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1、第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 第第三三講講薄膜的主要力學(xué)性能：薄膜的主要力學(xué)性能： 附著性質(zhì)附著性質(zhì)由薄膜成長的初始階段由薄膜成長的初始階段 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 機(jī)械性能機(jī)械性能第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 1.2 薄膜的附著性質(zhì)（重要）理論上理論上需對(duì)結(jié)合界的了解。需對(duì)結(jié)合界的了解。使用上使用上決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。 現(xiàn)無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準(zhǔn)確測量技術(shù)現(xiàn)無統(tǒng)一的測量薄膜附著性能的準(zhǔn)確測量技術(shù). . 薄膜的附著性能直接與附著的類型、附著力的性薄膜的附
2、著性能直接與附著的類型、附著力的性質(zhì)、工藝、測量方法有關(guān)。質(zhì)、工藝、測量方法有關(guān)。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.1.1 薄膜的附著類型 簡單附著簡單附著分明的分界面分明的分界面 擴(kuò)散附著擴(kuò)散附著 通過中間層附著通過中間層附著 通過宏觀效應(yīng)附著通過宏觀效應(yīng)附著第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 簡單附著：薄膜和基片間形成一個(gè)很清楚的分界面，簡單附著：薄膜和基片間形成一個(gè)很清楚的分界面， 其附著能其附著能 Wfs=Ef+Es-EfsWfs=Ef+Es-Efs Ef Ef薄膜的表面能薄膜的表面能 EsEs基片的表面能基片的表面能 EfsEfs薄膜
3、與基片之間的界面能薄膜與基片之間的界面能 兩個(gè)相似或相容的表面接觸兩個(gè)相似或相容的表面接觸 Efs WfsEfs Wfs 兩個(gè)完全不相似或不相容的表面接觸兩個(gè)完全不相似或不相容的表面接觸 Efs WfsEfs Wfs 表面污染：表面污染： 1.3331.33310-3Pa10-3Pa下下11秒后秒后表面會(huì)污染表面會(huì)污染 一層單分子層。一層單分子層。 簡單物理附著簡單物理附著薄膜與基片間的結(jié)合力薄膜與基片間的結(jié)合力范德華力范德華力第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 擴(kuò)散附著擴(kuò)散附著由兩個(gè)固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致由兩個(gè)固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致 在薄膜和基片間形成一個(gè)漸變界
4、面。在薄膜和基片間形成一個(gè)漸變界面。 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散方法：基片加熱法、離子注入法、實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散方法：基片加熱法、離子注入法、 離子轟擊法、電場吸引法。離子轟擊法、電場吸引法。 基片加熱法：加溫曲線（工藝）基片加熱法：加溫曲線（工藝） 離子轟擊法：先在基片上淀積一層薄離子轟擊法：先在基片上淀積一層薄20-30nm20-30nm） 金屬膜，再用高能（金屬膜，再用高能（100KeV100KeV）氬離子對(duì)）氬離子對(duì) 它進(jìn)行轟擊它進(jìn)行轟擊 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散 再鍍膜再鍍膜 電場吸引法：在基片背面鍍上導(dǎo)體電場吸引法：在基片背面鍍上導(dǎo)體 加電壓加電壓 吸離子吸離子 濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因?yàn)闉R射粒子動(dòng)濺射鍍膜比蒸發(fā)
5、鍍膜附著牢，因?yàn)闉R射粒子動(dòng) 能大能大 擴(kuò)散。擴(kuò)散。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 中間層附著中間層附著在薄膜與基片之間形成一個(gè)化合物而在薄膜與基片之間形成一個(gè)化合物而 附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化 合物合物。方法：在基片上鍍一層薄金屬層（方法：在基片上鍍一層薄金屬層（TiTi、MoMo、TaTa、 CrCr等）等）. .然后，在其上再鍍需要的薄膜，薄然后，在其上再鍍需要的薄膜，薄 金屬奪取基片中氧金屬奪取基片中氧 中間層表面摻雜。中間層表面摻雜。通過宏觀效應(yīng)通過宏觀效應(yīng) 機(jī)械鎖合機(jī)械鎖合 雙電層吸引雙電層吸引
