一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法

专利名称：一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法
技术领域：
本发明属于信息材料技术领域，涉及尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法 背景技术随着现代通讯技术的迅猛发展，电子元器件的薄膜化、集成化、高频化必将使铁氧体薄 膜大有用武之地。高密度垂直磁记录介质、薄膜磁头、薄膜变压器和薄膜电感器，单片微波 集成器件、多层膜器件以及生物工程、医疗诊断技术、磁性药物的发展将进一步加快铁氧体 薄膜研究的步伐。同时，沉积铁氧体薄膜技术仍将是十分重要的研究内容之一。就应用的角 度看，关键是开发在不同种类、形状的基片上，低温沉积具有良好附着力和电磁性能的铁氧 体薄膜技术。铁氧体薄膜的制备方法分为物理方法与化学方法。物理方法主要包括溅射法、脉冲激光 沉积法、分子束外延法。用物理方法沉积的铁氧体薄膜具有基片附着力好、表面平整、电磁 性能好的特点，但物理方法存在的最大的缺点是为了制备具有良好电磁性能的铁氧体薄膜需 要在沉积时加高温或沉积后通过高温退火对薄膜进行退火处理，温度高达70(TC以上。化学 方法主要包括湿化学法和液相外延法，其中液相外延法制备的铁氧体薄膜由于制备时是采用 能与铁氧体薄膜材料晶格常数匹配的特殊基片，其制备的薄膜是单晶薄膜，因而是目前能制 备性能最优异铁氧体薄膜一种制备方法，但这种方法对基片限制严格，而且其制备通过将铁 氧体各组分熔融后进行的，其温度很高( 1500°C)，这就使得一方面成本很高，另一方面应 用领域得到限制，最为致命的是不能与现有微电子工艺兼容。化学制备方法中的湿化学方法，能在低温(小于iocrc)获得铁氧体薄膜，是制备小型集成器件很有前途的方法，但薄膜与 基底间的附着力不够理想，容易出现膜层剥落现象，以至无法实现应用，另一方面该法制备 的铁氧体薄膜的表面粗糙度也很大，会大大降低铁氧体薄膜的电磁性能。所以，高性能铁氧体薄膜需要高温制备是其应用上的最大障碍，高的处理温度不但与现 有工艺，如微电子工艺不兼容，而且由于高处理温度，会造成衬底与铁氧体薄膜之间的互扩 散，降低铁氧体薄膜的电磁性能。如何实现低温制备具有良好电磁特性铁氧体薄膜至关重要。发明内容本发明的目的在于提出一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，该方法能将尖晶石结构铁氧体薄膜的退火温度降低到50(TC以下，可以极大地促进铁氧体薄膜的应 用，特别是在微波单片集成电路器件中的应用。本发明的原理在于Fe^是铁氧化物的一种，其结构为尖晶石结构，处于亚稳态，具有 较低的相变温度，在40(TC以上有氧气氛中退火会氧化生成Fe203，其相变反应式为 4Fe:i04+02=6Fe203+448(kJ)。如果以Fe304为缓冲层，在缓冲层上溅射制备尖晶石结构铁氧体薄 膜，在400 —50(TC条件下对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理时，缓冲层会发生从 FeA到Fe203活性相变，相变释放的热量被上层尖晶石结构铁氧体薄膜吸收，促进了该层尖晶 石结构铁氧体薄膜的结晶，从而降低尖晶石结构铁氧体薄膜的退火晶化处理温度。因此，本 发明提供的尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法能够在很大程度上降低尖晶石结构铁氧体薄膜 的退火晶化处理温度，使之与现代微电子工艺相兼容；同时，Fe蟲缓冲层属尖晶石结构氧化 物薄膜，与尖晶石结构铁氧体薄膜晶格匹配，从而使得Fe304缓冲层的引入不影响尖晶石结构 铁氧体薄膜良好的电磁特性。本发明是通过如下步骤实现的步骤l.在基片上制备FeA缓冲层薄膜；步骤2.在Fe^缓冲层薄膜上溅射尖晶石结构铁氧体薄膜；步骤3.对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理。其中步骤l.