專利名稱：一種用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無機材料領域，涉及一種無機材料中的介質(zhì)薄膜制備方法，尤其是一
種用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代通信技術，特別是移動通信技術的發(fā)展，對器件的高速運算和系統(tǒng)小型 化的要求日益迫切，所以對電子元件的要求也在不斷增長，我們應該生產(chǎn)出更小尺寸的元 件讓它們保持原有的特性甚至超過原有的表現(xiàn)，人們已經(jīng)嘗試把無源器件嵌入到印刷電路 板中，因為在傳統(tǒng)的電路中，電子元件分為有源和無源兩種，然而80 %的電子元件是無源的 (電阻、電容和電感)，并且它們占據(jù)了整個印刷電路板50%的面積。另外隨著尺寸的減小， 信號線由于嵌入無源器件而變短并且減少了焊接點，因此寄生噪聲可以降低從而使器件各 方面的性能提高，尤其是高頻工作的器件。因此在減小整個板子面積的同時，需要增加電路 的集成密度，這就導致了電容器需要一種具有高介電常數(shù)，低介電損耗，低漏電流密度的介 電材料。對于印刷電路板應用的難點在于采用低于200°C的生產(chǎn)工藝，這樣就限制了需要較 高結晶溫度的高介電常數(shù)材料如鐵電體，當這些鐵電薄膜被制備在室溫或接近室溫時，他 們具有較低的介電常數(shù)和較高的介電損耗。傳統(tǒng)的順電態(tài)材料，如Si02( 3. 9) ，A1203 ( 9)， Ta205( 25)等可以在低溫下制備，但介電常數(shù)太低，而不能滿足嵌入式電容器材料的 應用。 焦綠石結構的BiuZn^NbL^和Bi2Zn2/3Nb4/307材料是一種介電常數(shù)適中的介電 材料，具有良好的高頻溫度穩(wěn)定性和微波介電特性，具有非常低的介電損耗，近年來又發(fā)現(xiàn) Bi^ZnuNb^C^具有介電可調(diào)特性。相對適中的介電常數(shù)，良好的微波特性和溫度穩(wěn)定性， 使得鉍鋅鈮在介質(zhì)材料中的應用越來越廣泛，然而對于非晶態(tài)BZN薄膜的研究和報道卻很 少。 以下是申請人檢索到的與本發(fā)明相關的參考文獻 1、Wei Ren，Susan Trolier-McKinstry，Clive A. Randall,and Thomas R. Shrout : "Bismuth zinc niobate pyrochlore thin films for capacitive applications", J. Appl.Phys. ，89,767-774(2001); 2、 X. H. Zhang， W. Ren， P. Shi， etc. -"Structures and Properties of Doped BismuthZinc Niobate Cubic Pyrochlore Thin Films Prepared by Pulsed Laser D印osition".Ferroelectrics，381 :701-705(2009);. 3、 J. H. Park, W. S. Lee， N. J. Seong， and S. G. Yoona. :"Bismuth_zinc_niobate embeddedcapacitors grown at room temperature for printed circuit board applications", Appl.Phys. Lett. ，88 :192902(2006) ; 4、 J. K. Ahn， H. W. Kim， K. C. Ahn， S. G. Yoon， etc. -"Characteristics of Bismuth—BasedThin Films Deposited Directly on Polymer Substrates for Embedded CapacitorApplication"， Integrated Ferroelectrics，95 :187—195(2007);
5、 II_Doo Kim， M. H. Lim， K. T. Kang， and H. G. Kim :"Room temperature fabricatedZnO thin film transistor using high—K BiuZriL。NbL507 gate insulator pr印ared bysputtering，，. Appl. Phys丄ett. ， 89 :022905 (2006); 6、 El Kamel， P. Gonon， F. Jomni :"Electrical properties of low temperature d印osited咖orphous barium titanate thin films as dielectrics for integrated capacitors". Thin SolidFilms，504 :201-204(2006); 7、 S丄ee， J. W丄ee， I丄ee， and T. K. Chung :"Dielectric Properties of PCB EmbeddedBismuth_Zinc_Niobium Films Prepared using RF Magnetron Sputtering，，. Mater. Res. Soc. S卿.Proc. 2007 ;969 :w01_07. 8、 J. Ryu， K. Y. Kim， J. J. Choi， etc. "'Dielectric Flexible Dielectric BilgZriL。Nb丄.507Thin Films on a Cu_Polyimide Foi 1 ，，. J. Am. Ceram. Soc. 92 : 524-527(2009) ; 9、 J. Ryu， K. Y. Kim， J. J. Choi， etc. :"Dielectric High Dielectric Properties ofB:^. sZnuNbuOy Thin Films Fabricated at Room Temperature" . J. Am. Ceram. Soc. 91 : 3399-3401(2008); 10、 J. H. Park, C. J. Xian， etc. "'Improvement of Leakage Current Characteristics byPlasma Treatment in Bi2Mg2/3Nb4/307 Dielectric Thin Films". Electrochemical andSolid-State Letters,10 (4) :G18_20 (2007).
