8 薄膜力学性能.
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微孔消失
Wilcook提出的应力起因模型：薄膜在形成过程中含有许多晶格缺 陷、微孔、空隙等。在一定的退火温度下，这些缺陷、微孔向表 面扩散而消失，薄膜的体积因此收缩，内部相互产生张应力。
大多数使用薄膜的元件与器件中薄膜的厚度都很薄， 要求基片十分平整，即使有少量的微孔或微裂缝也 会严重影响薄膜的性能。在实际生产中都力求避免 基片上有微孔或微裂缝，只有表面不可避免的微观 凹凸才起着机械锁合的作用。
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薄膜材料与器件
增强附着力的策略
对基片进行清洁处理
清洗基片：基片的表面状态对附着力的影响很大，如果表面有一层污
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薄膜材料与器件
内应力
应力：亦称内应力，即薄膜内部任一截面上， 单位截面的一侧受到另一侧施加的力。
用真空蒸发、溅射、气相生长等方法制作 的薄膜都有内应力。由于薄膜材料与基片 的不同和工艺条件的不同其应力大小也不
同。应力最大可达109N/m2，过大的应力 常使薄膜开裂或起皱脱落，使薄膜元器件
薄膜材料与器件
划痕法
在垂直载荷作用下，钢针尖端下的 基片表面严重变形。薄膜因随基片 变形而延伸，因此在薄膜与基片之 间产生剪切力，其中在压痕L处的剪 切力最大。
当垂直载荷达到临界值W时，压痕L 处的剪切力增大到足以断裂薄膜对 基片的附着，这种使单位面积的薄 膜从基片上剥离所需要的临界剪切
力f等于附着力fs。������������ = ������
中间层附着(复合界面)：薄膜与基片之间形成 化合物中间层，薄膜通过中间层与基片形成牢 固的附着。
宏观效应附着： 机械锁合：基片表面的微观的凹凸、微孔 或微裂缝。在沉积薄膜时，部分原子进入 凹凸之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。 双电层吸引：两种功函数不同的材料互相 接触时会发生电子转移，在界面两边聚集 起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。
着力增大。
基片温度过高会使薄膜晶粒粗大，增加膜中的热应力，从而影响薄膜
的其它性能。因此在提高基片温度时应作全面考虑。
采用离子(溅射、离子助沉积、离子束沉积)
溅射优于蒸发。溅射粒子的能量较高，既可排除表面吸附的气体，增
加表面活性，又有利于薄膜原子向基片Fra Baidu bibliotek扩散，薄膜附着力明显提高。
离子轰击不仅能清洁表面，还有活化作用，有利于化学键形成。
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薄膜材料与器件
增强附着力的策略
制造中间过渡层 薄膜在基片上的附着性好就是薄膜材料易于在基片表面浸润，即薄膜与基片之间
的附着力大于薄膜的内应力。如二氧化硅在玻璃上沉积时有较大的附着力，而在KDP 晶体上附着性不好。又如金在玻璃基片上附着力很差，但在Pt，Ni，Ti，Cr等金属基片 上附着力却很好。
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薄膜材料与器件
拉倒法
在薄膜表面上垂直粘结一 根直棒，向棒端施加一平 行于薄膜表面的力，测量 棒倒时所施加的力F就可计 算出附着力f。
假设直棒是边长为a，高度h的方柱棒，薄膜单位面积所受到的力 ������ ������ = −������������，根据力矩平衡条件可得
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薄膜材料与器件
热应力
热应力 在制备薄膜的过程中，薄膜和基片都处于比较高的温度，当薄膜制备 完以后，它与基片又都恢复到常温状态，由于薄膜和基片的热膨胀系 数不同，这样在薄膜内部必然产生内应力，这种仅由热效应产生的应 力称为热应力。 热应力随温度的不同而不同，当薄膜与基片的热膨胀系数与温度无关 时，热应力随温度作线性变化，薄膜和基片的热膨胀系数越接近，热 应力也就越小。
本征应力
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薄膜材料与器件
本征应力
热应力 本征应力：薄膜形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力。
本征应力与薄膜厚度有关。在薄膜厚度很薄时(10nm以下)，构成薄膜 的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着 膜厚的增加，小岛相互连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔 洞的存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并 形成连续膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于稳定值。
������
������������ = ������ ������2 − ������/������������ = ������ ������������2������ − ������
r是针尖曲率半径，P是基片在L点处对针的反作用力，可认为与薄膜的布氏硬 度大致相同。若使薄膜剥离所加的垂直载荷越大，表明膜的附着力也越大。 当P值未知时，则可根据测出的压痕宽度d，按d=2a=(W/P)1/2求出P。 划痕法受薄膜硬度的影响也十分明显，因此只能是一种半定量的方法。
应力变为压应力。介质薄膜中的内应力则多是压应力。
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薄膜材料与器件
内应力
(a)
(b)
Stresses in silver-lithium thin films: (a) Tensile film failures during deposition; (b) compressive film failures during aging in Ar.
