BST鐵電薄膜的制備及介電性能研究

黃 歆，樊青青，翟禹光，黃 瑋，李俊紅，汪承灝

1. 北京中科飛鴻科技有限公司, 北京 100095; 2.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190; 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

鐵電薄膜材料因其優(yōu)越的介電、壓電、鐵電、熱電、光電性能，從而在微波調(diào)諧器[1]、動態(tài)隨機存儲器(DRAM)[2]、聲表面波器件[3]、熱釋電紅外傳感器[4]、移相器[5]等器件中有廣泛的應(yīng)用。目前典型的鐵電薄膜有PbZrxTi1-xO3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)、(Pa,La)TiO3(PLT)、PbTiO3、BaTiO3(BT)、鈦酸鍶鋇((Ba,Sr)TiO3，BST)、SrBi2-Ta2O9(SBT)等。其中，鈣鈦礦ABO3型BST是由鈦酸鋇和鈦酸鍶兩種材料混合燒結(jié)形成的完全固溶體，它融合了兩種材料的優(yōu)點，是一種具有介電系數(shù)高,電壓非線性強,損耗小,穩(wěn)定性高等良好性能[6-9]的鐵電材料，被廣泛應(yīng)用于可調(diào)頻器件等領(lǐng)域[10-14]。因此，如何制備出更高性能的BST薄膜是新材料研究的熱點之一。

目前制備BST薄膜的常用方法有金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法[15]、脈沖激光沉積(PLD)法[16]、溶膠-凝膠(Sol-Gel)法[17]及磁控濺射法[18]。MOCVD法的沉積速率較高，但不易獲得源物質(zhì)，設(shè)備成本較高。PLD法制得的薄膜可高度擇優(yōu)生長或直接外延生長，但薄膜的均勻性較差。Sol-Gel法工藝簡單，適用于大批量生產(chǎn)，且在摻雜情況下也適用，但薄膜致密性差，易出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。磁控濺射法制得的薄膜結(jié)晶性好，與集成工藝兼容，且鐵電性好，是目前制備鐵電薄膜最成熟的方法。采用磁控濺射法制備BST薄膜時，主要分為高溫濺射和低溫濺射高溫退火兩種不同的方法。本文通過射頻磁控濺射法在藍寶石基片上制備了BST薄膜，采用高溫濺射和低溫濺射高溫退火兩種工藝分析了其對薄膜性能的影響。

1 實驗

1.1 BST薄膜的制備

在藍寶石基片上采用射頻磁控濺射法制備了Pt(200 nm)/Ti(50 nm)的底電極。濺射BST采用76 mm的Ba0.7Sr0.3TiO3作為靶材。高溫濺射時，背景真空度為3×10-4Pa，基片溫度600 ℃，濺射氣壓0.4 Pa，濺射氣氛Ar與O2流量比為10∶20，射頻濺射功率90 W條件下制備BST鐵電薄膜。BST薄膜沉積到基片上后立刻進行成核和結(jié)晶生長，濺射完畢得到的薄膜是結(jié)晶狀態(tài)。另一種工藝的基片溫度采用400 ℃，其余濺射參數(shù)不變。濺射后得到的BST薄膜結(jié)晶效果差，鐵電性能低。據(jù)文獻[19]報道，在700～800 ℃進行退火得到的BST薄膜性能較好，因此，本文利用馬弗爐采用升溫程序(電流5.5 A，從0升至750 ℃，并在750 ℃時保溫30 min后關(guān)閉馬弗爐，BST薄膜的溫度隨爐降至室溫)對薄膜進行高溫退火處理可促使薄膜結(jié)晶生長，得到結(jié)晶效果良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，從而提高BST薄膜的鐵電性能。

1.2 儀器及測試方法

采用德國Bruker公司的D8 Advance X線衍射(XRD)儀，Cu靶Κα(λ=0.154 06 nm)輻射光源，對制備的BST薄膜做XRD測試，并分析了樣品的晶體結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品的微觀表面形貌進行了分析。對于BST薄膜，其介電常數(shù)-偏壓特性是研制高性能可調(diào)頻器件的重要評價指標。薄膜的相對介電常數(shù)為

(1)

式中：C為薄膜樣品的電容；d為薄膜的厚度；S為電容的有效電極面積；ε0=8.854×10-12F/m為真空介電常數(shù)。

本文通過測得樣品電容-電壓(C-V)的關(guān)系，并根據(jù)式(1)得到其介電常數(shù)-偏壓特性，分析了其介電性能。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)分析