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種用于嵌入式電容器的鉍鋅 鈮薄膜的制備方法，該制備方法制得的薄膜為類似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜，其擁有 高介電常數(shù)，低介電損耗，低的漏電流密度，適用于嵌入式電容器的使用，且與電路的封裝
等工藝兼容。 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的 這種用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，具體包括以下步驟
1)配料、球磨 首先按照Bi^Zn^NbLA或Bi2Zn2/3Nb4/307的化學式，計算Bi203、Zn0和Nb205三種 原料之間的符合化學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無 水乙醇按照質(zhì)量比例l : 2 : l放入球磨罐中球磨3 5h，烘干，料球分離后得到磨料；
2)預燒 將磨料壓片，以75(TC預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；
3)成型 將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比
例i : 2 : l放入球磨罐中球磨3 5h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入聚
乙烯醇溶液作為粘結劑，造粒，粒徑為60 80目，將造粒得到的粉料自然風干24小時后， 采用液壓實驗機，以150MPa/m2的壓力對粉料進行壓片，保壓時間5 10分鐘；
4)燒結 當按照BiuZnL。NbL507化學式配料時，在950 110(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，
4制得具有立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材； 當按照Bi2Zn2/3Nb4/307化學式配料時，在920 IOO(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，制得具有單斜焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；
5)沉積薄膜 采用脈沖激光沉積技術將以上制得的鉍鋅鈮陶瓷靶材在鍍Pt基片或聚合物基底的覆銅板上原位沉積厚度為200 500nm的薄膜；
6)熱處理 使用快速熱處理工藝對沉積的薄膜在100 20(TC下進行后退火處理10 20分
鐘，得到所述的具有類似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜。 上述步驟3)中所述聚乙烯醇溶液的質(zhì)量濃度為5%。 上述步驟3)中以60目和80目的篩子進行造粒。 上述步驟3)中液壓實驗機選用直徑為45mm的磨具。 上述步驟5)中鍍Pt基片是Pt/Ti/Si02/Si 。 上述步驟5)中，在沉積溫度為室溫或接近室溫的條件下，通過改變沉積時的氧壓進行薄膜的沉積，氧壓選在1 30Pa范圍之內(nèi)。 本發(fā)明制備出適用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜，經(jīng)X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、表面輪廓儀、阻抗分析儀測試和分析，本發(fā)明與背景技術相比具有的有益效果是 1)、采用脈沖激光沉積工藝，在室溫下原位沉積，沉積氧壓為lPa或者4Pa時，制備的BZN薄膜在15(TC快速熱處理后，呈現(xiàn)為非晶態(tài)的BZN材料，薄膜的表面非常光滑，具有較低的表面粗糙度。 2)、使用優(yōu)化的沉積壓強，優(yōu)化的后處理溫度，得到高質(zhì)量的非晶態(tài)的薄膜材料，在最優(yōu)的條件下制備出的薄膜，兩種BZN薄膜材料的介電常數(shù)都為60，并且損耗在0. 6%左右。在0.3MV/cm時，漏電流密度均為1X10—7A/cm2。充分滿足作為嵌入式電容器的介電材料的使用。 3)、兩種非晶態(tài)的BZN薄膜材料制備工藝簡單，滿足電子元器件的快速發(fā)展的要求，具有良好的市場前景。
圖1是本發(fā)明制備的不同燒結溫度的立方BZN薄膜的XRD曲線；
圖2是本發(fā)明制備的不同燒結溫度的單斜BZN薄膜的XRD曲線；
