一种bmn薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于溅射镀膜，尤其涉及一种BMN薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002] 靶材是磁控溅射镀膜的溅射源，靶材的好坏对薄膜的性能起至关重要的作用，因 此高品质的靶材是保证薄膜质量的前提和基础，大量研究表明，影响靶材品质的因素主要 有：纯度、致密度、结构取向、晶粒大小及分布、尺寸、形状等，其中衡量靶材品质最重要的指 标是靶材的相对密度、纯度、结晶取向及其微观结构的均匀性。溅射过程对靶材的致密度的 要求很高，如果靶材结构的致密性较差，具有高能量密度的Ar+轰击靶材时，会导致靶表面 大块物质的剥落，从而使得薄膜表面具有较多的大颗粒。这将严重影响薄膜表面的平整度， 最终导致薄膜性能的恶化。此外，磁控溅射过程中高能量密度的Ar+轰击，也会导致靶材的 升温，为了能够更好地承受靶材内部的热应力，因此需要获得高密度和高强度的靶材。靶材 的纯度是靶材品质的主要性能指标之一。薄膜性能的好坏很大程度上受靶材纯度的影响。 溅射沉积薄膜的主要污染源是靶材中的杂质以及靶材气孔中的氧气和水。实际应用中，靶 材的用途对其所含杂质含量有不同的要求。靶材微观结构的均匀性也是磁控溅射镀膜的质 量关键的性能指标之一。靶材微观结构均匀、晶粒尺寸相差较小，那么磁控溅射制得的薄 膜厚度比较均匀。此外，晶粒细小的靶材，其溅射速率一般要比晶粒粗大的靶材的溅射速率 快。溅射成膜时，靶材的原子容易沿原子的立方最紧密排列的方向优先溅射出来，为达到较 高的溅射速率，可以通过改变靶材的结晶结构来增加溅射速率。此外，靶材的结晶方向对溅 射薄膜厚度的均匀性也有很大影响。因此，通过工艺调节控制靶材的结晶取向是至关重要 的。因此，采用溅射法制备BiuMgNbuC^薄膜，必须首先制备高质量的靶材。
[0003] 在溅射镀膜过程中，溅射粒子的能量除了受到溅射气压与溅射气氛比的影响之 外，还与溅射功率有关，一般来说，溅射功率的增大将引起氩气分子被激发成Ar+的量的 增加，等离子密度的提高使得离子对靶材的轰击作用加强，那么将会有更多的原子或者微 小团簇被溅出；溅射粒子的速率也会增大，从而到达基片时具有的能量增大，有利于陶瓷 薄膜的成核生长，最终提高薄膜的结晶度。现有技术中在室温环境下，采用磁控溅射法在 Pt (111) /Ti/Si02/Si衬底上制备BMN薄膜，研究从基片负偏压条件对BMN薄膜的物相组成、 化学成分、微观形貌和介电性能的影响还没有相关报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种BMN薄膜的制备方法，旨在研究从基片负偏压条件对 BMN薄膜的物相组成、化学成分、微观形貌和介电性能的影响的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种BMN薄膜的制备方法，该BMN薄膜的制备方法包括：
[0006] 在阴极靶位置上安装BMN陶瓷靶材，将预处理的衬底固定在基板支架上，打开分 子栗对溅射腔室进行抽真空；
[0007] 到达本底真空度后，向溅射腔室内通入高纯的氩气，调节流量计使气压，加高压对 基片再次进行清洗；
[0008] 关闭高压，打开基片旋转电机，调苄基片转速为30rpm ;
[0009] 衬底温度升高，关闭靶材档板，调节射频功率，预溅射3-5min ;
[0010] 通入高纯氧气，调节流量计，设定Ar/02体积比，并使腔室气压达到实验的溅射气 压 4. OPa ;
[0011] 调苄基片电压为80-150V，打开档板，开始镀膜；
[0012] 经过700°C氧气氛下退火30min得到晶化薄膜。
[0013] 进一步，本底真空度为2. 0X10 4Pa。
[0014] 进一步，所述氩气纯度为99. 999%。
[0015] 进一步，所述调节流量计使气压控制在1. 8-2. OPa，加高压对基片再次进行清洗 5-10min〇
[0016] 进一步，所述调节射频功率至150W，预派射3-5min。
[0017] 进一步，所述氧气纯度99. 999%。
[0018] 进一步，所述Ar/02体积比为2:1。
[0019] 本发明提供的BMN薄膜的制备方法积极效果和优点：1)不同基片负偏压条件下， 沉积的BMN薄膜均为立方焦绿石单相结构。随着基片负偏压从80V升高到120V，BMN薄膜 (222)择优取向趋势逐渐增强；但当基片负偏压达到150V时，BMN薄膜从（222)择优取向结 构转变为无择优取向结构。2)随着基片负偏压的增大，BMN薄膜的组分几乎没有变化，但薄 膜的沉积速率迅速减小；薄膜的表面粗糙度先减小后增大，在基片偏压为120V时，BMN薄膜 的表面粗糙度最小，为3. 53nm。3)当基片负偏压从80V升高到120V，BMN薄膜的介电性能 逐渐改善，在基片偏压为120V时，薄膜的介电常数最大（166. 4)，介电损耗最低（0.0038)， 在628kV/cm的外加电场下，其调谐率为24. 83%。当基片负偏压增大到150V，BMN薄膜的 介电性能恶化。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法流程图；
[0021] 图2是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积溅射BMN 薄膜的XRD图；
[0022] 图中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0023] 图3是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积薄膜的阳 离子摩尔比（虚线分别表示1. 5和3)图；
