一种能降低介电损耗的多层Ni／BaTiO3薄膜的制备方法转让专利
申请号 : CN201610194051.1
文献号 : CN105803395B
文献日 : 2018-05-25
发明人 : 高海根 , 冯定 , 管锋 , 贾宏禹 , 吴文秀
申请人 : 长江大学
摘要 :
本发明涉及一种能降低介电损耗的多层Ni／BaTiO3薄膜的制备方法；属电介质材料合成技术领域。本发明是将纳米BaTiO3粉末压制成靶材；然后将靶材和Ni衬底固定于磁控溅射设备中完成溅射，再通过管式炉进行热处理制得Ni／BaTiO3多层薄膜成品。采用本发明制备的Ni／BaTiO3薄膜具有多层薄膜结构；不但可阻碍氧空位的迁移，还可以增加BaTiO3薄膜面内压应力，因此可起到降低介电损耗和提高介电常数的作用，解决了现有BaTiO3薄膜在制备过程中会产生氧空位，导致漏电流及介电损耗增加，甚至会引起薄膜的失效问题；对高介电常数的BaTiO3薄膜在嵌入式电容和高储能元件等领域有着积极的应用前景。
权利要求 :
1.一种能降低介电损耗的Ni／BaTiO3多层薄膜的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤；
1)、将纳米BaTiO3粉末在1000oC下压制成直径为75mm的BaTiO3靶材；
2)、将BaTiO3靶材依次用无水乙醇、去离子水中分别清洗5min，以将BaTiO3靶材表面的杂质清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；
3)、将Ni 衬底在N2氛围、800-1000oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止；
4)、将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度；
5)、将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa；
6)、往设备内通入Ar和O2直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为350-450oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射；
7)、在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中，以防止薄膜表面出现划痕；
8)、将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2为2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10℃ /min ，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10℃ /min ；
9）、将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为380-480oC，溅射设备的溅射功率为144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，
10）、第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10℃ /min ，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10℃ /min ，得 Ni／BaTiO3多层薄膜成品；
所述每层溅射过程中以第一次的Ni衬底溅射温度为基础，每次提高Ni衬底溅射温度
30oC。
说明书 :
一种能降低介电损耗的多层Ni／BaTiO3薄膜的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种能降低介电损耗的多层Ni／BaTiO3薄膜的制备方法；属电介质材料合成技术领域。
背景技术
[0002] 高介电常数的BaTiO3薄膜在嵌入式电容和高储能元件等领域有重要的应用前景，特别是Ni、Cu等贱金属衬底上直接沉积BaTiO3薄膜，近年来引起了广泛关注，尤其是，因衬底和薄膜之间失配引起的残余应力及氧空位迁移、再分布等引起的漏电流更是吸引了人们的目光。
[0003] BaTiO3薄膜在制备过程中会产生氧空位，相对于块体材料而言，薄膜中的氧空位浓度较大，导致漏电流及介电损耗增加，甚至会引起薄膜的失效行为。氧空位在薄膜中的迁移会受到晶界、电极-薄膜界面的阻碍，研究表明氧空位翻越晶界形成的背靠背的双肖特基势垒所需的能量要小于翻越薄膜-电极界面所需的势垒。在实验过程中发现多层BaTiO3薄膜形成的同质界面的势垒高度也要大于晶界形成的背靠背的双肖特基势垒高度。此外，研究表明面内压应力可以提高BaTiO3基-多层陶瓷电容器的介电常数（平行于衬底表面）。而随着薄膜厚度的增加，残余压应力呈下降趋势。因此有必要研发一种以阻碍氧空位的迁移，增加BaTiO3薄膜面内压应力，同时可以起到降低介电损耗和提高介电常数作用的多层薄膜结构。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于：提供一种制备简单，能够降低薄膜介电损耗和提高薄膜介电常数的能降低介电损耗的多层Ni／BaTiO3薄膜的制备方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种能降低介电损耗的Ni／BaTiO3多层薄膜的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤；
[0007] 1)、将纳米BaTiO3粉末（30nm，99.9%,1kg）在1000oC下压制成直径为75mm的BaTiO3靶材；
[0008] 2)、将BaTiO3靶材依次用无水乙醇、去离子水中分别清洗5min，以将BaTiO3靶材表面的杂质清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；
[0009] 3)、将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm3 ）在N2氛围、800-1000oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止；
[0010] 4)、将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度；
[0011] 5)、将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射-4设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10 Pa；
[0012] 6)、往设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为350-450oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射；
[0013] 7)、在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕；
[0014] 8)、将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min o
进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 C/min；
进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 C/min；
[0015] 9）、将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为380-480oC，溅射设备的溅射功率为144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，[0016] 10）、第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直o o o至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750C，升温速度为10 C/min，在750C恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
