超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜制备方法

文档序号:8413928阅读:729来源:国知局
超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域,特别涉及一种钛酸钡薄膜制备的方法,可用于半导体器件的制备。
【背景技术】
[0002]铁电材料因其具有铁电性,压电性,高介电常数,光电特性,热电等特性,可实现多种应用,得到了大家广泛的关注。铁电材料是热释电材料中的一类,其特点是不仅具有自发极化,而且在一定温度范围内,自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变,并随电场呈现出明显的铁电滞回线。铁电材料通常具有正和负方向两个状态,由此可以根据不同的两个状态作为存储器应用,而其固有的压电性能也可以作为压电及声光材料,但是少部分铁电材料的压电常数不是很高,通常作为介电调制器,换能器件。过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性、电光性能以及高介电常数。近年来,由于新铁电材料薄膜工艺的发展,铁电材料在信息存储、图像显示和全息照像中的编页器、铁电光阀阵列作全息照像的存储等已开始应用。
[0003]因此研宄铁电材料具有重要意义,众多研宄者研宄其与半导体相结合,想充分发挥铁电材料和半导体材料的特性。铁电材料的自发极化可以调节半导体材料的界面电荷,改变半导体表面的电势能。铁电材料的压电效应可以使半导体表面发生形变,改变半导体的能级。但由于晶格失配问题,不能直接在半导体材料上沉积单晶铁电材料,因此需要大量的缓冲层,增加了制造工艺的复杂度。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服上述已有技术的不足,提供一种超薄自支撑钛酸钡薄膜制备方法,以解决不能在半导体材料上直接生长单晶钛酸钡薄膜的问题。
[0005]实现本发明目的技术关键是:在蓝宝石衬底生长一层单晶氧化镁薄膜,并在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜,并将其转移到后续所需的半导体衬底上。通过改变生长条件,腐蚀液浓度等条件,得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。其实现步骤包括如下:
[0006](I)在蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜:
[0007]将蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空,直到真空度达到4*10_6mbar以下;向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在 5*10 3?0.1mbar ;
[0008]打开激光器,设定激光器的能量密度为4J/cm2和频率为3?5Hz,设定衬底的温度为600?700°C,使激光器射出激光束,烧灼氧化镁靶材10000?15000次,使烧灼出来的氧化镁等离子体沉积在蓝宝石衬底上,完成单晶氧化镁薄膜的生长;
[0009](2)在单晶氧化镁薄膜上沉积一层单晶钛酸钡薄膜:
[0010]调节通入反应室的氧气,使反应室的氧压维持在0.01?0.5mbar,设定激光器的能量密度为2J/cm2和频率为3?5Hz,设定衬底的温度为600?700°C,使激光器射出激光束,烧灼钛酸钡靶材50?100次,以在单晶氧化镁薄膜上沉积钛酸钡等离子体,得到单晶钛酸钡薄膜;
[0011](3)在单晶钛酸钡薄膜上附着聚甲基丙烯酸甲酯PMMA:
[0012]在单晶钛酸钡薄膜的表面旋涂上一层浓度为3?9mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,并放在温度为70?80°C的加热台上加热5?10分钟,再自然降温,形成一层附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜;
[0013](4)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离:
[0014]将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在75?85°C温度下的10被%硫酸铵溶液中3?4小时,除去单晶氧化镁薄膜,使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与衬底脱离后,漂浮在硫酸铵溶液上;
[0015](5)转移得到单晶自支撑钛酸钡薄膜:
[0016]用后续使用所需的电极衬底捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜,放在加热台上,在35?40°C下加热5?10分钟,自然降温,使单晶钛酸钡薄膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底上;
[0017]再将其放入丙酮溶液中浸泡12?24小时,除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,完成转移,得到厚度为5?7nm的超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。
[0018]本发明具有如下优点:
[0019]1.本发明由于通过在单晶钛酸钡薄膜上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,可防止转移过程中薄膜出现破裂。
[0020]2.本发明由于去除了氧化镁薄膜,转移到半导体衬底上,得到自支撑单晶钛酸钡薄膜,解决了不能在半导体材料上直接生长单晶钛酸钡薄膜的问题。
[0021]3.本发明通过控制激光束的频率和激光束灼烧钛酸钡靶材的次数,得到厚度仅为几纳米的自支撑单晶钛酸钡薄膜,可以使光源透过钛酸钡薄膜照射到半导体材料上,改变半导体材料特性。
【附图说明】
[0022]图1为本发明制备超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜的流程示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不构成对本发明的限定。
[0024]参照图1,本发明给出如下三种实施例。
[0025]实施例1:制备厚度为5nm的自支撑单晶钛酸钡薄膜。
[0026]步骤1,在C面蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜。
[0027]1.1)将C面的蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空,直到真空度达到4*10_6mbar以下,再向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在5*l(T3mbar ;
[0028]1.2)打开激光器开关,设定激光器的能量密度为4J/cm2和频率为3Hz,设定衬底的温度为600°C,通过激光束,烧灼氧化镁靶材10000次,产生氧化镁等离子体,该等离子体依靠自身动能,运动到C面蓝宝石衬底A上,并沉积在C面蓝宝石衬底,完成单晶氧化镁薄膜的生长,如图1中的B。
[0029]步骤2,在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜。
[0030]调节通入反应室的氧气,使反应室的氧压维持在0.0lmbar,设定激光器的能量密度为2J/cm2、频率为3Hz,设定衬底的温度为600°C,通过激光束,烧灼钛酸钡靶材表面50次,产生钛酸钡等离子体,该等离子体依靠自身动能,运动到单晶氧化镁薄膜B上,并沉积在单晶氧化镁薄膜表面,得到单晶钛酸钡薄膜,如图1中的D。
[0031]步骤3形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜。
[0032]3.1)在单晶钛酸钡薄膜表面滴上3mg/mL聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,放在甩胶机上,设置转台旋转速度为500转/秒,旋转5秒;
[0033]3.2)改变旋转速度为3000转/秒,旋转60秒,使聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液均匀分布在单晶钛酸钡薄膜表面,如图1中的E ;
[0034]3.3)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液的单晶钛酸钡薄膜放在加热台上,在70°C下加热10分钟,再自然降温。
[0035]步骤4将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离。
[0036]将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在75°C温度下的10wt%硫酸铵溶液中4小时,除去单晶氧化镁薄膜,使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底脱离,漂浮在硫酸铵溶液上。
[0037]步骤5转移得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。
[0038]5.1)用后续使用所需的半导体衬底F捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜,放在加热台上,在35°C下加热10分钟后,自然降温,使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底;
[0039]5.2)将粘有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜的衬底放入丙酮溶液中浸泡12小时,除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,完成转移,得到厚度为5nm的超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。
[0040]实施例2:制备厚度为6nm的自支撑单晶钛酸钡薄膜。
[0041]步骤一,在C面蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜。
[0042]Ia)将C面的蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空,直到真空度达到4*10_6mbar以下,再向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在0.0lmbar ;
[0043]Ib)打开激光器开关,设定激光器的能量密度为4J/cm2和频率为4Hz,设定衬底的温度为650°C,通过激光束,烧灼氧化镁靶材13000次,产生氧化镁等离子体,该等离子体依靠自身动能,运动到C面蓝宝石衬底A上,并沉积在C面蓝宝石衬底,完成单晶氧化镁薄膜的生长,如图1中的B。
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