薄膜应力测试方法
薄膜应力测量方法及影响因素研究进展
2018年第38卷航空材料学报2018，V〇1.38第1 期第17-25 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No. 1 pp. 17 -25薄膜应力测量方法及影响因素研究进展马一博12，陈牧1，，颜悦1，，刘伟明12，韦友秀12，张晓锋12，李佳明12(1.中国航发北京航空材料研究院透明件研究所，北京100095; 2.北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心，北京 100095)摘要:随着薄膜电子器件的尺寸不断减小，薄膜应力成为薄膜器件失效的重要原因。
薄膜应力不仅影响薄膜结构 而且与薄膜光学、电学、力学等性质相关，因此，薄膜应力逐渐成为薄膜材料研究领域的热点之一。
本文综述了薄 膜应力的最新研究进展，对比分析了基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等常见的薄膜应力检测方法，概括了 薄膜成分比例、基底类型、磁控溅射工艺参数(溅射功率、工作压力、基底温度）和退火等影响薄膜应力的因素。
发 现基底曲率法适合测量绝大部分薄膜材料，而X射线衍射法、拉曼光谱法只适合测量具有特征峰的材料，纳米压痕 法需与无应力样品作对比实验。
在薄膜制备和退火过程中，薄膜应力一般发生压应力和张应力的转化，且多个工 艺参数共同影响薄膜应力,适当调节参数可使薄膜应力达到最小值甚至无应力状态。
最后,结合薄膜应力当前的 研究现状提出了未来可能的研究方向，即寻找不同材料体系薄膜应力的精确测量方法以及薄膜应力检测过程中面 临的检测范围问题。
关键词：薄膜应力;应力测量;应力控制;基底曲率法doi：10. 11868/j. iss n. 1005-5053. 2017.000126中图分类号：O339 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2018)01-017-09人们发现，当用薄膜材料替换块体材料，或在块 体材料表面覆盖一层薄膜材料，新材料体系能够表 现出更加优异的、甚至全新的性能。
例如，金属氮化 物薄膜可以极大地改善切割工具的耐磨性能[1];全 固态薄膜锂电池利用固态薄膜电解质代替传统电解 液，从根本上解决了电池易燃、易爆的安全隐患[]; 薄膜晶体管技术的成熟使柔性显示屏开始在部分特 殊领域替代传统硬玻璃基底上的液晶显示屏[3 ]。
薄膜应力测试方法
薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。
拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。
內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。
薄膜应力的测试方法及原理
薄膜应力的测试方法及原理
薄膜应力的测试方法主要有以下几种：
1. 剪切法：这种方法通过在薄膜上施加一个剪切力，然后测量其发生变形的程度来计算薄膜的应力。
常用的剪切方法有拉伸剪切法和剥离剪切法。
2. 弯曲法：弯曲法是通过在薄膜上施加一个弯曲力，并测量薄膜变形的程度来计算应力。
常用的弯曲法有三点弯曲法和四点弯曲法。
3. 气体膜法：气体膜法是通过在薄膜两侧各加一层气体膜，然后测量气体膜的压强差来计算薄膜的应力。
这种方法可以用于大范围的薄膜应力测量。
薄膜应力的测试原理主要是利用了薄膜受力后的变形特性来测量应力。
当一个薄膜受到外部力的作用时，会产生弯曲、拉伸或剥离等变形。
根据薄膜材料的力学特性以及变形的形态，可以通过测量变形量，结合相应的力学模型，计算出薄膜所受到的应力。
用基片曲率法测量薄膜应力 - index 清华大学网络资源导 …
7 2 min Cu/ 1 min Ag
21
1. 67
25. 3 - 5. 8 - 436
8
2min Cu/ 1 min Ag (加偏压 - 200 V)
21
1. 67 - 22. 6 - 30. 2 23
注 :指每层对镀 1min Cu 和 0. 5min Ag ,其余相同 。
k0 , k ———分别为基片镀膜前后的曲率半径
Ms = Es/ (1 - vs) 为基片的二维杨氏模量 ,其中 Es , vs 分别 是基片材料的杨氏模量和泊松比 。
本实验中的 Si (111) 基片的二维杨氏模量为 229 GPa[5] 。在
硬基底软膜的情况下基片曲率法较为适用 。
1. 2 基片曲率法的种类
1 实验方法
1. 1 基片曲率法的原理
基片曲率法的原理是通过测量基片镀膜前后的曲率变化来
[ 收稿日期 ] 2003 - 02 - 18 [ 基金项目 ] 国家自然科学基金资助项目 (59971021)
