第五章 薄膜的性质

第五章薄膜的性质,为了对薄膜的材料、用途、功能等客观地进行评价，需要测定薄膜的各种特性和效应。本节所讨论的内容，不是以作成器件为测试对象，而仅是以薄膜材料的形式为测试对象。,第一节薄膜的力学性能,薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之间的附着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着性不好的薄膜无法使用。薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之间的热膨胀系数的不同，也会使薄膜产生应力，过大的内应力将使薄膜卷曲或开裂导致失效。所以在各种应用领域中，薄膜的附着力与内应力都是首先要研究的课题。,一、薄膜的黏附力,薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造过程中普遍关心的问题。对薄膜最基本的性能要求之一就是其对衬底的附着力要好。,1、附着现象,从宏观上看，附着就是薄膜和基体表面相互作用将薄膜黏附在基体上的一种现象。薄膜的附着可分为四种类型：简单附着；扩散附着；通过中间层附着；宏观效应附着。,附着的四种类型示意图,2、附着表征,黏附力或者结合能的测定可分为两大类。一类是机械法，另一类是形核法。机械法大致有：划痕试验法；拉力试验法；剥离试验法；磨损法；离心力试验法；弯曲法；碾压法；锤击法；压痕法；气泡法等。,薄膜附着力的测量方法,牢固度是指膜层对于基片的附着/粘接程度。由膜层与基片之间结合力的性质来决定，化学键力的结合要比物理性质的范德华力的结合牢固得多。针对不同的薄膜材料类型与使用目的，发展出了多种薄膜附着力的测试方法，它们的共同特点是在对薄膜施加载荷的前体下，测量薄膜脱落时的临界载荷。在各种方法中，较为有代表性的测试方法有两大类，即剥离法和拉伸法。,薄膜附着力的测量方法,胶带剥离法：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被剥离的难易程度。摩擦法：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄膜附着力的强弱。超声波法：用超声波的方法造成周围介质发生强力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，根据薄膜发生脱落时的超声波的能量水平推断薄膜的附着力。,薄膜附着力的测量方法,离心力法：使薄膜与衬底一起进行高速旋转，在离心力作用下，使薄膜从衬底上脱开，用旋转离心力来表征薄膜的附着力。脉冲激光加热疲劳法：利用薄膜与衬底在脉冲激光作用下周期性地热胀冷缩，使薄膜与衬底不断地弯曲变形，从而引起界面疲劳和造成薄膜脱落时单位薄膜面积上所吸收的激光能量来表征薄膜的附着力。,二、薄膜的内应力,我们知道，基体上沉积薄膜时，无论用什么方法进行沉积，薄膜和基体都发生弯曲，几乎都有内应力存在。如果镀膜在平行表面方向有收缩的趋势，即薄膜有向内侧发生凹面弯曲的趋势，此力为张应力；如果镀膜在平行表面方向有扩张趋势，即薄膜有向外侧发生凸面弯曲的趋势，此力称为压应力。由此我们把薄膜内产生力矩的力称为内应力。,1、内应力形成的原因,（1）热应力（热收缩效应）（2）相转移效应（3）空位的消除（4）界面失配（5）杂质效应（6）原子、离子埋入效应（7）表面张力（表面能）,2、内应力的测量,内应力的测量方法有：悬壁梁法；弯盘法；X射线衍射法；激光拉曼法。,3、内应力与薄膜的物理性能,（1）内应力引起磁各向异性，内应力是通过磁致伸缩现象向薄膜提供能量的。而且还对薄膜的磁性能产生影响。（2）内应力引起超导点的变化，如引起Pb膜超导点的下降。,三、提高黏附力的途径,（1）对基体进行清洁处理（2）提高基体温度（3）制造中间过渡层（4）活化表面（5）热处理（6）晶格匹配（7）用氧化方法（8）用梯度材料,第二节薄膜的电学性质,一、介电常数压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有差异。在薄膜中常有较大的残留内应力以及测量上的原因，也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。,一、介电常数,压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原因，除了因内应力大小和测试条件不同以外，还因薄膜成分偏离化学式计量比和薄膜厚度的差别；薄膜介电常数随厚度减薄而变小；另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化也会发生明显的变化。,二、体积电阻率,从降低压电薄膜的介质损耗和驰豫频率来说，都希望它具有很高的电阻率，至少应该ALN薄膜的电阻率为2101411015，远高于108，因而在这方面AIN是十分优异的薄膜。有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电子迁移率也是各向异性的。电导率也是各不相同的。,三、损耗角正切,ALN压电薄膜的介质损耗角正切ZnO薄膜的则较大，为0.0050.01。这些薄膜的之所以有这样大，是由于在这些薄膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的驰豫过程。与介质薄膜类似，压电薄膜的随温度和频率的上升以及湿度的增大，都逐渐变大。另外，在薄膜厚度减小时，趋向于增大。,四、击穿场强,因为电介质的击穿场强属于强度参数，而且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性；按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减少而逐渐增大。但是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。,五、体声波性能,体声波压电换能器最重要的特性参数是谐振频率、声阻抗和机电耦合系数K。所以对压电薄膜的声速v及其温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介电、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。,六、表声波性能,表声波在压电介质中传播时，其质点位移振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速衰减，因此表声波能量主要集中在表面下一二个波长的范围内。下图示出了压电介质中表声波传播示意图。,压电介质中表声波传播示意图,表声波性能函数式,由于表声波的性质与体声波的不同，所以压电材料在表声波方面所表现出的性能显著地不同于它的体声波性能。可将薄膜的表声波性能表达为下列函数式：表声波性能=F（原材料，基片，薄膜结构，波模式，传播方向，叉指电极形式，厚度波数积）,第三节薄膜的光学特性,当光照在薄膜上时，一部分光会被薄膜物质所吸收，一部分光在薄膜表面被反射，也有一部分光会穿过薄膜而透射出