6、 功函數(shù)不同功函數(shù)不同電荷累積電荷累積吸引吸引電電子子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移20/2 d S S靜靜電電吸吸引引能能E,E,長長程程力力新新內(nèi)內(nèi)容容！最最近近幾幾年年才才注注意意。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.1.1 2.1.1 附著力的性能（性質(zhì)）附著力的性能（性質(zhì)） 三種附著力：三種附著力： 范德華力、化學(xué)鍵力、靜電力（機(jī)械鎖合）范德華力、化學(xué)鍵力、靜電力（機(jī)械鎖合） ( (氫鍵）氫鍵）范德華力（鍵能范德華力（鍵能0.04-0.4eV0.04-0.4eV） 色散力色散力原子繞核運(yùn)動(dòng)中原子繞核運(yùn)動(dòng)中瞬間偶極瞬間偶極相互作用相互作用 定向力定向力永久偶極矩之間的相互作用永久偶
7、極矩之間的相互作用 誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力永久偶極矩的誘導(dǎo)作用永久偶極矩的誘導(dǎo)作用產(chǎn)生的力產(chǎn)生的力 與靜電力相比范德華力是短程力；與靜電力相比范德華力是短程力； 與化學(xué)鍵力相比，范德華力是長程力。與化學(xué)鍵力相比，范德華力是長程力。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 氫鍵（鍵能氫鍵（鍵能0.1eV0.1eV）離子性的靜電吸引不普離子性的靜電吸引不普 遍，僅在電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間。遍，僅在電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間。化學(xué)鍵力（鍵能化學(xué)鍵力（鍵能0.4-10eV0.4-10eV） 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 離子鍵離子鍵 金屬鍵金屬鍵 價(jià)電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，價(jià)電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，短程力，不是普遍存在。短程力，不是普
8、遍存在。靜電力靜電力薄膜和基體兩種材料的功函數(shù)不同，薄膜和基體兩種材料的功函數(shù)不同， 接觸后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移接觸后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移界面兩邊積累正負(fù)界面兩邊積累正負(fù) 電荷電荷 靜電吸引靜電吸引第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.1.3 影響附著力的工藝因素 包括材料性質(zhì)、基片表面狀態(tài)、基片溫度、淀積包括材料性質(zhì)、基片表面狀態(tài)、基片溫度、淀積方式、淀積速率、淀積氣氛等。方式、淀積速率、淀積氣氛等?；牧系男再|(zhì)對(duì)附著力影響很大基片材料的性質(zhì)對(duì)附著力影響很大 微晶玻璃上淀積鋁膜微晶玻璃上淀積鋁膜氧化鋁與玻璃中硅氧氧化鋁與玻璃中硅氧 化學(xué)鍵化學(xué)鍵附著力強(qiáng)。附著力強(qiáng)。 鉑、鎳、鈦等金屬
9、基片上淀積金膜鉑、鎳、鈦等金屬基片上淀積金膜金屬鍵金屬鍵 附著力強(qiáng)附著力強(qiáng) 選基片能與薄膜形成化學(xué)鍵選基片能與薄膜形成化學(xué)鍵附著力強(qiáng)附著力強(qiáng)第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 基片的表面狀態(tài)對(duì)附著力影響也很大基片的表面狀態(tài)對(duì)附著力影響也很大基片清洗基片清洗去掉污染層（吸附層使基片表面的化學(xué)去掉污染層（吸附層使基片表面的化學(xué)鍵飽和，從而薄膜的附著力差）鍵飽和，從而薄膜的附著力差） 提高附著性能。提高附著性能。提高溫度提高溫度, ,有利于薄膜和基片之間原子的相互擴(kuò)散有利于薄膜和基片之間原子的相互擴(kuò)散 擴(kuò)散附著有利于加速化學(xué)反應(yīng)形成中間層擴(kuò)散附著有利于加速化學(xué)反應(yīng)形成中間層 中
