1、第七章第七章 薄膜的物理性质薄膜的物理性质力学性质力学性质电学性质电学性质光学性质光学性质磁学性质磁学性质热学性质热学性质7-1 7-1 薄膜的力学性质薄膜的力学性质薄膜的力学性质与其结构密切相关。薄膜的力学性质与其结构密切相关。 附着性质附着性质应力性质应力性质弹性性质弹性性质机械强度机械强度 取决于薄膜成长的初始阶段取决于薄膜成长的初始阶段取决于生长阶段及其结构类型取决于生长阶段及其结构类型薄膜的力学性质薄膜的力学性质1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力u 附着附着：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方的吸附作用的状态。的吸附作用的状态。 附
2、着力、附着能附着力、附着能u附着性能附着性能 控制着对其他性能的观察和研究。控制着对其他性能的观察和研究。 理论上，关系到对结合界面的了解；理论上，关系到对结合界面的了解； 使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力宏观效应附着宏观效应附着简单附着简单附着扩散附着扩散附着通过中间层附着通过中间层附着u 简单附着简单附着两个接触面相互两个接触面相互吸引形成，有清吸引形成，有清楚的分界面楚的分界面u 扩散附着扩散附着两个接触面相互两个接触面相互扩散或溶解形成扩散或溶解形成渐变界面渐变界面两个接触面间形两个接触面间形成化合物中间
3、层，成化合物中间层，无单纯界面无单纯界面机械锁合机械锁合双电层吸引双电层吸引1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力n 附着机理附着机理吸附吸附 物理吸附（吸附能物理吸附（吸附能0.0010.0010.1eV0.1eV）范德华力吸附：短程力，随原子间距离的增大，附着力减弱。范德华力吸附：短程力，随原子间距离的增大，附着力减弱。静电力吸附：数值虽小，但对附着力的贡献较大。静电力吸附：数值虽小，但对附着力的贡献较大。 化学吸附化学吸附薄膜与基体间形成化学键结合（离子键、共价键、金属键），薄膜与基体间形成化学键结合（离子键、共价键、金属键），是短程力，数值上比范德华力大，约为是短程力，数值上比范德华力大，
4、约为0.10.10.5eV.0.5eV.1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力n 附着机理附着机理 附着能：附着能：sffsE s s: :基底比表面积自由能；基底比表面积自由能； f f：薄膜比表面积自由能；：薄膜比表面积自由能； sfsf：薄膜与基底界面自由能，与两种材料的种类、原：薄膜与基底界面自由能，与两种材料的种类、原 子间距、键合特征等有关子间距、键合特征等有关1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力n 增加附着力的方法增加附着力的方法 清洗基片清洗基片 提高基片温度提高基片温度 引入中间过渡层引入中间过渡层 采用溅射增加附着力采用溅射增加附着力1 1、薄膜的附着力、薄膜的附着力n 附着力的
5、测试方法附着力的测试方法 粘胶法粘胶法: :薄膜与基片间的附着力必须小于薄膜与粘胶间的薄膜与基片间的附着力必须小于薄膜与粘胶间的附着力附着力 引拉法；剥离法引拉法；剥离法 直接法直接法 划痕法、摩擦法、离心法划痕法、摩擦法、离心法难定量描述，结果只具定性意义！难定量描述，结果只具定性意义！ 利用黏结或焊接的方法将薄膜结利用黏结或焊接的方法将薄膜结合与拉伸棒的端面上，测量将合与拉伸棒的端面上，测量将薄膜薄膜从衬底上拉伸下来所需的载荷从衬底上拉伸下来所需的载荷的大的大小。薄膜的附着力小。薄膜的附着力等于拉伸时的临等于拉伸时的临界载荷与被拉伸的薄膜面积之比界载荷与被拉伸的薄膜面积之比。 在用在用黏结
6、剂黏结剂时，其黏结强度决定时，其黏结强度决定了这一方法可测定的附着力的上限。了这一方法可测定的附着力的上限。 焊接焊接可增加界面的结合强度，但可增加界面的结合强度，但焊接过程可能会由于加热温度的影焊接过程可能会由于加热温度的影响而改变界面的组织和附着力。响而改变界面的组织和附着力。引拉法引拉法 将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄薄膜进行划伤试验膜进行划伤试验的方法来评价薄膜的附着力。的方法来评价薄膜的附着力。 当划针前沿的剪切力超过薄膜的附着力时，薄膜将发当划针前沿的剪切力超过薄膜的附着力时，薄膜将发生破坏与剥落。在划针移动的同时，逐渐加
