close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14780

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 30B 29/32 (2006.01)
C 30B 23/06 (2006.01)
H 01L 27/00 (2006.01)
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК BaxSr1-XTiO3
(21) Номер заявки: a 20100179
(22) 2010.02.08
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Новицкий Николай Николаевич; Пашкевич Михаил Викторович; Стогний Александр Иванович;
Труханов Алексей Валентинович
(BY)
BY 14780 C1 2011.08.30
BY (11) 14780
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) ВАСИЛЬЕВА Н.Д. и др. Химия твердого
тела и современные микро- и нанотехнологии. VII Международная конференция. - Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 31-32.
SHIH W.-C. et al. Jap. J. Appl. Phys. 2008. - V. 47. - No. 9. - P. 7475-7479.
РОМАНЮК В.Л. и др. Методологические аспекты сканирующей зондовой
микроскопии. VII Международный семинар. - Минск, 2006. - С. 99-101.
RU 2127005 C1, 1999.
(57)
Способ получения наноразмерной пленки BaxSr1-xTiO3, 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 BaxSr1-xTiO3 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 BaxSr1-xTiO3 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
BY 14780 C1 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 BaxSr1-xTiO3 разной толщины (от 6 до 960 нм) [1], заключающийся в осаждении
пленок методом высокочастотного распыления ионами кислорода керамической мишени
BaxSr1-xTiO3 того же состава, что и осаждаемая пленка на подложку из MgO (001). Длительность распыления была пропорциональна толщине осаждаемой пленки, температура подложки составляла 700-900 °С.
Недостатком данного способа является высокая стоимость материала подложки MgO, что сдерживает массовое производство наноразмерных пленок BaxSr1-xTiO3, 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 (BaTiO3), нагретую до 300 °С магнетронным напылением наносился буферный слой
MgO. Сегнетоэлектрическую пленку, как и промежуточный слой оксида магния, получали
методом магнетронного напыления в среде смеси газов аргона и кислорода. Толщина слоя
MgO составляла 0,2 мкм. Для кристаллизации буферного слоя производился отжиг в среде
кислорода при температуре 1000 °С в течение 24 мин. Применение MgO значительно
снижает диффузию ионов пленки в подложку и атомов подложки в пленку, также при
этом уменьшаются структурные напряжения на поверхности пленка-подложка BaTiO3/Si,
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 MgO. Для кристаллизации пленки оксида магния необходима высокая температура (∼1000 °С), что требует дополнительной стадии в технологическом
процессе (отжиг пленки MgO). Также, ввиду разных типов сингонии (буферный слой MgO
имеет структуру типа NaCl - кубическая структура, в то время как BaTiO3 - 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 (TiO2) на подложку из ситала. В
дальнейшем на слой ТiO2 методом ионно-лучевого распыления при температуре 620640 °С наносили наноразмерную пленку BaxSr1-xTiO3.
Недостатком данного способа является большая толщина гетероструктуры «пленка
BaxSr1-xTiO3 - буферный слой» за счет большей (∼20 нм) толщины слоя диоксида титана.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности получения
тонких пленочных гетероструктур «пленка BaxSr1-xTiO3-буферный слой», за счет уменьшения толщины буферного слоя оксида титана до 4-6 нм.
Поставленная задача решается следующим образом. Способ получения наноразмерной пленки BaxSr1-xTiO3, включающий нанесение на подложку, подогретую до 65-70 °С,
высокочастотным ионно-плазменным напылением в атмосфере смеси газов аргона и кис2
BY 14780 C1 2011.08.30
лорода буферного слоя диоксида титана, затем нанесение BaxSr1-xTiO3 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 BaxSr1-xTiO3 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 (BaxSr1-xTiO3) 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 BaxSr1-xTiO3 и материала подложки по ряду причин: во-первых, структура TiO2, как и структура BaxSr1-xTiO3
(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 TiO2 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 TiO2.
На фиг. 1 приведены Оже-спектры поверхностной области TiO2(6 нм)/Si, 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 TiO2 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 BaxSr1-xTiO3 (∼60 нм)
на фиг. 2 приведены изображения гетероструктур для устройств микромеханики
Py/AlOx/BaxSr1-xTiO3/TiO2/Si без буферного слоя (фиг. 2а) и с буферным слоем TiO2 (фиг. 2б)
между материалом подложки (Si) и сегнетоэлектрическим материалом (BaxSr1-xTiO3). Отличительной особенностью полученных гетероструктур является промежуточный слой AlOx,
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 (Py), толщиной 150 нм. На фиг. 2а (без
TiO2) из-за формирования сторонних фаз (силицидов титана) после 20 циклов термоциклирования в центре фотографии хорошо различимо отслоение сегнетоэлектрической
пленки со слоями Py и AlOx от подложки из кремния. На фиг. 2б показано изображение
гетероструктуры с барьерным слоем TiO2, который использовался для предотвращения
процессов междиффузионного обмена при синтезе пленок BaxSr1-xTiO3 на кремнии. После
20 циклов термоциклирования структура осталась стабильной и без механических повреждений.
3
BY 14780 C1 2011.08.30
Преимуществом заявляемого изобретения является то, что наноразмерный буферный
слой TiO2 толщиной 4-6 нм обладает всеми свойствами, необходимыми для предотвращения
процессов междиффузионного обмена при синтезе наноразмерных пленок BaxSr1-xTiO3 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. - T. 52. - № 4. - С. 709.
2. SHIH W-C., et al. Yuan-Sung LIANG, and Mu-Siang WU Jap. J. of Appl. Phys 2008. V. 47. - No. 9. - P. 7475-7479.
3. Васильева H.Д. и др. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии.
VII Международная конференция. - Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. - С. 31-32.
Фиг. 1
Фиг. 2а
Фиг. 2б
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
827 Кб
Теги
патент, by14780
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа