材化本科論文04

摘要本文以TaN薄膜中的剩余應(yīng)力為主要研究對象，分別從實(shí)驗(yàn)和理論上對薄膜中的剩余應(yīng)力進(jìn)行了分析。所研究TaN薄膜由物理氣相沉積的方法制得，制備過程中以不同參數(shù)為變量，如反響氣體流量、基體溫度、功率、工作壓力等。使用掃描電鏡觀察了薄膜的組織形貌，用能譜儀測量了薄膜的成分，用X射線衍射儀標(biāo)定了薄膜的相結(jié)構(gòu)，用X射線應(yīng)力測量儀測量了薄膜在不同工藝下的剩余應(yīng)力，并從量子力學(xué)角度分析剩余應(yīng)力產(chǎn)生的原因。結(jié)果說明：隨著氮?dú)饬髁康脑黾樱∧さ木ЯＷ兗?xì)，薄膜中氮含量升高，相轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏拿嫘牧⒎絋aN，剩余應(yīng)力升高；基體溫度升高，剩余應(yīng)力增大；工作壓力增加，剩余應(yīng)力升高；此外，濺射功率的改變導(dǎo)致薄膜厚度的改變，進(jìn)而引起薄膜中剩余應(yīng)力改變。當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁?sccm，基體溫度25℃，功率150W，工作壓力0.3Pa時，沉積得到關(guān)鍵詞：TaN薄膜；剩余應(yīng)力；物理氣相沉積；相分析

ABSTRACTInthispaper,theTaNfilmswerepreparedbyphysicalvapordeposition(PVD).TheresidualstressinTaNfilmswasdeterminedbyX-raydiffractionmethodsandtheinfluencesoffilmdepositionparameters,suchasreactivegasflux,substratetemperature,powerandworkingpressure,ontheresidualstresswereinvestigated.Themechanismofresidualstressformationwasdiscussedbyquantummechanicstheory.Themicrostructures,compositionsandphaseswerealsostudiedbymeansofscanningelectronmicroscope(SEM),energydispersespectroscopy(EDS)andX-raydiffraction(XRD),respectively.ResultsshowthattheTaNfilmsdepositedonhighernitrogengasfluxhavefinergrains,highernitrogencontent,singlefcc-TaNphasestructureandhigherresidualstress.Withtheincreaseofthefilmdepositiontemperaturetheresidualstressinthefilmincreases.Theresidualstressinthesefilmsdepositedonthehigherworkpressureisalsohigher.Inaddition,thesputteringpoweraffectsthefilmthicknessandsequentiallyinfluencestheresidualstressinthefilm.ThefollowingdepositionconditionsmaybeinfavorofpreparingtheTaNfilmwithlowestresidualstress:nitrogengasfluxof2sccm,substratetemperatureof25℃,powerof150W,workingpressureof0.3Keywords：TaNfilms；residualstress；physicalvapordeposition；phaseanalysis

目錄第1章緒論 11.1概述 11.2物理氣相沉積 21.2.1物理氣相沉積〔PVD〕概述 21.2.2濺射技術(shù) 31.2.3磁控濺射 51.3鉭系薄膜的性能及應(yīng)用 71.3.1鉭的根本性能 71.3.2氮化鉭的性能與應(yīng)用 71.4薄膜剩余應(yīng)力 81.4.1薄膜剩余應(yīng)力的產(chǎn)生 91.4.2剩余應(yīng)力測定原理 10薄膜剩余應(yīng)力的測定方法 141.5本畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 16第2章TaN薄膜的制備及表征方法 172.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料 172.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 172.1.2實(shí)驗(yàn)材料 172.2薄膜的制備過程 17薄膜制備條件 172.2.2基片前處理 172.2.3濺射 182.3薄膜的表征 192.3.1物相〔XRD〕的測定 192.3.2組織形貌觀察〔SEM〕 202.3.3剩余應(yīng)力測試 212.6本章小結(jié) 23第3章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 243.1反響氣體流量的影響 243.1.1薄膜組織形貌及成分 25 不同氮分壓的TaN薄膜相結(jié)構(gòu) 273.1.3反響氣體流量對剩余應(yīng)力的影響 283.2基體溫度的影響 293.2.1薄膜組織形貌與相結(jié)構(gòu) 293.2.2基體溫度對剩余應(yīng)力的影響 313.3功率對薄膜剩余應(yīng)力的影響 323.3.1薄膜組織形貌與相結(jié)構(gòu) 323.3.2濺射功率對剩余應(yīng)力的影響 343.4工作壓力的影響 353.5剩余應(yīng)力機(jī)理分析 373.6本章小結(jié) 42結(jié)論 43參考文獻(xiàn) 44致謝 47第1章緒論1.1概述在材料科學(xué)的各個分支中，薄膜材料科學(xué)的開展一直占據(jù)著極為重要的位置。薄膜材料受到重視的原因在于它往往具有特殊的材料性能或性能組合?，F(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)已不再僅僅是局限于研究宏觀體材料的成分，制備，后處理，結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的一門學(xué)科，薄膜材料作為材料科學(xué)的一個快速開展分支，在科學(xué)技術(shù)以及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用[1]。外表和薄膜科學(xué)是微電子、光電子和磁工業(yè)的物理根底，是現(xiàn)代社會技術(shù)進(jìn)步的科學(xué)保證[2]。在微觀以至原子水平上研究和操縱外表讓我們能夠理解許多具有重要技術(shù)意義之器件的制作與運(yùn)行。外表技術(shù)，從廣義上講，它是一個十分寬廣的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是具有極高使用價值的根底技術(shù)。隨著工業(yè)的現(xiàn)代化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，以及高新技術(shù)和現(xiàn)代國防用先進(jìn)武器的開展，對各種材料外表性能的要求愈來愈高。20世紀(jì)80年代，被列入世界10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一的外表技術(shù)，經(jīng)過20余年的開展，已成為一門新興的，跨學(xué)科的，綜合性強(qiáng)的先進(jìn)根底與工程技術(shù)，形成支撐當(dāng)今技術(shù)革新與技術(shù)革命開展的重要因素。材料外表技術(shù)與工程是把材料的外表與基體作為一個統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性，以最經(jīng)濟(jì)，最有效的方法改善材料外表及近外表區(qū)的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)，并賦予材料外表新的復(fù)合性能；使許多新構(gòu)思、新材料、新器件，實(shí)現(xiàn)了新的工程應(yīng)用。我們把這種綜合化的，用于提高材料外表性能的各種新技術(shù)，統(tǒng)稱為現(xiàn)代材料外表技術(shù)[3~5]。運(yùn)用現(xiàn)代的外表沉積方法，在部件或襯底外表上沉積出厚度為100nm至數(shù)微米厚的一種沉積技術(shù)，稱為薄膜沉積技術(shù)。薄膜技術(shù)的內(nèi)容包括薄膜材料，薄膜沉積制備技術(shù)，薄膜分析表征；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用或工程應(yīng)用，還包括薄膜設(shè)計(jì)與選擇技術(shù)等。