梯度組分BST薄膜的制備及其電學(xué)性能的研究

項(xiàng)超

(湖北師范學(xué)院 研究生處,湖北 黃石 435002)

隨著通信技術(shù)的日益發(fā)展，越來越要求微波調(diào)制器件具有優(yōu)異的綜合介電性能，從而要求器件的介質(zhì)薄膜具有高的介電調(diào)諧率、低的介質(zhì)損耗及低的介電溫度系數(shù).因此,研發(fā)具有該性能特征的薄膜材料已成為材料研究領(lǐng)域競相角逐的一個(gè)對(duì)象[1].無鉛系鐵電薄膜Ba1-xSrxTiO3(簡稱BST)由于具有非線性強(qiáng)、漏電流小、不易疲勞、居里溫度在100～400 K內(nèi)可調(diào)等特點(diǎn)[2]，BST薄膜被認(rèn)為是微波調(diào)制器件的首選材料[3].

要實(shí)現(xiàn)BST薄膜在微波調(diào)制器件領(lǐng)域的應(yīng)用，BST薄膜必須滿足上述性能要求.單層BST薄膜雖然具有較高的介電調(diào)諧率,但也具有較高的介質(zhì)損耗及介電溫度系數(shù),而且該介質(zhì)損耗及介電溫度系數(shù)通過制備工藝及晶化工藝的改善都難以降低,難以滿足應(yīng)用要求[4].目前,一種比較可行的方法是制備梯度組分薄膜材料.考慮到每一組分膜越薄,組分越多，梯度變化越緩慢越有利于梯度薄膜的形成.同時(shí)綜合各個(gè)組成成份的特點(diǎn),得到整體的平均性能,緩解材料兩側(cè)的應(yīng)力差,有利于提高薄膜材料的電學(xué)性能.在制作薄膜器件方面梯度組分薄膜有著非常大的應(yīng)用前景,引起了廣泛的關(guān)注[5].

制備梯度組分BST薄膜的方法有很多,包括脈沖激光沉積(PLD)、磁控濺射(RF)、溶膠-凝膠法(sol-gel)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等，其中磁控濺射法由于具有組分均勻、膜層質(zhì)量好、可大面積成膜、與IC工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)而成為制備薄膜的首選方法.本文采用射頻磁控濺射法制備了梯度組分BST薄膜,研究了不同梯度組分對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和電性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

選用Si(100)為襯底,用標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝清洗片，SiO2層是通過普通的半導(dǎo)體熱氧化工藝——干氧/濕氧/干氧,在Si(100)基片上氧化而成,厚約300 nm.Pt層和Ti層均由直流濺射法制備,厚度分別約為200 nm和300 nm.在此結(jié)構(gòu)中SiO2既是擴(kuò)散阻檔層也是熱絕緣層,Ti膜起著緩沖并增加Pt膜附著力的作用.隨后應(yīng)用射頻磁控濺射法在Pt/Ti/SiO2襯底上沉積梯度組分BST薄膜,其具體工藝條件如表1所示.

沉積后的梯度組分薄膜在管式爐中升溫到700 ℃退火1 h，自然冷卻到室溫.梯度組分薄膜的結(jié)晶取向通過日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/max-Ⅲc型X射線衍射(XRD)儀分析;梯度薄膜的厚度用臺(tái)階儀測量;用原子力顯微鏡(AFM)觀察羅文梯度薄膜的表面形貌.用HP4192A 低頻阻抗分析儀測試梯度組分BST薄膜的介電性能,測試前采用掩模通過直流濺射法在梯度組分BST薄膜表面鍍上圓形的Pt電極(φ=0.3 mm),測試頻率為1 kHz～1 MHz,測試溫度為-1～25 ℃.

表1 射頻磁控濺射法沉積薄膜工藝參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1 在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上沉積的上梯度和下梯度組分BST薄膜的XRD圖

2.1 X射線衍射分析圖1給出了相同條件下沉積在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上的上梯度和下梯度BST薄膜的XRD圖.從圖中可以看出,上、下梯度BST薄膜都具有比較明顯的鈣鈦礦相衍射峰，且為多晶結(jié)構(gòu)，無第二相形成.但是下梯度BST薄膜具有較高的(100)、(110)和(200)衍射峰,顯示下梯度組分薄膜晶化程度較好.下梯度膜的沉積順序是從BT到Ba0.7Sr0.3TiO3,先沉積的BT影響著后來沉積的其它不同組分的BST,因此BT膜層充當(dāng)了較好的種子層,改善了BST薄膜的晶化程度和致密性.

