南开-材料分析测试方法小论文

材料分析测试方法小论文

文献题目：（中文）用x射线衍射法分析由磁控溅射制成的氧化锌薄膜的热应

力松弛规律

文献题目：（英文）X-ray diffraction study of thermal stress relaxation in ZnO films

deposited bymagnetron sputtering 文献作者及单位：（英文）F. Conchon a, P.O. Renault a,E. Le Bourhis a, C. Krauss a, P. Goudeau a, E. Barthel b, S. Yu. Grachev b,E. Sondergard b, V. Rondeau c, R. Gyc, R. Lazzari d, J. Jupille d, N. Brun e a. Institut P', Université dePoitiers-Ensma-UPR CNRS 3346, 86962 Futuroscope, France b. Lab. Surface du Verre et Interfaces (SVI), UMR 125, 93303 Aubervilliers, France c. Lab. Recherche de Saint-Gobain (SGR), 93303 Aubervilliers, France d. Institut des Nanosciences de Paris (INSP), UMR 7588, 75015 Paris, France e. Lab. Physique des Solides (LPS), UMR 8502, 91405 Orsay, France 文献刊号：（英文）Thin Solid Films 519 (2010) 1563–1567.

用x射线衍射法分析由磁控溅射制成的氧化锌薄膜的

热应力松弛规律

摘要：基于x射线应力分析方法，分析了以硅片为衬底的ZnO薄膜和有氮化硅层封装成的ZnO薄膜的应力松弛特征。结果表明，两种薄膜都处于一种高压应力状态。在退火的炉子中进行原位x射线衍射测量，发现当炉子温度随着其中气氛的温度的改变而改变，或是受Si3N4包裹物的影响时，应力松弛会随着温度的变化而产生弛豫现象。在热处理过程中，包裹在ZnO外面的氮化硅薄膜对应力的松弛机制有很重要的影响。在氩气的气氛中，对观察得到的不同温度下的松弛结果进行分析，推测出热应力释放可能归因于ZnO薄膜的化学计量的变化。当知道热处理参数后，目前的观察结果就能为精确测量残余应力铺一条道路。

一．研究背景

一直以来，ZnO薄膜因拥有很多优良的性质为广大研究者所钟爱，首先本文先介绍一下氧

化锌的相关性质。

(一) ZnO的性质[1] 1. ZnO的结构特点

ZnO的晶体结构为纤维锌矿结构，在常温常压下的稳定相属六方晶系，布拉菲格子为六角格子，其化学键处于离子键和共价键的中间状态。其晶体结构如图所示：

纤锌矿结构的ZnO是由一系列氧原子层和锌原子层构成的双原子层堆积起来的，每一个原子层都是一个(001)晶面，它的(001)面规则地按ABAB顺序堆积。ZnO晶体中(001)面在平衡状态下是光滑面，ZnO薄膜在生长过程中有强烈的(001)面择优取向特性，或称为C轴择优取向。

2. ZnO的电学性质

理想的ZnO属宽带隙半导体，禁带宽度约为3.3eV，在室温下不可能激发，因此电阻率较高。实验室条件下ZnO薄膜中存在各种缺陷，例如制备的掺Al的ZnO中存在如氧空位、间隙锌离子，置换铝离子等缺陷，这些缺陷如图所示：

在形成氧空位或者产生间隙金属离子时，都会产生过剩电子，这些过剩电子分别被氧空格点和金属间隙离子形成的正电中心所束缚，在导带附近形成一个施主能级，施主能级的存在使导带发生畸变，施主能级到导带的距离小，该能级中的电子激发到导带中参与导电需要的能量小，室温下的热激发就可以将电子激发到导带中从而使氧化锌薄膜呈现一定的导电性能。

