光學(xué)薄膜應(yīng)力的研究.pdf

1、光學(xué)薄膜廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、光電顯示、光通信等領(lǐng)域。由于薄膜鍍制過程中，經(jīng)歷了固相.氣相.固相的變化過程，使得光學(xué)薄膜中普遍存在一定的應(yīng)力，應(yīng)力的存在不僅影響薄膜一基板系統(tǒng)的牢固性，還會引起基板發(fā)生形變，從而使膜系偏離中心波長。因此，研究薄膜的應(yīng)力行為，限制薄膜應(yīng)力的影響，對提高光學(xué)薄膜的性能有重要意義。 在薄膜的鍍制過程中由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)失配、薄膜在沉積過程中分子之間的相互作用以及薄膜內(nèi)部存在著各種宏觀缺陷，從而使薄

2、膜基板系統(tǒng)中存在著應(yīng)力。微電子及光電子器件的使用壽命與薄膜應(yīng)力有很大關(guān)系。 為了研究應(yīng)力對薄膜器件的牢固性的影響，本文進(jìn)行了深入的研究工作。 本文首次利用有限元分析軟件ANSYS研究了在熱應(yīng)力起主要作用的薄膜系統(tǒng)中，力矩理論在分析薄膜系統(tǒng)牢固性方面的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)：力矩均為負(fù)值時，在薄膜層與層之間的界面處，自由邊界附近受到最大的張應(yīng)力，靠近中心張應(yīng)力減小，直至變?yōu)閴簯?yīng)力，這種薄膜系統(tǒng)發(fā)生分層破裂的概率很大。只要有負(fù)值的力

3、矩存在，薄膜系統(tǒng)就可能分層破裂，并且力矩為負(fù)的層數(shù)越多，薄膜系統(tǒng)發(fā)生分層破裂的概率就越大；力矩均為正值時，在薄膜層與層之間的界面處，自由邊界附近受到最大的壓應(yīng)力，靠近中心壓應(yīng)力減小，直至變?yōu)閺垜?yīng)力，這種薄膜系統(tǒng)發(fā)生分層破裂的概率很小。這些結(jié)論對實(shí)際薄膜系統(tǒng)的應(yīng)力分析有重要的指導(dǎo)作用。 同時本文首次提出了多層薄膜在基板上鍍制順序與薄膜系統(tǒng)牢固性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計薄膜系統(tǒng)時，一般應(yīng)使張應(yīng)力和壓應(yīng)力交替出現(xiàn)，這樣可以使薄膜中

4、的應(yīng)力相互抵消，并且薄膜鍍制的順序非常重要，產(chǎn)生張應(yīng)力的薄膜靠近基板，這樣可以增強(qiáng)薄膜系統(tǒng)的牢固性。 由于熱應(yīng)力在薄膜系統(tǒng)穩(wěn)定性中的重要作用，研究薄膜中的熱應(yīng)力有重要的意義。但是由于薄膜和塊狀材料的微結(jié)構(gòu)不同，使得同種材料的薄膜和塊狀材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量存在很大的差別，不能用塊狀材料的數(shù)據(jù)來分析薄膜的熱學(xué)性質(zhì)，而且薄膜的熱學(xué)參數(shù)與制備工藝密切相關(guān)。通過測量不同溫度下薄膜的殘余應(yīng)力，可以得到薄膜的應(yīng)力.溫度曲線，并且進(jìn)一步可

5、以得到應(yīng)力-溫度曲線的斜率。本文研究了電子束蒸發(fā)的SiO2薄膜的熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)：薄膜的熱膨脹系數(shù)隨著沉積溫度的增加而增加，但是總是小于塊狀材料的熱膨脹系數(shù)；同時，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子束蒸發(fā)所獲得的Si02薄膜隨著沉積溫度的增加，其彈性模量E/1-Y減小，并且都大于塊狀材料的彈性模量。對薄膜中實(shí)際應(yīng)力的組成進(jìn)行研究有益于指導(dǎo)薄膜的鍍制工藝。本文研究了薄膜沉積溫度對薄膜應(yīng)力成分的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對于電子束蒸發(fā)的SiO2薄膜隨著沉積溫度