梯度组分BST薄膜的制备及其电学性能的研究

项超

(湖北师范学院 研究生处,湖北 黄石 435002)

随着通信技术的日益发展，越来越要求微波调制器件具有优异的综合介电性能，从而要求器件的介质薄膜具有高的介电调谐率、低的介质损耗及低的介电温度系数.因此,研发具有该性能特征的薄膜材料已成为材料研究领域竞相角逐的一个对象[1].无铅系铁电薄膜Ba1-xSrxTiO3(简称BST)由于具有非线性强、漏电流小、不易疲劳、居里温度在100～400 K内可调等特点[2]，BST薄膜被认为是微波调制器件的首选材料[3].

要实现BST薄膜在微波调制器件领域的应用，BST薄膜必须满足上述性能要求.单层BST薄膜虽然具有较高的介电调谐率,但也具有较高的介质损耗及介电温度系数,而且该介质损耗及介电温度系数通过制备工艺及晶化工艺的改善都难以降低,难以满足应用要求[4].目前,一种比较可行的方法是制备梯度组分薄膜材料.考虑到每一组分膜越薄,组分越多，梯度变化越缓慢越有利于梯度薄膜的形成.同时综合各个组成成份的特点,得到整体的平均性能,缓解材料两侧的应力差,有利于提高薄膜材料的电学性能.在制作薄膜器件方面梯度组分薄膜有着非常大的应用前景,引起了广泛的关注[5].

制备梯度组分BST薄膜的方法有很多,包括脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射(RF)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等，其中磁控溅射法由于具有组分均匀、膜层质量好、可大面积成膜、与IC工艺兼容性好等优点而成为制备薄膜的首选方法.本文采用射频磁控溅射法制备了梯度组分BST薄膜,研究了不同梯度组分对薄膜的结构和电性能的影响.

1 实验

选用Si(100)为衬底,用标准的RCA工艺清洗片，SiO2层是通过普通的半导体热氧化工艺——干氧/湿氧/干氧,在Si(100)基片上氧化而成,厚约300 nm.Pt层和Ti层均由直流溅射法制备,厚度分别约为200 nm和300 nm.在此结构中SiO2既是扩散阻档层也是热绝缘层,Ti膜起着缓冲并增加Pt膜附着力的作用.随后应用射频磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2衬底上沉积梯度组分BST薄膜,其具体工艺条件如表1所示.

沉积后的梯度组分薄膜在管式炉中升温到700 ℃退火1 h，自然冷却到室温.梯度组分薄膜的结晶取向通过日本理学公司生产的D/max-Ⅲc型X射线衍射(XRD)仪分析;梯度薄膜的厚度用台阶仪测量;用原子力显微镜(AFM)观察罗文梯度薄膜的表面形貌.用HP4192A 低频阻抗分析仪测试梯度组分BST薄膜的介电性能,测试前采用掩模通过直流溅射法在梯度组分BST薄膜表面镀上圆形的Pt电极(φ=0.3 mm),测试频率为1 kHz～1 MHz,测试温度为-1～25 ℃.

表1 射频磁控溅射法沉积薄膜工艺参数

2 实验结果与讨论

图1 在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上沉积的上梯度和下梯度组分BST薄膜的XRD图

2.1 X射线衍射分析图1给出了相同条件下沉积在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的上梯度和下梯度BST薄膜的XRD图.从图中可以看出,上、下梯度BST薄膜都具有比较明显的钙钛矿相衍射峰，且为多晶结构，无第二相形成.但是下梯度BST薄膜具有较高的(100)、(110)和(200)衍射峰,显示下梯度组分薄膜晶化程度较好.下梯度膜的沉积顺序是从BT到Ba0.7Sr0.3TiO3,先沉积的BT影响着后来沉积的其它不同组分的BST,因此BT膜层充当了较好的种子层,改善了BST薄膜的晶化程度和致密性.

2.2 AFM微观形貌分析图2给出了对应于上、下梯度组分BST薄膜的扫描图，梯度薄膜表面无裂纹，相比而言，下梯度组分BST薄膜的晶粒更加均匀，表面更加平整.

图2 上、下梯度组分BST薄膜的SEM图

图3 上、下梯度组分BST薄膜的AFM 3-D图

图3是上、下梯度组分薄膜的3D原子力显微图，结果显示下梯度薄膜表面更加平整，其RMS为3.385 nm,小于上梯度薄膜的RMS(4.678),这可能是由于在下梯度组分BST薄膜中,底层的BT膜可以作为种子层,对接下来的BST薄膜层的晶化有促进作用,这将会使梯度薄膜表面更加平整.