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不同类型的薄膜-基片界面: (1) 突变界面; (2) 复合界面; (3) 扩散界面; (4) 机械锁合
薄膜材料与器件
薄膜-基片界面
用基片加热法制备光学铝膜时，先在250oC时蒸发 一层很薄的铝层，然后将基片温度降至150oC再继 续蒸发，可增加铝膜的附着力。
用离子轰击法，先在基片上沉积一层很薄的金属膜， 然后用高能氩离子(100keV)对它进行轰击，以实现 扩散，最后再继续沉积加厚薄膜。
失效。内应力分为张应力和压应力。
张应力：截面的一侧受到来自另一端的拉 伸方向的力。薄膜有收缩趋势时受到的是
张应力，过大的张应力使薄膜开裂；
压应力：截面的一侧受到来自另一端的推 压方向的力。薄膜有伸展趋势时受到的是
(a)张应力
(b)压应力
压应力，过大的压应力使薄膜起皱或脱落。
金属薄膜中内应力常表现为张应力。易于氧化的金属薄膜在刚制作好时为张应 力，但在空气中暴露一段时间后，由于金属逐渐氧化和扩散，应力也逐渐由张
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−
������������4 12
可得������
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������ 6ℎ
������(������)������������������ = ������ 2 = ������3 ������
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薄膜材料与器件
������ ������������ 2 ������−������
������ ������������ = ������������������������������ = ������ ������2 − ������2 ������ ≈ ������������2������
������ /������������
该方法适合于附着力较小的薄膜，即 薄膜与基片的附着力必须小于薄膜与 粘结剂之间的粘结力。所选用的粘结 剂当其固化后体积的收缩率应该很小， 一般采用环氧树脂类的粘结剂。
薄膜材料与器件
胶带法
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 胶带拉下来后，可根据薄膜被 剥离的情况来判断附着力的大 小。这种方法基本上是一种定 性测量。
������ ℎ
=
������
������������ ������ ������������ =
������/2
������ −������������ ������������������ =
−������/2
������/2 −������/2
−������������������2������������
拉张法
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在薄膜上粘结一个柱状体的拉杆，在 拉杆上施加一垂直膜面的力，测量拉 掉薄膜时的力便可得附着力。如果拉 掉薄膜的最小的拉力为F，粘结的底 面积为A，则单位面积的附着力 f=F/A。
在利用拉张法测量时，拉力的方向一 定要和膜面的法线方向一致，即保证 施加的拉力通过基片平面的中心点， 否则将产生力矩而出现测量误差。
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薄膜材料与器件
薄膜-基片界面
简单附着(突变界面)：薄膜与基片之间存在清 楚的分界面，相互作用为范德瓦尔斯力
扩散附着(扩散界面)：在薄膜和基片之间通过 基片加热、离子注入、离子轰击等方法实现原 子的互扩散，形成一个渐变界面，使薄膜与基 片的接触面积明显增加，附着力相应增加。
在制备薄膜时可以在薄膜与基片之间加入另外一种材料，组成中间过渡层。例如 Au膜在玻璃上附着不好，可以先在玻璃上蒸镀一层很薄的Cr或Ni-Cr。Cr能从氧化物基 片中夺取氧形成氧化物，有很强的化学键力，附着性能很好。然后再蒸发Au膜，Au膜 和Cr膜之间形成金属键，也有很大附着力。通过中间过渡层解决Au膜在玻璃基片上的 附着问题。
金属-氧化物-基片：Cr, Ti, Mo, Ta Al-Al2O3-glass 金属-金属-基片：Au, Ag, Cu Ti-Au, Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Cr-Au, Cr-Pd-Au, Cr-Ag, Mo-Au
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薄膜材料与器件
