Способ получения сегнетоэлектрических пленок твердых растворов

Изобретение относится к технологии получения сегнетоэлектрических тонких пленок для сверхвысокочастотных применений и может быть использовано для выбора оптимальных компонентных составов пленок и срезов монокристаллической подложки для достижения эпитаксиального роста.

Известен способ (Патент № US 5406123 А) получения тонких пленок путем распыления материала мишени посредством согласования структурных доменов материалов подложки и пленки с заранее принятым процентом рассогласования доменов менее 5%, где под структурными доменами понимается кратные постоянным решеток пленки а_ƒ и подложки a_s домены n×а_ƒ и m×a_s, где n и m являются целыми числами. Эпитаксиальный рост достигается при рассогласовании доменов меньше 5%. Было установлено, что в плоскости подложки четыре элементарные ячейки TiN соответствуют трем элементарным ячейкам кремния с рассогласованием менее 4%. Данным способом достигнут эпитаксиальный рост в системе с большим рассогласованием решеток - TiN на подложке кремния. Известный способ позволяет улучшить кристалличность пленки и, как следствие, улучшить электрофизические характеристики, тем не менее, способ учитывает только одномерное рассогласование линейных доменов и учитывает только постоянные решеток, что значительно сужает круг подбираемых материалов.

Известен способ (P.S. Krishnaprasad, A. Antony, F. Rojas, М.K. Jayaraj, Domain matched epitaxial growth of (111) Ba_0.5Sr_0.5TiO₃ thin films on (0001) Al2O3 with ZnO buffer layer, J. Appl. Phys. 117, 2015, 124102) получения сегнетоэлектрических пленок твердого раствора путем распыления мишени сегнетоэлектрического твердого раствора посредством согласования межплоскостных доменов материалов пленки и буферного слоя, предварительно осажденного на подложку, с заранее принятым процентом рассогласования доменов. Под межплоскостными доменами понимаются расстояния, кратные значениям параметров межплоскостных расстояний кристаллических решеток пленки и подложки. Данным способом были выбраны материалы для доменного эпитаксиального роста пленки титаната бария-стронция на подложке сапфира с буферным слоем оксида цинка. При сопоставлении 8 межплоскостных расстояний ZnO (100) с 9 Ba_0.5Sr_0.5TiO₃ (ПО) рассогласование составляет меньше 1%. Известный способ позволяет улучшить кристалличность пленки на буферном подслое и, тем не менее, использование буферного слоя вносит паразитный вклад в формируемую структуру, таким образом ухудшая электрофизические характеристики.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому, является способ (J. Narayan, В.С. Larson, Domain epitaxy: А unified paradigm for thin film growth, J. Appl. Phys. 93, 2003, 278-285) получения тонких пленок путем распыления материала мишени посредством согласования межплоскостных доменов материалов подложки и пленки с заранее принятым процентом рассогласования доменов менее 8%. Таким способом были выбраны материалы для эпитаксиального роста: пленки нитрида титана на подложке кремния (100) (при рассогласовании постоянных решеток 25%), нитрида алюминия на подложке кремния (111) (при рассогласовании постоянных решеток 20%), оксида цинка на подложке сапфира (0001) (при рассогласовании постоянных решеток 16,7%). Известный способ позволяет улучшить кристалличность пленки и, как следствие, улучшить электрофизические характеристики.

Недостатком известного способа является недостаточное качество выращенной пленки, так как сопоставление только одномерных межплоскостных доменов не позволяет компенсировать остаточное рассогласование доменов, что приводит к дефектам кристаллической структуры.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка технологии получения сегнетоэлектрических тонких пленок высокого структурного качества (высокая кристалличность) на несогласованных подложках.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, как и в известном, распыляют мишень, материал которой подобран посредством согласования межплоскостных доменов материалов подложки и пленки с заранее принятым процентом рассогласования доменов в одном направлении, отличающийся тем, что материал мишени выбирают из условий обеспечения рассогласования межплоскостных доменов подложки и пленки во втором направлении, рассчитанного по формуле:

Q_r=D_ƒ/D_s-1=m×d_ƒ/n×d_s-1,

где Q_r - рассогласование доменов, D_ƒ - межплоскостной домен пленки, D_s - межплоскостной домен подложки, d_ƒ - межплоскостное расстояние в пленке, d_s - межплоскостное расстояние в подложке, а m и n целочисленные коэффициенты кратности.

