鈦酸鍶鋇薄膜在金屬銅箔上的制備及其性能研究.pdf

1、隨著微電子與光電子技術(shù)要求各種器件小型化、功能化、集成化，鐵電BST薄膜作為電子封裝系統(tǒng)中的埋容電容器介質(zhì)材料成為一個閃亮點。傳統(tǒng)的薄膜材料的制備，都是以貴金屬或?qū)щ娧趸餅榛w。隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，對薄膜電容器的需求的增大，造成國際上貴金屬等的短缺，同時也拉動了電容器成本的大幅度增加，在這種形勢下，金屬銅由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性，低的成本，成為薄膜基體的最優(yōu)選擇。但是由于BST薄膜的結(jié)晶需要800～900℃高溫的有氧環(huán)境，而金屬銅高溫容

2、易氧化等問題使得在金屬銅基體上制備BST薄膜成為一個挑戰(zhàn)。2006年Laughlin et al的報道，也僅限于通過磁控濺射的方法制備BST薄膜。至今還未見到更多的報道。本文旨在通過成本最低的溶膠-凝膠法在金屬銅基體上制備高介電常數(shù)的BST薄膜。 試驗選用醋酸鋇、醋酸鍶、鈦酸丁酯為主要的前驅(qū)化合物，采用溶膠-凝膠技術(shù)在金屬銅箔上制備鈦酸鍶鋇(BST)薄膜。薄膜的退火處理在流動的氬氣保護(hù)下完成。通過添加有機(jī)物聚乙二醇(PEG200

3、)成功地解決了薄膜的裂紋、剝皮等問題；并通過緩沖層、摻雜等進(jìn)一步改善薄膜的電學(xué)性能。 (1)通過DTA/Tg確定最佳的熱處理溫度，并比較不同PEG200添加量(20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％)的BST凝膠DTA-Tg，并對不同PEG添加量的BST溶膠所制備薄膜進(jìn)行XRD，電學(xué)性能測試，分析表明：PEG添加量為40wt％和50wt％的BST溶膠制備的BST薄膜的介電常數(shù)相對較高，在1MHZ時

4、分別為421和291，其介電損耗分別為0.11和0.108，且薄膜的漏電流密度也相對較小。PEG添加量為40wt％的BST溶膠制備的薄膜在116.7kV/cm(7V)時，其漏電流密度約為2000uA/cm2。所以PEG最佳添加量為40wt％左右。 (2)首次選用La2O3作為薄膜與基體的緩沖層。XRD、SEM測試證明了La2O3緩沖層有利于BST薄膜的結(jié)晶。通過介電性測試：La2O3緩沖層沒有明顯地改善Ba0.7Sr0.3TiO

5、3薄膜的介電行為，但卻明顯地提高了Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的介電常數(shù)，如750℃退火的Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜，有La2O3緩沖層時，薄膜的介電常數(shù)在1MHz時為248，相比沒有La2O3緩沖層的Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的介電常數(shù)(141)提高了很多。原因為La2O3緩沖層中的La3+進(jìn)入BST薄膜的晶格，使其居里溫度點發(fā)生移動，從鐵電滯回線可以得到證實。XPS深度剖析驗證La2O3緩沖層抑制了金屬銅離子在BST

6、薄膜中的擴(kuò)散。通過Ti2p峰的分析認(rèn)為BST薄膜中存在Ti3+離子。Ti3+的存在間接地反映了薄膜中存在著大量的氧空位。通過比較兩種薄膜的Ti2p峰中Ti3+峰的強度，說明了La2O3緩沖層有利于降低薄膜中的氧空位濃度，從而有效地降低了薄膜的漏電流密度。 (3)首次選用Mn離子對BST薄膜進(jìn)行A位摻雜。XRD測試驗證了Mn離子作為替代性摻雜進(jìn)入鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的A位。并且Mn摻雜有利于鈦酸鍶鋇薄膜的晶化，抑制了Ba的二次相的生成。在B

7、a0.7-xSr0.3MnxTiO3薄膜中摻雜x=0.025的Mn離子時，薄膜具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗，如在1MHz時，分別為1213和0.06。通過P-E鐵電滯回線的測試表明，Mn離子摻雜使室溫為鐵電相的Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的居里溫度降低，在室溫下表現(xiàn)為順電相；使室溫為順電性的Ba0.5Sr0.5TiO3顯示鐵電性的特征。漏電流測試顯示，Mn離子摻雜大大降低了薄膜的漏電流密度，從沒有Mn摻雜時的2.5×104uA

8、/cm2降低到100 uA/cm2(Ba0.675Sr0.3Mn0.025TiO3)。 (4)XPS測試了Ba0.7-xSr0.3MnxTiO3薄膜中的Mn以Mn2+的形式存在，同時伴隨著少量的Mn3+。沒有摻雜(x=0)時的BST薄膜中的Ti元素以Ti3+和Ti4+存在，而摻雜x=0.025Mn時薄膜中的Ti元素以Ti4+的形式存在。表明了Mn摻雜有利于降低薄膜中的氧空位。這與摻雜x=0.025Mn時的鈦酸鍶鋇薄膜的漏電流密度

9、大幅度降低比較一致。通過分析最佳的Mn摻雜量為x=0.025。 (5)Zr離子摻雜進(jìn)入BST結(jié)構(gòu)的B位。XRD表明隨Zr摻雜量的增加，Ba0.7Sr0.3(Ti1-xZrx)O3衍射峰向低角度移動；且Zr摻雜抑制了Ba的二次相的生成，有效地降低了薄膜中存在的壓應(yīng)變從1.05(x=0)降低到0.403(x=0.2)。采用FESEM表明Zr摻雜降低了薄膜的晶粒尺寸。HRTEM顯示了薄膜的多晶結(jié)構(gòu)，90°電疇和180°電疇均勻地分布在