圖3是本發(fā)明制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜的XRD曲線；
圖4是本發(fā)明制備的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的XRD曲線； 圖5是本發(fā)明制備的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的粗糙度和沉積速率的變化(在不同氧壓下制備)； 圖6是15(TC快速熱處理，不同氧壓下制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜的介電性能；
圖7是在4Pa氧壓下沉積，在不同退火溫度下熱處理的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的介電性能； 圖8是15(TC快速熱處理，在不同氧壓下制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜的漏電流特性； 圖9是在4Pa氧壓下沉積，在不同退火溫度下熱處理的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的 漏電流特性。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述
實施例1 :
1)配料、球磨 首先按照BiuZn^NbL^的化學式，計算Bi203、 Zn0和Nb205三種原料之間的符合 化學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量 比例l : 2 : l放入球磨罐中球磨4h，烘干，料球分離后得到磨料；
2)預燒 將磨料壓片，以75(TC預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；
3)成型 將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比
例i : 2 : l放入球磨罐中球磨4h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入質(zhì)量濃
度為5%的聚乙烯醇溶液作為粘結劑，造粒，使用60目和80目兩個篩子，其中60目篩子在 上，80目篩子在下，取80目篩子上的粒徑為60 80目顆粒粉料，將造粒得到的粉料自然風 干24小時后，采用液壓實驗機，選用直徑為45mm的模具，以150MPa/m2的壓力對粉料進行 壓片，保壓時間5分鐘；
4)燒結 當按照BiuZnL。Nbu07化學式配料時，在950 110(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，
制得具有立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；
5)沉積薄膜
(a)、樣品安裝 將立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材和清潔的Pt/Ti/Si02/Si基片分別固定在沉 積腔中的靶托和樣品托上面，調(diào)整基片和靶材的距離為4. 5cm，用擋板將基片和靶材隔開， 旋緊閥門，關閉真空室。
(b)、系統(tǒng)抽真空 打開電源，開啟機械泵，旋開旁抽閥，當系統(tǒng)真空度達到0.01Pa左右時，關閉旁抽 閥，打開電磁閥，打開分子泵冷卻水并啟動分子泵，同時旋開閘板閥，約15分鐘后，系統(tǒng)的 真空度可以達到8. 5X 10—5Pa。
(c)、激光器預熱 在沉積開始前15分鐘，打開激光器的電源開關，進行預熱。
(d)、通入氧氣 依次開啟氧壓真閥，流量計，氧氣瓶總閥，然后調(diào)節(jié)流量計，通入氧氣，直到系統(tǒng)的 真空度達到所需的壓強1Pa。同時關閉分子泵，當氧壓穩(wěn)定后開始脈沖沉積薄膜。
(e)、薄膜的生長過程 因為是室溫沉積，基片不需加熱，開啟激光器，調(diào)節(jié)激光器和反射鏡使激光照射在靶面上，并調(diào)節(jié)聚光透鏡使激光照射在靶面上的光斑盡可能的小。激光器功率設置在 250mJ/pulse，沉積時間一般為60分鐘，使用頻率為3Hz，氧壓為1Pa ;移開擋板，開始沉積， 使薄膜的沉積厚度達到300nm。
(f)、關機過程 關閉氧氣閥，同時關閉整個沉積控制程序，關閉機械泵，關閉電源。激光器在充分
