一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种薄膜，尤其涉及一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.无论对于块体材料还是薄膜材料，晶粒尺寸对材料电、磁、力、光等性能都有重要影响。单晶薄膜在半导体工业、集成电路等领域有着重要应用。单晶薄膜通常需要使用单晶基底，并利用外延技术制备，但通常外延设备昂贵，且外延法对基底材料选择有限，通常要求薄膜与基底晶格尺寸差小于15%，此外，单晶基底通常经熔炼-提拉-切割-抛光制成，制造成本较高。
3.在一些应用中，降低了对单晶薄膜的基底材料要求，并希望获得具有大尺寸晶粒的薄膜。例如，在铂薄膜电阻温度传感器中，为了制备高精度的传感器，需要制备晶界、位错和微孔洞等结构缺陷少的铂薄膜，而常用的物理气相沉积方法如蒸镀、溅射等方法由于其气-固相变的原理限制，决定了其制备的沉积态薄膜中含有大量的晶界、位错和微孔洞等结构缺陷。虽然经过合适的热处理后这些缺陷会大量减少，但仍有相当数量的缺陷会被保留，特别是对于晶界，薄膜晶粒尺寸通常会受到其厚度的限制，其最大晶粒尺寸具有与其厚度相当、且均匀的分布。为了获得更大尺寸的晶粒，即更低的晶界密度，可以增加薄膜的厚度，然而铂是一种贵金属，增加铂薄膜的厚度对于降低材料成本是不利的。
4.薄膜晶粒生长的驱动力来自薄膜-基底系统总能量的降低，薄膜与基底构成的系统能量主要包括：表面能、界面能、晶界能和应变能。在具有晶体结构的薄膜中，上述能量均具有各向异性。在面心立方中，（111）面通常具有最低的表面能，对于体心立方和密排六方则分别为（110）面和（0002）面；应变能取决于应变大小和材料弹性模量，而弹性模量与晶体取向相关，在面心立方晶体中，[100]方向具有最小的弹性模量；界面能则还与基底有关，若基底为晶态，则与基底取向与和薄膜取向均有关，若基底为无定形态，则主要与薄膜的面内取向有关。
[0005]
在薄膜晶粒的生长过程中，为使总能量最小化，有时某些具有特定取向的晶粒会因外部条件而具有热力学或动力学方面的生长优势，从而不断消耗其周围的小晶粒而异常生长，长大成为超大的晶粒。


技术实现要素：

[0006]
本发明旨在解决上述缺陷，提供一种超大晶粒的铂薄膜及其制备方法，该方法使用磁控溅射方法，以氩气和氧气作为溅射载气，在多晶或单晶陶瓷基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜，再通过一次或多次简单热处理即可获得具有超大晶粒的铂薄膜。
[0007]
本发明中，使用常规的磁控溅射方法制备铂薄膜，但使用氩气和氧气的混合气体作为溅射载气。溅射完成后，氧能溶解在金属铂中，或是形成铂氧化物，并主要影响沉积态薄膜的表面能和应变能。而在后续热处理过程中，溶解在铂晶格中的氧将从铂薄膜中脱溶，逸出铂薄膜，铂氧化物也将发生热分解，又析出金属铂，这个过程也将影响薄膜的表面能和
应变能。通过调节溅射时氩气和氧气混合气体中氧气的含量，进而调节沉积态铂薄膜的“氧含量”，并与后续热处理相配合，主要调整薄膜晶粒长大过程中的表面能和应变能，使得在热处理的某一阶段，具有特定取向的晶粒具有热力学或动力学方面的生长优势，从而不断消耗周围的小晶粒而异常长大，直至异常长大的晶粒相互接触，从而获得具有晶粒尺寸大、且晶粒分布均匀的铂薄膜。
[0008]
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超大晶粒的铂薄膜，包括陶瓷基底；在所述陶瓷基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜。
[0009]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述陶瓷基底为质量百分含量为96% ~ 99%的多晶氧化铝陶瓷，或单晶氧化铝陶瓷。
[0010]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述含氧铂薄膜通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体。
[0011]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述氩气和氧气的混合气体中，氧气的体积分数为0% ~ 100%。
[0012]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括相邻的两层含氧铂薄膜之间存在氧浓度梯度。
[0013]
铂薄膜制备方法，包括以下步骤：s1、在氧化铝基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜；s2、将上述含氧铂薄膜进行热处理。
[0014]
铂薄膜制备方法，包括以下步骤：s1、在氧化铝基底上沉积一层含氧铂薄膜；s2、将上述含氧铂薄膜进行热处理；s3、在上述热处理后的含氧铂薄膜上沉积一层或多层含氧铂薄膜；s4、将上述含氧铂薄膜进行热处理；所述步骤s3、s4可重复进行。
[0015]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述热处理温度为0.52t
m ~ 0.72tm，tm为金属铂的熔点，热处理气氛为空气、氩气和氮气中的任一种。
[0016]
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述热处理包括：第一阶段热处理温度为0.28t
m ~ 0.45tm，热处理气氛为氧气或空气；第二阶段热处理温度为0.45t
m ~ 0.72tm，热处理气氛为空气、氩气和氮气中的任一种，其中tm为金属铂的熔点。
[0017]
本发明的有益效果是：（1）、本发明制备的铂薄膜膜层致密，晶粒尺寸大，晶界、位错和微孔等结构缺陷少，具有优良的电学性能；（2）、本发明无需单晶基底，可使用多晶基底完成，但本发明提供的方法同时也兼容单晶基底；（3）、本发明的制备方法简单，使用常规的磁控溅射方法，仅改变常规的溅射载气氩气为氩气和氧气的混合气体；本发明的热处理方法简单，仅需调整常规的热处理温度和热处理气氛，在一些溅射、热处理一体的设备中，可仅使用一种设备完成所需铂薄膜制备的全部工艺流程。
