第九章第九章 薄膜的性质薄膜的性质力学性质力学性质电学性质电学性质介电性质介电性质半导体薄膜性质半导体薄膜性质其他性质其他性质9-1 薄膜的力学性薄膜的力学性质薄膜的力学性质与其结构密切相关薄膜的力学性质与其结构密切相关薄膜的主要力学性能：薄膜的主要力学性能： 附着性质附着性质取决于取决于薄膜成长的初始阶段薄膜成长的初始阶段 内应力内应力 机械性能机械性能取决于生长阶段及其结构取决于生长阶段及其结构类型类型一、附着性一、附着性质控制着对其他性能的观察和研究控制着对其他性能的观察和研究理论上，关系到对结合界面的了解；理论上，关系到对结合界面的了解； 使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性1 1、附着现象、附着现象宏观角度看，附着是指宏观角度看，附着是指薄膜和基体表面相互作用将薄薄膜和基体表面相互作用将薄膜粘附在基体上膜粘附在基体上的一种现象的一种现象是与薄膜在基体上存在的耐久性及耐磨性直接相关的是与薄膜在基体上存在的耐久性及耐磨性直接相关的重要概念重要概念薄膜的附着性能直接薄膜的附着性能直接与材料种类、附着的类型、附着与材料种类、附着的类型、附着力的性质、工艺、测量方法力的性质、工艺、测量方法有关。
有关易氧化的金属膜附着性比难氧化的金属膜好得多易氧化的金属膜附着性比难氧化的金属膜好得多2、薄膜附着的、薄膜附着的类型型 简单附着简单附着分明的分界面分明的分界面 扩散附着扩散附着 通过中间层附着通过中间层附着 通过宏观效应附着通过宏观效应附着 简单附着简单附着薄膜和基片间形成一个很薄膜和基片间形成一个很清楚的分界面清楚的分界面，由两个接，由两个接触面相互吸引而形成触面相互吸引而形成 其附着能其附着能= =分开单位附着面所需做的功分开单位附着面所需做的功 W Wfsfs=E=Ef f+E+Es s-E-Efsfs （E Ef f薄膜的表面能，薄膜的表面能，E Es s基片的表面能，基片的表面能，E Efsfs薄薄膜与基片之间的界面能）膜与基片之间的界面能） 两个相似或相容的表面接触，两个相似或相容的表面接触，E Efsfs小，小，W Wfsfs大，附着大，附着牢牢 两个完全不相似或不相容的表面接触，两个完全不相似或不相容的表面接触， E Efsfs大，大，W Wfsfs小小 影响因素：影响因素：表面污染；表面粗糙不平表面污染；表面粗糙不平 薄膜与基片间的结合力薄膜与基片间的结合力范德华力范德华力扩散附着扩散附着由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片由两个固体间相互扩散或溶解而导致在薄膜和基片间形成一个渐变界面。
膜基间间形成一个渐变界面膜基间无明显界面无明显界面）实现扩散方法实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、离子轰基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法击法、电场吸引法 基片加热法基片加热法：高温蒸发，后低温：高温蒸发，后低温 离子轰击法离子轰击法：先在基片上淀积一层薄（：先在基片上淀积一层薄（20-30nm20-30nm）金属膜，再用高能（金属膜，再用高能（100KeV100KeV）氩离子对它进行轰击）氩离子对它进行轰击 实现扩散，再镀膜实现扩散，再镀膜 电场吸引法电场吸引法：在基片背面镀上导体加电压，促进：在基片背面镀上导体加电压，促进离子扩散离子扩散溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动能大，因为溅射粒子动能大，形成扩散附着形成扩散附着中间层附着中间层附着在薄膜与基片之间形成一个化合物中间层而附着，在薄膜与基片之间形成一个化合物中间层而附着，膜基间膜基间无明显界面无明显界面中间层组成中间层组成：膜膜-基成分组成；膜、基与环境气氛组成；兼而有之基成分组成；膜、基与环境气氛组成；兼而有之通常含有氧化物和氮化物通常含有氧化物和氮化物随制膜条件不同，其化合物组成也不同。
