第七章 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质 20141118
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薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
有利于原子向基片中扩散，→附着强
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
7-1 薄膜的力学性质汇总
X射线衍射
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
在用黏结剂时，其黏结强度决定 了这一方法可测定的附着力的上限。
焊接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 响而改变界面的组织和附着力。
划痕法
将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄 膜进行划伤试验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 需的临界载荷，即可作为薄膜附着力的量度。 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 着力，因而也可根据划痕边缘 的完整程度来比较薄膜附着力 的大小。
2、薄膜的内应力
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， 用表示，单位N/m2。 分类 按性质分类：张应力、压应力 按来源分类：热应力、本征力
2、薄膜的内应力
张应力（+）：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。 压应力（-）：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。 热应力：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 可逆的应力。 本征应力：薄膜形成过程中由缺陷等原因而引起的内应 力，热应力之外的全部应力。
第七章 薄膜的物理性质
力学性质 电学性质 光学性质 磁学性质 热学性质
§7-1 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 附着性质 应力性质 弹性性质 机械强度 — 取决于薄膜成长的初始阶段
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
在用黏结剂时，其黏结强度决定 了这一方法可测定的附着力的上限。
焊接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 响而改变界面的组织和附着力。
划痕法
将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄 膜进行划伤试验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 需的临界载荷，即可作为薄膜附着力的量度。 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 着力，因而也可根据划痕边缘 的完整程度来比较薄膜附着力 的大小。
2、薄膜的内应力
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， 用表示，单位N/m2。 分类 按性质分类：张应力、压应力 按来源分类：热应力、本征力
2、薄膜的内应力
张应力（+）：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。 压应力（-）：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。 热应力：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 可逆的应力。 本征应力：薄膜形成过程中由缺陷等原因而引起的内应 力，热应力之外的全部应力。
第七章 薄膜的物理性质
力学性质 电学性质 光学性质 磁学性质 热学性质
§7-1 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 附着性质 应力性质 弹性性质 机械强度 — 取决于薄膜成长的初始阶段
7-1 薄膜的力学性质
X射线衍射
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
第七章 薄膜的物理性质
力学性质 电学性质 性质与其结构密切相关。
薄 膜 的 力 学 性 质 附着性质 应力性质 弹性性质 机械强度 — 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
1、薄膜的附着力
附着：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。
几点讨论： 1）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 同的薄膜和基片材料。其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 2）通常情况，Td>T, 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，薄膜的热应力随温度作线性变化。 3）当af＞as 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 的性质和大小。 4）对于高熔点的金属薄膜及其他薄膜，随着成膜温度的提高，热应力可能成 为它内应力中的一个主要部分。对于低熔点金属和结构高度有序的薄膜， 因为它们的本征应力很小，所以热应力能成为它们内应力中的绝大部分。
2、薄膜的内应力
内应力的起因
热效应 相变 界面应力:晶格适配 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 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。
2、薄膜的内应力
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。
悬臂梁法、弯盘法 原理：
衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。
机械锁合 双电层吸引
两个接触面相互 扩散或溶解形成 渐变界面
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
第七章 薄膜的物理性质
力学性质 电学性质 性质与其结构密切相关。
薄 膜 的 力 学 性 质 附着性质 应力性质 弹性性质 机械强度 — 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
1、薄膜的附着力
附着：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。
几点讨论： 1）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 同的薄膜和基片材料。其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 2）通常情况，Td>T, 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，薄膜的热应力随温度作线性变化。 3）当af＞as 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 的性质和大小。 4）对于高熔点的金属薄膜及其他薄膜，随着成膜温度的提高，热应力可能成 为它内应力中的一个主要部分。对于低熔点金属和结构高度有序的薄膜， 因为它们的本征应力很小，所以热应力能成为它们内应力中的绝大部分。
2、薄膜的内应力
内应力的起因
热效应 相变 界面应力:晶格适配 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 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。
2、薄膜的内应力
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。