计算薄膜应力 。该法要求基片为圆片状或长方条形 。当薄膜沉
积到基片上时 ,薄膜与基片之间产生二维界面应力 ,使基片发生
第 36 卷 第 7 期 2003 年 7 月
材 料 保 护 MATERIALS PROTECTION
Vol. 36 No. 7 July 2003
用基片曲率法测量薄膜应力
安 兵 ,张同俊 ,袁 超 ,崔 昆 (华中科技大学模具技术国家重点实验室 ,湖北 武汉 430074)
[摘 要 ] 采用基片曲率法设计和制作了一种测量薄膜应力的装置 ,它具有简单 、无损伤 、快速 、易于操作 、精度高的 优点 。使用该装置测量了射频磁控溅射镀制的 Cu 单层膜和 Ag/ Cu 多层膜的应力 ,结果表明薄膜残余应力是均匀的 ,但随 沉积条件不同而不同 。Cu 单层膜和 Ag/ Cu 多层膜处于压应力状态 ,外加 - 200 V 偏压时 ,Ag/ Cu 多层膜则转变为很小的拉 应力状态 。XRD 表明 Ag/ Cu 多层膜已结晶 ,呈现 Ag(111) / Cu(111) 择优取向 。
薄膜应力测试方法及标准
薄膜应力测试方法及标准
嘿，朋友们！今天咱来聊聊薄膜应力测试方法及标准。
那这薄膜应力测试到底咋弄呢？一般来说，先得准备好测试样品，要确保它的平整和洁净哦。
然后把样品固定在测试装置上，这一步可得小心谨慎，千万别弄出啥差错。
接下来就是施加外力啦，慢慢增加力度，同时密切观察薄膜的变化。
在这个过程中，可得注意测量的准确性呀，稍有偏差可能结果就大不同啦！而且操作一定要规范，不然得出个不靠谱的结果，那不就白折腾啦！
说到这过程中的安全性和稳定性，那可太重要啦！就像走钢丝一样，稍有不慎就可能出问题。
测试装置必须稳稳当当的，不能有啥晃动或者故障。
而且操作人员也要严格遵守安全规定，保护好自己呀。
只有这样，才能保证测试顺利进行，不出岔子。
那薄膜应力测试都有啥应用场景和优势呢？哇，那可多了去啦！在电子行业，它能确保那些薄薄的元件正常工作。
在材料研发领域，更是能帮助科学家们找到更好的材料呢。
它的优势就是能快速准确地得到薄膜的应力情况呀，就像给薄膜做了一次全面体检，让我们对它了如指掌。
来看看实际案例吧。
之前有个公司研发新的薄膜材料，通过应力测试，发现了一些潜在的问题，及时进行了改进，最后产品大获成功。
这效果，杠杠的！这不就充分说明了薄膜应力测试的重要性嘛。
所以呀，薄膜应力测试方法及标准那可是相当重要的，能帮助我们更好地了解和利用薄膜材料，让它们发挥出最大的作用！。
用干涉方法测量薄膜应力
第26卷 第9期2006年9月 物 理 实 验 P H YSICS EXPERIM EN TA TION Vol.26 No.9 Sep.,2006 “第四届全国高等院校物理实验教学研讨会”论文 收稿日期:2006205214;修改日期:2006206225 资助项目:国家工科物理基础课程教学基地项目(2006);北京科技大学教研基金项目(2006) 作者简介:吴 平(1962-),女,安徽望江人,北京科技大学物理系教授,博士生导师,博士,主要从事功能薄膜材料、软物质研究以及物理实验的教学与研究.用干涉方法测量薄膜应力吴 平,邱 宏,姜德怀,张 蓓,陈 森,赵雪丹,黄筱玲(北京科技大学应用科学学院物理系,北京100083) 摘 要:基于基片弯曲法和牛顿环的基本原理,使用He 2Ne 激光器、扩束镜、凸透镜和带分光镜的移测显微镜,搭建了薄膜应力测量装置.采用直流溅射法制备了厚度为30～144nm 的银薄膜,衬底采用厚度为0.15mm 、直径为18mm 的圆形玻璃片.实验发现,薄膜厚度对银薄膜的内应力有显著的影响,在薄膜厚度很小时,随着薄膜厚度的增加,应力迅速增大,达到最大值后,随着厚度的继续增加,薄膜应力下降较快并趋于稳定值.关键词:银薄膜;应力;基片弯曲法;牛顿环中图分类号:O436.1;O484.2 文献标识码:A 文章编号:100524642(2006)09200072031 引 言应力是薄膜制备和生产过程中存在的普遍现象.薄膜所受的应力分外应力和内应力.外应力是外部对薄膜施加的力,内应力是在薄膜制造过程中,在内部自己产生的应力.内应力又分热应力和本征应力.热应力是由于薄膜和基底的热膨胀系数差别而引起的,是可逆的.本征应力来自薄膜的结构因素和缺陷,是内应力中的不可逆部分.人们研究得较多的是薄膜的本征应力,并对本征应力的起源提出了很多种模型和理论,但尚无一个模型可以解释所有的实验事实[1～2],因此研究薄膜的内应力的起源和规律,仍是内应力研究的重点.总之,薄膜应力取决于材料、淀积工艺技术和各种环境参量[3],不同的沉积条件和生长过程将使薄膜处于不同的应力状态.薄膜中应力的大小和分布对薄膜的结构和性质有重要的影响,可导致薄膜的光、电、磁、机械性能改变.