薄膜物理與技術(shù)：CH4-1 薄膜的力學性質(zhì)

1、CH4-1 薄膜的力學性質(zhì)Mechanical properties of thin films薄膜的力學性質(zhì)中包括：附著性質(zhì)、應(yīng)力性質(zhì)、張力性質(zhì)、彈性性質(zhì)機械強度等。在本節(jié)中我們主要介紹附著性質(zhì)、應(yīng)力性質(zhì)和機械強度。outline主要內(nèi)容4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)4.1.3 薄膜的機械強度4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)附著問題是制備薄膜時遇到的第一個問題。因為制備薄膜時首先考慮它是否能牢固地附著在基體上。從宏觀角度看，附著就是薄膜和基體表面相互作用將薄膜粘附在基體上的一種現(xiàn)象。附著是與薄膜在基體上存在的耐久性及耐磨性有直接關(guān)系的重要概念?；靖拍罾碚撋闲鑼Y(jié)合界的了解。

2、使用上決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。 現(xiàn)無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準確測量技術(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)。薄膜在基體上附著的牢固性因薄膜材料和基體材料的不同而不同。在室溫的微晶玻璃基體上用真空蒸發(fā)法沉積Au膜時，它的附著性較差，用手輕輕地一摸，Au膜就會脫落。改善：對基體加熱，不同溫度進行實驗,Au膜的附著性能并無顯著改進。在沉積Au膜之前，在一定溫度的基體上沉積Cr膜，然后在Cr膜上面再沉積Au膜，Au膜的附著性就有很大提高。實驗表明，易氧化的金屬膜附著性比難氧化的金屬膜要好得多。5舉 例4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)4.1.1 薄膜的附著性質(zhì) 簡單

3、附著分明的分界面 擴散附著 通過中間層附著 通過宏觀效應(yīng)附著電子顯微分析表明一、薄膜的附著類型(a)簡單附著 (b)擴散附著(c)通過中間層附著 (d)通過宏觀效應(yīng)附著4.1.1 薄膜的附著性質(zhì) 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-Efs Ef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 兩個完全不相似或不相容的表面接觸 Efs Wfs 簡單物理附著薄膜與基片間的結(jié)合力范德華力4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)擴散附著由兩個固體間相互擴散或溶解而導致 在薄膜和基片間形成一個漸變

4、界面。 實現(xiàn)擴散方法：基片加熱法、離子注入法、 離子轟擊法、電場吸引法。 基片加熱法：加溫曲線（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 它進行轟擊 實現(xiàn)擴散 再鍍膜 電場吸引法：在基片背面鍍上導體 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 擴散。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。由于薄膜和基體之間有這樣一個中間層，所以兩者之間形

5、成的附著就沒有單純的界面。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)通過宏觀效應(yīng) 包括有機械鎖合和雙電層吸引兩種。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)機械鎖合是一種宏觀的機械作用。當基體表面比較粗糙，有各種微孔或微裂縫時，在薄膜形成過程中，入射到基體表面上的氣相原子便進入到粗糙表面的各種缺陷、微孔或裂縫中形成這種宏觀機械鎖合。如果基體表面上各種微缺陷分布均勻適當，通過機械鎖和作用可提高薄膜的附著性能。雙電層吸引-是由薄膜與基體間界面處形成雙電層而產(chǎn)生吸引。因薄膜和基體兩種材料的功函數(shù)不同，兩者間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移在界面兩邊積累起電荷。這種吸引在能量上類似于范德華吸引。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)二、薄膜的附著機理 從微觀方面研

6、究認為附著的機理是吸附。根據(jù)吸附能大小的不同，可分為物理吸附和化學吸附。 (a)物理吸附包括范德華力吸附和靜電力吸附。范德華力（范德華力是由兩種物質(zhì)互相極化產(chǎn)生的） 色散力原子繞核運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 誘導力永久偶極矩的誘導作用產(chǎn)生的力 與靜電力相比范德華力是短程力； 與化學鍵力相比，范德華力是長程力。（鍵能0.04-0.4eV）134.1.1 薄膜的附著性質(zhì)二、薄膜的附著機理 從微觀方面研究認為附著的機理是吸附。根據(jù)吸附能大小的不同，可分為物理吸附和化學吸附。 (a)物理吸附包括范德華力吸附和靜電力吸附。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

