薄膜材料匯總物理第二章薄膜力學性質

1、第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 第第三三講講 薄膜的主要力學性能：薄膜的主要力學性能： 附著性質附著性質由薄膜成長的初始階段由薄膜成長的初始階段 內應力內應力 機械性能機械性能 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 1.2 薄膜的附著性質（重要） 理論上理論上需對結合界的了解。需對結合界的了解。 使用上使用上決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。 現無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準確測量技術現無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準確測量技術. . 薄膜的附著性能直接與附著的類型、附著力的性

2、薄膜的附著性能直接與附著的類型、附著力的性 質、工藝、測量方法有關。質、工藝、測量方法有關。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.1.1 薄膜的附著類型 簡單附著簡單附著分明的分界面分明的分界面 擴散附著擴散附著 通過中間層附著通過中間層附著 通過宏觀效應附著通過宏觀效應附著 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 簡單附著：薄膜和基片間形成一個很清楚的分界面，簡單附著：薄膜和基片間形成一個很清楚的分界面， 其附著能其附著能 Wfs=Ef+Es-EfsWfs=Ef+Es-Efs Ef Ef薄膜的表面能薄膜的表面能 EsEs基片的表面能基片的表面能 E

3、fsEfs薄膜與基片之間的界面能薄膜與基片之間的界面能 兩個相似或相容的表面接觸兩個相似或相容的表面接觸 Efs WfsEfs Wfs 兩個完全不相似或不相容的表面接觸兩個完全不相似或不相容的表面接觸 Efs WfsEfs Wfs 表面污染：表面污染： 1.3331.33310-3Pa10-3Pa下下1 1秒后秒后表面會污染表面會污染 一層單分子層。一層單分子層。 簡單物理附著簡單物理附著薄膜與基片間的結合力薄膜與基片間的結合力范德華力范德華力 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 擴散附著擴散附著由兩個固體間相互擴散或溶解而導致由兩個固體間相互擴散或溶解而導致 在薄膜和基

4、片間形成一個漸變界面。在薄膜和基片間形成一個漸變界面。 實現擴散方法：基片加熱法、離子注入法、實現擴散方法：基片加熱法、離子注入法、 離子轟擊法、電場吸引法。離子轟擊法、電場吸引法。 基片加熱法：加溫曲線（工藝）基片加熱法：加溫曲線（工藝） 離子轟擊法：先在基片上淀積一層薄離子轟擊法：先在基片上淀積一層薄20-30nm20-30nm） 金屬膜，再用高能（金屬膜，再用高能（100KeV100KeV）氬離子對）氬離子對 它進行轟擊它進行轟擊 實現擴散實現擴散 再鍍膜再鍍膜 電場吸引法：在基片背面鍍上導體電場吸引法：在基片背面鍍上導體 加電壓加電壓 吸離子吸離子 濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因為濺射粒

5、子動濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因為濺射粒子動 能大能大 擴散。擴散。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 中間層附著中間層附著在薄膜與基片之間形成一個化合物而在薄膜與基片之間形成一個化合物而 附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化 合物合物。 方法：在基片上鍍一層薄金屬層（方法：在基片上鍍一層薄金屬層（TiTi、MoMo、TaTa、 CrCr等）等）. .然后，在其上再鍍需要的薄膜，薄然后，在其上再鍍需要的薄膜，薄 金屬奪取基片中氧金屬奪取基片中氧 中間層表面摻雜。中間層表面摻雜。 通過宏觀效應通過宏觀效應 機械鎖合機械鎖

6、合 雙電層吸引雙電層吸引 功函數不同功函數不同電荷累積電荷累積吸引吸引 電電子子轉轉移移 2 0 /2 d S S 靜靜電電吸吸引引能能E E, ,長長程程力力 新新內內容容！最最近近幾幾年年才才注注意意。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.1.1 2.1.1 附著力的性能（性質）附著力的性能（性質） 三種附著力：三種附著力： 范德華力、化學鍵力、靜電力（機械鎖合）范德華力、化學鍵力、靜電力（機械鎖合） ( (氫鍵）氫鍵） 范德華力（鍵能范德華力（鍵能0.04-0.4eV0.04-0.4eV） 色散力色散力原子繞核運動中原子繞核運動中瞬間偶極瞬間偶極相互作用相互作用