例如,薄膜中的应力是导致膜开裂或与基体剥离的主要因素[4～5],薄膜中存在的残余应力很多情况下影响M EMS 器件结构的特性,甚至严重劣化器件的性能[6],薄膜的内应力对薄膜电子器件和薄膜传感器的性能有很大的影响[7].因此,薄膜应力研究在薄膜基础理论和应用研究中起到重要的作用,薄膜应力的测量备受关注.薄膜应力测量的基本方法有2种:一种是晶格常量法(例如X 射线法),该方法虽然测试灵敏度高,受样品尺寸影响小,但是无法对非晶结构材料进行测量;另一种是基片弯曲法,它是通过测量应力所引起的材料宏观形变得到应力[8].本文基于基片弯曲法和牛顿环的基本原理,用He 2Ne 激光器、扩束镜、会聚透镜和带分光镜的移测显微镜搭建了薄膜应力测量装置,测量了在低真空条件下制备的银薄膜的应力,分析了银薄膜应力随膜厚的变化.本实验是对我们所编排的适合于大学物理实验层次的金属薄膜制备与薄膜厚度和电学性质测量系列研究性实验[9]的进一步拓展,通过该实验,学生不仅可初步了解薄膜应力的起源,影响薄膜应力的主要因素,还可掌握目前在科研、生产中广泛使用的薄膜应力测量方法.2 实验原理在圆形的平面基片上镀膜以后,通常圆形的平面基片都会发生形变,其表面变成碗形的空间曲面.可以认为,基片所发生的形变完全是由薄膜内存在的残余应力作用的结果.把这个曲面视作球面的一部分,可近似地用Stoney 公式[10],由镀膜前后基片的曲率半径的变化计算出薄膜内残余应力的大小,即σf =16E s 1-νs t 2st f1R post-1R pre.(1)式中,σf 为薄膜应力,E s 为基片弹性模量,νs 为基片泊松比,t s为基片厚度,t f为薄膜厚度,R pre 和R post为镀膜前后基片的曲率半径.Stoney公式采取了如下基本假设:1)t fνt s;2)E f≈E s,即基底与薄膜的弹性模量相近;3)基底材料是均质、各向同性、线弹性的;4)薄膜材料是各向同性的,薄膜残余应力为双轴应力;5)薄膜残余应力沿厚度方向均匀分布;6)小变形,并且薄膜边缘部分对应力的影响非常微小.在式(1)中,E s,νs,t s的大小由基片材料自身决定,在镀膜前已明确.t f的大小可以通过制作台阶样品用干涉方法测出[11],R pre和R post的大小可以用牛顿环法进行测量.若基片直径为d,激光波长为λ,N post与N pre分别为圆形基片的半径范围内沉积有薄膜的基片与未沉积薄膜的基片的干涉条纹数目,则式(1)可以写为σf=16E s1-νst2st f4λd2(N post-N pre).(2)实验装置由He2Ne激光器(632.8nm)、扩束镜(40倍)、会聚透镜(焦距12cm)、移测显微镜(带分光镜)和镀有Al半透膜的标准平面玻璃组成.图1是样品放置图.薄膜样品放在平面玻璃上,膜面朝上,样品两边放置厚度很均匀的硅片(0.429mm)作为垫片[图1(a)],镀有Al半透膜的平面玻璃放在两垫片上,镀有Al膜的一面朝下,与样品之间形成空气隙[图1(b)].测量装置光路如图2所示.由He2Ne激光器发出的激光经扩束镜成为发散光束,再经会聚透镜成为平行光束投射到分光镜上.分光镜(倾斜度可调)的作用一方面是使光束经它反射后垂直入射到待测样品上,另一方面它可以透过光,故可在其上面的显微镜中观察由空气劈尖产生的干涉条纹.垂直入图1 样品放置图射的激光束平行地照射到半透膜平面和待测平面上,两平面反射光产生的等厚干涉条纹,经一系列光学透镜显现在测微目镜中.图2 牛顿环薄膜应力测量装置沉积在基片上的薄膜内存在的应力会使基片发生一定程度的形变.这种形变的类型有2种:1)应力造成基片朝膜的一侧凸起,即薄膜表面呈凸形,此时应力为压应力;2)应力造成基片朝背向膜的一侧凸起,即薄膜表面呈凹形,此时应力为张应力.薄膜表面凸凹性的简单判断方法是:用手指轻轻压一下半透膜(相当于半透膜与样品间距离有一极微小的缩短),如条纹向外围扩展,则样品呈凸形;如条纹向中心收缩,表明样品呈凹形.以σf>0表示张应力,σf<0表示压应力.3 实验结果与讨论采用SBC212小型直流溅射镀膜仪制备不同厚度银薄膜.所用银靶直径58mm,厚0.5mm,纯度为99.99%.靶与衬底间的距离为49mm.衬底为直径18mm、厚度0.15mm的圆形玻璃片.镀膜前,先将玻璃衬底放在丙酮中超声清洗5min,然后放在无水乙醇中超声清洗5min,最后用吹风机热风吹干.用机械泵将镀膜室的真空抽到2Pa后,向镀膜室内充入氩气,溅射电压为1000V,调节氩气流量控制溅射电流为6mA.用干涉方法测得银薄膜沉积速率为4.8nm/min.通过控制沉积时间控制所制备的薄膜的厚度,在室温下分别制备了30～144nm厚的银薄膜.用所搭建的应力测量装置测量了银薄膜的平均应力,其中玻璃基片的弹性模量和泊松比近似地取石英的数值:E s=53GPa(取对应于厚度为0.19mm的玻璃基片的值)[12],νs=0.17.