專利名稱：鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子材料領(lǐng)域，它特別涉及鐵電材料鋯鈦酸鉛(簡(jiǎn)稱PZT)納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化技術(shù)。
背景技術(shù)：
鐵電材料如的鋯鈦酸鉛(PZT)SBT KNO3等因具有自發(fā)極化而受到廣泛研究。用鐵電材料制備的鐵電存儲(chǔ)器(FERAM)具有非易失性，快速存儲(chǔ)抗輻射等特點(diǎn)，使它在計(jì)算機(jī)、航空、軍工國(guó)防領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。鐵電薄膜存儲(chǔ)器既有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的快速讀寫功能，又具有可擦除只讀存儲(chǔ)器的非易失性，既利用鐵電薄膜材料自發(fā)極化隨外電場(chǎng)而反向的雙穩(wěn)態(tài)極化特性在斷電以后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)仍被保留，還具有抗輻射、功耗和工作電壓低、工作溫度范圍寬、易與大規(guī)模集成電路兼容的特點(diǎn)，因而可以制作鐵電隨機(jī)儲(chǔ)存器、超大規(guī)模動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。[見文獻(xiàn)O.Auciello，J.F.Scott，and R.Ramesh，1998Phys.Today 5122以及H.D.Chen，K.R.Udayakumar，C.J.Gaskey，and L.E.Cross，1995Appl.Phys.Lett.673411]目前由各種沉積工藝制備的鐵電薄膜一般是無定型或非晶體，需要經(jīng)過退火晶化處理結(jié)晶成為具有晶面擇優(yōu)取向的多晶體才具備用于制造諸如鐵電存儲(chǔ)器(FERAM)等電子器件的電性能，因此薄膜的晶化退火處理實(shí)現(xiàn)了薄膜非晶態(tài)向多晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，其薄膜性能與薄膜結(jié)晶質(zhì)量，微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是薄膜制備技術(shù)中關(guān)鍵工藝之一。
80年代末與90年代初，一系列鐵電薄膜集成器件相繼問世，如以PZT薄膜微電容為基礎(chǔ)的FERAM以及通過PZT薄膜與GaAs襯底集成制備的FFET等。Ramtron公司從1992年采用1.5μm工藝發(fā)展到1995年采用1μm工藝，并使FRAM的工作電壓從5V降到3V，耐讀寫次數(shù)從108提高到1012，讀寫時(shí)間達(dá)到100ns，因而性能遠(yuǎn)比E2PROM不揮發(fā)性存儲(chǔ)器優(yōu)越。[見文獻(xiàn)Ellen M.Griswold，1995Micron 26559]美、日、歐等國(guó)主要半導(dǎo)體公司看準(zhǔn)這一發(fā)展勢(shì)頭，紛紛投入相關(guān)研究，如美國(guó)的Ramtron、Symetrix、Motorola、AT&T、日本的NEC、Panassonic、Hitachi、荷蘭的Philips、德國(guó)的Infineon、Simens及韓國(guó)的Hyundai、Sumsang等公司均在大力開展鐵電集成器件的研究。其中日本NEC報(bào)道，已研制成1Mbit的鐵電不揮發(fā)存儲(chǔ)器；Sumsang公司也在2004年6月于美國(guó)檀香山開幕的半導(dǎo)體制造技術(shù)國(guó)際會(huì)議“2004Symposium on VLSI Technology”上公布了其研制試產(chǎn)的鐵電存儲(chǔ)芯片，該芯片設(shè)計(jì)工藝為180nm，工作電壓為+1.62V～+5.5V，讀寫周期為100ns，工作時(shí)的耗電量為4mA。芯片面積為15.4mm2，F(xiàn)ERAM存儲(chǔ)單元面積為2.4μm2，其中采用了鐵電柵新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管使鐵電器件的研制取得新的突破。