臺灣博碩士論文加值系統

在紅外線感測器材料中，Ba1-xSrxTiO3是一個非常具有發展潛力的材料，其焦電特性、高介電常數以及具有在室溫範圍的居里溫度，極適用於遠紅外線感測器中，為了降低材料厚度以增加感測度，本研究採用雙靶射頻濺鍍製程製備Ba1-xSrxTiO3薄膜，並探討製程、微結構、薄膜成份以及Ba1-xSrxTiO3薄膜的介電及焦電性質。在製程中發現基板加負偏壓的製程，可以增加Ba1-xSrxTiO3薄膜的結晶度，進而提升焦電係數。在電性上，我們發現Ba0.73Sr0.27TiO3薄膜具有最接近室溫的居里溫度約22℃，焦電係數值為13.69 nC/cm2℃。

Barium strontium titanate (Ba1-xSrxTiO3, BST) thin film is one of the most promising materials for infrared detectors because of its high dielectric constant and pyroelectric coefficient. In order to reduce material thickness and increase detector sensitivity, Ba1-xSrxTiO3 thin films were prepared by an RF magnetron co-sputter technique. Here, we present results on relationships between composition, microstructures, electrical properties and pyroelectric coefficient for polycrystalline BST films. Applying negative DC bias on substrate holder during sputtering can enhance the crystallinity of BST Films. A curie point of about 22℃, which is close to room temperature, is obtained for the Ba0.73Sr0.27TiO3 film. The Ba0.73Sr0.27TiO3 film possesses a pyroelectic coefficient of about 13.69 nC/cm2℃.

目錄…………………………………………………………………. I
表目錄………………………………………………..……..……… IV
圖目錄……………………………………………….………….…... V
摘要………………………………………………………….…..…. IX
Abstract……………………………………………………………….Ⅹ
一﹑簡介……………………………………………………..……… 1
1.1前言…………………………………………………………..…… 1
1.鈦酸鍶鋇之基本性質……………………………………………… 3
1.2.1晶體結構(Crystal Structure)……………….……………… 3
1.2.2鐵電特性(Ferroelectric Characteristics)….……………….. 5
1.2.3焦電現象(Pyroelectric Effect)……………………….……..9
1.3 BST濺鍍薄膜之文獻回顧………………………………………. 11
1.3.1 RF sputtering製程之BST薄膜的性質………………..…. 11
1.3.2 RF magnetron sputtering製程之BST薄膜的性質……….15
1.3.3 90°off-axis RF sputtering製程之薄膜的性質………...…22
1.3.4 Ion beam sputtering製程之薄膜的性質………………….. 24
1.3.5 Multi-ion-beam sputtering製程之薄膜的性質…………… 25
1.4焦電感測材料…………………………………………………….. 26
1.5研究目的………………………………………………………….. 29
二﹑實驗步驟……………………………….………………..…… 30
2.1實驗流程…………………………………………………………. 30
2.2薄膜製作………………………………………………………….. 30
2.2.1材料…………………………………………………….….. 30
2.2.2基板清洗…………………………………………………... 31
2.2.2.1清洗燒杯…………………..…………………………. 31
2.2.2.2清洗康寧基板………………………………………... 31
2.2.2.3清洗ITO基板………………………………………... 32