图3给出了银薄膜应力随薄膜厚度的变化.8 物 理 实 验第26卷从图3中可以看出,在溅射电流为6mA 的条件下,制备的厚度在30～144nm 范围的银薄膜的应力均为张应力;在薄膜厚度很小时,随着薄膜厚度的增加,应力迅速增大到最大值,约5.7GPa ;随后,厚度再增大时,应力较快下降并趋于一稳定值,约0.2GPa.应力峰值对应的银薄膜膜厚约为37.6nm.文献[13]也报道了同样的银薄膜应力随厚度变化的趋势.银薄膜应力随薄膜厚度的变化趋势,可用晶粒边界消除模型来解释[2].图3 银薄膜应力与膜厚的关系4 结束语基于基片弯曲法和牛顿环的基本原理,搭建了简便的薄膜应力测量装置.测量了较薄银薄膜的应力随薄膜厚度的变化,测量结果与文献[13]报道一致.实验表明,所搭建的薄膜应力测量装置能够满足薄膜应力测量要求.参考文献:[1] 邵淑英,范正修,范瑞英,等.薄膜应力研究[J ].激光与光电子进展,2005,42(1):22.[2] 范玉殿,周志烽.薄膜内应力的起源[J ].材料科学与工程,1996,14(1):5.[3] 熊胜明,张云洞,唐晋发.电子束反应蒸发氧化物薄膜的应力特性[J ].光电工程,2001,28(1):13.[4] 杨于兴,穆树人,张榴凤.高温氧化薄膜应力的测定[J ].上海交通大学学报,1997,31(1):80.[5] 唐壁玉,靳九成,李绍绿,等.CVD 金刚石薄膜的应力研究[J ].高压物理学报,1997,11(1):56.[6] 朱长纯,赵红坡,韩建强,等.M EMS 薄膜中的残余应力问题[J ].微纳电子技术,2003,40(10):30.[7] 向鹏,金春水.Mo/Si 多层膜残余应力的研究[J ].光学精密工程,2003,11(1):62.[8] 王成,张桂彦,马莹,等.薄膜应力测量方法研究[J ].激光与光电子学进展,2004,41(9):28.[9] 吴平,邱宏,黄筱玲,等.金属薄膜制备及物性测量系列实验[J ].大学物理,2006,25(5):39.[10] Stoney G.The tensions of metalic films depositedby electroplating [J ].Proc.Royal Society ,1990,82:172.[11] 吴平.大学物理实验教程[M ].北京:机械工业出版社,2005.[12] 范玉殿,周志烽.薄膜应力的测量[J ].薄膜科学与技术,1992,5(3):1.[13] 曲喜新.薄膜物理[M ].上海:上海科学技术出版社,1986.Measurement of the stress in f ilm using interference methodWU Ping ,Q IU Hong ,J IAN G De 2huai ,ZHAN G Bei ,C H EN Sen ,ZHAO Xue 2dan ,HUAN G Xiao 2ling(Physics Depart ment ,U niversity of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :Based on t he curvat ure of subst rate and Newton ring ,a simple set for measuring t he st ress in films is designed ,which consist s of a He 2Ne laser ,an extended lens ,a convex lens and a t ravelling micro scope wit h a spect roscope.Silver films wit h t hicknesses f rom 30～144nm are deposi 2ted on round glass subst rates using a DC sp uttering system.The experimental result s show t hat t he st ress in t he silver film is affected by it s t hickness significantly.As t he film t hickness increases ,t he st ress increases and reaches a maximum value rapidly ,t hen decreases and tends to a stable value.K ey w ords :silver film ;st ress ;curvat ure of substrate ;Newton ring9第9期 吴 平,等:用干涉方法测量薄膜应力。