冷卻后，關閉激光器的電源。 6)熱處理 采用快速熱處理工藝，設定爐子的目的溫度150°C ，熱處理時間為20分鐘。得到類 似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜的厚度大約是300nm，在10kHz下，介電常數(shù)為61，損耗為 0. 005，在0. 3MV/cm場強時，漏電流密度不超過1 X 10—7A/cm2。
實施例2 :
1)配料、球磨 首先按照Bi2Zn2/3Nb4/307的化學式，計算Bi203、ZnO和Nb205三種原料之間的符合化 學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比 例l : 2 : l放入球磨罐中球磨3h，烘干，料球分離后得到磨料；
2)預燒 將磨料壓片，以75(TC預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；
3)成型 將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比
例i : 2 : l放入球磨罐中球磨5h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入聚乙烯
醇溶液作為粘結劑，造粒，粒徑為60 80目，將造粒得到的粉料自然風干24小時后，采用 液壓實驗機，以150MPa/m2的壓力對粉料進行壓片，保壓時間7分鐘；
4)燒結 當按照Bi2Zn2/3Nb4/307化學式配料時，在920 IOO(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷， 制得具有單斜焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；
5)沉積薄膜
(a)、樣品安裝 將具有單斜焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材和清潔的Pt/Ti/Si02/Si基片分別固定
在靶托和樣品托上面，調(diào)整基片和靶材的距離為4. 5cm，用擋板將基片和靶材隔開，旋緊閥
門，關閉真空室。 (b)、系統(tǒng)抽真空 打開電源，開啟機械泵，旋開旁抽閥，當系統(tǒng)真空度達到0.01Pa左右時，關閉旁抽 閥，打開電磁閥，打開分子泵冷卻水并啟動分子泵，同時旋開閘板閥，約15分鐘后，系統(tǒng)的 真空度可以達到8. 5X 10—5Pa。
(c)、激光器預熱 在沉積開始前15分鐘，打開激光器的電源開關，進行預熱。
(d)、通入氧氣 依次開啟氧壓真閥，流量計，氧氣瓶總閥，然后調(diào)節(jié)流量計，通入氧氣，直到系統(tǒng)的 真空度達到所需的壓強4Pa。同時關閉分子泵，當氧壓穩(wěn)定后開始脈沖沉積薄膜。
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(e)、薄膜的生長過程 因為是室溫沉積，基片不需加熱，開啟激光器，調(diào)節(jié)激光器和反射鏡使激光照射 在靶面上，并調(diào)節(jié)聚光透鏡使激光照射在靶面上的光斑盡可能的小。激光器功率設置在 250mJ/pulse，沉積時間一般為60分鐘，使用頻率為3Hz，氧壓為4Pa。移開擋板，開始沉積。 使薄膜的沉積厚度達到300nm。
(f)、關機過程 關閉氧氣閥，同時關閉整個沉積控制程序，關閉機械泵，關閉電源。激光器在充分
冷卻后，關閉激光器的電源。 6)熱處理 采用快速熱處理工藝，設定爐子的目的溫度15(TC，熱處理時間為20分鐘。
得到單斜方BZN薄膜的厚度大約是300nm，在10kHz下，介電常數(shù)為62，損耗為 0. 006，在0. 5MV/cm場強時，漏電流密度不超過1X10—6A/cm2。
實施例3
1)配料、球磨 首先按照BiuZn^NbL^的化學式，計算Bi203、 ZnO和Nb205三種原料之間的符合 化學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量 比例l : 2 : l放入球磨罐中球磨5h，烘干，料球分離后得到磨料；
2)預燒 將磨料壓片，以75(TC預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；
3)成型 將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比
例i : 2 : l放入球磨罐中球磨3h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入質(zhì)量濃
