鈦酸鉍鈉基鐵電薄膜的制備及相關(guān)刻蝕工藝的研究

《鈦酸鉍鈉基鐵電薄膜的制備及相關(guān)刻蝕工藝的研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學術(shù)論文-天天文庫。

1、摘要摘要含鉛量較大的鐵電材料在制備和使用的過程中，都會給環(huán)境和人類帶來損害。為了保護地球和人類的生存空間，防止環(huán)境的污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，世界各國的科技工作者正在抓緊研究少鉛或無鉛的壓電、鐵電材料。其中，欽酸秘鈉一一Nao.sBio.5Ti伍(NBT)基材料是近幾年研究的少鉛或無鉛的熱門材料之一。目前對欽酸秘鈉基材料的研究主要集中在陶瓷和單晶上，我們尚未見到Nao.SBio.5TiO3基薄膜材料的報道。本論文正是針對這種具有實用環(huán)保意義的研究方向和欽酸秘鈉基薄膜這一具有創(chuàng)新意義的工作，進行了欽酸秘鈉基薄膜的制備及其鐵電性的研究。當前研究表明，欽酸錫鈉具有良好的鐵電性，它的剩余極化強度Pr

2、-38uC/c時，室溫介電常數(shù)。r為240-400,欽酸銘鈉的居里溫度(最大轉(zhuǎn)變溫度)為320'C.欽酸銘鈉材料的這些特點對鐵電薄膜集成器件的制備非常有利。欽酸秘鈉基材料還具有突出的壓電性，其中，0.94Nao.5Bio.5Ti03-0.06BaTi氏材料由于在室溫下處于三方一四方準同型相界附近，壓電系數(shù)d33=125X10-"CIN，機電藕合系數(shù)1033=$5%。另外，欽酸秘鈉基材料還具有良好的熱釋電性，其熱釋電系數(shù)p=2.5X10-'C"m2"K'1，在7-103℃的溫度范圍內(nèi)變化較小。該特點對制作室溫熱電器件和紅外探測器十分有利。而且，欽酸秘鈉的熱釋電性能與欽酸鉛、錯欽酸鉛的熱釋電性能基

3、本相當。欽酸秘鈉的頻率常數(shù)Np=3200Hz"m.這種良好的光學性質(zhì)有利于制作聲表面波器件和超聲傳感器。上個世紀我們目睹了一個重要研究領(lǐng)域的到來，即鐵電材料和器件領(lǐng)域。過去的十幾年中，在鐵電薄膜的制備、性能、測試、加工和微結(jié)構(gòu)研究方面，鐵電薄膜、緩沖層與半導體材料的集成方面，以及鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和制作方面取得了重大進步。鈣欽礦結(jié)構(gòu)材料的高介電常數(shù)可以應(yīng)用于動態(tài)隨機存儲器(DRAM);鐵電材料的大剩余極化適合制作非揮發(fā)鐵電動態(tài)隨機存儲器(NVFRAM)。最近十年的研究主要集中在鐵電山東大學博士學位論文電容器異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成、性質(zhì)以及基于鐵電薄膜存儲器的應(yīng)用這兩個方面的基礎(chǔ)科學領(lǐng)域。本論文的主

4、要工作之一正是研究欽酸錫鈉基鐵電薄膜及其在Au/NBT/SiOZ/Si/Au的MFISM結(jié)構(gòu)上電容器的應(yīng)用指標和特性.氧化物鐵電薄膜的技術(shù)應(yīng)用并不局限于鐵電存儲器。利用其所具有的性能，包括介電、鐵電、壓電、電致伸縮、熱電、光學、電光，將其應(yīng)用延伸到集成器件或分立元件。薄膜的主要應(yīng)用包括:存儲器中的多層電容、基于壓電薄膜的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、邊界層電容器、壓敏電阻、氣體傳感器、輻射探測器、溫度傳感器、換能器、開關(guān)、快門和高能量密度電池。這方面的陶瓷制品占據(jù)了重要的世界市場，而且市場需求量正逐年穩(wěn)步增長。當然，我們主要關(guān)注的是鐵電薄膜和鐵電集成器件。當前，與半導體技術(shù)密切相關(guān)的鐵電薄膜集成

5、器件的研究和制造應(yīng)當具有以下特點:(1)利用該過程可以沉積鐵電薄膜并且能用不同的物理化學特性與金屬的或?qū)щ姷难趸镫姌O層集成到一起。(2)與集成器件過程相容，包括用盡可能合理的溫度生產(chǎn)出具有特定微觀結(jié)構(gòu)的薄膜。(3)生產(chǎn)出與器件相容的薄膜，具有高取向性或多晶薄膜及有某種特性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(例如經(jīng)過多次極化翻轉(zhuǎn)后無疲勞現(xiàn)象，極化保持性，無極化標記效應(yīng))(4)沉積過程可重復(fù)進行。(5)沉積過程成本不太高并且沉積速率高。既然鐵電薄膜技術(shù)及其器件制造提出了上述諸多要求，而且也有較大的市場需求，所以我們對欽酸秘鈉基鐵電薄膜進行探索的過程中，正是按照上述對鐵電器件的要求和市場的需求來進行研究的。諸如，優(yōu)化沉積

6、的參數(shù)和條件，多次極化翻轉(zhuǎn)后的疲勞特性，極化保持特性，制備與器件工藝相兼容的薄膜，沉積過程可重復(fù)進行，薄膜制備過程的花費不太高等，這些都是本論文研究欽酸秘鈉基鐵電薄膜的主要研究內(nèi)容.目前研究較多而且已經(jīng)進入商用的SrBi2Ta2O9薄膜具有較為突出的鐵電存儲性和抗疲勞特性，但是其結(jié)晶退火溫度卻高達750-8500C，這一點對于相關(guān)器件的制備十分不利。因此，有必要探索結(jié)晶退火溫度相對較低的新的鐵電薄膜材料或新的薄膜制備方法。這也是本論文研究欽酸秘鈉摘要基鐵電薄膜的主要目的之一。本論文對欽酸錫鈉基鐵電薄膜進行了系統(tǒng)的、探索性的研究。從前驅(qū)體的配制、薄膜制備、組份測定到X射線測量。從電滯回線測量、介

7、電溫譜和介電頻譜的測量、C-V曲線的測量到薄膜器件開關(guān)翻轉(zhuǎn)次數(shù)的測量。從薄膜的濕法刻蝕到等離子刻蝕工藝的研究。從原子力顯微鏡對薄膜形貌、結(jié)構(gòu)的觀察和分析到高分辨電子顯微鏡對Ti02納米晶結(jié)構(gòu)的確定和缺陷的觀察。最近十幾年來，少鉛的欽酸秘鈉鐵電材料時有報道。含5%S:和5%Pb的欽酸秘鈉材料可以用于熱釋電探測器:含6.5%Sr和6.5%Pb的欽酸秘鈉材料具有較低的介電常數(shù)和高的機電禍合系數(shù)可以用來制