10、間層附著中間層附著須注意：須注意：TT薄膜晶粒大薄膜晶粒大熱應(yīng)力熱應(yīng)力其它性能變其它性能變第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 淀積方式：濺射強(qiáng)于蒸發(fā)，電壓（濺射）高淀積方式：濺射強(qiáng)于蒸發(fā)，電壓（濺射）高 附著好附著好 濺射粒子動(dòng)能大，轟擊表面清洗且使表面活化濺射粒子動(dòng)能大，轟擊表面清洗且使表面活化 附著強(qiáng)附著強(qiáng) 電鍍膜的附著性能差電鍍膜的附著性能差(有一定數(shù)量的微孔）有一定數(shù)量的微孔）附著性能差附著性能差淀積速率淀積速率 殘留氧分子膜中殘留氧分子膜中中間層少中間層少 附著力下降附著力下降 薄膜結(jié)構(gòu)疏松薄膜結(jié)構(gòu)疏松 內(nèi)應(yīng)力大內(nèi)應(yīng)力大淀積氣氛對(duì)薄膜附著力的影響淀積氣氛對(duì)薄膜附
11、著力的影響 淀積初期淀積初期氧和水蒸氣分壓氧和水蒸氣分壓氧化膜中間層氧化膜中間層附著附著第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.2 附著力的測試方法機(jī)械方法數(shù)種如下：機(jī)械方法數(shù)種如下： 條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、 劃痕法、劃痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、推倒法、摩擦法、扭曲法、 離心法、超聲法、振動(dòng)法等。離心法、超聲法、振動(dòng)法等。2.2.1 條帶法條帶法三種可能：三種可能： 薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來；薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來； 僅部分剝離下來；僅部分剝離下來； 未剝離未剝離說明薄膜附著好說明薄膜附著好定性測量
12、定性測量第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.2.2 引拉法（定量測量）引拉法（定量測量）用拉力機(jī)或離心、超聲振動(dòng)儀給樣品加上垂直拉力；用拉力機(jī)或離心、超聲振動(dòng)儀給樣品加上垂直拉力；單位面積的附著力單位面積的附著力fb=Fbfb=Fb/A/A2.2.3 劃痕法劃痕法 用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為用尖端圓滑鋼針劃過薄膜表面，尖端半徑約為0.05nm0.05nm。臨界負(fù)荷。臨界負(fù)荷薄膜刻劃下來時(shí)。薄膜刻劃下來時(shí)。 作用薄膜附著力的一種量度。作用薄膜附著力的一種量度。 用光學(xué)顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負(fù)荷。用光學(xué)顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負(fù)荷。薄膜
13、的臨界負(fù)荷一般為幾薄膜的臨界負(fù)荷一般為幾- -幾百克。幾百克。單位面積臨界剪切力為：單位面積臨界剪切力為：222tanaWFPPPr PWra 單位面積的剝離能單位面積的剝離能:21122EFxcx第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.2.4 2.2.4 摩擦法摩擦法 用標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷橡皮（含有金剛砂）擦用標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷橡皮（含有金剛砂）擦 用已知高度點(diǎn)矢落下的磨粒（如用已知高度點(diǎn)矢落下的磨粒（如SiCSiC細(xì)砂）擦細(xì)砂）擦11(/ )( )(),lglglg ,( )( )()( )llv cm hRR tb dvtbvtdlRRt tRvbvlR tR tb dvtR t
14、設(shè)設(shè)磨磨失失速速率率恒恒定定，則則薄薄膜膜電電阻阻：當(dāng)當(dāng)，則則 為為摩摩擦擦?xí)r時(shí)間間若若編編夠夠規(guī)規(guī)律律，說說明明薄薄膜膜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成成分分和和雜雜質(zhì)質(zhì)在在 縱縱深深方方向向上上分分布布不不均均勻勻由由此此可可了了解解，薄薄膜膜縱縱深深分分布布( (分分層層) )性性質(zhì)質(zhì)。若若從從一一定定數(shù)數(shù)值值突突然然變變到到無無限限大大表表示示薄薄膜膜是是物物理理附附著著 （只只有有物物理理附附著著，界界面面成成分分和和性性質(zhì)質(zhì)不不連連續(xù)續(xù)）若若 ( )R t是是漸漸變變，則則薄薄膜膜是是化化學(xué)學(xué)附附著著（有有中中間間層層過過渡渡）第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.3 2.3 薄
