真空镀膜成膜速率工艺.doc

制备工艺研究结果（网上搜的）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、靶-基距以及溅射气氛等。3.4.1 成膜时间在衬底温度500、溅射功率90100W、氧氩比5/1、溅射气压0.1Pa下，通过溅射不同时间制备系列BST薄膜，得到溅射时间与膜厚的关系（见表3-3）。表3-3 溅射时间与膜厚的关系Tab. 3-3 Film thickness as a function of sputtering time溅射时间(h) 12 24 36 48 60 97 120 132膜厚(nm) 45 90 155 200 250 360 500 6500图3-9为在其它工艺条件相同、成膜时间不同的条件下得到的BST薄膜膜厚的实验值和模拟曲线。图3-9 膜厚与溅射时间的关系Fig.3-9 Film thickness as a function of sputtering time由图可见，随着溅射时间增加，膜厚逐渐增大。即在我们的实验条件下，通过调节成膜时间可以有效控制射频磁控溅射制备Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的膜厚，且膜厚与溅射时间存在以下指数关系： (3-2)在(3-2)式中，d为薄膜的厚度(nm)，t为溅射时间（h），A=399.84754(nm)，B=148.04981(h)，D=-378.00871(nm)。3.4.2 衬底温度为了研究衬底温度对BST薄膜介电性能的影响,在溅射功率90100W、氧氩比5:1、溅射气压0.1Pa、靶基距71mm下，通过改变衬底温度（分别为300、400、500），制备系列BST薄膜，其介电系数电场关系曲线如图3-10所示。图3-10 不同衬底温度下制备的BST薄膜的r-E曲线Fig. 3-10 rE characteristics of BST films deposited at different substrate temperatures:(a) 300, (b) 400, (c) 500根据图3-10得到BST薄膜的介电系数、介电系数电场变化率与衬底温度的关系（见表3-4）。表3-4 不同衬底温度下制备的BST薄膜的介电性能Fig.3-4 The dielectric properties of BST thin films deposited at different temperaturesSubstrate temperature () Dielectric constant (r) Tunability of dielectric constant ( )%300 228 19.6%400 1267 29.4500 1416 %31.2由此表可见，随着衬底温度的升高，BST薄膜的介电系数、介电系数电场变化率均增加。考虑到溅射设备的承受能力及使用寿命，我们选择衬底温度为400。3.4.3 溅射功率图3-11 不同溅射功率下制备的BST薄膜的r-E曲线Fig. 3-11 rE characteristics of BST films deposited at different sputtering powers:(a) 7080W, (b) 90100W, (c) 120130W, (d) 145155W为了研究溅射功率对BST薄膜介电性能的影响,在衬底温度为400、氧氩比5:1、溅射气压0.1Pa、靶基距71mm下，通过改变溅射功率（分别为7080W、90100W、120130W、145155W），制备系列BST薄膜，其rE曲线如图3-11所示。由图3-11得到了BST薄膜的介电系数、介电系数电场变化率与溅射功率的关系（见表3-5）。表3-5 不同溅射功率下制备的BST薄膜的介电性能Fig.3-5 The dielectric properties of BST thin films deposited at different sputtering powersSputteringpower (W) Dielectric constant (r) Tunability of dielectric constant ( )%7080 259 19.390100 1267 %29.4%120130 1020 20.7145155 278 %16.1由此表可见，当溅射功率90100W时，制备的BST薄膜的介电性能最佳。3.4.4氧氩比为了研究氧氩比对BST薄膜介电性能的影响,在衬底温度400、溅射功率90100W、溅射气压0.1Pa、靶基距71mm下，通过改变氧氩比（分别为1:1、2:1、5:1、8:1），制备系列BST薄膜，其rE曲线如图3-12所示。图3-12 不同氧氩比下制备的BST薄膜的r-E曲线Fig. 3-12 rE characteristics of BST films deposited at different sputtering gas (O2:Ar)(a)1:1, (b)2:1, (c)5:1,(d)8:1由图3-12得到BST薄膜的介电系数、介电系数电场变化率与溅射功率的关系（见表3-6）。表3-6 不同氧氩比下制备的BST薄膜的介电性能Fig.3-6 The dielectric properties of BST thin films deposited at different sputtering gasSputtering gas (O2/Ar) Dielectric constant (r) Tunability of dielectric constant ( )1 % 215 9.6%2 466 21.05 1267 %29.48 849 %41.6由表3-6可知，随着氧氩比的增加，介电系数电场变化率增加。当氧氩比为8:1时，介电系数电场变化率最大，但此时介电系数有所下降，耐击穿强度减小。当氧氩比增大时，沉积速率会降低，起辉困难。综合考虑，选择氧氩比为5:1。3.4.5溅射气压在衬底温度为400、溅射功率90100W、氧氩比为5、靶基距71mm、溅射气压分别为0.1Pa和0.5Pa时制备BST薄膜，其AFM像见图3-13，然后在650、O2气氛中处理30min。由图3-13可见，溅射气压为0.1Pa时制备的薄膜致密、几乎无针孔、晶粒大小较均匀，表面粗糙度为1.08nm；溅射气压为0.5Pa时制备的薄膜的致密性和晶粒的均匀性较差，表面粗糙度为6.47nm。 (a) 0.1Pa (b) 0.5Pa图3-13 不同溅射气压下制备的BST薄膜的AFM像Fig.3-13 2-D AFM images of BST thin films deposited at different pressures采用X射线光电子能谱(XPS)分析两种溅射气压下得到的BST薄膜表面成分，其谱图如图3-14所示。(a) 0.1Pa (b) 0.5Pa图3-14 不同溅射气压下制备的BST薄膜的X射线光电子能谱图Fig.3-14 The XPS spectra of BST thin films deposited at different pressures根据图3-14计算得到：溅射气压为0.1Pa和0.5Pa时得到的BST薄膜中Ba:Sr:Ti:O分别约为0.59:0.41:0.88:2.95和0.60:0.40:0.82:2.92，即薄膜成分与靶材的成分基本一致。3.4.6 靶基距我们对在不同靶基距下制备的BST薄膜进行了研究。图3-15是靶基距分别为73mm和71mm下制备的BST薄膜的rE曲线。图3-15 不同靶基距下制备的BST薄膜的r-E曲线Fig. 3-15 rE characteristics of BST films deposited at different target-substrate distances: (a) 73mm, (b) 71mm由图3-15得到两种靶基距下BST薄膜的介电系数及介电系数电场变化率(见表3-7)。表3-7 不同靶基距下制备的BST薄膜的介电性能Fig.3-6 The dielectric properties of BST thin films with different target-substrate distancetarget-substrate distance (mm) Dielectric c