從現(xiàn)代外表薄膜沉積制備技術(shù)方法上講，這里所指的現(xiàn)代外表薄膜沉積方法主要是“氣相沉積〞的薄膜制備，它包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩大類[3]。在本文的研究中采用物理氣相沉積的方法制備了TaN薄膜，研究其制備工藝對剩余應(yīng)力的影響，從而得出最優(yōu)工藝，為薄膜的制備提供借鑒。1.2物理氣相沉積物理氣相沉積〔PVD〕概述氣相沉積的根本過程包括三個步驟：即提供氣相鍍料；鍍料向所鍍制的工件(或基片)輸送；鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層。沉積過程中假設(shè)沉積粒子來源于化合物的氣相分解反響，那么稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)；否那么稱為物理氣相沉積(PVD)。氣相沉積的根本過程如下[6]：(1)氣相物質(zhì)的產(chǎn)生：一類方法是使鍍料加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；另一類是用具有一定能量的離子轟擊靶材(鍍料)，從靶材上擊出鍍料原子，稱為濺射鍍膜。(2)氣相物質(zhì)的輸送：氣相物質(zhì)的輸送要求在真空中進(jìn)行，這主要是為了防止氣體碰撞阻礙氣相鍍料到達(dá)基片。在高真空度的情況下(真空度為10-2Pa)，鍍料原子很少與剩余氣體分子碰撞，根本上是從鍍料源直線前進(jìn)到達(dá)基片；在低真空度時(如真空度為10Pa)，那么鍍料原子會與剩余氣體分子發(fā)生碰撞而繞射，但只要不過于降低鍍膜速率還是允許的。如真空度過低，鍍料原子頻繁碰撞會相互凝聚為微粒，那么鍍膜將過程無法進(jìn)行。(3)氣相物質(zhì)的沉積：氣相物質(zhì)在基片上沉積是一個凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。鍍料原子在沉積時，可與其它活性氣體分子發(fā)生化學(xué)反響而形成化合物膜，稱為反響鍍。在鍍料原子凝聚成膜的過程中，還可以同時用具有一定能量的離子轟擊膜層．目的是改變膜層的結(jié)構(gòu)和性能，這種鍍膜技術(shù)稱為離子鍍。蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類根本鍍膜技術(shù)[7]。以此為根底，又衍生出反響鍍和離子鍍。其中反響鍍在工藝和設(shè)備上變化不大，可以認(rèn)為是蒸鍍和濺射的一種應(yīng)用；而離子鍍在技術(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類鍍膜技術(shù)。表1.1所示為PVD三種技術(shù)工藝特點(diǎn)的比擬[8]。表1.1PVD技術(shù)三種工藝特點(diǎn)的比擬蒸鍍?yōu)R射離子鍍沉積粒子能量中性原子入射離子0.1~1eV1~10eV0.1~1eV〔另含高能原子〕沉積速率μm/min0.1~700.1~0.5〔磁次控濺射較高〕0.1~50膜層特點(diǎn)附著力內(nèi)應(yīng)力不好拉應(yīng)力較好多為壓應(yīng)力很好依工藝條件靶材離化率磁控濺射可達(dá)1%~5%50%~100%濺射技術(shù)濺射鍍膜是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料外表，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。濺射現(xiàn)象早在19世紀(jì)就被發(fā)現(xiàn)。50年前有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)空中制成薄膜[6，9]。60年代制成集成電路的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用。1965年IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。以后又開展了很多新的濺射方法，研制出多種濺射鍍膜裝置如二極濺射、三極(包括四極)濺射、磁控濺射、對向靶濺射、離子束濺射等。在上述這些濺射方式中，如果在Ar中混入反響氣體，如O2，N2，CH4，C2H2等，可制得靶材料的氯化物、氮化物、碳化物等化合物薄膜，這就是反響濺射；在成膜的基片上，假設(shè)施加直到－500V的電壓，使離子轟擊膜層的同時成膜，使膜層致密，改善膜的性能，這就是偏壓濺射；在射頻電壓作用下。利用電子和離子運(yùn)動特性的不同，在靶的外表上感應(yīng)出負(fù)的直流脈沖，而產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象，對絕緣體也能進(jìn)行濺射鍍膜，這就是射頻濺射。濺射鍍膜有兩種。一種是在真空室中，利用離子束轟擊靶外表，使濺射出的粒子在基片外表成膜，這稱為離子束濺射。離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價格較貴．只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的薄膜時才采用離子束濺射。另一種是在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶外表，并使濺射出的粒子堆積在基片上。當(dāng)入射離子的能量在100eV~10keV范圍時，離子會從固體外表進(jìn)入固體的內(nèi)部，與構(gòu)成固體的原子和電子發(fā)生碰撞。如果反沖原子的—局部到達(dá)固體的外表，且具有足夠的能量，那么這局部反沖原子就會克服逸出功而飛離固體外表，這種現(xiàn)象即為離子濺射。在離子濺射的研究中，濺射產(chǎn)額是大家最關(guān)心的。一般把對應(yīng)一個入射離子所濺射出的中性原子數(shù)叫做濺射產(chǎn)額。顯然，濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、靶的材質(zhì)、入射角等密切相關(guān)。圖1.1濺射產(chǎn)額與入射離子能量關(guān)系[6]圖1.1是濺射產(chǎn)額與入射離子能量Wi的關(guān)系示意圖。由圖可見，當(dāng)離子能量低于濺射閥值時，濺射現(xiàn)象不發(fā)生，對于大多數(shù)金屬來說，濺射閥值在20~40eV之間。在離子能量Wi超過濺射閥值之后，隨著離于能量的增加，在150eV之前濺射產(chǎn)額與離子能量Wi的平方成正比。在150eV~lkeV范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與Wi成正比。在1~l0keV范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額變化不顯著。能量再增加濺射產(chǎn)額顯示出下降的趨勢。濺射產(chǎn)額依入射離子的種類和靶材的不同而異。入射離子中Ne，Ar，Kr，Xe等惰性氣體可得到高的濺射產(chǎn)額，在通常的濺射裝置中，從經(jīng)濟(jì)方面考慮多用Ar。各種靶材的濺射產(chǎn)額隨原子序數(shù)變化呈周期性改變，Cu，Ag，Au等濺射產(chǎn)額最高，Ti，Zr，Nb，Mo，Hf，Ta，W等最小。與熱蒸發(fā)原子所具有的熱能(300K、大約為0.04eV，1500K、大約為0.2eV)相比濺射原子的能量大，大約為10eV，后者為前者的50—150倍[6]。離子濺射的方法有很多：直流二級濺射、三級和四級濺射、射頻濺射、磁控濺射、合金膜的鍍制、化合物膜的鍍制和離子束濺射等，下面將對本實(shí)驗(yàn)中使用的磁控濺射方法做詳細(xì)的介紹。磁控濺射磁控濺射是70年代迅速開展起來的新型濺射技術(shù)，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二級濺射相比提高了一個數(shù)圖1.2平面磁控濺射靶[6]量級。具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。高速是指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低、對膜層的損傷小。1974年Chapin創(chuàng)造了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動作用。磁控濺射特點(diǎn)是在陰極靶面上建立—個環(huán)狀磁靶如圖1.2，以控制二次電子的運(yùn)動，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場加速之后飛向陽極。實(shí)際上，任何濺射裝置都有附加磁場以延長電子飛向陽極的行程。其目的是讓電子盡可能多產(chǎn)生幾次碰撞而發(fā)生電離，從而增加等離子體密度，提高濺射效率。只不過磁控濺射所采用的環(huán)形磁場對二次電子的控制要更加嚴(yán)密。磁控濺射所利用的環(huán)狀磁場迫使二次電子跳欄式地沿著環(huán)狀磁場轉(zhuǎn)圈相應(yīng)地，環(huán)狀磁場控制的區(qū)域是等離子體密度最高的部位。