薄膜材料與器件課程論文

1、薄膜材料與器件課程論文題 目 班 級 學 號 學生姓名 摘要：近年來，隨著鐵電薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。文章介紹了鐵電薄膜新研究進展，對目前最常用的幾種主要制備方法進行了評述，重點分析了鐵電薄膜不同制備方法的優(yōu)缺點。并指出存在的問題及其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：鐵電薄膜；制備技術(shù)；研究進展Abstract: In recent years，with the development of preparation techniques of ferroelectric thin films，they have many applications in some fields. The res

2、earch progress on ferroelectric thin film was introduced in the paperSome main preparation technologies were summarized in detail at presentThe advantages and disadvantage of different processing technology for ferroelectric thin films were discussed especially. In addition, this paper pointed out s

3、ome existing problems and future developmental directions.Keywords: ferroelectric thin film; preparation technology; research progress近年來對鐵電薄膜的性能、應(yīng)用和制備的研究，已成為國際上新穎功能材料與器件的一個新熱點1-4。這不僅是因為薄膜材料幾何設(shè)計的可塑性，更重要的是鐵電薄膜具有優(yōu)越的電極化特性、熱釋電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、高解電系數(shù)和非線性光學性質(zhì)等一系列特殊性質(zhì)2 ，可以利用這些性質(zhì)制作不同的功能器件，并可望通過鐵電薄膜材料與其它材料的集成或復(fù)合，

4、制作集成性器件。隨著鐵電薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代微電子技術(shù)與鐵電薄膜的多種功能相結(jié)合，必將開發(fā)出眾多新型功能器件，促進新興技術(shù)的發(fā)展，因此對鐵電薄膜的研究已成為國內(nèi)、國際上新材料研究中的一個十分活躍的領(lǐng)域。具有鐵電性，且厚度在數(shù)十納米至數(shù)微米的薄膜材料稱為鐵電薄膜材料。它具有熱釋電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、高解電系數(shù)和非線性光學性質(zhì)等。鐵電材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段：2030年代，以水溶性鐵電單晶為代表；4070年代，以鐵電陶瓷為代表；70年代以后，以鐵電薄膜為代表。早期鐵電材料的用途主要是利用它的介電性、半導性等制作陶瓷電容器和各種傳感器。激光和晶體管技術(shù)的日趨成熟，又促進了鐵電薄膜的發(fā)

5、展。80年代，隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，可利用鐵電材料的晶界或晶粒表面層制作一些特殊功能器件，使其廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、超聲技術(shù)、紅外技術(shù)等領(lǐng)域3 。90年代，隨著微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和傳感器技術(shù)等的發(fā)展，對鐵電材料提出了小型輕量、可集成等更高的要求，從而使大批新型鐵電薄膜器件或器件原型不斷涌現(xiàn)。在鐵電薄膜的許多應(yīng)用中，鐵電存儲器尤其引人注目。鐵電薄膜存儲器既有動態(tài)隨機存儲器(DRAM)快速讀寫功能，又有可擦除只讀存儲器(EPROM)的非易失性，還具有抗輻射、功耗和工作電壓低、工作溫度范圍寬、易與大規(guī)模集成電路兼容等特點，因而在鐵電隨機存儲器(FRAM)、超大規(guī)模集成(FEMFET)、全光存儲器

6、等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。鐵電薄膜和集成鐵電器件在世界范圍內(nèi)引起了科技工作者的深切關(guān)注，成為當今功能材料和器件研究方面的一大熱點。目前主要集中在鐵電薄膜材料的制備、表面特性的測量以及應(yīng)用研究與開發(fā)。1.鐵電薄膜的制備技術(shù)目前，應(yīng)用較為廣泛的鐵電薄膜制備技術(shù)主要有：濺射鍍膜法、金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)、溶膠一凝膠(Sol-Gel)法、金屬有機化合物熱分解(MOD)法、脈沖激光沉積(PLD)法、激光分子束外延(L-MBE)法、液態(tài)源霧化化學沉積法以及自組裝與分子自組裝技術(shù)等。表1列出了鐵電薄膜常用制備方法及其特點。表1 鐵電薄膜常用的制備方法及其特點方法MOCVDSol-Gel濺射鍍膜法