随制膜条件不同，其化合物组成也不同中间层形成方法中间层形成方法：反应蒸发、反应溅射、蒸发或溅射过渡层、基片表面反应蒸发、反应溅射、蒸发或溅射过渡层、基片表面掺杂等通过宏观效应通过宏观效应 包括包括机械锁合和双电层吸引机械锁合和双电层吸引 机械锁合机械锁合：宏观机械作用，在基片上有宏观机械作用，在基片上有微孔或微裂缝微孔或微裂缝时，在沉积时，在沉积过程中，就会有入射原子进入其中，形成薄膜与基片过程中，就会有入射原子进入其中，形成薄膜与基片间的机械锁合间的机械锁合如果基片表面的如果基片表面的微孔和微裂缝分布适当微孔和微裂缝分布适当，依靠锁合作，依靠锁合作用，能显著用，能显著改善薄膜的附着性能改善薄膜的附着性能但对薄膜电路、固但对薄膜电路、固体电路中薄膜及其他优质电子元器件，不能依靠机械体电路中薄膜及其他优质电子元器件，不能依靠机械锁合作用提高附着性能锁合作用提高附着性能双电层吸引双电层吸引：由于膜基界面产生双电层，异性电荷间的相互吸引由于膜基界面产生双电层，异性电荷间的相互吸引双电层产生的原因：双电层产生的原因：由于膜基材料的功函数不同，由于膜基材料的功函数不同，它们相互接触后，彼此间发生电子转移，在界面它们相互接触后，彼此间发生电子转移，在界面累积符号相反的电荷。
类似于一个充电的平板电累积符号相反的电荷类似于一个充电的平板电容器 膜基间单位面积的静电吸引能膜基间单位面积的静电吸引能与其他结合力的比较：与其他结合力的比较： 静电吸引能的静电吸引能的数值接近于范德华吸引能数值接近于范德华吸引能前者为长程力，后者为短程力长程力，后者为短程力 双电层吸引双电层吸引受膜受膜-基间距变化的影响小基间距变化的影响小，在基片表，在基片表面有吸附气体，或进行附着力测定时，膜面有吸附气体，或进行附着力测定时，膜-基间距略基间距略有变大时，因化学键力和范德华力迅速变小，双电有变大时，因化学键力和范德华力迅速变小，双电层力即成为主导作用力层力即成为主导作用力3、附着机理、附着机理附着的机理是吸附分附着的机理是吸附分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附1）物理吸附）物理吸附 范德范德华力力 静静电力吸引：即双力吸引：即双电层力力范德范德华力作用能力作用能约为0.040.4eV ，实现的附着的附着较差，差，静静电力数力数值小，但小，但对附着的附着的贡献献较大定向力：永久偶极矩间的相互作用定向力：永久偶极矩间的相互作用 （小）（小）诱导力：永久偶极矩的诱导作用形成诱导力：永久偶极矩的诱导作用形成 的吸引力的吸引力 （最小，）（最小，）色散力：瞬时偶极矩间的吸引色散力：瞬时偶极矩间的吸引 （最强）（最强）（2）化学吸附）化学吸附薄膜与基体薄膜与基体间形成形成化学化学键结合合（离子（离子键、共价、共价键、金属金属键）力）力产生的一种吸附。
生的一种吸附是是短程力，数短程力，数值上比范德上比范德华力大力大，约为0.510eV薄膜与基片薄膜与基片间，化学，化学键力力不是普遍存在不是普遍存在的，只有在的，只有在它它们的界面的界面产生了化学生了化学键，形成了化合物，才具有，形成了化合物，才具有这种种键力要使薄膜在基体上有牢固的附着性，必要使薄膜在基体上有牢固的附着性，必须在它在它们间产生化学生化学键 原子与原子原子与原子间的相互作用往往是物理的和化学的作的相互作用往往是物理的和化学的作用交用交织在一起，而不是在一起，而不是单纯的某一种作用，因此，的某一种作用，因此，薄膜薄膜对基片的附着常常不是基片的附着常常不是单纯的某一种附着力的某一种附着力4、附着力、附着力（1）定）定义指薄膜以多大的指薄膜以多大的强度附着在基片上度附着在基片上基准附着力基准附着力：薄膜与基片完全接触：薄膜与基片完全接触时，在界面，在界面处的的结合力实际附着力附着力：也称：也称为附着附着强度，由度，由试验测定的用力（从基片上剥离力（从基片上剥离单位面位面积薄膜所需的力）和能薄膜所需的力）和能量（剥离薄膜所需的能量）表示，根据量（剥离薄膜所需的能量）表示，根据测量方法量方法而定。