在磁控濺射時，可以看見濺射氣體—?dú)鍤庠谶@部位發(fā)出強(qiáng)烈的淡藍(lán)色輝光，形成一個光環(huán)。處于光環(huán)下的靶材是被離子轟擊最嚴(yán)重的部位，會濺射出一條環(huán)狀的溝槽。環(huán)狀磁場是電子運(yùn)動的軌道，環(huán)狀的輝光和溝槽將其形象地表現(xiàn)了出來。能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運(yùn)動，路程足夠長，每個電子使原子電離的時機(jī)增加，而且只有在電子的能量耗盡以后才能脫離靶外表落在陽極(基片)上，這是基片溫升低、損傷小的主要原因。高密度等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不與基片接觸。這樣電離產(chǎn)生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化率大大增加。磁控濺射靶大致可分為柱狀靶和平面靶兩大類。柱狀靶原理結(jié)構(gòu)簡單，但其形狀限制了它的用途。在工業(yè)生產(chǎn)中多應(yīng)用的是矩形平面靶，目前已有長度達(dá)4m的矩形靶用于鍍制窗玻璃的隔熱膜，讓基片連續(xù)不斷地由矩形靶下方通過，不但能鍍制大面積的窗玻璃，還適于在成卷的聚酯帶上鍍制各種膜層。還有一種是濺射槍(S-槍)，它的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般要配合行星式夾具使用，應(yīng)用較少[6，7，10]。磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導(dǎo)致整塊靶材的報(bào)廢，所以靶材的利用率就不是很高，一般都低于40％。這也是磁控濺射過程中的主要缺點(diǎn)所在。1.3鉭系薄膜的性能及應(yīng)用鉭的根本性能鉭屬于第VB族第6周期元素，原子序數(shù)73，原子量18.095，密度為16.6g/cm3，熔點(diǎn)為2996℃，屬稀有難熔金屬。常溫塊狀材料為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc的晶體結(jié)構(gòu))，晶格常數(shù)a=0.32959nm。在濺射沉積的鉭薄膜中，四方晶體結(jié)構(gòu)的β-Ta通常被生成，在特定條件下，面心立方α-Ta以及二者的混合相被生成[11]。鉭除了具有化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度大、成形性良好和高斷裂韌性等特點(diǎn)外，還具有與人體組織的穩(wěn)定性和愈合性，無毒性，表現(xiàn)出良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性[12]。氮化鉭的性能與應(yīng)用氮化鉭的相結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜，相達(dá)11種，如穩(wěn)態(tài)相六方結(jié)構(gòu)的y-Ta2N，ε-TaN，以及亞穩(wěn)態(tài)的面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的δ-TaN、六方結(jié)構(gòu)的Ta5N6、四方結(jié)構(gòu)的Ta4N5和斜方結(jié)構(gòu)的Ta3N5等等，并且尚有未探明的結(jié)構(gòu)存在?；瘜W(xué)計(jì)量比的穩(wěn)態(tài)六方晶體結(jié)構(gòu)TaN的晶格參數(shù)a=0.5181nm，c=02903nm；濺射沉積的氮化鉭薄膜主要為面心立方δ-TaN，該結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)為a=0.43399nm。TaN的熔點(diǎn)達(dá)3000℃左右，密度為14.4g/cm3。TaN的復(fù)雜性起因于該系統(tǒng)是一種缺陷性結(jié)構(gòu)，其化學(xué)計(jì)量比具有不確定性。TaN薄膜的化學(xué)和相成分主要依賴于薄膜的制備技術(shù)和工藝。氮化鉭具有高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)越的熱傳導(dǎo)性、低電阻溫度系數(shù)(TCR)等優(yōu)點(diǎn)，也是Si的穩(wěn)定接觸材料，主要應(yīng)用于薄膜電阻及微電子領(lǐng)域的金屬(Al，Cu等)和半導(dǎo)體(Si，GaAs)或介質(zhì)(SiO2)之間的防擴(kuò)散層；同時具有良好的耐磨損、耐氧化腐蝕特性，在高溫下仍表現(xiàn)出高硬度和強(qiáng)韌性，因此，作為一種高溫硬質(zhì)涂層同樣有很好的應(yīng)用價值，TaN在生物材料方面的應(yīng)用研究還處于起步階段。國內(nèi)外對氮化鉭薄膜機(jī)械性能研究較少，還未像氮化鈦薄膜那樣大量地、系統(tǒng)地研究。冷永祥等通過研究說明，磁控反響濺射合成的氮化鉭薄膜具有優(yōu)異的抗凝血性能。WardLP[13]等人指出鉭的氮化物既可以改善生物材料的耐磨性和抗蝕性，又保證了材料的生物相容性。LengYX[14]等采用反響濺射法制備了氮化鉭，研究了氮化鉭在生物材料外表改性中的應(yīng)用，得出氮化鉭薄膜具有良好的血液相容性和優(yōu)越的力學(xué)性能，認(rèn)為在人工心臟瓣膜的外表改性中有很好的應(yīng)用前景。在通信方面無論是數(shù)據(jù)、語音還是視頻，信息必須及時傳輸。效勞的中斷或不可靠經(jīng)常會促使客戶轉(zhuǎn)換到其它效勞供給商。然而，通信設(shè)備制造商仍然在無視無源器件的可靠性風(fēng)險，特別是電阻器。在通信應(yīng)用中，正如任何其它電子系統(tǒng)中一樣，電路的可靠性取決于最弱的地方。事實(shí)上，電阻器確實(shí)會影響電路的可靠性。用來制造精確片狀電阻的材料有兩種：鎳鉻和氮化鉭。采用這兩種材料的電阻具有類似的性能特征，只有一點(diǎn)不同--那就是防潮性能。與鎳鉻電阻薄膜不同，氮化鉭片狀電阻不會由于封裝或保護(hù)涂層的完整性不佳而導(dǎo)致器件災(zāi)難性故障。當(dāng)暴露在空氣中時，氮化鉭薄膜外表會自然形成一層氧化層，從而在有水汽和電壓存在的情況下保護(hù)薄膜不受到侵蝕。正是這層自鈍化的氧化層為氮化鉭片狀電阻提供了優(yōu)異的防潮性能。而鎳鉻片狀電阻必須依靠封裝的完整性和鞏固性來防止?jié)駳馇治g鎳鉻薄膜。利用氮化鉭薄膜制造的片狀電阻是自鈍化的，電阻單元外表的保護(hù)性氧化層保護(hù)其不會出現(xiàn)故障，即使在濕氣存在的時候也是如此。氮化鉭薄膜電阻不依賴密封完整性就可保護(hù)通信電路不會因濕氣的影響而發(fā)生災(zāi)難性故障[15]。1.4薄膜剩余應(yīng)力應(yīng)力可分為三類，第一類應(yīng)力是在物體較大范圍或許許多多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力，稱之為宏觀應(yīng)力(工程上稱之為剩余應(yīng)力)，它能引起衍射線的位移。第二類應(yīng)力是在一個或少數(shù)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力，一般能使衍射線條變度，但有時也會引起線條位移．如對兩相材料中每個單相的衍射線作觀察時所說明的那樣。第三類應(yīng)力是在假設(shè)干個原子范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力，它能使衍射線強(qiáng)度減弱。通常又把第二類和第三類應(yīng)力合稱為微觀應(yīng)力[16]。薄膜剩余應(yīng)力的產(chǎn)生薄膜剩余應(yīng)力一直是導(dǎo)致薄膜及相關(guān)器件失效的一個十分重要的原因。薄膜剩余應(yīng)力隨薄膜厚度的增加而增大會引起厚膜的剝落，從而限制了薄膜的厚度；在半導(dǎo)體中，薄膜剩余應(yīng)力將影響禁帶漂移；在超導(dǎo)體中，剩余應(yīng)力影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度以及磁各向異性；薄膜剩余應(yīng)力還引起基體的變形，這在集成電路技術(shù)中是極為有害的。并且，應(yīng)力還會導(dǎo)致其它一些問題的出現(xiàn)，如：弱化結(jié)合強(qiáng)度、產(chǎn)生晶體缺陷、破壞外延生長薄膜的完整性在薄膜外表產(chǎn)生異常析出、影響鐵電薄膜電滯回線及蝶形曲線等等[17]?；诒∧なＳ鄳?yīng)力的重要性，研究薄膜剩余應(yīng)力是很有意義的。目前，一般認(rèn)為薄膜的應(yīng)力分為外應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力又分為熱應(yīng)力和本征應(yīng)力，本征應(yīng)力又分為界面應(yīng)力和生長應(yīng)力。