7、PLD膜材料溶液溶液陶瓷晶體成膜溫度低低低低制備時間短長短短沉積溫度500700室溫室溫700室溫700退火溫度500800500700500700500700膜厚薄薄薄薄組分分布均勻均勻均勻均勻組分保持偏離保持保持晶化方式后續(xù)退火后續(xù)退火后續(xù)退火后續(xù)退火結(jié)晶性能高去向高去向高去向高去向致密度一般好一般好設(shè)備損耗高高高高1.1濺射鍍膜法該方法包括：射頻濺射、磁控濺射及離子束濺射等。濺射法的基本手段是利用荷能粒子轟擊靶材表面，使固體原子(或分子)從表面射出形成濺射物流，沉積于基底表面形成薄膜。由于濺射物流具有較高(十幾至幾十電子伏特)的能量，到達基底表面后能維持較高的表面遷移率，所以濺射法具有如

8、下優(yōu)點：(1)制得膜層的結(jié)晶性能較好，控制好濺射參數(shù)，易獲得單晶膜層；(2)基片溫度較低；(3)與集成技術(shù)的兼容性好；(4)可用于多種薄膜的制備；(5)制得的薄膜不需要或只需要較低溫度的熱處理。缺點是薄膜的組分比與靶材有所不同，濺射速率低，生長速度慢。1.2金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)MOCVD 法是近二三十年來發(fā)展起來的一項薄膜材料制備技術(shù)。它主要通過氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進行化學反應(yīng)生成固體沉積物而獲得薄膜。利用金屬有機化合物作為參與反應(yīng)的氣體，大大降低了反應(yīng)所需的溫度生長溫度的可控性好，有利于大面積超薄層材料生產(chǎn)。但一些含有鐵電薄膜成分的易揮發(fā)金屬有機物源較難獲得，且源物質(zhì)純度、穩(wěn)

9、定性難以滿足要求，限制了其應(yīng)用。近來，人們采用液體源固體源輸運技術(shù)，使MOCVD技術(shù)得到很快發(fā)展。采用該方法已制備出KNbO3、Bi4Ti3012 、PZT等薄膜。1.3溶膠一凝膠(Sol-Ge1)法該法的基本原理是在有機溶劑中加入含有所需元素的化合物形成均勻溶液，溶液通過水解與縮聚反應(yīng)形成凝膠，再通過熱處理(干燥、預(yù)燒、燒結(jié))，除去凝膠中的剩余有機成分，最后形成所需的薄膜。溶膠一凝膠方法的優(yōu)點5-6是：(1)合成溫度低，可防止低熔點氧化物的揮發(fā)；(2)由于水解縮聚反應(yīng)在溶液中進行，因此各成分在分子級程度上均勻混合，使得形成的膜化學計量比與配方一致；(3)化學組分準確，均勻性好；(4)易于摻雜

10、 改性；(5)工藝簡單，易于推廣，成本低，成膜面積大。要獲得穩(wěn)定的溶液，原料需具備條件：(1)金屬含量高；(2)在溶劑中的溶解度大；(3)熱處理時無熔化或蒸發(fā)現(xiàn)象；(4)室溫時穩(wěn)定，不渾濁，不沉淀，不凝聚；(5)制備多組元薄膜時，幾種有機化合物互溶。采用Sol-Gel法已制備出PZT、PLZT、KTN、LiNbO3等鐵電薄膜。1.4脈沖激光沉積(PLD)法7-8脈沖激光沉積(PLD)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的新型薄膜制備技術(shù)，整個過程可以分為三個階段：(1)激光與靶材作用階段；(2)燒蝕物(在氣氛氣體中)的傳輸階段；(3)到達襯底的燒蝕物在襯底上的成膜階段。PLD法的最大優(yōu)點是膜的化學成

11、分和靶材的化學成分很接近，因而特別適應(yīng)于制備復(fù)雜氧化物薄膜，包括鐵電薄膜、高溫超導薄膜和磁性薄膜等；其缺點是膜表面上常有細微液滴凝固形成的顆粒狀突起而使表面質(zhì)量不甚理想，也不易于制備大面積的薄膜材料。1.5 激光分子束外延(L-MBE)法激光分子束外延(LMBE)是近年來發(fā)展起來的一種新的薄膜制備技術(shù)，它將傳統(tǒng)MBE 的超高真空、原位監(jiān)測的優(yōu)點和脈沖激光沉積的易于控制化學成分、使用范圍廣等優(yōu)點結(jié)合起來，在生長、探索人工控制多層膜的新材料方面具有獨到之處。近年來，利用LMBE已成功地研制了多種鐵電薄膜和復(fù)合薄膜等，并可以實現(xiàn)超品格制備和薄膜的外延生長。結(jié)果表明，利用LMBE技術(shù)可在薄膜生長過程中

