7-1-薄膜的力學(xué)性質(zhì)

1、第七章 薄膜的物理性質(zhì),力學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì),§7-1 薄膜的力學(xué)性質(zhì),薄膜的力學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。,附著性質(zhì)應(yīng)力性質(zhì)彈性性質(zhì)機械強度,— 取決于薄膜成長的初始階段,,薄膜的力學(xué)性質(zhì),1、薄膜的附著力,附著：薄膜與基片保持接觸，兩者的原子相互受到對方的吸附作用的狀態(tài)。 附著力、附著能附著性能 控制著對其他性能的觀察和研究。 理論上，關(guān)系到對結(jié)合界面的了解； 使用

2、上，決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性,1、薄膜的附著力,簡單附著兩個接觸面相互吸引形成，有清楚的分界面,擴散附著兩個接觸面相互擴散或溶解形成漸變界面,兩個接觸面間形成化合物中間層，無單純界面,機械鎖合雙電層吸引,1、薄膜的附著力,附著機理—吸附 物理吸附（吸附能0.001～0.1eV）范德華力吸附：短程力，隨原子間距離的增大，附著力減弱。靜電力吸附：數(shù)值雖小，但對附著力的貢獻較大。 化學(xué)吸附薄膜與基體間形成化學(xué)鍵結(jié)合（離

3、子鍵、共價鍵、金屬鍵），是短程力，數(shù)值上比范德華力大，約為0.1～0.5eV.,1、薄膜的附著力,附著機理 附著能：,ss:基底比表面積自由能；sf：薄膜比表面積自由能；ssf：薄膜與基底界面自由能，與兩種材料的種類、原 子間距、鍵合特征等有關(guān),1、薄膜的附著力,增加附著力的方法 清洗基片 提高基片溫度 引入中間過渡層 采用濺射增加附著力,1、薄膜的附著力,附著力的測試方法 粘膠法:薄膜與基片間的附著力必須小于薄膜與粘

4、膠間的附著力 引拉法；剝離法 直接法 劃痕法、摩擦法、離心法,,難定量描述，結(jié)果只具定性意義??！,利用黏結(jié)或焊接的方法將薄膜結(jié)合與拉伸棒的端面上，測量將薄膜從襯底上拉伸下來所需的載荷的大小。薄膜的附著力等于拉伸時的臨界載荷與被拉伸的薄膜面積之比。 在用黏結(jié)劑時，其黏結(jié)強度決定了這一方法可測定的附著力的上限。 焊接可增加界面的結(jié)合強度，但焊接過程可能會由于加熱溫度的影響而改變界面的組織和附著力。,引拉法,將硬度較高的劃針

5、垂直置于薄膜表面，施加載荷對薄膜進行劃傷試驗的方法來評價薄膜的附著力。 當(dāng)劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時，薄膜將發(fā)生破壞與剝落。在劃針移動的同時，逐漸加大所施加的載荷，并在顯微鏡下觀察得出劃開薄膜，露出襯底所需的臨界載荷，即可作為薄膜附著力的量度。 當(dāng)載荷一定時，薄膜剝離痕跡的完整程度也依賴于薄膜的附著力，因而也可根據(jù)劃痕邊緣的完整程度來比較薄膜附著力的大小。,劃痕法,2、薄膜的內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力的定義及分類 定義：薄膜內(nèi)

6、部單位面積的一側(cè)受到另一側(cè)施加的力，用s表示，單位N/m2。 分類 按性質(zhì)分類：張應(yīng)力、壓應(yīng)力 按來源分類：熱應(yīng)力、本征力,2、薄膜的內(nèi)應(yīng)力,張應(yīng)力（+）：截面一側(cè)受到來自另一側(cè)的拉伸方向的力。張應(yīng)力過大會使薄膜開裂。 壓應(yīng)力（-）：與張應(yīng)力相反，受到推壓方向的力。壓應(yīng)力過大會使薄膜起皺或脫落。 熱應(yīng)力：當(dāng)薄膜的形成溫度和測量或使用溫度不同時，由于薄膜和基片的熱脹系數(shù)不同而引起的內(nèi)應(yīng)力，是一種可逆的應(yīng)力。本征應(yīng)力：薄膜形

7、成過程中由缺陷等原因而引起的內(nèi)應(yīng)力，熱應(yīng)力之外的全部應(yīng)力。,幾點討論：1）從上式看出，要消除薄膜中的熱應(yīng)力，最根本的辦法就是選用熱脹系數(shù)相同的薄膜和基片材料。其次是讓成膜溫度與薄膜的測量或使用溫度相同。2）通常情況，Td>T, 若薄膜的彈性常數(shù)與溫度無關(guān)，薄膜和基片的熱脹系數(shù)不隨溫度發(fā)生變化、為常數(shù)時，薄膜的熱應(yīng)力隨溫度作線性變化。3）當(dāng)af＞as 時，熱應(yīng)力為正，即是為張應(yīng)力。反之，熱應(yīng)力為負，即為壓應(yīng)力。因此，可通過選擇

8、基片或者改變成膜溫度的辦法來改變薄膜中熱應(yīng)力的性質(zhì)和大小。4）對于高熔點的金屬薄膜及其他薄膜，隨著成膜溫度的提高，熱應(yīng)力可能成為它內(nèi)應(yīng)力中的一個主要部分。對于低熔點金屬和結(jié)構(gòu)高度有序的薄膜，因為它們的本征應(yīng)力很小，所以熱應(yīng)力能成為它們內(nèi)應(yīng)力中的絕大部分。,2、薄膜的內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力的起因熱效應(yīng)相變界面應(yīng)力:晶格適配雜質(zhì)效應(yīng)此外薄膜的生長過程中由于小島的合并、晶粒的合并、缺陷、微孔的擴散等會引起表面張力的變化，也會引起內(nèi)應(yīng)力的變