Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения на подложке тонких пленок ниобата лития

Изобретение относится к способу получения пленок ниобата лития, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, для использования в устройствах оптоэлектроники, акустоэлектроники, микро-, наноэлектроники и спинтроники. Создание функциональных сегнетоэлектрических элементов оптоэлектроники (оптические волноводы, кольцевые микрорезонаторы), акустоэлектроники (пьезоэлектрические преобразователи в линиях задержки, фильтрах) и микроэлектроники (ячейки энергонезависимой памяти FRAM), в настоящее время, реализовано на основе монокристаллов ниобата лития, геометрические размеры которых накладывают существенные ограничения на миниатюризацию в интегральной технологии.

Известен способ получения пленок ниобата лития по золь-гель технологии [Патент GB 2422563 A, С30В 29/30, С30В 19/00, B05D 1/00, 13.03.2003], включающей стадии нанесения покрытия из золя LINb_1-хТа_хО₃, где 0=х=1, на подложку методом центрифугирования и отжиг подложки при предпочтительной температуре от 500 до 700°С. Недостатком данного метода является большая трудоемкость и ресурсозатратность (в процессе приготовления золя используются достаточно дорогостоящие прекурсоры), невозможность получения сплошных тонких пленок до 100 нм ниобата лития, а также низкая эффективность данного метода в промышленности.

Также известен способ получения пленки ниобата лития импульсной лазерной абляцией [Патент CN 101777622 B, H01L 41/083, H01L 41/22, 12.01.2010], заключающийся в распылении мишени из LiNbO₃ импульсами лазера с образованием высокоэнергетического пара и его конденсацией на подложку. Данный метод имеет существенные недостатки: малая площадь создаваемой пленки; загрязнение растущей пленки из буферного слоя SiO₂, неоднородный элементный состав; макро и микронапряжения в структуре пленки.

Наиболее близким является способ получения тонкой пленки ниобата лития на Si подложке, предложенный в работе [Патент JP 2008069058 A, С30В 29/30, С23С 14/08, С30В 23/08, 15.09.2006]. Суть способа в одновременном распылении двух мишеней: 1) бомбардировка LiNbO₃ ионами плазмы с энергией 10-30эВ электронного циклотронного резонансного ионного источника (ЭЦРИИ); 2) бомбардировка LiO₂ ионами с энергией 0,5-1,0 эВ ВЧМР плазмы. Конденсация осуществляется на неподогреваемую подложку с последующим отжигом при температуре 600-700°С, либо на подложку при температуре 530°С. Главный недостаток метода - сложность согласования режимов двух источников.

Изобретение направлено на упрощение изготовления структур, состоящих из подложки и тонкого компактного, текстурированного кристаллического покрытия из ниобата лития с элементным составом, соответствующим LiNbO₃.

Технический результат достигается тем, что способ создания на подложке покрытия ниобата лития включает высокочастотное магнетронное распыление одной составной мишени из LiNbO₃, при этом осаждение покрытия происходит на подложку, размещенную над областью прикатодного пространства, где магнитным полем локализована плазма высокочастотного разряда магнетрона и энергетическое воздействие плазмы на подложку максимально, при удельной мощности, выделяемой на мишени от 15 до 35 Вт⋅см^-2.

Способ осуществляется в следующей последовательности. Подложки (пластины 001Si и 111Si) размещают параллельно плоскости мишени на расстоянии от мишени 45-55 мм (расстояние от поверхности мишени до подложки ограничивается размером локализации плазмы, возбуждаемой в скрещенных электрическом и магнитном полях высокочастотного разряда, и зависит от удельной мощности на катоде, давления рабочего газа и конструкции магнетрона). Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивают воздух до остаточного давления 1⋅10^-3 Па, затем с помощью системы напуска в камеру подают аргон (7⋅10^-1 Па). После чего в течение 10 мин осуществляют предварительное распыление (тренировку) мишени на заслонку. Далее распыление производят на подогреваемую до 550°С подложку при удельной мощности высокочастотного разряда 15 Вт⋅см^-2 и времени 10-360 мин (в зависимости от требуемой толщины покрытия). При этом максимально текстурированные кристаллические покрытия формируются только при расположении подложки над зоной эрозии мишени, то есть в пространстве над катодом магнетрона, где локализована плазма высокочастотного разряда и воздействие заряженных частиц на подложку максимально. Таким образом, бомбардировка растущей пленки компонентами плазмы активирует ее кристаллизацию в процессе роста, причем с образованием конечной фазы, соответствующей составу мишени.

Пример 1. Установка состоит из вакуумной системы; рабочей камеры, в которой установлен магнетрон с водоохлаждаемым медным держателем мишени и составной монокристаллической мишенью ниобата лития диаметром 60 мм и толщиной 3 мм; генератора УВ-1 с рабочей частотой 13,56 МГц; системы напуска газа в рабочую камеру; блока управления. В качестве подложек используют пластины (001) Si и (111) Si. Перед напылением проводят очистку поверхности пластин для удаления слоя естественного оксида. Затем подложки располагают на расстоянии 50 мм от мишени, над зоной эрозии мишени и в стороне от зоны эрозии со смещением на 30 мм. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивают воздух до получения давления 5⋅10^-3 Па и напускают аргон (7⋅10^-1 Па). Затем в течение 15 мин осуществляют предварительное распыление (тренировку) мишени на заслонку. После чего производят распыление на подложку при удельной мощности высокочастотного разряда 15 Вт/см^-2 в течение 15 мин. Толщина нанесенного покрытия при этом составляет 0,1 мкм. Исследование фазового состава и структуры полученных пленок, отделенных от подложек в смеси HNO₃+HF+H₂O, проводили методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборе ЭМ-125. На фиг. 1 приведены ПЭМ изображения и картины общей дифракции исследуемых пленок ниобата лития. Как следует из ПЭМ изображения, пленки, сконденсированные на Si подложках в условиях воздействия плазмы ВЧ разряда (расположенные над зоной эрозии мишени), имеют нанокристаллическую структуру, с размером зерен не более 30 нм (фиг. 1а - (111)Si в условиях отсутствия воздействия плазмы вч разряда; 6 - (001)Si в условиях отсутствия воздействия плазмы вч разряда), пленки, синтезированные в стороне от зоны эрозии мишени, характеризуются размерами зерен ~ 70 нм (фиг. 1в - (111)Si в - условиях воздействия плазмы вч разряда; г - (001)Si в условиях воздействия плазмы вч разряда). Установлено, что независимо от расположения и ориентации подложки картины общей дифракции от синтезированных пленок имеют весь набор дифракционных колец, отвечающих фазе LiNbO₃ (а=0,51494 нм, с=1,3862 нм; 00-020-0631). Низкая интенсивность рефлекса для пленок, выращенных над зоной эрозии мишени (фиг. 1а, б), свидетельствует о реализации аксиальной текстуры <0001> в пленках ниобата лития.

Пример 2. Пример осуществляется аналогично примеру 1. В качестве рабочего газа используется смесь Ar+O₂, в качестве подложки (001) Si. Удельная мощность высокочастотного разряда 15 Вт⋅см^-2, время распыления 45-100 мин. Толщина нанесенного покрытия при этом составляет ~0,3 мкм. Исследование фазового состава и структуры проводили методом рентгеновской дифракции (Bruker D2 Phaser).

На фиг. 2 представлены рентгеновские дифрактограммы пленок, полученных при различном составе рабочего газа (Ar (а), Ar(80%)+О₂(20%) (б), Ar(60%)+О₂(40%) (в)) в процессе ВЧМР мишени LiNbO₃ в условиях воздействия плазмы ВЧ разряда. Установлено, что однофазные пленки ниобата лития, синтезированные в рабочем газе (Ar+О₂), характеризуется более слабой аксиальной текстурой <0001> в сравнении с пленками, нанесенными в среде чистого Ar.