CN102943244A - 一种钽酸锂薄膜离子束增强沉积制备工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种钽酸锂薄膜离子束增强沉积制备工艺方法，涉及功能材料薄膜的制备技术。该工艺方法选用以高纯度醋酸锂与五氧化二钽经过压制烧结而成溅射靶，用高纯Ar气产生的氩离子束对靶材进行轰击，在Pt/Ti/SiO₂/Si(100)基底上溅射沉积均匀、致密、与衬底粘附良好、与CMOS工艺兼容、低介电损耗、低漏电、高剩余极化强度的钽酸锂薄膜。所制备的钽酸锂薄膜，结晶择优取向为<012>、<104>；剩余极化强度在10-20μC/cm²之间；在测试电场400kV/cm作用下漏电流为4.76×10^-8A/cm²；介电损耗为0.045。

Description

一种钽酸锂薄膜离子束增强沉积制备工艺方法

技术领域

本发明涉及功能薄膜制备工艺，特别涉及一种钽酸锂薄膜的离子束增强沉积制备工艺方法。

背景技术

红外成像探测器是红外热像仪的核心关键性部件，用于将不可见的红外辐射转换成可测量的信号。近二十年来发展的非致冷红外探测器，突破了致冷型探测器室温下必须制冷才能工作的限制，使成像系统成本和组件的复杂性大大降低，由于其高性价比符合民用市场的需求，已经在红外技术中起着非常重要的作用。热释电型红外探测器是非制冷红外探测器中的一种，依靠材料本身的热释电效应探测红外信号。热释电效应是指热释电材料为保持表面电中性，表面吸附有电荷(电子)，由于材料受红外热辐射产生温度变化时，材料的电偶极矩发生变化，为保持电中性，材料表面会释放电荷，故称热释电现象。热释电材料的热电效应已经在非致冷红外探测器领域广泛应用。近年来，随着制备技术的发展和提高，具有良好热释电性的材料，比如TGS系列材料，钽酸锂系列材料，PVDF系列材料，铅基PZT系列材料，BST系列材料等，逐步发展成为非致冷的热释电红外探测器的常用材料。钽酸锂(LiTaO₃)材料是一种具有重要的应用价值的多功能材料，它具有良好的热释电、铁电、压电、电光和非线性光学等特性，是优良的热释电红外探测材料。然而钽酸锂晶体材料制备非致冷红外焦平面阵列存在一些难以克服的问题，如热像元与读出电路工艺不兼容、热像元与读出电路的焊接困难等阻碍了高性能、高密度、大面积的热释电型红外焦平面阵列的制作；另外钽酸锂晶体材料受限于几何厚度较大、热传导损失严重等因素，很难制造得到1～2μm或以下的厚度的热释电晶体薄片，并不适合高性能系统方面的应用。

综上原因，发展了薄膜型钽酸锂薄膜探测器用以克服上述缺陷，制备钽酸锂薄膜的方法有很多，如化学气相沉积(CVD)、射频磁控溅射、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，脉冲激光沉积(PLD)和溶胶-凝胶(So1-Gel)工艺，分子束外延(MBE)等。总体上讲，目前钽酸锂薄膜红外探测器性能还不如钽酸锂晶体红外探测器性能。目前钽酸锂薄膜制备研究中最成功的两种方法是溅射法和溶胶凝胶法。然而采用射频磁控溅射法制作器件过程中钽酸锂陶瓷靶往往不是按预计的Li⁺、Ta⁺⁵化学计量比溅射沉积，所以薄膜晶体的微结构和大面积生长薄膜一致性有待提高。用溶胶凝胶法制备时，钽酸锂溶胶的配制工艺非常难掌握；最困难的是钽酸锂(LiTaO₃)薄膜器件的泄漏电流较大，在极化过程中难以承受高极化电压，非常容易造成薄膜器件的击穿，使器件制作失败。所以，高性能的钽酸锂红外敏感薄膜及其器件制备工艺研究目前还处于实验室摸索阶段。

