PZT基雙層壓電復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，對電路的集成度提出了越來越高的要求，同時也促進了電子材料薄膜集成化的快速發(fā)展，尤其是壓電復合薄膜材料因其在高頻SAW器件、可調諧電容器以及微傳感器與微執(zhí)行器中的應用更是成為了研究熱點。然而，要充分發(fā)揮壓電復合薄膜的多功能性，不僅要選擇合適的壓電材料進行集成，還要對復合薄膜材料的制備工藝進行優(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合薄膜結構。重點對該體系壓電復合薄膜材料的制備以及結構和性能的影響因素進行分析研究，探討了PZT薄膜參數(shù)對復合薄膜的結構和性能的影響規(guī)律，討論了ZnO作為緩沖層對AlN/ZnO雙層壓電復合薄膜的結構和性能的影響。主要研究內容如下：
　　1.采用磁控濺射結合RTA晶化處理制備了表面結構致密、高度擇優(yōu)取向、電學性能良好的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

3、PZT薄膜結構組成及性能影響規(guī)律。結果表明，在 Ar/O2流量比為45/0.65 sccm的氣氛中，當濺射功率為170 W，襯底溫度200℃時，制備的PZT薄膜經(jīng)過650℃，保溫時間40 s快速退火處理后，薄膜呈現(xiàn)出高度(111)擇優(yōu)取向，并且薄膜表面結構致密，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。同時研究結果顯示，隨著退火溫度升高，保溫時間的延長，PZT薄膜中的焦綠石相逐漸轉變?yōu)?111)擇優(yōu)取向的鈣鈦礦結構

4、，但是隨著濺射功率和襯底溫度的升高，PZT薄膜則以(100)取向為主，薄膜晶粒有長大的趨勢，薄膜的表面粗糙度增加，電學性能顯著下降。
　　2.以(111)取向的PZT/Pt/Ti/SiO2/Si為襯底，采用射頻反應磁控濺射法成功制備了ZnO/PZT雙層壓電復合薄膜。通過調節(jié)薄膜生長工藝和退火工藝參數(shù)，制備出了高質量、高c軸擇優(yōu)取向、電性能優(yōu)異的PZT基ZnO薄膜。當濺射功率110 W，襯底溫度600℃，Ar/O2流量比為10/4

5、sccm時，制備的ZnO/PZT薄膜經(jīng)過600℃快速退火處理后，ZnO薄膜的結晶質量可以得到明顯改善，薄膜晶粒更加均勻，結構更加致密，使得ZnO/PZT雙層壓電復合薄膜具有非常優(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)達到8 pm/V。同時研究發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高，薄膜中的應力狀態(tài)由壓應力轉變?yōu)槔瓚?，薄膜內應力得到釋放?br>　　3.以(111)取向的PZT/Pt/Ti/SiO2/Si為襯底，采用

6、直流反應磁控濺射法成功制備了AlN/PZT雙層壓電復合薄膜。通過研究濺射功率、濺射氣氛、襯底溫度、以及濺射氣壓對 AlN薄膜的結構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量、高c軸擇優(yōu)取向、電性能優(yōu)異的PZT基AlN復合壓電薄膜，漏電流密度達到10-9 A/cm2，壓電系數(shù)值為5 pm/V。同時研究表明，在AlN薄膜的制備過程中，濺射功率、氬氮流量比以及濺射氣壓對薄膜的結構組成及性能有著顯著的影響，而襯底溫度主要對 AlN薄

7、膜的結晶質量和內應力有著明顯的影響。隨著襯底溫度的升高，AlN薄膜結晶質量得到提高，漏電流密度顯著下降，薄膜內的應力狀態(tài)由壓應力轉變?yōu)槔瓚?，應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薄膜的結構組成和電學性能隨(111)取向PZT薄膜厚度的變化關系。結果表明，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，導致了薄膜內應力狀態(tài)發(fā)生了明顯的轉變。其中當PZT層厚度為330

8、 nm時，制備的ZnO薄膜具有最優(yōu)的取向度和結晶質量，薄膜的漏電流密度達到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PZT層厚度為600 nm時，制備的AlN薄膜內應力最小，薄膜具有最高的結晶程度和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壓電復合

9、薄膜結構，系統(tǒng)研究了不同取向的PZT薄膜對ZnO、AlN薄膜的結構組成、微觀形貌以及電學性能的影響。結果表明，雖然(100)、(110)、(111)取向的PZT薄膜都具有較好的結晶質量和表面形貌，但是在(111)取向的PZT上生長的ZnO、AlN薄膜不僅具有較好的結晶質量和相對較高的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雙層壓電復合薄膜，研究了ZnO緩沖層對AlN薄膜的結構以及電學性能的影響。ZnO作為緩沖層不僅有助于提高AlN薄膜的結晶質量和c軸取向度，而且還顯著增強了薄膜的電學性能。當加5 V正向偏壓時，AlN/ZnO復合薄膜漏電流密度同樣達到了10?9 A/cm2，相對于Si基AlN薄膜漏電流密度下降了近三個數(shù)量級。對其