互联网和物联网的迅猛发展,以及衍生出来的人工智能、大数据、云计算等正在深刻而迅猛地改变着人类社会生活的方方面面。与此相关,柔性电子技术也正处在方兴未艾中,对可穿戴电子设备、可植入装置、移动设备、智能医疗器件的需求呈现指数式增长。在柔性衬底上制备电子电路来满足人们对相关设备或装置轻量化、弯折性、可靠性的要求也越来越重要,作为电路中无源基本元器件之一的电容,同样亦需要满足此要求。相比于传统的电容,金属-绝缘层-金属（Metalinsulator-metal,MIM）电容具有无寄生电容、品质因子高等优点,因而在柔性衬底上制备高性能MIM电容也成为柔性电子技术发展一个至关重要的任务。目前作为MIM电容核心功能层的单一高k介质层已经不能满足现代电子工业的要求,制备高性能的复合高k氧化物介质薄膜势在必行。聚合物材料因成本低廉、易于弯折、便于大规模生产等特点,成为发展柔性MIM电容的一个富有竞争力的衬底。然而其不耐高温的缺点,限制了它在柔性MIM电容上的应用。原子层沉积（Atomic layer deposition,ALD）是一种新型的与半导体工艺兼容的材料制备技术,其独特的序列自限制表面反应机理,使得其在纳米叠层（Nanolaminate）、纳米复合薄膜的可控制备上显示出不同寻常的优势。而等离子增强原子层沉积（Plasma enhanced atomic layer deposition,PEALD）,因使用了活性更强的等离子体作为反应气体,可以在低温甚至室温下沉积无机介质膜。因此本论文主要采用PEALD/热ALD技术在低温甚至室温制备几种聚合物基的柔性MIM电容,重点对一系列高k纳米叠层体系,包括Hf-Ti-O、Hf-Sn-TiO、Al₂O₃/Hf-Ti-O（Hf-Sn-Ti-O）/Al₂O₃、Al-Ti-O、Al-Ti-Sn-O和Al-Ti-Zn-O等,进行了工艺优化和电学性能研究。在此基础上,表征了不同弯曲状态对聚合物基MIM电容电学性能的影响,对优化后的聚合物基MIM电容体系进行了弯曲疲劳测试。主要进展如下:1.利用PEALD技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）和环氧树脂衬底上80℃制备了Hf-Ti-O和Hf-Sn-Ti-O MIM电容,重点研究了无机TiCl₄和有机四（二甲基氨基）钛源对电学性能的影响。结果表明:在优化工艺后,对Hf-Ti-O体系,使用有机氨基钛源制备的聚合物基MIM电容,由于避免了Cl杂质的引入,比TiCl₄源制备的样品电学性能明显改善:电容密度增大为6.2-10 f F/μm2,漏电流密度降低到10-7 A/cm2量级,电压线性度更是显著降低至480-770 ppm/V²。而对Hf-Ti-Sn-O体系,尽管相比于TiCl₄源,有机氨基钛源制备的聚合物基MIM电容密度明显增加（8.7-10.2 f F/μm2）,电压线性度明显减少（680-1290 ppm/V²）,但漏电流密度增加了1²个数量级。这与仍在使用的无机Sn Cl4源引入的Cl杂质有关,也可能与有机Ti源引入的相对较高的C残余有关。为了降低漏电流密度,采用PEALD技术在聚合物衬底上低温制备了Al₂O₃/HfSn-Ti-O/Al₂O₃复合介质层电容,研究了Al₂O₃层和中间Hf-Sn-Ti-O介质层厚度对电学性能的影响。在优化条件下,相比于聚合物基Hf-Sn-Ti-O MIM容,引入1nm的Al₂O₃超薄层后,可降低漏电流密度4个数量级(约10^-8 A/cm2),并显著降低电压线性度至³50-540 ppm/V²,虽然电容密度也降低到³ f F/μm2。