附着力测试
划痕法 拉张法 胶带法 拉倒法 磨擦法 离心法
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薄膜材料与器件
内应力起因
热效应 热效应是热应力的来源。由于薄膜和基片的热膨胀系数不同造成 热应力。因此在选择基片时应尽量选择热膨胀系数与薄膜相接近 的材料，或者选择可使薄膜处于压应力状态的材料。 基片温度对薄膜的内应力影响很大：在蒸发过程中，由于蒸发原 子具有一定的能量，同时受蒸发源热辐射的影响较大，所以薄膜 的温度较高。基片的温度直接影响吸附原子在基片表面的迁移能 力，从而影响薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数量和分布，而 这些都与应力大小有关。
硬度 硬质膜：增强基片的硬度与耐磨擦能力。
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薄膜材料与器件
附着力
附着力:薄膜与基片保持接触，二者的原子互相受到对方的作用，这种 状态称为附着。 范德瓦尔斯力 又分为定向力、诱导力、色散力。前两种力来源于永久偶极矩。 而色散力则是由电子在围绕原子核的运动中所产生的瞬时偶极矩 而产生的。 极性材料中定向力和诱导力的作用较强，但是大部分材料只有色 散力。 单纯的物理附着，范德瓦尔斯力一般比较小，其附着能的范围在 0.04~0.4 eV之间。 化学键 在薄膜与基片之间形成化学键后的结合力。 产生化学键的原因：价电子发生了转移，不再为原来的原子独有。 一种短程力，通常远大于范德瓦尔斯力，一般约为0.4~10 eV。
薄膜材料与器件
薄膜力学性能
沈杰
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薄膜力学性能
附着力 薄膜厚度一般小于1微米，本身的机械强度导致其无法单独存在， 总要附着在各种基片上。 薄膜与基片之间的附着性能直接影响到薄膜的各种性能。 附着性差，薄膜无法使用。
应力 在制作过程中，薄膜结构受到工艺条件影响很大，薄膜内部因此 而产生一定的应力。 基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数不同，也会使薄膜产生应力。 过大的内应力将使薄膜卷曲和开裂，导致失效。
染层，将使薄膜不能和基片直接接触，范德瓦尔斯力大大减弱，扩散
附着也不可能，从而附着性能极差。
离子轰击：高能离子轰击基片表面可排除表面吸附的气体及有机物，
同时还能在一定程度上增加表面的微观粗糙度，使薄膜的附着力增强。
提高基片温度
沉积薄膜时提高基片温度，有利于薄膜和基片间的原子的相互扩散，
而且会加速化学反应，从而有利于形成扩散附着和化学键附着，使附
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薄膜材料与器件
划痕法
复旦大学材料科学系
将一根硬针的尖端垂直地放在 薄膜表面，钢针尖端的半径是 已 知的 ( 一般 为 0.05mm)， 在 钢针上逐渐加大载荷，直到把 薄膜刻划下来为止。
一般把刚好能将薄膜刻划下来 的载荷称为临界载荷，并用来 作为薄膜附着力的一种量度。
用光学显微镜观察划痕以确定 临界载荷，其数值一般为几到 几百克。
Wilcook提出的应力起因模型：薄膜在形成过程中含有许多晶格缺 陷、微孔、空隙等。在一定的退火温度下，这些缺陷、微孔向表 面扩散而消失，薄膜的体积因此收缩，内部相互产生张应力。
大多数使用薄膜的元件与器件中薄膜的厚度都很薄， 要求基片十分平整，即使有少量的微孔或微裂缝也 会严重影响薄膜的性能。在实际生产中都力求避免 基片上有微孔或微裂缝，只有表面不可避免的微观 凹凸才起着机械锁合的作用。
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薄膜材料与器件
增强附着力的策略
对基片进行清洁处理
清洗基片：基片的表面状态对附着力的影响很大，如果表面有一层污
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薄膜材料与器件
内应力
应力：亦称内应力，即薄膜内部任一截面上， 单位截面的一侧受到另一侧施加的力。
用真空蒸发、溅射、气相生长等方法制作 的薄膜都有内应力。由于薄膜材料与基片 的不同和工艺条件的不同其应力大小也不
同。应力最大可达109N/m2，过大的应力 常使薄膜开裂或起皱脱落，使薄膜元器件
薄膜材料与器件
划痕法
在垂直载荷作用下，钢针尖端下的 基片表面严重变形。薄膜因随基片 变形而延伸，因此在薄膜与基片之 间产生剪切力，其中在压痕L处的剪 切力最大。