薄膜的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的研究很多，主要理論模型有：熱收縮效應(yīng)、相轉(zhuǎn)移效應(yīng)、空位的消除、外表張力(外表能)和外表層外表張力和晶粒間界弛豫、界面失配、雜質(zhì)效應(yīng)、原子離子埋入效應(yīng)[18]。從量子力學(xué)的理論可以這樣解釋薄膜應(yīng)力的產(chǎn)生：本征應(yīng)力的產(chǎn)生是由于基體與薄膜的晶格常數(shù)不匹配造成的，而晶格常數(shù)的不匹配是由于薄膜與基體的不同(導(dǎo)致勢能函數(shù)、鍵合力和勢能最低點(diǎn)的不同)和原了云大小的不同所共同作用的結(jié)果[17，19]。而不同材料的原子云隨著溫度的增大(減小)的比例一般是不相同的，這樣溫度的不同對于不同的材料一般也會有熱應(yīng)力的出現(xiàn)，這就是膨脹系數(shù)導(dǎo)致薄膜熱應(yīng)力出現(xiàn)的根本原因。剩余應(yīng)力測定原理最簡單的受力狀態(tài)是單軸拉伸。假設(shè)，有一根橫截面積為A的試棒，在軸面Z施加應(yīng)力F，它的長度將由受力前的L0變?yōu)槔旌蟮腖f，所產(chǎn)生的應(yīng)變εZ為〔1.1〕根據(jù)虎克定律，其彈性應(yīng)力σz為〔1.2〕式中，E為彈性模量。在拉伸過程中，試樣的直徑將由拉伸前的D0變?yōu)槔旌蟮腄f，徑向應(yīng)變εx和εy為：〔1.3〕與此同時，試樣各晶粒中與軸面平行晶面的面間距d也會相應(yīng)地變化，如圖1.3。因此，可用晶面間距的相對變化來表示徑向應(yīng)變：〔1.4〕如果試樣是各向同性的那么εx、εy。εz的關(guān)系為：εx=-εy=μεz〔1.5〕式中μ為泊松比，負(fù)號表示收縮，于是有〔1.6〕由布拉格方程微分得所以〔1.7〕(1.7)式是測定單軸應(yīng)力的根本公式。該式說明，當(dāng)試樣中存在宏觀內(nèi)應(yīng)力時，會使衍射線產(chǎn)生位移。這就給我們提供了用x射線方法測定宏觀內(nèi)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。即可以通過測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，來測定宏觀內(nèi)應(yīng)力。這里還應(yīng)注意到，X射線衍射方法測定的實(shí)際上是剩余應(yīng)變(1.4)式。而宏觀內(nèi)應(yīng)力是通過彈性模量由剩余應(yīng)變計(jì)算出來的(1.6)式。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，x射線衍射法的目的是測定沿試樣外表某一方向上的宏觀內(nèi)應(yīng)力σΦ。為此，要利用彈性力學(xué)理論求出σΦ的表達(dá)式，將其與晶面間距或衍射角的相對變化聯(lián)系起來，得到測定宏觀應(yīng)力的根本公式。由彈性力學(xué)原理可知．在一個受應(yīng)力作用的物體內(nèi)，不管其應(yīng)力系統(tǒng)如何變化，在變形區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)或取一無限小的單元六面體各面上切應(yīng)力τ為零的正交坐標(biāo)系統(tǒng)。在這種情況下，沿X，Y，Z軸向的正應(yīng)力σx，σy，σz。分別用σ1，σ2，σ3表示，稱為主應(yīng)力。與其相對應(yīng)的ε1，ε2，ε3稱為主應(yīng)變。利用“力的獨(dú)立作用原理〞(疊加原理)可以得到用廣義虎克定律描述的主應(yīng)力和主應(yīng)變的關(guān)系〔1.8〕根據(jù)彈性力學(xué)原理可以導(dǎo)出，在主應(yīng)力(或主應(yīng)變)坐標(biāo)系統(tǒng)中、任一方向上正應(yīng)力或正應(yīng)變)與主應(yīng)力(或主應(yīng)變)之間的關(guān)系為：〔1.9〕圖1.3軸向拉伸[16]圖1.4主應(yīng)力〔主應(yīng)變〕與分量的關(guān)系[16]式中α1α2α3分別為σΦ與主應(yīng)力(主應(yīng)變)夾角的方向余弦，Φ為σΦ與試樣外表(XY面)法向的夾角，如圖1.4所示。(1.10)由圖1.4可以看出，σΦ在XY平面(試樣外表)上的投影即σΦ。Φ=90°時，由(1.9)和(1.l0)式可得〔1.11〕由于X射線對試樣的穿入能力有限，所以只能測量試樣的表層應(yīng)力。在這種情況下，可近似地把試樣表層的應(yīng)力分布看成為二維應(yīng)力狀態(tài)即σ3=0(ε3≠0)。因此(1.8)式可簡化為〔1.12〕將(1.10)，(1.12)和(1.11)式代人(1.9)式，可得〔1.13〕將(1.13)式對sin2Φ求導(dǎo)，可得〔1.14〕用晶面間距的相對變化(Δd／d)Φ或2θ4角位移Δ2θ4表達(dá)應(yīng)變εΦ．于是有〔1.15〕式中，θ0—無應(yīng)力時的布拉格角；θΦ—有應(yīng)力時的布拉格角。將(1.15)式代人(1.14)式得〔1.16〕在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算時，要將(1.16)式中的2θΦ由弧度換算成角度，因此，要乘上因數(shù)(π/180°)，于是將(1.16)式寫成：〔1.17〕寫成〔1.18〕式中K=-E/2(HV)(公斤／厘米2·度)。對同一部件，中選定了HKL反射面和波長時．K為常數(shù)，稱為應(yīng)力常數(shù)。(1.18)式說明，2θΦ與sin2Φ呈線性關(guān)系，其斜率M＝σΦ／K。如果在不同的Φ角下測量2θΦ，然后將2θΦ對sin2Φ作圖，稱為2θΦ—sin2Φ關(guān)系圖。從直線斜率M中．便可求得σΦ。當(dāng)M＜0時，為拉應(yīng)力；當(dāng)M＞0時，為壓應(yīng)力；當(dāng)M＝0時，無應(yīng)力存在。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用sin2Φ法和0—45°法。sin2Φ法：取Φ=0°，15°，30°和45°法。測量各Φ角所對應(yīng)的2θΦ角，繪制2θΦ角，2θΦ—sin2Φ關(guān)系圖。然后，運(yùn)用最小二乘法原理．將各數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸成直線方程，并計(jì)算關(guān)系直線的斜率M，再由σΦ＝M·K，求得σΦ。(1.19)〔2〕0°~45°法：如果2θΦ與sin2Φ的線性關(guān)系較好，可以只取2θΦ—sin2Φ關(guān)系直線的首尾兩點(diǎn)，即Ф=0°和45°，這時(1—7)式可簡化為(1.20)可見，0°、45°法是sin2Φ法的簡化方法。但一定要注意在使用0°~45°法時如果2θΦ與sin2Φ偏離線性關(guān)系，會產(chǎn)生很大的誤差不能使用這種方法[16，20]。薄膜剩余應(yīng)力的測定方法宏觀內(nèi)應(yīng)力的測定可以用X射線衍射照相法、衍射儀法和應(yīng)力測定儀法。照相法，由于效率低，誤差大，特別是在衍射線漫散的情況下，很難準(zhǔn)確地確定衍射線的位置，因此實(shí)際上已很少使用。X射線應(yīng)力測定儀適用于較大的整體部件和現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)件的應(yīng)力測定，因此它正向著輕便、緊湊、快速、高精度和自動化方向開展、新型X射線應(yīng)力測定儀已裝備有高強(qiáng)度X射線源，快速測量的位敏計(jì)數(shù)器和電子計(jì)算機(jī)自動測量。整臺設(shè)備只有一百幾十公斤，測角頭可做到幾公斤到十幾公斤重。圖1.5繪出的是X射線應(yīng)力測定儀的衍射幾何示意圖。Ф0為入射線與試圖1.5X射線應(yīng)力測定儀[16]樣外表法線的夾角，Ф為εΦ與試樣外表法線的夾角測角后可以使入射線Ф0以0°~45°范圍內(nèi)投射。探測器的掃描范圍一般為145°~165°。Ф與Ф0之間的關(guān)系為〔1.21〕根據(jù)試樣要求和實(shí)際情況．可以用sin2Φ法，也可以用0°~45°法進(jìn)行應(yīng)力測定。在常規(guī)衍射儀上測定宏觀應(yīng)力時，要在測角儀上另裝一個能繞測角儀軸獨(dú)立轉(zhuǎn)動的試樣架，它可使試樣外表轉(zhuǎn)到所需要的Ф0角位置，以便測量各Ф角下的2θΦ值。測角儀在準(zhǔn)聚焦(或半聚焦)的條件下進(jìn)行測量，其衍射幾何如圖1.6所示。當(dāng)Φ＝0時，反射面法線與試樣外表法線重合，衍射幾何和常規(guī)衍射儀相同。當(dāng)Φ≠0時，由于試樣外表始終保持與聚焦圓相切，因此，入射線與衍射線不再以試樣外表法線對稱分布，衍射線的聚焦點(diǎn)F也離開計(jì)數(shù)器接收狹縫—般距離D?？梢宰C明D等于圖1.6衍射儀測定宏觀應(yīng)力的聚點(diǎn)幾何[16](1.22)式中R—測角儀半徑。常規(guī)衍射儀測量宏觀內(nèi)應(yīng)力時，試樣要繞測角儀軸轉(zhuǎn)動，因此不適于大部件的測量[16，20]。1.5本畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容薄膜的變形和脫落使其在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。一般說來，薄膜的脫落是由拉伸應(yīng)力所致，而壓縮應(yīng)力主要引起薄膜產(chǎn)生變行。對制取薄膜的某一性質(zhì)的要求會因應(yīng)用對象的不同而有所偏重，但希望薄膜內(nèi)應(yīng)力小的要求往往是一致的。本文通過對制備氮化鉭薄膜工藝中的基體溫度、反響氣體流量、功率、工作氣壓等工藝參數(shù)對薄膜的組織、成分、結(jié)構(gòu)、剩余應(yīng)力的影響進(jìn)行研究，以期探索出使得薄膜剩余應(yīng)力最小的制備工藝。

