铁电薄膜残余应力X射线衍射测试方法研究

【摘要】： 铁电薄膜因其异于相同块体材料的电学、光学和光电子学性能,在微电子、微机电系统(MEMS)、信息存储等领域得到日益广泛的应用,是当前新型功能材料的一个重要研究对象,人们对铁电薄膜的制备、结构及其性能进行了大量卓有成效的研究。在铁电薄膜的制备过程中,薄膜内部的固有缺陷、铁电材料的相变、膜-基间的热失配和晶格失配等因素,使得铁电薄膜内不可避免地产生残余应力,因此对铁电薄膜残余应力的研究是这一领域中一个重要课题。本文讨论了薄膜残余应力的几种常用测试方法及其在铁电薄膜残余应力测量上的应用现状,其中重点关注了基于X射线衍射测量薄膜残余应力的方法。在此基础上本文针对铁电薄膜的特性,提出了两种新的用X射线衍射测量铁电薄膜残余应力的方法模型,且分别用其对PZT以及BNT铁电薄膜进行了残余应力的分析测算。结论主要包括: 1.铁电薄膜由于其特有的各向异性、压电效应和力电耦合效应的存在,直接应用基于各向同性材料的传统sin 2?法测量其残余应力必然存在一定的测量误差。测量铁电薄膜残余应力必须考虑其特有的各向异性、压电效应和力电耦合,对于多晶薄膜,还必须考虑薄膜的取向分布对宏观应力的影响; 2.单胞应力模型是一种从残余应力的微观机制出发计算铁电薄膜界面及表面残余应力的创新方法,其特点是:从残余应力的源头和微观机制出发,并考虑铁电材料的各向异性和压电效应,从理论上计算出薄膜-基底界面单胞的残余应力,并引入多晶薄膜的取向织构情况,通过由X射线衍射测量所获得的薄膜取向情况,对单胞应力值作细观力学的取向平均,从单胞的残余应力计算出薄膜界面的平均残余应力,最后通过薄膜应力沿厚度方向分布的经验公式,得到薄膜表面的应力值。通过对多组样品的测试计算,该方法在表面应力的结果上与传统方法有较好的一致性,且该方法能计算传统方法不能测量计算的薄膜界面的残余应力。 3.离面应变模型是一种简便的测量计算多晶铁电薄膜表面残余应力的创新方法,同样考虑了多晶铁电薄膜的各向异性、压电效应和力电耦合,以及多晶薄膜的取向情况。该方法通过分析由X射线测量结果可以直接得到的薄膜各取向的平均离面应变和取向结构情况,由各取向的离面应变计算出对应的面内应力,再通过取向平均,计算薄膜的平均表面残余应力。通过对多组样品的分析计算,与未考虑多晶薄膜取向的传统方法比较,可以说明该方法在准确性上有保证,且更符合多晶铁电薄膜的实际情况。