71薄膜的力學性質匯總課件

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1、第七章第七章 薄膜的物理性質薄膜的物理性質力學性質力學性質電學性質電學性質光學性質光學性質磁學性質磁學性質熱學性質熱學性質7-1 7-1 薄膜的力學性質薄膜的力學性質薄膜的力學性質與其結構密切相關。薄膜的力學性質與其結構密切相關。附著性質附著性質應力性質應力性質彈性性質彈性性質機械強度機械強度 取決于薄膜成長的初始階段取決于薄膜成長的初始階段取決于生長階段及其結構類型取決于生長階段及其結構類型薄膜的力學性質薄膜的力學性質1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力u 附著附著：薄膜與基片保持接觸，兩者的原子相互受到對方：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。的吸附作用的狀態。附著力

2、、附著能附著力、附著能u附著性能附著性能 控制著對其他性能的觀察和研究?？刂浦鴮ζ渌阅艿挠^察和研究。理論上，關系到對結合界面的了解；理論上，關系到對結合界面的了解；使用上，決定了薄膜元器件的穩定性和可靠性使用上，決定了薄膜元器件的穩定性和可靠性1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力宏觀效應附著宏觀效應附著簡單附著簡單附著擴散附著擴散附著通過中間層附著通過中間層附著u 簡單附著簡單附著兩個接觸面相互兩個接觸面相互吸引形成，有清吸引形成，有清楚的分界面楚的分界面u 擴散附著擴散附著兩個接觸面相互兩個接觸面相互擴散或溶解形成擴散或溶解形成漸變界面漸變界面兩個接觸面間形兩個接觸面間形成化合物中間層，成化

3、合物中間層，無單純界面無單純界面機械鎖合機械鎖合雙電層吸引雙電層吸引1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力n 附著機理附著機理吸附吸附 物理吸附（吸附能物理吸附（吸附能0.0010.0010.1eV0.1eV）范德華力吸附：短程力，隨原子間距離的增大，附著力減弱。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：數值雖小，但對附著力的貢獻較大。靜電力吸附：數值雖小，但對附著力的貢獻較大?；瘜W吸附化學吸附薄膜與基體間形成化學鍵結合（離子鍵、共價鍵、金屬鍵），薄膜與基體間形成化學鍵結合（離子鍵、共價鍵、金屬鍵），是短程力，數值上比范德華力大，約為是短程力，數值上比范德華力大，約為0.1

4、0.10.5eV.0.5eV.1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力n 附著機理附著機理 附著能：附著能：sffsE s s:基底比表面積自由能；基底比表面積自由能；f f：薄膜比表面積自由能；：薄膜比表面積自由能；sfsf：薄膜與基底界面自由能，與兩種材料的種類、原：薄膜與基底界面自由能，與兩種材料的種類、原 子間距、鍵合特征等有關子間距、鍵合特征等有關1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力n 增加附著力的方法增加附著力的方法 清洗基片清洗基片 提高基片溫度提高基片溫度 引入中間過渡層引入中間過渡層 采用濺射增加附著力采用濺射增加附著力1 1、薄膜的附著力、薄膜的附著力n 附著力的測試方法附著力的測

5、試方法 粘膠法粘膠法:薄膜與基片間的附著力必須小于薄膜與粘膠間的薄膜與基片間的附著力必須小于薄膜與粘膠間的附著力附著力 引拉法；剝離法引拉法；剝離法 直接法直接法 劃痕法、摩擦法、離心法劃痕法、摩擦法、離心法難定量描述，結果只具定性意義！難定量描述，結果只具定性意義！利用黏結或焊接的方法將薄膜結利用黏結或焊接的方法將薄膜結合與拉伸棒的端面上，測量將合與拉伸棒的端面上，測量將薄膜薄膜從襯底上拉伸下來所需的載荷從襯底上拉伸下來所需的載荷的大的大小。薄膜的附著力小。薄膜的附著力等于拉伸時的臨等于拉伸時的臨界載荷與被拉伸的薄膜面積之比界載荷與被拉伸的薄膜面積之比。在用在用黏結劑黏結劑時，其黏結強度決定

6、時，其黏結強度決定了這一方法可測定的附著力的上限。了這一方法可測定的附著力的上限。焊接焊接可增加界面的結合強度，但可增加界面的結合強度，但焊接過程可能會由于加熱溫度的影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。響而改變界面的組織和附著力。引拉法引拉法 將硬度較高的劃針垂直置于薄膜表面，施加載荷對將硬度較高的劃針垂直置于薄膜表面，施加載荷對薄薄膜進行劃傷試驗膜進行劃傷試驗的方法來評價薄膜的附著力。的方法來評價薄膜的附著力。當劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時，薄膜將發當劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時，薄膜將發生破壞與剝落。在劃針移動的同時，逐漸加大所施加的生破壞與剝落。在劃針