[0017] 薄膜根据需要可溅射四层，每层溅射过程中以第一次的Ni衬底溅射温度为基础，每次提高Ni衬底溅射温度30oC。
[0018] 本发明的优点在于：
[0019] 采用本发明方法制备合成的Ni／BaTiO3薄膜具有多层薄膜结构；该多层薄膜结构不但可以阻碍氧空位的迁移，还可以增加BaTiO3薄膜面内压应力，因此可以起到降低介电损耗和提高介电常数的作用，解决了现有BaTiO3薄膜因制备、服役产生氧空位而导致漏电流、介电损耗增加，甚至失效的问题；对高介电常数的BaTiO3薄膜在嵌入式电容和高储能元件等领域有着积极的应用前景。
[0020] 为表明本发明制备合成的Ni／BaTiO3薄膜的各项参数性能指标，对制备合成的Ni／BaTiO3薄膜进行了检测测试，具体结果如下：
[0021]
附图说明
[0022] 图1为本发明制备过程中溅射时间与薄膜厚度之间的关系对应图；
[0023] 图2为本发明制备的不同层数的Ni／BaTiO3薄膜的电容密度和介电损耗关系对应图。
具体实施方式
[0024] 实施例1：
[0025] 将纳米BaTiO3粉末（30nm，99.9%,1kg）在1000oC下压制成直径为75mm的BaTiO3靶材；将BaTiO3靶材依次用无水乙醇、去离子水中分别清洗5min，以将BaTiO3靶材表面的杂质清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm3 ）在N2氛围、800oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止。将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度。将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa。往磁控溅射设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为
350oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为380oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
350oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为380oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
[0026] 实施例2：
[0027] 将纳米BaTiO3粉末（30nm，99.9%,1kg）在1000oC下压制成直径为75mm的BaTiO3靶材；将BaTiO3靶材依次用无水乙醇、去离子水中分别清洗5min，以将BaTiO3靶材表面的杂质3
清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm ）在N2氛围、900oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止。将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度。将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa。往磁控溅射设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和
10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为
400oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为430oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm ）在N2氛围、900oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止。将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度。将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa。往磁控溅射设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和
10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为
400oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为430oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
[0028] 实施例3：
[0029] 将纳米BaTiO3粉末（30nm，99.9%,1kg）在1000oC下压制成直径为75mm的BaTiO3靶材；将BaTiO3靶材依次用无水乙醇、去离子水中分别清洗5min，以将BaTiO3靶材表面的杂质3
清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm ）在N2氛围、1000oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止。将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度。将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa。往磁控溅射设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和
10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为
450oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为480oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。
清洁干净，然后再在烘箱中将BaTiO3靶材烘干；备用；将Ni 衬底（10 × 10 ×1mm ）在N2氛围、1000oC条件下热处理30min，以使Ni 衬底的晶粒长大，然后对Ni 衬底进行抛光，直至成镜面为止。将抛光后的Ni 衬底在无水乙醇中超声5min，然后在去离子水中超声5min，最后取出衬底并用N2气吹干；以保证Ni 衬底的清洁度。将吹干的Ni 衬底固定在磁控溅射设备中内腔室的样品台上，同时在磁控溅射设备中内腔室中固定好BaTiO3靶材，再将磁控溅射设备内腔抽至真空度为10-4Pa。往磁控溅射设备内通入Ar和O2(以Ar为参考，O2偏压在10−7和
10−8 atm之间)直至工作压强达到2.2Pa，并设定溅射设备的溅射功率为144W、衬底温度为
450oC、Ni衬底旋转速度为10-20rpm的溅射参数进行第一次溅射。在第一次溅射过程中，随时检测薄膜的溅射厚度，直至达到设定厚度，溅射完成后，降温到室温后取出样品并放置在样品盒中(样品盒要做处理，避免里面的灰尘吸附到薄膜表面，影响薄膜的测试结果)，以防止薄膜表面出现划痕。将第一次溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2约2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min进行热处理，然后降到室温，降温速度为10 oC/min；将完成热处理后的溅射样品进行第二次溅射，第二次溅射参数中的Ni衬底温度设置为480oC，溅射设备的溅射功率为
144W、Ni衬底旋转速度为10-20rpm，第二次溅射完成后将溅射样品放置在管式炉中，通入保护性气体N2 2min，直至里面的空气被赶出干净，然后将管式炉升温到750oC，升温速度为10 oC/min，在750oC恒温加热30min，然后降到室温，降温速度为10 oC/min，得， Ni／BaTiO3多层薄膜成品。