Техническим результатом является улучшение структурного качества и кристалличности тонких пленок для сверхвысокочастотных применений на несогласованных подложках.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена дифрактограмма сегнетоэлектрической пленки Ba_0,27Sr_0,73TiO₃, полученной предлагаемым способом, на фиг.2 представлена зависимость добротности конденсаторной структуры на основе сегнетоэлектрической пленки Ва_0,27Sr_0,73TiO₃, полученной предлагаемым способом, от внешнего электрического поля, измеренная на частоте 1,5 ГГц, соответственно.

Из фиг. 1 видно, что пик фазы (110) титаната бария-стронция является наиболее интенсивным, по сравнению с пиками (100), (111), (200) и (211). Интенсивность пика говорит о количестве данной фазы, таким образом, сегнетоэлектрическая пленка, полученная предлагаемым способом, является преимущественно ориентированной и имеет высокую кристалличность. Из фиг.2 следует, что добротность конденсаторной структуры на основе сегнетоэлектрической пленки, полученной предлагаемым способом, сохраняется высокой под действием внешнего электрического поля, что также говорит о высокой кристалличности пленки.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа. На первом этапе определяют материал подложки, на которой требуется получить тонкую пленку, например, подложка сапфира, так как данный материал широко применяется в СВЧ электронике. Затем, исходя из заданного рассогласования межплоскостных доменов материалов подложки и выращиваемой пленки максимум 8%, выбирают подходящие материалы мишени для распыления. Для сегнетоэлектрической пленки твердого раствора титаната бария-стронция, растущей в ориентации (110) на монокристаллической подложке сапфира r-среза при выбранном параметре рассогласования менее 2% интервал составов твердого раствора материала мишени составит от 0 до 40% по барию. Затем из выбранных материалов мишени, подбирают материал из условий обеспечения рассогласования межплоскостных доменов подложки и пленки в направлении, отличающимся от первого. Рассогласование межплоскостных доменов рассчитывается по формуле:

Q_r=D_ƒ/D_s-1=m×d_ƒ/n×d_s-1,

где Q_r - рассогласование доменов, D_ƒ - межплоскостной домен пленки, D_s - межплоскостной домен подложки, d_ƒ - межплоскостное расстояние в пленке, d_s - межплоскостное расстояние в подложке, а m и n целочисленные коэффициенты кратности. Известно, что рассогласование материалов подложки и пленки Q определяется, исходя из постоянных решеток пленки a_ƒ и подложки a_s по формуле Q=(а_ƒ-a_s)/a_s. При рассогласовании меньше 8% говорят о возможности эпитаксиального роста. Такой способ значительно сужает выбор материалов для эпитаксиального роста. Использование межплоскостных расстояний в формуле Q=(d_ƒ-d_s)/d_s позволяет немного расширить выбор материалов, но ряд экспериментов показал, что возможно возникновение доменного эпитаксиального роста, где рассогласование будет определяться по предлагаемой формуле с целочисленными коэффициентами кратности.

Таким образом, подбор материала мишени из условий обеспечения рассогласования межплоскостных доменов подложки и пленки в направлении, отличающимся от первого, позволяет согласовать двумерные домены материалов пленки и подложки, при этом происходит компенсация остаточных рассогласований. Исходя из этих условий, для роста на подложке сапфира был подобран материал сегнетоэлектрической пленки Ва_0,27Sr_0,73TiO₃, в котором двумерный домен пленки и 12×d_ƒ[001] полностью согласуется с двумерным доменом подложки и . Далее выбранный материал мишени распыляют на сапфировую подложку в атмосфере кислорода с давлении 2 Па и температуре подложки 850°С.

Суть предлагаемого метода состоит в подборе материала мишени, при котором происходит согласование не одномерных, как в аналоге, а двумерных межплоскостных доменов кристаллических решеток пленки и подложки.

Использование данного метода позволяет снизить количество структурных дефектов и повысить качество получаемых тонких пленок на несогласованных подложках для сверхвысокочастотных применений.