2、鐵電疇圖形化

對(duì)于鐵電刻蝕，需要在電場(chǎng)作用下，在鐵電材料表面微米甚至納米尺度實(shí)現(xiàn)鐵電疇自發(fā)極化取向的操縱(tg稱為鐵電疇翻轉(zhuǎn))，獲得小尺度的鐵電疇圖形。下面詳細(xì)介紹目前主要適合鐵電刻蝕應(yīng)用的三種鐵電疇圖形化方法，即微電極圖形化、掃描探針圖形化和電子束圖形化。

2．1微電極圖形化

鐵電疇翻轉(zhuǎn)最直接的方法是采用傳統(tǒng)的電極。為獲得預(yù)定圖形的鐵電疇，需要采用相應(yīng)圖形的微電極與表面接觸，并施加合適偏壓，產(chǎn)生高于襯底材料矯枉場(chǎng)的電場(chǎng)，使鐵電材料極化。微電極圖形化方法中關(guān)鍵的是微電極的制作。針對(duì)鐵電刻蝕的需要，D．A．Bon~ell等人Lj開發(fā)了一種圖形化的印章電極的制備工藝：首先采用微細(xì)加工技術(shù)制備所需圖案和尺寸大小的模具，然后把液體聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDM S)注入模具，硬化后去除模具，最后在聚合物表面熱蒸發(fā)沉積金屬薄膜。印章電極是可移動(dòng)的，使用方便，并且可以多次利用。盡管在整個(gè)印章表面沉積了金屬，但只有那些與鐵電表面接觸的區(qū)域才會(huì)產(chǎn)生足夠高的電場(chǎng)使鐵電疇翻轉(zhuǎn)。圖2所示為采用印章電極極化Pb(Zr，Ti)O，(PZT)薄膜過程的示意圖和獲得的鐵電疇圖形的光學(xué)像。該方法中鐵電疇的翻轉(zhuǎn)機(jī)制與傳統(tǒng)平行板電極下鐵電疇重新取向相同，即新疇在界面的成核生長(zhǎng)。圖2中鐵電疇圖形的尺寸較大，但證實(shí)了印章電極在鐵電疇翻轉(zhuǎn)中的有效性。

印章電極誘導(dǎo)的鐵電疇圖形化的優(yōu)勢(shì)是可簡(jiǎn)單而直接地實(shí)現(xiàn)鐵電表面極化方向重新取向，重新取向的鐵電疇可達(dá)到襯底以下的有效深度較大，但很難獲得特征尺寸小于1／，m的鐵電疇結(jié)構(gòu)。原因是在印章電極制作的第一步即模具的圖形化需要采用傳統(tǒng)微細(xì)加工技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)納米尺寸電極的制作存在困難。此外，由于印章電極使用時(shí)電場(chǎng)不均勻，在電極邊緣，電場(chǎng)非常高，這里是新疇成核的位置，電疇的橫向擴(kuò)展生長(zhǎng)使得最終得到的電疇的尺寸要比電極的實(shí)際尺寸大。

2．2掃描探針圖形化

第二種表面極化圖形化的方法是把電極的概念擴(kuò)展到掃描探針針尖。如圖3(a)所示，導(dǎo)電的掃描探針顯微鏡(SPM)針尖掃描鐵電表面時(shí)，施加直流電壓。當(dāng)針尖引起的局域電場(chǎng)足夠高時(shí)，與針尖接觸的區(qū)域內(nèi)的鐵電疇取向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。通過控制針尖的運(yùn)動(dòng)，形成復(fù)雜鐵電疇圖形，并且由于針尖半徑非常小(約10nm)，因此可獲得的鐵電疇圖形具有極高的空間分辨率。鐵電疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制也包括新疇成核，然后是前向生長(zhǎng)和側(cè)向擴(kuò)展過程。(a)鐵電薄膜在直流電壓偏置的探針針尖作用下電疇翻轉(zhuǎn)示意圖一■(b)在100nm厚的PzT薄膜上(e)在100nln厚的PZT薄膜上獲得的鐵電疇陣列獲得的復(fù)雜鐵電疇圖形的壓電響應(yīng)力圖像