第2章TaN薄膜的制備及表征方法2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備JGP450-PECVD200型高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)FEIQuanta200FEG型電子掃描顯微鏡超聲波清洗器KQ5200型菲利普公司生產(chǎn)的X’PertPRO型X射線衍射儀X-350A實(shí)驗(yàn)材料靶材：Ta；純度：99.99%；工作氣體：Ar；純度：99.99%；反響氣體：N2：純度：99.99%；基片：單晶Si片，鍍膜前用酒精超聲清洗10min；2.2薄膜的制備過程薄膜制備條件本底真空5×10-4Pa；直流反響磁控濺射；靶基距：70cm；基體溫度：25-300℃；2.2.2基材前處理的目的是去除基材外表的油污積垢、氧化物、銹蝕等污物，確?；耐獗砥秸?、清潔、光亮、提高膜層和基材的附著強(qiáng)度。如果基材外表拋光不平，未徹底清潔，存在附著物、銹斑或氧化層，鍍膜時這些缺陷處易出現(xiàn)點(diǎn)狀針孔、剝落、“發(fā)花〞等現(xiàn)象。一般而言，基材的前處理工藝流程大致相同，但對具體的基材，考慮到其自身的特性，其前處理方法要適當(dāng)調(diào)整。本實(shí)驗(yàn)所用的材料是Ni-Ti合金和載玻片。對于載玻片：由于其外表光滑，光潔，根本干凈，只需要進(jìn)行外表清洗即可。將試樣放到超聲波清洗器中，參加酒精，清洗15分鐘取出烘干，裝入基片夾即可。2.2.3濺射在氮化鉭薄膜的沉積過程中，在氬和氮的混合氣氛中采用直流電源和射頻電源濺射金屬Ta靶來實(shí)現(xiàn)。首先用機(jī)械泵將工作室內(nèi)的氣壓抽至1×10-1Pa，開熱偶規(guī)，和分子泵電源，但分子泵顯速器到達(dá)400時，關(guān)V4開閘板閥再開電離規(guī)，由分子泵將工作室內(nèi)的氣壓抽至5×10-4Pa，氣壓值由ZDF-520復(fù)合真空計(jì)來測量。當(dāng)需要在制備過程中加溫時，翻開烘烤單元進(jìn)行加溫，用溫控儀將溫度控制在設(shè)定溫度，由室溫至300℃之間變化。當(dāng)溫度升至設(shè)定溫度，真空度到達(dá)要求時，關(guān)電離規(guī)，翻開氣體流量顯速儀清洗后調(diào)至閥控，再開Ar、N2氣瓶，往真空室內(nèi)充入工作氣體氬氣和反響氣體氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁坑少|(zhì)量流量計(jì)來控制，單位是SCCM〔毫升/秒〕，通過調(diào)節(jié)閘板閥來控制總壓，總壓由壓強(qiáng)控制儀來控制，一般設(shè)定為0.5Pa左右。采用直流金屬靶進(jìn)行濺射時，應(yīng)翻開電源先預(yù)熱5~10分鐘，此后開啟電源，逐漸增加電壓直至起輝，然后將功率調(diào)至所需要的數(shù)值。然后無論是直流濺射還是射頻濺射，在翻開擋板之前，最好都先預(yù)濺射2分鐘，目的是將外表的雜質(zhì)及其它污染物濺射在擋板上，以增加基片上薄膜的純度，然后移開擋板進(jìn)行濺射。濺射之后，關(guān)閉直流或射頻電源，停止充入工作氣體，如果在濺射沉積薄膜過程中有加溫行為的話，此時可以關(guān)閉烘烤單元，停分子泵。最后，把制備好的薄膜樣品從濺射室內(nèi)取出來，編號封裝，以待進(jìn)行各項(xiàng)性能的檢測。2.3薄膜的表征2.3.1物相〔XRD〕的測定衍射是由于存在著某種位相關(guān)系的兩個或兩個以上的波相互疊加所引起的一種物理現(xiàn)象。這些波必須是相干波，即它們頻率(或波長)相同，振動方向相同，位相差恒定，也就是來自位相相等或位相差恒定的波源——相干波源。這些相干波在空間某處相遇后，因位相不同，相互之間產(chǎn)生干預(yù)作用，引起相互的加強(qiáng)或減弱。利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)中的各類問題，主要是通過X射線在晶體中所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象進(jìn)行的。當(dāng)一束X射線照射到晶體上時，首先被電子所散射，在一個原子系統(tǒng)中，所有電子的散射波都可以近似地看作是由原子中心發(fā)出的，因此可以把晶體中每個原子都看成是一個新的散射波源，它們各自向空間輻射與入射波同頻率的電磁波。由于這些散射波之間的干預(yù)作用，使得空間某些方向上的波始終保持互相疊加，于是在這個方向上可以觀測到衍射線，而在另一些方向上的波那么始終是互相抵消的，于是就沒有衍射線產(chǎn)生。所以X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量的原子散射波互相干預(yù)的結(jié)果。每種晶體所產(chǎn)生的衍射把戲都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。一個衍射把戲的特征概括地講，可以認(rèn)為由兩個方面組成，一方面是衍射線在空間的分布規(guī)律(稱之為衍射方向)，另一方面是衍射線束的強(qiáng)度。衍射線的分布規(guī)律即衍射方向是由晶胞的大小、形狀和位向決定的，而衍射強(qiáng)度那么取決于原子在晶胞中的位置。要使—個晶體產(chǎn)生衍射，入射X射線的波長λ，掠射角θ和衍射面面間距d必須滿足布拉格方程的要求。因此實(shí)際衍射實(shí)驗(yàn)中，需要設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)方法，能夠改變λ或θ，以便獲得更多的滿足布拉格條件的時機(jī)，得到更多的衍射信息[21]。本工作利用菲利普公司生產(chǎn)的X’PertPRO型X射線衍射儀來分析薄膜的相及膜厚。測試條件如下：銅靶；電壓40KV；電流40mA；掃描角度范圍30?到80?；步長0.05?/s；掃描速度0.1?/s。利用標(biāo)準(zhǔn)的PDF卡片對膜的物相進(jìn)行標(biāo)定。2.3.2組織形貌觀察〔SEM〕掃描電鏡是一種觀察外表微觀世界的全能分析顯微鏡，它是用聚焦得非常細(xì)的電子束作為照明源．以光柵狀掃描方式照射到試樣外表上，并以入射電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)受的信息來成象，從而獲得放大幾倍到幾十萬倍放大象的—種大型電子光學(xué)儀器，其原理是有電子搶所發(fā)射出的電子束在加速電壓(1~50kv間)的作用下，經(jīng)過三個電磁選鏡會聚成一個細(xì)小到1~5nm的電子探針(相應(yīng)電子束流為10-11~10-12A)，在末級透鏡上部掃描線圈的作用下使電子探針在試樣外表作光柵狀掃描(光柵線條的數(shù)目取決于行掃描和幀掃描速度)。由于入射電子與物質(zhì)相互作用，結(jié)果在試樣外表上產(chǎn)生各種信息。因?yàn)樗@得各種信息的二維強(qiáng)度分布是同試樣的外表形貌、成分、晶體取向以及外表狀態(tài)的一些性質(zhì)(如電的和磁的等)等因素有關(guān)，因此，通過接收和處理這些信息．就可以獲得表征試樣微觀形貌的掃描電子象，或進(jìn)行晶體學(xué)分析和成分分析[21，22]。掃描電鏡是本論文外表微形態(tài)觀察分析的輔助設(shè)備，其用途也是觀察分析試件實(shí)驗(yàn)前原始外表形貌、實(shí)驗(yàn)后外表形貌、空蝕磨損外表形貌。本文所用環(huán)境電子掃描顯微鏡/FEIQuanta200FEG，可在高真空、低真空和環(huán)境真空等三種工作方式下工作，可在很低真空的方式下對含油、多孔隙材料與薄膜外表、經(jīng)化學(xué)修飾后的微粒的吸附現(xiàn)象，關(guān)節(jié)與人工關(guān)節(jié)等進(jìn)行觀察分析。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：1、分辨率：高真空模式與環(huán)境真空模式：30kV時3.5nm；低真空模式：30kV時<15nm；2、最大樣品電流2μA3、真空<6×10-4~4000Pa〔高真空、環(huán)境真空、低真空模式〕4、自動對中樣品臺，X=Y=50mm；Z=50mm〔其中電機(jī)驅(qū)動25mm〕，可連續(xù)旋轉(zhuǎn)360°，可傾斜-15°~+75°2.3.3剩余應(yīng)力測試采用如圖2.1所示的X-350A型X射線應(yīng)力測定儀，隨機(jī)選取試樣外表區(qū)域，測試沉積樣品外表的剩余應(yīng)力數(shù)值，由儀器自動生成相應(yīng)的剩余應(yīng)力值。