PZT基雙層壓電復(fù)合薄膜制備及性能研究.pdf

1、隨著電子信息系統(tǒng)微型化、小型化的發(fā)展，對(duì)電路的集成度提出了越來(lái)越高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了電子材料薄膜集成化的快速發(fā)展，尤其是壓電復(fù)合薄膜材料因其在高頻SAW器件、可調(diào)諧電容器以及微傳感器與微執(zhí)行器中的應(yīng)用更是成為了研究熱點(diǎn)。然而，要充分發(fā)揮壓電復(fù)合薄膜的多功能性，不僅要選擇合適的壓電材料進(jìn)行集成，還要對(duì)復(fù)合薄膜材料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇。
　　本論文以ZnO、AlN、PZT三種壓電薄膜材料為研究對(duì)象，研制出了基于PZT層的ZnO/P

2、ZT、AlN/PZT兩種體系的雙層壓電復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)對(duì)該體系壓電復(fù)合薄膜材料的制備以及結(jié)構(gòu)和性能的影響因素進(jìn)行分析研究，探討了PZT薄膜參數(shù)對(duì)復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，討論了ZnO作為緩沖層對(duì)AlN/ZnO雙層壓電復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.采用磁控濺射結(jié)合RTA晶化處理制備了表面結(jié)構(gòu)致密、高度擇優(yōu)取向、電學(xué)性能良好的PZT薄膜。系統(tǒng)研究了濺射功率、襯底溫度、濺射氣氛、快速后退火等工藝參數(shù)對(duì)

3、PZT薄膜結(jié)構(gòu)組成及性能影響規(guī)律。結(jié)果表明，在 Ar/O2流量比為45/0.65 sccm的氣氛中，當(dāng)濺射功率為170 W，襯底溫度200℃時(shí)，制備的PZT薄膜經(jīng)過(guò)650℃，保溫時(shí)間40 s快速退火處理后，薄膜呈現(xiàn)出高度(111)擇優(yōu)取向，并且薄膜表面結(jié)構(gòu)致密，晶粒大小均勻，表面平整度較高，展現(xiàn)出了優(yōu)異的鐵電特性和絕緣性能。同時(shí)研究結(jié)果顯示，隨著退火溫度升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，PZT薄膜中的焦綠石相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?111)擇優(yōu)取向的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

4、，但是隨著濺射功率和襯底溫度的升高，PZT薄膜則以(100)取向?yàn)橹鳎∧ぞЯＳ虚L(zhǎng)大的趨勢(shì)，薄膜的表面粗糙度增加，電學(xué)性能顯著下降。
　　2.以(111)取向的PZT/Pt/Ti/SiO2/Si為襯底，采用射頻反應(yīng)磁控濺射法成功制備了ZnO/PZT雙層壓電復(fù)合薄膜。通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜生長(zhǎng)工藝和退火工藝參數(shù)，制備出了高質(zhì)量、高c軸擇優(yōu)取向、電性能優(yōu)異的PZT基ZnO薄膜。當(dāng)濺射功率110 W，襯底溫度600℃，Ar/O2流量比為10/4

5、sccm時(shí)，制備的ZnO/PZT薄膜經(jīng)過(guò)600℃快速退火處理后，ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量可以得到明顯改善，薄膜晶粒更加均勻，結(jié)構(gòu)更加致密，使得ZnO/PZT雙層壓電復(fù)合薄膜具有非常優(yōu)異的絕緣特性和良好的壓電性能，漏電流密度為10-8 A/cm2，壓電系數(shù)達(dá)到8 pm/V。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高，薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，薄膜內(nèi)應(yīng)力得到釋放。
　　3.以(111)取向的PZT/Pt/Ti/SiO2/Si為襯底，采用

6、直流反應(yīng)磁控濺射法成功制備了AlN/PZT雙層壓電復(fù)合薄膜。通過(guò)研究濺射功率、濺射氣氛、襯底溫度、以及濺射氣壓對(duì) AlN薄膜的結(jié)構(gòu)成分以及性能的影響規(guī)律，在優(yōu)化工藝條件下制備出了高質(zhì)量、高c軸擇優(yōu)取向、電性能優(yōu)異的PZT基AlN復(fù)合壓電薄膜，漏電流密度達(dá)到10-9 A/cm2，壓電系數(shù)值為5 pm/V。同時(shí)研究表明，在AlN薄膜的制備過(guò)程中，濺射功率、氬氮流量比以及濺射氣壓對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)組成及性能有著顯著的影響，而襯底溫度主要對(duì) AlN薄

7、膜的結(jié)晶質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力有著明顯的影響。隨著襯底溫度的升高，AlN薄膜結(jié)晶質(zhì)量得到提高，漏電流密度顯著下降，薄膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，應(yīng)力大小隨著溫度的升高先減小后增加。
　　4.系統(tǒng)研究了ZnO、AlN薄膜的結(jié)構(gòu)組成和電學(xué)性能隨(111)取向PZT薄膜厚度的變化關(guān)系。結(jié)果表明，隨著PZT層厚度的增加，ZnO薄膜與AlN薄膜的(002)衍射峰位都有顯著的偏移，導(dǎo)致了薄膜內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。其中當(dāng)PZT層厚度為330

8、 nm時(shí)，制備的ZnO薄膜具有最優(yōu)的取向度和結(jié)晶質(zhì)量，薄膜的漏電流密度達(dá)到10?8 A/cm2，薄膜的介電常數(shù)為11.7，壓電系數(shù)約為8.4 pm/V。當(dāng)PZT層厚度為600 nm時(shí)，制備的AlN薄膜內(nèi)應(yīng)力最小，薄膜具有最高的結(jié)晶程度和c軸取向度，漏電流密度為10?9 A/cm2，介電常數(shù)為16.3，壓電系數(shù)達(dá)到5.6 pm/V。
　　5.在(100)和(110)取向的PZT層上分別制備出了 ZnO/PZT、AlN/PZT壓電復(fù)合

9、薄膜結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了不同取向的PZT薄膜對(duì)ZnO、AlN薄膜的結(jié)構(gòu)組成、微觀形貌以及電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，雖然(100)、(110)、(111)取向的PZT薄膜都具有較好的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌，但是在(111)取向的PZT上生長(zhǎng)的ZnO、AlN薄膜不僅具有較好的結(jié)晶質(zhì)量和相對(duì)較高的c軸取向度，ZnO薄膜(002)衍射峰的搖擺曲線半高寬為2.8°，AlN薄膜(002)峰的搖擺曲線半高寬為3.7°，而且沉積在(111)取向的PZT上的Zn

10、O、AlN薄膜同樣具有最佳的表面形貌和絕緣性能。
　　6.利用ZnO緩沖層成功制備出了具有高度c軸擇優(yōu)取向的AlN/ZnO雙層壓電復(fù)合薄膜，研究了ZnO緩沖層對(duì)AlN薄膜的結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性能的影響。ZnO作為緩沖層不僅有助于提高AlN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和c軸取向度，而且還顯著增強(qiáng)了薄膜的電學(xué)性能。當(dāng)加5 V正向偏壓時(shí)，AlN/ZnO復(fù)合薄膜漏電流密度同樣達(dá)到了10?9 A/cm2，相對(duì)于Si基AlN薄膜漏電流密度下降了近三個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)其