2.2 AFM微觀形貌分析圖2給出了對(duì)應(yīng)于上、下梯度組分BST薄膜的掃描圖，梯度薄膜表面無裂紋，相比而言，下梯度組分BST薄膜的晶粒更加均勻，表面更加平整.

圖2 上、下梯度組分BST薄膜的SEM圖

圖3 上、下梯度組分BST薄膜的AFM 3-D圖

圖3是上、下梯度組分薄膜的3D原子力顯微圖，結(jié)果顯示下梯度薄膜表面更加平整，其RMS為3.385 nm,小于上梯度薄膜的RMS(4.678),這可能是由于在下梯度組分BST薄膜中,底層的BT膜可以作為種子層,對(duì)接下來的BST薄膜層的晶化有促進(jìn)作用,這將會(huì)使梯度薄膜表面更加平整.

圖4 上、下組分梯度BST薄膜的介電頻譜圖

2.3 BST組分梯度薄膜的介電性能分析圖4是相同條件下沉積在襯底上的上梯度和下梯度BST薄膜的介電頻譜圖，在低頻(<100 kHz)時(shí)，介電常數(shù)和介電損耗都隨頻率的增加呈指數(shù)減小，這是由于空間電荷和Maxwell-Wagner類型的界面極化造成的[6].空間電荷極化與非均勻的電荷堆積、梯度組分薄膜中的多界面相聯(lián)系.在高頻(>100 kHz)區(qū),介電常數(shù)和介電損耗都沒有明顯的色散現(xiàn)象.相比較而言,下梯度薄膜的介電常數(shù)比上梯度薄膜的大,而介電損耗比上梯度薄膜的小.BST薄膜的熱膨脹系數(shù)為aBST=3.8～4.0×10-6/℃，它比Pt(111)的熱膨脹系數(shù)(aPt=9.0×10-6/℃)要小，而BST的晶格常數(shù)(aBST=0.395 2 nm，aBT=0.398 2 nm)比Pt的晶格常數(shù)(aPt=0.392 3 nm)要大，因此，熱膨脹系數(shù)的差異和晶格失配導(dǎo)致薄膜中不同的應(yīng)力場，而這種應(yīng)力場對(duì)梯度組分BST薄膜的電學(xué)性能有著顯著的影響.不僅如此,下梯度組分薄膜中,BT層不僅作為一個(gè)底層,而且是一個(gè)很好的種子層,它有助于接下來的BST層的晶化,增強(qiáng)了梯度組分BST薄膜的介電性能.在200 kHz時(shí)，上、下梯度組分BST薄膜的介電常數(shù)分別為253.3和343.75，介電損耗分別為0.063和0.025.

圖5給出了在室溫下、1 MHz、10 V(200 kV/cm)偏壓時(shí)上、下梯度組分BST薄膜的C-E曲線，測得上、下梯度薄膜的介電可調(diào)分別是49.2%和45.86%.此時(shí)盡管下梯度薄膜的可調(diào)特性稍微小于上梯度薄膜,但下梯度薄膜的損耗(0.025)要遠(yuǎn)小于上梯度薄膜(0.063).薄膜的調(diào)諧性能通常用優(yōu)值因子(FOM)來衡量,因此可以得到下梯度組分薄膜的優(yōu)值因子為18.34,要遠(yuǎn)大于上梯度組分薄膜的優(yōu)值因子7.81.

圖5 上、下組分梯度BST薄膜的C-E曲線

3 結(jié)論

采用射頻磁控濺射法在Pt/Ti/SiO2襯底上制備了上、下梯度組分BST薄膜，研究表明：上、下梯度組分BST薄膜所有的特征衍射峰都清晰可見，下梯度組分BST薄膜具有較強(qiáng)的(100)、(110)和(200)衍射峰，表面無裂紋，結(jié)構(gòu)較為致密，晶化程度良好；在200 kHz時(shí)，上、下梯度組分薄膜的介電常數(shù)分別為253.3和343.75,介電損耗分別為0.063和0.025;在250 kV/cm偏置電場下，上、下梯度組分薄膜的介電可調(diào)分別為49.2%和45.86%,比較接近.但是下梯度組分薄膜的優(yōu)值因子遠(yuǎn)大于上梯度組分薄膜的優(yōu)值因子,說明下梯度組分BST薄膜是比較理想的介電調(diào)諧材料,用于微波調(diào)制器件是可行的.

參考文獻(xiàn)：

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