試驗(yàn)時X管高壓22kV，管流6mA，根據(jù)材料選擇掃描范圍139°—126°，2θ掃描步距為0.1°，計(jì)數(shù)時間為6s，重復(fù)掃描范圍兩次得衍射峰，選取Ψ角分別為0°、45°，入射、發(fā)散狹縫分別為2mm。詳細(xì)測試參數(shù)如表2.1所示，其中K為應(yīng)力常數(shù)。圖2.1X-350A型X射線應(yīng)力測定儀表2.1TaN薄膜剩余應(yīng)力測試條件測量方法側(cè)傾固定Ψ法2θ掃描起始角139.00°定峰方法交相關(guān)法2θ掃描終止角126.00°輻射Crkα2θ掃描步距0.10°衍射晶面(222)計(jì)數(shù)時間6.00sΨ角(°)0.0，45.0X光管高壓22.0kV應(yīng)力常數(shù)KX光管電流準(zhǔn)6.0mA擺周-擺角00°直管直徑Φ2mm計(jì)算原理根據(jù)公式：〔2.1〕式中：E為彈性模量，單位為MPa，采用納米壓痕法直接測得，μ為薄膜材料的泊松比〔查得TaN的泊松比μ為0.22〕，θ0為無應(yīng)力下的布拉格角〔取實(shí)測值〕，根據(jù)以上數(shù)據(jù)求得試樣的K值。根據(jù)布拉格衍射方程2dsinθ=λ和立方晶系面間距公式，求出〔hkl〕。根據(jù)布拉格定律及彈性理論可以導(dǎo)出，應(yīng)力值σ正比于2θ隨sin2ψ的斜率M，即：此處由應(yīng)力測定儀自動完成測量并給出最終結(jié)果。實(shí)驗(yàn)操作過程如下：1、按下“總電源〞，面板儀器名牌下的紅、綠兩個指示點(diǎn)亮。2、開啟PC微機(jī)之后，再按下“驅(qū)動電源〞，除了X射線管高壓以外，儀器的局部全部開啟。3、翻開執(zhí)行程序，在windows環(huán)境下操作，點(diǎn)擊標(biāo)定菜單，測角儀自動進(jìn)入初始狀態(tài)。在此狀態(tài)下設(shè)置試樣(程序說明及操作方法見使用說明書)。4、翻開X射線管的冷卻循環(huán)水開關(guān)；把管壓管流調(diào)節(jié)旋鈕反時針旋至最低位置，再按預(yù)熱按鈕并持續(xù)約2秒鐘；這樣，在開啟高壓之后“預(yù)熱〞燈閃亮，管壓、管流緩慢上升。預(yù)熱時間5～10分鐘。待預(yù)熱完畢，再按一下“預(yù)熱〞按鈕，解除預(yù)熱狀態(tài)，“預(yù)熱〞燈滅而“工作〞燈亮，此后便可分別調(diào)節(jié)管壓、管流到達(dá)測試需要的數(shù)值。5、測量完畢先分別調(diào)節(jié)管流、管壓至最小值，然后關(guān)閉高壓開關(guān)，過1～2分鐘后關(guān)閉冷卻循環(huán)水、總電源及微機(jī)電源。2.6本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了使用JGP450-PECVD200型高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備氮化鉭薄膜的過程，包括制備薄膜所需的材料、濺射前的準(zhǔn)備工作以及制備薄膜的工藝過程。另外，介紹了薄膜表征的方法以及使用的相關(guān)儀器設(shè)備，包括：掃描電鏡，X射線衍射分析儀和X射線應(yīng)力測量儀。采用掃描電鏡觀測了薄膜外表形貌及其成分，使用XRD標(biāo)定了薄膜的相結(jié)構(gòu)，用X射線應(yīng)力測量儀測定了薄膜的剩余應(yīng)力。

第3章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析薄膜材料是由它所附著的基體支承著，薄膜與基體之間構(gòu)成了相互約束相互作用的統(tǒng)一體。這種相互作用宏觀上以兩種力的形式表現(xiàn)出來：一是表征薄膜與基體接觸界面間結(jié)合強(qiáng)度的附著力；二是反映薄膜單位截面所承受的來自基體約束的作用力——薄膜應(yīng)力，通常指內(nèi)應(yīng)力，即應(yīng)力是由薄膜本身的微觀結(jié)構(gòu)所決定的，而不是由外力加載所引起的，薄膜與基體間附著力的存在是薄膜應(yīng)力產(chǎn)生前提條件[23]。膜基結(jié)合力的大小是衡量薄膜性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，膜基結(jié)合力的大小與薄膜制備過程中的很多因素有關(guān)：反響氣體流量、基片溫度、功率、工作壓力、偏壓等。因此，研究工藝參數(shù)對薄膜性能的影響是十分必要的。本章就以上面描述的幾個工藝參數(shù)為變量，通過掃描電鏡〔SEM〕、能量散射譜〔EDS〕、X射線衍射儀〔XRD〕、剩余應(yīng)力測試儀等方法，研究了工藝參數(shù)變化對薄膜剩余應(yīng)力、組織、成分、相結(jié)構(gòu)等的影響。3.1反響氣體流量的影響表3.1列舉了不同反響氣體流量即不同氮分壓下的TaN薄膜制備工藝。其中Ar：N2比值如表所示，但氣體的總流量是恒定的，均為20sccm，目的是為保證濺射TaN薄膜過程中的工作壓力。根據(jù)表3.1制得3種不同TaN薄膜后對其進(jìn)行SEM、EDS、XRD及剩余應(yīng)力測試，其結(jié)果將在以下的內(nèi)容中進(jìn)行分析。表3.1不同反響氣體流量下TaN薄膜制備工藝編號Ar:N2基體溫度(℃)氣壓(Pa)(a)18：2250.3(b)16：4250.3(c)12：8250.3薄膜組織形貌及成分采用FEIQuanta200FEG型電子掃描顯微鏡對薄膜進(jìn)行分析，所得不同氮分壓下的組織形貌和外表成分分別如圖3.1和3.2所示?！瞐〕Ar：N2=18：2〔b〕Ar：N2=16：4〔c〕Ar：N2=12：8圖3.1不同氮分壓下薄膜的外表形貌FESEM照片由圖3.1可知：N2流量越高，薄膜的晶形越好。在氮化鉭薄膜的生長初期，沉積原子凝結(jié)聚集成直徑達(dá)1-10nm的“島〞狀晶核，隨著沉積原子的到來，有些島與島可合并生長，有些島那么不能合并，而是按各自結(jié)晶方向生長、橫向擴(kuò)展和彎曲延長，在島與島之間留有狹窄的“空道〞裸露在襯底外表，使薄膜外表看上去呈網(wǎng)狀或稱溝道結(jié)構(gòu)。隨著島狀結(jié)構(gòu)的繼續(xù)〔a〕Ar：N2=18：2〔c〕Ar：N2=12：8圖3.2不同N2流量下薄膜的外表成分生長，“空道〞被沉積原子逐漸填充，需要一定填充時間才能消除絕大局部空隙，形成生長晶柱與空隙相互圍繞的蜂窩狀連續(xù)體薄膜，構(gòu)成連續(xù)體薄膜需要生長的薄膜厚度至少約100nm[24,25]。由圖3.1結(jié)合以上的分析認(rèn)為可能是由于隨著氮?dú)饬髁康纳?，島合并變得越來越容易，使得留有的空隙減少，從而使薄膜變得更加致密，薄膜內(nèi)部的缺陷增加，薄膜的機(jī)械性能發(fā)生改變。表3.2氮分壓與TaN薄膜中成分關(guān)系含量〔原子分?jǐn)?shù)，%〕Ar與N2之比18：216：412：8Ta62.90—61.55N37.10—38.45由圖3.2和表3.2可知：N2流量越高，薄膜中氮含量越高。當(dāng)N2增加時薄膜成分向化學(xué)計(jì)量比的TaN靠近。在磁控濺射薄膜過程中，低壓氣體放電效應(yīng)使得真空環(huán)境中的Ar、N2成為能量很高的等離子體狀態(tài)，與Ta靶碰撞發(fā)生能量的交換和化學(xué)反響，當(dāng)入射離子的能量在100eV~10keV范圍[24]時，離子會從靶外表進(jìn)入靶的內(nèi)部，與構(gòu)成靶材的原子和電子發(fā)生碰撞。如果反沖原子的一局部到達(dá)靶的外表，且具有足夠的能量，那么這局部反沖原子就會克服逸出功而飛離靶外表沉積在基片外表。由于反沖原子和等離子體的能量都很高，不同原子間會發(fā)生鍵合反響。升高反響氣體的流量，那么發(fā)生反響的幾率也就隨之升高。氮?dú)饬髁康纳撸沟脼R射在基片上的薄膜中氮化鉭的含量升高。不同氮分壓的TaN薄膜相結(jié)構(gòu)根據(jù)表3.1制得不同氮分壓下的TaN薄膜，采用菲利普公司生產(chǎn)的X’PertPRO型X射線衍射儀進(jìn)行相結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果如圖3.3所示。圖3.3為不同反響氣體流量的下TaN薄膜的X射線衍射譜。圖中XRD衍射圖3.3不同氮分壓下薄膜相結(jié)構(gòu)峰按角度從小到大依次為〔111〕、〔200〕、〔220〕。由圖可以看出當(dāng)Ar：N2為18：2時雖然有衍射峰出現(xiàn)但峰強(qiáng)很小，說明薄膜大局部是處于非晶態(tài)的。隨著N2含量的增加當(dāng)Ar：N2到達(dá)16：4時〔111〕衍射峰的強(qiáng)度很高并且比擬鋒利這說明TaN薄膜已經(jīng)根本完成了非晶態(tài)向立方晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。氮分壓進(jìn)一步升高可以發(fā)現(xiàn)〔200〕峰有所增強(qiáng)而〔111〕峰和〔220〕峰的峰強(qiáng)明顯降低，TaN薄膜的擇優(yōu)取向[26]發(fā)生了明顯的變化。