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铁电薄膜沉积技术研究

作　者: 孙晓涛
导　师: 刘卫国
学　校: 西安工业大学
专　业: 光学工程
关键词: MOCVD 液体输运技术 等离子体增强 PZT薄膜 红外热释电探测
分类号: TN304.055
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


Pb(Zrx,Ti1-x)O3铁电薄膜由于其优异的铁电、压电、电光、热释电等性能,在热释电红外探测器、铁电随机存储器、光调制器、电容器等方面有重要的应用,其发展对于集成电路中小型化、集成化提供了有利条件。铁电薄膜有多种制备方法,其中金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法以可大面积生产、沉积温度低、薄膜质量好、与硅集成工艺兼容性高等特点被广泛用于铁电薄膜的制备。本文针对MOCVD对气态金属有机物源的限制,采用液体输运技术,并辅以等离子体增强的方式进行了MOCVD系统的研制和改进,并成功沉积出PZT铁电薄膜。传统气态源MOCVD要求各化合物气态源的蒸汽压相近或者相同,这就大大限制了对金属有机物源的选择,导致大部分的半导体薄膜、超导薄膜、铁电薄膜不能用该方法来沉积。本文在MOCVD原理的基础上,融入液态源输运技术、超声雾化技术、等离子体增强技术成功地制备出PZT铁电薄膜。等离子体增强液态源MOCVD主要由液体输运系统、真空系统、超声雾化器、等离子体增强系统、温度控制系统、自动控制系统、尾气处理组件等组成。MO先体溶液以Zr/Ti为30/70的比例,并且铅过量15%进行配制,以液体输运系统将其送入超声雾化器中进行雾化,利用射频放电产生等离子体使雾化后的雾滴更加细化,提高其电离能,在载气的作用下沉积在一定温度的基片上获得PZT铁电薄膜。利用TiO2先体首先对MOCVD进行了验证性试验。利用椭偏仪对Ti02薄膜进行测试,拟合后得到其折射率约为2.3,消光系数约为0.03,厚度为359.0nm。XRD测试其结晶度后发现薄膜主要沿(101)方向生长,其衍射峰与标准衍射图谱一致。随后进行PZT薄膜的沉积实验,通过多次试验获得MOCVD沉积PZT薄膜较好的工艺参数：氩气流量和氧气流量分别为200sccm和400sccm;液体流量为0.025ml/min;沉积气压为100-150Pa；沉积温度为500-550℃；雾化功率为9-12W；射频功率为400W。将得到的薄膜通过700℃热处理后进行XRD测试,发现薄膜在(110)衍射峰高度择优取向,形成钙钛矿结构。最后进行了热释电探测阵列结构的设计与制备,设计采用2×9阵列单点式电极,每一个单电极总而积为0.04mm2。以Ni/Cr作为电极材料,利用光刻工艺和剥离技术完成了敏感单元电极的制备,为以后进行红外热释电探测器电学性能的测试及应用打下了良好的基础。

全文目录


摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 铁电体的分类和主要性质  9-11
    1.2.1 铁电体的分类  9-10
    1.2.2 铁电性体的性质  10-11
  1.3 铁电薄膜的应用  11-14
    1.3.1 存储器  12-13
    1.3.2 微机电系统(MEMS)  13
    1.3.3 电光应用  13-14
  1.4 MOCVD技术发展概况  14-17
  1.5 本文研究的主要内容  17-19
2 PZT铁电薄膜的结构特性研究  19-26
  2.1 PZT晶体结构及组分  19-20
  2.2 PZT薄膜的衬底及铅过量的研究  20-21
  2.3 PZT薄膜制备技术研究  21-26
3 等离子体增强液态源MOCVD系统结构  26-35
  3.1 等离子体增强液态源MOCVD系统结构  26-33
    3.1.1 反应室  26
    3.1.2 真空系统  26-27
    3.1.3 液态源输运系统  27-28
    3.1.4 温度控制系统  28-30
    3.1.5 等离子体增强系统  30-31
    3.1.6 自动控制系统  31-32
    3.1.7 系统安全措施  32-33
  3.2 等离子体增强液态源MOCVD工作流程  33-34
  3.3 本章小结  34-35
4 MOCVD薄膜沉积试验  35-43
  4.1 MO先体的配制  35-37
    4.1.1 TiO_2先体溶液的配制  36
    4.1.2 PbTiO_3先体溶液的配制  36-37
    4.1.3 PZT先体溶液的配制  37
  4.2 TiO_2薄膜沉积试验  37-40
    4.2.1 光学特性测试  37-39
    4.2.2 XRD检测  39-40
  4.3 PZT薄膜沉积实验  40-42
    4.3.1 PZT薄膜沉积工艺参数的确定  40-41
    4.3.2 热处理  41
    4.3.3 XRD测试  41-42
    4.3.4 AFM测试  42
  4.4 本章小结  42-43
5 红外热释电探测阵列微结构的制备  43-50
  5.1 热释电探测器工作机理  43-44
  5.2 热释电探测器敏感单元的制备  44-49
    5.2.1 敏感单元的结构设计  44-45
    5.2.2 敏感单元的制备工艺  45-49
  5.3 本章小结  49-50
6 结论  50-53
  6.1 结论  50-51
  6.2 展望  51-53
参考文献  53-56
攻读硕士学位期间发表的论文  56-57
致谢  57-59

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 一般性问题 > 制取方法与设备 > 半导体薄膜技术
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