蒸而定蒸发膜，常用力表示膜，常用力表示2）附着力的）附着力的测量量难定量描述，定量描述，结果只具有定性意果只具有定性意义主要方法有划痕法、拉主要方法有划痕法、拉张法、剥离法法、剥离法划痕法划痕法将硬度将硬度较高的划高的划针垂直置于薄膜表面，施加垂直置于薄膜表面，施加载荷荷对薄膜薄膜进行划行划伤试验的方法来的方法来评价薄膜的附着力价薄膜的附着力当划当划针前沿的剪切力超前沿的剪切力超过薄膜的附着力薄膜的附着力时，薄膜将，薄膜将发生破坏与剥落在划生破坏与剥落在划针移移动的同的同时，逐，逐渐加大加大所施加的所施加的载荷，并在荷，并在显微微镜下下观察得出划开薄膜，察得出划开薄膜，露出露出衬底所需的底所需的临界界载荷荷，即可作，即可作为薄膜附着力薄膜附着力的量度当当载荷一定荷一定时，薄膜剥离痕迹，薄膜剥离痕迹的完整程度也依的完整程度也依赖于薄膜的附于薄膜的附着力，因而也可根据着力，因而也可根据划痕划痕边缘的完整程度来比的完整程度来比较薄膜附着力薄膜附着力的大小的大小拉拉张法（拉伸法）法（拉伸法）利用黏利用黏结或或焊接的方法将薄膜接的方法将薄膜结合与拉伸棒的端面合与拉伸棒的端面上，上，测量将量将薄膜从薄膜从衬底上拉伸下来所需的底上拉伸下来所需的载荷荷的的大小。
大小薄膜的附着力薄膜的附着力等于拉伸等于拉伸时的的临界界载荷与被拉伸的薄荷与被拉伸的薄膜面膜面积之比之比在用在用黏黏结剂时，其黏，其黏结强度度决定了决定了这一方法可一方法可测定的附定的附着力的上限着力的上限焊接接可增加界面的可增加界面的结合合强度，度，但但焊接接过程可能会由于加程可能会由于加热温度的影响而改温度的影响而改变界面的界面的组织和附着力和附着力其他方法其他方法胶胶带剥离法剥离法：将具有一定粘着力的胶：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表粘到薄膜表面，在剥离胶面，在剥离胶带的同的同时，观察薄膜从察薄膜从衬底上被剥底上被剥离的离的难易程度摩擦法摩擦法：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脱落以薄膜脱落时所需的摩擦次数和力的大小推断薄所需的摩擦次数和力的大小推断薄膜附着力的膜附着力的强弱超声波法超声波法：用超声波的方法造成周：用超声波的方法造成周围介介质发生生强力力的振的振动，从而在近距离，从而在近距离对薄膜薄膜产生破坏效生破坏效应，根，根据薄膜据薄膜发生剥落生剥落时的超声波的能量水平推断薄膜的超声波的能量水平推断薄膜的附着力的附着力离心力法离心力法：使薄膜与：使薄膜与衬底一起底一起进行高速旋行高速旋转，在离，在离心力的作用卜，使薄膜从心力的作用卜，使薄膜从衬底上脱开，用旋底上脱开，用旋转的的离心力来表征薄膜的附着力。
离心力来表征薄膜的附着力脉冲激光加脉冲激光加热疲疲劳法法：利用薄膜与：利用薄膜与衬底在脉冲激光底在脉冲激光作用下周期性地作用下周期性地热胀冷冷缩，使薄膜与，使薄膜与衬底不断地底不断地弯曲弯曲变形，从而引起界面疲形，从而引起界面疲劳和造成薄膜脱离和造成薄膜脱离时单位薄膜面位薄膜面积上所吸收的激光能量来表征薄膜的上所吸收的激光能量来表征薄膜的附着力剪切法剪切法：与拉伸法相：与拉伸法相类似，剪一叨法用私似，剪一叨法用私结的手段的手段将薄膜的表面与一将薄膜的表面与一块金属板私金属板私结在一起然后，在一起然后，在平行于薄膜表面的方向上在平行于薄膜表面的方向上对金属板施加金属板施加载荷或荷或扭矩，并扭矩，并测量使薄膜从量使薄膜从衬底上剥离所需要的底上剥离所需要的临界界载荷，以作荷，以作为薄膜附着力的量度薄膜附着力的量度另外有另外有压痕法痕法（类似于划痕法）、似于划痕法）、拉倒法拉倒法（类似于似于拉伸法）拉伸法）容易形成氧化物的薄膜其附着力则较大容易形成氧化物的薄膜其附着力则较大附着力中起主要作用的是范德华力附着力中起主要作用的是范德华力。