第九講_薄膜材料的組織結(jié)構(gòu)(2)ppt課件

1、薄膜中的應(yīng)力首先，薄膜與基底常屬于不同的資料；其次，薄膜的堆積過(guò)程往往又要在較高的溫度、非平衡的條件下進(jìn)展。因此，薄膜資料的一個(gè)特殊問(wèn)題是薄膜中普遍存在的應(yīng)力薄膜應(yīng)力的分布普通來(lái)說(shuō)是不均勻的。但由于薄膜應(yīng)力問(wèn)題的復(fù)雜性，薄膜應(yīng)力多是指薄膜在斷面上的應(yīng)力的平均值薄膜中總存在應(yīng)力。它被稱為內(nèi)應(yīng)力或剩余應(yīng)力，其數(shù)值隨資料、制備技術(shù)的不同而不同，甚至可達(dá)100-10000kg/mm2 (0.1-10GPa)數(shù)量級(jí)應(yīng)力呵斥薄膜破壞的情況(a) 拉應(yīng)力 (b) 壓應(yīng)力Image of a telephone cord buckle on a film. After cutting the film, th

2、e buckle geometry and the discontinuity reveal film stress relaxation. 應(yīng)力呵斥薄膜破壞的一個(gè)實(shí)例薄膜中存在應(yīng)力的一個(gè)最直接的結(jié)果是其在薄膜中要引起相應(yīng)的應(yīng)變，因此可以用多種方法對(duì)其進(jìn)展丈量例如用X-射線衍射的方法最直觀的薄膜應(yīng)力丈量方法是由丈量薄膜的曲率變化計(jì)算薄膜中應(yīng)力的方法，即運(yùn)用定量描畫薄膜應(yīng)力-形變關(guān)系的斯通利Stoney方程1909薄膜中應(yīng)力的丈量Stony 方程的三點(diǎn)根本假設(shè)：Stony 方程的推導(dǎo)方法：描畫薄膜中應(yīng)力的Stony方程薄膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于襯底的厚度，dfds。因此，與厚度很小的薄膜相比，襯底的應(yīng)變

3、很小薄膜中的應(yīng)力是均勻分布的襯底內(nèi)的應(yīng)力為線性分布的運(yùn)用由薄膜、襯底二者組成的資料體系滿足合力 F 、合力矩 M 各自為零的平衡條件Stony 薄膜應(yīng)力模型 模型的三點(diǎn)根本假設(shè):薄膜的厚度遠(yuǎn)小于襯底的厚度薄膜中的應(yīng)力均勻分布襯底內(nèi)的應(yīng)力呈線性分布薄膜厚度很小， 那么襯底應(yīng)變很小薄膜內(nèi)應(yīng)力均勻分布襯底內(nèi)應(yīng)力線性分布 體系表現(xiàn)出 的曲率半徑式中的負(fù)號(hào)闡明，在系統(tǒng)的曲率半徑 r 為正即薄膜上外表向上凸出時(shí)，薄膜中的應(yīng)力為壓應(yīng)力；否那么，應(yīng)力為拉應(yīng)力描畫薄膜中應(yīng)力的 Stony 方程由模型推導(dǎo)出求薄膜應(yīng)力的 Stony 方程：由丈量得到薄膜彎曲的曲率半徑，即可根據(jù)資料特性和薄膜厚度，計(jì)算得出薄膜中的應(yīng)

4、力f 薄膜s 襯底E 彈性模量d 厚度 泊松比r 曲率半徑薄膜應(yīng)力的激光動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法 薄膜的曲率可用光學(xué)的方法很方便地予以監(jiān)測(cè)；用監(jiān)測(cè)堆積過(guò)程中薄膜對(duì)激光束的反射角變化的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜應(yīng)力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的緣由很復(fù)雜，但通?？杀灰暈樗且韵聝深悜?yīng)力之和：這兩類應(yīng)力是薄膜應(yīng)力的構(gòu)成熱應(yīng)力 th：由于薄膜與襯底資料熱膨脹系數(shù)的差別和溫度的變化共同引起的應(yīng)力生長(zhǎng)應(yīng)力 in：由于薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的不平衡性或薄膜所特有的微觀構(gòu)造所導(dǎo)致的應(yīng)力，又被稱為內(nèi)秉應(yīng)力或本征應(yīng)力薄膜與襯底普通屬于不同的資料，它們的線膨脹系數(shù)普通總存在差別薄膜的堆積過(guò)程普通又是在比較高的溫度下進(jìn)展的。因此，假設(shè)在薄膜堆積后有溫