薄膜应力测试方法
薄膜应力测试方法薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后,薄膜处于应变状态,若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分,可将应力分为拉应力(tensile stress)与压应力(compressive stress),如图一所示。
拉应力就是当膜受力向外伸张,基板向内压缩、膜表面下凹,薄膜因为有拉应力的作用,薄膜本身产生收缩的趋势,如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度,则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况,膜表面产生外凸的现象,在压应力的作用下,薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力(external stress)、热应力(thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress),其中,外应力就是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力就是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起,此情形发生于制备薄膜時基板的温度,冷卻至室温取出而产生。
內应力则就是薄膜本身与基体材料的特性引起的,主要取决于薄膜的微观结构与分子沉积缺陷等因素,所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要,這完全控制于制备的参数与技术上,此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法与衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度,称为曲率法;后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法假设薄膜应力均匀,即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值,求得实际薄膜应力的估计值,其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比;与基体杨氏模量(Es,Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率(1/R)的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值,可以求得薄膜残余应力的值。
薄膜应力
薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。
因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。
薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。
若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。
应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。
图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。
按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。
本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。
本征应力又可分为界面应力和生长应力。
界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。
本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。
热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。
在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。
但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。
薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。
薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。
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薄膜的残余应力测试
一、薄膜应力分析
图一、薄膜应变状态与应力
薄膜沉积在基体以后,薄膜处于应变状态,若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分,可将应力分为拉应力(tensile stress)与压应力 (compressive stress),如图一所示。
拉应力就是当膜受力向外伸张,基板向内压缩、膜表面下凹,薄膜因为有拉应力的作用,薄膜本身产生收缩的趋势,如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度,则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况,膜表面产生外凸的现象,在压应力的作用下,薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress),其中,外应力就是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力就是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起,此情形发生于制备薄膜時基板的温度,冷卻至室温取出而产生。
內应力则就是薄膜本身与基体材料的特性引起的,主要取决于薄膜的微观结构与分子沉积缺陷等因素,所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要,這完全控制于制备的参数与技术上,此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法
测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法与衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度,称为曲率法;后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法
假设薄膜应力均匀,即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值,求得实际薄膜应力的估计值,其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比;与基体杨氏模量 (Es,Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率(1/R)的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值,可以求得薄膜残余应力的值。
1、悬臂梁法
薄膜沉积在基体上,基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。
当薄膜的应力为拉应力时,基体表面成为凹面,若为压应力,基板的表面变为凸面。
于就是可以将一基体的一端固定,另一端悬空,形成机械式悬臂梁,如图二所示。
测量原理为将激光照在自由端上的一点,并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次,得到反射光的偏移量,进而求得薄膜的残余应力。
图二、悬臂梁法示意图
2、牛顿环法
本法就是利用基体在镀膜后,薄膜产生的弯曲面与一参考平面,产生干涉条纹的牛顿环,利用测量到的牛顿环间距与条纹数,推算基体的曲率半径R,其中R 与牛顿环直径之平方差成正比,并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比,將所求得的R帶入牛顿环应力公式,可求出残余应力值 (如图三)。
图三、牛頓环法示意图
3、干涉仪相位移式应力测量法
此法就是利用Twyman-Green干涉仪,透过 CCD 获得欲测量的薄膜曲面与由PZT 控制的参考平面之干涉图 (图形信号),进而转化成数字信号来计算,并利用相的位移求出镀膜前后的基体曲率半径,进而求得薄膜应力值。
图四、相位移Twyman-Green干涉仪
(二)X射线衍射法
以X射线衍射仪测量应力或应变,就是利用Bragg 衍射公式求出薄膜结构中微晶体晶面间距的变化来测定的。
通常借着薄膜平面 (film plane) 晶格常数而获得薄膜应力值。
因为在应力作用下,晶格会发生畸变,从而使晶格常数发生变化,因此测量晶格畸变可以计算出薄膜的应力。