不同退火升温速率下PZT铁电薄膜中的残余应力分析

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1、·78·材料导报B：研究篇2011年2月(下)第25卷第2期不同退火升温速率下PZT铁电薄膜中的残余应力分析王敬宇，左长明，姬洪(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)摘要室温下利用射频磁控溅射在Pt／Ti／SiO2／si(1O0)上淀积了约200nm厚的PZT铁电薄膜，在N2(纯度为99．999~)气氛中以不同升温速率进行快速热退火，采用X射线衍射法表征其残余应力。结果表明，薄膜中的应力不是二维应力而是三维应力，且除了切应力口2z以外的大部分应力张量的分量为张应力；薄膜中张应力的增大主要是由于氧空位与晶粒尺寸共同作用的结果，而该应力的减小是由于晶粒尺

2、寸在薄膜应力演变过程中占主导地位所致。关键词X射线衍射应／JJ氧空位晶粒尺寸AnalysisontheResidualStressofthePZTFerroelectricThinFilmatVariousAnnealingHeatingRatesWANGJingyu，ZUOChangming，JIHong(StateKeyI．aboraoryofElectronicFhinFilmsandIntegratedDevices，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054)AbstractPZTfe

3、rroelectricthinfilmswiththickness200nmonPt／Ti／Si(／Si(100)substratewerepreparedbyRFmagnetronsputteringatlheroonltemperature．FhefilmsgotfastthermalannealingatdifferentheatingrateintheN2(99．999，purity)atmosphere，andXraydiffractionmethodwasusedtocharacterizetheresidualstressofthePZTthinfilms．The

4、resultsindicatethatthestressinthefilmiSnottwo-dimensionalbutthree~dimensional。andthemostcomponentSofthestresstensorarethetensilestressexceptfortheshearstress22；tensilestressincreasinginthethinfilmismainlyduetotheoxygenvacanciesandthegrainsize，whilethereducingiscausedbythedominanceofthegrains

5、izeintheevolutionprocessofthefilmstress．KeywordsX-raydiffraclion，stress，oxygenvacancy，grainsize退火升温速率下处理的PZT铁电薄膜中的残余应力，讨论0引言了薄膜残余应力与升温速率及结晶取向之间的关系。此外，近年来，诸如IZT一类的铁电薄膜在动态随机存储还利用在叫一2扫描中测得不同晶面的半高宽(FWHM)绘制器(DRAM)、非易失性随机存储器(FRAM)、微电力系统了该系列薄膜的Williamson-Hall曲线，并由此得到了薄膜(MEMS)等领域的应用吸引了众人的注意。然而，由于薄中平

6、均晶粒尺寸以及非均匀应变的分布。膜材料与基片材料在结构和热力学参数上的不匹配，导致1实验薄膜在制备的降温过程中会不可避免地产生残余应力。在某种程度上，薄膜的结构和性能取决于薄膜中的残余应室温下，利用射频磁控溅射在Pt／Ti／SiO／Si(100)上淀力，过大的张应力会导致薄膜开裂或变形，从而限制了薄积了约200nm厚的PZT铁电薄膜。以高纯度(99．9995％)膜的应用。一些研究者已经把铁电薄膜的结构与性能归的PZT陶瓷(Zr／Ti=55／45)作为溅射靶；Si02层、Ti层、Pt因于薄膜中残余应力的状态【。因此，残余应力对铁电薄层的厚度分别为S00nm、50nm、200nm，

7、SiO层采用湿热氧化膜的性能有着重要的影响，并已成为该领域中～项重要的法制备，Ti和Pt层采用直流溅射淀积，以Ar(纯度为研究课题_1j。99．999)作为溅射源。将该系列薄膜于N：(纯度为铁电薄膜的力学、电学以及光学性能依赖于薄膜的结晶99．999)气氛中在不同升温速率下进行快速热退火，退火取向E8．93。结晶取向可以通过改变薄膜的淀积条件和薄膜的温度为600℃，时间为30s，升温速率分别为1℃／s、5。C／s、后续热处理来控制。目前还没有关于溅射PZT铁电薄膜中10℃／s、2O℃／s、3