CN100341817C - 钛酸锶钡薄膜材料的制备方法 - Google Patents

钛酸锶钡薄膜材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明在制备钛酸锶钡靶材的原材料中添加微量的敏化剂和成核剂，在磁控溅射过程中使这类添加剂均匀地转移到薄膜中去，通过适当的晶化处理能够强化在薄膜的非晶态固体中均匀地析出大量微晶化晶体，并使其生长，这种方法可显著地提高所制薄膜的介电常数值。其中成核剂的作用主要是促进晶核的形成，敏化剂的作用主要是诱导非晶相析晶。成核剂可使用贵金属氧化物或贵金属盐类，如氧化铜、硝酸银等，敏化剂可以采用能增加光敏性、促进晶核形成的氧化物，如二氧化铈等。而热处理可采用低真空热处理办法，既可进一步降低热处理温度，又能进一步有效地提高晶化效果。

Description

钛酸锶钡薄膜材料的制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷技术领域，主要应用于要求高介电常数、低损耗、稳定性好的微波集成电路场合。
背景技术
铁电薄膜材料具有良好的铁电性、压电性，热释电性、电光及非线性光学等特性，它可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域，它是目前高新技术研究的前沿和热点之一。
其中钛酸锶钡介质材料是目前研究较多的品种之一，它以优良的介电、热释电性能、非线性、高击穿电压、顺电相不出现疲劳，居里点可通过改变组份调节以及可制成薄膜与集成电路工艺兼容等特性已受到人们的普遍青睐而成为目前最具发展前景的微波介质材料之一。
由于薄膜材料便于与集成电路兼容，制成器件体积小，所以在半导体工艺技术中，通常将钛酸锶钡介质材料制成薄膜来使用。
在薄膜的制备方法中有脉冲沉积法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积等工艺。而其中磁控溅射法由于简便快捷，重复性好，成本低，可制成高Q的优质薄膜，较适用于半导体器件和集成电路的批量化生产而通常被采用。
在一般情况下，用高温烧结合成法制备的钛酸锶钡块状陶瓷材料，在室温下其介电常数可达数千的数量级；但一旦通过磁控溅射工艺制成薄膜后，其薄膜的介电常数会急剧地下降，究其原因，主要是晶化效果受到破坏，薄膜的非晶态特征显著地表现出来；而想要提高薄膜制成品的介电常数值通常比较困难，目前主要的办法是选择适当的晶体尺寸和晶向的衬底材料作为沉积的载体，并通过高温处理的办法来加强晶化效果以提高薄膜材料的介电常数值，但这些方法最终效果受其衬底材料性能及热处理温度的制约。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，采用新的技术方法制备靶材，并通过靶材组分结构优势的转移，强化磁控溅射钛酸锶钡薄膜的晶化效果，显著地提高薄膜的介电常数值。
其技术原理和方法如下：
为达到以上目的，本发明在制备钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3)靶材的原材料中添加微量的敏化剂和成核剂，在磁控溅射过程中使这类添加剂均匀地转移到薄膜中去，通过适当的晶化处理能够强化在薄膜的非晶态固体中均匀地析出大量微晶化晶体，并使其生长，这种方法可显著地提高所制薄膜的介电常数值。其中成核剂的作用主要是促进晶核的形成，敏化剂的作用主要是诱导非晶相析晶。成核剂可使用贵金属氧化物或贵金属盐类，如氧化铜、硝酸银等，敏化剂可以采用能增加光敏性，促进晶核形成的氧化物，如二氧化铈等。而热处理可采用低真空热处理办法，既可进一步降低热处理温度，又能进一步有效地提高晶化效果。
本发明的目的可以通过以下的技术措施来达到：
一种钛酸锶钡薄膜材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：
a、按分子式BaxSr1-xTiO3(0＜x＜1)的摩尔比配制原材料，混合研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉；
b、将诱导析晶的敏化剂二氧化铈和能够产生微晶化晶体的贵金属氧化物或贵金属盐类成核剂分别研磨成了颗粒直径≤1微米的超细粉，并分别按1％～8％的摩尔比将上述敏化剂和成核剂一起加入到步骤a中的钛酸锶钡超细粉中，在1200℃～1250℃、2～4小时烧结成型；
c、将以上掺杂敏化剂和成核剂的钛酸锶钡再次粉粹研磨制成颗粒直径≤1微米的超细粉，通过模压在1250℃～1300℃、4～6小时烧结成型最终成靶；
d、采用磁控溅射法制成薄膜，此薄膜材料非晶态固体成份中含有二氧化铈敏化剂和贵金属氧化物或贵金属盐类成核剂，通过紫外光强度15～20mW/cm2、10～30分钟的照射及低真空10～10-1Pa和300～400℃、15～30分钟热处理形成高介电常数钛酸锶钡薄膜材料。
本发明的优点：
本发明通过在制靶工艺中，在BaxSr1-xTiO3原材料中添加敏化剂和成核剂，在磁控溅射制备薄膜的过程中，这些掺杂剂均匀地转移到所制薄膜中去，通过适当的紫外光照和低真空加热处理，其中敏化剂促进了晶核的形成，诱导薄膜非晶相析晶，成核剂在敏化剂的作用下能够在薄膜非晶相中均匀地析出大量晶体，并在适当的加热条件下生长，以上的综合结果，可以大大强化薄膜的结晶化效果，从而显著地提高和控制薄膜的介电常数值。试验证明：在同样的条件下按本发明所述的方法所制取的钛酸锶钡介质靶材及其薄膜与不用本发明所述的方法对比，常温下介电常数值可提高40％左右。
本发明由于敏化剂和成核剂的使用，可以显著地提高钛酸锶钡薄膜的介电常数值，对分立器件和集成电路的设计和工艺的相容性提供了极为有利的条件。
使用本发明的技术可以使所制的钛酸锶钡薄膜的介电常数值提高到一个新的高度，从而为拓展薄膜的使用范围，或缩小集成电路尺寸均有重要意义。
具体实施方式
实施例1：制作φ80mm×4mm的Ba0.6Sr0.4TiO3靶材，其中二氧化铈添加剂为1％摩尔比，氧化铜添加剂为1％摩尔比。
工艺步骤：
1.按分子式Ba0.6Sr0.4TiO3的摩尔比配制靶材原材料，研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉，经过模压和1200℃、2小时高温预烧结合成后再次粉碎研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉。
2.按1％摩尔比二氧化铈和1％摩尔比氧化铜同样研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉，并掺入到上述基础粉体中均匀混合并经模压和1200℃、2小时高温烧结合成后再次粉碎研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉。
3.经过模压和1250℃、4小时高温烧结后最终制成φ80mm×4mm含有敏化剂二氧化铈和成核剂氧化铜的靶材。
4.利用上述靶材通过磁控溅射法制成厚度为4000薄膜，用紫外光强度20mW/cm2照射30分钟，并在低真空10～10-1Pa，温度为400℃下热处理30分钟。
实施例2：制作φ80mm×4mm的Ba0.6Sr0.4TiO3靶材，其中二氧化铈添加剂为5％摩尔比，氧化铜添加剂为5％摩尔比。
工艺步骤：
过程同实施例1。但二氧化铈添加剂为5％摩尔比，氧化铜添加剂含量为5％摩尔比。
实施例3：制作φ80mm×4mm的Ba0.6Sr0.4TiO3靶材，其中二氧化铈添加剂为3％摩尔比，硝酸银添加剂含量为3％摩尔比。
工艺步骤：
工艺过程同实施例1。但二氧化铈添加剂为3％摩尔比，硝酸银添加剂含量为3％摩尔比。
实施例4：制作φ80mm×4mm的Ba0.6Sr0.4TiO3靶材，其中二氧化铈添加剂为8％摩尔比，硝酸银添加剂含量为8％摩尔比。
工艺步骤：
工艺过程同实施例1。但二氧化铈添加剂为8％摩尔比，硝酸银添加剂含量为8％摩尔比。

