【材料课件】3第三讲薄膜材料物理第二章薄膜的力学性质

第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲薄膜的主要力学性能：薄膜的主要力学性能： 附着性质附着性质由薄膜成长的初始阶段由薄膜成长的初始阶段 内应力内应力 机械性能机械性能第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 1.2 薄膜的附着性质（重要）理论上理论上需对结合界的了解。需对结合界的了解。使用上使用上决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。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。质、工艺、测量方法有关。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.1.1 薄膜的附着类型 简单附着简单附着分明的分界面分明的分界面 扩散附着扩散附着 通过中间层附着通过中间层附着 通过宏观效应附着通过宏观效应附着第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面，简单附着：薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面， 其附着能其附着能 Wfs=Ef+Es-EfsWfs=Ef+Es-Efs Ef Ef薄膜的表面能薄膜的表面能 EsEs基片的表面能基片的表面能 EfsEfs薄膜与基片之间的界面能薄膜与基片之间的界面能 两个相似或相容的表面接触两个相似或相容的表面接触 Efs WfsEfs Wfs 两个完全不相似或不相容的表面接触两个完全不相似或不相容的表面接触 Efs WfsEfs Wfs 表面污染：表面污染： 1.3331.33310-3Pa10-3Pa下下11秒后秒后表面会污染表面会污染 一层单分子层。一层单分子层。 简单物理附着简单物理附着薄膜与基片间的结合力薄膜与基片间的结合力范德华力范德华力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 扩散附着扩散附着由两个固体间相互扩散或溶解而导致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。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、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。离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺）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离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm20-30nm） 金属膜，再用高能（金属膜，再用高能（100KeV100KeV）氩离子对）氩离子对 它进行轰击它进行轰击 实现扩散实现扩散 再镀膜再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压加电压 吸离子吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 能大能大 扩散。扩散。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 中间层附着中间层附着在薄膜与基片之间形成一个化合物而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附着，该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化 合物合物。方法：在基片上镀一层薄金属层（方法：在基片上镀一层薄金属层（TiTi、MoMo、TaTa、 CrCr等）等）. .然后，在其上再镀需要的薄膜，薄然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。中间层表面掺杂。通过宏观效应通过宏观效应 机械锁合机械锁合 双电层吸引双电层吸引 功函数不同功函数不同电荷累积电荷累积吸引吸引电电子子转转移移20/2 d S S静静电电吸吸引引能能E,E,长长程程力力新新内内容容！最最近近几几年年才才注注意意。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.1.1 2.1.1 附着力的性能（性质）附着力的性能（性质） 三种附着力：三种附着力： 范德华力、化学键力、静电力（机械锁合）范德华力、化学键力、静电力（机械锁合） ( (氢键）氢键）范德华力（键能范德华力（键能0.04-0.4eV0.04-0.4eV） 色散力色散力原子绕核运动中原子绕核运动中瞬间偶极瞬间偶极相互作用相互作用 定向力定向力永久偶极矩之间的相互作用永久偶极矩之间的相互作用 诱导力诱导力永久偶极矩的诱导作用永久偶极矩的诱导作用产生的力产生的力 与静电力相比范德华力是短程力；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。与化学键力相比，范德华力是长程力。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 氢键（键能氢键（键能0.1eV0.1eV）离子性的静电吸引不普离子性的静电吸引不普 遍，仅在电负性很强的原子之间。遍，仅在电负性很强的原子之间。化学键力（键能化学键力（键能0.4-10eV0.4-10eV） 共价键共价键 离子键离子键 金属键金属键 价电子发生了转移，价电子发生了转移，短程力，不是普遍存在。短程力，不是普遍存在。