发明内容

本发明针对现有方法所制备的钽酸锂(LiTaO₃)薄膜的不足，提供了一种新的能够制备致密且漏电小、介电损耗小，剩余极化强度相对较大的钽酸锂(LiTaO₃)薄膜的干法制备工艺，采用离子束增强沉积(IBED-Ion Beam Enhanced Deposition)方法，在Pt/Ti/S iO₂/S i衬底上溅射沉积制得了均匀、致密、与衬底粘附良好、与CMOS工艺兼容、低介电损耗、低漏电、高剩余极化强度的钽酸锂薄膜。

离子束增强沉积钽酸锂薄膜：

步骤一：溅射前将用酒精将离子束增强沉积设备IBED-C600M腔体擦拭干净并保持设备腔体自然干燥，使酒精分子自然溢出，并安装好溅射靶；

步骤二：用去离子水将衬底片Pt/Ti/SiO₂/Si清洗干净，然后用丙酮擦拭干净，清洗干净并自然晾干后放入沉积腔体样品台。

步骤三：利用真空泵将腔体抽真空，沉积开始前要求本底真空度到达5×10^-3pa。

步骤四：当真空到达沉积要求时，可以开始准备溅射沉积，沉积之前用辅助离子源Ar气对样品衬底表面进行清理，轰击掉样品衬底上的杂质；样品自转角速度10～20r/min；氩气流速10～20cm³/s；灯丝电流8～13A；阳极电流0.8～1.2A；抑制电压90～110V；溅射源高压：2400～2600V；高压电流60～70mA；衬底表面辅助清理时间为4～5min。

步骤五：清理完后，关闭辅助离子源轰击，然后开启溅射离子源开始薄膜沉积。用高纯Ar气产生的氩离子束对靶材进行轰击，溅射产生的离子束能量约1.7keV，束流大小60～70mA，以45°入射角轰击溅射靶，对安装在样品台上的样品衬底片Pt/Ti/SiO₂/Si(100)做钽酸锂薄膜沉积。溅射过程中通过调节灯丝电流使氩离子束保持聚焦，同时控制调节注入离子束的能量和束流，通过设定溅射时间控制所得薄膜的厚度。离子束增强沉积主要工艺参数为：样品自转角速度10～20r/min；公转角速度5～10r/min；氩气流速10～18cm³/s；工作腔体压力1～4.5×10^-2pa；灯丝电流8～13A；阳极电流0.8～1.2A；抑制电压100V；溅射源高压2500V；高压电流60～70mA；沉积时间为3～4h。

步骤六：将得到的溅射钽酸锂薄膜样品置于快速热处理炉RTP-500中，在氧气氛下(O₂流量1.5～2L/min)进行退火、结晶。退火过程分两段：第一段为低温退火，退火温度设定为200～250℃，低温段保持4min；第二段为高温结晶退火，退火温度设为550℃～650℃，高温退火均保持5min；低温退火与高温退火之间过渡温度上升率设为15～20℃/s，用以抑制高温段过冲。

附图说明

图1离子束增强沉积设备示意图。

图2Pt/Ti/SiO₂/Si(100)基底上550-650℃退火IBED法制备的LiTaO₃薄膜XRD谱。

图3Pt/Ti/SiO₂/Si(100)基底上550℃退火IBED法制备的LiTaO₃薄膜电滞回线。

图4Pt/Ti/SiO₂/Si(100)基底上550℃退火IBED法制备的LiTaO₃薄膜漏电特性曲线。

具体实施方式：

本发明通过以下技术方案加以实现：

(1)离子束进行增强沉积

选用以高纯度醋酸锂与五氧化二钽(Ta₂O₅)经过压制烧结而成溅射靶，并用高纯Ar气产生的氩离子束对靶材进行轰击，束流强度60～70mA。高剂量离子束流轰击靶材后将在衬底片上Pt/Ti/SiO₂/Si(100)沉积形成薄膜。利用样品台的公转和样品片自转台可实现均匀沉积，保证薄膜在后续的结晶热处理后得到均匀的、致密、高取向LiTaO₃薄膜多晶结构。

(2)热处理

采用上述方法制备的离子束增强沉积LiTaO₃薄膜经550～650℃的氧气氛退火结晶(氧气流量1.5L/min)，可以获得结晶取向均匀的、致密、高取向LiTaO₃薄膜多晶结构，同时通过调节溅射过程中的离子束流大小，高纯氩气流量、退火温度与时间，可获得低介电损耗、低漏电、高剩余极化强度的钽酸锂薄膜。

