铁电薄膜的制备

金属有机物 分解法
金属有机物分解法具有下述显著优点：(l)各成分可达分子级混
合，非常均匀，这种高度混合使得反应活性高，使薄膜更加致 密；(2)无需真空，溶液不需经过凝胶过程，因此工艺简单，可 制备大面积成分单一的薄膜，成本较低；(3)高纯度；(4)热度处 理温较低
液态源雾化源自文库化学沉积
液态源雾化化学沉积技术是一种新型的制备铁电薄膜技 术，它继承了MOD 和Sol-Gel工艺的优点，并克服了它 们的主要缺点。其主要工艺流程是：(1)将处理好的基 片置于沉积室中，将室内抽真空至3×10-5Torr 以下， 然后充入Ar 气维持室内气压为600~700 Torr。 (2)将 制得的先体溶液以一定比例用溶剂稀释成为初始溶液， 放入雾化容器中，采用超声雾化产生微米级或次微米级 尺寸的微小液滴。每一液滴都具有与初始溶液相同的浓 度与组分。再由载气将微液滴垂直引入沉积室内。气雾 经过扩散装置进入沉积室时，由于内外气压的差异，会 以一定速度首先弥漫在空间中，然后慢慢沉积在基片上 ，使基片以1 ~3 r/min 的速度旋转。(3)沉积几分钟后 ，停止雾化，在沉积室内将湿膜加热至一定温度进行预 处理，保温10 min，然后自然降温到室温。(4)重复此 过程直至膜达到所需厚度。(5)将基片取出进行退火处 理。
溶胶-凝胶法是60年代发展起来的一种以薄 膜或陶瓷组分的醇盐为主要原料来制备玻璃 、陶瓷以及薄膜等功能材料的新工艺。因为 它不需要任何真空条件和太高的温度就可以 制备出性能优良的薄膜，因而在薄膜制备技 术上被广泛应用。
溶胶-凝胶法
该法是将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶，然后使溶质 聚合凝胶化再将凝胶经过热处理去除有成分。溶胶- 凝胶法已 被广泛用于制备BaTiO3 、PbTiO3、(Pb,Zr)TiO3 、 (Ba,Sr)TiO3、Ba(Zr,Ti)O3 等铁电薄膜材料。其比较显著的优 点是工艺过程温度低,而且可严格控制生成物的成分并且工艺纯
分子束 外延
分子束外延是一种特殊的蒸发技术，成膜材料以分 子束方式在严格可控制条件下和超高真空条件下在 衬底表面生长出原子级厚度和平整度的外延薄膜， 而且膜厚，组分，掺杂等均可精确控制。因此适合 生长优质单晶（极薄）及超晶格薄膜。
该法的主要优点是：(1)真空度高，残余气体污染很少，生长速率 可以很低分子束外延是一种特殊的蒸发技术，成膜材料以分子束方 式在严格可控制条件下和超高真空条件下在衬底表面生长出原子级 厚度和平整度的外延薄膜，而且膜厚，组分，掺杂等均可精确控制 。因此适合生长优质单晶（极薄）及超晶格薄膜。 ，精确控制可获得原子级厚度与平整度的外延层；(2)衬底温度可 降低，减少生长应力，杂质扩散弱，因此外延层界面十分清晰； (3)生长过程是动力学过程，而不是热力学过程；(4)分子束激光源 与衬底相距甚远，适合安装表面分析仪器对薄膜生长过程“实时” 观察
溅射法的优点：由于溅射物流具有高达10 几至几10ev 的能量，在衬底 表而能维持较高的表而迁移率，其制备的薄膜结晶性能较好，在适当的 溅射参数下可获得单晶薄膜;成膜所需衬底温度较低；与集成工艺的兼容 性较好；适用于多种铁电薄膜的制备；制备的铁电薄膜具有较好的铁电 性等。缺点：工艺的重复性，稳定性不好；生长速度慢，溅射时不同材 料的溅射率不同，所获薄膜的组份比与靶材有一定差异，膜的微结构与 组分均匀性均有待改善，技术上难以实现大而积衬底上生长高质量的铁 电薄膜。
度高。缺点是薄膜易出现龟裂现象，工艺参数难以控制以及原 料较贵且容易污染环境。
MOCVD
金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法是将反应气体 (N2或Ar等)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。 这种 方法自上世纪60 年代被首次用于化合物半导体薄 膜单晶的制备以来，现已被广泛用于超导薄膜和 铁电薄膜的制备。
该法的优点是：能够精确控制薄膜的组分和厚度；衬底温度低 、沉积速率快、薄膜均匀性、重复性好；可制备大面积薄膜， 适合大批量生产。其缺点是：不易获得原材料，且设备昂贵。
金属有机物分解法是一种很方便的薄膜制备 技术，和溶胶-凝胶法一样无需任何真空环境 。把金属有机物按一定的化学计量比混合在 适当的溶剂中配成均匀溶液，然后沉积在衬 底上产生湿膜，加热除去易挥发的溶剂，在 加热分解有机物则得到所需薄膜。
薄膜的制备
虽然有关铁电薄膜制备及应用的研究取得了很大的进步， 但是还有许多问题仍未得到有效解决，主要表现在:
1
2
3
制备、加工 温度较高
铁电薄膜本身的失 效问题（如疲劳， 老化、印记失效等 ）限制了铁电薄膜 的广泛应用
铁电薄膜表面及铁 电薄膜异质结界面 还不能完全人为控 制
溶胶-凝胶法
溅射法
脉冲激光 沉积法
铁电薄膜的 制备方法
金属有机 化学气相法
分子束 外延法
化学溶液 沉积法
溅射技术
溅射技术在20世纪40年代作为一种镀膜方法开始 得到应用和发展，60年代以后随着半导体工业的迅速崛 起，这种技术被用于沉积集成电路中晶体管的金属电极 层，80 年代以后得到了迅速发展。目前，磁控溅射技 术已相对成熟，广泛应用于微电子、光电、材料表面处 理等领域。溅射法是一种比较成熟的薄膜制备技术，这 种方法是利用电场作用下高速运动的离子轰击靶材，将 靶上轰击下来的原子或离子团沉积在衬底上形成薄膜。
脉冲激光沉积是指将脉冲激光器所产程
的高功率脉冲激光聚焦作用于靶材表面，由 于高温和烧蚀而产生高温高压等离子体(Ｔ >104K)，然后等离子体定向局域膨胀在基片 上沉积而形成薄膜。
脉冲激 光沉积
脉冲激光沉积法的优点：用其制备的薄膜，其成分几乎与靶材相 同，特别适用于制备含有多种挥发成分的薄膜。这种方法沉积速 率高，常常可以获得外延膜。为了使薄膜具有较好的电学、光学 特性，一般需要较高的衬底温度和一定的氧分压。沉积好的薄膜 一般不需要退火处理，但沉积好薄膜后，当系统冷却时，应增加 氧分压，以减少氧空位，确保薄膜质量，对于某些材料而言，也 可以选择较低的衬底温度。缺点：这种方法难于获得高质量的大 面积铁电薄膜，而且它的工作条件要求过高，需要高真空腔、激 光器、真空泵等相应的设备。所以制备出来的器件花费过高，制 约了其商业应用。