5、度的變化，那么薄膜與襯底兩者將有不同的熱漲冷縮傾向由于薄膜與襯底在界面處相互制約，因此薄膜與襯底中將各自產(chǎn)生應(yīng)變，并誘發(fā)應(yīng)力這部分由薄膜與襯底資料線膨脹系數(shù)不同和溫度變化共同引起的薄膜應(yīng)力被稱為熱應(yīng)力薄膜中的熱應(yīng)力由上述的定義，即可求出薄膜中構(gòu)成的熱應(yīng)力假設(shè)襯底的厚度遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，那么襯底應(yīng)變可被忽略。此時(shí)，熱應(yīng)力呵斥的應(yīng)變?yōu)楸∧ぶ袩釕?yīng)力的計(jì)算由此，熱應(yīng)力的計(jì)算公式為f 薄膜s 襯底 線膨脹系數(shù)T 溫度 泊松比E 彈性模量溫度變化、薄膜-襯底熱膨脹系數(shù)的差別是薄膜熱應(yīng)力產(chǎn)生的緣由。因此，只需薄膜與襯底的資料不同，且在薄膜制備以后存在溫度的變化，熱應(yīng)力就是不可防止的。并且，薄膜-襯底系統(tǒng)的任

6、何溫度變化都會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力薄膜與襯底資料性質(zhì)的差別越大，堆積溫度與運(yùn)用溫度差別越大，那么熱應(yīng)力也越大，并能夠因此導(dǎo)致薄膜的破壞例如，在 1000C 對(duì)鋼外表進(jìn)展 TiC 涂層后，涂層內(nèi)會(huì)在降溫過(guò)程中產(chǎn)生壓應(yīng)力，其數(shù)值約為 =160kg/mm2薄膜中的熱應(yīng)力薄膜中的生長(zhǎng)應(yīng)力其來(lái)源薄膜的生長(zhǎng)應(yīng)力：由于薄膜生長(zhǎng)過(guò)程、其微觀構(gòu)造的非平衡性所導(dǎo)致出現(xiàn)的薄膜應(yīng)力薄膜資料的堆積過(guò)程涉及到各種非平衡的過(guò)程： 它們都呵斥薄膜資料的組織形狀偏離平衡態(tài)，并因此在薄膜中留下應(yīng)力。由此也可以了解，薄膜應(yīng)力的分布也應(yīng)是不均勻的較低的薄膜堆積溫度高能粒子的轟擊氣體和雜質(zhì)原子的混入大量缺陷和孔洞的存在亞穩(wěn)相、甚至非晶態(tài)相的構(gòu)成

7、薄膜組織的不斷演化等在實(shí)驗(yàn)中，尚不能丈量薄膜中的生長(zhǎng)應(yīng)力，即不能依托實(shí)驗(yàn)將薄膜的生長(zhǎng)應(yīng)力直接丈量出來(lái)通常，薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力需采用如下的方法確定：薄膜中的生長(zhǎng)應(yīng)力其計(jì)算根據(jù)薄膜和襯底的熱膨脹系數(shù)、薄膜的堆積溫度和最終溫度計(jì)算求出熱應(yīng)力再根據(jù)公式 從實(shí)驗(yàn)測(cè)出的總應(yīng)力中減去熱應(yīng)力的部分，即得出薄膜的生長(zhǎng)應(yīng)力薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力的來(lái)源生長(zhǎng)應(yīng)力的產(chǎn)生與薄膜的堆積過(guò)程有關(guān)，其機(jī)制非常復(fù)雜。按其作用機(jī)理，薄膜生長(zhǎng)應(yīng)力的影響要素常被歸納為以下三個(gè)類別：化學(xué)成分方面的緣由微觀構(gòu)造方面的緣由粒子轟擊過(guò)程方面的影響薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力的來(lái)源 化學(xué)成分方面的緣由薄膜的堆積過(guò)程往往是非平衡的。在薄膜堆積的同時(shí)或以后，薄膜內(nèi)部還能夠發(fā)

8、生某種化學(xué)反響的過(guò)程，并在薄膜中誘發(fā)應(yīng)力，如有雜質(zhì)原子溶入薄膜的情況。如混雜在薄膜晶格內(nèi)的惰性氣體雜質(zhì)、溶解在活潑金屬中的氧原子等，都會(huì)使薄膜內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)力有原子、原子團(tuán)分散、分開薄膜的情況。如 PECVD 方法堆積的 Si3N4 薄膜中，會(huì)由于堆積產(chǎn)物中釋放出 NH3 氣分子，薄膜內(nèi)部原子密度變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力薄膜的堆積過(guò)程往往是非平衡的。所構(gòu)成的不同的微觀構(gòu)造又會(huì)導(dǎo)致薄膜中產(chǎn)生不同的應(yīng)力并且，存在著多種描畫薄膜生長(zhǎng)應(yīng)力的微觀構(gòu)造模型薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力的來(lái)源 微觀構(gòu)造方面的緣由薄膜構(gòu)造的回復(fù)模型：堆積時(shí)，原子在外表分散的時(shí)間不夠長(zhǎng)，缺乏以使其在能量最低的位置上安排下來(lái)，即堆積構(gòu)成的是有序程