本发明的优点在于：

(1)沉积示意图如附图1所示，在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上溅射沉积制得了均匀、致密、与衬底粘附良好、与CMOS工艺兼容、低介电损耗、低漏电、高剩余极化强度的钽酸锂薄膜。所制备的钽酸锂LiTaO₃薄膜，与其它方法制备的钽酸锂LiTaO₃薄膜相比，XRD谱相对衍射峰更趋优，择优取向为<012>、<104>，如附图2所示，SEM观察薄膜形貌，薄膜表面平整、均匀、无裂纹，所制备的薄膜具有更小的泄漏电流，能承受更高的极化电压，550℃退火的587nm厚IBED LiTaO₃薄膜器件在测试电场500kV/cm下，Pr为15μC/cm²，如附图3所示，当施加电场大于400kV/cm时，550～700℃不同退火温度下薄膜器件Pr均超过10μC/cm²；550℃退火IBED LiTaO₃薄膜在测试电场400kV/cm时漏电流仅为4.76×10^-8A/cm²，如附图4所示；其击穿电压为680kV/cm；用TH2818数字电桥在100khz测试信号作用下测试了薄膜的介电常数为39.44，同时介电损耗仅为0.045。

(2)所制备的钽酸锂LiTaO₃薄膜是一种非制冷的热释电薄膜，可在室温条件下工作、无需低温制冷，可解决光子型红外探测器必需70-90K低温制冷工作而造成的成本高、红外系统结构复杂问题。

(3)所制备的钽酸锂LiTaO₃薄膜是一种绿色环保的热释电薄膜，可取代铅基陶瓷热释电薄膜制造热释电器件，可避免铅基陶瓷薄膜及器件在制造过程中存在的严重的铅污染带来的环境保护问题。

(4)本方法可以在多片衬底上同时沉积LiTaO₃薄膜，满足工业化生产要求。

(5)LiTaO₃薄膜的成膜温度较低，与半导体工艺兼容，薄膜性能稳定，均匀性好。

(6)本技术是一种干法沉积技术，在成膜过程中没有废液、废气等危害环境的物质排放。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种钽酸锂薄膜的离子束增强沉积制备方法，其特征在于，选用以高纯醋酸锂与五氧化二钽为原料烧结成的溅射靶，用高纯Ar气产生的氩离子束对靶材进行轰击，高剂量离子束轰击靶材将产生α态粒子，最后在衬底片上Pt/Ti/SiO₂/Si(100)沉积形成薄膜，采用上述方法制备的离子束增强沉积LiTaO₃薄膜经氧气氛退火，可以获得均匀、致密、高取向的多晶结构LiTaO₃薄膜。

2.根据权利书要求1所述的一种钽酸锂薄膜的离子束增强沉积制备方法，其特征在于，所选用的溅射靶材是以醋酸锂与五氧化二钽为原料烧结而成，溅射前腔体的本底真空度为5×10^-3pa，所用衬底片为Pt/Ti/SiO₂/Si(100)；溅射离子源所用离子源气体为Ar气。

3.根据权利书要求1所述的一种钽酸锂薄膜的离子束增强沉积制备方法，其特征在于，所述离子束增强沉积中，离子束增强沉积制备钽酸锂薄膜的主要工艺参数为：样品自转角速度10～20r/min、公转角速度5～10r/min、氩气流速10～18cm³/s、工作腔体压力1～4.5×10^-2pa、灯丝电流8～13A、阳极电流0.8～1.2A、抑制电压100V、溅射源高压：2500V、高压电流60～70mA。

4.根据权利书要求1所述的一种钽酸锂热释电薄膜的离子束增强沉积制备方法，其特征在于，所述热处理中，退火气氛为O₂，流量为1.5～2L/min，退火过程分两段：第一段为低温退火，退火温度设定为200～250℃，温度保持时间为4～5min，第二段为高温结晶退火，退火温度设为550℃～650℃，高温保持时间为5～10min，低温与高温之间的温度上升率为15～20℃/s。

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