7、大所施加的生破坏与剥落。在划针移动的同时，逐渐加大所施加的载荷，并在显微镜下观察得出划开薄膜，露出衬底所需载荷，并在显微镜下观察得出划开薄膜，露出衬底所需的的临界载荷临界载荷，即可作为薄膜附着力的量度。，即可作为薄膜附着力的量度。 当载荷一定时，薄膜剥离痕迹当载荷一定时，薄膜剥离痕迹的完整程度也依赖于薄膜的附的完整程度也依赖于薄膜的附着力，因而也可根据着力，因而也可根据划痕边缘划痕边缘的完整程度来比较薄膜附着力的完整程度来比较薄膜附着力的大小的大小。划痕法划痕法2 2、薄膜的内应力、薄膜的内应力n 内应力的定义及分类内应力的定义及分类 定义：薄膜内部单位面积的一侧受到另一侧施加的力，定义：薄膜
8、内部单位面积的一侧受到另一侧施加的力，用用 表示，单位表示，单位N/m2。 分类分类 按性质分类：张应力、压应力按性质分类：张应力、压应力 按来源分类：热应力、本征力按来源分类：热应力、本征力2 2、薄膜的内应力、薄膜的内应力l 张应力（张应力（+ +）：）：截面一侧受到来自另一侧的拉伸方向的截面一侧受到来自另一侧的拉伸方向的力。张应力过大会使薄膜开裂。力。张应力过大会使薄膜开裂。l 压应力（压应力（- -）：）：与张应力相反，受到推压方向的力。压与张应力相反，受到推压方向的力。压应力过大会使薄膜起皱或脱落。应力过大会使薄膜起皱或脱落。l 热应力热应力：当薄膜的形成温度和测量或使用温度不同时，
9、当薄膜的形成温度和测量或使用温度不同时，由于薄膜和基片的热胀系数不同而引起的内应力，是一种由于薄膜和基片的热胀系数不同而引起的内应力，是一种可逆的应力。可逆的应力。l本征应力：本征应力：薄膜形成过程中由缺陷等原因而引起的内应薄膜形成过程中由缺陷等原因而引起的内应力，热应力之外的全部应力。力，热应力之外的全部应力。几点讨论：几点讨论：1 1）从上式看出，要消除薄膜中的热应力，最根本的办法就是）从上式看出，要消除薄膜中的热应力，最根本的办法就是选用热胀系数相选用热胀系数相同的薄膜和基片材料同的薄膜和基片材料。其次是让。其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。
10、2 2）通常情况，）通常情况，T Td dT, T, 若薄膜的弹性常数与温度无关，薄膜和基片的热胀系数若薄膜的弹性常数与温度无关，薄膜和基片的热胀系数不随温度发生变化、为常数时，不随温度发生变化、为常数时，薄膜的热应力随温度作线性薄膜的热应力随温度作线性变化。变化。3 3）当）当a afa as 时，热应力为正，即是为张应力。反之，热应力为负，即为压应时，热应力为正，即是为张应力。反之，热应力为负，即为压应力。因此，可通过力。因此，可通过选择基片或者改变成膜温度选择基片或者改变成膜温度的办法来改变薄膜中热应力的办法来改变薄膜中热应力的性质和大小。的性质和大小。4 4）对于）对于高熔点的金属薄膜
11、及其他薄膜高熔点的金属薄膜及其他薄膜，随着成膜温度的提高，随着成膜温度的提高，热应力热应力可能成可能成为它内应力中的一个为它内应力中的一个主要部分主要部分。对于。对于低熔点金属和结构高度有序的薄膜低熔点金属和结构高度有序的薄膜，因为它们的因为它们的本征应力很小本征应力很小，所以，所以热应力热应力能成为它们内应力中的能成为它们内应力中的绝大部分绝大部分。2 2、薄膜的内应力、薄膜的内应力n 内应力的起因内应力的起因热效应热效应相变相变界面应力界面应力: :晶格适配晶格适配杂质效应杂质效应此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺陷、微孔的
12、扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应陷、微孔的扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应力的变化。力的变化。2 2、薄膜的内应力、薄膜的内应力n 内应力的测量方法内应力的测量方法 机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。 悬臂梁法、弯盘法悬臂梁法、弯盘法 原理：原理： 衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。 X X射线衍射射线衍射2 2、薄膜的硬度、薄膜的硬度物质的硬度物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗刻划性的能力。刻划性的能力。硬度试验硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
