鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜具有優異的壓電和介電性能以及與其他壓電膜相比高的居里溫度，已在多個領域進行應用，從微電子機械系統（MEMS）到超聲波傳感器，再到能量收集器，它都發揮著關鍵的作用[1]。在材料制備過程中，如何提高材料的均勻性和性能穩定性***直是不斷追尋的問題。Youcao Ma等[2]人通過中溫磁控濺射和快速熱處理（RTP）的結合，成功地將微米厚的PZT薄膜集成在***個3英寸的硅片上。特別探討了RTP后PZT薄膜在整個晶片上的均勻性：不同位置的晶體取向、表面形貌和元素組成的差異性。圖1說明了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，這表明RTP處理有助于實現PZT薄膜的均勻性。可以發現，在RTP處理之前，PZT薄膜中只有Py相，而在RTP處理之后，PZT薄膜中主要出現了(001)取向的Pe相。此外，RTP處理后的PZT薄膜表面呈現出緊密排列的柱狀晶粒，且沒有明顯的裂縫或孔洞。
圖1 PZT薄膜在RTP處理前后的XRD圖譜和SEM圖像
圖2顯示了RTP處理后的晶圓上不同位置PZT薄膜的介電性能和鐵電性能，包括相對介電常數、鐵電滯回環和介電損耗。其中，表面形貌非常光滑，沒有明顯的缺陷，這表明PZT薄膜具有良好的表面質量。相對介電常數和介電損耗隨著電場的變化而變化，呈現出典型的鐵電性蝴蝶環，證明了PZT薄膜具有良好的鐵電性。極化-電場曲線也呈現出典型的鐵電性特征，表明PZT薄膜具有良好的鐵電性。因此，RTP處理有助于改善PZT薄膜的微結構和性能，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勻性和性能。
圖2 PZT薄膜的表面形貌、相對介電常數、介電損耗和極化-電場曲線
圖3展示了PZT薄膜的退火過程示意圖，弛豫過程中釋放的熱量沒有分散，而是有助于進***步促進鈣鈦礦相的成核和結晶。RTP過程是***種有效的方法，可以改善薄膜質量。此外，還有***些理論支持。Dang等[3]人研究了退火過程，使用朗道模型和朗之萬動力學模擬，RTP過程可以看作是長程彈性相互作用，這些不同的晶體學相表現出不同的朗道型自由能。高加熱率使得RTP系統中的能量高于濺射，可以為繞過斜方晶相的形成提供更多的能量，如圖1a所示。如圖3所示，與慢加熱率的CFA相比，RTP可能跳過***個相變，生成A/C或B/C兩個相變。在本工作中，沉積的PZT薄膜的初始狀態不是非晶態，而是不同濺射溫度下的斜方晶相，表明處于圖3中的狀態B。***般來說，濺射溫度較低(<300℃，綠色矩形)時，PZT薄膜呈現非晶態，而不是在較高溫度(>350°C，中等溫度)下形成的斜方晶相。因此，RTP可能只需要克服能量勢壘F，促進從斜方晶相到鈣鈦礦相的相變，如圖4中的藍色矩形所示。
高均勻性的PZT薄膜具有的優異鐵電性能源于RTP快速退火爐的良好表現，RTP系列產品是武漢有限公司的核心產品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢，形成鮮明的行業競爭力，為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、***控溫的高均勻性的高溫場，具體表現在：
【1】快速升降溫的高溫場，提供了適宜的溫度條件，有利于消除薄膜缺陷，促進鐵電相的成核，避免晶粒過大；
【2】***控溫的高溫場能夠促進鐵電材料的生長和相轉變，獲得更多鐵電相的鐵電材料，提高鐵電性能；
【3】高均勻性的高溫場有利于保證薄膜各處性能的均勻性，獲得均勻的鐵電性能，滿足工業化生產的需求。
此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術，可實現對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統，可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。嘉儀通()快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化、快速熱氮化及金屬合金化等研究和生產起到重要作用。
參考文獻：
[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.
(文章來源于儀器網)