7、 定向力定向力永久偶極矩之間的相互作用永久偶極矩之間的相互作用 誘導力誘導力永久偶極矩的誘導作用永久偶極矩的誘導作用產生的力產生的力 與靜電力相比范德華力是短程力；與靜電力相比范德華力是短程力； 與化學鍵力相比，范德華力是長程力。與化學鍵力相比，范德華力是長程力。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 氫鍵（鍵能氫鍵（鍵能0.1eV0.1eV）離子性的靜電吸引不普離子性的靜電吸引不普 遍，僅在電負性很強的原子之間。遍，僅在電負性很強的原子之間。 化學鍵力（鍵能化學鍵力（鍵能0.4-10eV0.4-10eV） 共價鍵共價鍵 離子鍵離子鍵 金屬鍵金屬鍵 價電子發(fā)生了轉移，價電子

8、發(fā)生了轉移， 短程力，不是普遍存在。短程力，不是普遍存在。 靜電力靜電力薄膜和基體兩種材料的功函數不同，薄膜和基體兩種材料的功函數不同， 接觸后發(fā)生電子轉移接觸后發(fā)生電子轉移界面兩邊積累正負界面兩邊積累正負 電荷電荷 靜電吸引靜電吸引 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.1.3 影響附著力的工藝因素 包括材料性質、基片表面狀態(tài)、基片溫度、淀積包括材料性質、基片表面狀態(tài)、基片溫度、淀積 方式、淀積速率、淀積氣氛等。方式、淀積速率、淀積氣氛等。 基片材料的性質對附著力影響很大基片材料的性質對附著力影響很大 微晶玻璃上淀積鋁膜微晶玻璃上淀積鋁膜氧化鋁與玻璃中硅氧氧化鋁與玻璃

9、中硅氧 化學鍵化學鍵附著力強。附著力強。 鉑、鎳、鈦等金屬基片上淀積金膜鉑、鎳、鈦等金屬基片上淀積金膜金屬鍵金屬鍵 附著力強附著力強 選基片能與薄膜形成化學鍵選基片能與薄膜形成化學鍵附著力強附著力強 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 基片的表面狀態(tài)對附著力影響也很大基片的表面狀態(tài)對附著力影響也很大 基片清洗基片清洗去掉污染層（吸附層使基片表面的化學去掉污染層（吸附層使基片表面的化學 鍵飽和，從而薄膜的附著力差）鍵飽和，從而薄膜的附著力差） 提高附著性能。提高附著性能。 提高溫度提高溫度, ,有利于薄膜和基片之間原子的相互擴散有利于薄膜和基片之間原子的相互擴散 擴散附著有

10、利于加速化學反應形成中間層擴散附著有利于加速化學反應形成中間層 中間層附著中間層附著 須注意：須注意：TT薄膜晶粒大薄膜晶粒大熱應力熱應力其它性能變其它性能變 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 淀積方式：濺射強于蒸發(fā)，電壓（濺射）高淀積方式：濺射強于蒸發(fā)，電壓（濺射）高 附著好附著好 濺射粒子動能大，轟擊表面清洗且使表面活化濺射粒子動能大，轟擊表面清洗且使表面活化 附著強附著強 電鍍膜的附著性能差電鍍膜的附著性能差(有一定數量的微孔）有一定數量的微孔） 附著性能差附著性能差 淀積速率淀積速率 殘留氧分子膜中殘留氧分子膜中中間層少中間層少 附著力下降附著力下降 薄膜結構疏

11、松薄膜結構疏松 內應力大內應力大 淀積氣氛對薄膜附著力的影響淀積氣氛對薄膜附著力的影響 淀積初期淀積初期氧和水蒸氣分壓氧和水蒸氣分壓氧化膜中間層氧化膜中間層附著附著 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.2 附著力的測試方法 機械方法數種如下：機械方法數種如下： 條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、 劃痕法、劃痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、推倒法、摩擦法、扭曲法、 離心法、超聲法、振動法等。離心法、超聲法、振動法等。 2.2.1 條帶法條帶法 三種可能：三種可能： 薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來；薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來；