当垂直载荷达到临界值W时，压痕L 处的剪切力增大到足以断裂薄膜对 基片的附着，这种使单位面积的薄 膜从基片上剥离所需要的临界剪切
力f等于附着力fs。������������ = ������
中间层附着(复合界面)：薄膜与基片之间形成 化合物中间层，薄膜通过中间层与基片形成牢 固的附着。
宏观效应附着： 机械锁合：基片表面的微观的凹凸、微孔 或微裂缝。在沉积薄膜时，部分原子进入 凹凸之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。 双电层吸引：两种功函数不同的材料互相 接触时会发生电子转移，在界面两边聚集 起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。
着力增大。
基片温度过高会使薄膜晶粒粗大，增加膜中的热应力，从而影响薄膜
的其它性能。因此在提高基片温度时应作全面考虑。
采用离子(溅射、离子助沉积、离子束沉积)
溅射优于蒸发。溅射粒子的能量较高，既可排除表面吸附的气体，增
加表面活性，又有利于薄膜原子向基片Fra Baidu bibliotek扩散，薄膜附着力明显提高。
离子轰击不仅能清洁表面，还有活化作用，有利于化学键形成。
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薄膜材料与器件
增强附着力的策略
制造中间过渡层 薄膜在基片上的附着性好就是薄膜材料易于在基片表面浸润，即薄膜与基片之间
的附着力大于薄膜的内应力。如二氧化硅在玻璃上沉积时有较大的附着力，而在KDP 晶体上附着性不好。又如金在玻璃基片上附着力很差，但在Pt，Ni，Ti，Cr等金属基片 上附着力却很好。
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薄膜材料与器件
拉倒法
在薄膜表面上垂直粘结一 根直棒，向棒端施加一平 行于薄膜表面的力，测量 棒倒时所施加的力F就可计 算出附着力f。
假设直棒是边长为a，高度h的方柱棒，薄膜单位面积所受到的力 ������ ������ = −������������，根据力矩平衡条件可得
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薄膜材料与器件
热应力
热应力 在制备薄膜的过程中，薄膜和基片都处于比较高的温度，当薄膜制备 完以后，它与基片又都恢复到常温状态，由于薄膜和基片的热膨胀系 数不同，这样在薄膜内部必然产生内应力，这种仅由热效应产生的应 力称为热应力。 热应力随温度的不同而不同，当薄膜与基片的热膨胀系数与温度无关 时，热应力随温度作线性变化，薄膜和基片的热膨胀系数越接近，热 应力也就越小。
本征应力
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薄膜材料与器件
本征应力
热应力 本征应力：薄膜形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力。
本征应力与薄膜厚度有关。在薄膜厚度很薄时(10nm以下)，构成薄膜 的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着 膜厚的增加，小岛相互连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔 洞的存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并 形成连续膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于稳定值。
������
������������ = ������ ������2 − ������/������������ = ������ ������������2������ − ������
r是针尖曲率半径，P是基片在L点处对针的反作用力，可认为与薄膜的布氏硬 度大致相同。若使薄膜剥离所加的垂直载荷越大，表明膜的附着力也越大。 当P值未知时，则可根据测出的压痕宽度d，按d=2a=(W/P)1/2求出P。 划痕法受薄膜硬度的影响也十分明显，因此只能是一种半定量的方法。
应力变为压应力。介质薄膜中的内应力则多是压应力。
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薄膜材料与器件
内应力
(a)
(b)
Stresses in silver-lithium thin films: (a) Tensile film failures during deposition; (b) compressive film failures during aging in Ar.
