钽酸锂（LiTaO₃）是一种重要的铁电材料,因为它具有优异的压电、热释电和光折射性能,所以钽酸锂晶体已经成功应用于许多器件与设备中,特别是用于电光器件、红外探测器和声表面波器件等。目前,微电子工业的重点已经从使用块状单晶形式的钽酸锂陶瓷转变为沉积具有低光学损耗的钽酸锂薄膜,并将它结合到当前的半导体材料与器件技术中,因此,开展热释电钽酸锂薄膜的制备及其相关物理性能的研究,具有重要的理论与实际应用的价值。本文采用溶胶凝胶法和射频磁控溅射法制备钽酸锂薄膜,借助多种分析表征方法,系统地研究了衬底材料、退火温度、退火气氛及溅射气氛氩氧比等关键工艺参数对薄膜组成成分、微观结构、晶态、光学性能及电学性能的影响。根据实验结果,对钽酸锂薄膜中微观结构及缺陷的生长机理进行了分析和讨论,具体内容包括以下几个方面:1.采用溶胶凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si（100）底电极衬底和掺杂氟的SnO₂（FTO）导电玻璃衬底上制备了LiTaO₃薄膜,研究了衬底的晶格失配对钽酸锂薄膜生长过程及其性能的影响。实验结果表明,钽酸锂薄膜与衬底的界面晶格失配所引起的锂空位缺陷,是对LiTaO₃薄膜性能影响的主要因素。晶格失配程度越大,LiTa₃O₈缺锂相对应的衍射峰显著增多,钽酸锂薄膜中锂空位缺陷增多,薄膜结晶性能退化,薄膜的表面形貌裂纹出现。XPS分析中+4价Ta的原子百分比浓度对应于薄膜中锂空位缺陷,Ta⁴⁺原子百分比升高,薄膜的最大热释电系数下降明显。2.采用磁控溅射法制备钽酸锂薄膜,系统地研究了退火温度对薄膜生长机理及其性能的影响,重点研究了LiTaO₃薄膜热退火过程中形成第二相LiTa₃O₈的晶体生长动力学。结果表明,在退火过程中,LiTaO₃晶粒的长大和再次结晶导致薄膜向缺锂相LiTa₃O₈结构生长是导致薄膜结晶性能退化的主要原因。LiTaO₃薄膜在高于600^oC进行退火时,Li₂O会从薄膜表面和晶格晶界中解吸挥发,这将引起LiTa₃O₈相在LiTaO₃薄膜表面沉淀结晶。Li₂O的损失会产生锂空位,LiTaO₃薄膜中的锂空位会降低原子迁移的势垒,通过原子重排使LiTaO₃发生相转变,促进LiTa₃O₈微晶成核。退火温度的升高增强了Li₂O从薄膜中的挥发损失,从而形成更多的LiTa₃O₈相结构,薄膜中的原子相互扩散加强,薄膜颗粒得以长大,颗粒尺寸有所增加,薄膜表面出现大小不一的“小丘”形状的LiTaO₃颗粒。当退火温度进一步升高时,薄膜中的颗粒相互扩散进一步增强,颗粒之间相互吞并团聚形成更大的颗粒,薄膜的粗糙度也随之增大。3.深入研究了退火气氛对钽酸锂薄膜生长机理及其性能的影响,退火温度越高,薄膜的原子迁移率越大,晶粒再结晶过程越剧烈,Li₂O的解吸挥发更加剧烈。结果表明,缺氧气氛环境下退火钽酸锂薄膜会造成薄膜中氧空位缺陷浓度的增加,薄膜会倾向于缺锂相LiTa₃O₈的生长,薄膜中的氧空位缺陷增多是造成薄膜性能退化的主要原因。如果薄膜退火再结晶生长过程中氧原子不足,薄膜会倾向于缺锂缺氧相LiTa₃O₈的生长,抑制LiTaO₃相结构生长,薄膜中LiTa₃O₈的衍射峰强度增强。当薄膜在富O₂气氛退火时,薄膜退火再结晶生长过程中氧原子充足,渗透到薄膜中的氧分子会阻碍原子迁移并减缓LiTa₃O₈相结构的结晶。薄膜的光学带隙与结晶状态、缺陷以及结构密切相关,LiTa₃O₈缺陷相结构会导致能带中缺陷能级的出现,从而导致光学带隙和热释电系数的变小。4.研究了溅射气氛氩氧比对钽酸锂薄膜生长及其性能的影响。实验结果表明,薄膜中Li、Ta原子在溅射过程中被氧化形成Li₂O和Ta₂O₅是造成薄膜性能退化的主要原因。溅射气氛氩氧比为1:1的钽酸锂薄膜,氧分压含量过高,过量的氧气在溅射过程中与从靶材溅射出来的Li原子发生反应,导致Li原子的氧化产生挥发性的Li₂O,增强了Li原子从薄膜的表面和晶界中解吸缺失,LiTa₃O₈微晶更容易在LiTaO₃表面外延沉淀,形成LiTa₃O₈相结构晶体种子层,进而在薄膜中形成LiTa₃O₈结晶。对于溅射气氛氩氧比为2:1的钽酸锂薄膜,氩分压含量增高,从而提高Ar离子轰击靶材的几率,使得Li原子和Ta原子的溅射速率增大,同时由于氧分压足够大,氧原子供应充足,Li原子被氧化形成挥发性的Li₂O,在薄膜表面形成Li空位,一部分Ta原子会和剩余的Li原子形成缺锂相LiTa₃O₈结晶,而另一部分Ta原子则在沉积到衬底之前与氧气充分反应氧化形成Ta₂O₅,因此在LiTaO₃薄膜中出现了Ta₂O₅衍射峰。