附图说明
[0018]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0019]
图1是本发明实施例1的示意图；图2是本发明实施例1的示意图；图3是本发明实施例2的示意图；图4是本发明实施例2的示意图；图5是本发明实施例2的示意图；图6是本发明实施例2的示意图；图7是本发明实施例3的示意图；图8是本发明实施例3的示意图；图9是示意图2对应的低倍电子显微镜图；图10是示意图2对应的高倍电子显微镜图；图11是示意图6对应的低倍电子显微镜图；图12是示意图6对应的高倍电子显微镜图。
[0020]
其中：101是氧化铝基底，102是含氧铂薄膜，103是本发明实施例1所制备的超大晶粒的铂薄膜，201是氧化铝基底，202是第一层含氧铂薄膜，203是第一层含氧铂薄膜202经热处理后获得的薄膜，204是第二层含氧铂薄膜，205是本发明实施例2所制备的超大晶粒的铂薄膜，301是氧化铝基底，302是第一层含氧铂薄膜，303是第二层含氧铂薄膜，304是第三层含氧铂薄膜，305是本发明实施例3所制备的超大晶粒的铂薄膜。
具体实施方式
[0021]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
一种超大晶粒的铂薄膜，包括陶瓷基底；在所述陶瓷基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜。
[0023]
陶瓷基底为质量百分含量为96% ~ 99%的多晶氧化铝陶瓷，或单晶氧化铝陶瓷。
[0024]
含氧铂薄膜通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体。
[0025]
氩气和氧气的混合气体中，氧气的体积分数为0% ~ 100%。
[0026]
相邻的两层含氧铂薄膜之间存在氧浓度梯度。
[0027]
一种铂薄膜制备方法，包括以下步骤：s1、在氧化铝基底上沉积一层或多层含氧铂薄膜；s2、将上述含氧铂薄膜进行热处理。
[0028]
另一种铂薄膜制备方法，包括以下步骤：s1、在氧化铝基底上沉积一层含氧铂薄膜；s2、将上述含氧铂薄膜进行热处理；s3、在上述热处理后的含氧铂薄膜上沉积一层或多层含氧铂薄膜；s4、将上述含氧铂薄膜进行热处理；
其中步骤s3、s4可重复进行。
[0029]
优选例，热处理温度为0.52t
m ~ 0.72tm，tm为金属铂的熔点，热处理气氛为空气、氩气和氮气中的任一种。
[0030]
优选例，热处理包括：第一阶段热处理温度为0.28t
m ~ 0.45tm，热处理气氛为氧气或空气；第二阶段热处理温度为0.45t
m ~ 0.72tm，热处理气氛为空气、氩气和氮气中的任一种，其中tm为金属铂的熔点。
[0031]
实施例1本实施例提供一种超大晶粒的铂薄膜制备方法，包括以下步骤：s1、提供一陶瓷基底101，在所述陶瓷基底上沉积一层含氧铂薄膜102；s2、对所述含氧铂薄膜102进行热处理，获得超大晶粒的铂薄膜103。
[0032]
步骤s1中，含氧铂薄膜102通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为0% ~ 10%。
[0033]
步骤s2中，热处理气氛为空气，热处理温度为800℃ ~ 1100℃。
[0034]
实施例2本实施例提供一种超大晶粒的铂薄膜制备方法：包括以下步骤：s1、提供一陶瓷基底201，在所述陶瓷基底上沉积一层含氧铂薄膜202；s2、对所述含氧铂薄膜202进行热处理，获得202经热处理后的薄膜203；s3、在所述热处理后的薄膜203上沉积一层含氧铂薄膜204；s4、对上述薄膜203和204进行热处理，获得超大晶粒的铂薄膜205。
[0035]
步骤s1中，含氧铂薄膜202通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为30% ~ 50%。
[0036]
步骤s2中，热处理温度为900℃ ~ 1100℃，热处理气氛为空气。
[0037]
步骤s3中，含氧铂薄膜204通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为0% ~ 10%。
[0038]
步骤s4中，热处理过程分为两个阶段，其中第一阶段热处理温度为400℃~ 600℃，热处理气氛为空气；第二阶段热处理温度为800℃ ~ 1100℃，热处理气氛为空气或氩气。
[0039]
实施例3本实施例提供一种超大晶粒的铂薄膜制备方法：包括以下步骤：s1、提供一陶瓷基底301，在所述陶瓷基底上沉积第一层含氧铂薄膜302：s2、在第一层含氧铂薄膜302上沉积第二层含氧铂薄膜303；s3、在第二层含氧铂薄膜303上沉积第三层含氧铂薄膜304；s4、将上述薄膜302、303和304进行热处理，获得超大晶粒的铂薄膜305。
[0040]
步骤s1中，第一层含氧铂薄膜302通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为20% ~ 40%。
[0041]
步骤s2中，第二层含氧铂薄膜303通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为0% ~ 10%。
[0042]
步骤s3中，第三层含氧铂薄膜304通过磁控溅射方法制备，溅射载气为氩气和氧气的混合气体，其中氧气的体积分数为20 ~ 40%。
[0043]
步骤s4中，热处理过程分为两个阶段，其中第一阶段热处理温度为400℃ ~ 600
℃，热处理气氛为氧气；第二阶段热处理温度为800℃ ~ 1000℃，热处理气氛为空气或氩气。
[0044]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。