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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:顏志中
研究生(外文):Zhi-Zhung Yen
論文名稱:利用溶膠凝膠法在具有氧化鎂緩衝層之矽基板上製備高C軸優選方向鋯鈦酸鉛薄膜及其在表面聲波元件之應用
論文名稱(外文):Preparation of Highly C-axis Oriented PZT Films on Si Substrate by Sol-Gel Method with MgO Buffer Layer and Their Surface Acoustic Wave Applications
指導教授:施文欽
指導教授(外文):Wen-Ching Shih
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:鋯鈦酸鉛氧化鎂鎳酸鑭表面聲波元件
外文關鍵詞:PZTMgOSAWLNO
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將PZT 薄膜沉積於Si 基板上是非常困難的,主要由於兩者晶格常數的不匹配以及在高溫沉積時相互間的擴散問題。在本研究中,我們研究MgO 緩衝層與不同退火條件下對於利用溶膠凝膠法製程之PZT 薄膜於Si 基板上的影響。實驗結果顯示,將PZT薄膜成長於MgO/Si 基板上在退火溫度600 0C 持溫 1 小時可以得到高C軸方向薄膜。其PZT 薄膜C軸的優選方向PZT(001)與PZT(002)之半高寬分別為0.18˚ 與 0.22˚,並以AFM 測量其表面平坦度為 3.9 nm,嘗試製備交指狀換能器於PZT薄膜上,準備兩種不同架構之基材,並利用網路頻譜分析儀量測,以利於爾後PZT薄膜之表面聲波元件應用與發展,這個結果在往後的研究有助於將鐵電元件與半導體元件整合於同一塊Si 基板上。
Lead zirconate titanate (Pb(Zr,Ti)O3, PZT) thin films have received much attention due to their excellent dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. Epitaxial growth of PZT films on Si substrate is desirable to integrate ferroelectric devices and semiconductor devices on the same substrate. However, epitaxy of PZT films directly on Si substrates is very difficult because of the lattice mismatch between them and the interdiffusion owing to the high growth temperature during deposition. In this research, we study the effect of MgO buffer layer and the post-annealing conditions on the C-axis orientation of the PZT films fabricated by the sol-gel method on Si substrate. The experimental results show that if we anneal the PZT films grown on MgO (200)/Si substrate at 600 °C for 1 hour, highly C-axis oriented PZT films could be obtained. The full width at half maximum intensity (FWHM) of PZT (001) and PZT (002) peaks obtained from the X-ray diffraction (XRD) were 0.18 ° and 0.22 °, respectively. The surface roughness of the annealed PZT films was about 3.9 nm. Preparing two kinds of the structure, We try to fabricate the interdigital transducer (IDT) on PZT films and measure the frequency response by network analyzer. The results could be useful in the integration of ferroelectric devices and semiconductor devices on the same Si substrate.
目 錄

致謝 i
英文摘要 ii
中文摘要 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究動機 1
第二章 基本理論與文獻回顧 4
2.1 PbTi0.47Zr0.53O3 薄膜晶體結構 6
2.2 PbTi0.47Zr0.53O3 薄膜壓電特性 8
2.3 PbTi0.47Zr0.53O3 薄膜應用 12
2.3.1 PbTi0.47Zr0.53O3薄膜在表面聲波的應用 12
2.4 MgO 緩衝層 18
2.4.1 MgO氧化物緩衝層特性 18
2.4.2 MgO緩衝層特性 19
2.5 氧化物電極特性 20
2.5.1 LaNiO3氧化物電極特性 20
2.6 薄膜製作技術 21
2.6.1 射頻磁控濺鍍法 21
2.6.2 溶膠.凝膠法 27
第三章 實驗製程與量測 34
3.1 基板準備 34
3.1.1 Si(100) 基板 34
3.1.2 MgO(100) 基板 35
3.2 製備 MgO 緩衝層 36
3.2.1 濺鍍 MgO 薄膜 37
3.2.2 熱處理 MgO 薄膜 38
3.3 製備 LaNiO3 氧化物下電極 39
3.3.1 LaNiO3靶材製備 39
3.3.2 射頻磁控濺鍍沉積 LaNiO3 薄膜 41
3.3.3 LaNiO3底電極之熱處理 41
3.4 製備 PbTi0.47Zr0.53O3薄膜 42
3.4.1 溶液之製備 42
3.4.2 薄膜的披覆 44
3.4.3 熱處理PbTi0.47Zr0.53O3薄膜 45
3.5 物性量測 46
3.6 表面聲波元件製作 47
3.7 表面聲波特性量測 52
第四章 結果與討論 53
4.1 氧化鎂緩衝層分析 53
4.1.1 沉積參數以及退火參數之影響 53
4.2 LaNiO3 氧化物下電極分析 54
4.2.1 沉積參數對薄膜結構之影響 54
4.2.2 熱處理對薄膜結構之影響 57
4.2.3 沉基在不同緩衝層之氧化物底電極 60
4.2.4 薄膜電阻率 62
4.2.5 氧化物底電極之表現形態 64
4.3 PbTi0.47Zr0.53O3 薄膜分析 66
4.3.1 PbTi0.47Zr0.53O3/MgO/Si (100) 66
4.3.2 PbTi0.47Zr0.53O3/SiO2/Si(100) 75
4.3.3 PbTi0.47Zr0.53O3/LNO/MgO/Si (100) 77
4.3.4 PbTi0.47Zr0.53O3/LNO/ SiO2/Si (100) 78
第五章 表面聲波元件之量測 79
第六章 結論 82
參考文獻 84