15、膜的內(nèi)應(yīng)力薄膜的內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力定義：薄膜內(nèi)部單位截面上所承受的力，內(nèi)應(yīng)力定義：薄膜內(nèi)部單位截面上所承受的力， 稱為內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)部自己產(chǎn)生的應(yīng)力。稱為內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)部自己產(chǎn)生的應(yīng)力。 張應(yīng)力過大張應(yīng)力過大薄膜開裂、基片翹曲。薄膜開裂、基片翹曲。 壓應(yīng)力過大壓應(yīng)力過大薄膜起皺或脫落。薄膜起皺或脫落。 + + 在張應(yīng)力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢在張應(yīng)力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢 過大過大薄膜開裂。薄膜開裂。 - - 在壓應(yīng)力作用下，薄膜內(nèi)部有向表面擴(kuò)散的趨勢在壓應(yīng)力作用下，薄膜內(nèi)部有向表面擴(kuò)散的趨勢 過大過大脫落。脫落。 薄膜內(nèi)應(yīng)力的來源尚未形成定論。薄膜內(nèi)應(yīng)力的來源尚未形成定論。第第三三講講
16、 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 2.3.1 內(nèi)應(yīng)力的類別與起源內(nèi)應(yīng)力的類別與起源 按起源分：熱應(yīng)力按起源分：熱應(yīng)力薄膜和基片的熱脹系數(shù)不同薄膜和基片的熱脹系數(shù)不同 而引起的。而引起的。 本征應(yīng)力本征應(yīng)力-來自于薄膜的結(jié)構(gòu)因素來自于薄膜的結(jié)構(gòu)因素 和缺陷。和缺陷。按應(yīng)力性質(zhì)分：張應(yīng)力、壓應(yīng)力按應(yīng)力性質(zhì)分：張應(yīng)力、壓應(yīng)力PaPaPaPa 9 9常常78786 6常常8 8難難熔熔金金屬屬膜膜1010金金屬屬薄薄膜膜張張應(yīng)應(yīng)力力 貴貴金金屬屬膜膜10101010易易熔熔金金屬屬膜膜5 105 10介介質(zhì)質(zhì)薄薄膜膜壓壓應(yīng)應(yīng)力力1010數(shù)數(shù)量量級(jí)級(jí) 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性
17、質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 由于薄膜中的內(nèi)應(yīng)力分布是不均勻的，即薄由于薄膜中的內(nèi)應(yīng)力分布是不均勻的，即薄膜內(nèi)各個(gè)分層的應(yīng)力大小不同膜內(nèi)各個(gè)分層的應(yīng)力大小不同兩種內(nèi)應(yīng)力兩種內(nèi)應(yīng)力：0, , ( )FFFFdFSSdddSdSdzdzSz dzS F Fz z平平均均應(yīng)應(yīng)力力：薄薄膜膜單單位位寬寬度度的的應(yīng)應(yīng)力力，薄薄膜膜厚厚度度微微分分應(yīng)應(yīng)力力：在在z z處處，增增加加的的薄薄層層中中單單位位寬寬度度的的內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) ()1 FFSdFSdETTETT (1)(1)熱熱應(yīng)應(yīng)力力：由由薄薄膜膜和和基基體體的的熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)有有所所差差別別而而引引