所以，在氧化锌中掺入价态为正三价的铝原子，由于铝的离子半径(R=O．039nm)小于锌的离子半径(R=0．060rim)，铝原子因容易成为替位原子而占据锌原子的位置，当掺杂的铝离子以替代形式占据晶格中相应锌离子的位置时，形成一价正电荷中心，这个正电中心可以把金属一个“多余\的价电子束缚在自己的周围，形成一个靠近导带底部的施主能级，但是，这个束缚作用相当微弱，室温下的热运动就可以提供足够的能量使之脱离束缚而在晶体中自由运动，形成n型载流子，因此掺入铝的结果是增加了自由电子，使晶粒电导率增加。

3. ZnO的光学特性

ZnO具有高光学折射率(大约2．0左右)，在可见光波段(400～800 nm)有很高的透射率，可达90％以上。ZnO薄膜之所以具有透明特性，是因为其带隙很宽，短波吸收大约为380nm左右。透明导电特性是ZnO薄膜很重要并受到广泛关注的性质。通常情况下，物质的导电性和透明性是两个相互制约的性质，也就是说导电性越好的材料其可见光波段透过率越低，而ZnO能具有良好的透明导电性质。

(二) 论文研究的初衷

文献中的研究是倾向于其他研究者忽略的残留应力测量方面。因为他们认为，采用不同沉积方法会导致薄膜中存有不同的残留应力，而残留应力决定着薄膜的光学的、电学的各种性质，所以很有必要研究在沉积过程中薄膜应力的形成。应力的产生与沉积过程、薄膜的微观结构、界面的性质等有很大的联系。这些因素的影响程度，取决于沉积方式和沉积后的热处理。例如磁控溅射法制备的ZnO薄膜，氧分压、射频功率都决定着热应力的大小。而且磁控溅射沉积薄膜时，速度很快，覆盖面很大，能显著减少内部的压应力。而沉积后热处理主要影响着薄膜的机构、粒度和表面的光滑度。

二．材料制备方法

ZnO薄膜有很多的沉积方法，如磁控溅射法、金属有机物化学气相沉积法、脉冲激光沉积??参照找到的文献，主要介绍一下磁控溅射法。

1. 磁控溅射的原理[2][3]

用离子轰击靶材表面，使靶材中的原(离)子被轰击出来的现象成为溅射。溅射出来的原(离)子沉积在基体表面形成薄膜的过程称为溅射镀膜。

最简单的溅射过程是所谓的二极溅射。即以金属靶材作为阴极，在靶材和另一个(金属)电极(阳极)之间加上数百甚至上千伏的电压，在一定的工作气体(一般为氩气等惰性气体)压力下产生辉光放电，在靶材前产生等离子体。等离子体的正离子经电场加速后高速轰击靶材表面，使得靶材表面粒子溅射出来并沉积在衬底上形成薄膜。溅射过程中工作气体离子轰击靶材表面不但造成靶材粒子溅射，还会产生二次电子，而二次电子在靶材负电压电场的作用下获得足够高的能量反过来电离更多的工作气体原子，从而使得放电的过程得以自持。

二极溅射模式主要的缺点是电子利用效率很低，很多电子尚未与工作气体碰撞便飞行至真空腔壁而消失掉。为此二极溅射往往需要工作在较高的气压及电压下，而且溅射成膜速率很低。二极溅射模式的另外一个缺点是溅射过程中存在大量高能电子对衬底的轰击，使得衬底的温度升高，使得衬底材料受限(例如不能使用有机物材料作为衬底)。

针对二极溅射过程中电子利用效率低、工作气体电离效率低、溅射速率低等缺点，在靶材表面附近引入闭合磁力线走廊(或者称为跑道)把电子约束在靶材表面作往复的扭摆螺旋运动，以增加电子在靶面前方的有效运动路径长度。从而增加了其与惰性气体原子碰撞的几率，使得工作气体的电离效率提高，从而使溅射得以维持在较低的工作电压和工作气压下并获得高的溅射沉积速率；并且由于电子被磁场束缚，使得二极溅射中大量电子轰击的现象得