北航薄膜材料物理课件02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

①简单附着—分明的分界面

②扩散附着

③通过中间层附着

④通过宏观效应附着

①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：

1.333×10-3Pa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②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。③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。④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）①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。③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。②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。④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。①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②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。③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④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⑤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⑥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：

①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来；

②仅部分剥离下来；

③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/A2.2.3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、本征应力第二章薄膜的力学性质(续)第四讲

§2.4内应力的测试方法1、悬臂梁法测量时常用基片—云母片、玻璃片尺寸：15×2×0.05~65×10×0.15mm3测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、机电法等，其中电容法的灵敏度最高。薄膜内应力：2、弯盘法采用圆形基片，分别测量出在淀积薄膜前后的基片的曲率半径R1和R2，则薄膜单位宽度的应力为：基片：玻璃、石英、单晶硅尺寸：0.13×Ф18-0.22×Ф30，光学抛光测量方法：牛顿环法(常用)、x射线衍射法、光纤法等。3、x射线衍射法测试前，用标准的硅单晶样品→标定装置误差。薄膜厚度＞30nm,观测衍射峰最大值所对应的布拉格（Bragg）角Θ，并比较薄膜的Θ和块状的Θ角。

§2.5薄膜的机械强度分为抗张强度、耐压强度（用硬度表示）薄膜常开裂→薄膜的断裂是它的应力→应变曲线的终点→抗张强度与应力—应变关系紧密。2.5.1薄膜的应力—应变曲线块材：先线性弹性阶段→非线性弹性阶段

→塑性变形薄膜：有可能发生蠕变，因为薄膜内的缺陷较多，受到内部弹性能的活化而发生了一些变化。

→与块材不同2.5.2薄膜的抗张强度薄膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内应力增大，出现小的裂纹，最后发生断裂。薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大，本身有内应力。薄膜的屈服强度：薄膜的屈服强度比块材大，因为薄膜的表面效应，如薄膜的表面积很大，抑制位错运动和消除位错源。d↓→强度↑§2.6

机械强度的试验方法2.6.1引张法采用微张力测试仪，观察样品在较轻负载下的很小伸长率。用灵敏的光学仪器测量伸长率（0.5nm）2.6.2膨胀法#样品制法：

①将待测薄膜从基片上剥离下来安装在铜管上；

②将待测薄膜淀积在塑料膜上，然后溶去塑料膜；

③在NaCl基片（100