12、 僅部分剝離下來；僅部分剝離下來； 未剝離未剝離說明薄膜附著好說明薄膜附著好定性測量定性測量 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.2.2 引拉法（定量測量）引拉法（定量測量） 用拉力機或離心、超聲振動儀給樣品加上垂直拉力；用拉力機或離心、超聲振動儀給樣品加上垂直拉力； 單位面積的附著力單位面積的附著力fb=Fb/Afb=Fb/A 2.2.3 劃痕法劃痕法 用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為 0.05nm0.05nm。臨界負荷。臨界負荷薄膜刻劃下來時。薄膜刻劃下來時。 作用薄膜附著力的一種量度。作用薄膜附著力的一種量度。 用

13、光學顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負荷。用光學顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負荷。 薄膜的臨界負荷一般為幾薄膜的臨界負荷一般為幾- -幾百克。幾百克。 單位面積臨界剪切力為：單位面積臨界剪切力為： 2 22 tan aW FPPP r PW ra 單位面積的剝離能單位面積的剝離能:2 11 22 EFxcx 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.2.4 2.2.4 摩擦法摩擦法 用標準的負荷橡皮（含有金剛砂）擦用標準的負荷橡皮（含有金剛砂）擦 用已知高度點矢落下的磨粒（如用已知高度點矢落下的磨粒（如SiCSiC細砂）擦細砂）擦 1 1 (/ )( ) () ,l

14、glglg , ( )( ) () ( ) ll v cm hRR t b dvtbvt dl RRt tR vbv l R tR t b dvt R t 設設磨磨失失速速率率恒恒定定，則則薄薄膜膜電電阻阻： 當當，則則 為為摩摩擦擦時時間間 若若編編夠夠規(guī)規(guī)律律，說說明明薄薄膜膜結結構構成成分分和和雜雜質質在在 縱縱深深方方向向上上分分布布不不均均勻勻由由此此可可了了解解，薄薄膜膜縱縱深深分分布布( (分分層層) )性性質質。 若若從從一一定定數數值值突突然然變變到到無無限限大大表表示示薄薄膜膜是是物物理理附附著著 （只只有有物物理理附附著著，界界面面成成分分和和性性質質不不連連續(xù)續(xù)） 若若

15、 ( )R t是是漸漸變變，則則薄薄膜膜是是化化學學附附著著（有有中中間間層層過過渡渡） 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.3 2.3 薄膜的內應力薄膜的內應力 內應力定義：薄膜內部單位截面上所承受的力，內應力定義：薄膜內部單位截面上所承受的力， 稱為內應力。在內部自己產生的應力。稱為內應力。在內部自己產生的應力。 張應力過大張應力過大薄膜開裂、基片翹曲。薄膜開裂、基片翹曲。 壓應力過大壓應力過大薄膜起皺或脫落。薄膜起皺或脫落。 + + 在張應力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢在張應力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢 過大過大薄膜開裂。薄膜開裂。 - - 在壓應力作用下

16、，薄膜內部有向表面擴散的趨勢在壓應力作用下，薄膜內部有向表面擴散的趨勢 過大過大脫落。脫落。 薄膜內應力的來源尚未形成定論。薄膜內應力的來源尚未形成定論。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2.3.1 內應力的類別與起源內應力的類別與起源 按起源分：熱應力按起源分：熱應力薄膜和基片的熱脹系數不同薄膜和基片的熱脹系數不同 而引起的。而引起的。 本征應力本征應力-來自于薄膜的結構因素來自于薄膜的結構因素 和缺陷。和缺陷。 按應力性質分：張應力、壓應力按應力性質分：張應力、壓應力 Pa Pa Pa Pa 9 9 常常7878 6 6 常常8 8 難難熔熔金金屬屬膜膜1010

17、金金屬屬薄薄膜膜張張應應力力 貴貴金金屬屬膜膜10101010 易易熔熔金金屬屬膜膜5 105 10 介介質質薄薄膜膜壓壓應應力力1010數數量量級級 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 由于薄膜中的內應力分布是不均勻的，即薄由于薄膜中的內應力分布是不均勻的，即薄 膜內各個分層的應力大小不同膜內各個分層的應力大小不同兩種內應力兩種內應力： 0 , , ( ) F FF F d F S Sd d dS dSdz dz Sz dzS F F z z 平平均均應應力力：薄薄膜膜單單位位寬寬度度的的應應力力，薄薄膜膜厚厚度度 微微分分應應力力：在在z z處處，增增加加的的薄薄層層