9、度較低的亞穩(wěn)構(gòu)造，其內(nèi)部還能夠發(fā)生原子分散的過(guò)程。堆積后，亞穩(wěn)態(tài)的構(gòu)造將發(fā)生相變、有序化、回復(fù)等微觀過(guò)程?？籽ā⒖斩慈毕莸南?、原子陳列的有序化等會(huì)導(dǎo)致薄膜體積的收縮、構(gòu)造的致密化，使薄膜中產(chǎn)生拉應(yīng)力島狀晶核合并的模型：薄膜堆積初期，孤立的島狀中心間并不產(chǎn)生較大的作用力；隨著島狀晶核逐漸長(zhǎng)大和接近，其間相互吸引，薄膜內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，并在島狀構(gòu)造演化為延續(xù)薄膜時(shí)拉應(yīng)力到達(dá)最大值；在延續(xù)薄膜構(gòu)成后，薄膜中的拉應(yīng)力將有所降低。即形狀 1 型的薄膜不會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，由于纖維間存在的大量空洞使應(yīng)力發(fā)生松弛；形狀 T 和形狀 2 型組織的致密性高于形狀 1 型的組織，晶粒兩側(cè)原子相互吸引，使薄膜中產(chǎn)生一

10、定的拉應(yīng)力；形狀 3 型的組織發(fā)生了再結(jié)晶，薄膜中的拉應(yīng)力程度下降。 薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力的來(lái)源 微觀構(gòu)造方面的緣由粒子對(duì)薄膜的轟擊將經(jīng)過(guò)改動(dòng)薄膜的組織而影響薄膜中的應(yīng)力在襯底溫度較低、堆積粒子能量很低的情況下，薄膜組織中往往含有相當(dāng)數(shù)量的孔洞，這導(dǎo)致薄膜中產(chǎn)生一定程度的拉應(yīng)力粒子的轟擊會(huì)導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生壓應(yīng)力。其緣由與薄膜遭到高能量粒子轟擊時(shí)，動(dòng)量傳送過(guò)程使薄膜內(nèi)產(chǎn)生注入缺陷、間隙原子、氣體雜質(zhì)、孔洞減少、孔洞附近的原子相互接近、薄膜內(nèi)原子間距減小、組織致密化效應(yīng)有關(guān)薄膜中生長(zhǎng)應(yīng)力的來(lái)源 粒子轟擊過(guò)程的影響薄膜組織、氣壓、溫度、偏壓對(duì)薄膜應(yīng)力的影響 一切非平衡的薄膜堆積要素都影響薄膜的生長(zhǎng)應(yīng)力不同薄膜

11、組織中，形狀 1 時(shí)拉應(yīng)力較小，但形狀 2 時(shí)拉應(yīng)力添加堆積溫度低時(shí)，外表原子分散缺乏，薄膜的組織致密性較低，薄膜中的拉應(yīng)力不易得到松弛隨著濺射氣壓的降低，入射粒子的能量添加，薄膜組織由形狀 1型、2 型向 T 型轉(zhuǎn)變，孔洞減少，因此拉應(yīng)力上升；氣壓再降低，轟擊粒子的能量添加，使拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力在薄膜上施加負(fù)偏壓將使轟擊外表的粒子能量更高，薄膜中壓應(yīng)力的效應(yīng)更為顯著薄膜組織、壓力、溫度、偏壓對(duì)薄膜應(yīng)力的影響 薄膜的附著力 劃痕之下, 薄膜零落, 闡明薄膜附著力是與薄膜應(yīng)力并重的、最重要的薄膜性能之一薄膜的附著力薄膜附著力：它指的是薄膜與襯底在化學(xué)鍵合力或物理咬合、吸附力作用之下的結(jié)合強(qiáng)度將薄膜

12、從其襯底上脫離所需的外力或能量的大小就代表了薄膜與襯底之間附著力的高低薄膜附著力既重要，其規(guī)律又較為復(fù)雜它既取決于薄膜、襯底資料體系的界面能量還取決于薄膜的堆積方法、界面形狀；后者經(jīng)過(guò)元素的反響、分散，薄膜應(yīng)力、界面雜質(zhì)的存在、界面存在的缺陷等影響薄膜的附著力薄膜附著力的數(shù)量級(jí)為了闡明薄膜附著力問(wèn)題的復(fù)雜性，可估計(jì)一下薄膜附著力的數(shù)量級(jí)從能量的角度，將薄膜從襯底上剝離下來(lái)所作的功即是薄膜的附著力，它應(yīng)等于薄膜與襯底間的界面能減去新生成的外表能,即假設(shè)薄膜界面處每對(duì)原子間的作用能取估計(jì)值0.1-1eV，這將相當(dāng)于薄膜界面的附著力可到達(dá)500-5000kg/mm2的程度。實(shí)踐上，薄膜與襯底間附著力