度為5%的聚乙烯醇溶液作為粘結劑，造粒，使用60目和80目兩個篩子，其中60目篩子在 上，80目篩子在下，取80目篩子上的粒徑為60 80目顆粒粉料，將造粒得到的粉料自然風 干24小時后，采用液壓實驗機，選用直徑為45mm的模具，以150MPa/m2的壓力對粉料進行 壓片，保壓時間5分鐘；
4)燒結 在950 IIO(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，其中燒結過程均按照傳統(tǒng)燒結工藝，
制得具有立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；
5)沉積薄膜
(a)、樣品安裝 將立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材和清潔的聚合物基底的覆銅板分別固定在 沉積腔中的靶托和樣品托上面，調(diào)整覆銅板和靶材的距離為4. 5cm，用擋板將覆銅板和靶材 隔開，旋緊閥門，關閉真空室。
(b)、系統(tǒng)抽真空 打開電源，開啟機械泵，旋開旁抽閥，當系統(tǒng)真空度達到0.01Pa左右時，關閉旁抽 閥，打開電磁閥，打開分子泵冷卻水并啟動分子泵，同時旋開閘板閥，約15分鐘后，系統(tǒng)的 真空度可以達到8. 5X 10—5Pa。
(c)、激光器預熱
在沉積開始前15分鐘，打開激光器的電源開關，進行預熱。
(d)、通入氧氣 依次開啟氧壓真閥，流量計，氧氣瓶總閥，然后調(diào)節(jié)流量計，通入氧氣，直到系統(tǒng)的 真空度達到所需的壓強1Pa。同時關閉分子泵，當氧壓穩(wěn)定后開始脈沖沉積薄膜。
(e)、薄膜的生長過程 因為是室溫沉積，基片不需加熱，開啟激光器，調(diào)節(jié)激光器和反射鏡使激光照射 在靶面上，并調(diào)節(jié)聚光透鏡使激光照射在靶面上的光斑盡可能的小。激光器功率設置在 250mJ/pulse，沉積時間一般為50分鐘，使用頻率為3Hz，氧壓為4Pa ;移開擋板，開始沉積， 使薄膜的沉積厚度達到200nm。
(f)、關機過程 關閉氧氣閥，同時關閉整個沉積控制程序，關閉機械泵，關閉電源。激光器在充分
冷卻后，關閉激光器的電源。 6)熱處理 采用快速熱處理工藝，設定爐子的目的溫度IO(TC ，熱處理時間為15分鐘。得到類 似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜的厚度大約是200nm。
實施例4
1)配料、球磨 首先按照BiuZn^NbL^的化學式，計算Bi203、 ZnO和Nb205三種原料之間的符合 化學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量 比例l : 2 : l放入球磨罐中球磨5h，烘干，料球分離后得到磨料；
2)預燒 將磨料壓片，以75(TC預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；
3)成型 將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比
例i : 2 : l放入球磨罐中球磨3h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入質(zhì)量濃
度為5%的聚乙烯醇溶液作為粘結劑，造粒，使用60目和80目兩個篩子，其中60目篩子在 上，80目篩子在下，取80目篩子上的粒徑為60 80目顆粒粉料，將造粒得到的粉料自然風 干24小時后，采用液壓實驗機，選用直徑為45mm的模具，以150MPa/m2的壓力對粉料進行 壓片，保壓時間10分鐘；
4)燒結 在950 IIO(TC的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，其中燒結過程均按照傳統(tǒng)燒結工藝，
制得具有立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；
5)沉積薄膜
(a)、樣品安裝 將立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材和清潔的聚合物基底的覆銅板分別固定在 沉積腔中的靶托和樣品托上面，調(diào)整覆銅板和靶材的距離為4. 5cm，用擋板將覆銅板和靶材 隔開，旋緊閥門，關閉真空室。
(b)、系統(tǒng)抽真空 打開電源，開啟機械泵，旋開旁抽閥，當系統(tǒng)真空度達到0.01Pa左右時，關閉旁抽
9閥，打開電磁閥，打開分子泵冷卻水并啟動分子泵，同時旋開閘板閥，約15分鐘后，系統(tǒng)的 真空度可以達到8. 5X 10—5Pa。
(c)、激光器預熱 在沉積開始前15分鐘，打開激光器的電源開關，進行預熱。