[見文獻(xiàn)Oleg Babushkin，1997J Euro Ceram Soc 17813]到目前為止，F(xiàn)ERAM的研制以PZT，SBT(SrBi2Ta2O9，層狀鉍系化合物)材料為主，如何進(jìn)一步提高密度、改善疲勞問題以及增加鐵電電容的持久性仍然亟待解決，專家們期望在2010突破FERAM存儲(chǔ)量能達(dá)到1Gbit。[見文獻(xiàn)硅基PZT薄膜的制備與工藝損傷清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2003年第43卷第4期]在現(xiàn)有的鐵電材料中，比較令人滿意和使用較多的是鋯鈦酸鉛PZT薄膜系列。這主要是由于其優(yōu)異的鐵電介電性能。PZT屬于立方晶系是典型的ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在每個(gè)鈣鈦礦元胞中，鉛離子(Pb2+)占據(jù)8個(gè)頂點(diǎn)的位置，氧離子(O2-)占據(jù)6個(gè)面心，鋯或鈦離子(Zr4+/Ti4+)位于八面體中心位置。鋯和鈦離子半徑分別為0.072(nm)和0.061(nm)均小于八面體的空位，所以在外加電場(chǎng)或壓力之后可以發(fā)生位移，同時(shí)氧離子將向鋯、鈦離子的反方向發(fā)生位移，從而導(dǎo)致正負(fù)電荷重心，不重合而形成極化。
PZT具有如下優(yōu)點(diǎn)1.較高的Curie溫度，溫度穩(wěn)定性好；2.高的介電常數(shù)及電阻率，與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的相對(duì)介電常數(shù)為3.9的SiO2比較，PZT的介電常數(shù)可達(dá)到1300；3.可通過摻雜或單純改變PZT薄膜中Zr/Ti化學(xué)計(jì)量比方式，來調(diào)控和改善其鐵電性能；4.有感光性能，經(jīng)過激光的照射可以直接進(jìn)行光刻。
為了得到高質(zhì)量的鐵電薄膜材料，20世紀(jì)80年代以來，發(fā)展了許多沉積鐵電薄膜的方法，主要有四類濺射法(Sputtering)、化學(xué)氣相淀積法(CVD)，脈沖激光淀積法(PLD)溶膠一凝膠(sol-gel)等。[見文獻(xiàn)B.A.Tuttie，T.J.Headley，B.C.Bunker，R.W.Schwartz and A.H.Carim，1992J.Mater.Res.71876]通常用這些沉積方法制備的PZT薄膜都需要經(jīng)過晶化工藝才能使用于器件制造中。然而目前晶化處理工藝還存在一些缺點(diǎn)如
1.薄膜處理后耐電壓不高，保持力差，疲勞特性不好，不易與半導(dǎo)體平面工藝兼容。晶化過程中長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理對(duì)其他器件結(jié)構(gòu)有破壞。
2.薄膜界面態(tài)密度較高，互擴(kuò)散嚴(yán)重。界面處形成多個(gè)原子層的互擴(kuò)散，并會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。
3.薄膜處理后不平整致密，晶粒大小不均勻，同時(shí)由于Pb2+揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致薄膜成分偏離設(shè)計(jì)值。
4.整個(gè)晶化處理工藝成本較高，晶化條件不易控制。
另外對(duì)于待處理的PZT(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)常溫下為菱方結(jié)構(gòu)，鐵電性能各向異性，其中自發(fā)極化方向沿<111>方向產(chǎn)生，所以從(111)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)的薄膜具有較高的剩余極化值Pr大，且矯頑電場(chǎng)較小。因此薄膜晶化的另一個(gè)重要目的是有效控制薄膜的擇優(yōu)生長(zhǎng)晶面，使薄膜按一定取向生長(zhǎng)。[見文獻(xiàn)鐵電薄膜及其應(yīng)用技術(shù)的最新進(jìn)展王卓楊長(zhǎng)紅新材料產(chǎn)業(yè)2004年9月第130期]PZT薄膜的晶化主要有傳統(tǒng)熱處理和快速熱處理兩種。[見文獻(xiàn)J.S.Cross，F(xiàn)ujiki M，Tsukada M，1999 J.Mater.Res 14 4366]傳統(tǒng)熱處理方法(Conventional FurnaceAnnealing簡(jiǎn)稱CFA)升溫速率、保溫時(shí)間，晶化氣氛是該晶化方法的關(guān)鍵參數(shù)。