案加以實現(I)離子束進行增強沉積選用以高純度醋酸鋰與五氧化二鉭(Ta2O5)經過壓制燒結而成濺射靶，并用高純Ar氣產生的氬離子束對靶材進行轟擊，束流強度60 70mA。高劑量離子束流轟擊靶材后將在襯底片上Pt/Ti/Si02/Si(100)沉積形成薄膜。利用樣品臺的公轉和樣品片自轉臺可實現均勻沉積，保證薄膜在后續的結晶熱處理后得到均勻的、致密、高取向LiTaO3薄膜多晶結構。⑵熱處理采用上述方法制備的離子束增強沉積LiTaO3薄膜經550 650°C的氧氣氛退火結晶(氧氣流量I. 5L/min)，可以獲得結晶取向均勻的、致密、高取向LiTaO3薄膜多晶結構，同時通過調節濺射過程中的離子束流大小，高純氬氣流量、退火溫度與時間，可獲得低介電損耗、低漏電、高剩余極化強度的鉭酸鋰薄膜。本發明的優點在于(I)沉積示意圖如附圖I所示，在Pt/Ti/Si02/Si襯底上濺射沉積制得了均勻、致密、與襯底粘附良好、與CMOS工藝兼容、低介電損耗、低漏電、高剩余極化強度的鉭酸鋰薄膜。所制備的鉭酸鋰LiTaO3薄膜，與其它方法制備的鉭酸鋰LiTaO3薄膜相比，XRD譜相對 衍射峰更趨優，擇優取向為〈012〉、〈104〉，如附圖2所示，SEM觀察薄膜形貌，薄膜表面平整、均勻、無裂紋，所制備的薄膜具有更小的泄漏電流，能承受更高的極化電壓，550°C退火的587nm厚IBED LiTaO3薄膜器件在測試電場500kV/cm下，Pr為15 μ C/cm2,如附圖3所示，當施加電場大于400kV/cm時,550 700°C不同退火溫度下薄膜器件Pr均超過10 μ C/cm2 ;550°C退火IBED LiTaO3薄膜在測試電場400kV/cm時漏電流僅為4. 76 X l(T8A/cm2，如附圖4所示；其擊穿電壓為680kV/cm ;用TH2818數字電橋在IOOkhz測試信號作用下測試了薄膜的介電常數為39. 44，同時介電損耗僅為O. 045。(2)所制備的鉭酸鋰LiTaO3薄膜是一種非制冷的熱釋電薄膜，可在室溫條件下工作、無需低溫制冷，可解決光子型紅外探測器必需70-90K低溫制冷工作而造成的成本高、紅外系統結構復雜問題。(3)所制備的鉭酸鋰LiTaO3薄膜是一種綠色環保的熱釋電薄膜，可取代鉛基陶瓷熱釋電薄膜制造熱釋電器件，可避免鉛基陶瓷薄膜及器件在制造過程中存在的嚴重的鉛污染帶來的環境保護問題。(4)本方法可以在多片襯底上同時沉積LiTaO3薄膜，滿足工業化生產要求。(5) LiTaO3薄膜的成膜溫度較低，與半導體工藝兼容，薄膜性能穩定，均勻性好。(6)本技術是一種干法沉積技術，在成膜過程中沒有廢液、廢氣等危害環境的物質排放。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1.一種鉭酸鋰薄膜的離子束增強沉積制備方法，其特征在于，選用以高純醋酸鋰與五氧化二鉭為原料燒結成的濺射靶，用高純Ar氣產生的氬離子束對靶材進行轟擊，高劑量離子束轟擊靶材將產生α態粒子，最后在襯底片上Pt/Ti/Si02/Si(100)沉積形成薄膜，采用上述方法制備的離子束增強沉積LiTaO3薄膜經氧氣氛退火，可以獲得均勻、致密、高取向的多晶結構LiTaO3薄膜。
2.根據權利書要求I所述的一種鉭酸鋰薄膜的離子束增強沉積制備方法，其特征在于，所選用的濺射靶材是以醋酸鋰與五氧化二鉭為原料燒結而成，濺射前腔體的本底真空度為5X10_3pa，所用襯底片為Pt/Ti/Si02/Si(100);濺射離子源所用離子源氣體為Ar氣。
3.根據權利書要求I所述的一種鉭酸鋰薄膜的離子束增強沉積制備方法，其特征在于，所述離子束增強沉積中，離子束增強沉積制備鉭酸鋰薄膜的主要工藝參數為樣品自轉角速度10 20r/min、公轉角速度5 10r/min、lS氣流速10 18cm3/s、工作腔體壓力I 4. 5X10_2pa、燈絲電流8 13A、陽極電流O. 8 I. 2A、抑制電壓100V、濺射源高壓:2500V、高壓電流60 70mA。
4.根據權利書要求I所述的一種鉭酸鋰熱釋電薄膜的離子束增強沉積制備方法，其特征在于，所述熱處理中，退火氣氛為O2，流量為I. 5 2L/min，退火過程分兩段第一段為低溫退火，退火溫度設定為200 250°C，溫度保持時間為4 5min，第二段為高溫結晶退火，退火溫度設為550°C 650°C，高溫保持時間為5 lOmin，低溫與高溫之間的溫度上升率為15 20°C /s。
全文摘要
本發明公布了一種鉭酸鋰薄膜離子束增強沉積制備工藝方法，涉及功能材料薄膜的制備技術。該工藝方法選用以高純度醋酸鋰與五氧化二鉭經過壓制燒結而成濺射靶，用高純Ar氣產生的氬離子束對靶材進行轟擊，在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基底上濺射沉積均勻、致密、與襯底粘附良好、與CMOS工藝兼容、低介電損耗、低漏電、高剩余極化強度的鉭酸鋰薄膜。所制備的鉭酸鋰薄膜，結晶擇優取向為<012>、<104>；剩余極化強度在10-20μC/cm2之間；在測試電場400kV/cm作用下漏電流為4.76×10-8A/cm2；介電損耗為0.045。
文檔編號C23C14/34GK102943244SQ201210485470
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者張德銀, 李坤, 彭衛東, 錢偉, 包勇, 王宇, 張熙, 高峰, 趙國柱 申請人:中國民用航空飛行學院