鐵電薄膜殘余應(yīng)力X射線衍射測(cè)試方法研究.pdf

1、鐵電薄膜因其異于相同塊體材料的電學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)性能,在微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用,是當(dāng)前新型功能材料的一個(gè)重要研究對(duì)象,人們對(duì)鐵電薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行了大量卓有成效的研究。在鐵電薄膜的制備過程中,薄膜內(nèi)部的固有缺陷、鐵電材料的相變、膜-基間的熱失配和晶格失配等因素,使得鐵電薄膜內(nèi)不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力,因此對(duì)鐵電薄膜殘余應(yīng)力的研究是這一領(lǐng)域中一個(gè)重要課題。本文討論了薄膜殘余應(yīng)力的幾種常用

2、測(cè)試方法及其在鐵電薄膜殘余應(yīng)力測(cè)量上的應(yīng)用現(xiàn)狀,其中重點(diǎn)關(guān)注了基于X射線衍射測(cè)量薄膜殘余應(yīng)力的方法。在此基礎(chǔ)上本文針對(duì)鐵電薄膜的特性,提出了兩種新的用X射線衍射測(cè)量鐵電薄膜殘余應(yīng)力的方法模型,且分別用其對(duì)PZT以及BNT鐵電薄膜進(jìn)行了殘余應(yīng)力的分析測(cè)算。結(jié)論主要包括:
　　1.鐵電薄膜由于其特有的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合效應(yīng)的存在,直接應(yīng)用基于各向同性材料的傳統(tǒng)sin2Ψ法測(cè)量其殘余應(yīng)力必然存在一定的測(cè)量誤差。測(cè)量鐵電薄膜殘余

3、應(yīng)力必須2考慮其特有的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合,對(duì)于多晶薄膜,還必須考慮薄膜的取向分布對(duì)宏觀應(yīng)力的影響;
　　2.單胞應(yīng)力模型是一種從殘余應(yīng)力的微觀機(jī)制出發(fā)計(jì)算鐵電薄膜界面及表面殘余應(yīng)力的創(chuàng)新方法,其特點(diǎn)是:從殘余應(yīng)力的源頭和微觀機(jī)制出發(fā),并考慮鐵電材料的各向異性和壓電效應(yīng),從理論上計(jì)算出薄膜-基底界面單胞的殘余應(yīng)力,并引入多晶薄膜的取向織構(gòu)情況,通過由X射線衍射測(cè)量所獲得的薄膜取向情況,對(duì)單胞應(yīng)力值作細(xì)觀力學(xué)的取向平均,從單

4、胞的殘余應(yīng)力計(jì)算出薄膜界面的平均殘余應(yīng)力,最后通過薄膜應(yīng)力沿厚度方向分布的經(jīng)驗(yàn)公式,得到薄膜表面的應(yīng)力值。通過對(duì)多組樣品的測(cè)試計(jì)算,該方法在表面應(yīng)力的結(jié)果上與傳統(tǒng)方法有較好的一致性,且該方法能計(jì)算傳統(tǒng)方法不能測(cè)量計(jì)算的薄膜界面的殘余應(yīng)力。
　　3.離面應(yīng)變模型是一種簡(jiǎn)便的測(cè)量計(jì)算多晶鐵電薄膜表面殘余應(yīng)力的創(chuàng)新方法,同樣考慮了多晶鐵電薄膜的各向異性、壓電效應(yīng)和力電耦合,以及多晶薄膜的取向情況。該方法通過分析由X射線測(cè)量結(jié)果可以直接得