Pt底电极对RF溅射PZT压电性能的影响

8英寸(100)取向Si衬底上生长1000nm和180nm的热氧化层。三种电极材料，A类电极为蒸镀20nm Ti/100nm Pt，炉管550℃退火促进形成Pt(111)取向。B类电极为溅射3nm Ti / 15nm TiO₂ / 100nm Pt。C类电极为3nm Ti / 15nm TiO₂ / 100nm Pt / 2nm TiO₂。RF溅射沉积1000nm PZT，采用300mm陶瓷靶，过量铅，Zr/Ti = 53/47，机台为Oerlikon Clusterline 200，溅射功率2 kW，卡盘温度分别为550℃、600℃、700℃，热电偶检测晶圆表面实际温度为450℃、460℃、525℃。用于压电测试的上电极为Cr/Au，e31,f采用四点弯曲法，d33,f采用消除衬底影响的双束激光干涉法(DBLI)，测试系统来自aixACCT systems GmbH。

沉积温度升高，由于PbO蒸发，导致薄膜中Pb含量降低。蒸镀TiPt电极上沉积的PZT铅含量较低，这可能是由于缺乏TiO₂阻挡层，Pb沿电极层扩散所致。

在550°C的卡盘温度下，除钙钛矿相外，三种底部电极均明显观察到大量亚稳态非压电相。该相优先于钙钛矿相形成的原因，被归因于该工艺条件下基板温度不足。

与550°C制备的薄膜相比，在600°C下所有类型电极的二次相峰几乎完全消失。在溅射Ti/TiO₂/Pt/(TiO₂)电极上，甚至可以观察到烧绿石相的完全缺失。除了蒸镀Ti/Pt电极上沉积态PZT薄膜(a)外，XRD 600°C图谱中还包含了蒸镀Ti/Pt电极上退火后的PZT薄膜(d)。此处沉积态PZT薄膜中检测到的烧绿石相小峰完全消失；此外，两种薄膜均显示出明显的(111)-PZT衍射峰。相较于沉积在550℃，在溅射Ti/TiO₂/Pt电极上600°C制备的薄膜显示出强度较低的(100)衍射峰。在Ti/TiO₂/Pt/TiO₂电极上，(111)晶面以及(100)晶面的PZT衍射峰均出现减弱，尽管次生相的含量也有所减少。

在蒸镀Ti/Pt底电极上沉积PZT时，700°C的卡盘温度再次导致非压电相的出现。这种优先形成次生相的趋势在溅镀Ti/TiO₂/Pt/TiO₂电极中同样可见，尽管程度较轻。然而，采用未添加TiO₂种子层的溅镀Ti/TiO₂/Pt电极制备的PZT薄膜，其（111）晶面衍射峰强度是所有700°C制备PZT薄膜中最强的，且未出现任何（100）晶面取向或次生相特征。

1μm PZT的大信号响应，激励电压25V。DBLI测的蝴蝶曲线和PV电滞回线如下图。对于沉积在溅射Ti/TiO₂/Pt, 溅射Ti/TiO₂/Pt/TiO₂，蒸镀Ti/Pt电极和蒸镀Ti/Pt退火处理后的PZT压电系数d33,f分别为101 pm/V, 75 pm/V，69 pm/V和81 pm/V。

溅射Ti/TiO₂/Pt, 溅射Ti/TiO₂/Pt/TiO₂，蒸镀Ti/Pt电极和蒸镀Ti/Pt退火处理后的电极上生长的PZT，在1kHz 1V小激励信号下的压电系数分别为99 pm/V，93 pm/V，65 pm/V 和72pm/V。前三者在25V饱和电压下的相对介电常数分别为1111，1695和1698。

溅射Ti/TiO₂/Pt, 溅射Ti/TiO₂/Pt/TiO₂，蒸镀Ti/Pt电极和蒸镀Ti/Pt退火处理后的电极上生长的PZT的e31,f分别为-13.8 C/m²，-12.6 C/m²，-8.8 C/m²和-11.8 C/m²。

卡盘温度600℃，在Si/SiO2/Ti/TiO₂/Pt上生长的(111) 取向的PZT，表现为纯钙钛矿相，d33,f为101 pm/V，e31,f为-13.8 C/m²，相对介电常数为1111。