图4 上、下组分梯度BST薄膜的介电频谱图

2.3 BST组分梯度薄膜的介电性能分析图4是相同条件下沉积在衬底上的上梯度和下梯度BST薄膜的介电频谱图，在低频(<100 kHz)时，介电常数和介电损耗都随频率的增加呈指数减小，这是由于空间电荷和Maxwell-Wagner类型的界面极化造成的[6].空间电荷极化与非均匀的电荷堆积、梯度组分薄膜中的多界面相联系.在高频(>100 kHz)区,介电常数和介电损耗都没有明显的色散现象.相比较而言,下梯度薄膜的介电常数比上梯度薄膜的大,而介电损耗比上梯度薄膜的小.BST薄膜的热膨胀系数为aBST=3.8～4.0×10-6/℃，它比Pt(111)的热膨胀系数(aPt=9.0×10-6/℃)要小，而BST的晶格常数(aBST=0.395 2 nm，aBT=0.398 2 nm)比Pt的晶格常数(aPt=0.392 3 nm)要大，因此，热膨胀系数的差异和晶格失配导致薄膜中不同的应力场，而这种应力场对梯度组分BST薄膜的电学性能有着显著的影响.不仅如此,下梯度组分薄膜中,BT层不仅作为一个底层,而且是一个很好的种子层,它有助于接下来的BST层的晶化,增强了梯度组分BST薄膜的介电性能.在200 kHz时，上、下梯度组分BST薄膜的介电常数分别为253.3和343.75，介电损耗分别为0.063和0.025.

图5给出了在室温下、1 MHz、10 V(200 kV/cm)偏压时上、下梯度组分BST薄膜的C-E曲线，测得上、下梯度薄膜的介电可调分别是49.2%和45.86%.此时尽管下梯度薄膜的可调特性稍微小于上梯度薄膜,但下梯度薄膜的损耗(0.025)要远小于上梯度薄膜(0.063).薄膜的调谐性能通常用优值因子(FOM)来衡量,因此可以得到下梯度组分薄膜的优值因子为18.34,要远大于上梯度组分薄膜的优值因子7.81.

图5 上、下组分梯度BST薄膜的C-E曲线

3 结论

采用射频磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2衬底上制备了上、下梯度组分BST薄膜，研究表明：上、下梯度组分BST薄膜所有的特征衍射峰都清晰可见，下梯度组分BST薄膜具有较强的(100)、(110)和(200)衍射峰，表面无裂纹，结构较为致密，晶化程度良好；在200 kHz时，上、下梯度组分薄膜的介电常数分别为253.3和343.75,介电损耗分别为0.063和0.025;在250 kV/cm偏置电场下，上、下梯度组分薄膜的介电可调分别为49.2%和45.86%,比较接近.但是下梯度组分薄膜的优值因子远大于上梯度组分薄膜的优值因子,说明下梯度组分BST薄膜是比较理想的介电调谐材料,用于微波调制器件是可行的.

参考文献：

[1] 张慧,廖家轩,田忠,等.梯度多层BST薄膜介电性能研究[J].电子元件与材料,2006,10(1):10-13.

[2] 刘梅冬,许毓春.压电铁电材料与器件[M].武汉:华中理工大学出版社,1990:44-154.

[3] Kumar A,Manavalan S G.Dielectric and structure properties of pulsed laser deposition and sputtered barium strontium titanate thin films[J].Materials Science and Engineering B,2007,139(2/3):177-185.

[4] 肖定全.铁电薄膜的物理性能及应用[J].物理,1995,24(7)：433-438.

[5] Hashimoto,Kazuhiko,Xu H,et al.Simonolithic micro-bolometers of ferroelectric BST thin films combined with readout FET for uncooled infrared image sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical 2001,88(1):10-19.

[6] Liao J X,Yang C R,Zhang J H.The interfacial structures of (Ba,Sr)TiO3films deposited by radio frequency magnetron sputtering[J].Applied Surface,2006,252(20):7407-7417.