同時根據(jù)SEM對于外表形貌的觀察發(fā)現(xiàn)，氮分壓的升高使得晶粒尺寸變細(xì)，隨著氮含量的增大使得薄膜的結(jié)晶狀態(tài)變好。與以往的研究相似，隨著氮含量的增加膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化為：原始為單質(zhì)β-Ta隨N2含量的增加首先轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕降腡a2N，隨氮分壓的進(jìn)一步提高產(chǎn)生面心立方TaN與密排六方Ta2N這兩相，如再增加氮?dú)獾暮繉⒌玫絾我坏拿嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)相，這與EDS的測試結(jié)果是相符合的隨著氮分壓的增加，Ta與N的原子比逐步有2：1趨向1：1。反響氣體流量對剩余應(yīng)力的影響表3.3為不同反響氣體流量下TaN薄膜剩余應(yīng)力的測試結(jié)果，根據(jù)表3.3得到了如圖3.4剩余應(yīng)力的變化曲線。表3.3不同反響氣體流量下TaN薄膜剩余應(yīng)力測試結(jié)果編號實(shí)測彈性模量E(GPa)實(shí)測θ0值應(yīng)力常數(shù)K剩余應(yīng)力(MPa)(a)130.6130.521-430198(b)123.6131.670-397349(c)155.4132.131-4931010由圖3.4可見，隨著氮?dú)夥謮旱纳撸∧さ氖Ｓ鄳?yīng)力也隨之升高，且剩余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力。升高N2分壓，高能的N2與Ta反響的幾率增大，薄膜中TaN的含量就增高由于N2原子的半徑與Ta的原子半徑比0.75/2.09=0.359<0.59[26]形成的化合物具有簡單的晶體結(jié)構(gòu)稱為間隙相。這種間隙相的TaN的密度為14.4g/cm3，與金屬Ta的密度16.6g/cm3相比，略為減小。所以增高反響氣體N2的流量使得薄膜的密度減小，表現(xiàn)為薄膜所受的拉應(yīng)力越來越大。圖3.4不同氮?dú)夥謮合率Ｓ鄳?yīng)力3.2基體溫度的影響薄膜組織形貌與相結(jié)構(gòu)不同基體溫度的薄膜濺射工藝如表3.4所示。圖3.5和3.6分別為不同基體溫度下的薄膜外表形貌以及基體溫度為300℃時的截面形貌。在不同的基體溫度下濺射TaN薄膜，用SEM對TaN薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：高溫下有利于薄膜的生長，可以產(chǎn)生比擬大的晶粒，結(jié)晶致密，觀察圖3.5基體溫度300℃下的截面形貌發(fā)現(xiàn)，高溫下的制備的薄膜外表平坦，除一突起處外，無明顯缺陷。而由于較低的溫度不利于薄膜的生長和結(jié)晶，因此所濺射的薄膜晶粒細(xì)小，微觀缺陷略大，如果對室溫下的TaN薄膜截面進(jìn)行觀察它的平整度應(yīng)略次于300℃表3.4不同基體溫度下TaN薄膜制備工藝編號Ar：N2基體溫度〔℃〕氣壓〔MPa〕〔a〕18：23000.3〔b〕18：2250.3(a)300℃(b)圖3.5不同基體溫度下薄膜的外表形貌FESEM照片圖3.6基體溫度300℃下薄膜的截面形貌FESEM照片由圖3.7不同基體溫度下薄膜的相結(jié)構(gòu)可知，薄膜結(jié)晶狀態(tài)很好，且兩溫度下，薄膜具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。通過各個衍射峰的比照，并沒有出現(xiàn)有明顯擇優(yōu)取向的晶面，說明在不同基體溫度下，沉積的TaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)沒有變化。均為面心立方結(jié)構(gòu)。圖3.7不同基體溫度下薄膜的相結(jié)構(gòu)基體溫度對剩余應(yīng)力的影響表3.5不同基體溫度下TaN薄膜剩余應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)由此可以得到如圖3.8所示的曲線。表3.5同基體溫度下TaN薄膜剩余應(yīng)力測試結(jié)果編號實(shí)測彈性模量E(GPa)實(shí)測θ0值應(yīng)力常數(shù)K剩余應(yīng)力(MPa)(a)143.1132.812-4472721(b)136.8132.297-4151480由圖3.8可知：基片溫度升高，薄膜剩余應(yīng)力也隨之升高。莫夫章和迪姆森首次提出了可按沉積薄膜的條件將生長薄膜結(jié)晶特征劃分為3種晶帶區(qū)域的模型，簡稱為M-D模型。該模型提出，沉積薄膜的結(jié)構(gòu)取決于薄膜生長的條件和隨后出現(xiàn)的演變，包括初始形成的分立晶核、晶粒邊界遷移和結(jié)晶過程中發(fā)生的所有變化。M-D模型認(rèn)為薄膜的生長溫度是決定其晶型的一個重要參數(shù)。通過觀測多種材料的薄膜的晶粒的生長及再結(jié)晶過程發(fā)現(xiàn)，基片溫度Ts與薄膜材料的熔點(diǎn)Tm之比Ts/Tm是決定晶型結(jié)構(gòu)的一圖3.8不同基體溫度下剩余應(yīng)力個共性參量。M-D模型按Ts/Tm比值將沉積薄膜結(jié)構(gòu)劃分為3個晶帶區(qū)域，其根本特點(diǎn)為[24]：晶帶區(qū)域Ⅰ：0.1<Ts/Tm<0.25-0.30，薄膜由帶圓頂?shù)腻F狀晶柱構(gòu)成，晶柱隨溫度升高而變粗，晶柱間產(chǎn)生貫穿薄膜的空隙。晶帶區(qū)域Ⅱ；0.25-0.30<Ts/Tm<0.45，薄膜主要由柱狀晶粒構(gòu)成，晶柱端面平滑，但無光澤。晶帶區(qū)域Ⅲ；Ts/Tm>0.45，薄膜大多由各向同性的等軸晶粒構(gòu)成，具有明亮的外表和密實(shí)的膜體，根本上接近材料的晶型特征。在本工藝下，基片的溫度25℃和300℃均較低。薄膜的生長按晶帶區(qū)域Ⅰ的特點(diǎn)生長。即薄膜由帶圓頂?shù)腻F狀晶柱構(gòu)成，晶柱隨溫度升高而變粗，晶柱間產(chǎn)生貫穿薄膜的空隙。產(chǎn)生的應(yīng)力為拉應(yīng)力，且隨溫度的升高，應(yīng)力增大。3.3功率對薄膜剩余應(yīng)力的影響薄膜組織形貌與相結(jié)構(gòu)不同功率下薄膜濺射的工藝如表3.6所示。采用SEM、XRD等方法得到的外表形貌及相結(jié)構(gòu)如圖3.9，3.10所示。表3.6不同濺射功率下TaN薄膜制備工藝編號功率(W)基體溫度(℃)氣壓(Pa)(a)150250.3(b)100250.3(c)50250.3〔a〕150W(b)100W(c)50W圖3.9不同濺射功率的組織形貌由圖3.9可見：濺射功率越高，薄膜的顆粒越大。150W濺射的薄膜的顆粒比50W的要大好幾倍。濺射的功率越大，使得濺射沉積的原子能量越大，其對應(yīng)的溫度也越高，也就有利于沉積晶柱變粗和晶粒的長大。圖3.10不同濺射功率的相結(jié)構(gòu)由圖3.10可知：隨著濺射功率的增大，濺射沉積薄膜的結(jié)晶態(tài)越好，50W時由于功率太低，濺射離子的能量不是特別高，N2還不能夠斷裂其自身的共價鍵而與Ta鍵合。所以在50W功率下，XRD只測得沒有發(fā)生化學(xué)反響的Ta。隨著功率的升高，在100W和150W時，離子的能量足以使化學(xué)反響順利進(jìn)行，但由于兩種功率相差不大，所以該反響也無多大變化。反響生成的產(chǎn)物具有相同的相結(jié)構(gòu)。濺射功率對剩余應(yīng)力的影響表3.7為不同功率下TaN薄膜剩余應(yīng)力測試結(jié)果，由此可以得到濺射功率對薄膜剩余應(yīng)力的影響曲線如圖3.11所示。由圖3.11可見：隨著沉積功率的降低，薄膜的剩余應(yīng)力不是呈線性變化的，而是先增大后減小，呈拋物線形式變化。這是因?yàn)?，不同功率下沉積的速率是不同的，功率越大沉積速率越大，減小沉積功率沉積速率也就表3.7不同功率下TaN薄膜剩余應(yīng)力測試結(jié)果編號實(shí)測彈性模量E(GPa)實(shí)測θ0值應(yīng)力常數(shù)K剩余應(yīng)力(MPa)(a)155.2130.359-51373(b)136.8132.297-4151480(c)171.7129.398-58179圖3.11不同濺射功率下剩余應(yīng)力隨之減小。但由于在本實(shí)驗(yàn)中，除功率這一變量外其他工藝參量均相同，即沉積濺射時間等參數(shù)均相同。因此，減小功率使得濺射的薄膜厚度也在減小。而薄膜的厚度和剩余應(yīng)力并不是呈線性關(guān)系變化的，薄膜厚度的變化，使薄膜結(jié)晶狀態(tài)與基體界面性質(zhì)發(fā)生變化。就本實(shí)驗(yàn)而言，厚度對應(yīng)力的影響和功率相同，即保持同向變化。3.4工作壓力的影響不同工作壓力的薄膜制備工藝如表3.8所示。不同工藝下制得的薄膜外表形貌如圖3.12。由圖可以看出可知工作氣壓越高，薄膜相對越致密，顆粒也越細(xì)。