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1、第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲薄膜的主要力学性能:薄膜的主要力学性能:附着性质附着性质由薄膜成长的初始阶段由薄膜成长的初始阶段 内应力内应力 机械性能机械性能第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 1.2 薄膜的附着性质(重要)理论上理论上需对结合界的了解。需对结合界的了解。使用上使用上决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性。现无统一的测量薄膜附着性能的准确测量技术现无统一的测量薄膜附着性能的准确测量技术.薄膜的附着性能直接与附着的类型、附着力的性薄膜的附着性能直接
2、与附着的类型、附着力的性质、工艺、测量方法有关。质、工艺、测量方法有关。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.1.1 薄膜的附着类型 简单附着简单附着分明的分界面分明的分界面 扩散附着扩散附着 通过中间层附着通过中间层附着 通过宏观效应附着通过宏观效应附着第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 简单附着:薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面,简单附着:薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面,其附着能其附着能 WfsWfs=Ef+Es-EfsEf+Es-Efs EfEf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 EfsEfs薄膜与基片之间的界面
3、能薄膜与基片之间的界面能 两个相似或相容的表面接触两个相似或相容的表面接触 EfsEfs WfsWfs 两个完全不相似或不相容的表面接触两个完全不相似或不相容的表面接触 EfsEfs WfsWfs 表面污染:表面污染:1.33310-3Pa1.33310-3Pa下下1 1秒后秒后表面会污染表面会污染 一层单分子层。一层单分子层。简单物理附着简单物理附着薄膜与基片间的结合力薄膜与基片间的结合力范德华力范德华力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 扩散附着扩散附着由两个固体间相互扩散或溶解而导致由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。在薄膜和基片间形成
4、一个渐变界面。实现扩散方法:基片加热法、离子注入法、实现扩散方法:基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。离子轰击法、电场吸引法。基片加热法:加温曲线(工艺)基片加热法:加温曲线(工艺)离子轰击法:先在基片上淀积一层薄离子轰击法:先在基片上淀积一层薄20-30nm20-30nm)金属膜,再用高能(金属膜,再用高能(100KeV100KeV)氩离子对)氩离子对 它进行轰击它进行轰击 实现扩散实现扩散 再镀膜再镀膜 电场吸引法:在基片背面镀上导体电场吸引法:在基片背面镀上导体 加电压加电压 吸离子吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢,因为溅射粒子动溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢,因为溅射粒子动 能大
5、能大 扩散。扩散。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 中间层附着中间层附着在薄膜与基片之间形成一个化合物而在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着,该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化附着,该化合物多为薄膜材料与基片材料之间的化 合物合物。方法:在基片上镀一层薄金属层(方法:在基片上镀一层薄金属层(TiTi、MoMo、TaTa、CrCr等)等).然后,在其上再镀需要的薄膜,薄然后,在其上再镀需要的薄膜,薄 金属夺取基片中氧金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。中间层表面掺杂。通过宏观效应通过宏观效应 机械锁合机械锁合 双电层吸引双电层吸引 功函数不同功函数不同电荷累积电荷累积
6、吸引吸引第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.1.1 2.1.1 附着力的性能(性质)附着力的性能(性质)三种附着力:三种附着力:范德华力、化学键力、静电力(机械锁合)范德华力、化学键力、静电力(机械锁合)(氢键)氢键)范德华力(键能范德华力(键能0.04-0.4eV0.04-0.4eV)色散力色散力原子绕核运动中原子绕核运动中瞬间偶极瞬间偶极相互作用相互作用 定向力定向力永久偶极矩之间的相互作用永久偶极矩之间的相互作用 诱导力诱导力永久偶极矩的诱导作用永久偶极矩的诱导作用产生的力产生的力 与静电力相比范德华力是短程力;与静电力相比范德华力是短程力;与化学键力相比,范德
7、华力是长程力。与化学键力相比,范德华力是长程力。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 氢键(键能氢键(键能0.1eV0.1eV)离子性的静电吸引不普离子性的静电吸引不普 遍,仅在电负性很强的原子之间。遍,仅在电负性很强的原子之间。化学键力(键能化学键力(键能0.4-10eV0.4-10eV)共价键共价键 离子键离子键 金属键金属键 价电子发生了转移,价电子发生了转移,短程力,不是普遍存在。短程力,不是普遍存在。静电力静电力薄膜和基体两种材料的功函数不同,薄膜和基体两种材料的功函数不同,接触后发生电子转移接触后发生电子转移界面两边积累正负界面两边积累正负 电荷电荷 静电吸引静