另外快速熱處理方法(Rapid Thermal Annealing簡(jiǎn)稱RTA)升溫速度快，溫度控制容易，能有效地縮短薄膜的熱處理時(shí)間和制膜周期，在較寬的熱處理溫度范圍內(nèi)應(yīng)用該工藝可以改善材料的結(jié)晶質(zhì)量，消除材料的缺陷和應(yīng)力，同時(shí)還避免了如摻雜擴(kuò)散、界面反應(yīng)及分解、揮發(fā)等情況，材料也變得更加致密，并且該工藝還容易與半導(dǎo)體工藝相兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化方法，采用本發(fā)明方法制備的鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜具有表面平整致密，組分均勻，晶粒分布均勻等特點(diǎn)。其中(111)取向的鋯鈦酸鉛納米薄膜具有較高的剩余極化值，且矯頑電場(chǎng)較小，可用于鐵電存儲(chǔ)器的制造。
本發(fā)明提供的一種鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化方法，它包括PZT薄膜沉積過程、PZT薄膜晶化過程；所述的PZT薄膜沉積過程包括下面的步驟步驟1采用鐵電濺射鍍膜儀，在SiO2/Si(100)基片上先后直流濺射沉積Ti，Pt得到Pt/Ti/SiO2/Si的襯底；步驟2在步驟1中得到的Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上射頻濺射沉積300nmPb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜，沉積氣壓0.6Pa(體積比O2∶Ar＝5∶1)，沉積溫度為200℃。通過PZT薄膜濺射沉積工藝得到大面積優(yōu)質(zhì)的非晶PZT/Pt/Ti/SiO2/Si薄膜。
PZT薄膜晶化過程包括快速熱處理過程和慢速熱處理過程。所述的快速熱處理在紅外快速熱處理設(shè)備中進(jìn)行，它包括下面的步驟步驟3將步驟2制備的非晶PZT薄膜放入晶化室，用機(jī)械泵將晶化室抽真空達(dá)10-4以下；步驟4從通氧孔向晶化室充入氧氣至104～106Pa，維持氧氣流動(dòng)并保持在104～106Pa；步驟5用紅外燈加熱步驟2制備的非晶PZT薄膜，快速升溫至設(shè)定溫度550℃～700℃，升溫速率30～50℃/s，升溫時(shí)間約11s～15s；步驟6維持溫度550℃～700℃，保持晶化時(shí)間30s～80s，晶化保溫過程中保持溫度變化在±1℃之內(nèi)；步驟7原位自然降溫至50℃以下，從晶化室中取出結(jié)晶樣品，快速熱處理結(jié)束。
經(jīng)過快速熱退火，得到表面平整致密，組分均勻的(111)取向的鋯鈦酸鉛納米薄膜。
所述慢速熱處理過程是在慢速升溫爐中進(jìn)行，步驟如下步驟8將步驟1得到的非晶PZT薄膜放入潔凈的坩鍋內(nèi)，并推入慢速升溫爐中，打開氧氣瓶通入氧氣，讓氧氣流動(dòng)并維持壓強(qiáng)在1個(gè)大氣壓；步驟9慢速升溫速率控制在10℃～60℃/min，升溫至設(shè)定溫度500℃～650℃；步驟10保持爐溫在溫度500℃～650℃，晶化時(shí)間5min～30min，在保溫過程中保持爐溫變化在±5℃之內(nèi)；步驟11將PZT自然冷卻至室溫，從管式爐中取出結(jié)晶樣品，傳統(tǒng)熱處理結(jié)束。
按照上述步驟就可以制備出表面平整致密，組分均勻的(100)取向的鋯鈦酸鉛納米薄膜。
本發(fā)明制備的PZT多晶薄膜的微結(jié)構(gòu)和表面形貌分析分別用如下儀器粉末X射線衍射儀清華大學(xué)生產(chǎn)日本SEIKO儀器公司生產(chǎn)掃描探針顯微鏡的原子力顯微模式，型號(hào)為SPA300HV。
薄膜鐵電疇及電學(xué)性能測(cè)量分別用如下儀器日本SEIKO儀器公司生產(chǎn)掃描探針顯微鏡的壓電響應(yīng)顯微模式，型號(hào)為SPA300HV。
鐵電材料分析儀Radiant公司生產(chǎn)，型號(hào)為PRECISION LC。
