超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜制备方法

摘要

本发明公开了一种超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜制备方法，主要解决现有技术不能直接在半导体材料上沉积单晶钛酸钡薄膜问题。其技术方案是：1.在蓝宝石衬底沉积一层单晶氧化镁薄膜；2.在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜；3.在单晶钛酸钡薄膜表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，用硫酸铵溶液除去单晶氧化镁薄膜，使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的钛酸钡薄膜与衬底脱离；4.将脱离蓝宝石衬底的单晶钛酸钡薄膜转移到后续所需的半导体衬底上，得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。本发明能实现在半导体衬底上生长单晶钛酸钡薄膜，且单晶钛酸钡薄膜的厚度仅为几个纳米，保证了光源照射的可靠性，可用于半导体器件制备。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种钛酸钡薄膜制备的方法，可用于半导 体器件的制备。

背景技术

铁电材料因其具有铁电性，压电性，高介电常数，光电特性，热电等特性，可实 现多种应用，得到了大家广泛的关注。铁电材料是热释电材料中的一类，其特点是不 仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改 变，并随电场呈现出明显的铁电滞回线。铁电材料通常具有正和负方向两个状态，由 此可以根据不同的两个状态作为存储器应用，而其固有的压电性能也可以作为压电及 声光材料，但是少部分铁电材料的压电常数不是很高，通常作为介电调制器，换能器 件。过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性、电光性能以及高介 电常数。近年来，由于新铁电材料薄膜工艺的发展，铁电材料在信息存储、图像显示 和全息照像中的编页器、铁电光阀阵列作全息照像的存储等已开始应用。

因此研究铁电材料具有重要意义，众多研究者研究其与半导体相结合，想充分发 挥铁电材料和半导体材料的特性。铁电材料的自发极化可以调节半导体材料的界面电 荷，改变半导体表面的电势能。铁电材料的压电效应可以使半导体表面发生形变，改 变半导体的能级。但由于晶格失配问题，不能直接在半导体材料上沉积单晶铁电材料， 因此需要大量的缓冲层，增加了制造工艺的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种超薄自支撑钛酸钡薄膜制 备方法，以解决不能在半导体材料上直接生长单晶钛酸钡薄膜的问题。

实现本发明目的技术关键是：在蓝宝石衬底生长一层单晶氧化镁薄膜，并在单晶 氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜，并将其转移到后续所需的半导体衬底上。通过改 变生长条件，腐蚀液浓度等条件，得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。其实现步骤包括 如下：

(1)在蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜：

将蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中，对 反应室抽真空，直到真空度达到4*10^-6mbar以下；向反应室中通入氧气，使反应室的 氧压维持在5*10^-3～0.1mbar；

打开激光器，设定激光器的能量密度为4J/cm²和频率为3～5Hz，设定衬底的温度 为600～700℃，使激光器射出激光束，烧灼氧化镁靶材10000～15000次，使烧灼出来 的氧化镁等离子体沉积在蓝宝石衬底上，完成单晶氧化镁薄膜的生长；

(2)在单晶氧化镁薄膜上沉积一层单晶钛酸钡薄膜：

调节通入反应室的氧气，使反应室的氧压维持在0.01～0.5mbar，设定激光器的 能量密度为2J/cm²和频率为3～5Hz，设定衬底的温度为600～700℃，使激光器射出激 光束，烧灼钛酸钡靶材50～100次，以在单晶氧化镁薄膜上沉积钛酸钡等离子体，得 到单晶钛酸钡薄膜；

(3)在单晶钛酸钡薄膜上附着聚甲基丙烯酸甲酯PMMA：

在单晶钛酸钡薄膜的表面旋涂上一层浓度为3～9mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 溶液，并放在温度为70～80℃的加热台上加热5～10分钟，再自然降温，形成一层附 有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜；

(4)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离：

将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在75～85℃温度下的 10wt％硫酸铵溶液中3～4小时，除去单晶氧化镁薄膜，使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 的单晶钛酸钡薄膜与衬底脱离后，漂浮在硫酸铵溶液上；

(5)转移得到单晶自支撑钛酸钡薄膜：

用后续使用所需的电极衬底捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸 钡薄膜，放在加热台上，在35～40℃下加热5～10分钟，自然降温，使单晶钛酸钡薄 膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底上；

