PZT薄膜晶化動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究.pdf_第1頁(yè)
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1、鋯鈦酸鉛(PZT)作為一種典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料,具有突出的介電、壓電和鐵電性質(zhì)。由于其在微傳感器、微執(zhí)行器等微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和非易失性存儲(chǔ)器(NVFRAM)中的廣闊應(yīng)用前景,硅基PZT薄膜已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外微電子學(xué)和材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。本論文基于薄膜成核生長(zhǎng)的基本原理,圍繞退火晶化工藝對(duì)PZT薄膜結(jié)晶品質(zhì)、微結(jié)構(gòu)以及電性能的影響進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析。
  首先,采用磁控射頻濺射在 Pt/Ti/SiO2/Si上制備了優(yōu)質(zhì)的

2、非晶Pb(Zr0.48Ti0.52)O3薄膜,采用常規(guī)晶化(CFA)和快速晶化(RTA)兩種晶化工藝,研究了退火溫度、保溫時(shí)間及升降溫速率對(duì)薄膜結(jié)晶生長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)升溫速率低于10℃/s為(100)面擇優(yōu)生長(zhǎng);升溫速率在10℃/s-20℃/s之間為(110)面擇優(yōu)生長(zhǎng);升溫速率在20℃/s以上則出現(xiàn)(111)面擇優(yōu)生長(zhǎng),且升溫速率越快(111)面擇優(yōu)生長(zhǎng)越強(qiáng)烈。
  針對(duì)晶化初期結(jié)晶行為表征困難的問(wèn)題,首次提出用壓電響應(yīng)力顯

3、微鏡(PFM)觀察電疇來(lái)描述結(jié)晶過(guò)程。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn),確定了PZT薄膜結(jié)晶臨界溫度為550 o C,晶核形成并開(kāi)始成長(zhǎng)的起始保溫時(shí)間在20秒到40秒之間。一旦形核,晶粒將沿界面迅速生長(zhǎng)并自發(fā)極化形成圓形的鐵電疇。通過(guò)對(duì)電疇的面積積分得到經(jīng)550 o C60秒退火的樣品結(jié)晶率為4.6±0.2%。
  通過(guò)PFM對(duì)PZT薄膜電疇結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)薄膜電疇結(jié)構(gòu)與薄膜的結(jié)構(gòu)取向關(guān)系密切。在(100)取向的PZT薄膜中首次觀察到極化方向相反的電疇

4、交界處出現(xiàn)了魚(yú)骨狀交錯(cuò)的復(fù)雜疇結(jié)構(gòu),這種魚(yú)骨結(jié)構(gòu)的電疇被認(rèn)為是由于薄膜受較強(qiáng)的退極化場(chǎng)影響而形成的。而在(110)取向的PZT薄膜中觀察到大量明暗交錯(cuò)的90O電疇。由于90O電疇中疇壁處的“釘扎”效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的鐵電疲勞性,(110)取向的PZT薄膜不易用于鐵電器件的制備。
  通過(guò)對(duì)Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si結(jié)構(gòu)鐵電容電性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)650℃快速處理的(111)PZT薄膜的剩余極化(2Pr)為40μ c/cm2

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