铁电薄膜、半导体薄膜应力的X射线衍射表征与研究

【摘要】：随着信息技术的迅猛发展,薄膜微电子元器件得到了前所未有的广泛使用。人们需要将具有各种不同性能的薄膜材料(例如:铁电、半导体等性能)利用现代复合技术复合到一起,构成具有各种优异性能的复合材料体系。因此薄膜材料性能与制备的研究是目前国际上广为关注的重要课题之一。 在影响薄膜材料的诸多因素中,内应力绝对是不可忽视的一个重要因素。内应力的存在会直接影响薄膜材料的成品率、稳定性和可靠性。此外,众所周知,薄膜中的残余应力可能会造成薄膜的开裂、表面形成小丘凸起或翘曲,导致铁电薄膜失效;而半导体薄膜材料的能量带隙也会受到内应力的影响。 本文首先从薄膜中内应力对元器件的影响、内应力的成因模型及影响内应力的因素等几个方面对薄膜应力研究进行了概述。并基于此,提出了本文的研究目的,即通过对薄膜应力的研究,改善薄膜性能,进而提高元器件的可靠性和稳定性。随后对目前常用的薄膜应力测试方法进行了回顾,由于X射线衍射的无损检测特性以及较高的精度,本文选择X射线衍射作为薄膜应力表征的主要手段。 本文的重点是利用Ψ扫描、高分辨倒易空间、掠入射、极图等不同的X射线应力测试方法分别对带STO缓冲层的YBCO薄膜、BST铁电薄膜、ZnO半导体薄膜中的应力进行了表征,本文不仅利用X射线应力测量的传统方法测量了BST铁电薄膜中的残余应力,而且将倒易空间图、掠入射的方法成功的应用于高度织构的YBCO薄膜以及ZnO半导体薄膜的应力测量,并对薄膜中的应力与薄膜的微结构以及性能之间的关系做了一定的讨论,由对YBCO薄膜的研究可知,在STO缓冲层上制备的YBCO薄膜的织构情况及外延生长相较直接在LAO基片上制备的YBCO薄膜来说更好;由对BST铁电薄膜残余应力的研究可知,薄膜中的应力为三维应力,并且在整个退火过程中面内应力都是各向异性的;ZnO半导体薄膜的应力研究展示了薄膜内压应力与拉应力的变化规律;对各样品c/a值的计算揭示了制备的薄膜与理想的六方密积堆结构接近,对比常规XRD(002)衍射峰与掠入射(100)衍射峰的摇摆曲线半高宽,得出ZnO薄膜镶嵌块的倾斜小于扭转,即ZnO薄膜垂直晶格方向排列比面内更加有序。通过倒易空间扫描分析,了解到基片不完美,表面存在应力,这说明了制备性能优良的薄膜,基片的选取是至关重要的。这些研究结果进一步充实了铁电薄膜、半导体薄膜应力研究的内容。