悬臂梁法、弯盘法 原理：
衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。
机械锁合 双电层吸引
两个接触面相互 扩散或溶解形成 渐变界面
薄膜的性质
• 静电力就是前面所说的双电层吸引力，由于薄膜和 基体材料的功函数不同，当两者相互接触时发生电 荷转移。电荷层起着把薄膜与基体拉紧的作用，其 吸引能为 2 d
ES 2 0
• 理论计算表明，静电力的吸引能与范德华力 基本相近。两者的差异表现在：范德华力是 一种短程力，当吸附原子间的距离有增大时， 它便迅速趋向于零。因此靠范德华力来实现 薄膜与基体的附着时，其附着性是较差的。 静电力则与此相反，它是一种长程力。即使 薄膜和基体之间有微笑位移，其吸引力也不 会又较大的变化。因此虽然静电力数值小一 些，但它对附着力的贡献却较大。
（b）化学吸附是薄膜与基体之间形成化学键 结合力产生的一种吸附。化学键的结合有三种：
共价键、离子键和金属键。产生化学键的原因是 有些价电子不再为原来的原子所独有，而是从一 个原子转移到另一个原子上。这样，化学键吸引 力也是一种短程力，但数值上却比范德华力大得 多。在薄膜与基体之间并不是普遍的存在化学吸 附，只有在它们之间的界面上产生化学键形成化 合物时才能形成化合键结合。由此看出，要使薄 膜在基体上有牢固的附着性必须在它们之间产生 化学键。 化学吸附的吸附能一般在0.5~10eV。
（c）通过中间层的附着：在薄膜和基体之间 形成一种化合物中间层，薄膜再通过这个中 间层与基体间形成牢固的附着。这种中间层 可能是一种化合物的薄膜，也可能是含有多 种化合物的薄层。其化合物可能是薄膜与基 体两种材料形成的化合物，也可能是与真空 室内环境气氛形成的化合物，或者两种情况 都有。由于薄膜和基体之间有这样一个中间 层，所以两者之间形成的附着就没有单纯的 界面。
• 当薄膜和基体集中地看做一个体系，在薄 膜形成过程中这个体系的温度大多数都是 上升的。在薄膜形成之后，若这个体系处 于室温下，由于薄膜和基体热膨胀系数的 不同，必然在薄膜的内部产生内应力。由 于这种内应里只是起因于热效应，所以称 为热应力作用并用σ T表示 σ =EF·（aF-as)·Δ T 式中aF和aS分别是薄膜和基体热膨胀系数， EF是薄膜的杨氏模量，Δ T是薄膜与基体体 系的温升。
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质
2.1.3 增加附着力的方法 ①清洗基片 污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大 大减弱→扩散更不可能→吸附性极差
解决方法：基片清洗→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）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,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 →中间层附着 须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
解决方法：基片清洗→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）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,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 →中间层附着 须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
薄膜物理技术考试知识点总结
1.1薄膜概述作业题：什么是薄膜1.薄膜的定义（1）：由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。
定义（2）：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质。
·薄膜的尺度：通常：薄膜< 1μm 厚膜>10μm·微电子电路的工艺有哪些方法实现？答：光刻、镀膜、电子束。
1.2 薄膜结构和缺陷作业题：蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变？低温时，扩散速率小，成核数目有限，形成不致带有纵向气孔的葡萄结构;随着温度升高，扩散速率增大，形成紧密堆积纤维状晶粒然后转为完全之谜的柱状晶体结构;温度再升高，晶粒尺寸随凝结温度升高二增大，结构变为等轴晶貌。
其他：·薄膜主要缺陷类型及特点？薄膜的缺陷分为:点缺陷(晶格排列出现只涉及到单个晶格格点，典型构型是空位和填隙原子，点缺陷不能用电子显微镜直接观测到，点缺陷种类确定后，它的形成能是一个定值)、位错(在薄膜中最常遇到，是晶格结构中一种“线性”不完整结构，位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变)、晶格间界(薄膜由于含有许多小晶粒，故晶粒间界面积比较大)和层错缺陷(由原子错排产生，在小岛间的边界处出现，当聚合并的小岛再长大时反映层错缺陷的衍射衬度就会消失)。
·薄膜晶粒织构（组织结构）模型：（能区分）·薄膜结构是指哪些结构？其特点是什么？（1）薄膜结构：组织结构（包含无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构）、晶体结构、表面结构。
（2）特点：组织结构：薄膜的结晶形态晶体结构：多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也不同。
表面结构： a、呈柱状颗粒和空位组合结构；b、柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同；c、平行于基片表面的层与层之间有明显的界面；1.3 薄膜的形成作业题：1.薄膜生长的三个过程一、吸附、表面扩散与凝结过程二、核形成与生长过程三、连续薄膜的形成（岛形成与生长过程。
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S 基片的热胀系数； Td 薄膜淀积温度；
T 测量温度。 随温度线性变化， 若 F 、 S 与温度无关， F 薄膜和基片热膨胀系数越接近，热应力越小。
第七章
薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力
界面应力 （2）本征应力 生长应力 A、在界面处薄膜与基片的结构失配形成的内应力。 界面应力： B、在界面处有相当高的缺陷密度和杂质密度 引 本征应力 起严重的界面失配 产生界面应力。 生长应力：来源于薄膜在生长过程中所形成的各种结构缺陷。 本征应力与薄膜厚度有关。薄膜厚度小时，构成薄膜的小岛互不相连， 由于小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时内应力较小。随着 膜厚增加，小岛互相连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔的 存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并形成 连续薄膜时，此时应力减小并趋于一稳定值。
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
条带法（剥离法）原理图
条带法（剥离法）、引拉法、划痕法、 推倒法、摩擦法、扭 曲法、离心法、超声法、振动法等。
(1)条带法（P198）
在薄膜表面粘结上宽度一定的附着胶带，然后以一定的角 度对附着胶带施加拉力，把附着胶带拉下来，根据剥离情 况判断附着力大小。 三种可能：①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； ②仅部分剥离下来； ③未剥离→说明薄膜附着好→定性测量
第七章
薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力
内应力的测试方法
悬臂梁法 基片弯曲法 弯盘法 机械方法 基片膨胀法 分两类： 衍射方法
内应力的测试方法
第七章
薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的测试方法
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章
薄膜的物理性质
简单附着
