4-第四讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质

薄 膜 材 料 本 身 与 内 应 力 的 关 系 ： 与 原 材 料 的 切 变 模 量 G 、 熔 点 量 G 、 熔 点 T 间 有 某 种 关 系 m之 9 的 （ G > 41010 P a ） 、 难 熔 （ T > 1500 C ） 0.01 G 10 P a 硬 m 大 10 8 软 的 （ G < 4 10 P a ） 、 易 熔 （ T < 1500 C ） < 5 10 P a m 小 钛 薄 膜 的 微 分 应 力 ： 经 最 大 值 后 ， 下 降 到 性 质 相 反 的 应 力 （ 例 如 从 张 应 力 变 到 压 应 力 或 相 反 ） 薄 膜 应 力 随 厚 度 有 变 化应 选 用 合 适 的 厚 度 ， <附 着 力
薄膜中存在两种应力：界面应力和生长应力 。
生长应力与薄膜厚度无关； 薄膜的内应力与它在空气中暴露的时间有密切的关系，往往从 张应力变为压应力。因为在疏松的薄膜中，大量吸附空气中的水 分和氧而造成的。 薄膜中的各种缺陷是产生本征应力的主要原因。但这些缺陷 一般都是非平衡缺陷，故有自引消失的倾向，即自然给予活化能 会消失 薄膜内应力
（ 3） 环 境 气 氛 可 直 接 进 入 结 构 不 够 紧 密 的 薄 膜 中 ， 从而产生压应力。 若薄膜中的残余气体再跑出来，在薄膜中留 下空位和空位团，从而出现张应力。 高 氧 气 压 下 靶 表 面 氧 化 溅射氧化膜 张应力 钽膜： 低 氧 气 压 下 在 基 片 上 发 生 氧 化 压应力
低温退火— 晶格振动相互交换能 畸变位置的原子恢复正常 中温退火— 原子活化能大 与空位、填隙原子、位错复合 或者移到表面和晶界面而消失 高温退火— 原子的扩散加剧 进一步消除冻结的缺陷， 再结晶 晶粒增大 晶界减小 退火温度的选择应注意薄膜发生氧化、杂质偏析或者 相变过程
2 E d SS , 2 3 1 R ld S SF
Ed 、基 片 的 弹 性 模 量 和 厚 度 S S
Rl 、 基 片 的 曲 率 半 径 和 长 度 ， d 、 薄 膜 厚 度别测量出在淀积薄膜前后的基片 的曲率半径R1和R2，则薄膜单位宽度的应力为：
§2.5
第二章 薄膜的力学性质(续)
第四讲
工 艺 对 内 应 力 的 影 响 — 基 片 情 况 ， 淀 积 过 程 ， 薄膜本身。
使 薄 膜 处 于 压 应 力 状 态 — 选 基 片 材 料 ； 1、 基 片 情 况 基 片 表 面 晶 格 结 构 须 与 薄 膜 相 匹 配 ； 基 片 温 度 （ 淀 积 时 ） 对 内 应 力 影 响 大 。 2、 淀 积 基 片 温 度 吸 附 原 子 在 基 片 表 面 的 迁 移 能 力 决定薄膜的结构、成份、晶粒尺 寸、晶面取向以及各种缺陷的 数量和分布。
§2.4
内应力的测试方法
弯梁法 基片弯曲法 弯盘法 机械方法 基片膨胀法 分三类： 性能方法 衍射方法
1、悬臂梁法 • 测量时常用基片—云母片、玻璃片 尺寸：15×2 ×0.05~65 ×10 ×0.15mm3 • 测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、 机电法等，其中电容法的灵敏度最高。 • 薄膜内应力：
由 2 d s i n （ 0 . 1 5 4 0 5 n m ） d 薄 膜 的 原 子 间 距 （ 平 行 于 膜 面 ） 因 为 薄 膜 的 内 应 力 只 在 膜 面 方 向 ， 在 垂 直 膜 面 的 方 向 上 内 应 力 为 零 。 2 因 此 在 这 个 方 向 上 薄 膜 的 应 变 为 ： （ 垂 直 膜 面 方 向 上 ） z E d d 0 在 垂 直 膜 面 方 向 上 的 应 变 为 ： d 薄 膜 ， d 块 状 z 0 d 0
代 入 上 式 得 出 薄 膜 的 内 应 力 为 ：
E d0 d E薄 膜 材 料 的 弹 性 模 量 2 d0
泊 松 比 ， t l
t 横 向 切 应 变 ， l 纵 向 切 应 变
若 薄 膜 >块 材 d <d0， 则 薄 膜 的 内 应 力 张 应 力 若 薄 膜 块 材 移 动 （ 退 火 ） 则 薄 膜 内 应 力 变 小 注 意 ： 用 x 射 衍 射 法 测 内 应 力 ， 不 含 膜 内 无 定 形 区 及 微 小 晶 粒 区 的 内 应 力 ， 因 此 比 悬 臂 梁 法 测 得 数 值 要 小 。
3、 淀 积 过 程 对 薄 膜 内 应 力 的 影 响 影响因素：淀积方式、热源温度、淀积速率、 入射角度和环境气氛。 溅射镀膜 溅射气体进入膜内 （ 1） 淀 积 方 式 本征应力增大 蒸 发 镀 膜 慢 蒸 本 征 应 力 小 淀 积 速 率 晶 粒 平 均 尺 寸 内 应 力 大 （ 2） 例 外 ： 有 例 外 具 体 情 况 具 体 分 析
2 Ed 1 S S 1 S d ( ) F 6 R R 2 1
基片：玻璃、石英、单晶硅 尺寸：0.13×Ф 18-0.22×Ф 30，光学抛光 测量方法：牛顿环法(常用)、x射线衍射法、光纤法等。
3、 x射线衍射法 测试前，用标准的硅单晶样品→标定装置误差。
薄膜厚度＞30nm,观测衍射峰最大值所对应的布拉 格（Bragg）角Θ ，并比较薄膜的Θ 和块状的Θ 角。