2.2.3濺鍍製程設備……………………………………………... 32
2.2.4鍍膜條件及步驟…………………………………………... 34
2.2.5熱處理……………………………………………………... 35
2.3材料分析…………………………………………………………. 37
2.3.1厚度量測…………………………………………………... 37
2. 3.2成份分析…………………………………………………... 37
2.3.3結晶度分析………………………………………………... 37
2.4電性量測………………………………………………………….. 37
三﹑結果與討論…………………………………………………… 40
3.1 鍍膜速率…………………………………………………………. 40
3.2 成分分析…………………………………………………………. 44
3.3 X-ray結晶繞射分析……………………………………………... 51
3.3.1 BST薄膜之結晶溫度……………………………………... 51
3.3.2晶格常數與晶粒大小…………………………………….. 51
3.3.3雙靶和單靶的比較………………..………………….…….52
3.3.4濃度變化的影響………………………………………….. 53
3.3.5 基板偏壓的影響…………………………………….……. 55
3.4電性量測………………………………………………………….. 66
3.4.1 焦電量測原理簡介………………………………….……. 66
3.4.2 介電性質………………………………………………….. 68
3.4.3 量測結果…………………………………………….……...69
3.4.3.1 頻率響應…………………………………………….…69
3.4.3.2單靶和雙靶的比較………………………………….….70
3.4.3.3濃度變化的影響…………………………………….….71
3.4.3.4基板偏壓的影響…………………………………….….72
四﹑結論………………………………………………….…………...92
五﹑參考資料…………………………………………………..……95
表 目 錄
表1.1 Ba1-xSrxTiO3塊材之居里溫度……………………...27
表2.1 鍍膜參數……………………………………………36
表3.1 鍍膜速率與鍍膜參數關係表………………………42
表3.2 在室溫所鍍覆的薄膜之ICP分析結果…………..…47
表3.3 由X光繞射圖形分析Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜之(110)晶面角度、晶面間距(d)、半高寬(FWHM)、晶格常數(a)一覽表………………………………………..….58
表3.4 由X光繞射圖形分析所得之(110)晶面角度、晶面間距(d)、半高寬(FWHM)、晶格常數(a)一覽表….58
表3.5 室溫下基板不加偏壓所鍍覆的Ba1-xSrxTiO3薄膜的
介電常數(量測頻率:1kHz)………………………...74
表3.6 Ba1-xSrxTiO3薄膜的居里溫度……………………..75
表3.7 Ba1-xSrxTiO3薄膜的最大焦電係數(絕對值)………75
表3.8 室溫下基板加-30V偏壓所鍍覆的Ba1-xSrxTiO3薄膜的介電常數(量測頻率:1kHz)……………..……….76
表3.9 基板加偏壓-30V時，Ba1-xSrxTiO3薄膜的居里溫度………………………………………….….……..76
表3.10 基板加偏壓-30V時，Ba1-xSrxTiO3薄膜的最大焦電係數值…………………………………………..……..77
圖 目 錄
圖1.1 紅外線焦電感測器元件結構示意圖………………..2
圖1.2 鈣鈦礦晶體結構示意圖………………………..……2
圖1.3 BaTiO3結晶構造與溫度的關係……………….……6
圖1.4 BaTiO3晶格參數與溫度的關係……………….……7
圖1.5 鐵電材料之遲滯曲線………………………………..8
圖1.6 鐵電材料之極化量與溫度關係圖…………………..8
圖1.7 極化材料的表面在(a)穩態和(b)溫度改變DT時的暫
態下電荷的變化情形……………………………....10
圖1.8 Ba1-xSrxTiO3薄膜微結構示意圖…………………...12
圖1.9 Ion Beam Sputtering製程腔示意圖…………..…....24
圖1.10 BST之居里溫度與滲雜元素關係圖……………....28
圖1.11 二不同滲雜量之BaTiO3的典型焦電係數(Pi)與自發性極化量(Ps)與溫度關係圖(a)BaTiO3 + 3.5% BaZrO3，(b) BaTiO3 +19.5%BaZrO..…….…….….28
圖2.1 實驗流程圖…………………………………………30
圖2.2 真空濺鍍系統示意圖………………………………33
圖2.3 濺鍍系統真空腔示意圖……………………………34
