pzt薄膜材料地生长与应用

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1、摘要随着铁电薄膜和微电子技术相结合而发展起来的集成铁电学的出现，铁电薄膜的制备、结构、性能及其应用已成为国际上新材料研究十分活跃领域，其中钙钛矿结构的锆钛酸铅Pb(Zrx，Til．x)03(PZT)铁电薄膜由于具有优越铁电、介电、压电、热释电以及能够与半导体技术兼容等特点，使之在微机电系统(MEMS)等领域具有广泛的应用前景。由于基于PZT的器件具有工作带宽广、反应速度快和灵敏性高等优点，因此PZT薄膜可以用于MEMS领域的各个方面，例如压电激励器、焦热红外探测器、随机存储器和超声器件。为了满足不断提高的微纳米机械器件的要求和与

2、硅基器件的兼容，在硅衬底上生长高质量的PZT薄膜就变得越来越重要。本论文首先介绍的是使用溶胶凝胶(S01．gel)方法生长PZT薄膜，并在Si、Si3N4／Si、Ti／Si和Pt／Ti／Si四种不同衬底上旋涂生长PZT薄膜。用X射线衍射(XRD)表征生长的PZT薄膜的取向。同时研究在Pt／Ti／Si衬底上不同热处理条件下对PZT薄膜的取向和结晶质量的影响。我们也分析了PZT薄膜在Ti和Pt／Ti电极上的残余应力。在Pt／Ti上生长的PZT薄膜有比在Ti生长的低的残余应力，这表明Pt／Ti上的结晶更好。而扫描电子电镜(SEM)和原

3、子力显微镜(AFM)用来研究薄膜的多晶结构和形貌。结果表明在Ti和Pt／Ti上生长的PZT薄膜取向单一，表面形貌好。PZT薄膜的AFM图说明薄膜在退火后质量得到提高，晶体颗粒大小增加。然后利用厦门大学萨本栋微机电研究中心的实验条件，采用MEMS微加工工艺，开发了可用于测试用S01．gel法生长的PZT薄膜的铁电特性的工艺流程，并对所制备的PZT薄膜的铁电特性进行测试。结果表明在3V电压作用下Ti电极上生长的PZT薄膜在热处理温度为400℃，退火温度为650℃下可以得到剩余极化强度(只)为8．6I，tC／em2。而Pt／Ti电极上

4、生长的择优取向为(100)的PZT薄膜在热处理温度为4000C，退火温度为650。C下可以得到剩余极化强度(尸，)为11．09C／em2。基于这些结果，使用Sol—gel法生长的PZT薄膜在剩余极化强度方面可以应用基于PZT薄膜的铁电MEMS器件中。最后建立微型体声波谐振器机械结构的等效电路模型，运用PSPICE软件研PZT薄膜材料的生长与应用究谐振器的整体频率响应特性，并针对谐振器各部分的材料，分析其尺寸参数对谐振器基频频率的影响。关键词：锆钛酸铅；溶胶凝胶；谐振器ABSTRACTAstheappearanceofintegr

5、atedferroelectricstechnology,whichdevelopbycombiningferroelectricthinfilmswithmicro-electronictechnology．Preparation,structure，propertiesandapplicationsofferroelectricthinfilmshasbecomeveryactiveresearchinginthefieldofnewmaterials．Amongthis，LeadZirconateTitanatePb(Zr

6、x，Til-x)03(PZT)ferroelectricthinfilmswhichhasperovskitestructurebecauseofitsexcellentpropertiesofferroelectric，dielectric，piezoelectric，pyroelectricandcompatiblewithsemiconductortechnologythatitbecomeswidelyapplicationsinMicro—electromechanicalsystem(MEMS)．ItCanbeuse

7、dforvariousapplications，suchaspiezoelectricactuators，randomaccessmemories，pyroelectricinfrareddetectors，andultrasonicdevices，sincePZT-baSeddevicesCanownadvantagesof晰deworkingbandwidth，fastresponse，andhi曲sensitivity．Alongwiththeincreasingdemandofmicro／nanomechanicalde

8、vicesandtheirintegrationintosilicon-baseddevices．itisdesirablethathighqualityPZTthinfilmscallbegrownonsemiconductorsubstrate．Inthis