專利名稱：一種鐵薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜技術領域，更具體地說，涉及一種鐵薄膜的制備方法。
背景技術：
自旋電子學是當前信息科學領域不可或缺的分支，自旋器件以電子的自旋作為信 息載體，與傳統的磁器件和微電子器件相比，具有更強的功能、更高的速度、更少的功耗和 更高的集成度，在磁存儲及量子計算等領域展現出廣闊的應用前景。高效率的自旋源是自 旋器件中的關鍵組成部分，通常由磁性金屬及其合金以及氧化物薄膜構成。Fe是過渡族的 磁性元素之一，其單質及很多合金及化合物都是性能良好的鐵磁性材料，目前，Fe基自旋材 料是人們研究的熱點。磁控濺射法在制備薄膜過程中具有高速、低溫、低損傷及成膜致密等優點，并且制 備的薄膜表面平整、成分均勻，因此，廣泛用于多層膜磁電阻器件及磁電復合器件的研制。 例如，用磁控濺射制備高質量鐵膜，有助于多層膜磁電阻器件的集成及大規模生產，對基礎 性研究也起到一定的推動作用。現有技術中，利用磁控濺射法制備鐵薄膜時，靶材為高純鐵靶。采用高純鐵靶這一 鐵磁性濺射靶時，對濺射源的要求較高，需選用電磁型濺射源或磁性加強永磁型濺射源；此 外，磁控濺射制備薄膜過程中，磁控靶表面被濺射的程度是不均勻的，被離子優先濺射的部 分會提前耗盡，需要對磁控靶不定時更換，但是，由于高純鐵靶成本很高，所以工業化生產 成本較高。
發明內容
有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種鐵薄膜的制備方法，該制備方 法對濺射源的要求較低，且有利于降低工業成本。本發明提供一種鐵薄膜的制備方法，包括將襯底放入真空度為2 X 10_5 1 X 10_4Pa的磁控濺射儀的生長室內；以Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，向所述生長室中通入H2和Ar的混合氣體，在0. 4 IPa 的壓強、400 600°C的溫度下在所述襯底上濺射鐵薄膜，所述H2和Ar的體積比為0. 9 2 10。優選的，所述濺射鐵薄膜時的壓強為0. 4 0. SPa0優選的，所述濺射鐵薄膜時的壓強為0. 4 0. 6Pa。
優選的，所述H2和Ar的體積比為1. 2 2 10。優選的，所述濺射鐵薄膜時，所述磁控濺射儀的功率為60 130W。優選的，所述濺射鐵薄膜時的溫度為450 600°C。優選的，所述濺射鐵薄膜時的時間為40 100分鐘。優選的，所述Fe2O3陶瓷靶按如下方法制備向Fe2O3粉體內滴入質量濃度為2 3%的聚乙烯醇，研磨造粒；
將造粒后得到的粉體放入模具，加壓，得到Fe2O3塊體；將所述Fe2O3塊體先升溫至450 550°C，保溫5 15小時，排膠后在850 1000°C 下燒結，得到Fe2O3陶瓷靶。優選的，還包括在所述襯底上濺射鐵薄膜前，將襯底溫度升至600 750°C，保溫15 30分鐘。優選的，所述向所述生長室中通入H2和Ar的混合氣體的進氣量為30 60毫升/ 分。從上述的技術方案可以看出，本發明提供一種鐵薄膜的制備方法，該制備方法以 Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，利用磁控濺射沉積設備，用Ar與H2的混合氣體為濺射及還原氣體， 通過選擇合適的H2與Ar比例、沉積溫度及生長室壓力，制備了鐵薄膜。由于Fe2O3靶材不 是鐵磁性材料，因此濺射源可以采用普通的永磁型濺射源，無需采用特殊的濺射源；同時， Fe2O3比單質鐵更容易獲得高純度；此外，Fe2O3靶材的生產成本較低，有利于工業化生產。實 驗結果表明，本發明制備的鐵薄膜結晶質量高，重復性好。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例2公開的制備的鐵薄膜的XRD圖譜；圖2為本發明實施例2公開的制備的鐵薄膜的室溫M-H曲線。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明公開了一種鐵薄膜的制備方法，其特征在于，包括將襯底放入真空度為2 X 10_5 1 X 10_4Pa的磁控濺射儀的生長室內；以Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，向所述生長室中通入H2和Ar的混合氣體，在0. 4 IPa 的壓強、400 600°C的溫度下在所述襯底上濺射鐵薄膜，所述H2和Ar的體積比為0. 9 2 10。在所述將襯底放入真空度為2X10_5 lX10_4Pa的磁控濺射儀的生長室內前， 優選對所述襯底進行清洗處理，具體可以為用有機溶劑、酸和去離子水對襯底進行常規清 洗，用高純氮氣吹干。所述真空度優選為lX10_4Pa。所述襯底可以為Al2O3襯底。按照本發明，還優選包括在所述襯底上濺射鐵薄膜前，將襯底溫度升至600 750°C，保溫15 30分鐘，從 而達到去除襯底表面的可揮發性雜質的目的。所述Fe2O3靶材優選按如下方法制備
向Fe2O3粉體內滴入質量濃度為2 3%的聚乙烯醇，研磨造粒；將造粒后得到的粉體放入模具，加壓，得到Fe2O3塊體；將所述Fe2O3塊體先升溫至450 550°C，保溫5 15小時，排膠后在850 1000°C