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个 接触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互 接触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀) 附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
第七章
薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(2)相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
(3) 划痕法
用尖端圆滑钢针划过薄膜表面，尖端半径约为0.05nm。在钢 针上加垂直负载，直到把薄膜刻划下来为止。 临界负荷W—刚刚能将薄膜刻划下来的荷载。用作薄膜附着力的 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。薄膜的临界负荷 一般为几-几百克。
单位面积临界剪切力为：
f P tan P a r a
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7.1.2 薄膜的内应力
内应力按起源分： 热应力—薄膜和基片的热胀系数不同而引起的。 本征应力--来自于薄膜的结构因素和缺陷。
(1)热应力：薄膜制备过程中，薄膜和基片温度高，制备完后恢复到常温。 由薄膜和基体的热膨胀系数有所差别而引起的，是可逆的。 薄膜热应力的数学表达式： E f ( F S ) Td T F E f 弹性模量； F 薄膜的热胀系数；
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7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(3)界面应力
当薄膜材料的晶格结构与基片材料的晶格结构不同 时，薄膜最初几层的结构将受到基片的影响，形成接近 或类似基片的晶格尺寸，然后逐渐过渡到薄膜材料本身 的晶格尺寸。在过渡层中的结构畸变，将使薄膜产生内 应力。这种由于界面上晶格的失配而产生的内应力称为 界面应力。 为减小界面应力，基片表面晶格结构应尽量与薄膜 相匹配。
2 2
P
W r2P W
（等于附着力 P199）
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7.1.2 薄膜的内应力
1. 应力的定义、产生原因
应力：在材料内部单位面积上的作用力称为应力， 用表示。 外应力：如果这种应力是由于薄膜受外力作用引起 的则称为外应力； 内应力：如果应力是由薄膜本身原因引起的则称为 内应力。 它们的单位通常采用牛顿／米2或 达因／厘米2表示。
Ef—薄膜的表面能; Es—基片的表面能; Efs—薄膜与基片之间的界面能
两个相似或相容的表面接触: Efs↓ 两个完全不相似或不相容的表面接触
Wfs↑ Efs↑
Wfs↓
简单物理附着------薄膜与基片间的结合力-------范德华力
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
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7.1 薄膜的力学性质 7.1.1 薄膜的附着力
(2) 引拉法（定量测量）
在薄膜上粘结一个柱状的拉杆， 在拉杆上施加一个垂直于膜面 的拉力。如果拉掉薄膜的最小 拉力为F，粘结的底面面积为A， 则单位面积的附着力 f=F/A
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7.1 薄膜的力学性质 7.1.1 薄膜的附着力
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
④沉积方式： 溅射强于蒸发，电压（溅射）高→附着好 ∵溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化；又 有利于原子向基片中扩散，→附着强 电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
Байду номын сангаас
宋春元 材料科学与工程学院
第七章
薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
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薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
注 功函数：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
三种附着力： 范德华力、静电力、化学键力
物理吸附
①范德华力 短程力，当吸附原子间的距离略有增加，力迅速趋 向于0.
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(b)扩散附着： 是由于在薄膜和基体之间互相扩散或溶解形成一个渐 变的界面。 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。 基片加热法：加温 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄（20-30nm）金属膜， 再用高能（100KeV）氩离子对它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体加电压 吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动能大
扩散。
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(c)通过中间层的附着：
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 合物。由于薄膜和基体之间 有这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯 的界面。
方法：在基片上镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
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7.1.2 薄膜的内应力
内应力的成因
(1)热收缩效应
在薄膜形成过程中，沉积到基体上的蒸发气相原子 具有较高的动能，从蒸发源产生的热辐射等使薄膜温 度上升。当沉积过程结束，薄膜冷却到周围环境温度。
基片与薄膜热膨胀系数存在差异； 基片温度直接影响吸附原子在基片表面的迁移能力，影响 薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数量和分布；
1、悬臂梁法 P202
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的 附着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
解决方法：在薄膜基片间加入另外一种材料，形成中间过渡层。 如：玻璃片上镀金膜，先镀很薄的铬，铬从氧化物基片中夺取氧 形成氧化物，有较强的附着力；然后再镀金，金膜与铬形成金属 键，提高附着性。
薄膜的力学性质 薄膜的电学性质 薄膜的光学性质 薄膜的磁学性质 薄膜的热学性质
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7.1 薄膜的力学性质
薄膜的主要力学性能：
附着性质—由薄膜成长的初始阶段 内应力 机械性能
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
1．附着现象
附着问题是制备薄膜时遇到的第一个问题。因为制 备薄膜时首先考虑它是否能牢固地附着在基体上。 从宏观角度看，附着就是薄膜和基体表面相互作用 将薄膜粘附在基体上的一种现象。附着是与薄膜在基 体上存在的耐久性及耐磨性有直接关系的重要概念。 薄膜在基体上附着的牢固性因薄膜材料和基体材料的 不同而不同。
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7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。