18、起起的的， 是是可可逆逆的的。薄薄膜膜熱熱應(yīng)應(yīng)力力的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達(dá)達(dá)式式： 彈彈性性模模量量， 薄薄膜膜的的熱熱脹脹系系數(shù)數(shù)， 基基片片的的熱熱脹脹系系數(shù)數(shù)薄薄膜膜淀淀積積溫溫度度， 測測量量溫溫度度 按應(yīng)力起源分類：熱應(yīng)力、本征應(yīng)力按應(yīng)力起源分類：熱應(yīng)力、本征應(yīng)力第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 12212 , 1 FFFFFEGxEEyEEE l lt tl lt tt tl l1 12 21 11 12 2證證明明如如下下： 張張應(yīng)應(yīng)力力或或壓壓應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變：, , 切切應(yīng)應(yīng)力力切切應(yīng)應(yīng)變變： 縱縱向向應(yīng)應(yīng)變變和和橫橫向向應(yīng)應(yīng)變變的的關(guān)關(guān)系系為為：，泊泊松松
19、比比方方向向應(yīng)應(yīng)變變：方方向向應(yīng)應(yīng)變變：若若薄薄膜膜應(yīng)應(yīng)力力，則則由由 () () 1FFSdFFSdTTETT 于于薄薄膜膜和和基基片片的的熱熱脹脹系系數(shù)數(shù)不不同同，薄薄膜膜的的熱熱應(yīng)應(yīng)變變?yōu)闉?帶帶入入上上式式有有：薄薄膜膜熱熱應(yīng)應(yīng)力力：，。證證畢畢第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 616161618 10102010 0304010 102010SFFSFKKKK 可可見見：采采用用選選擇擇基基片片或或者者改改變變淀淀積積溫溫度度的的辦辦法法來來 改改變變薄薄膜膜中中的的熱熱應(yīng)應(yīng)力力的的大大小小和和性性質(zhì)質(zhì)。例例如如：玻玻璃璃基基片片 金金屬屬薄薄膜膜熱熱應(yīng)應(yīng)力力
20、張張應(yīng)應(yīng)力力堿堿金金屬屬鹵鹵化化物物基基片片金金屬屬薄薄膜膜 0F 熱熱應(yīng)應(yīng)力力壓壓應(yīng)應(yīng)力力 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 12121212, dFdFdF dFdFdFdF dF 12121212FFFFFFFFFFFF 一一般般材材料料能能承承受受的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大大于于張張應(yīng)應(yīng)力力。所所以以選選擇擇基基片片和和淀淀積積薄薄膜膜溫溫度度，使使薄薄膜膜處處于于壓壓應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)為為好好。 在在基基片片上上淀淀積積有有雙雙層層薄薄膜膜時(shí)時(shí)，其其中中的的熱熱應(yīng)應(yīng)力力可可用用加加權(quán)權(quán)式式求求出出： （+ +）即即+ + 釋釋放放薄薄膜膜中中內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力的的有有效效
21、方方法法：在在薄薄膜膜與與基基片片之之間間加加上上一一層層很很薄薄的的易易于于塑塑變變的的薄薄膜膜，從從而而使使上上面面的的薄薄膜膜能能可可靠靠的的工工作作。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 界界面面應(yīng)應(yīng)力力（2 2）本本征征應(yīng)應(yīng)力力生生長長應(yīng)應(yīng)力力A A、在在界界面面處處薄薄膜膜與與基基片片的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)失失配配形形成成的的內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力， 在在界界面面處處將將產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)有有相相當(dāng)當(dāng)厚厚度度的的過過渡渡層層。界界面面應(yīng)應(yīng)力力：本本征征應(yīng)應(yīng)力力B B、在在界界面面處處有有相相當(dāng)當(dāng)高高的的缺缺陷陷密密度度和和雜雜質(zhì)質(zhì)密密度度引引 起起嚴(yán)嚴(yán)重重的的克克羅羅克克霍霍姆姆模模
22、型型界界面面失失配配產(chǎn)產(chǎn)生生界界面面應(yīng)應(yīng)力力。生生長長應(yīng)應(yīng)力力：來來源源于于薄薄膜膜在在生生長長過過程程中中所所形形成成的的各各種種結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷。：假假設(shè)設(shè)在在薄薄膜膜生生長長過過程程中中，由由于于其其表表面面迅迅速速前前進(jìn)進(jìn)，許許多多 0 dddSSdzdz 薄薄膜膜本本征征張張應(yīng)應(yīng) 無無序序結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層被被埋埋在在下下面面，被被埋埋個(gè)個(gè)無無序序?qū)訉拥牡闹鹬饾u漸退退火火和和 收收縮縮，引引起起生生長長應(yīng)應(yīng)力力- -。（z z）常常數(shù)數(shù)（z z），即即薄薄膜膜單單位位寬寬度度上上的的應(yīng)應(yīng)力力S S與與薄薄膜膜厚厚度度力力d d成成正正比比。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力