尽管如此,插入Al₂O₃超薄层方法仍不失为一种改进聚合物基Hf-Sn-Ti-O电容电学性能的一种有效方法。2.采用PEALD和热ALD相结合方法在Si基和PET、PI、环氧树脂衬底上室温制备了介质层为Al-Ti-O、Al-Ti-Sn-O和Al-Ti-Zn-O系列MIM电容,分别研究了不同Al含量、Sn含量和Zn含量对电学性能的影响。在优化条件下,Al:Ti亚循环比为4:8、总循环为300循环时,硅基Al-Ti-O MIM电学性能较佳:电容密度5.5 f F/μm2,漏电流密度2.8×10^-6 A/cm2,电压线性度较低为172 ppm/V²。当Al:Ti:Sn亚循环比4:8:1、总循环为325循环时,聚合物基Al-Ti-Sn-O MIM的电学性能较佳:电容密度4.2-5.6 f F/μm2,电压线性度最佳,PET、PI、环氧树脂的电压线性度分别只有21、76、30 ppm/V²,均小于100 ppm/V²,漏电流密度由于Sn元素的加入增大1个量级。对Al-Ti-Zn-O体系而言,当Al:Ti:Zn亚循环比4:8:3、总循环为375循环时,PET和环氧树脂基MIM的电学性能较好:电容密度增大为6.2⁷.4 f F/μm2,漏电流密度¹0^-8 A/cm2,降低两个量级,而电压线性度因为Zn元素的添加增加到400 ppm/V²多。3.对上述经过工艺优化的聚合物基系列高k纳米叠层介质体系MIM电容,研究了不同弯曲状态对电学性能的影响。结果表明:对PEALD技术80℃制备的Hf-Ti-O、Hf-Sn-Ti-O、Al₂O₃/Hf-Ti-O（Hf-Sn-Ti-O）/Al₂O₃聚合物基MIM电容,弯曲半径≥8.2mm时,电学性能基本稳定,电容密度相对变化小于10%,漏电流密度对弯曲状态相对敏感,通常增加不会超过一倍,电压线性度对弯曲状态不太敏感,相对变化一般小于25%。弯曲疲劳测试中,弯曲次数小于4⁵万次时,聚合物基MIM的电学性能通常变化较小,弯曲次数达到7万次,电容密度突降,漏电流密度迅增,器件失效。对PEALD和热ALD相结合室温制备的Al-Ti-Sn-O和Al-Ti-Zn-O MIM电容来说,弯曲半径≥8.2mm时,PET和环氧树脂基MIM电容电学性能基本稳定,电容密度的相对变化小于15%,漏电流密度和电压线性度对弯曲状态较为敏感,前者通常增加不会超过1.5倍,后者相对变化小于1-5倍。且在弯曲疲劳测试中,弯曲次数小于4000次时,电学性能变化不大,弯曲次数达到8000次时,电容密度突降,漏电流密度和电压线性度迅增,器件失效。相比于PEALD技术80℃制备的聚合物基MIM电容4万次耐弯折的结果,室温下制备的样品只能承受约4000次的疲劳测试,近10倍的差距可能与室温沉积介质膜的力学特性有关。室温制备的聚合物基MIM电容的介质膜在强度及与基底的黏附性方面尚需改进。总之,本论文通过PEALD/热ALD低温或室温制备的几种高k纳米叠层体系聚合物基MIM电容,其电学性能均达到了在硅衬底上获得的同系列样品的水平。从电学性能和耐弯折特性考虑,PET基高k叠层MIM电容无疑展示了较好的综合性能,环氧树脂基MIM电容次之,PI衬底由于表面平整性原因,制备的MIM电容性能还有较大的提升空间。本研究工作对探索与半导体工艺兼容的柔性MIM电容低温ALD制备技术,促进高k材料在柔性聚合物基MIM电容中的应用具有重要意义和参考价值。