鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜具有優(yōu)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(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，從微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）到超聲波傳感器，再到能量收集器，它都發(fā)揮著關(guān)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(wěn)定性一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(jié)合，成功地將微米厚的PZT薄膜集成在一個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(shí)現(xiàn)PZT薄膜的均勻性?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(xiàn)了(001)取向的Pe相。此外，RTP處理后的PZT薄膜表面呈現(xiàn)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(shù)、鐵電滯回環(huán)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(zhì)量。相對介電常數(shù)和介電損耗隨著電場的變化而變化，呈現(xiàn)出典型的鐵電性蝴蝶環(huán)，證明了PZT薄膜具有良好的鐵電性。極化-電場曲線也呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)、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(jìn)一步促進(jìn)鈣鈦礦相的成核和結(jié)晶。RTP過程是一種有效的方法，可以改善薄膜質(zhì)量。此外，還有一些理論支持。Dang等人研究了退火過程[3]，使用朗道模型和朗之萬動力學(xué)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(xué)相表現(xiàn)出不同的朗道型自由能。高加熱率使得RTP系統(tǒng)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可能跳過一個相變，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(tài)不是非晶態(tài)，而是不同濺射溫度下的斜方晶相，表明處于圖3中的狀態(tài)B。一般來說，濺射溫度較低(<300℃，綠色矩形)時，PZT薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài)，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(jìn)從斜方晶相到鈣鈦礦相的相變，如圖4中的藍(lán)色矩形所示。

圖3 RTP和CFA的退火過程示意圖

       高均勻性的PZT薄膜具有的優(yōu)異鐵電性能源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，形成鮮明的行業(yè)競爭力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、精準(zhǔn)控溫的高均勻性的高溫場，具體表現(xiàn)在：

       √ 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(jìn)鐵電相的成核，避免晶粒過大；

       √ 精準(zhǔn)控溫的高溫場能夠促進(jìn)鐵電材料的生長和相轉(zhuǎn)變，獲得更多鐵電相的鐵電材料，提高鐵電性能；

       √ 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(yè)化生產(chǎn)的需求。

       此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，可達(dá)到極佳的溫場均勻性和穩(wěn)定性。

       嘉儀通(JouleYacht)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(chǎn)起到重要作用。

       參考文獻(xiàn)：

       [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.