Ba0.6Sr0.4TiO3溅射靶材的烧制和性能分析

二氧化钛

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第 l 4卷第 2期20 0 8年 4月

功能材料与器件学报J RNAL O UNC I AL MA ER A S AN VI E OU FF T ON T I L D DE C S

V 1 4, . o.1 No 2 Ap .2 0 r, 0 8

文章编号：0 7— 2 2 20 ) 2— 3 8— 4 10 4 5 (0 8 0 0 5 0

Ba 6 S o4 TO o r i 3溅射靶材的烧制和性能分析. .

张龙朱健，,卓敏( .南京电子器件研究所， 1南京 2 0 1; 10 6 2 .单片集成电路与模块国家级重点实验室南京 2 0 1 ) 10 6

摘要：绍了 B T压电陶瓷靶的烧制方法，用添加剂改善了 B 0S0 TO靶材的结构和性能，介 S使 aI r i, 6 .解决了 B T靶材热稳定性差的问题，时优化了 B T靶材的晶化效果，高介电性能。实验通过 S同 S提

X D衍射和尸一E试验分析了所制 B T溅射靶的微结构和铁电特性。 R S关键词： S;电陶瓷； BT压热稳定性； R X D衍射； 试验分析 P—中图分类号： N 0 . T 34 9文献标识码： A

.

Fi e pr c s nd pe f r a c na y i f Hi h—i t n iy Ba 6 r 4 O3t r e r o e sa r o m n e a l ss o g n e s t 0 S 0 Ti a g t.

.

Z NG l n Z in, HU n HA o g, HU Ja Z O mi

( . aj gEet ncD v e s tt, aj g2 , h a 1 N ni l r i ei sI tue N ni 0 C i; n co c ni n 1 1 0 6 n 2 a oa K yL b f n lhcIt rt i ut a dMoue,N nig 2 0 1, hn ) .N t n l e a .o oi i ne a dCr i n d ls aj, 10 6 C ia i Mo t g e c s nAbsr c: h r g e s o a rc tn h i h—i t n iis Ba 04 O3tr e,a d m eir td i e - ta t T e p o s ff b ai g t e h g r i n e ste o6 Sr Ti a g t n lo ae t p r s

fr n e,t a ov d t e u i u tus d f c t p o lm,lw ih tm

p r t r e it n e sa iiy o T o ma c h ts le h b q io i ul r be i o h g e e a u e r ssa c tb lt fBS tr e r r s n e .A malq a t y o d iie c n p moe n ce t n a d i c e s h T l i ag twe e p e e t d s l u n i fa d tv a r t o t u la i n n r a e t e BS f msd - o i

ee t c p r r n e T i a e r vd s t e XR n —E ts n e u t,w i h i d c ts t i B T l cr e o ma c . h s p p rp o i e h D a d P i f e t g r s l i s h c n ia e h s S tr e a r sal i tu t r n o d fro l crc p ro ma c . ag th s c y t l d sr c u e a d g o e r ee ti e f r n e o K e r s: T;e re e ti t e ma tb lt XRD;— E e tn y wo d BS fro lc rc;h r lsa ii y; P t si g

O引言 B T薄膜具有优良的铁电性、电性和快开关 S压特性，线性强、电流小、非漏不易疲劳，研制 ME S是 M压控振荡器、 M ME S移相器、 MS雷达天线等器件 ME和系统潜在的优良材料；随机动态存储器在

好，质致密，以溅射 B T薄膜的方法成为研究膜所 S B T薄膜热点之一。高温烧结合成法制备的 B T S S块状靶材致密性好、度高、硬刚性强，致命的弱点但是耐受强烈的温循和热冲性能差，旦通过严酷的一磁控溅射加热条件 (含衬底加热 )易龟裂破碎，极导

( R M) D A使用 B T薄膜，以避免铁电畴的开关特 S可

性引起的疲劳 J。溅射法制备的 B T薄膜与基底 S附着力好，易脱落，机械耐久性高，阶覆盖性不且台收稿日期：0 7— 5—1; 20 0 2修订日期：0 7— 6— 7 20 0 2

致工艺无法延续，成为制靶工艺的一大难题，我们在研究中对靶材采用添加剂技术和机械压应力调解技术解决这一技术难点。

基金项目：单片集成电路与模块国家级重点实验室基金资助 ( o94 C 4 52

6 7 N . 10 10 00 0 )作者简介：张龙，工程师，南京电子器件研究所 ( E—m i m m@nd.n . a: e s eic ) l

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张龙，:a. r TO"等 B o So i 3 溅射靶材的烧制和性能分析

39 5

表 1制备 B T的原材料的物理化学特性 STa l Pa a tr fBST t g tm atl be1 r mee s o a e te: r

Gm Y等研究了 B x r一TO i… aS i薄膜中与薄膜介电常数的关系，发现当= . 0 6~0 7时介电常 .