下面結(jié)合對(duì)PZT薄膜結(jié)構(gòu)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果圖1為快速熱處理(RTA)退火PZT薄膜的X射線衍射圖，退火溫度分別為550℃，575℃，600℃，650℃。由圖可知隨著退火溫度升高，薄膜晶化程度越來越高，當(dāng)退火溫度到575℃時(shí)I(111)/I(100)開始增大，對(duì)比PZT標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片可知PZT薄膜開始出現(xiàn)(111)面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，并且退火溫度越高(111)面取向生長(zhǎng)越強(qiáng)。當(dāng)在650℃下退火樣品的(111)峰最強(qiáng)。這說明在650℃下經(jīng)快速退火處理PZT薄膜在(111)方向生長(zhǎng)良好。
圖2為常規(guī)退火處理(CFA)退火PZT薄膜的X射線衍射圖，退火溫度分別為510℃，530℃，560℃，600℃。由圖2可知隨著退火溫度升高，CFA樣品隨退火溫度的升高逐漸出現(xiàn)了(100)面擇優(yōu)取向。600℃退火樣品的(100)峰最強(qiáng)，而(111)峰幾乎不能辨別。說明在600℃下經(jīng)常規(guī)退火處理PZT薄膜在(100)方向生長(zhǎng)良好。
圖3(a)為650℃快速退火處理，升溫速率50℃/s，保溫30s的樣品AFM表面形貌圖。掃描區(qū)域?yàn)?0×10μm2。由圖3(a)650℃退火樣品結(jié)晶充分，晶粒尺寸較大，薄膜表面平整致密，平均粗糙度僅為9.1nm。
圖3(b)是用PFM由垂直于膜面自發(fā)極化(OPP)所成電疇像。圖3(c)為局部區(qū)域掃描放大圖。可見RTA650℃樣品產(chǎn)生了強(qiáng)烈的自發(fā)極化，每一個(gè)晶粒團(tuán)簇對(duì)應(yīng)形成了大片圓形的180度c向疇，其中隱約能見到一些不明顯的90度疇，強(qiáng)烈的垂直壓電信號(hào)反映出(111)取向的PZT薄膜具有優(yōu)良的垂直于膜面的自發(fā)極化。
圖4(a)和圖(b)為600℃?zhèn)鹘y(tǒng)退火處理樣品表面形貌圖，升溫速率約為20℃/min，保溫時(shí)間10分鐘。該薄膜平整致密，表面平均粗糙度(RMS)僅為11.6nm。
圖4(c)為對(duì)應(yīng)區(qū)域用PFM所成OPP電疇像，由圖可見垂直于薄膜表面的電疇連成大片，沿膜面的壓電響應(yīng)信號(hào)比較弱，明暗襯度不如快速處理所得(111)取向的PZT薄膜電疇那么明顯。說明(100)取向的PZT薄膜沿薄膜表面的自發(fā)極化強(qiáng)度較弱，不能用于制備優(yōu)質(zhì)FERAM。但可應(yīng)用于壓電傳感器，執(zhí)行器等其他器件中去。
圖5為不同晶化方法退火處理后的PZT薄膜的極化強(qiáng)度與電場(chǎng)的電滯回線圖，測(cè)量頻率為1kHz，電壓3V。由圖5可見，經(jīng)650℃快速退火(RTA)處理后形成的(111)PZT薄膜的剩余極化(2Pr)為35μc/cm2，矯頑電場(chǎng)僅為2.1kv/cm。而經(jīng)600℃?zhèn)鹘y(tǒng)退火(CFA)處理后形成的(100)PZT薄膜的剩余極化(2Pr)為15μc/cm2，矯頑電場(chǎng)為2.5kv/cm。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是用不同晶化工藝來控制可用于非易失性鐵電存儲(chǔ)器(FERAM)的鋯鈦酸鉛(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)材料薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于對(duì)用射頻濺射在Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上室溫沉積得到非晶PZT薄膜，采用傳統(tǒng)熱處理和快速熱處理兩種晶化工藝相結(jié)合的方法在一定的氧氣氛環(huán)境下使非晶薄膜結(jié)晶，通過控制升溫速率，保溫時(shí)間，氣氛環(huán)境，可按要求得到不同取向生長(zhǎng)的PZT多晶薄膜，且表面致密，晶粒分布均勻。其中用快速熱處理方法(RTA)得到的(111)取向PZT薄膜的剩余極化(2Pr)為35μc/cm2，而用傳統(tǒng)熱處理方法(CFA)得到的(100)PZT薄膜剩余極化(2Pr)可到15μc/cm2。
