Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения сегнетоэлектрической пленки BaSrTiO

Изобретение относится к технологиям получения тонких пленок и может быть использовано для получения сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ для сверхвысокочастотной техники.

Известен способ (Li Xiao, Kwang-Leong Choy, Ian Harrison. Co-doped ВST thin films for tunable microwave applications. - Surface and Coatings Technology Volume 205, Issues 8-9, 25 January 2011, Pages 2989-2993) получения сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ с преимущественной ориентацией (110) на подложке сапфира путем химического осаждения из органического раствора ацетата бария, ацетата стронция и изопропоксида титана с различным содержанием Со. Известный способ позволяет добиться снижения диэлектрических потерь и токов утечки, однако легирование твердого раствора сегнетоэлектрика ионами Со является умышленным созданием дефектов кристаллической структуры, что приведет к ухудшению электрофизических характеристик сегнетоэлектрической пленки, таких как диэлектрическая проницаемость и зависимость свойств от напряженности электрического поля.

Известен также способ получения (Заявка № US 2005196917) сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ с преимущественной ориентацией (111) на подложке сапфира путем химического газофазного осаждения в две стадии при разных температурах, причем вторая температура выше первой. Известный способ позволяет добиться ориентированного роста сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃ на сапфире, однако метод химического газофазного осаждения использует токсичные металл органические соединения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ (D. , L. Yang, F. Ponchel, J.F. , D. Chateigner, G. Wang, X. Dong. X-ray combined analysis of fiber-textured and epitaxial Ba(Sr,Ti)O3 thin films deposited by radio frequency sputtering. - Journal of Applied Physics 109, 2011, 114106) получения сегнетоэлектрических пленок Ba_1-xSr_xTiO₃ с преимущественной ориентацией (111) на подложке сапфира с использованием буферных слоев оксида титана методом высокочастотного распыления мишени состава Ba_0,4Sr_0,6TiO₃ при температуре подложки 800°C.

Недостатком известного способа является то, что буферный слой вносит паразитный вклад в формируемую структуру, таким образом ухудшая электрофизические характеристики, такие как зависимость свойств от напряженности электрического поля и потери.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка технологии получения сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃ на сапфире с преимущественной ориентацией (110) и высокой диэлектрической нелинейностью (зависимостью диэлектрической проницаемости от внешнего электрического поля) при высокой добротности.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе получения сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃ на сапфире с преимущественной ориентацией (110) так же, как и в известном распыляют мишень состава Ba_1-xSr_xTiO₃ с использованием сапфировой подложки, но в отличие от известного способа, в предлагаемом осаждение проводят непосредственно на сапфировую подложку при температуре 850-900°C в течение времени, достаточного для создания сплошного сегнетоэлектрического слоя (минимизации влияния подложки на структуру растущей пленки), затем температуру понижают до 750-800°C, при которой формируют основной сегнетоэлектрический слой.

Техническим результатом является высокая диэлектрическая нелинейность ориентированной сегнетоэлектрической пленки при высокой добротности, позволяющая использовать полученные сегнетоэлектрические пленки в сверхвысокочастотной технике.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена дифрактограмма сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃ с преимущественной ориентацией (110) на сапфире, на фиг. 2 и 3 представлены зависимости емкости и добротности конденсаторной структуры на основе сегнетоэлектрической пленки Ba_1-xSr_xTiO₃, полученной предлагаемым способом, от внешнего электрического поля, измеренные на частоте 2 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. Из фиг. 2 следует, что конденсаторная структура на основе сегнетоэлектрической пленки, полученной предлагаемым способом, изменяет свою емкость в 3 раза под действием внешнего электрического поля 80 В/мкм, при этом добротность данного конденсатора сохраняется высокой (фиг. 3).

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа. На первом этапе распыляют мишень состава Ва_0,4Sr_0,6TiO₃ на сапфировую подложку в атмосфере кислорода с давлением 2 Па и при температуре подложки 850-900°C, создавая сплошной сегнетоэлектрический слой. При высокой температуре осаждения происходит активное реиспарение бария с поверхности растущей пленки, за счет чего происходит уменьшение содержания бария в составе сегнетоэлектрического слоя по сравнению с распыляемой мишенью. Таким образом уменьшают параметр ячейки данного слоя, согласовывая его с сапфиром, что обеспечивает преимущественно ориентированный рост пленки и улучшает электрические свойства. В то же время, повышение температуры осаждения выше 900°C на первом этапе вызовет активное реиспарение всего осаждаемого материала, что сильно замедлит скорость роста первого слоя. Таким образом, оптимальным температурным интервалом для первого этапа является 850-900°C.

На втором этапе температуру подложки снижают до 750-800°C, при которой формируют основной сегнетоэлектрический слой. На этом этапе необходимо выбрать температурный режим, при котором происходит перенос компонентного состава мишени на подложку. При выборе состава мишени Ba_0,4Sr_0,6TiO₃ стехиометрический перенос компонентов мишени на подложку происходит при температуре, не превышающей 800°C. Также необходимо учесть возможность образования полититанатных соединений при температуре ниже 750°C. Исходя из этих соображений, оптимальным режимом для получения основного сегнетоэлектрического слоя является интервал от 750 до 800°C.

Суть предлагаемого метода состоит в выборе высокой температуры для осаждения начального слоя и дальнейшего снижения до температуры, которая обеспечивает требуемый перенос компонентного состава мишени на сапфировую подложку. Использование данного метода позволяет получить преимущественно ориентированную пленку без включения полититанатных фаз и с минимальным количеством дефектов за счет согласования кристаллических решеток сегнетоэлектрической пленки и сапфировой подложки.