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RTP在PZT薄膜均匀性调控中的应用

  • 分类: 学术知识
  • 作者:周酉林,王愿兵,李顶房,黄景明,佘志兵,赵云鹏
  • 来源:武汉嘉仪通科技有限公司
  • 发布时间:2024-01-19
  • 访问量: 216

【概要描述】       锆钛酸铅(PZT)薄膜具有优异的压电和介电性能···

RTP在PZT薄膜均匀性调控中的应用

【概要描述】       锆钛酸铅(PZT)薄膜具有优异的压电和介电性能···

  • 分类: 学术知识
  • 作者:周酉林,王愿兵,李顶房,黄景明,佘志兵,赵云鹏
  • 来源:武汉嘉仪通科技有限公司
  • 发布时间:2024-01-19
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       锆钛酸铅(PZT)薄膜具有优异的压电和介电性能以及与其他压电膜相比高的居里温度,已在多个领域进行应用,从微电子机械系统(MEMS)到超声波传感器,再到能量收集器,它都发挥着关键的作用[1]。在材料制备过程中,如何提高材料的均匀性和性能稳定性一直是不断追寻的问题。


       Youcao Ma等[2]人通过中温磁控溅射和快速热处理(RTP)的结合,成功地将微米厚的PZT薄膜集成在一个3英寸的硅片上。特别探讨了RTP后PZT薄膜在整个晶片上的均匀性:不同位置的晶体取向、表面形貌和元素组成的差异性。


       图1说明了PZT薄膜在不同位置具有相似的(001)晶格取向、表面形貌和元素分布,这表明RTP处理有助于实现PZT薄膜的均匀性。可以发现,在RTP处理之前,PZT薄膜中只有Py相,而在RTP处理之后,PZT薄膜中主要出现了(001)取向的Pe相。此外,RTP处理后的PZT薄膜表面呈现出紧密排列的柱状晶粒,且没有明显的裂缝或孔洞。

PZT薄膜在RTP处理前后的XRD图谱和SEM图像.png

图1 PZT薄膜在RTP处理前后的XRD图谱和SEM图像


       图2显示了RTP处理后的晶圆上不同位置PZT薄膜的介电性能和铁电性能,包括相对介电常数、铁电滞回环和介电损耗。其中,表面形貌非常光滑,没有明显的缺陷,这表明PZT薄膜具有良好的表面质量。相对介电常数和介电损耗随着电场的变化而变化,呈现出典型的铁电性蝴蝶环,证明了PZT薄膜具有良好的铁电性。极化-电场曲线也呈现出典型的铁电性特征,表明PZT薄膜具有良好的铁电性。因此,RTP处理有助于改善PZT薄膜的微结构和性能,使其在不同位置具有相似的(001)晶格取向、表面形貌和元素分布,有利于提高薄膜的均匀性和性能。

PZT薄膜的表面形貌、相对介电常数、介电损耗和极化-电场曲线.png

图2  PZT薄膜的表面形貌、相对介电常数、介电损耗和极化-电场曲线


       图3展示了PZT薄膜的退火过程示意图,弛豫过程中释放的热量没有分散,而是有助于进一步促进钙钛矿相的成核和结晶。RTP过程是一种有效的方法,可以改善薄膜质量。此外,还有一些理论支持。Dang等人研究了退火过程[3],使用朗道模型和朗之万动力学模拟,RTP过程可以看作是长程弹性相互作用,这些不同的晶体学相表现出不同的朗道型自由能。高加热率使得RTP系统中的能量高于溅射,可以为绕过斜方晶相的形成提供更多的能量,如图1a所示。


       如图3所示,与慢加热率的CFA相比,RTP可能跳过一个相变,生成A/C或B/C两个相变。在本工作中,沉积的PZT薄膜的初始状态不是非晶态,而是不同溅射温度下的斜方晶相,表明处于图3中的状态B。一般来说,溅射温度较低(<300℃,绿色矩形)时,PZT薄膜呈现非晶态,而不是在较高温度(>350°C,中等温度)下形成的斜方晶相。因此,RTP可能只需要克服能量势垒F,促进从斜方晶相到钙钛矿相的相变,如图4中的蓝色矩形所示。

RTP和CFA的退火过程示意图.png

图3 RTP和CFA的退火过程示意图


       高均匀性的PZT薄膜具有的优异铁电性能源于RTP快速退火炉的良好表现,RTP系列产品是武汉嘉仪通科技有限公司的核心产品,在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势,形成鲜明的行业竞争力,为高质量薄膜材料提供了快速升降温、精准控温的高均匀性的高温场,具体表现在:

       √ 快速升降温的高温场,提供了适宜的温度条件,有利于消除薄膜缺陷,促进铁电相的成核,避免晶粒过大;

       √ 精准控温的高温场能够促进铁电材料的生长和相转变,获得更多铁电相的铁电材料,提高铁电性能;

       √ 高均匀性的高温场有利于保证薄膜各处性能的均匀性,获得均匀的铁电性能,满足工业化生产的需求。

       此外,嘉仪通快速退火炉(RTP,Rapid Thermal Processing)产品,采用红外辐射加热及冷壁技术,可实现对薄膜材料的快速升温和降温,同时搭配超高精度的温度控制系统,可达到极佳的温场均匀性和稳定性。

       嘉仪通(JouleYacht)快速退火炉系列可处理1-12吋样品,对材料的快速热处理、快速热退火、快速热氧化、快速热氮化及金属合金化等研究和生产起到重要作用。


       参考文献:

       [1]Presas A, Luo Y, Wang Z, et al. A review of PZT patches applications in submerged systems[J]. Sensors, 2018, 18(7): 2251.

       [2]Ma Y, Song J, Zhao Y, et al. Excellent Uniformity and Properties of Micro-Meter Thick Lead Zirconate Titanate Coatings with Rapid Thermal Annealing[J]. Materials, 2023, 16(8): 3185.

       [3]Dang E K F, Gooding R J. Theory of the effects of rapid thermal annealing on thin-film crystallization[J]. Physical review letters, 1995, 74(19): 3848.


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