表3.8不同工作氣壓下TaN薄膜制備工藝編號氣壓(Pa)基體溫度(℃)(a)0.325(b)1.025(a)0.3Pa(b)1.0Pa圖3.12不同工作壓力的薄膜形貌采用X-350A型X射線應(yīng)力測量儀測得不同工作壓力下的剩余應(yīng)力如表3.9所示，由此可得曲線如圖3.13所示由圖3.13曲線可知：工作壓力的增大，薄膜的剩余應(yīng)力也增大。即使對同一物質(zhì)而言，不同的工作氣體壓強(qiáng)可以使薄膜內(nèi)產(chǎn)生性質(zhì)完全不同的內(nèi)應(yīng)力。一般說來，薄膜的脫落是有拉伸應(yīng)力所致，而壓縮應(yīng)力主要引起薄膜產(chǎn)生變形。對表3.9不同工作壓力下TaN薄膜剩余應(yīng)力測試結(jié)果編號實(shí)測彈性模量E(GPa)實(shí)測θ0值應(yīng)力常數(shù)K剩余應(yīng)力(MPa)(a)136.8132.297-4151480(b)146.8132.590-4612697圖3.13不同工作壓力下剩余應(yīng)力制取薄膜的某一性質(zhì)的要求會因應(yīng)用對象的不同而有所偏重，但希望薄膜內(nèi)應(yīng)力小的要求往往是一致的。經(jīng)前人對工作Ar氣壓強(qiáng)對濺射沉積W薄膜剩余應(yīng)力的影響顯著，所以，這項(xiàng)研究薄膜剩余應(yīng)力與工作氣體壓強(qiáng)相關(guān)性的分析很具有代表性。索恩屯等[27,28]證實(shí)，反響氣體不是自然性的摻入薄膜內(nèi)，或是被沉積原子層埋入薄膜內(nèi)。而是低工作壓強(qiáng)條件使那些轟擊生長薄膜的快速Ar分子或是反射Ar離子運(yùn)行足夠長的自由程和保持更大比分的攜帶能量，因而具有較大的貫穿深度和摻入薄膜的幾率。正是由于大量的Ar元素?fù)饺氡∧?nèi)產(chǎn)生大的晶格常數(shù)，使低工作Ar氣壓強(qiáng)條件生長的TaN薄膜呈現(xiàn)了較高的原子密度和較低的拉伸應(yīng)力。3.5剩余應(yīng)力機(jī)理分析基于薄膜剩余應(yīng)力的重要性，研究薄膜剩余應(yīng)力是很有意義的。我們從量子力學(xué)的角度通過原子云模型來解釋應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，從而促進(jìn)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的理論研究。為了使分析問題簡化，在此進(jìn)行的剩余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理分析都是基于簡單立方晶體結(jié)構(gòu)。通過類比電子云，假設(shè)晶體中的原子以原子云的形式存在，把處于束縛態(tài)的原子的概率分布定義為原子云，晶體的晶格常數(shù)的變化是由于原子云的變化所引起的。在原子云假設(shè)的根底上，建立勢能函數(shù)，用來求原子的概率分布的變化即原子云的變化，通過討論原子云的變化來討論基體以及薄膜晶格常數(shù)的變化，從而確定薄膜應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理。對于三維的薄膜和基體，在討論其內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生時，一般只需考慮其二維的勢能函數(shù)即可，但是二維的勢能函數(shù)建立以及計(jì)算分析也是很復(fù)雜，因此建立一維的勢能函數(shù)，把一維線性諧振子模型作為要建立的勢能函數(shù)，易于理論分析[17]。定義勢能函數(shù)表達(dá)式為：ω2x2其中U為勢能，m為原子的質(zhì)量，ω為常量，表示振子的固有角頻率，x為此一維坐標(biāo)。其函數(shù)圖形如圖3.14，其中a為晶體的晶格常數(shù)。圖3.14一維線性諧振子勢能函數(shù)圖[29]理論推導(dǎo)根據(jù)勢能函數(shù)：其薛定諤方程為：令：，ε=αx，那么薛定諤方程可改寫成：解這個方程可以得到：，n=1，2，3，4，……〔3.1〕……〔3.2〕其中Hn()為厄密多項(xiàng)式，Nn是歸一化常數(shù)，圖3.15示出了n=1和n=2時原子的概率分布。由〔3.1〕式可知，在晶體中原子的能量是量子化的，而且其存在一個零點(diǎn)能，這在很多文獻(xiàn)中均有討論。對于〔3.2〕式，聯(lián)系圖3.15中原子的概率分布，可以得出，隨著原子能級的增大，原子云將變大，就使晶體的晶格常數(shù)變大以及上述勢能函數(shù)發(fā)生變化。但是對于晶體中的原子，還受到原子間的鍵合力影圖3.15n=1和n=2時原子的概率分布[17]響，這個鍵合力的作用將使原子變小，這樣由于鍵合力的作用，原子云并不會變?yōu)闊o窮大，而是增大最終到達(dá)一個平衡的狀態(tài)，最終導(dǎo)致原子能級增大會使晶體的晶格常數(shù)變大，也就會使晶體出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象。而當(dāng)這個鍵合力不能夠束縛住這兩個原子云的時候，將使兩原子云之間的鍵斷裂或變成其它類型的鍵。對于不同的晶體材料，其勢能函數(shù)、鍵合方式、鍵合力以及兩原子云的勢能最低點(diǎn)都不同，這就導(dǎo)致了其溫度降低時，不同的晶體材料從某一溫度到另一溫度的熱脹冷縮量一般都會不同。通過類比電子的能帶理論，我們認(rèn)為原子在晶體中也會出現(xiàn)能級分化，進(jìn)而出現(xiàn)能帶，兩能帶之間也將其稱為禁帶，并且提出一個假設(shè)，在不考慮電子的熱運(yùn)動的前提下，晶體的熱導(dǎo)是和原子能帶的帶寬度有關(guān)的，就好似導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體和電子能帶的禁帶寬度有關(guān)類似；也就是說禁帶寬度寬的晶體的導(dǎo)熱能力差，禁帶寬度窄的晶體的導(dǎo)熱能力好，晶體的導(dǎo)熱系數(shù)是由其原子的禁帶寬度決定[17,29]。在一些薄膜制備過程中，要求基體溫度一般都較低，而在物理氣相沉積的過程中，入射原子只有在很大動能的情況下才能到達(dá)基體，這樣就使吸附原子、成核原子的能量一般都大于基體原子的能量，而吸附成核原子的能量大意味著其能級較基體原子能級高。首先不考慮本征應(yīng)力，假設(shè)薄膜與基體原子相同來分析熱應(yīng)力的產(chǎn)生。薄膜的生長方式是通過入射原子在基體外表運(yùn)動、成核、長大成島、島的聯(lián)并最終形成薄膜的。在薄膜與基體原子相同的情況下，由于入射原子能量高，吸附原子的原子云就比基體原子的原子云大，就使薄膜比基體晶體的晶格常數(shù)大，出現(xiàn)了薄膜與基體晶格的不匹配，并且它與基體的晶格是由匹配到不匹配再到匹配這樣一個循環(huán)的過程(如圖3.16所示，圖中圓圈表示原子云的大小)，當(dāng)冷卻以后，薄膜與基體的溫度趨于一致，二者原子云一樣大，于是就產(chǎn)生了熱應(yīng)力。而且在那些薄膜與基體的晶格不匹配處，產(chǎn)生的剩余張應(yīng)力是最大的，也是薄膜最有可能開裂的地方，這就說明了薄膜開裂為什么大多都不在一處。在本實(shí)驗(yàn)中在以氮?dú)夥謮簽閱我蛔兞康墓に囍?，制備的TaN薄膜為單一的面心立方結(jié)構(gòu)。其晶格常數(shù)為a=0.43399nm與金屬Ta相比〔Ta的晶格常數(shù)為a=0.32959nm〕，TaN的晶格常數(shù)較大，其對應(yīng)的原子云也比Ta大。在實(shí)驗(yàn)中增大N2流量，TaN的含量也隨之升高。我們估且把TaN和Ta混合的膜看做是由一種原子構(gòu)成的。那么TaN的含量越高，我們假設(shè)的這種原子的原子云就越大，其對應(yīng)的晶格常數(shù)就越大，與基體的晶格常數(shù)相差就越大。所以升高N2的流量所制備的薄膜的剩余應(yīng)力就越大。與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相吻合。同時也說明了為什么在濺射制備薄膜的時候，加大功率因素，就更加容易出現(xiàn)薄膜開裂，因?yàn)榧哟罅斯β室蛩?，也就加大了入射原子的能量，這樣吸附原子的原子云就會更大，薄膜與基體的晶格不匹配度就會加大，這就增加了薄膜的張應(yīng)力，增加了薄膜開裂的可能性。在本實(shí)驗(yàn)中，在以濺射功率為單一變量的工藝中，所制薄膜的剩余應(yīng)力測試結(jié)果說明，在功率由50W增大到100W時，剩余應(yīng)力增大，與該理論吻合。從100W增大到150W時所測結(jié)果與該理論不符，分析認(rèn)為這可能是由薄膜厚度的迅速增加引起的。對于工作壓力對剩余應(yīng)力影響的解釋，已在3.4節(jié)中詳細(xì)介紹，這里不在贅述，亦可采用本節(jié)采用的機(jī)理對其進(jìn)行解釋。由此可見，原子云的概念可以很好的解釋熱應(yīng)力的形成。其次分析本征應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)基體原子與吸附成核原子不同的時候，由于原子類型的不同，它們兩原子間的鍵合力就不同，導(dǎo)致兩原子云之間的勢能最低點(diǎn)不同，使薄膜與基體在相同溫度下的勢能函數(shù)不同，于是即使在相同的溫度下薄膜與基體原子的