BST铁电薄膜的制备_应用及其研究进展_丁历

第19卷第11期化工时刊Vol.19,No.11

BST铁电薄膜的制备、应用及其研究进展

丁 历 廖恒成 姜云峰

(东南大学材料科学与工程系,江苏南京210096)

摘要 综述了钛酸锶钡(BST)铁电薄膜的4种制备工艺:磁控溅射(Magnetronsputtering)法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、脉冲激光淀积(PLD)法,以及溶胶)凝胶(Sol)Gel)法。并介绍了BST铁电薄膜在动态随机存储器、非致冷红外探测器热成像、移相器等方面的应用及其研究进展。关键词 钛酸锶钡(BST) 铁电薄膜 制备

ThePreparationApplicationandProgressofResearchontheFerroelectricThinFilmofBariumStrontiumTitanate

DingLi LiaoHengcheng JianYunfeng

(DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,JiangsuNanjing210096)

Abstract Magnetronsputtering,MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition),PLD(PulsedLaserDeposition)andSol)Gel,thepreparationtechnologiesforferroelectricthinfilmofbariumstrontiumtitanate(BST)areintroduced.AndthedevelopmentandresearchofBSTferroeleetricthinfilm,anditsapplicationsonDRAM,uncooledinfrareddetectorofthermalimagerandphaseshifter,arereviewed.

Keywords BariumStrontiumTitanate(BST) ferroelectricthinFilm preparation 铁电薄膜包括铁电陶瓷(多晶)、铁电晶体(单晶)和铁电非晶态薄膜,铁电薄膜材料具有铁电、压电、热电、电学、光学、热学、声学等一系列优良性能,因而在光电子学、集成光学、微电子学和微电子机械系统领域有着广泛的应用。近年来,铁电薄膜的制备、结构、性能及其应用已经成为新材料研究的热点之一。目前典型的铁电薄膜有Pb(ZrxTi1-x)简称(PZT)、Pb1-x/100Lax/100(

BST薄膜的前身是BaTiO3(BT),BT是最早发现的一种钙钛矿铁电体,具有电容率大、非线性强等特点,但对于温度和频率有显著的依赖性。为了克服这个缺点,用Sr部分取代Ba,这样就形成了(Ba、Sr)TiO3体系材料。由于薄膜材料便于集成、制作的元器件体积小、击穿电压高,因而上世纪90年代以来人们的注意力逐渐从BST块体材料转移到BST薄膜[1]。

Zry/100Ti2/100)O3简称(PLZT)、(Pa,La)

TiO9简称(PLT)、PbTiO3、BaTiO3(BT)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、SrBi2Ta2O9(SBT)等。其中BST由于其具有介电常数高、损耗因子小、热释电效应显著、对光的吸收系数低等特点,特别是通过调整BaBSr比可以改变其居里温度,因而在动态随机存储器(DRAM)、热释电红外探测器、移相器等器件的制造中有广泛的应用。因而,如何成功制备出优良性能的BST薄膜成为目前热门前沿课题之一。

收稿日期:2005-09-02

作者简介:丁历(1981~),男,硕士生,Email:lengmeidlio123@http://

制备BST主要有3种沉积工艺[2],即物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)和溶胶)凝胶法(Sol)Gel)。其中物理气相沉积法又包括;磁控溅射(Magnetronsputtermg)、等离子束和电子束蒸发沉积、脉冲激光沉积(PLD)以及分子束外延(MBE)等。CVD技术将含有相关成分的前驱物蒸发气化,并使其吸附在衬底表面生长成BST薄膜,与CVD工艺原理类似

)

丁 历等 BST铁电薄膜的制备、应用及其研究进展 的还有金属)有机物气相沉积(MOCVD)、等离子增强气相沉积(PECVD)、原子层金属)有机物气相沉积(AL)MOCVD)等。相比之下Sol)Gel方法最易保证精确的化学计量比和均匀性,与Sol)Gel法相关的还有金属有机物分解法(MOD)、化学溶解沉积(CSD)法。本文就目前制备BST薄膜常用的4种方法做简单介绍。

1.1 磁控溅射(Magnetronsputtering)法

磁控溅射是利用高能离子轰击靶材形成溅射物流,在衬底表面沉积形成薄膜。它是制备铁电薄膜最成熟的技术,包括射频磁控溅射、反应溅射、多元靶溅射及离子溅射。由于这种方法的沉积速率可以比其它溅射方法高出一个数量级,所以,磁控溅射技术是应用最为广泛的一种溅射沉积方法。Jameo.Im[4]以Ba015Sr015TiO3为靶源,采用磁控溅射技术制备了厚度为80nm的薄膜。陈宏伟[5]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。磁控溅射的优点是:衬底温度较低、制得的薄膜结晶性能好、与集成工艺兼容性好、铁电性好等。其缺点是:生长速率慢,制得的薄膜成分和靶材有一定的偏差。影响薄膜质量和性能的工艺参数有很多:衬底、衬底温度、溅射功率、溅射气氛等,通过优化这一系列工艺参数可以制备出性能比较优异的薄膜材料。

1.2 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法是将反应气体(N2或Ar等)和气化的金属有机物通入反应室,经过热分解沉积在加热的衬底上而形成薄膜。这种方法自上世纪60年代被首次用于化合物半导体薄膜单晶的制备以来,现已被广泛用于超导薄膜和铁电薄膜的制备。Gao[6]等利用此方法制备出保形台阶覆盖、结晶性能良好,并具有较好介电性能的BST薄膜;而且,利用同位素示踪技术研究揭示了MOCVD制备BST薄膜的两个成膜反应:氧化过程和前驱体分子的热分解过程。这种方法的优点是:薄膜沉积速率较高,可制备大面积薄膜,适于大批量生产,能精确控制薄膜的化学组分和厚度,薄膜纯度高等:其缺点是此方法不容易获得源物质,设备成本比较高。1.3 脉冲激光沉积(PLD)法

脉冲激光沉积法基本原理是将一束高功率激光聚焦到符合化学计量比的陶瓷烧结靶表面上,使靶材

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20051Vol119,No111

化工时刊

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