圖1為BST薄膜樣品的XRD譜圖。由圖可觀察到BST的(110)峰和(200)峰。由圖還可看出，高溫濺射的BST薄膜峰更尖銳，即與低溫濺射高溫退火工藝相比，采用高溫濺射工藝的薄膜生長及結(jié)晶度均較好。

圖1 不同工藝的BST薄膜的XRD譜

2.2 微觀表面形貌

薄膜的致密性及表面粗糙度嚴重影響其性能。圖2為樣品薄膜的SEM圖。由圖可看出，低溫濺射后再高溫退火得到的BST薄膜致密性差，且伴隨開裂現(xiàn)象。與低溫濺射再高溫退火工藝相比，高溫濺射使薄膜的致密性更好，且薄膜無開裂現(xiàn)象。運用臺階儀測量了樣品的表面輪廓如圖3所示。由圖可看出，低溫濺射高溫退火得到的BST薄膜表面起伏約為膜厚的1/3，而高溫濺射得到的BST薄膜表面起伏僅為膜厚的1%，可忽略。因此，從薄膜致密性和表面光滑度這兩方面來看，高溫濺射得到的薄膜性能明顯優(yōu)于低溫濺射高溫退火得到的薄膜性能。

圖2 不同工藝的BST薄膜的SEM圖

圖3 不同工藝的BST薄膜的表面輪廓圖

用能譜分析(EDS)儀分別測量了兩種不同工藝得到的BST樣品薄膜且分布相隔較遠的3個位置所含的元素及其比例，如圖4所示。由圖可看出，除Ba、Sr、Ti、O外無其他雜質(zhì)(Pt、Al均來自電極)，其中低溫濺射再高溫退火樣品中O的原子分數(shù)x(O)=66.34%～69.18%，Ti與Ba+Sr的原子比約為2.1。高溫濺射樣品中，x(O)=63.32%～64.8%，Ti與Ba+Sr的原子比約為2.6，且高溫濺射得到的BST薄膜成分分布較均勻。由EDS得到的各元素含量與靶材的各元素含量存在誤差，這主要由各元素的濺射速率不同導(dǎo)致。由此可見，用本文所述方法制備的BST薄膜除Ba,Sr,Ti,O元素外并無其他雜質(zhì)，且采用高溫濺射工藝更能滿足薄膜均一性的要求。

2.3 介電性能

通過以上分析，高溫濺射工藝制備的BST薄膜性能優(yōu)于低溫濺射高溫退火得到的BST薄膜。因此，采用高溫濺射的工藝，在已有Pt/Ti底電極的藍寶石基片上沉積厚為650 nm的BST薄膜。將其圖形化，并采用剝離技術(shù)在薄膜上沉積一層厚200 nm的Al作為頂電極，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過測試其C-V曲線并利用式(1)得到樣品εr的變化如圖6所示。在頻率300 kHz，隨著直流偏壓變化時，εr在127.5～82.0內(nèi)呈現(xiàn)非線性減小趨勢，可調(diào)諧率為23.86%～27.90%。

圖6 測試樣品的介電常數(shù)-偏壓特性曲線

3 結(jié)束語

本文通過磁控濺射法，采用高溫濺射和低溫濺射高溫退火兩種不同的工藝制備了BST薄膜。從XRD譜可看出，與低溫濺射高溫退火工藝相比，采用高溫濺射工藝制備的薄膜生長較好，結(jié)晶度也較好。從SEM圖可看出，低溫濺射高溫退火制備的BST薄膜易開裂，且致密性明顯較差。高溫濺射制備的BST薄膜表面光滑，粗糙度小，而低溫濺射高溫退火使BST薄膜的粗糙度達到了樣品膜厚的1/3。通過磁控濺射(高溫濺射)得到的樣品不含雜質(zhì)，且采用高溫濺射工藝更能滿足薄膜均一性的要求。因此，采用高溫濺射得到的薄膜性能明顯更優(yōu)于低溫濺射高溫退火得到的BST薄膜。通過C-V曲線測試，得到在藍寶石基片上高溫濺射制得的BST薄膜在頻率300 kHz時，介電常數(shù)在127.5～82.0內(nèi)呈現(xiàn)非線性減小，可調(diào)諧率為23.86%～27.9%。