13、的典型數(shù)值最多只需此數(shù)值的1/10-1/100f 薄膜s 襯底薄膜的界面為此，需求詳細(xì)地了解薄膜與襯底間的界面籠統(tǒng)地講，薄膜與襯底之間存在的界面可以指薄膜與襯底之間的理想分界面，也可以指薄膜與襯底之間客觀存在著的一個(gè)物質(zhì)薄層薄膜與襯底間的界面可分為以下四種類型:突變型的界面構(gòu)成化合物的界面合金型的分散界面 機(jī)械咬合的界面四類薄膜界面形狀的表示圖突變型的界面構(gòu)成化合物的界面合金型的分散界面 機(jī)械咬合的界面薄膜界面的不同類型突變型的界面 界面兩側(cè)原子短少相互間的分散。此時(shí)，假設(shè)物質(zhì)的類型在界面處也發(fā)生突變，那么界面短少化學(xué)鍵合，且構(gòu)成應(yīng)力集中，附著力較差構(gòu)成化合物的界面 界面兩側(cè)原子間作用力較強(qiáng)并

14、構(gòu)成化合物。由于化合物的脆性普通較大，且化合物構(gòu)成時(shí)伴隨有較大的體積變化，因此界面上存在著應(yīng)力集中。當(dāng)化合物層較薄時(shí)，界面的附著力有所提高；當(dāng)化合物層較厚時(shí)，界面附著力反而下降薄膜的界面的不同類型合金型的分散界面 界面兩側(cè)元素間相互分散、構(gòu)成合金層，界面成分呈現(xiàn)梯度變化。此種界面普通均具有很好的附著力。在較高能量離子的轟擊下，界面原子也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)混合景象，構(gòu)成假合金層，提高薄膜的附著力機(jī)械咬合的界面 界面粗糙度較大，雖界面元素間沒(méi)有明顯的相互分散與鍵合，但界面兩側(cè)物質(zhì)以凸凹不平的外表相互咬合，那么附著力取決于界面的形狀和界面應(yīng)力。界面粗糙度高時(shí)，附著力會(huì)較好界面附著力的能夠機(jī)理除界面形狀要素外

15、，薄膜附著力還可被分為涉及了三種不同的機(jī)理：機(jī)械結(jié)合 由于界面兩側(cè)凹凸不平而構(gòu)成相互交錯(cuò)的咬合。在純粹機(jī)械結(jié)合的情況下，薄膜的附著力普通較低。此時(shí)，適當(dāng)提高界面的粗糙度可加大接觸面積，提高薄膜的附著力界面附著力的能夠機(jī)理(2) 物理結(jié)合 薄膜與基底之間由于范德瓦爾斯力而結(jié)合在一同。這種作用力來(lái)源于原子間短程的相互吸引。 因此隨著界面兩側(cè)物質(zhì)間距的添加, 附著力將迅速降低。但即使是只依托這種作用力，仍會(huì)構(gòu)成很強(qiáng)的薄膜附著力(3) 化學(xué)鍵合 界面兩側(cè)的原子間構(gòu)成相互的化學(xué)鍵合。化學(xué)鍵的構(gòu)成對(duì)提高薄膜的附著力具有重要的奉獻(xiàn)。假設(shè)界面兩側(cè)原子可以構(gòu)成化學(xué)鍵合，那么薄膜的附著能將能夠到達(dá)每對(duì)原子1-10

16、eV的數(shù)量級(jí)界面附著力的能夠機(jī)理上述三種機(jī)理或單獨(dú)，或共同決議著薄膜與襯底間附著力的大小而多數(shù)薄膜的附著力的機(jī)制普通也不能確切地知道，例如以下的資料體系：玻璃 - 氧化物薄膜： 光學(xué)薄膜鋼鐵 氮化物薄膜： 防護(hù)涂層硅 Ta-Si化合物： 電路導(dǎo)線高分子資料 - Al： 氣密性薄膜金剛石薄膜-硬質(zhì)合金： 耐磨涂層可以利用來(lái)改良薄膜附著力的措施薄膜-襯底資料的組合：不同薄膜-襯底資料的組合對(duì)附著力有著最大的影響鍵合類型差別大、浸潤(rùn)性差的物質(zhì)之間不易構(gòu)成較強(qiáng)的鍵合，如Au在SiO2上的附著力就較差具有相近化學(xué)鍵合類型、互溶性好、還有可以構(gòu)成化合物的元素之間可以構(gòu)成較強(qiáng)的附著力。如Au就可以在Cu基底