再将其放入丙酮溶液中浸泡12～24小时，除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA， 完成转移，得到厚度为5～7nm的超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于通过在单晶钛酸钡薄膜上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，可防止转 移过程中薄膜出现破裂。

2.本发明由于去除了氧化镁薄膜，转移到半导体衬底上，得到自支撑单晶钛酸钡薄膜， 解决了不能在半导体材料上直接生长单晶钛酸钡薄膜的问题。

3.本发明通过控制激光束的频率和激光束灼烧钛酸钡靶材的次数，得到厚度仅为几纳 米的自支撑单晶钛酸钡薄膜，可以使光源透过钛酸钡薄膜照射到半导体材料上，改变 半导体材料特性。

附图说明

图1为本发明制备超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不构成对本发 明的限定。

参照图1，本发明给出如下三种实施例。

实施例1：制备厚度为5nm的自支撑单晶钛酸钡薄膜。

步骤1，在C面蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜。

1.1)将C面的蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反 应室中，对反应室抽真空，直到真空度达到4*10^-6mbar以下，再向反应室中通入氧气， 使反应室的氧压维持在5*10^-3mbar；

1.2)打开激光器开关，设定激光器的能量密度为4J/cm²和频率为3Hz，设定衬底 的温度为600℃，通过激光束，烧灼氧化镁靶材10000次，产生氧化镁等离子体，该等 离子体依靠自身动能，运动到C面蓝宝石衬底A上，并沉积在C面蓝宝石衬底，完成 单晶氧化镁薄膜的生长，如图1中的B。

步骤2，在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜。

调节通入反应室的氧气，使反应室的氧压维持在0.01mbar，设定激光器的能量密 度为2J/cm²、频率为3Hz，设定衬底的温度为600℃，通过激光束，烧灼钛酸钡靶材表 面50次，产生钛酸钡等离子体，该等离子体依靠自身动能，运动到单晶氧化镁薄膜B 上，并沉积在单晶氧化镁薄膜表面，得到单晶钛酸钡薄膜,如图1中的D。

步骤3形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜。

3.1)在单晶钛酸钡薄膜表面滴上3mg/mL聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，放在甩胶 机上，设置转台旋转速度为500转/秒，旋转5秒；

3.2)改变旋转速度为3000转/秒，旋转60秒，使聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液均 匀分布在单晶钛酸钡薄膜表面，如图1中的E；

3.3)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液的单晶钛酸钡薄膜放在加热台上，在 70℃下加热10分钟，再自然降温。

步骤4将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离。

将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在75℃温度下的10wt％ 硫酸铵溶液中4小时，除去单晶氧化镁薄膜，使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛 酸钡薄膜与蓝宝石衬底脱离，漂浮在硫酸铵溶液上。

步骤5转移得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。

5.1)用后续使用所需的半导体衬底F捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的 单晶钛酸钡薄膜，放在加热台上，在35℃下加热10分钟后，自然降温，使附有聚甲 基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底；

5.2)将粘有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜的衬底放入丙酮溶液中浸泡 12小时，除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，完成转移，得到厚度为5nm的超薄自支 撑单晶钛酸钡薄膜。

实施例2：制备厚度为6nm的自支撑单晶钛酸钡薄膜。

步骤一，在C面蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜。

1a)将C面的蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的反 应室中，对反应室抽真空，直到真空度达到4*10^-6mbar以下，再向反应室中通入氧气， 使反应室的氧压维持在0.01mbar；

1b)打开激光器开关，设定激光器的能量密度为4J/cm²和频率为4Hz，设定衬底 的温度为650℃，通过激光束，烧灼氧化镁靶材13000次，产生氧化镁等离子体，该等 离子体依靠自身动能，运动到C面蓝宝石衬底A上，并沉积在C面蓝宝石衬底，完成 单晶氧化镁薄膜的生长，如图1中的B。

步骤二，在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜。

调节通入反应室的氧气，使反应室的氧压维持在0.3mbar，设定激光器的能量密 度为2J/cm²、频率为4Hz，设定衬底的温度为650℃，通过激光束，烧灼钛酸钡靶材表 面75次，产生钛酸钡等离子体，该等离子体依靠自身动能，运动到单晶氧化镁薄膜B 上，并沉积在单晶氧化镁薄膜表面，得到单晶钛酸钡薄膜,如图1中的D。

