BST薄膜的制备方法

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目前，BST薄膜的制备主要采用以下四种工艺：
1.2.1         脉冲激光沉积法(PLD)
PLD方法(如图1-1所示)是利用准分子激光器所产生的高脉冲激光束聚焦于靶材表面，使靶材表面产生高温、熔化、气化，直至产生高温高压等离子体，这种等离子体定向局域膨胀发射，烧蚀物在加热的衬底上凝聚、成核形成薄膜。PLD过程可分为三个阶段：激光与靶的作用阶段，烧蚀物(在气体气氛中)的传输阶段，到达衬底的烧蚀物在衬底上的成膜阶段。








图1-1  脉冲激光沉积系统示意图
Fig. 1-1 Schematic illustration of the pulsed laser deposition system
采用PLD法制备的BST薄膜质量和性能受到以下工艺因素影响：基片、电极、氧分压、靶-基间距、激光能量、脉冲频率、成膜时间等。如前所述，C. L. Chen 等人采用优化的工艺条件制备的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜ε≈2000，tgδ=0.008 (1MHz)[1]。W. J. Kim等人推导了氧空位与成膜时氧分压的关系[13]：[Vo]∝PO2-1/6。人们对PLD方法进行了各种改进，如采用紫外辅助脉冲激光沉积（UVPLD）与常规PLD方法制备的Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜相比，膜厚40nm时相对介电系数从172提高到281，漏电流降低1.5倍[14]。
PLD方法的优点是：①制备的薄膜成分与靶材一致，且可以通过调整靶材的组成从而控制BST薄膜的组分；②生长速率快，沉积参数易调；③可引入氧气等活性气体，便于控制氧缺位；④可实现原位退火，系统污染少；⑤衬底温度较低，可获得外延单晶膜等。但薄膜均匀性差，难以制得高质量大面积薄膜，且设备昂贵。
1.2.2 磁控溅射
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、多元靶溅射及离子束溅射。
影响薄膜质量和性能的工艺因素主要有衬底温度、溅射功率、溅射气压、溅射气氛、靶基距等。
X. F. Chen 等人采用射频多靶（BaTiO3、SrTiO3 两种陶瓷靶）磁控溅射制备Ba0.67Sr0.33TiO3薄膜, 研究表明其漏电流与沉积参数、电缺陷密切相关[9]。采用RF磁控溅射时，增大氧气浓度则可以改善BST薄膜的介电、绝缘性能[15,16]。射频磁控溅射制备BST薄膜时（Ar+O2）总气压对薄膜的组成、表面粗糙度(R) 、介电系数、损耗、介电系数电压变化率均有影响，在优化的气压（3Pa）下采用Ba0.5Sr0.5TiO3陶瓷靶得到的BST薄膜(Ba+Sr)/Ti=0.73，tg=0.0047，=253，R=2.08nm[17]。
磁控溅射的优点是：①衬底温度较低；②制备的薄膜结晶性好，可获得外延单晶膜；③与集成工艺兼容性好；④薄膜的铁电性好等。但是，磁控溅射的生长速率慢，薄膜成分通常与靶材有一定偏差。
1.2.3 溶胶-凝胶法(sol-gel)
sol-gel法是将醋酸锶、醋酸钡、钛酸丁酯溶解于同一种溶剂中，经过水解、聚合反应形成溶胶，用匀胶机将其均匀甩在基片上，经过干燥和退火处理就形成了BST薄膜[10,18]。
影响sol-gel法制备的BST薄膜性质的因素主要是加热速率和烧结温度。加热速率过快会造成膜层的龟裂，以每分钟升温1～2℃为宜。而烧结温度则决定薄膜的晶相结构。在475℃以上退火1小时后形成钙钛矿相，否则为无定形态[10]。
sol-gel法的优点是：①反应温度低；②能够精确控制薄膜的组分和掺杂；③易于制备大面积薄膜，适于大批量生产，设备简单，成本低；④与集成工艺兼容，适于制作铁电集成器件。但是，薄膜的致密性较差，易出现龟裂现象，工艺参数较难掌握。
1.2.4  金属有机化学气相沉积法(MOCVD)












图1-2 MOCVD装置示意图
Fig. 1-2 Schematic diagram of the MOCVD apparatus
MOCVD方法是以金属有机物和氢化物为源，将反应气体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，如图1-2所示[19]。
MOCVD方法制备BST薄膜通常以Ba(C11H19O2)2(C8H23N5)2、Ti(i-OC3H7)4、Sr(C11H19O2)2(C8H23N5)2为源材料，O2或O2/N2O为氧化剂，Ar为运载气[19-22]。
MOCVD方法的主要优点是：①衬底温度低,可减少自污染，降低膜的位错密度；②能够精确控制薄膜的组分和厚度；③易于制备大面积薄膜，适于大批量生产；④沉积速率高，均匀性、重复性好。但是，源材料和设备的价格都很昂贵，而且源材料通常有剧毒。