17、上構(gòu)成良好的附著。但較厚、較脆的界面化合物也會(huì)導(dǎo)致界面附著性能的惡化可以利用來(lái)改良薄膜附著力的措施界面微觀環(huán)境的改善 過(guò)渡層：原子間作用力的范圍小于一個(gè)納米，因此界面上很少的，甚至是一個(gè)原子層的雜質(zhì)，就足以改動(dòng)薄膜的附著力。它既可以妨礙薄膜與襯底的直接鍵合，降低附著力，也可以經(jīng)過(guò)促進(jìn)其間的鍵合而提高附著力在前者的情況下，可采取濺射、烘烤的方法對(duì)襯底外表進(jìn)展清理；而后者那么象人們?cè)贏u-玻璃之間堆積10nm厚的Cr，由于Au與Cr的浸潤(rùn)性較好，而Cr與玻璃之間可構(gòu)成Cr-O、Cr-Si鍵合，因此這樣的組合可以大大提高薄膜的附著力可以利用來(lái)改良薄膜附著力的措施粒子轟擊條件:各種物理手段中最常用的方

18、法即是在薄膜堆積之前,采用高能粒子轟擊襯底外表的方法高能粒子的轟擊尤其可以減少外表污染，構(gòu)成薄膜-襯底外表直接結(jié)合所需的干凈界面 其他粒子，如電子、光子對(duì)襯底的轟擊也有類似的作用；高溫處置也可產(chǎn)生類似的效果高能粒子的轟擊可提高外表原子的分散才干，有利于其構(gòu)成有效的界面鍵合，構(gòu)成分散層可以利用來(lái)改良薄膜附著力的措施堆積溫度:堆積溫度主要經(jīng)過(guò)影響界面形狀、元素分布而影響薄膜的附著力在較低溫度下堆積的薄膜，機(jī)械的附著與范德瓦爾斯引力的結(jié)合將起主要作用，附著力較低，剝離薄膜的功大致只需0.1eV/原子的程度由于附著力隨界面原子間距的添加而迅速降低。在堆積溫度較高、界面發(fā)生明顯的分散構(gòu)成化學(xué)鍵合的情況下

19、，界面附著力可以到達(dá)110eV/原子的程度可以利用來(lái)改良薄膜附著力的措施應(yīng)力等的作用：界面附近積聚的應(yīng)力，包括熱應(yīng)力和生長(zhǎng)應(yīng)力，都對(duì)薄膜的附著力有著極大的影響；調(diào)整工藝，降低薄膜應(yīng)力具有重要作用在界面處有意形地成所謂的成分梯度會(huì)提高界面附著力，其最主要的機(jī)理涉及界面兩側(cè)物質(zhì)原子間的鍵合數(shù)的提高界面應(yīng)力的緩解界面污染物的分散防止界面裂痕沿界面的擴(kuò)展等熱障涂層是為維護(hù)機(jī)械部件免受高強(qiáng)度的熱流沖擊所設(shè)計(jì)的耐熱性好、熱導(dǎo)率低的涂層資料熱障涂層最主要的用途是各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組渦輪葉片的熱防護(hù)。由于它可提高上述部件的運(yùn)用溫度，因此可有效地改善其效率熱噴涂 ZrO2 熱障涂層具有多孔性組織，有效降低了

20、涂層的熱導(dǎo)率。但這類涂層易由于熱疲勞而導(dǎo)致涂層剝落電子束蒸鍍 ZrO2 可由于構(gòu)成柱狀形狀的涂層組織使應(yīng)力問(wèn)題得到緩解，但其空隙率又相對(duì)較低，熱導(dǎo)率偏高例一： 低熱導(dǎo)率的多孔熱障涂層，TBC熱障涂層的厚度應(yīng)到達(dá)數(shù)百微米，因此需求選用高速的堆積方法為此，研討了運(yùn)用電子束蒸鍍方法的掠角堆積法，即利用控制涂層堆積方向的方法，在部件上堆積空隙率高、熱導(dǎo)率較低的涂層丈量數(shù)聽闡明，如此制備的熱障陶瓷涂層的熱導(dǎo)率可比普通陶瓷涂層降低 80% 以上 低熱導(dǎo)率熱障涂層的制備方法熱障涂層掠角真空蒸鍍法的表示圖 襯底與蒸發(fā)源間的相對(duì)方位可依托改動(dòng)方位角 予以調(diào)整K.D. Harris et al.Surface a