静电力静电力薄膜和基体两种材料的功函数不同，薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移接触后发生电子转移界面两边积累正负界面两边积累正负 电荷电荷 静电吸引静电吸引第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 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。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基片材料的性质对附着力影响很大 微晶玻璃上淀积铝膜微晶玻璃上淀积铝膜氧化铝与玻璃中硅氧氧化铝与玻璃中硅氧 化学键化学键附着力强。附着力强。 铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜金属键金属键 附着力强附着力强 选基片能与薄膜形成化学键选基片能与薄膜形成化学键附着力强附着力强第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 基片的表面状态对附着力影响也很大基片的表面状态对附着力影响也很大基片清洗基片清洗去掉污染层（吸附层使基片表面的化学去掉污染层（吸附层使基片表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）键饱和，从而薄膜的附着力差） 提高附着性能。提高附着性能。提高温度提高温度, ,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散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扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 中间层附着中间层附着须注意：须注意：TT薄膜晶粒大薄膜晶粒大热应力热应力其它性能变其它性能变第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 淀积方式：溅射强于蒸发，电压（溅射）高淀积方式：溅射强于蒸发，电压（溅射）高 附着好附着好 溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化 附着强附着强 电镀膜的附着性能差电镀膜的附着性能差(有一定数量的微孔）有一定数量的微孔）附着性能差附着性能差淀积速率淀积速率 残留氧分子膜中残留氧分子膜中中间层少中间层少 附着力下降附着力下降 薄膜结构疏松薄膜结构疏松 内应力大内应力大淀积气氛对薄膜附着力的影响淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期淀积初期氧和水蒸气分压氧和水蒸气分压氧化膜中间层氧化膜中间层附着附着第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2 附着力的测试方法机械方法数种如下：机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。离心法、超声法、振动法等。2.2.1 条带法条带法三种可能：三种可能： 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来；薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离下来；仅部分剥离下来； 未剥离未剥离说明薄膜附着好说明薄膜附着好定性测量定性测量第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2.2 引拉法（定量测量）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；用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂直拉力；单位面积的附着力单位面积的附着力fb=Fbfb=Fb/A/A2.2.3 划痕法划痕法 用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为0.05nm0.05nm。临界负荷。临界负荷薄膜刻划下来时。薄膜刻划下来时。 作用薄膜附着力的一种量度。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。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薄膜的临界负荷一般为几- -几百克。几百克。单位面积临界剪切力为：单位面积临界剪切力为：222tanaWFPPPr PWra 单位面积的剥离能单位面积的剥离能:21122EFxcx第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2.4 2.2.4 摩擦法摩擦法 用标准的负荷橡皮（含有金刚砂）擦用标准的负荷橡皮（含有金刚砂）擦 用已知高度点矢落下的磨粒（如用已知高度点矢落下的磨粒（如SiCSiC细砂）擦细砂）擦11(/ )( )(),lglglg ,( )( )()( )llv cm hRR tb dvtbvtdlRRt tRvbvlR tR tb dvtR t 设设磨磨失失速速率率恒恒定定，则则薄薄膜膜电电阻阻：当当，则则 为为摩摩擦擦时时间间若若编编够够规规律律，说说明明薄薄膜膜结结构构成成分分和和杂杂质质在在 纵纵深深方方向向上上分分布布不不均均匀匀由由此此可可了了解解，薄薄膜膜纵纵深深分分布布( (分分层层) )性性质质。若若从从一一定定数数值值突突然然变变到到无无限限大大表表示示薄薄膜膜是是物物理理附附着着 （只只有有物物理理附附着着，界界面面成成分分和和性性质质不不连连续续）若若 ( )R t是是渐渐变变，则则薄薄膜膜是是化化学学附附着着（有有中中间间层层过过渡渡）第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.3 2.3 薄膜的内应力薄膜的内应力 内应力定义：薄膜内部单位截面上所承受的力，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。