23、學(xué)性質(zhì) 00 exp() SSQvRTQRvHzTRR 0 014140 0 薄薄膜膜表表面面從從無無序序態(tài)態(tài)到到有有序序態(tài)態(tài)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化速速率率為為：= =阿阿倫倫尼尼烏烏斯斯關(guān)關(guān)系系式式，式式中中活活化化能能，氣氣體體常常數(shù)數(shù)，原原子子的的振振動(dòng)動(dòng)頻頻率率，約約為為1010，基基片片溫溫度度 設(shè)設(shè)為為薄薄膜膜的的生生長長速速率率，即即每每秒秒個(gè)個(gè)單單原原子子層層， 生生長長應(yīng)應(yīng)力力的的定定量量分分析析薄薄膜膜的的有有序序化化機(jī)機(jī)理理第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 000 RRR A A、當(dāng)當(dāng)表表示示在在表表面面暴暴露露的的時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)，有有序序化化的的原原子子少少
24、， 很很多多缺缺陷陷被被埋埋在在表表層層以以下下，因因而而薄薄膜膜的的生生長長應(yīng)應(yīng)力力很很大大。B B、當(dāng)當(dāng)表表示示在在表表面面暴暴露露的的時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)，有有序序化化的的原原子子多多， 因因而而只只有有少少數(shù)數(shù)的的缺缺陷陷被被埋埋在在下下面面，所所以以薄薄膜膜的的生生長長應(yīng)應(yīng) 力力很很小小。C C、當(dāng)當(dāng)薄薄膜膜的的生生長長應(yīng)應(yīng)力力發(fā)發(fā)生生明明顯顯變變化化，這這時(shí)時(shí)對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng) 的的溫溫度度是是有有序序化化溫溫度度。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 01401 1exp()lnln1032.21 32.232.2 8.31459.54.5 14201 1420315.54.5
25、SSSmmmRQQRvvRTRTQRTTTTCCCQ 0000克克羅羅克克霍霍姆姆令令，得得到到有有序序化化溫溫度度是是薄薄膜膜材材料料熔熔點(diǎn)點(diǎn)的的1/4.51/4.5（實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果） 由由此此可可求求出出原原子子的的有有序序化化活活化化能能。有有序序化化活活化化能能因因此此，對(duì)對(duì)于于硅硅薄薄膜膜來來說說有有序序化化溫溫度度= =， 有有序序化化活活化化能能59.584490 /mTJ mol K 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 810addbPa 薄薄膜膜本本征征應(yīng)應(yīng)力力與與膜膜厚厚的的關(guān)關(guān)系系如如圖圖, ,在在薄薄膜膜生生長長過過程程中中, ,電電鏡鏡觀觀察察
26、的的結(jié)結(jié)果果。 、 大大時(shí)時(shí)， 與與 關(guān)關(guān)系系小小；、 數(shù)數(shù)量量級(jí)級(jí)，且且大大多多數(shù)數(shù)膜膜室室溫溫下下本本征征應(yīng)應(yīng)力力結(jié)結(jié)論論: : 屬屬張張應(yīng)應(yīng)力力；c c、本本征征應(yīng)應(yīng)力力不不太太依依從從于于基基片片材材料料。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 222222/N mN mN mN mN mN m 8 88 82 28 88 82 28 82 28 8 在在玻玻璃璃上上沉沉積積AgAg膜膜層層張張應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力0.75 100.75 10在在玻玻璃璃上上沉沉積積MgFMgF 膜膜層層張張應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力2.0 102.0 10在在玻玻璃璃上上沉沉積