Claims (2)

1、一种钛酸锶钡薄膜材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：
a、按分子式BaXSr1-XTiO3的摩尔比配制原材料，混合研磨成颗粒直径≤1微米的超细粉；
b、将诱导析晶的敏化剂二氧化铈和能够产生微晶化晶体的成核剂分别研磨成了颗粒直径≤1微米的超细粉，并分别按1％～8％的摩尔百分比将上述敏化剂和成核剂一起加入到步骤a中的钛酸锶钡超细粉中，在1200℃～1250℃、2～4小时烧结成型，其中成核剂为贵金属氧化物、贵金属盐或氧化铜；
c、将以上掺杂敏化剂和成核剂的钛酸锶钡再次粉粹研磨制成颗粒直径≤1微米的超细粉，通过模压在1250℃～1300℃、4～6小时烧结成型最终成靶；
d、采用磁控溅射法制成薄膜，此薄膜材料非晶态固体成份中含有敏化剂和成核剂，通过紫外光强度15～20mW/cm2、10～30分钟的照射及低真空10～10-1Pa和300～400℃、15～30分钟热处理形成高介电常数钛酸锶钡薄膜材料。
2、根据权利要求1所述的钛酸锶钡薄膜材料的制备方法，其特征在于能够产生微晶化晶体的成核剂是硝酸银。
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