称为内应力。在内部自己产生的应力。 张应力过大张应力过大薄膜开裂、基片翘曲。薄膜开裂、基片翘曲。 压应力过大压应力过大薄膜起皱或脱落。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在张应力作用下，薄膜自身有其收缩的趋势 过大过大薄膜开裂。薄膜开裂。 - - 在压应力作用下，薄膜内部有向表面扩散的趋势在压应力作用下，薄膜内部有向表面扩散的趋势 过大过大脱落。脱落。 薄膜内应力的来源尚未形成定论。薄膜内应力的来源尚未形成定论。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.3.1 内应力的类别与起源内应力的类别与起源 按起源分：热应力按起源分：热应力薄膜和基片的热胀系数不同薄膜和基片的热胀系数不同 而引起的。而引起的。 本征应力本征应力-来自于薄膜的结构因素来自于薄膜的结构因素 和缺陷。和缺陷。按应力性质分：张应力、压应力按应力性质分：张应力、压应力PaPaPaPa 9 9常常78786 6常常8 8难难熔熔金金属属膜膜1010金金属属薄薄膜膜张张应应力力 贵贵金金属属膜膜10101010易易熔熔金金属属膜膜5 105 10介介质质薄薄膜膜压压应应力力1010数数量量级级 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 由于薄膜中的内应力分布是不均匀的，即薄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膜内各个分层的应力大小不同两种内应力两种内应力：0, , ( )FFFFdFSSdddSdSdzdzSz dzS F Fz z平平均均应应力力：薄薄膜膜单单位位宽宽度度的的应应力力，薄薄膜膜厚厚度度微微分分应应力力：在在z z处处，增增加加的的薄薄层层中中单单位位宽宽度度的的内内应应力力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 ()1 FFSdFSdETTETT (1)(1)热热应应力力：由由薄薄膜膜和和基基体体的的热热膨膨胀胀系系数数有有所所差差别别而而引引起起的的， 是是可可逆逆的的。薄薄膜膜热热应应力力的的数数学学表表达达式式： 弹弹性性模模量量， 薄薄膜膜的的热热胀胀系系数数， 基基片片的的热热胀胀系系数数薄薄膜膜淀淀积积温温度度， 测测量量温温度度 按应力起源分类：热应力、本征应力按应力起源分类：热应力、本征应力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 12212 , 1 FFFFFEGxEEyEEE l lt tl lt tt tl l1 12 21 11 12 2证证明明如如下下： 张张应应力力或或压压应应力力应应变变：, , 切切应应力力切切应应变变： 纵纵向向应应变变和和横横向向应应变变的的关关系系为为：，泊泊松松比比方方向向应应变变：方方向向应应变变：若若薄薄膜膜应应力力，则则由由 () () 1FFSdFFSdTTETT 于于薄薄膜膜和和基基片片的的热热胀胀系系数数不不同同，薄薄膜膜的的热热应应变变为为 带带入入上上式式有有：薄薄膜膜热热应应力力：，。证证毕毕第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 616161618 10102010 0304010 102010SFFSFKKKK 可可见见：采采用用选选择择基基片片或或者者改改变变淀淀积积温温度度的的办办法法来来 改改变变薄薄膜膜中中的的热热应应力力的的大大小小和和性性质质。例例如如：玻玻璃璃基基片片 金金属属薄薄膜膜热热应应力力张张应应力力碱碱金金属属卤卤化化物物基基片片金金属属薄薄膜膜 0F 热热应应力力压压应应力力 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 12121212, dFdFdF dFdFdFdF dF 12121212FFFFFFFFFFFF 一一般般材材料料能能承承受受的的压压应应力力远远大大于于张张应应力力。所所以以选选择择基基片片和和淀淀积积薄薄膜膜温温度度，使使薄薄膜膜处处于于压压应应力力状状态态为为好好。 在在基基片片上上淀淀积积有有双双层层薄薄膜膜时时，其其中中的的热热应应力力可可用用加加权权式式求求出出： （+ +）即即+ + 释释放放薄薄膜膜中中内内应应力力的的有有效效方方法法：在在薄薄膜膜与与基基片片之之间间加加上上一一层层很很薄薄的的易易于于塑塑变变的的薄薄膜膜，从从而而使使上上面面的的薄薄膜膜能能可可靠靠的的工工作作。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 界界面面应应力力（2 2）本本征征应应力力生生长长应应力力A A、在在界界面面处处薄薄膜膜与与基基片片的的结结构构失失配配形形成成的的内内应应力力， 在在界界面面处处将将产产生生一一个个有有相相当当厚厚度度的的过过渡渡层层。界界面面应应力力：本本征征应应力力B B、在在界界面面处处有有相相当当高高的的缺缺陷陷密密度度和和杂杂质质密密度度引引 起起严严重重的的克克罗罗克克霍霍姆姆模模型型界界面面失失配配产产生生界界面面应应力力。生生长长应应力力：来来源源于于薄薄膜膜在在生生长长过过程程中中所所形形成成的的各各种种结结构构缺缺陷陷。：假假设设在在薄薄膜膜生生长长过过程程中中，由由于于其其表表面面迅迅速速前前进进，许许多多 0 dddSSdzdz 薄薄膜膜本本征征张张应应 无无序序结结构构层层被被埋埋在在下下面面，被被埋埋个个无无序序层层的的逐逐渐渐退退火火和和 收收缩缩，引引起起生生长长应应力力- -。（z z）常常数数（z z），即即薄薄膜膜单单位位宽宽度度上上的的应应力力S S与与薄薄膜膜厚厚度度力力d d成成正正比比。