27、積ZnSZnS膜膜層層壓壓應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力1.0 101.0 10在在玻玻璃璃上上沉沉積積SnOSnO 膜膜層層張張應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力0.008 100.008 10在在玻玻璃璃上上沉沉積積TiOTiO 膜膜層層壓壓應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力0.5 100.5 10在在藍(lán)藍(lán)寶寶石石上上沉沉積積硅硅SiSi膜膜層層壓壓應(yīng)應(yīng)力力、本本征征應(yīng)應(yīng)力力5.0 105.0 10第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 使使薄薄膜膜處處于于壓壓應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)選選基基片片材材料料；1 1、基基片片情情況況 基基片片表表面面晶晶格格結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)須須與與薄薄膜膜相相匹匹配配；基基片
28、片溫溫度度（淀淀積積時(shí)時(shí)）對(duì)對(duì)內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力影影響響大大。2 2、淀淀積積基基片片溫溫度度吸吸附附原原子子在在基基片片表表面面的的遷遷移移能能力力 決決定定薄薄膜膜的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、成成份份、晶晶粒粒尺尺 寸寸、晶晶面面取取向向以以及及各各種種缺缺陷陷的的 工工藝藝對(duì)對(duì)內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力的的影影響響基基片片情情況況，淀淀積積過過程程， 薄薄膜膜本本身身。 數(shù)數(shù)量量和和分分布布。第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 3 3、淀淀積積過過程程對(duì)對(duì)薄薄膜膜內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力的的影影響響 影影響響因因素素：淀淀積積方方式式、熱熱源源溫溫度度、淀淀積積速速率率、 入入射射角角度度和和環(huán)環(huán)境境氣氣氛氛。
29、濺濺射射鍍鍍膜膜濺濺射射氣氣體體進(jìn)進(jìn)入入膜膜內(nèi)內(nèi)（1 1）淀淀積積方方式式 本本征征應(yīng)應(yīng)力力增增大大 蒸蒸發(fā)發(fā)鍍鍍膜膜慢慢蒸蒸本本征征應(yīng)應(yīng)力力小小淀淀積積速速率率晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力大大（2 2）例例外外：有有例例外外具具體體情情況況具具體體分分析析第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) （3 3）環(huán)環(huán)境境氣氣氛氛可可直直接接進(jìn)進(jìn)入入結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)不不夠夠緊緊密密的的薄薄膜膜中中， 從從而而產(chǎn)產(chǎn)生生壓壓應(yīng)應(yīng)力力。 若若薄薄膜膜中中的的殘殘余余氣氣體體再再跑跑出出來來，在在薄薄膜膜中中留留 下下空空位位和和空空位位團(tuán)團(tuán)，從從而而出出現(xiàn)現(xiàn)張張應(yīng)應(yīng)力力。高高氧氧氣氣壓壓下下靶靶表表面面氧氧化化 濺濺射射氧氧化化膜膜張張應(yīng)應(yīng)力力 鉭鉭膜膜：低低氧氧氣氣壓壓下下在在基基片片上上發(fā)發(fā)生生氧氧化化 壓壓應(yīng)應(yīng)力力第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 1091084 1015000.01104 1015005 10mmmGGTGTCGGTC 評(píng)價(jià)：2個(gè)字作孽. 第第三三講講 第二章第二章 薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì) 10：最風(fēng)光卻內(nèi)心最煎熬的人當(dāng)然是老板 有一幫子難對(duì)付的員工，有變化莫測的外部市場，還有剪不斷理還亂的內(nèi)部協(xié)調(diào)和管理，或許還有個(gè)別養(yǎng)在外面的金絲雀。
【材料課件】3第三講薄膜材料物理第二章薄膜的力學(xué)性質(zhì)