[0024] 图4是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积BMN薄膜 的断面二次电子像图；
[0025] 图中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0026] 图5是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法BMN薄膜的沉积速率随基片负偏 压的变化曲线图；
[0027] 图6是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积BMN薄膜 的AFM图；
[0028] 图中：（a)80V、（b) 100V、（c) 120V、（d) 150V。
[0029] 图7是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法薄膜表面粗糙度的均方根随基片 负偏压的变化曲线图；
[0030] 图8是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积BMN薄膜 的漏电流密度曲线图；
[0031] 图9是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法不同基片负偏压下沉积BMN薄膜 的介电常数和介电损耗随频率的变化曲线图；图中：（a)10kHz-lMHz，（b)lMHz-lOMHz。
[0032] 图10是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法中1MHz下BMN薄膜的介电常数 和介电损耗随基片负偏压的变化关系图；
[0033] 图11是本发明实施例提供的BMN薄膜的制备方法中1MHz下不同基片负偏压下沉 积BMN薄膜的介电常数和介电损耗随直流偏压的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0035] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的说明。
[0036] 如图1所示，本发明实施例的BMN薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0037] S101 :在阴极靶位置上安装BMN陶瓷靶材，将预处理的衬底固定在基板支架上，打 开分子栗对溅射腔室进行抽真空，本底真空度为2. 0X 10 4Pa ;
[0038] S102 :到达本底真空度后，向溅射腔室内通入高纯的氩气，纯度为99. 999%，调节 流量计使气压控制在1. 8-2. OPa，加高压对基片再次进行清洗5-10min，以去除安装衬底时 其表面吸附的杂质；
[0039] S103 :关闭高压，打开基片旋转电机，调苄基片转速为30rpm ;
[0040] S104 :当衬底温度达到实验温度后，先关闭靶材档板，调节射频功率至100W，预溅 射3-5min，以去除靶材表面的污染物，达到净化靶材表面的目的；
[0041] S105 :通入高纯氧气，纯度99. 999%，调节流量计，设定八以02体积比为2:1，并使 腔室气压达到实验的溅射气压4. OPa ;
[0042] S106 :调苄基片电压为80-150V，打开档板，开始镀膜；
[0043] S107 :经过700°C氧气氛下退火30min得到晶化薄膜，BMN薄膜的厚度控制在 300nm以内。
[0044] 下面结合试验对本发明的应用原理作进一步描述。
[0045] 磁控溅射镀膜的过程中，等离子体区域因受到磁场的作用，被强烈的束缚在靶材 表面附近的区域内，若被溅射出的粒子直接沉积到基体的表面，则粒子由于速度小而能量 较低，沉积的薄膜与衬底之间的结合强度较差，并且低能粒子在衬底表面的迀移能力较低， 容易生长成多孔粗糙的薄膜，其薄膜的性能必然受到影响。解决这一问题最直接的方法是 对衬底施加一定的负偏压。对衬底施加负偏压后，从靶材溅射出的阳离子在电场的作用下 加速飞向衬底，获得更大表面迀移能；同时辉光中的部分Ar+也在电场的作用下飞向衬底， 与成膜原子交换能量，并且轰击作用能在一定程度上升高衬底的温度，从而有利于薄膜的 生长。本组实验通过改变薄膜沉积过程中的基片负偏压的大小，研究其对薄膜相组成、微观 形貌以及电性能的影响。实验参数见表2。
[0046] 表2不同基片负偏压下BMN薄膜的制备参数
[0048] 试验方法具体包括：
[0049] 步骤一，基片负偏压对BMN薄膜相结构的影响：
[0050] 图2为不同基片负偏压下制备BMN薄膜经过退火后的XRD图。各基片负偏压条件 下沉积的BMN薄膜均为立方焦绿石单相结构。当基片负偏压小于120V时，随着基片负偏 压的增大，BMN薄膜（222)择优取向趋势逐渐增强。但是，当基片负偏压达到150V时，BMN 薄膜的取向结构发生明显变化，XRD图中出现了较强的（511)峰，表明随着基片负偏压的增 大，BMN薄膜的择优结构发生变化，这是因为及基片负偏压过大导致Ar+过度轰击衬底，破 坏了成膜粒子原有的排列程度，也就是说高能粒子的不断轰击导致晶粒取向性遭到破坏， 因而造成BMN薄膜呈现无择优取向结构。这种结构不利于BMN薄膜介电调谐率的增大，因 此，磁控溅射法制备BMN薄膜的过程中，基片负偏压的设置也不宜过大。
[0051] 步骤二，基片负偏压对BMN薄膜组成的影响：
[0052] 不同基片负偏压条件下沉积BMN薄膜各元素的摩尔比如图3所示。实验中，各基 片负偏压条件下沉积的BMN薄膜