18、中中單單位位寬寬度度的的內內應應力力 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 () 1 FFSd F S d E TT E T T (1)(1)熱熱應應力力：由由薄薄膜膜和和基基體體的的熱熱膨膨脹脹系系數數有有所所差差別別而而引引起起的的， 是是可可逆逆的的。薄薄膜膜熱熱應應力力的的數數學學表表達達式式： 彈彈性性模模量量， 薄薄膜膜的的熱熱脹脹系系數數， 基基片片的的熱熱脹脹系系數數 薄薄膜膜淀淀積積溫溫度度， 測測量量溫溫度度 按應力起源分類：熱應力、本征應力按應力起源分類：熱應力、本征應力 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 12 21 2 , 1

19、 FF FF F E G x EE y EE E l l t t l lt tt tl l 1 1 2 2 1 11 12 2 證證明明如如下下： 張張應應力力或或壓壓應應力力應應變變：, , 切切應應力力切切應應變變： 縱縱向向應應變變和和橫橫向向應應變變的的關關系系為為：，泊泊松松比比 方方向向應應變變： 方方向向應應變變： 若若薄薄膜膜應應力力，則則 由由 () () 1 FFSd FFSd TT E TT 于于薄薄膜膜和和基基片片的的熱熱脹脹系系數數不不同同，薄薄膜膜的的熱熱應應變變?yōu)闉?帶帶入入上上式式有有：薄薄膜膜熱熱應應力力：，。證證畢畢 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性

20、質薄膜的力學性質 61 61 61 61 8 10 102010 0 304010 102010 S F F S F K K K K 可可見見：采采用用選選擇擇基基片片或或者者改改變變淀淀積積溫溫度度的的辦辦法法來來 改改變變薄薄膜膜中中的的熱熱應應力力的的大大小小和和性性質質。 例例如如：玻玻璃璃基基片片 金金屬屬薄薄膜膜 熱熱應應力力張張應應力力 堿堿金金屬屬鹵鹵化化物物基基片片 金金屬屬薄薄膜膜 0 F 熱熱應應力力壓壓應應力力 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 12 1212 12 , dFdF dF dFdFdF dF dF 1212 1212 FFFF FF

21、FFFFFF 一一般般材材料料能能承承受受的的壓壓應應力力遠遠大大于于張張應應力力。所所以以選選擇擇基基片片和和 淀淀積積薄薄膜膜溫溫度度，使使薄薄膜膜處處于于壓壓應應力力狀狀態(tài)態(tài)為為好好。 在在基基片片上上淀淀積積有有雙雙層層薄薄膜膜時時，其其中中的的熱熱應應力力可可用用加加權權式式求求出出： （+ +）即即 + + 釋釋放放薄薄膜膜中中內內應應力力的的有有效效方方法法：在在薄薄膜膜與與基基片片之之間間加加上上一一層層很很 薄薄的的易易于于塑塑變變的的薄薄膜膜，從從而而使使上上面面的的薄薄膜膜能能可可靠靠的的工工作作。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 界界面面應應力

22、力 （2 2）本本征征應應力力 生生長長應應力力 A A、在在界界面面處處薄薄膜膜與與基基片片的的結結構構失失配配形形成成的的內內應應力力， 在在界界面面處處將將產產生生一一個個有有相相當當厚厚度度的的過過渡渡層層。 界界面面應應力力： 本本征征應應力力B B、在在界界面面處處有有相相當當高高的的缺缺陷陷密密度度和和雜雜質質密密度度引引 起起嚴嚴重重的的 克克羅羅克克霍霍姆姆模模型型 界界面面失失配配產產生生界界面面應應力力。 生生長長應應力力：來來源源于于薄薄膜膜在在生生長長過過程程中中所所形形成成的的各各種種結結構構缺缺陷陷。 ：假假設設在在薄薄膜膜生生長長過過程程中中，由由于于其其表表面

23、面迅迅速速前前進進，許許多多 0 d d dS Sdz dz 薄薄膜膜本本征征張張應應 無無序序結結構構層層被被埋埋在在下下面面，被被埋埋個個無無序序層層的的逐逐漸漸退退火火和和 收收縮縮，引引起起生生長長應應力力- -。 （z z）常常數數（z z），即即薄薄膜膜單單位位寬寬度度上上的的應應力力S S與與 薄薄膜膜厚厚度度 力力 d d成成正正比比。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 00 exp() S S Q v RT QR vHzT RR 0 0 1414 0 0 薄薄膜膜表表面面從從無無序序態(tài)態(tài)到到有有序序態(tài)態(tài)的的轉轉化化速速率率為為： = =阿阿倫倫尼尼烏烏