(d)、通入氧氣 依次開啟氧壓真閥，流量計，氧氣瓶總閥，然后調(diào)節(jié)流量計，通入氧氣，直到系統(tǒng)的 真空度達到所需的壓強1Pa。同時關閉分子泵，當氧壓穩(wěn)定后開始脈沖沉積薄膜。
(e)、薄膜的生長過程 因為是室溫沉積，基片不需加熱，開啟激光器，調(diào)節(jié)激光器和反射鏡使激光照射 在靶面上，并調(diào)節(jié)聚光透鏡使激光照射在靶面上的光斑盡可能的小。激光器功率設置在 250mJ/pulse，沉積時間一般為80分鐘，使用頻率為3Hz，氧壓為30Pa ;移開擋板，開始沉積， 使薄膜的沉積厚度達到500nm。
(f)、關機過程 關閉氧氣閥，同時關閉整個沉積控制程序，關閉機械泵，關閉電源。激光器在充分
冷卻后，關閉激光器的電源。 6)熱處理 采用快速熱處理工藝，設定爐子的目的溫度20(TC，熱處理時間為IO分鐘。得到類 似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜的厚度大約是500nm。
由附圖可以直觀的看出對本發(fā)明的制備效果 從圖1中可以看到，在950 IIO(TC的溫度區(qū)間燒結的BiuZn^NbL^陶瓷靶材 具有純的立方焦綠石結構，并且沒有其他的雜相出現(xiàn)。圖中的縱坐標為相對衍射強度，橫坐 標為2 e角。 從圖2中可以看到，在75(TC預燒，已初步形成單斜焦綠石相；在920 960°C的 溫度區(qū)間燒結的Bi2Zn2/3Nb4/307陶瓷靶材具有純的單斜焦綠石結構，并且沒有其他的雜相出
現(xiàn)。圖中的縱坐標為相對衍射強度，橫坐標為2e角。 從圖3中可以觀察到，不管是改變沉積時的氧壓還是后期熱處理溫度，制備的 BiuZnL。Nbu07薄膜并沒有出現(xiàn)焦綠石相的特征峰，這表明制備的薄膜是非晶態(tài)的。圖中的 縱坐標為相對衍射強度，橫坐標為2e角。 從圖4中可以觀察到，使用單斜的8122!12/3吣4/307陶瓷靶材，在4Pa氧壓下，原位沉 積制備的薄膜，在快速熱處理爐中改變溫度，對薄膜進行熱處理，并沒有出現(xiàn)焦綠石相的特 征峰，這表明制備的薄膜是非晶態(tài)的。在圖4的插圖中，也可以觀察到，通過改變氧壓沉積 的薄膜，在15(TC下，對薄膜進行后期熱處理，結果也表明制備的薄膜是非晶態(tài)的。圖中的縱
坐標為相對衍射強度，橫坐標為2e角。 圖5是本發(fā)明制備的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的粗糙度和沉積速率隨沉積時氧壓的 變化。左邊縱坐標為表面粗糙度(RMS)，右邊縱坐標為沉積速率，橫坐標為沉積時的氧壓。 從圖中，能夠發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度隨著氧壓的增加而增加，沉積速率也表現(xiàn)出相同的趨勢。
圖6是15(TC快速熱處理，不同氧壓下制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜的介電性能， 測試頻率為10kHz ;從圖中可以看出，介電常數(shù)隨氧壓的增加逐漸減小，而介電損耗隨氧壓 的增加而逐漸增加。在較低氧壓下制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜展示著優(yōu)異的介電性能。在lPa下制備的立方BZN薄膜，10kHz時，介電常數(shù)和損耗分別達到61， 0. 005。左邊縱坐標 為介電常數(shù)，右邊縱坐標為介電損耗，橫坐標為沉積時的氧壓。 圖7是在4Pa氧壓下沉積，在不同退火溫度下熱處理的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的 介電性能，測試頻率為10kHz ;;從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，單斜BZN薄膜的介電常數(shù)隨熱處理 溫度的升高而升高，在150°C時，達到最大值，而后降低。在150°C時，介電常數(shù)達到60，損耗 在0. 006。左邊縱坐標為介電常數(shù)，右邊縱坐標為介電損耗，橫坐標為熱處理溫度。
圖8是15(TC快速熱處理，在不同氧壓下制備的非晶態(tài)的立方BZN薄膜的漏電流 特性；從圖中我們可以觀察到，在1Pa下制備的立方BZN薄膜展示著優(yōu)異的漏電流特性，在 300kV/cm時，漏電流密度不高于1 X 10—7A/cm2。左右邊縱坐標均為漏電流密度，橫坐標為應 用的電場強度。 圖9是在4Pa氧壓下沉積，在不同退火溫度下熱處理的非晶態(tài)的單斜BZN薄膜的 漏電流特性。從圖中我們可以觀察到，在15(TC熱處理得到的單斜BZN薄膜展示著優(yōu)異的漏 電流特性，在500kV/cm場強時，漏電流密度不超過1X10—6A/cm2。而且展示出優(yōu)秀的耐擊穿 特性。左右邊縱坐標均為漏電流密度，橫坐標為應用的電場強度。