21、nd Coatings Technology (2001)185191D.A. Gish et al. / Photonics and Nanostructures Fundamentals and Applications 28 4 (2006) 2329電子束蒸鍍 多孔熱障涂層的斷面組織在較大傾角 80的情況下，陰影效應(yīng)使涂層中生成多孔構(gòu)造，并可產(chǎn)生螺旋狀構(gòu)造。這可使其相對(duì)密度只到達(dá)致密涂層的15% 多孔熱障涂層的外表形狀掠角蒸鍍法獲得的兩種熱障涂層的外表形貌。圖b是在多孔涂層外表覆蓋一層致密涂層后的外表形貌，這可進(jìn)一步降低氣體的導(dǎo)熱率 多孔熱障涂層的斷面組織致密與疏松層相間的涂層構(gòu)造具有

22、以下優(yōu)點(diǎn)柱狀構(gòu)造可緩解熱應(yīng)力，使涂層堅(jiān)持舒緩熱應(yīng)力的才干封鎖型的孔洞構(gòu)造有助于降低涂層的導(dǎo)熱率多孔熱障涂層的低熱導(dǎo)率陶瓷熱障涂層的模擬結(jié)果a涂層的構(gòu)造模型 (c) 涂層密度與溫度的分布涂層的室溫?zé)釋?dǎo)率為 0.0005-0.0008 cm2/s，只需致密涂層的 9-15%疏松層致密層Mn 擁有四種不同的同素異構(gòu)體；實(shí)際計(jì)算闡明，bcc 構(gòu)造的 -Mn 將能夠具有強(qiáng)磁性但普通情況下，-Mn 只存在于高于 1406 K 的高溫下；在這樣高的溫度下， Mn 將不能夠堅(jiān)持其強(qiáng)磁性另一方面，在 bcc 構(gòu)造的 W、Fe 等襯底上，可以構(gòu)成亞穩(wěn)態(tài)的 -Mn。這利用了 W 等點(diǎn)陣常數(shù)與 -Mn 的點(diǎn)陣常數(shù)相近

23、的特點(diǎn)，到達(dá)使 -Mn 的晶體構(gòu)造穩(wěn)定化的目的例二： W(110) 襯底上 Mn 薄膜的外延生長(zhǎng)為此，在 10-11Torr 的超高真空環(huán)境中研討了在室溫下，(110)W 襯底上 Mn 的外延行為運(yùn)用傾斜角度小于2% 的 (110)W 單晶作為 Mn 薄膜生長(zhǎng)的襯底運(yùn)用電子束方法蒸發(fā) W 坩堝中的 MnMn 薄膜的堆積速率為 0.4 原子層/分鐘，薄膜堆積的溫度為室溫在真空中，恒電流方式下， STM 丈量薄膜的外表形貌；丈量條件：U = +0.2 V，I = 0.2 nA W(110) 襯底上 Mn 薄膜的外延生長(zhǎng)(a) clean W(110) substrate and after dep

24、osition of (b) 0.4 ML, (c) 0.6 ML, (d) 0.8 ML Mn STM 獲得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延圖象臺(tái)階W原子面掃描線001方向單原子層島，密度 200個(gè)/m2第二原子層形核中心長(zhǎng)大(e) 1.0 ML, (f ) 1.3 ML, (g) and (m) 5.7 ML Mn. The Mn clusters are areas where the crystal structure changes and misfit strain is relaxedSTM 獲得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延圖象Mn原子團(tuán)形核Mn原子團(tuán)形核Mn原子

25、團(tuán)長(zhǎng)大Mn原子團(tuán)合并1.3 ML, (e) 3.5 ML and ( j) 6.5 ML. Strain relaxed island formation is evidencedSTM 獲得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延圖象Mn原子層Mn原子團(tuán)Mn原子團(tuán)合并W substrate and Mn layers are differently colored. Notice the height difference when the number of Mn layers is increasedSTM 獲得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延層高度掃描單原子層單原子層Mn原子團(tuán)Mn

26、原子團(tuán)The diffuse background increases in LEED, indicating pseudomorphic growth at low ML coverage and poor medium range order at higher LM coverage LEED 得出的 Mn 薄膜點(diǎn)陣常數(shù)的變化relaxed lattice parameterMn submonolayer film grown on W(110) with an average terrace width of about 25 nm. Due to high diffusivity o

27、f Mn, Mn undergoes step-flow growth this time. 傾斜 W(110) 襯底上 Mn 薄膜的外延方式M. Bode et al. / Surface Science 432 (1999) 820在 W(110) 單晶襯底上，初始堆積下來(lái)的 Mn 原子將是外延態(tài)的、bcc 構(gòu)造的 -Mn。這些外延態(tài)的 -Mn 將沿著 W 的 001 方向構(gòu)成拉長(zhǎng)形的小島。在堆積層數(shù)添加以后，薄膜的形狀將從層狀外延態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀聚集態(tài)。此時(shí)，Mn 外延層構(gòu)造將經(jīng)過(guò)層狀-島狀方式的轉(zhuǎn)變使應(yīng)變得到松弛。結(jié)論：W(110) 襯底上 Mn 薄膜的外延方式電子束蒸發(fā)方法具有薄膜堆積面