24、斯斯關關系系式式， 式式中中活活化化能能，氣氣體體常常數數， 原原子子的的振振動動頻頻率率，約約為為1010，基基片片溫溫度度 設設為為薄薄膜膜的的生生長長速速率率，即即每每秒秒個個單單原原子子層層， 生生長長應應力力的的定定量量分分析析薄薄膜膜的的有有序序化化機機理理 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 0 0 0 R R R A A、當當表表示示在在表表面面暴暴露露的的時時間間內內，有有序序化化的的原原子子少少， 很很多多缺缺陷陷被被埋埋在在表表層層以以下下，因因而而薄薄膜膜的的生生長長應應力力很很大大。 B B、當當表表示示在在表表面面暴暴露露的的時時間間內內，有有

25、序序化化的的原原子子多多， 因因而而只只有有少少數數的的缺缺陷陷被被埋埋在在下下面面，所所以以薄薄膜膜的的生生長長應應 力力很很小小。 C C、當當薄薄膜膜的的生生長長應應力力發(fā)發(fā)生生明明顯顯變變化化，這這時時對對應應 的的溫溫度度是是有有序序化化溫溫度度。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 0 14 0 1 1exp()lnln1032.2 1 32.232.2 8.31459.5 4.5 1420 1 1420315.5 4.5 SS Smm m R QQ Rvv RTRT QRTTT TC CC Q 0000 克克羅羅克克霍霍姆姆令令，得得到到有有序序化化溫溫度度

26、是是薄薄膜膜材材料料熔熔點點的的1/4.51/4.5 （實實驗驗結結果果） 由由此此可可求求出出原原子子的的有有序序化化活活化化能能。 有有序序化化活活化化能能 因因此此，對對于于硅硅薄薄膜膜來來說說 有有序序化化溫溫度度= =， 有有序序化化活活化化能能59.584490 / m TJ mol K 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 8 10 add bPa 薄薄膜膜本本征征應應力力與與膜膜厚厚的的關關系系如如圖圖, ,在在薄薄膜膜生生長長過過程程中中, , 電電鏡鏡觀觀察察的的結結果果。 、 大大時時， 與與 關關系系小??； 、 數數量量級級，且且大大多多數數膜膜室室

27、溫溫下下 本本征征應應力力結結論論: : 屬屬張張應應力力； c c、本本征征應應力力不不太太依依從從于于基基片片材材料料。 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 2 2 2 2 2 2 / / / / / / N m N m N m N m N m N m 8 8 8 8 2 2 8 8 8 8 2 2 8 8 2 2 8 8 在在玻玻璃璃上上沉沉積積AgAg膜膜層層張張應應力力、本本征征應應力力0.75 100.75 10 在在玻玻璃璃上上沉沉積積MgFMgF 膜膜層層張張應應力力、本本征征應應力力2.0 102.0 10 在在玻玻璃璃上上沉沉積積ZnSZnS膜膜層層壓

28、壓應應力力、本本征征應應力力1.0 101.0 10 在在玻玻璃璃上上沉沉積積SnOSnO 膜膜層層張張應應力力、本本征征應應力力0.008 100.008 10 在在玻玻璃璃上上沉沉積積TiOTiO 膜膜層層壓壓應應力力、本本征征應應力力0.5 100.5 10 在在藍藍寶寶石石上上沉沉積積硅硅SiSi膜膜層層壓壓應應力力、本本征征應應力力5.0 105.0 10 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學性質薄膜的力學性質 使使薄薄膜膜處處于于壓壓應應力力狀狀態(tài)態(tài)選選基基片片材材料料； 1 1、基基片片情情況況 基基片片表表面面晶晶格格結結構構須須與與薄薄膜膜相相匹匹配配； 基基片片溫溫度度（淀淀積積時時）對對內內應應力力影影響響大大。 2 2、淀淀積積基基片片溫溫度度吸吸附附原原子子在在基基片片表表面面的的遷遷移移能能力力 決決定定