PZT薄膜晶化機理及取向控制研究.pdf

1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Pb（ZrxTi1-xO3）（PZT）薄膜具有優(yōu)異的鐵電、壓電和介電性能，被廣泛地應(yīng)用于存儲器、傳感器、驅(qū)動器和各種精密儀器的控制部分。PZT薄膜的電性能與其晶體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，制備出結(jié)晶狀況好的薄膜是獲得優(yōu)異電性能的保障，由于薄膜制備過程中影響因素眾多，薄膜生長的晶化機理還不清楚，掌握晶化機理并進(jìn)行薄膜微結(jié)構(gòu)控制生長仍然是科研工作者努力的方向和研究熱點。這其中最希望解決的問題是：掌握薄膜各晶面形成和生長特性，找到控制薄

2、膜取向生長的優(yōu)化工藝條件，達(dá)到薄膜生長可控的目的。
　?。?11）取向PZT薄膜具有優(yōu)異鐵電性能，是制備鐵電隨機存儲器（FRAM）的重要材料。本文運用形核理論、界面能和晶界擴散理論研究了PZT薄膜晶化機理，討論了薄膜微結(jié)構(gòu)對鐵電性能的影響；對射頻（RF）磁控濺射獲得的PZT薄膜分別進(jìn)行紅外快速晶化、分段快速晶化、微波等離子體晶化工藝處理，研究了不同晶化工藝對PZT薄膜（111）取向生長的控制。
　　本文采用射頻磁控濺射法在

3、Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上濺射厚度200～300nm的Pb（Zr0.52Ti0.48O3）薄膜。從微觀組織熱力學(xué)和動力學(xué)角度系統(tǒng)研究了Pt基片結(jié)晶性能、濺射功率、濺射氣氛、和濺射襯底溫度對PZT薄膜晶化成核和取向生長的影響。采用紅外快速晶化工藝對PZT薄膜進(jìn)行晶化處理，并運用界面能和晶界擴散理論研究了晶化工藝參數(shù)與PZT薄膜擇優(yōu)取向生長的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)改變晶化溫度、升溫速率和保溫時間可以控制 PZT薄膜（111）取

4、向擇優(yōu)度，找到了PZT薄膜結(jié)晶性能和鐵電性能最優(yōu)化的工藝參數(shù)，并繪制了（111）取向擇優(yōu)度對鐵電性能影響的關(guān)系圖。
　　通過制備不同厚度和不同晶粒尺度的PZT薄膜，研究了薄膜厚度、晶粒尺寸對薄膜結(jié)晶取向和鐵電性能的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜厚度較小時，由界面層的晶格匹配度、界面層上“形核劑”的數(shù)量以及晶界擴散速度決定了結(jié)晶取向；厚度增加后，界面能最小原則決定了結(jié)晶取向。擇優(yōu)取向越明顯的薄膜自極化越容易，剩余極化值越大；晶粒尺寸較小時，晶界與疇

5、壁接近，不利于電疇生長，使得剩余極化值小，而晶粒尺寸大就易極化，矯頑場低。
　　研究了襯底界面層對PZT薄膜形核和擇優(yōu)取向的影響，提出襯底Pt和富余的Pb在高溫下易形成PbxPt團簇分子的觀點，通過高斯軟件在TPSS/def2-TZVP水平下計算優(yōu)化出PbxPt團簇分子的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)界面層上形成的這類分子屬于量子點范疇，結(jié)構(gòu)上與 PZT薄膜（111）晶面取向相似，可以降低薄膜（111）晶面取向的成核能。對界面層和晶界上的三種物質(zhì)Ti

6、、PbxPt和PbO對界面能的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為（110）晶面是界面能最小的晶面，高溫下雜質(zhì)容易在（100）（110）晶面的晶界處析出，降低（100）（110）晶面的晶界能?？刂平缑鎸舆@些物質(zhì)的生成和擴散可以控制PZT薄膜（111）取向生長。
　　論文通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了PZT薄膜的晶化生長是不同生長時期分別在界面能平衡模式和晶界擴散模式控制下的島狀生長和層狀生長的混合生長模式。不同生長模式下可以通過調(diào)控界面能和晶界擴

7、散速率來控制薄膜擇優(yōu)取向。
　　根據(jù)對 PZT薄膜生長模式分析，設(shè)計分段快速晶化和二次晶化工藝制備了（111）取向PZT薄膜，發(fā)現(xiàn)溫度高于650℃，有利于形核劑PbxPt的生成和提高（111）取向形核密度，適當(dāng)降低晶化溫度和延長保溫時間，有利于薄膜晶粒均勻長大，600℃是適合晶粒均勻長大的溫度條件。薄膜晶化過程的形核階段和晶界擴散階段分別得到控制，可以獲得（111）取向的PZT薄膜，驗證了論文提出的PZT薄膜生長模式。
　　

8、為了降低晶化溫度，解決高溫下PbO易揮發(fā)、薄膜存在較高殘余應(yīng)力等問題，本文將微波等離子體晶化工藝應(yīng)用到PZT薄膜的晶化處理，研究了微波晶化工藝對薄膜結(jié)晶性能和鐵電性能的影響，獲得微波功率800W，晶化5分鐘的最優(yōu)晶化工藝，所得到的PZT薄膜結(jié)晶狀況良好，Pr=38μC/cm2，Ec=170kv/cm。對PZT薄膜的微波晶化機理做了初步探討，發(fā)現(xiàn)晶化初始階段，氧等離子體是升溫的主要能量來源。在較低溫度（450℃以下），生成焦綠石相，隨著溫