8、电吸引第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.1.3 影响附着力的工艺因素 包括材料性质、基片表面状态、基片温度、淀积包括材料性质、基片表面状态、基片温度、淀积方式、淀积速率、淀积气氛等。方式、淀积速率、淀积气氛等。基片材料的性质对附着力影响很大基片材料的性质对附着力影响很大 微晶玻璃上淀积铝膜微晶玻璃上淀积铝膜氧化铝与玻璃中硅氧氧化铝与玻璃中硅氧 化学键化学键附着力强。附着力强。铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜铂、镍、钛等金属基片上淀积金膜金属键金属键 附着力强附着力强 选基片能与薄膜形成化学键选基片能与薄膜形成化学键附着力强附着力强第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学
9、性质薄膜的力学性质 基片的表面状态对附着力影响也很大基片的表面状态对附着力影响也很大基片清洗基片清洗去掉污染层(吸附层使基片表面的化学键去掉污染层(吸附层使基片表面的化学键饱和,从而薄膜的附着力差)饱和,从而薄膜的附着力差)提高附着性能。提高附着性能。提高温度提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 扩散附着有利于加速化学反应形成中间层扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 中间层附着中间层附着须注意:须注意:TT薄膜晶粒大薄膜晶粒大热应力热应力其它性能变其它性能变第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 淀积方式:溅射强于蒸发,电压(溅射)
10、高淀积方式:溅射强于蒸发,电压(溅射)高 附着好附着好 溅射粒子动能大,轰击表面清洗且使表面活化溅射粒子动能大,轰击表面清洗且使表面活化 附着强附着强 电镀膜的附着性能差电镀膜的附着性能差(有一定数量的微孔)有一定数量的微孔)附着性能差附着性能差淀积速率淀积速率 残留氧分子膜中残留氧分子膜中中间层少中间层少 附着力下降附着力下降 薄膜结构疏松薄膜结构疏松 内应力大内应力大淀积气氛对薄膜附着力的影响淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期淀积初期氧和水蒸气分压氧和水蒸气分压氧化膜中间层氧化膜中间层附着附着第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2 附着力的测试方法机械方法数种如
11、下:机械方法数种如下:条带法(剥离法)、引拉法(直接法)、条带法(剥离法)、引拉法(直接法)、划痕法、划痕法、推倒法、摩擦法、扭曲法、推倒法、摩擦法、扭曲法、离心法、超声法、振动法等。离心法、超声法、振动法等。2.2.1 条带法条带法三种可能:三种可能:薄膜随附着带全部从基片上剥离下来;薄膜随附着带全部从基片上剥离下来;仅部分剥离下来;仅部分剥离下来;未剥离未剥离说明薄膜附着好说明薄膜附着好定性测量定性测量第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2.2 引拉法(定量测量)引拉法(定量测量)用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂直拉力;用拉力机或离心、超声振动仪给样品加上垂
12、直拉力;单位面积的附着力单位面积的附着力fbfb=FbFb/A/A2.2.3 划痕法划痕法 用尖端圆滑钢针划过薄膜表面,尖端半径约为用尖端圆滑钢针划过薄膜表面,尖端半径约为0.05nm0.05nm。临界负荷。临界负荷薄膜刻划下来时。薄膜刻划下来时。作用薄膜附着力的一种量度。作用薄膜附着力的一种量度。用光学显微镜观察和分析划痕,必须确定临界负荷。用光学显微镜观察和分析划痕,必须确定临界负荷。薄膜的临界负荷一般为几薄膜的临界负荷一般为几-几百克。几百克。单位面积临界剪切力为:单位面积临界剪切力为:单位面积的剥离能单位面积的剥离能:第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.2.4
13、 2.2.4 摩擦法摩擦法 用标准的负荷橡皮(含有金刚砂)擦用标准的负荷橡皮(含有金刚砂)擦 用已知高度点矢落下的磨粒(如用已知高度点矢落下的磨粒(如SiCSiC细砂)擦细砂)擦第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.3 2.3 薄膜的内应力薄膜的内应力 内应力定义:薄膜内部单位截面上所承受的力,内应力定义:薄膜内部单位截面上所承受的力,称为内应力。在内部自己产生的应力。称为内应力。在内部自己产生的应力。张应力过大张应力过大薄膜开裂、基片翘曲。薄膜开裂、基片翘曲。压应力过大压应力过大薄膜起皱或脱落。薄膜起皱或脱落。+在张应力作用下,薄膜自身有其收缩的趋势在张应力作用下,薄
14、膜自身有其收缩的趋势 过大过大薄膜开裂。薄膜开裂。-在压应力作用下,薄膜内部有向表面扩散的趋势在压应力作用下,薄膜内部有向表面扩散的趋势 过大过大脱落。脱落。薄膜内应力的来源尚未形成定论。薄膜内应力的来源尚未形成定论。第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 2.3.1 内应力的类别与起源内应力的类别与起源 按起源分:热应力按起源分:热应力薄膜和基片的热胀系数不同薄膜和基片的热胀系数不同 而引起的。而引起的。本征应力本征应力-来自于薄膜的结构因素来自于薄膜的结构因素 和缺陷。和缺陷。按应力性质分:张应力、压应力按应力性质分:张应力、压应力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性
15、质薄膜的力学性质 由于薄膜中的内应力分布是不均匀的,即薄膜由于薄膜中的内应力分布是不均匀的,即薄膜内各个分层的应力大小不同内各个分层的应力大小不同两种内应力两种内应力:第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 按应力起源分类:热应力、本征应力按应力起源分类:热应力、本征应力第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质 第第三三讲讲 第二章第二章 薄膜的力学性质薄膜的力学性质
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