下燒結，得到Fe2O3陶瓷靶。此外，所述Fe2O3陶瓷靶優選用砂紙打磨靶材兩面，除去燒結時靶材和剛玉墊片間 的擴散層，使靶表面平整，所述用Ar與H2的混合氣體為濺射及還原氣體，所述H2和Ar的體積比為0. 9 2 10，優選為1.2 2 10，更優選為1.5 2 10。所述向所述生長室中通入H2和Ar 的混合氣體的進氣量優選為30 60毫升/分，更優選為30 50毫升/分，最優選為40 毫升/分。所述進氣量可以通過分子泵間板閥調節，用質量流量計控制。上述制備方法中，生長室中通入H2和Ar的混合氣體后的壓強與制備的鐵薄膜的 純度和取向性直接相關。所述濺射鐵薄膜時的壓強為0. 4 lPa，優選為0. 4 0. 8Pa，更 優選為0. 4 0. 6Pa。薄膜的濺射溫度與制備的鐵薄膜的結晶質量相關，所述濺射鐵薄膜時的溫度為 400 600°C，優選為450 600°C，更優選為450 550°C。所述濺射鐵薄膜具體可以為打開Fe2O3靶擋板，打開射頻電源，調節電源匹配器， 使靶正常起輝。靶正常起輝后，調節射頻電源電壓，使所述濺射鐵薄膜時，所述磁控濺射儀 的功率為60 130W，更優選為80 110W，最優選為100W。通過計算機控制，將基片及基片 擋板移至Fe2O3靶位，開始沉積樣品，所述濺射鐵薄膜的時間可以根據生長速度及對薄膜厚 度的要求自動調整。通過以上步驟，即可完成Fe薄膜的制備。本發明提供一種鐵薄膜的制備方法，該制備方法以Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，利用磁 控濺射沉積設備，用Ar與H2的混合氣體為濺射及還原氣體，通過選擇合適的H2與Ar比例、 沉積溫度及生長室壓力，制備了鐵薄膜。由于Fe2O3靶材不是鐵磁性材料，因此濺射源可以 采用普通的永磁型濺射源，無需采用特殊的濺射源；同時，Fe2O3比單質鐵更容易獲得高純 度；此外，Fe2O3靶材的生產成本較低，有利于工業化生產。實驗結果表明，本發明制備的鐵 薄膜結晶質量高，重復性好。為了進一步說明本發明的技術方案，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行 描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權 利要求的限制。實施例1Fe203陶瓷靶的制備取原料為純度為99. 99%的Fe2O3粉體26g，向粉體內滴入適量質量濃度為2. 5% 的聚乙烯醇，充分研磨造粒；將上述研磨造粒后的Fe2O3放入圓形模具，加壓，得到圓片形塊體；將Fe2O3塊體放入箱式爐中，先升溫至500°C，保溫12h，充分排膠；然后在950°C反 復燒結2次，每次保溫12小時，得到靶材；用砂紙打磨所述靶材兩面，除去燒結時靶材和剛玉墊片間的擴散層，并使圓片靶 表面平整。實施例2
首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為15 %，流量為40毫 升/分，襯底溫度分別為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備 的Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。如圖1所示，XRD測量結果表明，所有Fe薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍 射峰半高寬度較窄，具有較高的結晶質量。如圖2所示，室溫M-H曲線表明樣品具有室溫鐵 磁性。實施例3首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為15 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為450°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2Oa 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例4首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為15 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為550°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2O3 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例6首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為15 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為600°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2O3 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄，具有較高的結晶質量。實施例7首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為9 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2O3 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例8首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為12 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2O3 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例9首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為15 %，流量為40毫升 /分，襯底溫度為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備的Fe2O3 陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例10首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為17. 