薄膜材料物理--薄膜的力學(xué)性質(zhì)1

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1、第二章薄膜的力學(xué)性質(zhì)第三講薄膜的主要力學(xué)性能：附著性質(zhì)—由薄膜成長的初始階段內(nèi)應(yīng)力機(jī)械性能§1.2薄膜的附著性質(zhì)（重要）理論上—需對結(jié)合界的了解。使用上—決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性?，F(xiàn)無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準(zhǔn)確測量技術(shù).薄膜的附著性能直接與附著的類型、附著力的性質(zhì)、工藝、測量方法有關(guān)。2.1.1薄膜的附著類型①簡單附著—分明的分界面②擴(kuò)散附著③通過中間層附著④通過宏觀效應(yīng)附著①簡單附著：薄膜和基片間形成一個很清楚的分界面，其附著能Wfs=Ef+Es-EfsEf—薄膜的表面能Es—基片的表面能Efs—薄膜與基片之間的界面能兩個相似或相容的表面接觸Efs↓Wfs↑兩個完全不相似或

2、不相容的表面接觸Efs↑Wfs↓表面污染：1.333×10-3Pa下→1秒后→表面會污染一層單分子層。簡單物理附著—薄膜與基片間的結(jié)合力—范德華力②擴(kuò)散附著—由兩個固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致在薄膜和基片間形成一個漸變界面。實現(xiàn)擴(kuò)散方法：基片加熱法、離子注入法、離子轟擊法、電場吸引法?；訜岱ǎ杭訙厍€（工藝）離子轟擊法：先在基片上淀積一層薄20-30nm）金屬膜，再用高能（100KeV）氬離子對它進(jìn)行轟擊實現(xiàn)擴(kuò)散再鍍膜電場吸引法：在基片背面鍍上導(dǎo)體加電壓吸離子濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因為濺射粒子動能大擴(kuò)散。③中間層附著—在薄膜與基片之間形成一個化合物而附著，該化合物多為薄膜材料與基

3、片材料之間的化合物。方法：在基片上鍍一層薄金屬層（Ti、Mo、Ta、Cr等）.然后，在其上再鍍需要的薄膜，薄金屬奪取基片中氧中間層表面摻雜。④通過宏觀效應(yīng)機(jī)械鎖合雙電層吸引功函數(shù)不同→電荷累積→吸引2.1.1附著力的性能（性質(zhì)）三種附著力：范德華力、化學(xué)鍵力、靜電力（機(jī)械鎖合）(氫鍵）①范德華力（鍵能0.04-0.4eV）色散力—原子繞核運(yùn)動中→瞬間偶極→相互作用定向力—永久偶極矩之間的相互作用誘導(dǎo)力—永久偶極矩的誘導(dǎo)作用→產(chǎn)生的力與靜電力相比范德華力是短程力；與化學(xué)鍵力相比，范德華力是長程力。③氫鍵（鍵能≈0.1eV）—離子性的靜電吸引不普遍，僅在電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間。②化學(xué)鍵力（鍵

4、能0.4-10eV）共價鍵離子鍵金屬鍵價電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，短程力，不是普遍存在。④靜電力—薄膜和基體兩種材料的功函數(shù)不同，接觸后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移→界面兩邊積累正負(fù)電荷→靜電吸引2.1.3影響附著力的工藝因素包括材料性質(zhì)、基片表面狀態(tài)、基片溫度、淀積方式、淀積速率、淀積氣氛等。①基片材料的性質(zhì)對附著力影響很大微晶玻璃上淀積鋁膜→氧化鋁與玻璃中硅氧→化學(xué)鍵→附著力強(qiáng)。鉑、鎳、鈦等金屬基片上淀積金膜→金屬鍵→附著力強(qiáng)選基片能與薄膜形成化學(xué)鍵→附著力強(qiáng)②基片的表面狀態(tài)對附著力影響也很大基片清洗→去掉污染層（吸附層使基片表面的化學(xué)鍵飽和，從而薄膜的附著力差）→提高附著性能。③提高溫度,有利于薄膜和基片

5、之間原子的相互擴(kuò)散→擴(kuò)散附著有利于加速化學(xué)反應(yīng)形成中間層→中間層附著須注意：T↑→薄膜晶粒大→熱應(yīng)力↑→其它性能變④淀積方式：濺射強(qiáng)于蒸發(fā)，電壓（濺射）高→附著好∵濺射粒子動能大，轟擊表面清洗且使表面活化→附著強(qiáng)電鍍膜的附著性能差(∵有一定數(shù)量的微孔）附著性能差⑤淀積速率↑→殘留氧分子膜中→中間層少→附著力下降→薄膜結(jié)構(gòu)疏松→內(nèi)應(yīng)力大⑥淀積氣氛對薄膜附著力的影響淀積初期→氧和水蒸氣分壓→氧化膜中間層→附著↑§2.2附著力的測試方法機(jī)械方法數(shù)種如下：條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、劃痕法、推倒法、摩擦法、扭曲法、離心法、超聲法、振動法等。2.2.1條帶法三種可能：①薄膜隨附著帶全部從

6、基片上剝離下來；②僅部分剝離下來；③未剝離→說明薄膜附著好→定性測量2.2.2引拉法（定量測量）用拉力機(jī)或離心、超聲振動儀給樣品加上垂直拉力；單位面積的附著力fb=Fb/A2.2.3劃痕法用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為0.05nm。臨界負(fù)荷—薄膜刻劃下來時。作用薄膜附著力的一種量度。用光學(xué)顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負(fù)荷。薄膜的臨界負(fù)荷一般為幾-幾百克。單位面積臨界剪切力為：單位面積的剝離能:2.2.4摩擦法用標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷橡皮（含有金剛砂）擦用已知高度點矢落下的磨粒（如SiC細(xì)砂）擦§2.3薄膜的內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力定義：薄膜內(nèi)部單位截面上所承受的力，稱為內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)部自己產(chǎn)生的

7、應(yīng)力。張應(yīng)力過大→薄膜開裂、基片翹曲。壓應(yīng)力過大→薄膜起皺或脫落。+在張應(yīng)力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢→過大→薄膜開裂。-在壓應(yīng)力作用下，薄膜內(nèi)部有向表面擴(kuò)散的趨勢→過大→脫落。薄膜內(nèi)應(yīng)力的來源尚未形成定論。2.3.1內(nèi)應(yīng)力的類別與起源按起源分：熱應(yīng)力—薄膜和基片的熱脹系數(shù)不同而引起的。本征應(yīng)力--來自于薄膜的結(jié)構(gòu)因素和缺陷。按應(yīng)力性質(zhì)分：張應(yīng)力、壓應(yīng)力由于薄膜中的內(nèi)應(yīng)力分布是不均勻的，即薄膜內(nèi)各個分層的應(yīng)力大小不同→兩種內(nèi)應(yīng)力：按應(yīng)力起源