針尖電場(chǎng)的幾何形狀不同于平面電極，電場(chǎng)高度局域化，并且與針尖接觸鐵電表面區(qū)域電場(chǎng)非常高。在局域化的針尖電場(chǎng)作用下，活化能和臨界疇尺寸變得非常小，新的鐵電疇將均勻成核生長(zhǎng)口，理想情況下，鐵電疇的最小尺寸由鐵電材料的晶體結(jié)構(gòu)和表面狀況決定。掃描探針技術(shù)發(fā)展后不久，人們開展了許多利用SPM針尖控制鐵電極化的研究，其中一個(gè)熱點(diǎn)是小尺寸的鐵電疇圖形的制作。目前，已成功在100nm尺寸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鐵電疇圖形化。

圖3(b)和(C)為采用直流電壓偏置的SPA400原子力顯微鏡針尖掃描在100 nm厚的PZT薄膜上制作的鐵電疇圖形的壓電響應(yīng)力圖像(PFM)，圖像尺寸都為20 m X 20 m，其中圖3(b)中鐵電疇陣列的尺寸約2．5／zm，圖3(c)中復(fù)雜鐵電疇圖形的最小尺寸約500 nm。目前針尖誘導(dǎo)的鐵電疇翻轉(zhuǎn)已在大量材料中證實(shí)，SPM已成為鐵電疇圖形化的有效工具，但常規(guī)SPM的操作速度很慢，大量的應(yīng)用需要采用高速度、高偏壓和多探針等新的掃描探針技術(shù)。

2．3電子束圖形化

第三種鐵電疇圖形化的方法是基于入射電子與鐵電表面的相互作用。圖4(a)為實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，即為配備了刻蝕控制軟件的掃描電鏡，圖4(b)為電子與樣品的相互作用及鐵電疇翻轉(zhuǎn)機(jī)制的示意圖。當(dāng)樣品表面被高能電子輻照，電子一品格相互作用將導(dǎo)致近表面區(qū)域產(chǎn)生一系列的物理現(xiàn)象，包括激發(fā)產(chǎn)生二次電子，生成人射電子的背散射電子，以及二次電子和背散射電子的發(fā)射和俘獲。在大多數(shù)情況下，入射電子不等于發(fā)射電子，這引起表面電荷積累。當(dāng)表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)大于鐵電材料的矯枉場(chǎng)時(shí)，即在表面附近發(fā)生鐵電疇的重新取向。

研究表明，鐵電疇翻轉(zhuǎn)的方向與入射電子束流大小有關(guān)。I1。當(dāng)束流較小，發(fā)射電子多于入射電子，凈表面電荷為正，將誘導(dǎo)負(fù)的鐵電疇翻轉(zhuǎn)，反之，凈表面電荷為負(fù)，將誘導(dǎo)正的鐵電疇翻轉(zhuǎn)。對(duì)于鐵電薄膜而言，凈表面電荷還可能受到電子束能量的影響，因?yàn)楦吣茈娮邮拇┩干疃瓤赡艹^薄膜的厚度，導(dǎo)致電子通過底電極和襯底泄露，因此鐵電疇的取向由電子束流大小和電子能量?jī)蓚€(gè)參數(shù)控制，在不同電子束輻照條件下，正的和負(fù)的極化特性都能產(chǎn)生。與掃描探針圖形化方法一樣，目前采用該方法已能獲得最小尺寸在100 nm以內(nèi)的鐵電疇圖形。電子柬圖形化是最近才發(fā)展起來的鐵電刻蝕新方法。目前關(guān)于電子束誘導(dǎo)鐵電疇翻轉(zhuǎn)的一些基本問題尚待研究，其中包括電疇翻轉(zhuǎn)的成核和生長(zhǎng)過程的定量描述、高能電子束輻射是否導(dǎo)致鐵電材料改性等問題。