一种晶型及厚度可控的二氧化锆薄膜的制备方法与流程

本发明属于薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种晶型及厚度可控的二氧化锆薄膜的制备方法。

背景技术：

氧化锆(zro2)是一种性能优越的介电材料，介电常数远高于传统的氧化硅(sio2)，有望成为取代氧化硅作为晶体管的栅极介电材料。一般条件下，氧化锆存在单斜和四方两个晶型，不同晶型的氧化锆薄膜的介电性质也有所区别。现有方法制备四方相的氧化锆薄膜一般都需要进行高温的热处理，但四方相的氧化锆薄膜在高温(>800℃)会发生马氏体相变转为单斜相的氧化锆薄膜。传统的氧化锆薄膜制备方法一次制样一般只得到一种晶型，而系统研究氧化锆薄膜材料所需的样品数量较多，因此所需的制样时间较长。因此，寻找一种快速制备不同晶型的氧化锆材料的方法对缩短系统研究氧化锆薄膜材料的时间十分重要。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明目的在于提供一种晶型及厚度可控的二氧化锆薄膜的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种晶型及厚度可控的二氧化锆薄膜的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)脉冲激光沉积氧化锆薄膜：以氧化锆为靶材，将玻璃基片放置在基板上，将真空腔室抽至2×10^-4～5×10^-4pa，调整靶材与基板之间的距离，设置脉冲频率为4～6hz，激光能量为150～350mj，采用非圆形的激光光斑照射靶材，预沉积1～3min后将脉冲数设置为10000～30000次继续沉积；

(2)退火处理：将步骤(1)的氧化锆薄膜置于空气环境中热退火，退火温度为300～400℃，得到晶型及厚度可控的二氧化锆薄膜。

进一步地，步骤(1)中氧化锆靶材的纯度为99.99％。

进一步地，步骤(1)中所述玻璃基片在使用前先经异丙醇和去离子水超声清洗后烘干。

进一步地，步骤(1)中所述靶材与基板之间的距离为4.5～7cm。

进一步地，步骤(1)中所述激光光斑的形状为竖直对角线长于水平对角线的菱形。

进一步地，步骤(2)中所述退火的时间为1h。

本发明的原理为：激光光斑照射到靶材表面时，将使得激光照射区域的靶材羽化，此后靶材物质沿着靶材表面的法线方向向外射出。使用非圆形的激光光斑照射靶材时，在样品台上不同位置沉积得到的薄膜的非晶态结构将有所差别，退火处理后可以得到不同晶型的氧化锆薄膜，可以实现一次制样得到不同晶型及厚度的氧化锆薄膜。得到的薄膜晶型主要取决于激光光斑的形状及基片放置的位置，厚度则取决于沉积时的脉冲数及靶材-基板距离等。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明提供了一种快速制备不同晶型、不同厚度氧化锆薄膜材料的方法。此方法中制膜过程在室温进行，退火温度较低，避免了氧化锆薄膜四方相和单斜相之间发生马氏体相变。实验操作简单，制样周期短，可以根据需要一次制样得到相应晶型及厚度的氧化锆薄膜，有利于缩短系统研究氧化锆薄膜材料的时间。

附图说明

图1是实施例中脉冲激光沉积采用的激光光斑的形状以及基片在基板上的放置情况。

图2是实施例1所得氧化锆薄膜的xrd测试结果图。

图3是实施例1所得氧化锆薄膜的xrr测试结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)清洗玻璃基片：将玻璃基片放入烧杯中，分别用异丙醇、去离子水、去离子水、异丙醇依次超声15min，放入烘箱烘干后取出。

(2)脉冲激光沉积氧化锆薄膜：选用纯度为99.99％的氧化锆靶材，将玻璃基片按照图1的位置固定放置在基板上后放入真空腔室，将真空腔室抽至5×10^-4pa，调整靶材-基板之间的距离为7cm，设置脉冲频率为5hz，激光能量为300mj，采用竖直对角线长于水平对角线的菱形激光光斑照射靶材(激光光斑的形状以及基片在基板上的放置情况如图1所示)，预沉积2min后设置脉冲数为27000进行沉积。

(3)退火处理：将沉积得到的氧化锆薄膜置于空气环境中热退火，退火温度为350℃，退火时间为1h，得到不同晶型及厚度的二氧化锆薄膜。

本实施例所得的氧化锆薄膜xrd测试结果图如图2所示，xrd测试结果表明在a位置(a1，a2)得到的薄膜为四方晶系，在b(b1，b2)位置得到的薄膜为单斜晶系。

本实施例所得的氧化锆薄膜xrr测试结果图如图3所示，xrr测试结果表明在a(a1，a2)位置得到的薄膜厚度为23.46nm，b位置(b1，b2)得到的薄膜厚度为35.49nm。

实施例2

(1)清洗玻璃基片：将玻璃基片放入烧杯中，分别用异丙醇、去离水、去离子水、异丙醇依次超声15min，放入烘箱烘干后取出。

(2)脉冲激光沉积氧化锆薄膜：选用纯度为99.99％的氧化锆靶材，将玻璃基片按照图1的位置固定放置在基板上后放入真空腔室，将真空腔室抽至5×10^-4pa，调整靶材-基板之间的距离为4.5cm，设置脉冲频率为5hz，激光能量为300mj，采用竖直对角线长于水平对角线的菱形激光光斑照射靶材，预沉积2min后设置脉冲数为12000进行沉积。

(3)退火处理：将沉积得到的氧化锆薄膜置于空气环境中热退火，退火温度为350℃，退火时间为1h，得到不同晶型及厚度的二氧化锆薄膜。

本实施例所得的氧化锆薄膜的xrd测试结果表明在a位置(a1，a2)得到的薄膜为四方晶系，在b位置(b1，b2)得到的薄膜为单斜晶系。

本实施例所得的氧化锆薄膜的xrr测试结果表明在a位置(a1，a2)得到的薄膜厚度为10.92nm，b位置(b1，b2)得到的薄膜厚度为19.93nm。

实施例3

(1)清洗玻璃基片：将玻璃基片放入烧杯中，分别用异丙醇、去离水、去离子水、异丙醇依次超声15min，放入烘箱烘干后取出。

(2)脉冲激光沉积氧化锆薄膜：选用纯度为99.99％的氧化锆靶材，将玻璃基片按照图1的位置固定放置在基板上后放入真空腔室，将真空腔室抽至5×10^-4pa，调整靶材-基板之间的距离为5cm，设置脉冲频率为5hz，激光能量为200mj，采用竖直对角线长于水平对角线的菱形激光光斑照射靶材，预沉积2min后设置脉冲数为18000进行沉积。

(3)退火处理：将沉积得到的氧化锆薄膜置于空气环境中热退火，退火温度为350℃，退火时间为1h，得到不同晶型及厚度的二氧化锆薄膜。

本实施例所得的氧化锆薄膜的xrd测试结果表明在a位置(a1，a2)得到的薄膜为四方晶系，在b位置(b1，b2)得到的薄膜为单斜晶系。

本实施例所得的氧化锆薄膜的xrr测试结果表明在a位置(a1，a2)得到的薄膜厚度为29.54nm，b位置(b1，b2)得到的薄膜厚度为46.71nm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。