7、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，露出襯底所需載荷，并在顯微鏡下觀察得出劃開薄膜，露出襯底所需的的臨界載荷臨界載荷，即可作為薄膜附著力的量度。，即可作為薄膜附著力的量度。當載荷一定時，薄膜剝離痕跡當載荷一定時，薄膜剝離痕跡的完整程度也依賴于薄膜的附的完整程度也依賴于薄膜的附著力，因而也可根據著力，因而也可根據劃痕邊緣劃痕邊緣的完整程度來比較薄膜附著力的完整程度來比較薄膜附著力的大小的大小。劃痕法劃痕法2 2、薄膜的內應力、薄膜的內應力n 內應力的定義及分類內應力的定義及分類 定義：薄膜內部單位面積的一側受到另一側施加的力，定義：薄膜內部單位面積的一側受到另一側施加

8、的力，用用 表示，單位表示，單位N/m2。分類分類 按性質分類：張應力、壓應力按性質分類：張應力、壓應力 按來源分類：熱應力、本征力按來源分類：熱應力、本征力2 2、薄膜的內應力、薄膜的內應力l 張應力（張應力（+）：）：截面一側受到來自另一側的拉伸方向的截面一側受到來自另一側的拉伸方向的力。張應力過大會使薄膜開裂。力。張應力過大會使薄膜開裂。l 壓應力（壓應力（-）：）：與張應力相反，受到推壓方向的力。壓與張應力相反，受到推壓方向的力。壓應力過大會使薄膜起皺或脫落。應力過大會使薄膜起皺或脫落。l 熱應力熱應力：當薄膜的形成溫度和測量或使用溫度不同時，當薄膜的形成溫度和測量或使用溫度不同時，由

9、于薄膜和基片的熱脹系數不同而引起的內應力，是一種由于薄膜和基片的熱脹系數不同而引起的內應力，是一種可逆的應力?？赡娴膽?。l本征應力：本征應力：薄膜形成過程中由缺陷等原因而引起的內應薄膜形成過程中由缺陷等原因而引起的內應力，熱應力之外的全部應力。力，熱應力之外的全部應力。幾點討論：幾點討論：1 1）從上式看出，要消除薄膜中的熱應力，最根本的辦法就是）從上式看出，要消除薄膜中的熱應力，最根本的辦法就是選用熱脹系數相選用熱脹系數相同的薄膜和基片材料同的薄膜和基片材料。其次是讓。其次是讓成膜溫度與薄膜的測量或使用溫度相同。成膜溫度與薄膜的測量或使用溫度相同。2 2）通常情況，）通常情況，T Td d

10、T,T,若薄膜的彈性常數與溫度無關，薄膜和基片的熱脹系數若薄膜的彈性常數與溫度無關，薄膜和基片的熱脹系數不隨溫度發生變化、為常數時，不隨溫度發生變化、為常數時，薄膜的熱應力隨溫度作線性薄膜的熱應力隨溫度作線性變化。變化。3 3）當）當a afa as 時，熱應力為正，即是為張應力。反之，熱應力為負，即為壓應時，熱應力為正，即是為張應力。反之，熱應力為負，即為壓應力。因此，可通過力。因此，可通過選擇基片或者改變成膜溫度選擇基片或者改變成膜溫度的辦法來改變薄膜中熱應力的辦法來改變薄膜中熱應力的性質和大小。的性質和大小。4 4）對于）對于高熔點的金屬薄膜及其他薄膜高熔點的金屬薄膜及其他薄膜，隨著成膜

11、溫度的提高，隨著成膜溫度的提高，熱應力熱應力可能成可能成為它內應力中的一個為它內應力中的一個主要部分主要部分。對于。對于低熔點金屬和結構高度有序的薄膜低熔點金屬和結構高度有序的薄膜，因為它們的因為它們的本征應力很小本征應力很小，所以，所以熱應力熱應力能成為它們內應力中的能成為它們內應力中的絕大部分絕大部分。2 2、薄膜的內應力、薄膜的內應力n 內應力的起因內應力的起因熱效應熱效應相變相變界面應力界面應力:晶格適配晶格適配雜質效應雜質效應此外薄膜的生長過程中由于小島的合并、晶粒的合并、缺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，也會引起內應陷、微孔的擴散等會引起表面張力的變化，也會引起內應力的變化。力的變化。2 2、薄膜的內應力、薄膜的內應力n 內應力的測量方法內應力的測量方法 機械法：測量基片受應力作用后彎曲的程度。機械法：測量基片受應力作用后彎曲的程度。懸臂梁法、彎盤法懸臂梁法、彎盤法 原理：原理：衍射法：測量薄膜晶格常數的畸變。衍射法：測量薄膜晶格常數的畸變。X X射線衍射射線衍射2 2、薄膜的硬度、薄膜的硬度物質的硬度物質的硬度：一種物質相對于另一物質的抗摩擦性或抗：一種物質相對于另一物質的抗摩擦性或抗刻劃性的能力?？虅澬缘哪芰?。硬度試驗硬度試驗：維氏硬度、庫氏硬度、布氏硬度。：維氏硬度、庫氏硬度、布氏硬度。