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不同类型的薄膜-基片界面: (1) 突变界面; (2) 复合界面; (3) 扩散界面; (4) 机械锁合
薄膜材料与器件
薄膜-基片界面
用基片加热法制备光学铝膜时，先在250oC时蒸发 一层很薄的铝层，然后将基片温度降至150oC再继 续蒸发，可增加铝膜的附着力。
用离子轰击法，先在基片上沉积一层很薄的金属膜， 然后用高能氩离子(100keV)对它进行轰击，以实现 扩散，最后再继续沉积加厚薄膜。
失效。内应力分为张应力和压应力。
张应力：截面的一侧受到来自另一端的拉 伸方向的力。薄膜有收缩趋势时受到的是
张应力，过大的张应力使薄膜开裂；
压应力：截面的一侧受到来自另一端的推 压方向的力。薄膜有伸展趋势时受到的是
(a)张应力
(b)压应力
压应力，过大的压应力使薄膜起皱或脱落。
金属薄膜中内应力常表现为张应力。易于氧化的金属薄膜在刚制作好时为张应 力，但在空气中暴露一段时间后，由于金属逐渐氧化和扩散，应力也逐渐由张
=
−
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可得������
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−
12 ������4
ℎ������，如果把f(x)最大值看成是附着力ｆ，则
������ 6ℎ
������(������)������������������ = ������ 2 = ������3 ������
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薄膜材料与器件
������ ������������ 2 ������−������
������ ������������ = ������������������������������ = ������ ������2 − ������2 ������ ≈ ������������2������
������ /������������
该方法适合于附着力较小的薄膜，即 薄膜与基片的附着力必须小于薄膜与 粘结剂之间的粘结力。所选用的粘结 剂当其固化后体积的收缩率应该很小， 一般采用环氧树脂类的粘结剂。
薄膜材料与器件
胶带法
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 胶带拉下来后，可根据薄膜被 剥离的情况来判断附着力的大 小。这种方法基本上是一种定 性测量。
������ ℎ
=
������
������������ ������ ������������ =
������/2
������ −������������ ������������������ =
−������/2
������/2 −������/2
−������������������2������������
拉张法
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在薄膜上粘结一个柱状体的拉杆，在 拉杆上施加一垂直膜面的力，测量拉 掉薄膜时的力便可得附着力。如果拉 掉薄膜的最小的拉力为F，粘结的底 面积为A，则单位面积的附着力 f=F/A。
在利用拉张法测量时，拉力的方向一 定要和膜面的法线方向一致，即保证 施加的拉力通过基片平面的中心点， 否则将产生力矩而出现测量误差。
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薄膜-基片界面
简单附着(突变界面)：薄膜与基片之间存在清 楚的分界面，相互作用为范德瓦尔斯力
扩散附着(扩散界面)：在薄膜和基片之间通过 基片加热、离子注入、离子轰击等方法实现原 子的互扩散，形成一个渐变界面，使薄膜与基 片的接触面积明显增加，附着力相应增加。