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 00 exp() SSQvRTQRvHzTRR 0 014140 0 薄薄膜膜表表面面从从无无序序态态到到有有序序态态的的转转化化速速率率为为：= =阿阿伦伦尼尼乌乌斯斯关关系系式式，式式中中活活化化能能，气气体体常常数数，原原子子的的振振动动频频率率，约约为为1010，基基片片温温度度 设设为为薄薄膜膜的的生生长长速速率率，即即每每秒秒个个单单原原子子层层， 生生长长应应力力的的定定量量分分析析薄薄膜膜的的有有序序化化机机理理第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 000 RRR A A、当当表表示示在在表表面面暴暴露露的的时时间间内内，有有序序化化的的原原子子少少， 很很多多缺缺陷陷被被埋埋在在表表层层以以下下，因因而而薄薄膜膜的的生生长长应应力力很很大大。B B、当当表表示示在在表表面面暴暴露露的的时时间间内内，有有序序化化的的原原子子多多， 因因而而只只有有少少数数的的缺缺陷陷被被埋埋在在下下面面，所所以以薄薄膜膜的的生生长长应应 力力很很小小。C C、当当薄薄膜膜的的生生长长应应力力发发生生明明显显变变化化，这这时时对对应应 的的温温度度是是有有序序化化温温度度。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 01401 1exp()lnln1032.21 32.232.2 8.31459.54.5 14201 1420315.54.5SSSmmmRQQRvvRTRTQRTTTTCCCQ 0000克克罗罗克克霍霍姆姆令令，得得到到有有序序化化温温度度是是薄薄膜膜材材料料熔熔点点的的1/4.51/4.5（实实验验结结果果） 由由此此可可求求出出原原子子的的有有序序化化活活化化能能。有有序序化化活活化化能能因因此此，对对于于硅硅薄薄膜膜来来说说有有序序化化温温度度= =， 有有序序化化活活化化能能59.584490 /mTJ mol K 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 810addbPa 薄薄膜膜本本征征应应力力与与膜膜厚厚的的关关系系如如图图, ,在在薄薄膜膜生生长长过过程程中中, ,电电镜镜观观察察的的结结果果。 、 大大时时， 与与 关关系系小小；、 数数量量级级，且且大大多多数数膜膜室室温温下下本本征征应应力力结结论论: : 属属张张应应力力；c c、本本征征应应力力不不太太依依从从于于基基片片材材料料。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 222222/N mN mN mN mN mN m 8 88 82 28 88 82 28 82 28 8 在在玻玻璃璃上上沉沉积积AgAg膜膜层层张张应应力力、本本征征应应力力0.75 100.75 10在在玻玻璃璃上上沉沉积积MgFMgF 膜膜层层张张应应力力、本本征征应应力力2.0 102.0 10在在玻玻璃璃上上沉沉积积ZnSZnS膜膜层层压压应应力力、本本征征应应力力1.0 101.0 10在在玻玻璃璃上上沉沉积积SnOSnO 膜膜层层张张应应力力、本本征征应应力力0.008 100.008 10在在玻玻璃璃上上沉沉积积TiOTiO 膜膜层层压压应应力力、本本征征应应力力0.5 100.5 10在在蓝蓝宝宝石石上上沉沉积积硅硅SiSi膜膜层层压压应应力力、本本征征应应力力5.0 105.0 10第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 使使薄薄膜膜处处于于压压应应力力状状态态选选基基片片材材料料；1 1、基基片片情情况况 基基片片表表面面晶晶格格结结构构须须与与薄薄膜膜相相匹匹配配；基基片片温温度度（淀淀积积时时）对对内内应应力力影影响响大大。2 2、淀淀积积基基片片温温度度吸吸附附原原子子在在基基片片表表面面的的迁迁移移能能力力 决决定定薄薄膜膜的的结结构构、成成份份、晶晶粒粒尺尺 寸寸、晶晶面面取取向向以以及及各各种种缺缺陷陷的的 工工艺艺对对内内应应力力的的影影响响基基片片情情况况，淀淀积积过过程程， 薄薄膜膜本本身身。 数数量量和和分分布布。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 3 3、淀淀积积过过程程对对薄薄膜膜内内应应力力的的影影响响 影影响响因因素素：淀淀积积方方式式、热热源源温温度度、淀淀积积速速率率、 入入射射角角度度和和环环境境气气氛氛。溅溅射射镀镀膜膜溅溅射射气气体体进进入入膜膜内内（1 1）淀淀积积方方式式 本本征征应应力力增增大大 蒸蒸发发镀镀膜膜慢慢蒸蒸本本征征应应力力小小淀淀积积速速率率晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸内内应应力力大大（2 2）例例外外：有有例例外外具具体体情情况况具具体体分分析析第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 （3 3）环环境境气气氛氛可可直直接接进进入入结结构构不不够够紧紧密密的的薄薄膜膜中中， 从从而而产产生生压压应应力力。 若若薄薄膜膜中中的的残残余余气气体体再再跑跑出出来来，在在薄薄膜膜中中留留 下下空空位位和和空空位位团团，从从而而出出现现张张应应力力。高高氧氧气气压压下下靶靶表表面面氧氧化化 溅溅射射氧氧化化膜膜张张应应力力 钽钽膜膜：低低氧氧气气压压下下在在基基片片上上发发生生氧氧化化 压压应应力力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 1091084 1015000.01104 1015005 10mmmGGTGTCGGTC 评价：2个字作孽. 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 10：最风光却内心最煎熬的人当然是老板 有一帮子难对付的员工，有变化莫测的外部市场，还有剪不断理还乱的内部协调和管理，或许还有个别养在外面的金丝雀。