步骤三，形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜。

3a)在单晶钛酸钡薄膜表面滴上6mg/mL聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，放在甩胶机 上，设置转台旋转速度为500转/秒，旋转5秒；

3b)改变旋转速度为3000转/秒，旋转60秒，使聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液均 匀分布在单晶钛酸钡薄膜表面，如图1中的E；

3c)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液的单晶钛酸钡薄膜放在加热台上，在75℃ 下加热7分钟，自然降温。

步骤四，将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离。

将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在80℃温度下的10wt％ 硫酸铵溶液中3小时30分钟，除去单晶氧化镁薄膜，使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底脱离，漂浮在硫酸铵溶液上。

步骤五，转移得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。

5a)用后续使用所需的半导体衬底F捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单 晶钛酸钡薄膜，放在加热台上，在37℃下加热7分钟后，自然降温，使附有聚甲基丙 烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底；

5b)将粘有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜的衬底放入丙酮溶液中浸泡 18小时，除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，完成转移，得到厚度为6nm的超薄自支 撑单晶钛酸钡薄膜。

实施例3：制备厚度为7nm的自支撑单晶钛酸钡薄膜。

第一步，在C面蓝宝石衬底上生长单晶氧化镁薄膜。

首先，将C面的蓝宝石衬底、氧化镁靶材、钛酸钡靶材放入脉冲激光沉积系统的 反应室中，对反应室抽真空，直到真空度达到4*10^-6mbar以下，再向反应室中通入氧 气，使反应室的氧压维持在0.1mbar；

然后，打开激光器开关，设定激光器的能量密度为4J/cm²和频率为5Hz，设定衬 底的温度为700℃，通过激光束，烧灼氧化镁靶材15000次，产生氧化镁等离子体，该 等离子体依靠自身动能，运动到C面蓝宝石衬底A上，并沉积在C面蓝宝石衬底，完 成单晶氧化镁薄膜的生长，如图1中的B。

第二步，在单晶氧化镁薄膜上沉积单晶钛酸钡薄膜。

调节通入反应室的氧气，使反应室的氧压维持在0.5mbar，设定激光器的能量密 度为2J/cm²、频率为5Hz，设定衬底的温度为700℃，通过激光束，烧灼钛酸钡靶材表 面100次，产生钛酸钡等离子体，该等离子体依靠自身动能，运动到单晶氧化镁薄膜 B上，并沉积在单晶氧化镁薄膜表面，得到单晶钛酸钡薄膜,如图1中的D。

第三步形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜。

首先，在单晶钛酸钡薄膜表面滴上9mg/mL聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，放在甩 胶机上，设置转台旋转速度为500转/秒，旋转5秒；

接着，改变旋转速度为3000转/秒，旋转60秒，使聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液 均匀分布在单晶钛酸钡薄膜表面，如图1中的E；

然后，将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液的单晶钛酸钡薄膜放在加热台上，在 80℃下加热5分钟，自然降温。

第四步将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜与蓝宝石衬底分离。

将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛酸钡薄膜浸泡在85℃温度下的10wt％ 硫酸铵溶液中3小时，除去单晶氧化镁薄膜，使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单晶钛 酸钡薄膜与蓝宝石衬底脱离，漂浮在硫酸铵溶液上。

第五步转移得到超薄自支撑单晶钛酸钡薄膜。

首先，用后续使用所需的半导体衬底捞F起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的 单晶钛酸钡薄膜，放在加热台上，在40℃下加热5分钟后，自然降温，使附有聚甲基 丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜完全粘附在后续使用所需的半导体衬底；

然后，将粘有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA单晶钛酸钡薄膜的衬底放入丙酮溶液中浸泡 24小时，除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，完成转移，得到厚度为7nm的超薄自支 撑单晶钛酸钡薄膜。

上述三种实施例所述后续所需的半导体衬底，包括硅，碳化硅，氮化镓，砷化镓 等，本实施使用硅衬底；

上述描述只是本发明的几个优选实例，并不构成对本发明的限制，对于本领域的 专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情 况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明 的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。