28、積大、效率高、適用于大規(guī)模消費(fèi)、過(guò)程環(huán)保等特點(diǎn)，已被運(yùn)用于防護(hù)涂層、光學(xué)薄膜、熱障涂層等技術(shù)領(lǐng)域在熱蒸發(fā)法中，蒸發(fā)粒子的能量低，堆積粒子的分散才干缺乏。這導(dǎo)致堆積的薄膜易遭到陰影效應(yīng)的影響，構(gòu)成柱狀構(gòu)造、薄膜疏松、硬度偏低、抗蝕性差、附著力缺乏經(jīng)過(guò)改用離子鍍技術(shù)，可顯著改善薄膜的構(gòu)造與性能；但其等離子體的密度一定要滿足電子束蒸發(fā)方法高速率、大面積的特點(diǎn)例三： 離子鍍薄膜的微觀構(gòu)造與性能采用電弧技術(shù)可以產(chǎn)生高密度的等離子體，可大大提高蒸發(fā)物質(zhì)的離化率，從而使到達(dá)襯底外表的離子流密度到達(dá)50-400mA/cm2的高程度，遠(yuǎn)高于其他的輝光等離子體激發(fā)手段經(jīng)過(guò)純金屬 Ti 以及化合物 Al2O3 兩個(gè)

29、薄膜制備的實(shí)例，闡明了電弧類的離子鍍技術(shù)在制備高質(zhì)量薄膜資料方面的優(yōu)越性離子鍍薄膜的微觀構(gòu)造與性能無(wú)弧斑電弧離子鍍技術(shù)S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245一種離子鍍技術(shù)運(yùn)用無(wú)弧斑電弧 (SAD) 活化法SAD 技術(shù)以蒸發(fā)坩堝為陰極，以輔助極為維持電弧的陽(yáng)極，防止了直接運(yùn)用蒸發(fā)物質(zhì)作陽(yáng)極時(shí)的物質(zhì)噴濺典型的電弧參數(shù)為 40V600-2000A薄膜的堆積速率可達(dá) 0.1-1.0 m/s等離子體活化極比較：活化反響離子鍍時(shí)的情況3 活化極1 等離子體2 基體4 反響氣體5 原子射流6 差壓板7 蒸發(fā)

30、源8 真空室S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245無(wú)弧斑電弧離子鍍技術(shù)與普通電子束蒸發(fā)技術(shù)獲得的 Ti 涂層組織的比較無(wú)等離子體活化時(shí)，涂層為纖維狀構(gòu)造，外表粗糙，構(gòu)造疏松有等離子體活化時(shí)，薄膜厚度減小，涂層纖維狀構(gòu)造特征消逝，構(gòu)造致密，外表平整堆積溫度：220C；I =600A,U = 0V在等離子體活化的情況下，SO2 防腐所需的 Ti 涂層厚度減小當(dāng)活化電弧電流添加、施加襯底偏壓時(shí)，涂層防腐性能可進(jìn)一步提高涂層性能改善的緣由在于涂層構(gòu)造的致密化S. Schiller et al. / S

31、urface and Coatings Technology 125 (2000) 240245無(wú)弧斑電弧離子鍍技術(shù)與普通電子束蒸發(fā)技術(shù)獲得的 Ti 涂層的抗蝕性比較偏壓：-50V偏壓：0VS. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心陰極電弧離子鍍技術(shù)第二種離子鍍技術(shù)運(yùn)用空心陰極電弧 (HAD) 活化方法典型的電弧參數(shù)為 15V300A薄膜的堆積速率可達(dá) 0.05-0.1 m/sS. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2

32、000) 240245空心陰極電弧離子鍍技術(shù)與普通電子束蒸發(fā)技術(shù)獲得的 Al2O3 涂層組織的比較堆積溫度：500C無(wú)等離子體活化時(shí)，涂層元素比 Al:O = 0.55-0.57(含有多余的氧)，涂層為纖維狀構(gòu)造，外表粗糙，構(gòu)造疏松有等離子體活化時(shí)，薄膜構(gòu)造顯著致密化，涂層元素比Al:O = 0.66-0.7(接近于2:3)，纖維狀構(gòu)造特征消逝，外表平整S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心陰極電弧離子鍍、普通電子束蒸發(fā)技術(shù)堆積的 Al2O3 涂層硬度的溫度依賴性等離子體活化大大提高了薄膜

