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铁电薄膜生长及器件制备工艺的研究

尹伊  
【摘要】:本文探讨了钛酸锶钡(BST)、铌酸锶钡(SBN)和锆钛酸铅(PZT)三种重要铁电材料的薄膜生长和器件制备工作。对于钛酸锶钡(BST)材料,我们研究了成份为Ba0.7Sr0.3Ti03(BST30)的薄膜溶胶-凝胶(Sol-Gel)生长工艺及其原理。通过对其晶相,截面微结构和表面形貌的测试,重点研究了MgO缓冲层取向和厚度对BST30薄膜结构的影响,同时结合薄膜光学性能(拟合薄膜折射率和厚度)和电学性能测试(Ⅰ-Ⅴ曲线测量),分析了MgO缓冲层对BST30薄膜性能的影响;对于铌酸锶钡(SBN)材料,我们研究了成份为Sr0.75Ba0.25Ti03(SBN75)的薄膜在TiN和MgO缓冲层上的磁控溅射制备工艺。通过引入低温自缓冲层,在MgO(001)缓冲层上得到了高择优c轴取向生长的SBN75薄膜,并结合X射线衍射,扫描电子显微镜,原子力显微镜等方法研究了其生长机理。实验中还通过组分分析,研究了SBN75溅射靶材和膜层之间的成分差异以及TiN(001)缓冲层在制备SBN75薄膜过程中产生的氧化现象及其影响。SBN/MgO/Si膜系构成波导结构的应用条件则通过计算各层薄膜折射率和MgO层肌肤深度来加以确定;对于锆钛酸铅(PZT)材料,我们研究了成份为Pb(Zr52Ti48)O3(PZT52)的薄膜Sol-Gel生长工艺及其原理,并在此基础上,利用其良好的d31和d33压电特性,设计并制备了具有平行平板(d31模式)和环形叉值(IDT模式)两种电极结构的单压电片型鼓膜驱动器阵列。通过动态和静态性能分析表明,两种模式的压电鼓膜在低电压下(0~15V)具有良好的驱动能力(最大形变量2gm)。文中还利用有限元方法(FEM)拟合了压电鼓膜的表面面形并分析了形变成因,同时在夹持状态下,分析了热效应对无鼓膜结构阵列单元形变量的影响。 通过上述研究工作,我们初步掌握了制备高质量铁电薄膜及其MEMS器件的工艺方法,为后期开展铁电-硅微电子集成系统(FSMIS)的研究奠定了良好的基础。


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