钛酸铜钙薄膜制备工艺及介电性能的研究.doc

钛酸铜钙薄膜制备工艺及介电性能的研究随着微电子工业的发展,对器件低功耗、高性能化、尺寸微型化以及集成化等方面提出了更高的要求。近年来,一种新型介电材料,钛酸铜钙(CaCu3Ti4012,CCTO),因其独特的介电行为、超高的介电常数,引起了研究者们广泛兴趣,有望成为制备超级电容器、可变电阻器、微波器件、气体传感器和能量存储器件的理想材料。然而,CCTO材料巨介电常数的起源仍然不明确而限制了对其性能的进一步优化。此外,CCTO材料虽然有超高的介电常数,但同时伴随着较高的介电损耗,不利于材料的应用。针对上述问题,论文以磁控溅射法制备的CCTO薄膜作为研究对象,考察了不同工艺条件处理对CCTO薄膜晶体结构、微观形貌及介电性能的影响,获得CCTO薄膜的最佳制备工艺参数;并初步探索共溅射法制备Nb掺杂CCTO薄膜的基本工艺。主要结论如下:一、制备了不同溅射气压(0.3Pa,0.45Pa,0.6Pa,0.8Pa和0.9Pa)下的CCTO薄膜,考察了溅射气压对预制备CCTO薄膜晶体结构和介电性能的影响。研究发现,溅射气压为0.45Pa时,所制备的CCTO薄膜的特征峰明显,杂相峰峰强较弱、个数较少,并且具有最大的介电常数。二、在溅射气压为0.45Pa下,对CCTO薄膜在不同温度(室温,200℃,400℃,600℃,800℃和900℃)下进行退火处理,并考察了退火温度对CCTO薄膜晶体结构和介电性能的影响。研究表明,退火温度能够改善CCTO的晶化情况,提高薄膜的介电性能。退火温度为800℃时,CCTO的晶化效果最好,特征峰明显,杂相少。退火温度越高,薄膜的介电常数越大。800℃退火处理时,CCTO薄膜的介电常数最大,f=1kHz时的介电常数为256。三、基于上述工艺参数,分别在空气和氧气气氛中对薄膜退火处理并与未退火处理的预制备薄膜样品对比。研究结果表明,CCTO薄膜为纯立方相结构且呈现(422)择优取向,退火能够促进晶粒的进一步长大,退火处理的薄膜样品晶界电阻值增长显著,且表现出与预制备薄膜样品不同的介电行为:样品中频处由氧空位二次电离产生的介电弛豫退火处理后消失了;氧气气氛退火处理的样品介电常数在1Hz达到104,比预制备样品高一个数量级。这可能是氧气中退火时薄膜晶界处氧空位得到填充,薄膜具有更好的晶化效果造成的。四、论文从降低CCTO薄膜介电损耗着手,采用共溅射方法制备了不同溅射功率的Nb掺杂CCTO薄膜(Nb-CCTO),从结构、性能等方面探索Nb掺杂功率对CCTO薄膜介电性能的影响。X射线衍射图谱表明Nb-CCTO薄膜中含有少量CaTiO3,TiO2和CuO二次相,CCTO相呈现(422)择优取向。Nb掺杂功率越大,Nb-CCTO薄膜颗粒尺寸越小,颗粒之间排列更加致密。薄膜介电常数(ε’)随Nb掺杂功率增加而下降,而介电损耗(tanδ)却随Nb掺杂功率的增加而增大。这可能是Nb元素的引入抑制了晶粒长大造成的;此外少量残存在薄膜中的Nb原子的局部电导也可能引起这种介电现象。研究发现,当Nb靶溅射功率为30W时,薄膜具有相对较高的介电常数和较低的介电损耗。