中的基片可以是各种取向的单晶Si、 GaAs、 InP或AlA基片；制备Fe:A缓 冲层薄膜的方法可以采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法或分子束外延法；Fe30,缓冲层薄膜的 厚度为20_100 nm。其中步骤2.中溅射制备尖晶石结构铁氧体薄膜的条件为靶材为纯度98%以上的尖晶石 结构铁氧体氧化物，背底真空小于1X10—3Pa，溅射工作气体为氩气，气压为lXl(TPa—5Pa， 基片温度为100—350。C，溅射功率密度为0. 01-10W/cm2。其中步骤3.的退火晶化处理条件为退火环境为空气环境，退火温度为400—50(rC，退 火时间为0.5 — 3小时。本发明的有益效果是本发明提供的尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法能够将通常溅射工艺制备的尖晶石结构 铁氧体薄膜的退火晶化处理温度从70(TC以上降低至50(TC以下，使之与现代微电子工艺相兼 容；同时，Fe:A缓冲层属尖晶石结构氧化物薄膜，与尖晶石结构铁氧体薄膜晶格匹配，从而 使得Fe304缓冲层的引入不影响尖晶石结构铁氧体薄膜良好的电磁特性；本发明可用于制备集 成磁性器件。


图1是Fe304缓冲层薄膜经35(TC真空退火一小时后的XRD图。图2是Si/Fe:,0yCoFe204薄膜分别在空气中40(TC、 450。C和50(TC下退火3小时后的XRD 图。其中，曲线l是Si/FeA/CoFe2(X薄膜在空气中40(rC下退火3小时后的XRD结果；曲线 2是Si/FeA/CoFe204薄膜在空气中45(TC下退火3小时后的XRD结果；曲线是3Si/Fe:A/CoFe204 薄膜在空气中50(TC下退火3小时后的XRD结果。图3是50(TC下退火的Si/FeA/CoFeA的薄膜的磁性能曲线(VSM曲线)。图4是700。C下退火的Si/CoFe2(V薄膜的磁性能曲线(VSM曲线)。
具体实施方式
首先，以直流磁控反应溅射法在Si基片上制备铁氧化物薄膜，工艺条件基片为Si (100) 单晶基片，背底真空2X10—6Pa;工作气氛为氩气加氧气，气压1.25X10—2Pa，其中氧气占 10%;溅射功率200W,溅射时间45s。溅射出铁氧化物薄膜经原子力显微镜测试厚度为50皿。其次，在真空中退火形成Fe必缓冲层薄膜，工艺条件真空度5X10—4Pa，退火温度350 'C，时间1小时。退火后的样品经X射线衍射仪(XRD)检测为(110)择优取向的Fe304单相 结构(如图l所示)。然后，在Si/Fe:A薄膜上射频磁控溅射CoFeA尖晶石结构铁氧体薄膜，溅射条件基片 温度35(TC，背底真空5X10—4Pa，溅射气氛氩气，气压为1. 0 Pa，溅射功率120W(对应的功 率密度为1. 1W/cm2),溅射时间半小时。溅射后的薄膜经原子力显微镜测试其厚度为lOOnm。最后，Si/FeA/CoFeA薄膜在空气中500。C下退火3小时，经XRD测试已经形成(110) 择优取向的单相尖晶石铁氧体薄膜(如图2所示)。为了便于比较，在同样的条件下制备了不含Fe304的CoFeA尖晶石结构铁氧体薄膜，即 Si/CoFe2(V薄膜，经测试发现，在500'C下退火的Si/FeA/CoFeA的薄膜与70(TC下退火的 Si/CoFeA薄膜具有相同的电磁性能(如图3VSM曲线)。由此可见，加入FeA缓冲层后使得 CoFeA尖晶石结构铁氧体薄膜退火晶化温度下降了 20(TC，而电磁性能基本不变。
权利要求
1、一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，通过如下步骤实现步骤1.在基片上制备Fe3O4缓冲层薄膜；步骤2.在Fe3O4缓冲层薄膜上溅射尖晶石结构铁氧体薄膜；步骤3.对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理；其中，所述步骤3.的退火晶化处理条件为退火环境为空气环境，退火温度为400-500℃，退火时间为0.5-3小时。
