一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法

技术领域

本发明属于信息材料技术领域，涉及尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法

背景技术

随着现代通讯技术的迅猛发展，电子元器件的薄膜化、集成化、高频化必将使铁氧体薄膜大有用武之地。高密度垂直磁记录介质、薄膜磁头、薄膜变压器和薄膜电感器，单片微波集成器件、多层膜器件以及生物工程、医疗诊断技术、磁性药物的发展将进一步加快铁氧体薄膜研究的步伐。同时，沉积铁氧体薄膜技术仍将是十分重要的研究内容之一。就应用的角度看，关键是开发在不同种类、形状的基片上，低温沉积具有良好附着力和电磁性能的铁氧体薄膜技术。

铁氧体薄膜的制备方法分为物理方法与化学方法。物理方法主要包括溅射法、脉冲激光沉积法、分子束外延法。用物理方法沉积的铁氧体薄膜具有基片附着力好、表面平整、电磁性能好的特点，但物理方法存在的最大的缺点是为了制备具有良好电磁性能的铁氧体薄膜需要在沉积时加高温或沉积后通过高温退火对薄膜进行退火处理，温度高达700℃以上。化学方法主要包括湿化学法和液相外延法，其中液相外延法制备的铁氧体薄膜由于制备时是采用能与铁氧体薄膜材料晶格常数匹配的特殊基片，其制备的薄膜是单晶薄膜，因而是目前能制备性能最优异铁氧体薄膜一种制备方法，但这种方法对基片限制严格，而且其制备通过将铁氧体各组分熔融后进行的，其温度很高(～1500℃)，这就使得一方面成本很高，另一方面应用领域得到限制，最为致命的是不能与现有微电子工艺兼容。化学制备方法中的湿化学方法，能在低温(小于100℃)获得铁氧体薄膜，是制备小型集成器件很有前途的方法，但薄膜与基底间的附着力不够理想，容易出现膜层剥落现象，以至无法实现应用，另一方面该法制备的铁氧体薄膜的表面粗糙度也很大，会大大降低铁氧体薄膜的电磁性能。

所以，高性能铁氧体薄膜需要高温制备是其应用上的最大障碍，高的处理温度不但与现有工艺，如微电子工艺不兼容，而且由于高处理温度，会造成衬底与铁氧体薄膜之间的互扩散，降低铁氧体薄膜的电磁性能。如何实现低温制备具有良好电磁特性铁氧体薄膜至关重要。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种降低尖晶石铁氧体薄膜材料退火温度的制备方法，该方法能将尖晶石结构铁氧体薄膜的退火温度降低到500℃以下，可以极大地促进铁氧体薄膜的应用，特别是在微波单片集成电路器件中的应用。

本发明的原理在于：Fe₃O₄是铁氧化物的一种，其结构为尖晶石结构，处于亚稳态，具有较低的相变温度，在400℃以上有氧气氛中退火会氧化生成Fe₂O₃，其相变反应式为：4Fe₃O₄+O₂＝6Fe₂O₃+448(kJ)。如果以Fe₃O₄为缓冲层，在缓冲层上溅射制备尖晶石结构铁氧体薄膜，在400-500℃条件下对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理时，缓冲层会发生从Fe₃O₄到Fe₂O₃活性相变，相变释放的热量被上层尖晶石结构铁氧体薄膜吸收，促进了该层尖晶石结构铁氧体薄膜的结晶，从而降低尖晶石结构铁氧体薄膜的退火晶化处理温度。因此，本发明提供的尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法能够在很大程度上降低尖晶石结构铁氧体薄膜的退火晶化处理温度，使之与现代微电子工艺相兼容；同时，Fe₃O₄缓冲层属尖晶石结构氧化物薄膜，与尖晶石结构铁氧体薄膜晶格匹配，从而使得Fe₃O₄缓冲层的引入不影响尖晶石结构铁氧体薄膜良好的电磁特性。

本发明是通过如下步骤实现的：

步骤1.在基片上制备Fe₃O₄缓冲层薄膜；

步骤2.在Fe₃O₄缓冲层薄膜上溅射尖晶石结构铁氧体薄膜；

步骤3.对尖晶石结构铁氧体薄膜进行退火晶化处理。

其中步骤1.中的基片可以是各种取向的单晶Si、GaAs、InP或Al₂O₃基片；制备Fe₃O₄缓冲层薄膜的方法可以采用磁控溅射法、脉冲激光沉积法或分子束外延法；Fe₃O₄缓冲层薄膜的厚度为20-100nm。

其中步骤2.中溅射制备尖晶石结构铁氧体薄膜的条件为：靶材为纯度98％以上的尖晶石结构铁氧体氧化物，背底真空小于1×10^-3Pa，溅射工作气体为氩气，气压为1×10^-2Pa-5Pa，基片温度为100-350℃，溅射功率密度为0.01-10W/cm²。

其中步骤3.的退火晶化处理条件为：退火环境为空气环境，退火温度为400-500℃，退火时间为0.5-3小时。

本发明的有益效果是：

本发明提供的尖晶石结构铁氧体薄膜的制备方法能够将通常溅射工艺制备的尖晶石结构铁氧体薄膜的退火晶化处理温度从700℃以上降低至500℃以下，使之与现代微电子工艺相兼容；同时，Fe₃O₄缓冲层属尖晶石结构氧化物薄膜，与尖晶石结构铁氧体薄膜晶格匹配，从而使得Fe₃O₄缓冲层的引入不影响尖晶石结构铁氧体薄膜良好的电磁特性；本发明可用于制备集成磁性器件。

附图说明

图1是Fe₃O₄缓冲层薄膜经350℃真空退火一小时后的XRD图。

图2是Si/Fe₃O₄/CoFe₂O₄薄膜分别在空气中400℃、450℃和500℃下退火3小时后的XRD图。其中，曲线1是Si/Fe₃O₄/CoFe₂O₄薄膜在空气中400℃下退火3小时后的XRD结果；曲线2是Si/Fe₃O₄/CoFe₂O₄薄膜在空气中450℃下退火3小时后的XRD结果；曲线是3Si/Fe₃O₄/CoFe₂O₄薄膜在空气中500℃下退火3小时后的XRD结果。

图3是500℃下退火的Si/Fe₃O₄/CoFe₂O₄的薄膜的磁性能曲线(VSM曲线)。

图4是700℃下退火的Si/CoFe₂O₄薄膜的磁性能曲线(VSM曲线)。