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倒筒靶RF溅射制备BST热释电薄膜研究

作　者: 刘祚麟
导　师: 李言荣
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: BST薄膜 倒筒靶 射频溅射 热释电 非制冷焦平面阵列
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 119次
引　用: 2次
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内容摘要


(Ba,Sr)TiO3（简称BST）是一种钙钛矿结构的铁电材料,具有介电常数高、漏电流密度小、热释电性能优良以及居里温度可调等特点,是制作单片式非制冷焦平面阵列（UFPA）的理想材料之一。为了满足单片式UFPA器件研制的需要,本文开展了BST薄膜的倒筒靶射频（RF）溅射生长研究:首先进行了筒形BST陶瓷靶的烧结工艺研究,在优化烧结条件下制得结构致密,结晶良好的Ba0.65 Sr0.35TiO3陶瓷靶。在10KHz、25℃条件下测得靶材的介电常数达104,靶材居里温度为19℃,可满足RF溅射应用要求。通过缓冲层研究,发现在Pt/Ti/SiO2/Si基片上先低温（200℃）沉积（Ba,Sr）RuO3（简称BSR）缓冲层,再高温（560℃）沉积BST主体层,可以使薄膜质量得到明显改善。采用倒筒靶RF溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备带BSR缓冲层的BST薄膜。系统研究了沉积温度、靶-基距、溅射功率、溅射总气压、氧氩比、自偏压以及退火处理对薄膜微观结构和电学性能的影响,优化了BST薄膜的生长工艺参数。在优化条件下制备的BST薄膜平整度高、结晶性好、耐压能力强,在室温下热释电系数可达6.73×10-7 C.cm-2.K-1。采用基片双轴旋转的方式制备了BST薄膜,分析了在该方式下制备的薄膜的均匀性和一致性,并与固定基片方式下制备的薄膜进行了比较,验证了双轴旋转系统大面积成膜的可行性。最后,将研制的BST薄膜加工为NiCr/BST/BSR/Pt/Ti/SiO2/Si结构的薄膜型红外单元器件。在800K黑体温度、30Hz斩波频率条件下测得单元器件的探测率D*=4.93×107cm.Hz1/2.W-1,充分验证了BST薄膜的高热释电性能。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-19
  1.1 引言  8-11
  1.2 热释电红外探测器工作原理  11-15
    1.2.1 工作原理  11-12
    1.2.2 工作模式  12-13
    1.2.3 热释电材料性能指标  13-15
  1.3 BST 的结构性能及薄膜制备方法  15-18
    1.3.1 BST 的结构性能  15-16
    1.3.2 BST 薄膜的制备方法  16-18
  1.4 本论文主要工作  18-19
第二章 实验方法  19-29
  2.1 倒筒靶RF 溅射工艺方法  19-21
    2.1.1 倒筒靶 RF 溅射原理  19-20
    2.1.2 本文所采用的倒筒靶 RF 溅射系统简介  20-21
  2.2 BST 薄膜样品的上电极制备方法  21-22
  2.3 微观分析方法  22-25
    2.3.1 X 射线衍射原理  22-23
    2.3.2 SEM 工作原理  23-24
    2.3.3 AFM 工作原理  24-25
  2.4 薄膜电性能测试方法  25-29
    2.4.1 介电性能测试方法  25-26
    2.4.2 热释电系数测试方法  26-29
第三章 BST 薄膜倒筒靶RF 溅射工艺研究  29-57
  3.1 靶材的制备  29-32
    3.1.1 工艺流程  29-31
    3.1.2 靶材的分析  31-32
  3.2 BST 薄膜样品的制备  32-33
  3.3 BSR 缓冲层研究  33-39
    3.3.1 BSR 缓冲层沉积温度对薄膜结构和性能的影响  33-37
    3.3.2 BSR 缓冲层溅射功率对薄膜结构的影响  37-39
    3.3.3 BSR 缓冲层实验小结  39
  3.4 主体层工艺参数对BST 薄膜结构及性能的影响  39-53
    3.4.1 溅射总气压  40-41
    3.4.2 氧氩比  41-42
    3.4.3 沉积温度  42-44
    3.4.4 溅射功率  44-45
    3.4.5 靶基距  45-47
    3.4.6 退火温度  47-48
    3.4.7 自偏压  48-52
    3.4.8 小结  52-53
  3.5 BST 薄膜的一致性研究  53-57
    3.5.1 双轴旋转系统简介  53-54
    3.5.2 薄膜一致性分析  54-57
第四章 BST 薄膜红外单元探测器性能分析  57-62
  4.1 红外探测器的性能指标  57-58
  4.2 探测率测试系统  58-59
  4.3 单元探测器探测率的测量  59-62
第五章 结论  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-68
攻硕期间取得的研究成果  68-69

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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