应力常常是很大的

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1、第55卷第12期2006年12月物　理　学　报Vol.55,No.12,December,2006100023290P2006P55(12)P6459205ACTAPHYSICASINICAn2006Chin.Phys.Soc.3TiO2和SiO2薄膜应力的产生机理及实验探索顾培夫　郑臻荣　赵永江　刘　旭(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州　310027)(2006年3月16日收到;2006年7月3日收到修改稿)　　对最常用的TiO2和SiO2薄膜应力,包括应力模型、应力测试方法和不同实验条件下的应力测试结

2、果作了研究.基于曲率法模型,对TiO2和SiO2单层膜和多层膜进行了实验测试,得到了一些有价值的结果,特别是离子辅助淀积和基板温度等工艺参数对薄膜应力的影响.提出了薄膜聚集密度是应力的重要因素,低聚集密度产生张应力,而高聚集密度产生压应力.在多层膜中通过调节工艺参数,适当地控制张应力或压应力,可使累积应力趋向于零.关键词:薄膜应力,离子辅助淀积,聚集密度PACC:4280X,4278H,0630M,4285F并没有从根本上得到解决,在某些重要的应用中依11引言然是一个难以逾越的障碍.本文主要对最常用的TiO2和S

3、iO2薄膜应力作固体材料经过蒸发或溅射形成的光学薄膜,其了一些研究,内容涉及应力模型、应力测试方法和应力常常是很大的.如果用相同性质的两种薄膜制不同实验条件下的应力测试结果.基于曲率法模型,成多层膜,其累积应力更是不可容忍的.这样大的应对TiO2和SiO2单层膜和多层膜进行了实验测试,得力势必导致基板弯曲变形,最终致使膜层光学特性到了一些有价值的结果,特别是IAD和基板温度对变化(包括光谱漂移和散射增加等),使力学性能急薄膜应力的影响.提出了薄膜聚集密度是应力的重剧降低,甚至导致膜层破裂.更为严重的是大的应力要因

4、素,低聚集密度易产生张应力,而高聚集密度易会使入射光波在薄膜上反射时波前产生很大的畸产生压应力.在多层膜中通过适当调整工艺参数,变,导致整个光学系统偏离设计指标,甚至完全不能可望使累积应力趋向于零.工作.[1—5][6—9]对薄膜应力的研究涉及到机理、测量21应力模型[10—14]和抑制方法的各种探索.在机理研究方面,对应力的起源建立了多种理论模型,包括薄膜材料热如图1所示,设截面积为S的薄膜受到作用力分子在基板表面的淬火效应,薄膜体积收缩产生张F,则在x方向上的应力σ和应变ε可分别表示为应力或膨胀产生压应力的相

5、转移效应,薄膜内部空σ=FPS,位缺陷的消除使体积收缩或粒子埋入使体积膨胀的ε=ΔLPL0.空位消除或粒子埋入效应.此外,还有热收缩效应、应用Hooke定律,应力和应变之间满足杂质效应、界面失配和表面张力等.由于薄膜产生应σ=Eε,力的机理非常复杂,至今并未完全搞清楚.在测量技其中E为杨氏模量.术上,主要有基片变形法和衍射法.其中前者又有悬图2表示基板2薄膜系统中的应力.若应力处于臂梁法、光干涉法、曲率法等.在抑制应力的方法方平衡状态,则要求顺时针和逆时针的力矩相等,即面,包括离子辅助淀积(IAD)、紫外辐照处理

6、、调节((df+ds)P2)Ff=Mf+Ms,(1)基板的热膨胀系数、掺杂、改变淀积参数和退火处理式中ds和df分别为基板和膜层的几何厚度.由于等等.虽然薄膜应力研究已取得了显著进展,但迄今应力的作用,基板2薄膜系统产生弯曲.3国家自然科学基金(批准号:60478038)资助的课题.6460物　　理　　学　　报55卷图1　薄膜应力和应变示意图图3　薄膜弯曲及应力分布[13]征的实际上是宏观应力.显然,当Stoney公式2Esds3Efdf11σf=1+-图2　基板2薄膜系统中的应力6(1-νs)Esdsrr0中取

7、r0→∞,且dfnds时便与(4)式一致.图3表示薄膜的应力随膜厚而变化,应力在薄膜的上下表面具有正、负最大值.设薄膜弯曲的曲率半径为r,根据Hooke定律有31应力测试(r±dP2)<-r

8、示弯曲的基板表面,AC为测量==,612r范围,BD表示基板的弯曲程度,且AC=a,BD=h,式中w为膜层宽度.于是,薄膜的弯曲矩Mf和基通过几何关系可得到基板的曲率半径为板的弯曲矩M2s分别表示为1a2r=+h.(5)E32h4fdfwMf=,12r实验中a为5mm.由于a远远大于h,因此可将(5)(3)3Esdsw式简化为Ms=.212rar=.(6)将(3)式代入(