匝囵] _一烘干

二唯] _

圆

皤

数值达最大。本文研究了 B T靶材的值与介电 S常数的关系，采用了添加剂技术来解决制靶工艺并流程中的难题和优化靶材。

球磨『

粉碎 r_预烧结 r1压模 _1 _

工压嫫 f一曼塑 r_1堕 r_取样分析 _1 _ _ 1造粒F g 1 P o e so S a g t a rc t g i . r c s fB T t e b i ai r f n

1工艺试验 11靶材 B/ r . a S的配比分析

图 1 BT靶材制造工艺流程 S

在试验中将制靶原材料分别球磨 10,0 h以 0 h20及使用自行设计的研磨磨制取超细粉和超微粉，靶材烧结温度及时间分别为 10￣ 15￣ 18￣ 2 0C、2 0C、2 0C

本文研究的： T靶材，工艺上它可由钡、 B S在锶

的氧化物、氢氧化物或碳酸盐与二氧化钛混合在高温下直接反应来制得，实际的工艺技术中由于金但

和 3、h恒温时间。实验表明， h6提高温度或延长恒温时间更有利于晶化效果。 通过以上的工艺方法，制取了 1 0 6的不 0X . mm

属氧化物的活性较差故多采用相应的碳酸盐作原料。

使用的材料是碳酸钡 ( a O )碳酸锶 ( r BC 3, S-

同 B/r比的各种圆形 B T靶材样品，经制作 aS配 S再金属电极，刻成电容样品，得介电常数 s值的变光测化规律 ( 2,在靶材的组分设计中，先予以表 )以便预

C和二氧化钛，高温下其平衡的化学反应式 O)在为：^

B C 3 TO B T 3 C 2 a O+ i2 a i+ O O T SC 3 T

O s i3 C 2 rO+ i2 r 0+ O T TBa O3+ S Ti Ti r O3 Ba 6S o TO o r 4 i3.

①②⑧

控制，以消除在磁控溅射过程中由于组分的缺失造成失配而影响薄膜性能。表 2材料 B/ r aS的不同比率的￡值相对变化规律Ta l Vau f ih dfe e tr t f Ba r i a p e be 2 l e o m￣t i r n ae o /S n s m ls f

.

表 1列出了上述各原材料的物理化学性能。

在靶材的制备中，纯度、颗粒度和颗粒形状是原材料质量的三项重要因素。其中，材料的纯度决原定了靶材电性能的优劣和它的稳定性；颗粒度的大小决定了原材料的表面活性和制成品的均匀性、体

密度等；颗粒形状决定烧成品空隙率及固相反应的完全程度。

研究采用了分析纯的主体材料和高纯的添加剂， 使用刚性较好的玛瑙球磨罐经湿法球磨加工成超细微粉以达到较佳的工艺标准，工艺流程见图 1其。试验证明在 B r一TO S i结构式中， 当=0 6 .~

以上工艺流程中成型烧结温度控制在 10 20~

07时可获得较高的 s, .值这在制备 B T薄膜时， S

10￣恒温 3, 30C h其升温和降温速率控制在 20/1 0￣ I C,时以内。

可作为薄膜的结构式的的取值范围。

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1 4卷

12 B S0TO溅射靶的制备 . a r4 i 3 _

表 4靶材化学组分分析Ta e4 An l ss o o6 04 O3tr e o o nt bt a y i fBa Sr Ti a g tc mp ne

为了制取结构配比为 B S TO a r i,的钛酸锶

钡产品，可依据化学反应式①~③计算出表 1中各试剂的含量，计算所得结果列于表 31 3靶材的抗温循和热冲击性 .

在实验中利用高温烧制的 B T靶材制备 B T S S薄膜时，采用原位基底同步加热法进行射频磁控溅射生长 B T薄膜 J S。普通工艺烧制的靶材耐不住

由上表可看出，元素的相对误差基本上处在各许可范围内， T的损失偏大，但 i可通过配方调整。2 2差热分析和 X—ry射分析 . a衍

溅射的射

频冲击，溅射过程中 B T靶材会碎裂致在 S使溅射过程无法进行。尤其是基底同步加热时，靶材长时间的处于 4 0C以上的烘烤中，强靶材的 0o增抗冲击强度和平衡内部应力成为制靶的关键。经反复实验，我们通过控制原料的颗粒大小、添加微量剂和发泡剂解决了这一难题。表 3 B T的反应物所含的各组分配比 STa l Co o iin a in o he BS a tn te be 3 mp sto sr to ft T ci g ma tr

图 3图 4分别是 B。SoTO、 a6r4i靶材的差热分 . .析和 x—ry射分析图。 a衍

Fi . De ae c n e a ayss o g3 c s e c n l i BST a g t l tr e

球磨颗粒度；工艺中控制约 1 t的颗粒度，~3 m x以及 15 20~18 o和 3~ h的恒温即可制取优质、 20C 6密

图 3 B T靶材的差热分析 S

实、高强度的靶材，过细的粉体不利于结晶效果。添加剂；量氧化物添加剂可改善产品的烧结微

性能和调节产品的电、、热机械性能，降低靶材的烧结温度，高介质的电阻率等。我们在烧制靶材时提添加了多种添加剂，化了靶材和由其制备的 B T优 S薄膜的理化性能。 发泡剂；在靶材中添加一定计量的碳酸发泡剂和助泡剂，备多孔的 B T靶材，严酷的磁控溅制 S在射加热条件下可以显著地吸收、消除其内应力，高提其热稳定性。2 Ba 6S 04TO靶材的性能分析 0 r i. .