圖2.4 電性量測系統裝置圖………………………………39
圖3.1 Ba1-xSrxTiO3薄膜在基板不加偏壓──以及基板加偏壓-30V─●─的鍍膜速率與成份關係圖...…43
圖3.2 Ba1-xSrxTiO3膜在基板不加偏壓 ──以及基板加偏壓-30V─●─的(Ba+Sr)/Ti的比值與成份關係圖…… ……………..….……………….….……48
圖3.3 BaO-TiO2 系統相圖………..……………..………..49
圖3.4 Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜經過620℃兩小時熱處理與初鍍膜之XRD圖形…………………………….……….55
圖3.5 單靶和雙靶所鍍覆之Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜之XRD圖形……………………………………………………56
圖3.6 不同成份之Ba1-xSrxTiO3 X-ray繞射圖(a)x=0(b)x=0.31 (c)x=0.35(d)x=0.42 (e)x=0.48 (f)x=0.55 (g)x=1……………………………………57
圖3.7 Ba1-xSrxTiO3薄膜的晶格常數對成份關係圖….….59
圖3.8 Ba1-xSrxTiO3薄膜的晶粒尺寸對成份關係圖……..60
圖3.9 單靶鍍覆Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜之XRD繞射圖……61
圖3.10 雙靶鍍覆Ba0.65Sr0.35TiO3之 X-ray繞射圖……….62圖3.11 Ba1-xSrxTiO3薄膜的晶格常數對成份關係圖……...63
圖3.12 Ba1-xSrxTiO3薄膜的晶粒尺寸對成份關係圖……...64
圖3.13 單靶和雙靶濺鍍Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜的介電常數對溫度圖……………………………………..……….78
圖3.14 單靶和雙靶濺鍍Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜的焦電係數圖…..……………………………………………….78
圖3.15 雙靶濺鍍Ba1-xSrxTiO3薄膜的介電常數對溫度關係
圖………………………………………….………..79
圖3.16 SrTiO3的焦電係數與溫度關係圖………………...80
圖3.17 Ba0.45Sr0.55TiO3的焦電係數對溫度關係圖……….80
圖3.18 Ba0.42Sr0.48TiO3的焦電係數對溫度關係圖……….81
圖3.19 Ba0.65Sr0.35TiO3的焦電係數對溫度關係圖……….81
圖3.20 Ba0.69Sr0.31TiO3的焦電係數對溫度關係圖……….82
圖3.21 Ba0.73Sr0.27TiO3的焦電係數對溫度關係圖……….82
圖3.22 BaTiO3的焦電係數對溫度關係圖………………..83
圖3.23 基板加偏壓-30V時，雙靶濺鍍Ba1-xSrxTiO3薄膜的介電常數對溫度關係圖……………………….…..84
圖3.24 Ba0.65Sr0.35TiO3的介電常數對溫度關係圖………..85
圖3.25 Ba1-xSrxTiO3薄膜的介電常數對成份關係圖……..85
圖3.26 Ba1-xSrxTiO3薄膜的居里溫度對成份關係圖……..86
圖3.27 基板加偏壓-30V時，SrTiO3的焦電係數與溫度關係圖…………………………….……………………..86
圖3.28 基板加偏壓-30V時，Ba0.43Sr0.57TiO3的焦電係數對溫度關係圖……………………………………...…87
圖3.29 基板加偏壓-30V時，Ba0.50Sr0.50TiO3的焦電係數對溫度關係圖……………………………………...…87
圖3.30 基板加偏壓-30V時，Ba0.58Sr0.42TiO3的焦電係數對溫度關係圖………………………………………...88
圖3.31 基板加偏壓-30V時，Ba0.64Sr0.36TiO3的焦電係數對溫度關係圖…………………………...……………88
圖3.32 基板加偏壓-30V時，Ba0.68Sr0.32TiO3的焦電係數對溫度關係圖………………………………...………89
圖3.33 基板加偏壓-30V時，Ba0.73Sr0.27TiO3的焦電係數對溫度關係圖………………………………………...89
圖3.34 基板加偏壓-30V時，BaTiO3的焦電係數對溫度關係圖………………………………………………..90
圖3.35 雙靶濺鍍Ba1-xSrxTiO3薄膜的最大焦電係數對成份關係圖……………………………………………..90

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