稀有金属 2007,(01),125-128 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.01.026
射频磁控溅射制备Ba0.7 Sr0.3 TiO3 薄膜的表面结构调控
李弢 谢波玮 古宏伟
摘 要:
研究了Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备Ba0.7Sr0.3TiO3 (BST7/3) 薄膜时, 基片加热温度和溅射功率对薄膜显微形貌和成相的影响。实验结果表明:常温下低功率溅射的BST7/3薄膜, 表面形貌非常平整, 但为非晶态物质的堆积;400℃高功率150 W溅射4 h的BST薄膜, 其最大表面起伏约为40 nm;400℃低功率、长时间8 h溅射的BST薄膜, 其表面起伏约为12 nm;说明在保证BST充分成相的前提下, 可以通过控制溅射功率和时间调控BST薄膜的表面形貌, 降低表面粗糙度, 使之适于后续器件制备工艺。介电性能测量表明, 400℃, 75 W, 8 h溅射获得的BST7/3薄膜体现出典型的位移型铁电体特征;1 kHz薄膜的损耗约为0.04。
关键词:
射频磁控溅射 ;Pt/Ti/SiO2/Si ;BST薄膜 ;表面形貌 ;
中图分类号: TM221
收稿日期: 2005-09-06
Crystallization and Surface Microstructure Control of Bax Sr1-x TiO3 Thin Films Deposited by RF Magnetron Sputtering
Abstract:
The influences of substrate temperature and sputtering power on surface morphology and crystallization of BST thin film prepared by RF magnetron sputtering were studied.Thin films fabricated under low sputtering power and at room temperature had perfect surface rough-ness, but no crystallization of BST was found on XRD pattern.Maximum fluctuation of the thin film prepared under 400℃substrate temperature was nearly 40 nm.Thin films sputtered at 75 W sputtering power at 400℃ for 8 h had perfect surface morphology and better crystal-lization properties.These facts indicated that controlling substrate temperature, sputtering power and time could modulate the surface morphology of BST thin films.Di-electric properties measurement indicated that the pre-pared BST thin films were typical displacement type fer-roelectrics;dielectric loss at 1 kHz was about 0.04.
Keyword:
RF magnetron sputtering;Pt/Ti/SiO2/Si substrate;BST thin film;surface morphology;
Received: 2005-09-06
Bax Sr1-x TiO3 (BST) 是一种性能优异的非铅系铁电材料
[1 ]
, 在非制冷红外探测器件方面受到了特别的重视
[2 ,3 ]
。 由于BaTiO3 与SrTiO3 可以任意比例固溶, BST的居里温度可表示为BT和ST的居里温度的加权平均和, 适于室温应用的BST其x 值在0.7左右
[4 ]
。
溅射法是制备复杂氧化物薄膜的一种优良物理气相沉积方法
[5 ,6 ]
。 但以射频溅射方式在Pt/Ti/SiO2 /Si基片上制备Bax Sr1-x TiO3 薄膜, 由于溅射速率较低, 为满足薄膜成相而过高的基体温度在长时间溅射后, 可能会严重影响薄膜表面形貌。 由于基片热处理工艺带来的表面起伏以及溅射过程中的颗粒不均匀堆积, 可能造成表面起伏过大, 不适于后续器件加工。 因此通过工艺控制BST薄膜的表面粗糙度是非常重要的。 对于单片式焦平面阵列, 底电极经历长时间高温过程会产生很大起伏, 严重影响薄膜表面形貌; 且已经掺杂制备好的各门电路也会在长时间高温下扩散失效, 因此单片式集成要求探测薄膜的制备温度不能大于400 ℃。
本文研究利用溅射法在较低的基片温度400 ℃下制备BST薄膜, 研究在保证薄膜厚度一致的情况下, 基片加热温度和溅射功率、时间等工艺条件对薄膜结晶的影响及对表面形貌的控制作用。
1 实 验
基片采用Pt/Ti/SiO2 /Si。 SiO2 为标准热氧化工艺制备, Ti (70 nm) 和Pt (120 nm) 用溅射法制备。 最后采用快速热处理工艺在空气中退火, 促进Pt (111) 方向择优生长, 消除电极制备过程中产生的应力, 保证大面积上形成无显微裂纹的薄膜, 也有利于BST薄膜的择优取向
[7 ]
。 热处理后基片表面最大起伏约为30 nm。
射频溅射工艺采用68 mm直径的平面Ba0.7 Sr0.3 TiO3 靶材, 氩氧混合气体溅射; 本底真空5×10-3 Pa, 溅射气体流量: Ar17.5/O2 12.5 g·cm-3 , 溅射气压1.5 Pa; 基片加热温度25~400 ℃; 溅射时间4~8 h。 采用正轴溅射方式, 并在样品周围设置正偏压装置以消除负氧离子轰击样品表面造成成分分布和显微结构的不均匀现象。
