铁电薄膜材料的制备工艺及应用研究

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1、铁电薄膜材料的制备工艺及应用研究　　引言　　铁电薄膜具有介电性、压电性、热释电性、铁电性、以及电光效应、声光效应、光折变效和非线性光学效应等重要特性[1]，人们可单独利用其中某一性质或综合利用多种特性研制众多的铁电薄膜器件。随着薄膜制备技术的不断突破和飞速发展，铁电薄膜和铁电集成器件具有很好的应用前景，是目前功能材料与器件的研究热点。　　1铁电薄膜的制备工艺　　铁电薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、金属有机化学气相法、分子束外延法、金属有机物分解法、化学溶液沉积法等。　　

2、1.1溅射法　　20世纪40年代溅射技术作为一种镀膜方法开始得到应用和发展，60年代以后随着半导体工业的迅速崛起，这种技术被用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层，80年代以后得到了迅速发展。目前，磁控溅射技术已相对成熟，广泛应用于微电子、光电、材料表面处理等领域[1]。　　溅射法是一种比较成熟的薄膜制备技术，这种方法是利用电场作用下高速运动的离子轰击靶材，将靶上轰击下来的原子或离子团沉积在衬底上形成薄膜。溅射法包括射频磁控溅射法反应溅射、多元靶溅射及离子束溅射等。射频磁控溅射是制备铁电薄膜最成熟的方

3、法，正广泛用于制备各种铁电薄膜材料[2]，Jameo.Im以Ba0.5Sr0.5TiO3为靶源，采用磁控溅射技术制备了厚度为80nm的薄膜[3]。陈宏伟[4]等以BaxSr1-xTiO3陶瓷靶材及射频磁控溅射设备以优化工艺制备出与靶材基本一致的BST薄膜。　　溅射法的优点：由于溅射物流具有高达10几至几10ev的能量，在衬底表而能维持较高的表而迁移率，其制备的薄膜结晶性能较好，在适当的溅射参数下可获得单晶薄膜;成膜所需衬底温度较低;与集成工艺的兼容性较好;适用于多种铁电薄膜的制备;制备的铁电薄膜具有

4、较好的铁电性等。缺点：工艺的重复性，稳定性不好;生长速度慢，溅射时不同材料的溅射率不同，所获薄膜的组份比与靶材有一定差异，膜的微结构与组分均匀性均有待改善，技术上难以实现大而积衬底上生长高质量的铁电薄膜。　　1.2脉冲激光沉积法(PLD)　　脉冲激光沉积是指将脉冲激光器所产程的高功率脉冲激光聚焦作用于靶材表面，由于高温和烧蚀而产生高温高压等离子体(T>104K)，然后等离子体定向局域膨胀在基片上沉积而形成薄膜。W.J.KIM[5]等以化学计量的(Ba0.5,Sr0.5)TiO3为靶源，用PLD

5、法在MgO(001)基片上沉积了厚度为300nm的外延薄膜。XUHUA[6]等采用Pt/Ti/SiO2/Si基片，波长为248nm，能量密度2.0J/cm2，脉冲频率5Hz的KrF激光，在氧分压20Pa，基片温度6500C的条件下分别制备了200nm和400nm的PST薄膜，室温下10KHz时εr分别为771、971。　　脉冲激光沉积法的优点：用其制备的薄膜，其成分几乎与靶材相同，特别适用于制备含有多种挥发成分的薄膜。这种方法沉积速率高，常常可以获得外延膜。为了使薄膜具有较好的电学、

6、光学特性，一般需要较高的衬底温度和一定的氧分压。沉积好的薄膜一般不需要退火处理，但沉积好薄膜后，当系统冷却时，应增加氧分压，以减少氧空位，确保薄膜质量，对于某些材料而言，也可以选择较低的衬底温度。缺点：这种方法难于获得高质量的大面积铁电薄膜，而且它的工作条件要求过高，需要高真空腔、激光器、真空泵等相应的设备。所以制备出来的器件花费过高，制约了其商业应用。　　1.3分子束外延(MBE)　　分子束外延是一种特殊的蒸发技术，成膜材料以分子束方式在严格可控制条件下和超高真空条件下在衬底表面生长出原子级厚度和

7、平整度的外延薄膜，而且膜厚，组分，掺杂等均可精确控制。因此适合生长优质单晶(极薄)及超晶格薄膜。　　该法的主要优点是：(1).真空度高，残余气体污染很少，生长速率可以很低，精确控制可获得原子级厚度与平整度的外延层;(2).衬底温度可降低，减少生长应力，杂质扩散弱，因此外延层界面十分清晰;(3).生长过程是动力学过程，而不是热力学过程;(4).分子束激光源与衬底相距甚远，适合安装表面分析仪器对薄膜生长过程“实时”观察。　　1.4激光分子束外延法(L-MBE)　　激光分子束外延(L-MBE)是近年来发展

8、起来的一种新的薄膜制备技术，它将传统MBE的超高真空、原位监测的优点和脉冲激光沉积的易于控制化学成分、使用范围广等优点结合起来，在生长、探索人工控制多层膜的新材料方面具有独到之处。近年来，利用L-MBE已成功地研制了多种铁电薄膜和复合薄膜等，并可以实现薄膜的外延生长。结果表明，利用L-MBE技术可在薄膜生长过程中进行原子水平的观察和调控，并可在此基础上实现铁电薄膜的单原子层外延生长。姜斌[7]等人采用脉冲激光分子束外延方法，通过优化的工艺参数，在SrTiO3(100)