1權利要求
一種用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)配料、球磨首先按照Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7或Bi2Zn2/3Nb4/3O7的化學式，計算Bi2O3、ZnO和Nb2O5三種原料之間的符合化學式的摩爾配比，按照摩爾配比將三種原料混合，并將混合物與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比例1∶2∶1放入球磨罐中球磨3～5h，烘干，料球分離后得到磨料；2)預燒將磨料壓片，以750℃預燒2小時獲得已初步形成焦綠石相的陶瓷粉料；3)成型將預燒后的陶瓷粉料粉碎，然后將粉碎的陶瓷粉料與鋯球、無水乙醇按照質(zhì)量比例1∶2∶1放入球磨罐中球磨3～5h，烘干，將烘干后的陶瓷粉料在研缽中研細，加入聚乙烯醇溶液作為粘結劑，造粒，粒徑為60～80目，將造粒得到的粉料自然風干24小時后，采用液壓實驗機，以150MPa/m2的壓力對粉料進行壓片，保壓時間5～10分鐘；4)燒結當按照Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7化學式配料時，在950～1100℃的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，制得具有立方焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；當按照Bi2Zn2/3Nb4/3O7化學式配料時，在920～1000℃的溫度區(qū)間進行燒結成瓷，制得具有單斜焦綠石結構的鉍鋅鈮陶瓷靶材；5)沉積薄膜采用脈沖激光沉積技術將以上制得的鉍鋅鈮陶瓷靶材在鍍Pt基片或聚合物基底的覆銅板上原位沉積厚度為200～500nm的薄膜；6)熱處理使用快速熱處理工藝對沉積的薄膜在100～200℃下進行后退火處理10～20分鐘，得到所述的具有類似焦綠石結構的非晶鉍鋅鈮薄膜。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中所述聚乙烯醇溶液的質(zhì)量濃度為5%。
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中以60目和80目的篩子進行造粒。
4. 根據(jù)權利要求1所述的用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中液壓實驗機選用直徑為45mm的磨具。
5. 根據(jù)權利要求1所述的用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中鍍Pt基片是Pt/Ti/SiO乂Si。
6. 根據(jù)權利要求1所述的用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中，在沉積溫度為室溫或接近室溫的條件下，通過改變沉積時的氧壓進行薄膜的沉積，氧壓選在1 30Pa范圍之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于嵌入式電容器的鉍鋅鈮薄膜的制備方法，按照步驟依次包括配料、球磨、預燒、成型、燒結、沉積薄膜和熱處理，本發(fā)明的沉積薄膜是采用脈沖激光沉積技術將以上制得的鉍鋅鈮陶瓷靶材在鍍Pt基片或聚合物基底的覆銅板上原位沉積厚度為200～500nm的薄膜。這種采用脈沖激光沉積工藝，在室溫下原位沉積的方法制得的薄膜呈現(xiàn)為非晶態(tài)的BZN材料，薄膜的表面非常光滑，具有較低的表面粗糙度。本發(fā)明制得的BZN薄膜材料的介電常數(shù)為60，并且損耗在0.6％左右。在0.3MV/cm時，漏電流密度均為1×10-7A/cm2。充分滿足作為嵌入式電容器的介電材料的使用。這非晶態(tài)的BZN薄膜材料制備工藝簡單，滿足電子元器件的快速發(fā)展的要求，具有良好的市場前景。
文檔編號H01G4/12GK101693988SQ200910024398
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權日2009年10月20日
發(fā)明者任巍, 史鵬, 吳小清, 姚熹, 張效華, 王昭, 陳曉峰 申請人:西安交通大學;