2 o 6 0o 2舢 3 o3【 4 o 5J o 5 o 6 O 6, 4o oo 2o 8o) o ( 6 2O 8 o 7 . 8 .o 4 D o o o

Fi. XRD te nso T ag t g4 patr fBS t e r

图 4 B T靶材的 X D分析 S R

由图 3看出有 B T靶材差热曲线比较平滑连 S续，突兀的峰，动较小，无波显示出靶材状态稳定，原材料晶体转化彻底，晶化效果好，电常数在一定温介

度范围内变化不大。由图4看出这块靶是典型的钙钛矿结构的 B。 S。 TO a r i靶，体结构完整，晶没有. .

2 1化学组分分析 .

所制备的样品经组分分析，

除添加剂及掺杂扣剂后各组分比见表 4。

杂峰。

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张龙，:a r TO溅射靶材的烧制和性能分析等 Bo o i, S

31 6

2 3 B 0 S0TO靶材的 S M电镜分析 . a_ r 4i 3 6 - E

3总结 文章介绍了 B T靶材的烧制工艺过程， S通过试

图 5是 B T靶材的 S M电镜扫描图， S E晶体生长良好，晶粒平均尺寸约为 4 8 . m,堆积密实。

验确定了元素比与介电常数的关系，通过研磨成 1~

3的颗粒度的超细粉，掺杂了改善 BT靶材 m并 S

靶材性能的微量添加剂，高温烧结成抗龟裂、寿命长的靶材。通过差热分析和 X—ry衍射分析等方法 a确定了靶材的 B 0 S0 i。钙钛矿结构，由 P— aI r O 6 T并

E分析了这种靶材的铁电性能。参考文献：[]章天金， 1李东，超， B T薄膜的 Sl e法制备及徐等. S o—G l其电学性能的研究[] J .压电与声光，0 2 2 2:4 20,4( ) 15—

1 48.

Fg 5 S i . EM fBS tr e o T a g t

[]E hl l a, sn .Poesi tedvl m n o 2 zi a vnS Te g Y rcs n h ee p et f va T o ( a S) i3 B T hnfmso i bt r R Ms J . B,r TO ( S )t l r g ieaD A[] ii f ga M ae e t r Ch m Phy s,2 00, 5: 2—2 0 6 27 28.

图 5 B T靶材的 S M分析 S E

3 4铁电性能分析 .

[]Assi A A R e a. ae D psi f( a s) 3 t h K MU A, t 1Lsr eoio o B,r u N tnT O3 F l i i ms山 Mea tl— E h ln da n tta c t Acd t ye e imiee r a e i c i

图 6显示了 B T靶材有比较标准的 P—E曲 S线，明这种方法制作的 B T溅射靶材具有典型的说 S

C m l e[] J nJA p h s20 . o pe sJ .p p l y,0 2 x P []C l M W, 1L oe a一S i 3h l s ru a 4 o e a. adpdB 1 r O i fm n— e t T t ni

f t o

铁电特性。此图显示所制 B T靶材电滞特性明显， S 只是没有闭合，成这一现象的原因的分析也在进造一

b ei plaos J . O R A F A P ID l dv eapctn[. J U N L O P LE e c i i]PHY SI CS VO LUM E,001, 9. 2 8

步的研究中。

[]K n P e a. f c o ana n m ea r o ee 5 a gW,t 1Ef t n el gt prt e nt _ e f i e u hlcr n e si n c a a trsis o iio i s c ae 0. e to miso h ce itc fslc n tp o td Ba r2 0 1 5 1 0

6 S0 3 TO hnfm[] a c T cmo,0 3 2 7 r. 3 I3ti l J .V cS i el l2 0, 1 i() 3.

[]Jo 6 on—H u gA n e a. et u yn h,t 1D u r m—i ue erdt n e i n cddgaa o d i o B, r i3fms J . p h sL t,20 7 f( a s )TO l[] Ap lP y et 00,7 i() 9.

尝 50

墨. 5l 0.

[]Gm Y, u snT F nY, 1Mi ot c r adde c 7 i H do, a e a. c s ut e n i e— t r r u lti o ri l—x r Ti l g o n La O3s b— rc prpe t o Ba esf S x O3f m wn o AI u i r

1 5 2 0—

.

s ae[] t t J .Ap l h s et 20,6 8 . r s p y t, 0 07 ( ) P L2 0 0 0一0 0 l 0 0 l 0 00 X Ax s te i Ti i 2 0 0 0

[]张龙， 8林立强，朱健，等.衬底同步加热溅射 B T薄膜的 S研究[] J .传感技术学报，0 6 1 ( ) 10 20,9 5:9 4—10 . 96

Fi. P—E e e e c fBS tr e g6 d p nd n e o T ag t

图 6 B T靶材的 P—E图线 S

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