在制备薄膜时可以在薄膜与基片之间加入另外一种材料，组成中间过渡层。例如 Au膜在玻璃上附着不好，可以先在玻璃上蒸镀一层很薄的Cr或Ni-Cr。Cr能从氧化物基 片中夺取氧形成氧化物，有很强的化学键力，附着性能很好。然后再蒸发Au膜，Au膜 和Cr膜之间形成金属键，也有很大附着力。通过中间过渡层解决Au膜在玻璃基片上的 附着问题。
金属-氧化物-基片：Cr, Ti, Mo, Ta Al-Al2O3-glass 金属-金属-基片：Au, Ag, Cu Ti-Au, Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Cr-Au, Cr-Pd-Au, Cr-Ag, Mo-Au
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附着力测试
划痕法 拉张法 胶带法 拉倒法 磨擦法 离心法
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内应力起因
热效应 热效应是热应力的来源。由于薄膜和基片的热膨胀系数不同造成 热应力。因此在选择基片时应尽量选择热膨胀系数与薄膜相接近 的材料，或者选择可使薄膜处于压应力状态的材料。 基片温度对薄膜的内应力影响很大：在蒸发过程中，由于蒸发原 子具有一定的能量，同时受蒸发源热辐射的影响较大，所以薄膜 的温度较高。基片的温度直接影响吸附原子在基片表面的迁移能 力，从而影响薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数量和分布，而 这些都与应力大小有关。
硬度 硬质膜：增强基片的硬度与耐磨擦能力。
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附着力
附着力:薄膜与基片保持接触，二者的原子互相受到对方的作用，这种 状态称为附着。 范德瓦尔斯力 又分为定向力、诱导力、色散力。前两种力来源于永久偶极矩。 而色散力则是由电子在围绕原子核的运动中所产生的瞬时偶极矩 而产生的。 极性材料中定向力和诱导力的作用较强，但是大部分材料只有色 散力。 单纯的物理附着，范德瓦尔斯力一般比较小，其附着能的范围在 0.04~0.4 eV之间。 化学键 在薄膜与基片之间形成化学键后的结合力。 产生化学键的原因：价电子发生了转移，不再为原来的原子独有。 一种短程力，通常远大于范德瓦尔斯力，一般约为0.4~10 eV。
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薄膜力学性能
附着力 薄膜厚度一般小于1微米，本身的机械强度导致其无法单独存在， 总要附着在各种基片上。 薄膜与基片之间的附着性能直接影响到薄膜的各种性能。 附着性差，薄膜无法使用。
应力 在制作过程中，薄膜结构受到工艺条件影响很大，薄膜内部因此 而产生一定的应力。 基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数不同，也会使薄膜产生应力。 过大的内应力将使薄膜卷曲和开裂，导致失效。
染层，将使薄膜不能和基片直接接触，范德瓦尔斯力大大减弱，扩散
附着也不可能，从而附着性能极差。
离子轰击：高能离子轰击基片表面可排除表面吸附的气体及有机物，
同时还能在一定程度上增加表面的微观粗糙度，使薄膜的附着力增强。
提高基片温度
沉积薄膜时提高基片温度，有利于薄膜和基片间的原子的相互扩散，
而且会加速化学反应，从而有利于形成扩散附着和化学键附着，使附
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划痕法
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将一根硬针的尖端垂直地放在 薄膜表面，钢针尖端的半径是 已 知的 ( 一般 为 0.05mm)， 在 钢针上逐渐加大载荷，直到把 薄膜刻划下来为止。
一般把刚好能将薄膜刻划下来 的载荷称为临界载荷，并用来 作为薄膜附着力的一种量度。
用光学显微镜观察划痕以确定 临界载荷，其数值一般为几到 几百克。