sto铁电薄膜晶化动力学研究

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1、STO铁电薄膜晶化动力学研究张勤勇等:STO铁电薄膜晶化动力学研究STO铁电薄膜晶化动力学研究张勤勇,李言荣,蒋书文(1.电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;2.西华大学材料学院,四川成都610039)摘要:从经典的成核长大理论出发,建立了STO铁电薄膜的晶化动力学模型,根据模型模拟了热处理温度以及升温速率对STO铁电薄膜微结构的影响.模拟计算结果表明,在热处理温度较低的情况下,薄膜的晶粒较大,晶粒尺寸分布也较宽.随着晶化温度的升高,晶粒生长受到抑制,晶粒较小.当升温速率较小时,晶粒生长充分,晶粒较大,但晶粒大小

2、分布不均匀.当升温速率较大时,薄膜晶粒大小分布均匀,晶粒较小.模拟计算结果与实际情况一致.关键词:STO;铁电薄膜;晶化动力学;热处理中图分类号:0484文献标识码:A文章编号:l001-973l(2006)07-1067-031引言铁电体是具有自发极化,且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变的一类材料.这类材料的主要特征是具有铁电性,即电极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系.具有铁电性且厚度为几十纳米到几微米的材料叫铁电薄膜.铁电薄膜是目前国际上新型功能薄膜材料研究的一个热点,钙钛矿型(ABO)SrTiO(STO)铁电薄膜具

3、有良好的铁电性,压电性,热释电性,电光及非线性光学等特性,可广泛应用于微电子学,光电子学,集成光学和微电子机械系统(MEMS)等领域[1].STO薄膜可以采用脉冲激光沉积(PLD),金属有机物气相沉积(MOCVD),射频磁控溅射[5等方法在较高温度下原位制备,但由于制备温度较高,往往会导致薄膜与衬底间的互扩散以及衬底结构的破坏.为了与CMOS工艺相集成,通常在低温下制备非晶态STO薄膜,然后通过热处理使之晶化转变为铁电相.在铁电薄膜的晶化处理过程中,一方面需要采用快速晶化的方法,缩短晶化处理时间,降低晶化处理温度;另一方面需要优化铁

4、电薄膜的铁电,介电性能,另一方面是研究不同晶化处理条件下,STO薄膜表面,界面形态,晶粒分布以及薄膜取向的变化规律.本文从经典的成核长大理论出发,建立了STO薄膜的晶化动力学模型,根据模型模拟了热处理温度以及升温速率对STO铁电薄膜微结构的影响,为STO薄膜的制备提供理论指导.2模型的建立2.1STO薄膜晶化过程的尺度效应薄膜中的成核既可以是均匀成核,也可以是在缺陷,界面等处的非均匀成核,本文只考虑均匀成核的情况.假设每个晶核中含有个原胞,则晶核形成时的自由能变化△Gi可表示为:AGi一一Ag+口.Q(1)式中,hg是每个原胞从非晶

5、态转变为晶态时的自由能变化,dr是非晶相一晶相的界面自由能.0i是晶核表面的原胞数.STO铁电薄膜为钙钛矿结构,设薄膜的元胞晶格常数为n,晶核为边长为L的立方体,则可由下式估算:Oi一(2)又:一㈤故:Q一6亏(4)则(1)式可写成:△Gi=一hg+6dr~iT.(5)一般来说,当晶核中所含晶胞数较少时,△G;随晶胞数增加而增大,当晶胞数i到达临界晶胞数时,△Gi到达最大值△G.★,通常称为成核功,随后,△G随i增大而下降,如图l所示.Ot.omsiI1thecluster图l包含个晶胞晶核的自由能变化曲线FiglFreeenerg

6、yofSTOnucleusincludingcrystal—linecells由=o计算得出I临界晶胞数和成核功?基金项目:国家重大基础研究资助项目(5131O)收到初稿日期:2005?10.19收到修改稿日期:2006—02—20通讯作者:张勤勇作者简介:张勤勇(1972--),男,四川仁寿人,在读博士,师承李言荣教授,主要从事铁电薄膜研究.1o68助能材斟2006年第7期(37)卷△ui.对一0IC.A厂exp(一1(9)i?一(6),川△骺kT+l—oic.A厂exPf而Agi1(1o),,★32,△L,一'u(9),(1o)

7、式中:△gi—AGl—AGi,A是缺陷在晶则临界晶核的临界尺寸L?:态一非晶态界面上运动导致的晶核体积变化,f—L?一{一4aO'cj(8)厂oexp(--百r_,m)是热激发下缺陷在界面上运动的频率,在晶核形成过程中,为了降低晶核的自由能,当LE是相关活化能.指数部分表示一个晶胞在大小为i<L?时,晶核趋向于收缩或消失,而当L>L时,晶核个晶胞的晶核上生长的驱动力,k是Boltzmann常数,长大形成晶粒.L可认为是非晶态薄膜经过晶化处T是系统温度.理后能够形成多晶薄膜的临界厚度,低于该厚度的薄晶核净生长速率定义为单位

8、时间内晶核中增膜晶化处理时将无法形成多晶薄膜.长的原胞数:2.2STO薄膜晶化过程的昂核生长速率:下di一时一(11)原子在晶态一非晶态界面上吸附导致晶核长大,假设晶胞是晶核生长的基本单元,晶胞由非晶态向晶态考虑晶核尺寸L与所含原胞数