12、進行原子水平的觀察和調(diào)控，并可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)鐵電薄膜的單原子層外延生長。2. 鐵電薄膜的應(yīng)用鐵電薄膜具有優(yōu)越的電極化特性、熱釋電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、高解電系數(shù)和非線性光學性質(zhì)等一系列特殊性質(zhì)，可以利用這些性質(zhì)制作不同的功能器件，并可望通過鐵電薄膜材料與其它材料的集成或復(fù)合，制作集成性器件。如，利用其電滯回線特性可制作非揮發(fā)性隨機存取存儲器，利用壓電效應(yīng)可制作聲表面波延遲線及微型壓電馬達，利用熱釋電效應(yīng)可制作紅外熱釋電探測器，利用光電效應(yīng)制作光波導等器件。目前，鐵電薄膜主要應(yīng)用于微電子學和光電子學，在這兩大領(lǐng)域中，鐵電薄膜均有重要的或潛在的用途。表2列出了鐵電薄膜的一些應(yīng)用。表2 鐵電薄膜

13、的應(yīng)用薄膜材料性能應(yīng)用鈣鈦礦型（鈦酸鹽）BaTiO3SrTiO3介電性熱釋電性、PTCR電容器、傳感器電熱調(diào)節(jié)器、熱探測器 PbTiO3(PT)Pb(Zr,Ti)O3(PZT(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT) 熱電釋性、介電性壓電性、電光性熱電釋性、電光性熱探測器、聲傳感器非揮發(fā)性存儲器熱探測器、聲表面波基片鈮酸鹽型Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)PMN/PT介電性電光性電容器、存儲器波導器件LiNbO3(LN)LiTaO3(LT)壓電性、電光性熱探測器、波導器件、光調(diào)節(jié)器、SAW、SHGKNbO3(KN)K(Ta,Nb)O3(KN) 電光性熱電釋性電光性波導器件、倍頻器件

14、熱探測器、波導器件鎢青銅型（Sr,Ba）Nb2O6(SBN)(Pb,Ba)Nb2O6(PBN)(K,Sr)Nb2O6(PKN)Ba2NaNb5O15(BNN)介電性壓電性電光性存儲器熱探測器波導器件3. 展望隨著集成電路產(chǎn)業(yè)、固體發(fā)光、激光器件產(chǎn)業(yè)、磁記錄材料和器件產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鐵電薄膜材料和技術(shù)愈來愈受到重視，薄膜科學研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)的速度愈來愈快，對生產(chǎn)的貢獻日益增大。近年來，鐵電薄膜的制備，表征和特性研究以及多層膜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的研究都取得了較大的進展，但進一步發(fā)展鐵電薄膜，在鐵電薄膜材料的研究中尚存在一些問題，主要有9-10：(1)制備、加工溫度較高；(2)應(yīng)大力發(fā)展性能優(yōu)良的非鉛基

15、鐵電薄膜材料；(3)鐵電薄膜表面以及鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)界面還不能完全人為控制；(4)鐵電疲勞與老化限制了鐵電薄膜的廣泛應(yīng)用；(5)與鐵電薄膜相關(guān)的物理問題需繼續(xù)深入研究；(6)鐵電薄膜微觀特性的表征及其與宏觀特性的對應(yīng)關(guān)系尚不清楚。因此，今后鐵電薄膜材料的主要研究和發(fā)展方向有11-12：(1)重視鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)特性及相關(guān)新效應(yīng)的研究；(2)開發(fā)鐵電薄膜在集成光學和微電機系統(tǒng)中的應(yīng)用；(3)大力研發(fā)和開拓新型鐵電薄膜器件。參考文獻1 曲喜新，楊邦朝等電子薄膜材料M北京：科學出版社，1996.2 徐征，倪宏偉現(xiàn)代功能陶瓷M北京：國防工業(yè)出版社，1998.3 賈德昌等電子材料M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社

16、，2000.4 Laurel M Sheppard. Advances in processing of ferroelectric thin filmsJ. CeramicBulletin, 1992,71(1).5 包定華等鐵電薄膜研究的一些新動向J高技術(shù)通訊，1997,(4).6 何恩培，劉梅冬等溶膠一凝膠工藝對PZT鐵電薄膜結(jié)構(gòu)的影響J壓電與聲光，1994,(6).7 苗彬彬，王君，陳江濤，等鐵電PZT薄膜的最新研究進展J人工晶體學報，2006,35(3):539-5448 Chen Q，Qian Y T，Chen Z Y，et a1Hydrothermal preparation of highlyoriented poly crystalline ZnO thin filmsJMater Lett,1995,22(1):93-959 肖定全.鐵電薄膜研究中的幾個重要問題J功能材料，2003，34(5):479-481.10 劉梅冬，曾亦可，李楚榮，等.鐵電薄膜的制備及應(yīng)用技術(shù)研究J材料導報，2000,12(12):47-49.11 Chen A，C