7、轉(zhuǎn)移界面兩邊積累正負 電荷 靜電吸引雙電層吸引力靜電力的吸引能量與范德華力基本相近；對附著力的貢獻卻較大。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)二、薄膜的附著機理 從微觀方面研究認為附著的機理是吸附。根據(jù)吸附能大小的不同，可分為物理吸附和化學吸附。 (b)化學吸附化學鍵（鍵能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。氫鍵（鍵能0.1eV）離子性的靜電吸引不普遍，僅在電負性很強的原子之間。三、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?；牧系男再|(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鍵附著力強。

8、 鉑、鎳、鈦等金屬基片上淀積金膜金屬鍵附著力強 選基片能與薄膜形成化學鍵附著力強4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)16對于Ag、Al、Au、Cd、Cr、Cu、Mo、W和Zn等薄膜與NaCI、 KCl 、 KBr、TiO2、MgF2、Bi2O3. Al2O3、SnO2、 A1和Cu等基體進行適當?shù)慕M合時，在附著力中起主要作用的是范德華力。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)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鍵飽和，從而薄膜的附著力差） 提高附著性能。提高溫度,有利于薄膜和基片之間原子的相互擴散 擴散附著有利于加速化學反應(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

9、能變4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)淀積方式：濺射強于蒸發(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 電鍍膜的附著性能差(有一定數(shù)量的微孔）附著性能差淀積速率 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4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)19一般認為附著力只與薄膜和基體間界面狀態(tài)有關(guān)，與薄膜厚度無關(guān)。但實驗表明，在很多情況下附著力與膜厚有關(guān)。這種相關(guān)性與基體溫度變化和經(jīng)時變化有關(guān)系。附著力與膜厚的關(guān)系從圖中看到，大部分薄膜隨著厚度的增加附著力緩慢增加。但對于在玻璃基體上沉積的Cu膜，存放270天，

10、在厚度較小的區(qū)域其附著力有減小的傾向。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)四、幾種常用附著力的測試方法條帶法（三種可能）： 薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來； 僅部分剝離下來； 未剝離說明薄膜附著好定性測量引拉法（定量測量） 用拉力機或離心、超聲振動儀給樣品加上垂直拉力； 單位面積的附著力fb=Fb/A劃痕法 用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為0.05nm。 用光學顯微鏡觀察和分析劃痕，作為薄膜附著力的一種量度。4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)主要內(nèi)容4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)4.1.3 薄膜的機械強度4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì) 應(yīng)力定義： 在材料內(nèi)部單位面積上的作用力稱為應(yīng)力

11、，一般用表示。 如果此應(yīng)力是外力作用引起的外應(yīng)力； 如果它是薄膜本身原因引起的內(nèi)應(yīng)力。單位：牛頓/米2薄膜多少都有內(nèi)應(yīng)力，最大能達到109牛頓/米2。它的大小與薄膜和基體材料以及制備條件有關(guān)。實際測量的是與基體表面垂直斷面上的內(nèi)應(yīng)力的平均值。薄膜厚度d與內(nèi)應(yīng)力的乘積稱為全應(yīng)力。熱應(yīng)力：由于薄膜和基體的熱膨脹系數(shù)不同，在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。全應(yīng)力除去熱應(yīng)力后就稱為本征應(yīng)力，它是薄膜物理學考察的主要物理參數(shù)。4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)張應(yīng)力和壓應(yīng)力： 如果通過與基體表面垂直的斷面給對面施加的力使它處于拉伸方向狀態(tài)則稱為拉伸狀態(tài)。這時的內(nèi)應(yīng)力稱為張應(yīng)力，在數(shù)學上用正號表示

12、。與上述情況相反，則稱為壓縮狀態(tài)和壓應(yīng)力，并用負號表示。004.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)三、薄膜工藝對內(nèi)應(yīng)力的影響4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)四、薄膜殘余應(yīng)力的測試1、懸臂梁法測量時常用基片云母片、玻璃片 尺寸：152 0.0565 10 0.15mm3測量方法：目鏡直視法、各種光學法、電感法、電容法、 機電法等，其中電容法的靈敏度最高。薄膜內(nèi)應(yīng)力：上式是在薄膜和基體泊松比相等的條件下導出的4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)四、薄膜殘余應(yīng)力的測試2、彎盤法采用圓形基片，分別測量出在淀積薄膜前后的基片的曲率半徑R1和R2，則薄膜單位寬度的應(yīng)力為：基片：玻璃、石英、單晶硅 尺寸：0.