表目錄
表2.1介電薄膜的特性與應用 4
表2.2 歷年來對壓電材料的發現與研究 5
表 2.3 SAW元件常用的材料、特性與用途 14
表2.4 MgO 塊材基本特性 19
表3.1 Si(100) 基板規格 35
表3.2 MgO(100) 基板熱處理參數 36
表3.3射頻磁控濺鍍 MgO 薄膜製程參數 38
表3.4熱處理 MgO 薄膜製程參數 38
表3.5射頻磁控濺鍍 LaNiO3 薄膜製程參數 41
表3.6熱處理LaNiO3 薄膜製程參數42
表3.7熱處理 PZT 薄膜製程參數 45
表3.8表面聲波元件電極圖案製作材料與設備 51
表4.1 不同溫度下退火( 800 ~ 1000 ℃)LNO薄膜之電阻率 63

圖目錄
圖2.1 PbZrO3.PbTiO3二元相圖 7
圖2.2 PZT系統之機電偶合因子,介電常數對組成之關係圖 8
圖2.3 壓電現象 9
圖2.4 Rayleigh波的傳播模式 13
圖2.5 基本表面聲波元件結構 13
圖2.6 SAW元件之頻域響應 15
圖2.7 SAW濾波元件之頻域與時域響應轉換關係 15
圖2.8 典型表面聲波帶通濾波器之頻域響應 17
圖2.9 射頻濺鍍系統示意圖 23
圖2.10 RF 電漿產生直流自我偏壓的原理 24
圖2.11磁控設計之基本構造 26
圖2.12旋轉塗佈法四階段成膜程序 33
圖3.1 Si(100) 基板清洗步驟 35
圖3.2 MgO(100) 基板清洗步驟 36
圖3.3 射頻磁控濺鍍系統配置圖 37
圖3.4 製作LNO靶材流程圖 40
圖3.5 LNO靶材之電子繞射圖 40
圖3.6 迴流裝置儀器之配置圖 44
圖3.7 PZT薄膜製作與特性分析流程圖 45
圖3.8 表面聲波元件電極圖案製作(正光罩) 48
圖3.9表面聲波元件電極圖案製作(負光罩) 50
圖3.10 顯影後部分表面聲波元件圖案 52
圖3.11 表面聲波濾波特性量測架設圖 52
圖4.1 MgO(200)薄膜退火前後繞射強度之比較 53
圖4.2不同沉積溫度下沉積LNO下電極之XRD圖 54
圖4.3不同輸入 RF 功率下沉積LNO下電極之XRD圖 55
圖4.4不同沉積壓力下沉積LNO下電極之XRD圖 56
圖4.5在大氣下不同退火溫度對LNO(200)之XRD(θ.2θ)強度的影響 57
圖4.6在大氣下不同退火時間對LNO(200)之XRD(θ.2θ)強度的影響 58
圖4.7在氧氣下不同退火時間對LNO(200)之 XRD(θ.2θ)強度的影響 59
圖4.8在氧氣氣氛下不同退火溫度對LNO(200)之 XRD(θ.2θ)強度的影響 59
圖4.9在800度時不同持溫時間對LNO(200)之XRD(θ.2θ)強度的影響 60
圖4.10 以800 oC退火溫度持溫120 mins將LNO沉積於MgO/Si基板上 61
圖4.11以最佳退火參數(900 ℃,30 mins)將LNO沉積於SiO2/Si基板上 61
圖4.12在900 oC 不同退火時間下之電阻率 62
圖4.13在不同溫度下退火( 800~ 1000℃)LNO薄膜之電阻率 63
圖4.14以光學顯微鏡觀察不同退火溫度之LNO薄膜 65
圖4.15以光學顯微鏡觀察LNO/SiO2/Si 65
圖4.16比較PZT薄膜是否經過退火之XRD差異性 67
圖4.17 PZT薄膜在550˚C~700˚C之高溫熱處理60分鐘(0.5 M) 68
圖4.18不同厚度下之PZT薄膜的XRD強度與半高寬之關係圖(0.5 M) 69
圖4.19不同退火時間下之PZT薄膜的XRD強度與半高寬關係圖(0.5 M) 70
圖4.20 以光學顯微鏡觀察不同濃度溶液製備之PZT薄膜 71
圖4.21 以肉眼觀察以1.5 M之PZT溶液製備之薄膜 72
圖4.22 不同預烤溫度下的PZT薄膜XRD強度(1M) 73
圖4.23 在不同熱處理溫度持溫60分鐘之PZT薄膜 74
圖4.24在600˚C溫度持溫不同時間之PZT薄膜 74
圖4.25 觀察PZT薄膜之SEM之俯視圖與側視圖 75
圖4.26 PZT沉積於SiO2/Si(100)基板上之XRD圖 76
圖4.27 PZT沉積在SiO2/Si基板上 76
圖4.28 以最佳參數將PZT薄膜沉積於LNO/MgO/Si(100) 77
圖4.29 以最佳參數PZT薄膜沉積於LNO/MgO 78
圖4.30 以最佳參數PZT薄膜沉積於LNO/SiO2/Si(100) 78
圖5.1 製作表面聲波元件的兩種架構 79
圖5.2 在 PZT 厚度為 1 μm 時,不同IDT之影像 80
圖5.3在 PZT 厚度為 1 μm 時,不同架構的網路頻譜分析 81
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[21]G. Feuillard, Y. Janin, C. Millar, W. Wolny, C Alemany, B. Jimenez, M.Lethicq, “ Comparative performances of piezoceramics and crystal SAW filters,” IEEE, ultrasonics symposium, pp. 81-84, 1994.
[22] 羅吉宗,“薄膜科技與應用,第二章-電漿物理,” pp. 2-1~2-40,全華科技圖書股份有限公司印, 2004.
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