RF磁控濺射及LSMCD法制備鐵電薄膜的研究.pdf

1、鐵電薄膜由于具有壓電、熱釋電、鐵電效應(yīng),在制備工藝上還可以逐漸做到與半導(dǎo)體平面工藝兼容,目前已成為國際上新型功能材料研究的熱點之一. 本文首先制備出濺射所需的PZT和BST陶瓷靶材,然后使用直流對靶磁控濺射法在SiO<,2>/Si襯底上制備Pt/Ti底電極,最后應(yīng)用射頻磁控濺射法在Pt/Ti/SiO<,2>/Si襯底上制備具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT和BST鐵電薄膜.襯底為Pt/Ti/SiO<,2>/Si,濺射氣氛為Ar氣,700℃下

2、退火的PZT薄膜樣品,經(jīng)計算,矯頑場強為45KV/cm,剩余極化強度和自發(fā)極化強度分別是101μC/cm<'2>和12μC/cm<'2>.襯底為Pt/Ti/SiO<,2>/Si,濺射氣氛為Ar氣,800℃下退火的BST薄膜樣品,經(jīng)計算,矯頑場強為100KV/cm,剩余極化強度和自發(fā)極化強度分別是5μC/cm<'2>和12μC/cm<'2>.探索了不同氣氛條件對PZT和BST薄膜的影響,發(fā)現(xiàn)通氧氣不利于PZT薄膜中鈣鈦礦相的生成,但有利于

3、BST薄膜鈣鈦礦相的生成.探索了不同退火條件對PZT薄膜的影響,發(fā)現(xiàn)退火溫度低于700℃時易于得到燒綠石結(jié)構(gòu)而不利于鈣鈦礦相的生成.對影響PZT薄膜性能的五個因素:工作氣壓、基片溫度、氧/(氬+氧)之比、濺射功率、退火溫度分別在其允許范圍和精度內(nèi)設(shè)置五個水平.根據(jù)均勻設(shè)計理論對該五因素五水平進行均勻設(shè)計.應(yīng)用射頻磁控濺射在Pt/Ti/SiO<,2>/Si上制備了PZT薄膜,測定了PZT薄膜的厚度、表面形貌及電學(xué)性能.最后對這些響應(yīng)結(jié)果進

4、行了二次線性回歸,得出回歸方程。并對每個回歸方程中最顯著的兩項因素做出了三維模擬響應(yīng)面分析.探討了達到最優(yōu)化薄膜特性所需要的工藝條件.使用原子力顯微技術(shù)分析了不同濺射過程參數(shù)對PZT薄膜樣品的平均晶粒尺寸,均方根粗糙度和算術(shù)平均面粗糙度的影響.實驗結(jié)果表明基片溫度對PZT薄膜的表面形貌影響不大,提高濺射的工作氣壓和濺射功率能增大薄膜的薄膜晶粒尺寸,增大靶基距能減小薄膜的晶粒尺寸.提高濺射的工作氣壓和靶基距能減小薄膜的均方根粗糙度和算術(shù)平

5、均面粗糙度,提高濺射功率能增大薄膜的均方根粗糙度和算術(shù)平均面粗糙度.使用液態(tài)源霧化化學(xué)沉積法制備出了不同結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜.XRD測試表明制備的薄膜具有鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu),SEM表明制備的薄膜晶粒大小約為20-100nm.測定了不同結(jié)構(gòu)鈦酸鍶鋇鐵電薄膜的電滯回線,并計算出梯度BST薄膜樣品的矯頑場強為100kV/cm,飽和極化強度和剩余極化強度分別為12.5μC/cm<'2>和7.5μC/cm<'2>,介電常數(shù)及介電損耗分別為526和