13、1318-0.2230，光學拋光測量方法：牛頓環(huán)法(常用)、x射線衍射法、光纖法等。4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)四、薄膜殘余應(yīng)力的測試3. X射線衍射法4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)四、薄膜殘余應(yīng)力的測試用X射線衍射技術(shù)來測定材料中的殘余應(yīng)力（或外載應(yīng)力）優(yōu)點：物理法，非破壞性，不改變原始的應(yīng)力狀態(tài)。理論嚴謹,方法成熟。所測應(yīng)力為彈性應(yīng)力。 可測局部區(qū)域的應(yīng)力及表面的應(yīng)力分布。 測量迅速，可測應(yīng)力沿深度的變化缺點：測定的是表面應(yīng)力。對材料的表層狀態(tài)比較敏感。X射線應(yīng)力測定的基本原理由俄國學者 于1929年提出，它的基本思路是：一定應(yīng)力狀態(tài)引起材料的晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的。晶格應(yīng)變可以通過X射線衍

14、射技術(shù)測出；宏觀應(yīng)變可根據(jù)彈性力學求得。從X射線法測得的晶格應(yīng)變可推知宏觀應(yīng)力。 X射線衍射法測定材料中的殘余應(yīng)力的原理是因為物體內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，使得晶體的晶格常數(shù)發(fā)生彈性變形，即晶面間距發(fā)生了變化。通過晶體的Bragg衍射反映在相應(yīng)于某一晶面族的衍射峰發(fā)生了位移。對于多晶材料，不同晶粒的同族晶面間距隨這些晶面相對于應(yīng)力方向的改變發(fā)生規(guī)則的變化。當應(yīng)力方向平行于晶面時，晶面間距最??；當應(yīng)力方向與晶面垂直時，晶面間距最大。因此，只要測出不同方向上同族晶面的間距，根據(jù)彈性力學原理就可計算出殘余應(yīng)力的大小。 3. X射線衍射法4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)四、薄膜殘余應(yīng)力的測試測定原理：用X射線測定

15、應(yīng)力，被測材料必須是晶體,晶格可視為天然的光柵,X射線照到晶體上可產(chǎn)生衍射現(xiàn)象.晶面間距d和入射X射線波長:滿足關(guān)系式:X射線在晶體上衍射時衍射角:布拉格定律 布拉格角 殘余應(yīng)力的X射線測定法4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)入射線、衍射線、晶面法線和材料表面法線間的角度關(guān)系 入射線、衍射線、表面法線和晶面法線間的角度關(guān)系（a）無應(yīng)力 （b）有應(yīng)力。：入射線與材料表面法線之間的夾角。 ：衍射晶面方位角。2：衍射線與入射線之間的夾角。 2=180-2 4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)衍射幾何示意圖-掃描測角儀-掃描示意動畫2=1202=1252=1302=1352=1402=1452=1502=1552=16

16、02=1652=170 為了測量不同方向的晶格應(yīng)變，必須對試樣預(yù)先設(shè)置不同的角。在X射線衍射儀上一般是通過轉(zhuǎn)動試樣來設(shè)置角；在X射線應(yīng)力儀上通常是改變X射線的入射角來設(shè)置角。 不論用哪種儀器測定應(yīng)力，由X射線管及計數(shù)管構(gòu)成的掃描平面和試樣表面法線及衍射晶面法線構(gòu)成的平面之間的關(guān)系上存在兩種常見的不同布置?，F(xiàn)以衍射儀為例說明如下：入射線常規(guī)法和側(cè)傾法的角設(shè)置方式的比較4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)常規(guī)法（又稱同傾法，下左圖）：試樣的轉(zhuǎn)軸與衍射儀的/2軸重合，角在計數(shù)管掃描平面內(nèi)變化，上述兩個平面重合，測定的是試樣橫向（X2軸方向）的表面應(yīng)力。這種角設(shè)置方式在國內(nèi)稱為常規(guī)法，在歐洲叫做-測角儀。入射線

