8 薄膜力学性能

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1、薄膜材料与器件薄膜力学性能沈杰复旦大学材料科学系薄膜力学性能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。硬度硬质膜：增强基片的硬度与耐磨擦能力。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件附着力附着

2、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0.04~0.4eV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

3、，一般约为0.4~10eV。复旦大学材料科学系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。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

4、之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。不同类型的薄膜-基片界面:双电层吸引：两种功函数不同的材料互相(1)突变界面;(2)复合界面;接触时会发生电子转移，在界面两边聚集(3)扩散界面;(4)机械锁合起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜-基片界面o用基片加热法制备光学铝膜时，先在250C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

5、现扩散，最后再继续沉积加厚薄膜。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。复旦大学材料科学系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

6、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中扩散，薄膜附着力明显提高。

7、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。复旦大学材料科学系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。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-

8、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,TaAl-Al2O3-glass金属-金属-基片：Au,Ag,CuTi-Au,Ti-Pd-Au,Ti-Pt-Au,Cr-Au,Cr-Pd-Au,Cr-Ag,Mo-Au复旦大学材料科学系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