PZT薄膜晶化動力學(xué)過程研究.pdf

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)和非易失性存儲器(NVFRAM)中的廣闊應(yīng)用前景，硅基PZT薄膜已經(jīng)成為國內(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的基本原理，圍繞退火晶化工藝對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)間及升降溫速率對薄膜結(jié)晶生長的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)升溫速率低于10℃/s為(100)面擇優(yōu)生長；升溫速率在10℃/s-20℃/s之間為（110）面擇優(yōu)生長；升溫速率在20℃/s以上則出現(xiàn)(111)面擇優(yōu)生長，且升溫速率越快(111)面擇優(yōu)生長越強(qiáng)烈。
　　針對晶化初期結(jié)晶行為表征困難的問題，首次提出用壓電響應(yīng)力顯

3、微鏡（PFM）觀察電疇來描述結(jié)晶過程。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，確定了PZT薄膜結(jié)晶臨界溫度為550 o C，晶核形成并開始成長的起始保溫時(shí)間在20秒到40秒之間。一旦形核,晶粒將沿界面迅速生長并自發(fā)極化形成圓形的鐵電疇。通過對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PFM對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)了魚骨狀交錯的復(fù)雜疇結(jié)構(gòu)，這種魚骨結(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的90O電疇。由于90O電疇中疇壁處的“釘扎”效應(yīng)會導(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。
　　通過對Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si結(jié)構(gòu)鐵電容電性能的測試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過650℃快速處理的（111）PZT薄膜的剩余極化（2Pr）為40μ c/cm2