5%，流量為40毫 升/分，襯底溫度分別為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備 的Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。
結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例11首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為20%，流量為40毫 升/分，襯底溫度分別為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 5Pa,以實施例1制備 的Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。實施例12首先用有機溶劑、酸、去離子水對Al2O3襯底進行常規清洗，用高純氮氣吹干，將 Al2O3襯底固定在樣品架上，放入生長室；將生長室抽真空，使生長室背底真空度優于1 X IO-4Pa ；對Al2O3襯底進行650°C的熱處理，處理時間為20分鐘；向生長室通入H2與Ar的混合氣體，所述H2與Ar的體積比為17. 5%，流量為40毫 升/分，襯底溫度分別為500°C，調節閘板閥，使濺射室壓力維持在0. 8Pa,以實施例1制備 的Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，普通的永磁型濺射源為濺射源，進行薄膜濺射。結果表明，制備的鐵薄膜都具有擇優(110)取向的衍射峰，衍射峰半高寬度較窄， 具有較高的結晶質量。從上述實施例可以看出，本發明制備的鐵薄膜結晶質量高，重復性好。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
權利要求
一種鐵薄膜的制備方法，其特征在于，包括將襯底放入真空度為2×10-5～1×10-4pa的磁控濺射儀的生長室內；以Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，向所述生長室中通入H2和Ar的混合氣體，在0.4～1Pa的壓強、400～600℃的溫度下在所述襯底上濺射鐵薄膜，所述H2和Ar的體積比為0.9～2∶10。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述濺射鐵薄膜時的壓強為0.4 0. 8Pa。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述濺射鐵薄膜時的壓強為0.4 0. 6Pa。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述H2和Ar的體積比為1.2 2 10。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述濺射鐵薄膜時，所述磁控濺射儀 的功率為60 130W。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述濺射鐵薄膜時的溫度為450 600 "C。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述濺射鐵薄膜時的時間為40 100分鐘。
8.根據權利要求1 7任意一項所述的制備方法，其特征在于，所述Fe2O3陶瓷靶按如 下方法制備向Fe2O3粉體內滴入質量濃度為2 3%的聚乙烯醇，研磨造粒；將造粒后得到的粉體放入模具，加壓，得到Fe2O3塊體；將所述Fe2O3塊體先升溫至450 550°C，保溫5 15小時，排膠后在850 1000°C下 燒結，得到Fe2O3陶瓷靶。
9.根據權利要求1 7任意一項所述的制備方法，其特征在于，還包括在所述襯底上濺射鐵薄膜前，將襯底溫度升至600 750°C，保溫15 30分鐘。
10.根據權利要求1 7任意一項所述的制備方法，其特征在于，所述向所述生長室中 通入H2和Ar的混合氣體的進氣量為30 60毫升/分。
全文摘要
本發明實施例公開了一種鐵薄膜的制備方法，該制備方法以Fe2O3陶瓷靶為濺射靶，利用磁控濺射沉積設備，用Ar與H2的混合氣體為濺射及還原氣體，通過選擇合適的H2與Ar比例、沉積溫度及生長室壓力，制備了鐵薄膜。由于Fe2O3靶材不是鐵磁性材料，因此濺射源可以采用普通的永磁型濺射源，無需采用特殊的濺射源；同時，Fe2O3比單質鐵更容易獲得高純度；此外，Fe2O3靶材的生產成本較低，有利于工業化生產。實驗結果表明，本發明制備的鐵薄膜結晶質量高，重復性好。
文檔編號C23C14/14GK101886243SQ20101022569
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者劉孝娟, 呂敏峰, 孟健, 武曉杰, 鄧孝龍 申請人:中國科學院長春應用化學研究所