鐵電薄膜的微細圖形制備及其性能研究.pdf

1、鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)、鈦酸鍶鋇(BST)等鐵電薄膜由于具有鐵電、壓電、熱釋電等效應(yīng),在非揮發(fā)性存儲器、非制冷紅外焦平面陣列探測器以及微電子機械系統(tǒng)等高新技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用.隨著集成鐵電學(xué)的發(fā)展,鐵電器件的集成度不斷提高,制備高性能的鐵電器件,除了制備優(yōu)良的鐵電薄膜以外,其微細圖形制備也成為關(guān)鍵技術(shù)之一.因此,研究鐵電薄膜微細圖形制備對于鐵電器件的發(fā)展具有重要的理論意義和實用價值. 本文系統(tǒng)研究了PZT、P

2、LZT、BST系列鐵電薄膜的化學(xué)修飾法感光性溶膠合成機理和直接感光法微細圖形制備原理,討論了不同襯底、不同晶種層對薄膜的相轉(zhuǎn)變溫度、晶體結(jié)構(gòu)及其性能的影響,提出了PZT、PLZT、BST系列鐵電薄膜的感光性Sol-gel工藝及其微細圖形、微陣列制備新方法. 系統(tǒng)研究了化學(xué)修飾劑β-二酮(乙酰丙酮、苯甲酰丙酮)與乙酸鉛、硝酸氧鋯、鋯酸丁酯、鈦酸丁酯、硝酸鑭、乙酸鋇、氯化鍶等出發(fā)原料的配位螯合反應(yīng)過程,結(jié)果表明:(1)β-二酮(乙酰

3、丙酮、苯甲酰丙酮)可以和乙酸鉛、硝酸氧鋯、鋯酸丁酯、鈦酸丁酯發(fā)生配位螯合反應(yīng),形成相應(yīng)的金屬螯合物結(jié)構(gòu),在后續(xù)的溶膠合成和凝膠薄膜制備過程中均能夠穩(wěn)定存在；在本研究條件下,β-二酮(乙酰丙酮、苯甲酰丙酮)不能和硝酸鑭、乙酸鋇、氯化鍶發(fā)生化學(xué)配位反應(yīng).(2)利用化學(xué)修飾劑β-二酮(乙酰丙酮、苯甲酰丙酮)與PZT、PLzT、BST溶膠合成過程中的部分出發(fā)原料可以發(fā)生配位螯合反應(yīng)的特性,可以合成含有螯合物結(jié)構(gòu)的PZT、PLZT、BST系列溶膠

4、,其紫外特征吸收峰為其中螯合物結(jié)構(gòu)的特征吸收峰的加和結(jié)果,并隨著螯合物的種類和相對含量的不同在一定范圍內(nèi)變化.(3)所合成的:PZT、PLZT、BST溶膠及其凝膠薄膜在可見光、大氣環(huán)境下具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；采用適當波長范圍的紫外光源照射凝膠薄膜,可以光致分解薄膜中的螯合物結(jié)構(gòu),從而使凝膠薄膜表現(xiàn)出明顯的感光特性.(4)對相應(yīng)凝膠薄膜采用直接感光工藝,結(jié)合乙醇溶洗和熱處理過程,可以得到具有微細圖形的鐵電薄膜.(5)采用苯甲酰丙

5、酮為主要化學(xué)修飾劑合成的螯合物及其最終制備的溶膠和凝膠薄膜具有更好的感光性. 系統(tǒng)研究了在不同襯底上制備的PZT、PLZT、BST薄膜相轉(zhuǎn)變溫度、晶體結(jié)構(gòu)及其鐵電、介電性能,結(jié)果表明:(1)本研究所采用的微細圖形制備工藝對鐵電薄膜的組分、晶體結(jié)構(gòu)、鐵電介電性能沒有明顯影響.(2)PZT、PLZT、BST鐵電薄膜生長和晶相轉(zhuǎn)變,屬于"形核控制"方式,采用晶格匹配度好的襯底或晶種層能提供其異質(zhì)形核核心,能有效改善PZT、PLZT、B

6、ST薄膜的鐵電、介電性能.目前采用該工藝制備的PZT、PLZT、BST薄膜的最低熱處理溫度介于550℃～600℃,基本接近或達到鐵電器件集成的允許溫度和基本性能要求. 采用雙光束He-Cd激光的二次干涉,通過控制曝光時間,可以在無需掩模的條件下,制備大面積、微米級、亞微米級PZT、PLZT薄膜的光柵、格柵和點陣列微細圖形.目前研究制備的陣列圖形最小周期間距為0.9μm,陣點單元尺寸約為350nmx350nmx40nm；所制備的微

7、陣列的陣點單元在交變電場作用下,具有明顯的鐵電特性. 制備出高密度的二維ZrO<,2>格柵模板,并在格柵孔內(nèi)組裝了PZT、PLZT鐵電陣列,其中,PZT組裝陣列的周期間距為1μm,陣列單元尺寸約為500nm×500nm×30nm； PLZT組裝陣列周期間距為500m,陣列單元尺寸約為250nm×250nm×30nm.研究結(jié)果表明,在該尺度下鐵電陣列單元仍表現(xiàn)出明顯的鐵電特性. 本研究還將掃描力探針顯微鏡和鐵電分析