3-第三讲--薄膜材料物理--第二章薄膜力学性质

第,三,讲,第二章 薄膜的力学性质,第二章 薄膜的力学性质,第,三,讲,薄膜的主要力学性能：,附着性质,由薄膜成长的初始阶段,内应力,机械性能,1.2,薄膜的附着性质（重要）,理论上,需对结合界的了解。,使用上,决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。,现无统一的测量薄膜附着性能的准确测量技术,.,薄膜的附着性能直接与附着的类型、附着力的性质、工艺、测量方法有关。,2.1.1,薄膜的附着类型,简单附着,分明的分界面,扩散附着,通过中间层附着,通过宏观效应附着,简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，,其附着能,Wfs,=,Ef+Es-Efs,Ef,薄膜的表面能,Es,基片的表面能,Efs,薄膜与基片之间的界面能,两个相似或相容的表面接触,Efs,Wfs,两个完全不相似或不相容的表面接触,Efs,Wfs,表面污染：,1.33310-3Pa,下,1,秒后表面会污染,一层单分子层。,简单物理附着,薄膜与基片间的结合力,范德华力,扩散附着,由两个固体间相互扩散或溶解而导致,在薄膜和基片间形成一个渐变界面。,实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、,离子轰击法、电场吸引法。,基片加热法：加温曲线（工艺）,离子轰击法：先在基片上淀积一层薄,20-30nm,）,金属膜，再用高能（,100KeV,）氩离子对,它进行轰击 实现扩散 再镀膜,电场吸引法：在基片背面镀上导体,加电压 吸离子,溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动,能大 扩散。,中间层附着,在薄膜与基片之间形成一个化合物而,附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化,合物,。,方法：在基片上镀一层薄金属层（,Ti,、,Mo,、,Ta,、,Cr,等）,.,然后，在其上再镀需要的薄膜，薄,金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。,通过宏观效应,机械锁合,双电层吸引 功函数不同电荷累积吸引,2.1.1,附着力的性能（性质）,三种附着力：,范德华力、化学键力、静电力（机械锁合）,(,氢键）,范德华力（键能,0.04-0.4eV,）,色散力,原子绕核运动中瞬间偶极相互作用,定向力,永久偶极矩之间的相互作用,诱导力,永久偶极矩的诱导作用产生的力,与静电力相比范德华力是短程力；,与化学键力相比，范德华力是长程力。,氢键（键能,0.1eV,）,离子性的静电吸引不普,遍，仅在电负性很强的原子之间。,化学键力（键能,0.4-10eV,）,共价键,离子键,金属键,价电子发生了转移，,短程力，不是普遍存在。,静电力,薄膜和基体两种材料的功函数不同，,接触后发生电子转移界面两边积累正负,电荷 静电吸引,2.1.3,影响附着力的工艺因素,包括材料性质、基片表面状态、基片温度、淀积方式、淀积速率、淀积气氛等。,基片材料的性质对附着力影响很大,微晶玻璃上淀积铝膜氧化铝与玻璃中硅氧,化学键附着力强。,铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜金属键,附着力强,选基片能与薄膜形成化学键附着力强,基片的表面状态对附着力影响也很大,基片清洗去掉污染层（吸附层使基片表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）提高附着性能。,提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散,扩散附着有利于加速化学反应形成中间层,中间层附着,须注意：,T,薄膜晶粒大热应力其它性能变,淀积方式：溅射强于蒸发，电压（溅射）高,附着好,溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化,附着强,电镀膜的附着性能差,(,有一定数量的微孔）,附着性能差,淀积速率 残留氧分子膜中中间层少,附着力下降,薄膜结构疏松,内应力大,淀积气氛对薄膜附着力的影响,淀积初期氧和水蒸气分压氧化膜中间层附着,2.2,附着力的测试方法,机械方法数种如下：,条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、,划痕法、推倒法、摩擦法、扭曲法、,离心法、超声法、振动法等。,2.2.1,条带法,三种可能：,薄膜随附着带全部从基片上剥离下来；,仅部分剥离下来；,未剥离说明薄膜附着好定性测量,2.2.2,引拉法（定量测量）,用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂直拉力；,单位面积的附着力,fb,=,Fb,/A,2.2.3,划痕法,用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为,0.05nm,。临界负荷,薄膜刻划下来时。,作用薄膜附着力的一种量度。,用光学显微镜观察和分析划痕，必须确定临界负荷。薄膜的临界负荷一般为几,-,几百克。,单位面积临界剪切力为：,单位面积的剥离能,:,2.2.4,摩擦法,用标准的负荷橡皮（含有金刚砂）擦,用已知高度点矢落下的磨粒（如,SiC,细砂）擦,2.3,薄膜的内应力,内应力定义：薄膜内部单位截面上所承受的力，,称为内应力。在内部自己产生的应力。,张应力过大薄膜开裂、基片翘曲。,压应力过大薄膜起皱或脱落。,+,在张应力作用下，薄膜自身有其收缩的趋势,过大薄膜开裂。,-,在压应力作用下，薄膜内部有向表面扩散的趋势,过大脱落。,薄膜内应力的来源尚未形成定论。,2.3.1,内应力的类别与起源,按起源分：热应力,薄膜和基片的热胀系数不同,而引起的。,本征应力,-,来自于薄膜的结构因素,和缺陷。,按应力性质分：张应力、压应力,由于薄膜中的内应力分布是不均匀的，即薄膜内各个分层的应力大小不同两种内应力,：,按应力起源分类：热应力、本征应力,