本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)于常溫下為菱方結(jié)構(gòu)的鐵電PZT薄膜(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)，提供了一套結(jié)合不同晶化工藝來控制鋯鈦酸鉛(PZT)材料薄膜取向生長(zhǎng)并得到優(yōu)質(zhì)鐵電PZT薄膜的方法。由于鐵電性能各向異性，其中自發(fā)極化方向沿<111>方向產(chǎn)生，以(111)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)的薄膜具有較高的剩余極化值Pr，且矯頑電場(chǎng)較小。經(jīng)過晶化處理的多晶薄膜可用于鐵電存儲(chǔ)器，壓電傳感器等材料中。
從上述對(duì)PZT薄膜微結(jié)構(gòu)和鐵電性能的測(cè)試結(jié)果，可明顯的看出本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1.對(duì)相同條件射頻濺射得到的非晶PZT薄膜，經(jīng)用快速熱處理和傳統(tǒng)熱處理相結(jié)合的方法，人為控制其結(jié)晶生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向，分別成功獲得了(100)和(111)擇優(yōu)取向的PZT多晶薄膜，這在以前沒有報(bào)道過。
2.經(jīng)過不同晶化退火工藝處理的具有不同擇優(yōu)取向的PZT薄膜平整致密，晶粒大小均勻，Pb2+揮發(fā)較少，尤其是快速退火處理的(111)PZT薄膜，界面擴(kuò)散較小，能更好的與目前的半導(dǎo)體平面工藝兼容。
3.經(jīng)過對(duì)Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si結(jié)構(gòu)鐵電性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)經(jīng)過600℃?zhèn)鹘y(tǒng)處理的(100)PZT薄膜剩余極化(2Pr)為15μc/cm2，矯頑電場(chǎng)為2.5kv/cm。滿足了一些鐵電，壓電等器件的實(shí)際應(yīng)用要求。尤其是經(jīng)650℃快速處理的(111)PZT薄膜的剩余極化(2Pr)為35μc/cm2，矯頑電場(chǎng)僅為2.1kv/cm。該性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際上同行公認(rèn)的可用于鐵電存儲(chǔ)器薄膜材料的較高水平。


圖1為快速熱處理(RTA)不同溫度退火PZT薄膜的X射線衍射圖其中，X軸表示2theta(單位度)，y軸表示強(qiáng)度(任意)；圖2為常規(guī)退火處理在不同溫度退火PZT薄膜的X射線衍射圖。其中，X軸表示2theta(單位度)，y軸表示強(qiáng)度(任意)；圖3(a)快速處理RTA650℃退火1minPZT薄膜樣品的AFM表面形貌圖；圖3(b)為對(duì)應(yīng)區(qū)域的PFM電疇像；圖3(c)局部區(qū)域掃描放大圖；其中圖3(a)、(b)、(c)中，xy軸均表示長(zhǎng)度(單位微米)，由襯度對(duì)比可見形貌和電疇強(qiáng)度變化。
圖4(a)為傳統(tǒng)處理CFA600℃退火10min PZT薄膜樣品的AFM表面形貌圖；圖4(b)為局部區(qū)域AFM表面形貌圖；圖4(c)為對(duì)應(yīng)區(qū)域的PFM電疇像。在圖4(a)、(b)、(c)中，xy軸均表示長(zhǎng)度(單位微米)，由襯度對(duì)比可見形貌和電疇強(qiáng)度變化；圖5為不同晶化方法退火處理后的PZT薄膜的極化強(qiáng)度與電場(chǎng)的電滯回線圖(測(cè)量頻率為1kHz，電壓3V)；其中X軸表示電場(chǎng)(單位kv/cm)，y軸表示極化強(qiáng)度(單位μc/cm2)；■表示(100)取向薄膜的電滯回線，●表示(111)取向薄膜的電滯回線圖6為本發(fā)明流程框圖具體實(shí)施方式
采用日本真空儀器公司(ULVAC)的MPS-5000-FCI在Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上室溫沉積得到非晶PZT薄膜。其中PZT薄膜沉積過程步驟如下1.本真空儀器公司(ULVAC)的MPS-5000-FCI鐵電濺射鍍膜儀，在SiO2/Si(100)基片上先后直流濺射沉積Ti，Pt用作底電極。
2.位在Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上射頻濺射沉積300nm Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜，沉積氣壓0.6Pa(體積比O2∶Ar＝5∶1)，沉積溫度為200℃。