利用Philips APD-10型X射线衍射仪进行θ -2θ XRD扫描分析, 扫描范围20°~60°, 扫描电压10 kV, 电流40 mA。 在SEIKO-SPA300HV原子力显微镜上对BST7/3薄膜的表面形貌进行观察。 介电性能的测量是在样品表面密排溅射多个直径1 mm的Au电极后, 任选两个电极之间利用HP4194A网络分析仪进行电容和损耗频谱的测量。
2 结果与讨论
图1是常温下以75 W功率在Pt/Ti/SiO2 /Si基片上沉积8 h BST薄膜的AFM表面形貌。 可以看到: BST薄膜的表面起伏非常微小, 最大起伏为8 nm左右; 薄膜表面为细小颗粒堆积, 没有大尺寸的颗粒形态; 图2是薄膜的XRD图谱; 图中只有Pt (111) 和 (200) 方向衍射峰, 没有其他明显衍射峰, 说明薄膜在生长过程中未能充分成相, 薄膜中存在比较多短程有序的非晶态物质。
图3是400 ℃基片加热温度下, 以150 W溅射功率沉积4 h BST薄膜的AFM表面形貌。 同图1相比, 图3中的BST薄膜表面起伏明显增大; 整个扫描平面上最大的表面起伏约为30 nm。 另外图3中无图1中薄膜表面的絮状沉积物, 薄膜表面光滑, 说明热溅射可以促进薄膜结晶的过程。 表面起伏增加的来源可以是基片的加热过程, 长时间对基片加热可能造成电极层起伏增加, 特别是在较高的温度下; 另一方面, 起伏的增加也可能与溅射功率由75 W提高到150 W后薄膜生长速率过快, 溅射气体轰击靶材时大尺寸原子团簇增加, 厚度方向生长无序等情况有关。
图1 室温, 75 W, 8 h薄膜表面AFM形貌
Fig.1 AFM surface morphology of BST thin film fabricated at room temperature for 8 h with 75 W sputtering power
图2 室温, 75 W, 8 h薄膜XRD图谱
Fig.2 XRD pattern of thin films fabricated at room temperature for 8 h with 75 W sputtering power
鉴于150 W下溅射BST薄膜表面起伏较高, 采用降低溅射功率、延长溅射时间的方法制备BST薄膜, 其AFM表面形貌如图4所示。 经75 W溅射8 h的BST薄膜, 其厚度与150 W溅射4 h的BST薄膜厚度相当, 均为400 nm左右。 由于基片温度较低, 即使长达8 h的溅射, 薄膜也没有出现瘤状突起等过热表面缺陷。 表面形貌呈蜂窝状分布, 最大表面起伏12 nm。 表面粗糙度越好, 越有利于以后器件刻蚀制备, 而且薄膜性能在整个膜面越均匀。
同图3相比, 图4中的BST薄膜也是在400 ℃下制备, 且溅射时间更长, 而表面粗糙度却得到相当程度的改善。 这说明在400 ℃的基片加热温度下制备BST薄膜, 基片加热温度对低的表面起伏的影响基本可以排除, 因此认为同低的溅射功率有关。 由于基片温度较低, 溅射下的原子扩散能力差, 表面形貌基本是溅射的原始形貌。 溅射功率提高到150 W, 自偏压积累较大, Ar离子能量较高, 容易将一些原子团簇或小颗粒打出靶材, 落在基片上, 从而造成表面起伏相对较大。 而在小溅射功率下, 自偏压积累较小, Ar离子能量较低, 基本不会溅射出原子团簇或小颗粒, 因此表面起伏较小。 由于溅射法制备薄膜优良的台阶填充能力, BST薄膜填平了原基片上的起伏, 可以收到一种隔离层的效果。
图3 400 ℃, 150 W, 4 h薄膜表面AFM形貌
Fig.3 AFM surface morphology of thin film fabricated at4 0 0℃for 4 h with 150 W sputtering power
图4 400 ℃, 75 W, 8 h薄膜表面AFM形貌
Fig.4 AFM surface morphology of thin film fabricated at4 0 0℃for 8 h with 75 W sputtering power
图5是经400 ℃, 75 W, 8 h溅射制备的BST薄膜的XRD图谱。 可以看出400 ℃下Pt/Ti/SiO2 /Si基片上溅射制备的BST薄膜为典型的多晶相。 XRD图谱中BST (100) , (110) , (200) 强度基本相当, 无明显择优取向。
上述实验结果表明: 400 ℃的较低温度下溅射BST薄膜, 可以通过调整溅射功率和时间控制、 调整BST薄膜的表面形貌和成相情况。
图6给出了图4中样品表明溅射Au电极并在750 ℃快速退火3 min后, BST薄膜的电容和损耗的频谱。 可以看出BST薄膜同BST块体材料一样, 体现出明显的位移型铁电体特征: 高频下出现频率色散和损耗的谐振峰。 1 kHz附近, BST薄膜的损耗约为0.04 (图6中局部图) 。
图5 400 ℃, 75 W, 8 h制备BST薄膜XRD图谱
Fig.5 XRD pattern of BSTthin film prepared at 400℃for8 h with 75 W sputtering power
图6 电极退火后BST薄膜电容和损耗频谱
Fig.6 Frequency dependence of BST thin film capacitance and dielectric loss
3 结 论
研究了基片加热温度、溅射功率和时间对Pt/Ti/SiO2 /Si基片上射频溅射制备Ba0.7 Sr0.3 TiO3 薄膜表面形貌及BST成相的影响。 研究结果表明: 常温溅射的BST薄膜, 表面形貌具有非常低的粗糙度, 但薄膜为非晶态物质的堆积; 400 ℃下150 W高功率溅射的BST薄膜, 由于大功率可能激发出大的原子团簇堆积, 薄膜表面呈现出约40 nm的起伏。 400 ℃基片加热温度下降低功率至75 W并延长溅射时间, 对控制表面起伏具有良好的效果。 最大表面起伏约为15 nm; XRD表明BST成相充分; 介电性能测量结果表明: BST薄膜的介电/损耗频谱具有典型位移型铁电体特征。
参考文献
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