Способ получения наноразмерных пленок BaxSr1-XTiO3

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК 1-3(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Новицкий Николай Николаевич Пашкевич Михаил Викторович Стогний Александр Иванович Труханов Алексей Валентинович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(56) ВАСИЛЬЕВА Н.Д. и др. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии.Международная конференция. - Кисловодск-Ставрополь СевКавГТУ, 2007. - С. 31-32..-.. . . . . 2008. - . 47. - . 9. - . 7475-7479. РОМАНЮК В.Л. и др. Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии.Международный семинар. - Минск, 2006. - С. 99-101.2127005 1, 1999.(57) Способ получения наноразмерной пленки 1-3, включающий нанесение на подложку, подогретую до 65-70 С, высокочастотным ионно-плазменным напылением в атмосфере смеси газов азота и кислорода буферного слоя диоксида титана, затем нанесение 1-3 на этот слой при температуре 620-640 С, отличающийся тем, что используют кремниевую подложку, буферный слой аморфного диоксида титана наносят толщиной 4-6 нм при частоте 13,56 МГц в течение 2-3 минут, а 1-3 наносят ионно-лучевым распылением. Изобретение относится к области материалов для СВЧ-устройств и устройств микромеханики на основе сегнетоэлектрических материалов - титанатов бария-стронция со структурой перовскита. В большинстве сегнетоэлектрических устройств используется переключение поляризации в направлении, перпендикулярном плоскости пленки, что позволяет при малых толщинах пленок управлять поляризацией очень малыми напряжениями (единицы вольт). В то же время для оптических и СВЧ-устройств удобна планарная геометрия, поскольку она обеспечивает более эффективное взаимодействие электромагнитной волны и сегнетоэлектрической поляризации, а также широкие возможности для интегрирования элементов и создания монолитных оптических интегральных схем нового поколения. Одна из главных задач при создании гетероструктур на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок - обеспечение слоевого механизма роста сегнетоэлектрических 14780 1 2011.08.30 пленок. Такие пленки обладают высоким структурным совершенством, а также нанометровой шероховатостью, что позволяет наносить планарные электроды с субмикронными диэлектрическими зазорами и, следовательно, устанавливать рабочие напряжения также в диапазоне единиц вольт. Известен способ получения наноразмерных пленок сегнетоэлектрических материалов 1-3 разной толщины (от 6 до 960 нм) 1, заключающийся в осаждении пленок методом высокочастотного распыления ионами кислорода керамической мишени 1-3 того же состава, что и осаждаемая пленка на подложку из(001). Длительность распыления была пропорциональна толщине осаждаемой пленки, температура подложки составляла 700-900 С. Недостатком данного способа является высокая стоимость материала подложки , что сдерживает массовое производство наноразмерных пленок 1-3, а также оксид магния не подходит для применения в устройствах, работающих в СВЧ-диапазоне и микромеханических устройствах. Известен способ получения наноразмерных пленок титаната бария 2, заключающийся в том, что на подложку из кремния перед напылением наноразмерной пленки титаната бария (3), нагретую до 300 С магнетронным напылением наносился буферный слой. Сегнетоэлектрическую пленку, как и промежуточный слой оксида магния, получали методом магнетронного напыления в среде смеси газов аргона и кислорода. Толщина слоясоставляла 0,2 мкм. Для кристаллизации буферного слоя производился отжиг в среде кислорода при температуре 1000 С в течение 24 мин. Применениезначительно снижает диффузию ионов пленки в подложку и атомов подложки в пленку, также при этом уменьшаются структурные напряжения на поверхности пленка-подложка 3/,которые возникают в результате расхождения параметров кристаллических решеток. Осаждение слоя титаната бария проводилось в таких же условиях, как и осаждение буферного слоя, температура подложки составляла 600-700 С. Однако указанный способ обладает недостатком, который заключается в том, что вследствие сложности нанесения затруднительно напылить качественный наноразмерный кристаллический слой . Для кристаллизации пленки оксида магния необходима высокая температура (1000 С), что требует дополнительной стадии в технологическом процессе (отжиг пленки ). Также, ввиду разных типов сингонии (буферный слойимеет структуру типа- кубическая структура, в то время как 3 - структуру типа перовскита, при комнатной температуре - тетрагональная структура), при охлаждении до комнатных температур могут наблюдаться напряжения кристаллической решетки. Также на поверхности границы пленка сегнетоэлектрика - барьерный слой происходит незначительная диффузия ионов магния, титана и бария, что изменяет стехиометрию пленки и в результате может отражаться на физических свойствах пленки. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является способ 3 получения наноразмерной пленки титаната бария-стронция, который заключается в том, что с помощью ионно-лучевого распыления в среде смеси газов аргона и кислорода напыляли буферный слой диоксида титана (2) на подложку из ситала. В дальнейшем на слой Т 2 методом ионно-лучевого распыления при температуре 620640 С наносили наноразмерную пленку 1-3. Недостатком данного способа является большая толщина гетероструктуры пленка 1-3 - буферный слой за счет большей (20 нм) толщины слоя диоксида титана. Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности получения тонких пленочных гетероструктур пленка 1-3-буферный слой, за счет уменьшения толщины буферного слоя оксида титана до 4-6 нм. Поставленная задача решается следующим образом. Способ получения наноразмерной пленки 1-3, включающий нанесение на подложку, подогретую до 65-70 С,высокочастотным ионно-плазменным напылением в атмосфере смеси газов аргона и кис 2 14780 1 2011.08.30 лорода буферного слоя диоксида титана, затем нанесение 1-3 на этот слой при температуре 620-640 С. Новым, по мнению авторов, является то, что используют кремниевую подложку, буферный слой аморфного диоксида титана наносят толщиной 4-6 нм при частоте 13,56 МГц в течение 2-3 мин, а 1-3 наносят высокочастотным ионно-плазменным напылением. Сущность изобретения заключается в следующем полированные пластины кремния(100) диаметром 100 мм служили подложками и препарировались по стандартной методике. Материал мишени (1-3) был скомпактирован в виде керамических дисков диаметром 50 мм и толщиной 5 мм. Распыление мишени производилось в среде смеси газов аргона и кислорода при нагревании подложки в интервале температур 620-640 С (при температуре ниже 620 С не наблюдалось кристаллизации сегнетоэлектрической пленки). Предварительно на подложку кремния (подогретую до 65-70 С) был нанесен слой диоксида титана толщиной 4-6 нм методом высокочастотного ионно-плазменного напыления с частотой 13,56 МГц в течение 2-3 мин. Данный материал выбран в качестве барьерного слоя для предотвращения химического взаимодействия материала 1-3 и материала подложки по ряду причин во-первых, структура 2, как и структура 1-3(при комнатной температуре в сегнетоэлектрической фазе), характеризуется гексагональным типом симметрии во-вторых, барьерный слой по химической природе близок к материалу мишени и диффузия ионов титана из промежуточного слоя и материала мишени не будет сильно влиять на стехиометрию наноразмерной пленки в-третьих, толщина барьерного слоя (4-6 нм) в значительной степени затрудняет химическое взаимодействие пленки и подложки и, как следствие, уменьшает вероятность формирования сторонних фаз. Заданная толщина 2 была обусловлена рядом факторов. Экспериментально было доказано, что слой меньше 4 нм не имел антидиффузионных свойств виду неоднородности по толщине и, как следствие, наблюдалось образование сторонних фаз. Толщина слоя 4-6 нм является оптимальной для использования в гетероструктурах для подавления развития сторонних фаз. Слой более 6 нм использовать не имеет смысла, так как это приведет к утолщению структуры пленка сегнетоэлектрика - буферный слой без изменения физических свойств 2. На фиг. 1 приведены Оже-спектры поверхностной области 2(6 нм)/, образца, который был впоследствии отожжен при температурах 620-640 С в атмосфере кислорода. Отсутствие изломов границы перехода от пленки к подложке свидетельствует о сохранении резкой границы пленка/подложка. Данные послойного Оже-анализа позволили установить, что слой 2 на кремнии толщиной 4-6 нм является более термически стойким при отжиге в кислороде при температурах 620-640 С и после 20 циклов термоциклирования (в интервале температур от -50 до 150 С). Для демонстрации механических свойств полученных пленок 1-3 (60 нм) на фиг. 2 приведены изображения гетероструктур для устройств микромеханики//1-3/2/ без буферного слоя (фиг. 2 а) и с буферным слоем 2 (фиг. 2 б) между материалом подложкии сегнетоэлектрическим материалом (1-3). Отличительной особенностью полученных гетероструктур является промежуточный слой ,который был нанесен методом ионно-лучевого распыления на слой титаната бариястронция с целью планаризации поверхности. На аморфную пленку оксида алюминия (30 нм) был нанесен слой магнитного сплава - пермаллоя , толщиной 150 нм. На фиг. 2 а (без 2) из-за формирования сторонних фаз (силицидов титана) после 20 циклов термоциклирования в центре фотографии хорошо различимо отслоение сегнетоэлектрической пленки со слоямииот подложки из кремния. На фиг. 2 б показано изображение гетероструктуры с барьерным слоем 2, который использовался для предотвращения процессов междиффузионного обмена при синтезе пленок 1-3 на кремнии. После 20 циклов термоциклирования структура осталась стабильной и без механических повреждений. 3 14780 1 2011.08.30 Преимуществом заявляемого изобретения является то, что наноразмерный буферный слой 2 толщиной 4-6 нм обладает всеми свойствами, необходимыми для предотвращения процессов междиффузионного обмена при синтезе наноразмерных пленок 1-3 на кремнии и позволяет получать качественные сегнетоэлектрические пленки без механических повреждений после термоциклирования. Источники информации 1. Головко Ю.И., и др. Тонкие сегнетоэлектрические пленки получение и перспективы интеграции // ФТТ 2010. - . 52. -4. - С. 709. 2.-.,. - ,-. ..2008. . 47. - . 9. - . 7475-7479. 3. Васильева .Д. и др. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии.Международная конференция. - Кисловодск-Ставрополь СевКавГТУ, 2007. - С. 31-32. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4