Способ получения сегнетоэлектрических пленок

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, включающий распыление исходного материала в среде кислорода и осаждение его на нагретую подложку, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрических свойств пленок, процесс осаждения проводят циклично, при этом после каждого цикла осаждения температуру подложки и давление кислорода увеличивают до температуры не более 0,8 температуры плавления исходного материала и до давления не более 26664,4 Па соответственно, проводят термообработку пленки, снижают температуру подложки и давление кислорода до первоначальных значений и проводят следующий цикл осаждения.

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано, например, при изготовлении пленочных интегральных схем и, в частности, для нанесения кислородсодержащих сегнето- и пьезоэлектрических активных элементов.
Известен способ получения сегнетоэлектрических пленок путем реактивного распыления керамической мишени в среде аргона и кислорода при давлении 0,933254 Па и последующей высокотемпературной обработки пленки.
Недостатком способа является появление трещин, пор и отслоений в пленках, возникающих вследствие рекристаллизации, сопутствующей высокотемпературной обработке.
Из известных технических решений наиболее близким к изобретению является способ получения сегнетоэлектрических пленок, включающий распыление исходного материала в среде кислорода при давлении от 66,661 до 533,288 Па.
Получение пленки не имеет трещин, пор и обладает хорошей адгезией.
Однако такие пленки имеют низкую диэлектрическую проницаемость, высокие потери и низкие пробивные напряжения, а именно: 1200; tg 0,02-0,05; Е_пр (5-10) 10⁵ В/см.
Целью изобретения является улучшение электрических свойств пленок.
Указанная цель достигается тем, что в способе получения сегнетоэлектрических пленок, включающем распыление исходного материала в среде кислорода и осаждение его на нагретую подложку, процесс осаждения проводят циклично, при этом после каждого цикла осаждения температуру подложки и давление кислорода увеличивают до температуры не более 0,8 температуры плавления исходного материала и до давления не более 25554,4 Па соответственно, проводят термообработку пленки, снижают температуру подложки и давление кислорода до первоначальных значений и проводят следующий цикл осаждения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Циклическое осаждение сегнетоэлектрических пленок с послойной термообработкой способствует образованию мелкозернистой структуры в отличие от столбчатой, образующейся в условиях непрерывного осаждения, и снижению внутренних напряжений в пленках.
Мелкозернистость приводит, в первую очередь, как к повышению диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок, так и к увеличению электрической прочности. Электрическая прочность повышается прежде всего за счет удлиненных и извилистых межкристаллитных прослоек, характерных для мелкозернистых структур.
Повышение температуры при обработке растущей пленки над 0,8 температуры плавления распыляемого материала приводит к частичным подплавлениям с резким изменением геометрических размеров пленки, что влечет за собой появление трещин и отслоений. Если температуру обработки выбрать равной или ниже температуры осаждения, то при повышенном парциальном давлении кислорода электрические свойства пленок также улучшаются, но для этого требуется значительное время из-за диффузионного характера происходящих процессов, что снижает производительность.
Необходимость повышения парциального давления кислорода вызвана имеющимися в напыленных пленках кислородными вакансиями, причем, чем выше температура осаждения, тем выше и концентрация кислородных вакансий и тем выше должно быть парциальное давление кислорода при термообработке. Повышенное давление кислорода при термообработке приводит прежде всего к снижению потерь и повышению диэлектрической проницаемости напыленных пленок. Повышение давления кислорода над 26664,4 Па практически уже не улучшает электрические свойства пленок, но при этом резко возрастают потери времени на переходы от одного цикла к другому, что также снижает производительность.
Между толщиной пленки и количеством циклов осаждения и термообработки существует закономерность, а именно: чем толще пленка, тем больше циклов потребуется. Проведение же одного цикла неприемлемо, так как в таком случае появляются трещины, поры и отслоения пленки.
Определение оптимального времени проведения термообработки затруднено вследствие инерционности применяемых в настоящее время систем напуска газа, откачки и установления температуры подложки, часто сравнимых со временем диффузии кислорода, релаксации напряжений и рекристаллизации. Однако экспериментально установлено, что достаточным временем термообработки при средних температурах (до 900^оС) является 2-10 мин, так как дальнейшее увеличение его приводит к незначительному улучшению свойств напыляемых пленок (на 3-5%) при снижении производительности. Для термообработки при температуре выше 1100^оС достаточное время составляет менее 1 мин.
П р и м е р. Напыление проводили в вакуумной установке УВН-2М-1 с плоской магнетронной распылительной системой, регулировку и стабилизацию давления в камере осуществляли с помощью системы автоматического напуска типа СНА-1, а температурный режим подложки обеспечивали устройством на базе регулятора позиционного типа ПСМР2-01.
В качестве подложек использовался поликор.
Вакуумную камеру откачивали до давления 666,61 10^-5 Па и, напуская кислород, устанавливали рабочее давление 6,6661 Па, после чего подложки разогревали до температуры 750^оС. При этом катод-мишень нагревалась до температуры, достаточной для зажигания разряда (350-400^оС). Затем подавали на мишень рабочее напряжение 480 В и производили распыление в течение 10 мин при токе 0,5 А. После деcятиминутного распыления повышали давление кислорода до 19998,3 Па, увеличивали температуру подложек до 900^оС и выдерживали их при этой температуре до 10 мин. При этом, если распыляют материал в катодном диодном устройстве, то необходимо выключить подачу напряжения на мишень при повышении давления, а при напылении в магнетронной системе необходимость в выключении напряжения на мишени отпадает. После обработки первого слоя опять устанавливали рабочее давление кислорода как при распылении, на что затрачивалось не более 5 мин, снижали температуру подложек до первичной и производили десятиминутное распыление, начав тем самым новый цикл. Количество циклов выбирали в зависимости от требуемой толщины. Так, для напыления в магнетронной системе инно-плазменного распыления пленки толщиной 17 мкм было проведено 30 циклов осаждения и термообработки.
Полученные пленки титаната бария имели высокую адгезию при следующих параметрах: 2300-285; tg 0,01-0,04; Е_пр (2-3) 10⁷ В/см.
Использование предлагаемого способа напыления сегнетоэлектрических пленок с многократным циклированием по сравнению с базовым, в качестве которого выбран способ по аналогу, позволяет повысить диэлектрическую проницаемость в 1,2-1,5 раза, снизить тангенс угла диэлектрических потерь не менее чем в 1,5 раза, напряжение пробоя увеличить более, чем на порядок.