Засіб отримання сегнетоелектричних плівок

( 7 1 ) КиеВСКИЙ ПОПИТеХНИЧеСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.50-ПЄ тия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Левченко Г.Т. (56) Pratt u and Firestone S. Fabrikation of R F Sputereed BwTiO3 Thin Films, 1971,8. N 1j>256-260. "jaf vacuum Scince apd Technologi Марголин Л М и др Структура и свойства пленок титана бария полученных методом катодного распыления - Известия АН СССР. Сер физ, 1971, TXXXU N 9 с 1947-1951. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК • 1137775 Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано, например, при изготовлении пленочных интегральных схем и, в частности, для нанесения кислородсодержащих сегнето- и пьезоэлектрических активных элементов. Известен способ получения сегнетоэлектрических пленок путем реактивного распыления керамической мишени в среде аргона и кислорода при давлении 0,933254 Па и последующей высокотемпературной обработки пленки. Недостатком способа является появление трещин, пор и отслоений в пленках, возникающих вследствие рекристаллизации, сопутствующей высокотемпературной обработке. Из известных технических решений наиболее близким к изобретению является способ получения сегнетоэлектрических пленок, включающий распыление исходного материала в среде кислорода при давлении от 66,661 до 533,288 Па. Получение пленки не имеет трещин, пор и обладает хорошей адгезией. Однако такие пленки имеют низкую диэлектрическую проницаемость, высокие потери и низкие пробивные напряжения, а именно: Е = 1200; tg б = 0,02-0.05; Е пр = =(5-10) • 10 5 В/см. Целью изобретения является улучшение электрических свойств пленок. Указанная цель достигается тем, что в способе получения сегнетоэлектрических пленок, включающем распыление исходного материала в среде кислорода и осаждение его на нагретую подложку, процесс осаждения проводят циклично, при этом после каждого цикла осаждения температуру подложки и давление кислорода увеличивают до температуры не более 0,В температуры плавления исходного материала и до давления не более 25554,4 Па соответственно, проводят термообработку пленки, снижают температуру подложки и давление кислорода до первоначальных значений и проводят следующий цикл осаждения. Сущность изобретения заключается в следующем. Циклическое осаждение сегнетоэлектрических пленок с послойной термообработкой способствует образованию мелкозернистой структуры в отличие от столбчатой, образующейся в условиях непрерывного осаждения, и снижению внутренних напряжений в пленках. Мелкозернистость приводит, в первую очередь, как к повышению диэлектрической 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 проницаемости сегнетоэлектрических пленок, так и к увеличению электрической прочности. Электрическая прочность повышается прежде всего за счет удлииенных и извилистых межкристаллитных прослоек, характерных для мелкозернистых структур. Повышение температуры при обработке растущей пленки над 0,8 температуры плавления распыляемого материала приводит к частичным подплавлениям с резким изменением геометрических размеров пленки, что влечет за собой появление трещин и отслоений. Если температуру обработки выбрать равной или ниже температуры осаждения, то при повышенном парциальном давлении кислорода электрические свойства пленок также улучшаются, но для этого требуется значительное время из-за диффузионного характера происходящих процессов, что снижает производительность. Необходимость повышения парциального давления кислорода вызвана имеющимися в напыленных пленках кислородными вакансиями, причем, чем выше температура осаждения, тем выше и концентрация кислородных вакансий и тем выше должно быть парциальное давление кислорода при термообработке. Повышенное давление кислородна при термообработке приводит прежде всего к снижению потерь и повышению диэлектрической проницаемости напыленных пленок. Повышение давления кислорода над 26664,4 Па практически уже не улучшает электрические свойства пленок, но при этом резко возрастают потери времени на переходы от одного цикла к другому, что также снижает производительность. Между толщиной пленки и количеством циклов осаждения и термообработки существует закономерность, а именно: чем толще пленка, тем больше циклов потребуется. Проведение же одного цикла неприемлемо, так как в таком случае появляются трещины, поры и отслоения пленки. Определение оптимального времени проведения термообработки затруднено вследствие инерционности применяемых в настоящее время систем напуска газа, откачки и установления температуры подложки, часто сравнимых со временем диффузии кислорода, релаксации напряжений и рекристаллизации. Однако экспериментально установлено, что достаточным временем термообработки при средних температурах (до 900°С) является 2-10 мин, так как дальнейшее увеличение его приводит к незначительному улучшению свойств напыляемых пленок (на 3-5%) при снижении производи 1137775 тельности. Для термообработки при температуре выше 1100°С достаточное время составляет менее 1 мин. П р и м е р . Напыление проводили в вакуумной установке УВН-2М-1 с плоской 5 магнетронной распылительной системой, регулировку и стабилизацию давления в камере осуществляли с помощью системы автоматического напуска типа СНА-1, а температурный режим подложки обеспечи- 10 вали устройством на бззе регулятора позиционного типа ПСМР2-01. В качестве подложек использовался поликор. Вакуумную камеру откачивали до давле- 15 ния 666,61 • 10~5 Па и, напуская кислород, устанавливали рабочее давление 6,6661 Па, после чего подложки разогревали до температуры 750°С. При этом катод-мишень нагревалась, до температуры, достаточной для 20 зажигания разряда (350-400°С). Затем подавали на мишень рабочее напряжение 480 В и производили распыление в течение 10 мин при токе 0,5 А. После десятиминутного распыления повышали давление кислорода 25 до 19998,3 Па, увеличивали температуру подложек до 900°С и выдерживали их при этой температуре до 10 мин. При этом, если распыляют материал в катодном диодном устройстве, то необходимо выключить под- 30 Ф о р м у л а ачу напряжения на мишень при повышении давления, а при напылении в магнетронной системе - необходимость в выключении напряжения на мишени отпадает. После обработки первого слоя опять устанавливали рабочее давление кислорода как при распылении, на что затрачивалось не более 5 мин, снижали температуру подложек до первичной и производили десятиминутное распыление, начав тем самым новый цикл. Количество циклов выбирали в зависимости от требуемой толщины. Так, для напыления в магнетронной системе инно-плазменного распыления пленки толщиной 17 мкм было проведено 30 циклов осаждения и термообработки. Полученные пленки титаната бария имели высокую адгезию при следующих параметрах: е = 2300-285; tg д = 0,01-0,04; ЕпР = (2-3) • 10 7 В/см. Использование предлагаемого способа напыления сегнетоэлектрических пленок с многократным цитированием по сравнению с базовым, в качестве которого выбран способ по аналогу, позволяе повысить диэлектрическую проницаемость в 1,2-1,5 раза, снизить тангенс углэ диэлектрических потерь не менее чем в 1,5 раза, напряжение пробоя увеличить более, чем на порядок. и з о б р е т е н и я каждого цикла осаждения температуру подложки и давление кислорода увелиСПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕГНЕТОЭчивают до температуры не более 0,8 ЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, включающий 35 температуры плавления исходного матераспыление исходного материала в среде кислорода и осаждение его на на- , риала и до давления не более 26664,4 Па соответственно, проводят термообрагретую подложку, отличающийся тем, ботку пленки, снижают температуру что, с целью улучшения электрических свойств пленок, процесс осаждения 40 подложки и давление кислорода до первоначальных значений и проводят проводят циклично, при этом после следующий цикл осаждения. Редактор Заказ Техред М.Моргентал Корректор М.Сзмборская Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101