17、常規(guī)法和側(cè)傾法的角設(shè)置方式的比較4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)側(cè)傾法（下右圖）：若試樣的轉(zhuǎn)軸與衍射儀的/2軸垂直，即上述兩個平面相互垂直，試樣表面法線Ns與計數(shù)管掃描平面之間的夾角為，測定的是試樣軸向（X1軸方向）的表面應(yīng)力。這種角設(shè)置方式在國內(nèi)稱為側(cè)傾法，在歐洲叫做-測角儀。該法由聯(lián)邦德國學者Wolfstieg博士于1959年提出。入射線常規(guī)法和側(cè)傾法的角設(shè)置方式的比較4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)側(cè)傾法的優(yōu)點：）相對吸收因子和角及角無關(guān)，不用對測得的衍射峰進行吸收校正。）可擴大角的設(shè)置范圍。）可選用低角衍射線進行應(yīng)力測定。）有時可通過正、負角的測量來消除導致J,- sin2 之間非線性分布的某些因

18、素的影響。）適合于某些形狀復雜工件的應(yīng)力測定 入射線常規(guī)法和側(cè)傾法的角設(shè)置方式的比較4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)運動示意動畫運動示意動畫=0=30=60=45=60 X射線衍射法測量殘余應(yīng)力中最常用的方法是 法，其基本原理簡述如下。 下圖為測試的試樣表面，圖中 、 和 為主應(yīng)力方向。由于X射線對物體的穿入能力有限，因而X射線測量的是物體表層應(yīng)力(記為 )。因為物體表層不受外力時即處于平面應(yīng)力狀態(tài)，所以 。設(shè)任意方向應(yīng)變?yōu)?(以 與試樣表面法向方向的夾角表示的方位)，按彈性力學原理，有此式中的 方向是 在物體表面上的投影方向。 4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)側(cè)傾法薄膜應(yīng)力測量示意圖4.1.2 薄膜的應(yīng)

19、力性質(zhì) 可由以其方向為法向的 面的面間距的變化表征，即有式中 為有應(yīng)力時以 方向為法線方向 的晶面間距； 為無應(yīng)力時 晶面間距。 式中 為應(yīng)力常數(shù)， 是 曲線 的斜率。因此只需測定 曲線的斜率就可得到 值。 為任意角的測定為畫曲線 、取 分別為 四點測量 測4點或4點以上的方法，叫 法4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)海南新大洲 X射線應(yīng)力實驗室湖南省電力試驗研究所武鋼鍋爐壓力容器檢驗站武鋼軋輥公司主要內(nèi)容4.1.1 薄膜的附著性質(zhì)4.1.2 薄膜的應(yīng)力性質(zhì)4.1.3 薄膜的硬度薄膜的斷裂機理： 薄膜內(nèi)部區(qū)域發(fā)生塑性變形，導致在該處變薄，該區(qū)域中內(nèi)應(yīng)力增大，出現(xiàn)小的裂紋，最后發(fā)生斷裂。薄膜特點：缺陷較

20、多，表面積很大，本身有內(nèi)應(yīng)力。塊材：先線性彈性階段非線性彈性階段 塑性變形薄膜：有可能發(fā)生蠕變，因為薄膜內(nèi)的缺陷較多，受 到內(nèi)部彈性能的活化而發(fā)生了一些變化。 與塊材不同應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系薄膜的機械強度分為：抗張強度、耐壓強度（用硬度表示） 目前針對薄膜的硬度廣泛采用的方法是納米壓痕法。發(fā)展納米壓痕技術(shù)的原動力在于：當壓痕的形貌尺寸減至百納米級，利用掃描電鏡找到并測量壓痕費時費力，且測量誤差較大，直接利用測量得到的連續(xù)載荷-位移數(shù)據(jù)得出壓痕面積而不是利用掃描電鏡測量壓痕邊長時其在測量方法上區(qū)別于常規(guī)顯微硬度儀的特征。該方法可以提高壓痕面積的測量精度、降低測量人員的勞動強度并減少測量中的人為因素。

21、4.1.3 薄膜的硬度硬度的定義與測量方法硬度通常被定義為壓入載荷與壓痕投影面積的比值宏觀硬度(macrohardness)微觀硬度(microhardness)納米硬度(nanohardness)測量方法壓入法布氏、洛氏、維氏、顯微硬度等刻劃法4.1.3 薄膜的硬度其中，P為載荷，S為壓痕的投影面積而不是三棱錐硬度中的表面積。納米壓痕(nano indentation)原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，探針輕微地接觸樣品表面時，探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉(zhuǎn)換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。納米硬度計：最小壓入載荷為1uN