33、的硬度，其緣由是其構(gòu)造的致密化，以及涂層更易于構(gòu)成晶體相構(gòu)成晶體相S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心陰極電弧離子鍍、普通電子束蒸發(fā)技術(shù)堆積的 Al2O3 涂層抗蝕性的堆積溫度依賴性等離子體活化大大提高了涂層在 60C 熱磷酸中的抗蝕才干堆積溫度：650C例四： SAW運(yùn)用的ZnO外延薄膜的MOCVD生長(zhǎng)無(wú)線通訊技術(shù)需求向更高的頻段開展而高頻段適用的高性能 SAW 濾波器那么是上述技術(shù)開展的關(guān)鍵與單晶器件相比，薄膜器件的損耗和本錢會(huì)更低、且更容易實(shí)現(xiàn)小型化ZnO 具有高的壓電耦合系數(shù)，是

34、制造 SAW 器件的理想資料藍(lán)寶石的聲速高、損耗小，是高頻段 SAW 的理想襯底資料 ZnO薄膜的制備方法ZnO 薄膜的制備方法包括激光蒸發(fā)、濺射、MOCVD、分子束外延等ZnO 薄膜的質(zhì)量是制造高質(zhì)量 SAW 的關(guān)鍵。濺射法雖然是制備多晶 ZnO 薄膜最常用的方法，但高質(zhì)量的單晶外延 ZnO 薄膜可使 SAW 具有高的壓電耦合系數(shù)MOCVD 方法是制備 ZnO 外延單晶薄膜的理想方法利用 MOCVD 技術(shù)，堆積了高質(zhì)量的 ZnO 外延薄膜，研討了其微觀構(gòu)造以及 SAW 特性N.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor

35、Processing 2 (1999) 247252外延 ZnO 薄膜的 MOCVD 制備安裝MOCVD 外延 ZnO 薄膜的制備方法運(yùn)用(11-20) 取向的藍(lán)寶石作為 ZnO 的外延襯底，二甲基鋅 (DEZn) 和O2 作為堆積氣體為抑制氣相反響呵斥顆粒物污染，采用了DEZn、O2 分別以及分散輸入、 N2 稀釋等方法襯底以 200-600 轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜厚度的均勻性堆積溫度為 250-650C，氣體壓力 50 Torr DEZn 源堅(jiān)持在 10C 的溫度，以Ar 作為載氣；ZnO 薄膜的堆積速度為 1.0-10m/h，薄膜的厚度約 0.2-2.0 mN.W. Emaneto

36、glu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252Si上不同溫度下堆積的ZnO薄膜的X-射線衍射譜在 Si 襯底上，ZnO 薄膜為0001取向400C 堆積溫度時(shí)，ZnO 薄膜的 X-射線衍射強(qiáng)度最大低溫時(shí)，原子在堆積外表的分散不充分；高溫時(shí)，氣相反響過(guò)于猛烈，薄膜外表粗糙，結(jié)晶質(zhì)量下降 0002 衍射峰 400CN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO 外延薄

37、膜具有 (11-20) 取向薄膜外延取向關(guān)系為 (11-20) ZnO/(01-12) Al2O3 1-100 ZnO/11-20 Al2O3400C 堆積的ZnO外延薄膜的X-射線衍射譜-2 曲線 回?cái)[曲線 FWHM 0.25N.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO外延薄膜的SEM-TEM象外延界面含有以一定間隔配置的位錯(cuò)并存在相隔 2.5-3nm 的應(yīng)變區(qū) 0001 方向界面 ZnOAl2O3N.W. Emanetoglu et al. / Materi

38、als Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO薄膜SAW器件和測(cè)試系統(tǒng)以光刻方法沿 ZnO0001 方向制備了叉指電極SAW器件參數(shù)：SAW 波長(zhǎng)： 10m ZnO 薄膜厚度： 1.5mAl 電極厚度： 200nmN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO外延薄膜SAW的頻譜特性丈量發(fā)現(xiàn)，SAW 器件的中心頻率為 406MHz 和576MHz，分別屬于 Rayleigh 波與 Sezawa

39、波，其對(duì)應(yīng)的波速分別等于 4060m/s 和 5760m/s例五： 離子注入法改善Cu/polyimide薄膜的附著力微電子技術(shù)如 flexible printed circuits，F(xiàn)PC的提高需求開展 Cu/polyimide (聚西亞氨胺銨) 薄膜體系Cu/polyimide 體系需求抑制薄膜附著力的難題提高附著力時(shí)，傾向于采用干法物理方法 其機(jī)理涉及: 引入特定的功能團(tuán) 改動(dòng)外表的形貌 構(gòu)成成分逐漸過(guò)渡的界面離子注入/薄膜堆積方法可用于上述目的預(yù)清洗 預(yù)堆積J.H. Hong et al. / Surface & Coatings Technology 201 (2006) 197202離子注入法改善Cu/polyimide薄膜附著力的方法J.H. Hong et al. / Surface & Coatings Technology 201 (2006) 197202離子注入 薄膜堆積離子注入法改善Cu/polyimide薄膜附著力的方法J.H. Hong et al. / Surface & Coatings