2、 根据权利要求1所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征在于， 所述步骤l.中的基片是各种取向的单晶Si、 GaAs、 InP或Al203基片；制备FeA缓冲层薄膜 的方法是磁控溅射法、脉冲激光沉积法或分子束外延法；制备的FeA缓冲层薄膜厚度为20 _100 nm。
3、 根据权利要求1或2所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征 在于，所述步骤2.中溅射制备尖晶石结构铁氧体薄膜的条件为耙材为纯度98%以上的尖晶 石结构铁氧体氧化物，背底真空小于1X10—3Pa，溅射工作气体为氩气，气压为1X10—2pa—5Pa， 基片温度为100—35(TC，溅射功率密度为0. 01-10W/cm2。
4、 根据权利要求3所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征在于， 所述步骤2.中溅射制备的尖晶石结构铁氧体薄膜为CoFe204尖晶石铁氧体薄膜。
5、 根据权利要求2所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征在于， 所述步骤1.中的基片是单晶Si(100)基片；制备Fe304缓冲层薄膜的方法是磁控溅射法中的直 流磁控反应溅射法；具体工艺为首先，以直流磁控反应溅射法基片上制备铁氧化物薄膜，工艺条件背底真空2Xl(TPa; 工作气氛为氩气加氧气，气压1.25X10_2Pa，其中氧气占10%;溅射功率200W，溅射时间 45s;溅射的铁氧化物薄膜厚度为50nm;其次，在真空中退火形成Fe304缓冲层薄膜，工艺条件真空度5X10—4Pa，退火温度350 'C，时间1小时。
6、 根据权利要求4所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征在于， 所述步骤2.在Fe304缓冲层薄膜上溅射CoFeA尖晶石结构铁氧体薄膜的具体工艺条件基片 温度350。C，背底真空5X10_4Pa，溅射气氛氩气，气压为1.0 Pa，溅射功率120W，对应的功率密度为1.1W/cm 溅射时间半小时；溅射的CoFe204薄膜厚度为100nm;所述步骤3.对尖 晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理的具体条件为温度50(TC，时间3小时。
7、根据权利要求5所述的降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，其特征在于， 所述步骤2.在FeA缓冲层薄膜上溅射的尖晶石结构铁氧体薄膜为CoFe204尖晶石结构铁氧体 薄膜，具体工艺条件基片温度35(TC，背底真空5X10—4Pa，溅射气氛氩气，气压为1.0Pa， 溅射功率120W，对应的功率密度为1.1W/cm2,溅射时间半小时；溅射的CoFe^薄膜厚度为 100nm;所述步骤3.对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理的具体条件为温度50(TC， 时间3小时。
全文摘要
一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，属于信息材料技术领域。本发明在基片上制备尖晶石结构铁氧体薄膜之前，先在基片上制备一层Fe₃O₄缓冲层薄膜，在对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理时，利用Fe₃O₄缓冲层发生从Fe₃O₄到Fe₂O₃活性相变所释放的热量促进尖晶石结构铁氧体薄膜的结晶，从而降低尖晶石结构铁氧体薄膜的退火晶化处理温度，使之与现代微电子工艺相兼容；同时，Fe₃O₄缓冲层属尖晶石结构氧化物薄膜，与尖晶石结构铁氧体薄膜晶格匹配，从而使得Fe₃O₄缓冲层的引入不影响尖晶石结构铁氧体薄膜良好的电磁特性。本发明可用于制备集成磁性器件。
文档编号C23C14/22GK101230446SQ200710050348
公开日2008年7月30日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者爽 刘, 唐晓莉, 张怀武, 桦 苏, 荆玉兰, 贾利军, 金沈贤, 钟智勇 申请人:电子科技大学