快速熱處理在日本真空儀器公司(ULVAC)RTP-6薄膜快速熱處理設(shè)備中進(jìn)行步驟如下1.將非晶PZT薄膜放入晶化室，用機(jī)械泵將晶化室抽真空達(dá)10-3以下；2.從通氧孔向晶化室充入氧氣至105Pa，維持氧氣流動(dòng)并保持在105Pa；3.用紅外燈加熱樣品，快速升溫至溫度650℃。其中升溫速率50℃/s，升溫時(shí)間為13s。
4.維持設(shè)定溫度，保持晶化時(shí)間60s，晶化保溫過程中保持溫度變化在±1℃之內(nèi)。
5.原位自然降溫至50℃以下，從晶化室中取出結(jié)晶樣品，快速熱處理結(jié)束。
傳統(tǒng)熱處理在石英管式爐中進(jìn)行步驟如下1.PZT薄膜放入潔凈的坩鍋內(nèi)，并推入管式爐中，打開氧氣瓶通入氧氣，讓氧氣流動(dòng)并維持壓強(qiáng)在1個(gè)大氣壓。
2.電阻絲通電，手動(dòng)控制加熱電流使升溫速率控制在20℃/min，升溫至溫度600℃。
3.KXD-S溫度控制系統(tǒng)保持爐溫600℃，晶化時(shí)間10min，在保溫過程中保持爐溫變化在±5℃之內(nèi)。
4.關(guān)閉加熱電流，自然冷卻至室溫，從管式爐中取出結(jié)晶樣品，傳統(tǒng)熱處理結(jié)束。
權(quán)利要求
一種鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化方法，其特征包括PZT薄膜沉積過程、PZT薄膜晶化過程；所述的PZT薄膜沉積過程包括下面的步驟步驟1 采用鐵電濺射鍍膜儀，在SiO2/Si(100)基片上先后直流濺射沉積Ti，Pt得到Pt/Ti/SiO2/Si的襯底；步驟2 在步驟1中得到的Pt/Ti/SiO2/Si的襯底上射頻濺射沉積300nmPb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜，沉積氣壓0.6Pa(體積比O2∶Ar＝5∶1)，沉積溫度為200℃；通過PZT薄膜濺射沉積工藝得到大面積優(yōu)質(zhì)的非晶PZT/Pt/Ti/SiO2/Si薄膜樣品；PZT薄膜晶化過程包括快速熱處理過程和慢速熱處理過程；所述的快速熱處理在紅外快速熱處理設(shè)備中進(jìn)行，它包括下面的步驟步驟3 將步驟2制備的非晶PZT薄膜放入晶化室，用機(jī)械泵將晶化室抽真空達(dá)10-4以下；步驟4 從通氧孔向晶化室充入氧氣至104～106Pa，維持氧氣流動(dòng)并保持在104～106Pa；步驟5 用紅外燈加熱步驟2制備的非晶PZT薄膜，快速升溫至設(shè)定溫度550℃～700℃，升溫速率30～50℃/s，升溫時(shí)間約11s～15s；步驟6 維持溫度550℃～700℃，保持晶化時(shí)間30s～80s，晶化保溫過程中保持溫度變化在±1℃之內(nèi)；步驟7 原位自然降溫至50℃以下，從晶化室中取出結(jié)晶樣品，快速熱處理結(jié)束；經(jīng)過快速熱退火，得到表面平整致密，組分均勻的(111)取向的鋯鈦酸鉛納米薄膜；所述慢速熱處理過程是在慢速升溫爐中進(jìn)行，步驟如下步驟8 將步驟1得到的非晶PZT薄膜放入潔凈的坩鍋內(nèi)，并推入慢速升溫爐中，打開氧氣瓶通入氧氣，讓氧氣流動(dòng)并維持壓強(qiáng)在1個(gè)大氣壓；步驟9 慢速升溫速率控制在10℃～60℃/min，升溫至設(shè)定溫度500℃～650℃；步驟10 保持爐溫在溫度500℃～650℃，晶化時(shí)間5min～30min，在保溫過程中保持爐溫變化在±5℃之內(nèi)；步驟11 將PZT自然冷卻至室溫，從管式爐中取出結(jié)晶樣品，傳統(tǒng)熱處理結(jié)束；按照上述步驟就可以制備出表面平整致密、組分均勻的(100)取向的鋯鈦酸鉛納米薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鐵電材料鋯鈦酸鉛納米薄膜結(jié)晶取向生長(zhǎng)的晶化方法，它是通過射頻濺射在Pt/Ti/SiO
文檔編號(hào)C30B23/02GK1811008SQ20051002024
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2005年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月25日
發(fā)明者李言榮, 黃文 , 蔣書文, 朱俊, 張鷹 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)