脉冲混插式制备铝镓酸铋薄膜的方法

摘要

一种制备Bi(Al_xGa_1-x)O₃薄膜材料的方法，Bi(Al_xGa_1-x)O₃薄膜材料生长在衬底材料上，采用铝镓有机源脉冲混插式的自限制性表面吸附反应得到，所述表面吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应。通过采用本发明的制备Bi(Al_xGa_1-x)O₃薄膜材料的方法，可以实现Bi(Al_xGa_1-x)O₃薄膜生长厚度的精确可控，且Bi(Al_xGa_1-x)O₃薄膜表面平整度大大优于现有技术。由于Bi(Al_xGa_1-x)O₃为无铅材料，使其成为Pb(Zr_1-xTi_x)O₃的潜在替换者。

主权项

一种铝镓有机源脉冲混插式的自限制性表面吸附反应制备Bi(Al_xGa_1‑x)O₃材料的方法，Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜材料生长在衬底材料上，所述的衬底包括Si、LaNiO₃/Si、Pt/TiO₂/SiO₂/Si、Pt/Ti/SiO₂/Si、TiN、SiO₂等，化学吸附反应在真空反应腔中进行；在整个薄膜生长过程中，所有前驱体气体均分别采用惰性气体进行输运；其特征在于：Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜采用前驱体时间分隔式的自限制性的表面化学吸附反应得到，所述表面化学吸附反应特指朗缪尔吸附机制的不可逆的化学吸附反应；前驱体源及其气体管路为4路；有机铋源气体脉冲、有机铝源气体脉冲、有机镓源气体脉冲、氧前驱体气体脉冲、惰性气体脉冲按照一定的次序依次通入真空反应腔中；在每一个生长周期内，有机镓源气体脉冲、有机铝源气体脉冲按照一定的比例交替混插在气体脉冲时序中，所述有机镓源气体脉冲、有机铝源气体脉冲比例由期望得到的Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜的组分、所采用的有机镓源及有机铝源种类来决定；在一个生长周期中，各个气体脉冲的数量为4的倍数且不小于12；所述有机铋源为三(2,2,6,6‑四甲基‑3,5‑庚二酮酸)铋(III)；有机铝源为三乙基铝，有机镓源为三乙基镓；所述氧前驱体气体可以是H₂O、O₂、O₃其中任意一种，也可以是其中任意两种或三种的混合气体；所述“惰性气体”不仅仅指通常化学领域所指的惰性气体（氦气、氩气等），还包括在整个薄膜制备过程中不会与前驱体发生化学反应的其他气体；该方法包括但不限于以下具体步骤：A）在真空手套箱中充入惰性气体，在手套箱的惰性气体氛围中完成以下操作：将有机铋源、有机铝源、有机镓源分别灌装入有机铋源容器1、有机铝源容器2、有机镓源容器3，然后与各自管路安装连接；由于有机铋源、有机铝源、有机镓源均为易燃易爆的危险品，因此，在灌装过程中使用真空手套箱是必不可少的；B）将氧前驱体源、惰性气体分别灌装入氧前驱体源容器3、惰性气体容器4，然后与各自管路安装连接；然后驱除各个原料容器安装连接后管路中的空气；C）将清洗洁净的衬底材料用惰性气体吹干，放置入衬底托盘中；D）托盘连同衬底移入真空反应腔，开启真空泵对真空反应腔进行抽真空；E）设定有机铋源容器、有机铝源容器、氧前驱体源容器的温度，以使有机铋源容器、有机铝源容器、氧前驱体源容器的温度恒定在设定的温度值；对真空腔进行加热，使真空腔中的托盘和衬底的温度在整个薄膜生长过程中恒定在一个温度值；在该温度下，薄膜的生长速率为一个恒定的值，薄膜的生长速率与有机铋源气体脉冲、有机铝源气体脉冲、氧前驱体气体脉冲、惰性气体脉冲的流速及温度、衬底的温度、真空腔的分隔空间的真空度基本无关；F）真空腔温度恒定5~30分钟后，设定薄膜生长的循环次数、有机铋源载气管路气体流速、有机铝源载气管路气体流速、氧前驱体载气管路气体流速、惰性气体流速、有机铋源气体脉冲长度、有机铝源气体脉冲长度、氧前驱体气体脉冲长度、惰性气体脉冲长度；G）使各气体管路中气体按照步骤F）中的设定值通入真空反应腔，真空反应腔按照一定的气体脉冲时序分别通入惰性气体、有机铋源气体、氧前驱体气体以及有机铝源气体；所有前驱体气体均分别采用惰性气体进行输运；所述气体脉冲时序的规律如下：在每一个生长周期中，各个气体脉冲通过管路依次通入真空反应腔中，托盘和衬底依次暴露在这些气体脉冲形成的气体氛围中；且，在一个生长周期中，有机铋源气体脉冲和有机铝源气体脉冲的数量之和等于氧前驱体脉冲的数量，有机铋源气体脉冲、有机铝源气体脉冲和氧前驱体气体脉冲的数量之和等于惰性气体脉冲的数量；在任意一个有机铋源气体脉冲或氧前驱体气体脉冲或有机铝气体脉冲的之前或之后，都具有一个惰性气体脉冲；且在满足上述条件的情况下，在任意一个有机铋源气体脉冲或有机铝气体脉冲的次邻近处，都还具有一个氧前驱体气体脉冲；H）当薄膜生长循环次数达到设定的次数时，薄膜厚度达到所需值，得到一定厚度的Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜材料，停止通入有机铋源、有机铝源、氧前驱体，继续通入惰性气体，停止对真空腔加热；I）真空泵继续抽气，真空反应腔进行自然冷却；J）真空腔达到或接近室温时，停止对真空腔抽气；K）对真空反应腔进行充气使其气压达到一个大气压，真空反应腔内外气压达到平衡状态；L）取出已沉积得到Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜材料的衬底；M）将步骤L中得到的附着有Bi(Al_xGa_1‑x)O₃薄膜材料的衬底，放入快速退火炉中，进行快速热退火处理，自然冷却后取出；快速热退火的步骤为：（a）在180‑220℃下维持1‑10分钟；（b）在360‑400℃下维持1‑10分钟；（c）在750℃‑1050℃下高温退火1‑10分钟。