第三章薄膜的力学性质 意义 深入理解薄膜力学性能与薄膜制造工艺、显微组织结构 之间的关系是预测、改善和充分发挥薄膜材料的各类性能， 优化器件设计，提高器件寿命与可靠性的关键之一。 定义 ● 薄膜的力学性质，指的是薄膜和基底间的相互作用以及 薄膜在生成过程中引起的薄膜内部应力和应变，或者从外部 施以力和能量时，表现出的反应等等
第三章 薄膜的力学性质 深入理解薄膜力学性能与薄膜制造工艺、显微组织结构 之间的关系是预测、改善和充分发挥薄膜材料的各类性能， 优化器件设计，提高器件寿命与可靠性的关键之一。 薄膜的力学性质，指的是薄膜和基底间的相互作用以及 薄膜在生成过程中引起的薄膜内部应力和应变，或者从外部 施以力和能量时，表现出的反应等等。 意义 定义
第三章薄膜的力学性质 本章要点： ©薄膜的附着性能 Q附着类型 。附着力的性质 。影响薄膜附着力的工艺因素 。薄膜附着力的测量 。薄膜的内应力 。内应力的类别 。内应力的成因 。内应力的测量
第三章 薄膜的力学性质 本章要点： 薄膜的内应力 薄膜的附着性能 附着类型 附着力的性质 影响薄膜附着力的工艺因素 薄膜附着力的测量 内应力的类别 内应力的成因 内应力的测量
3.1薄膜的附着性能 附着性能 核心 界面问题 影响很大 元器件的稳定性和可靠性 概念 薄膜附着力指的是薄膜对基体粘着能力的大小，即薄膜与衬 底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度，取决于薄膜 成长的初始阶段，以及薄膜材料的结构类型。 将单位面积的薄膜从其衬底上剥离下来所需要做的功作为薄 膜附着力的量度
薄膜附着力指的是薄膜对基体粘着能力的大小，即薄膜与衬 底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度，取决于薄膜 成长的初始阶段，以及薄膜材料的结构类型。 概念 3.1 薄膜的附着性能 将单位面积的薄膜从其衬底上剥离下来所需要做的功作为薄 膜附着力的量度。 附着性能 界面问题 元器件的稳定性和可靠性 核心 影响很大
3.1薄膜的附着性能 。附着类型 (a)简单附着 两个接触面间相互吸引而产生，形成突变界面（界面分界清楚)。 附着能： WR-E+Es ER (3-1) 式中，E和E,分别是薄膜和基片的表面能，E是它们之间的界面能。 f 影响因素： E ·表面干净程度 ·表面粗糙程度 图3-1简单附着示意图
(a) 简单附着 附着类型 3.1 薄膜的附着性能 两个接触面间相互吸引而产生，形成突变界面（界面分界清楚）。 图3-1 简单附着示意图 式中，Ef和Es分别是薄膜和基片的表面能，Efs是它们之间的界面能。 Wfs=Ef+ Es - Efs (3-1) 影响因素： • 表面干净程度 • 表面粗糙程度 附着能：
3.1薄膜的附着性能 (b)扩散附着 两个固体间相互扩散或熔解而在薄膜和基体间形成一个渐变界面。 实现方法：基片加热法； 离子注入法； 增加扩散！ 离子轰击法； 扩散附着牢的原因：物理原因：增大了接触面积； 能量原因：薄膜原子在基片内有较低的位能 Example: 溅射镀膜 高能量增加扩散 图3-2扩散附着示意图
(b) 扩散附着 两个固体间相互扩散或熔解而在薄膜和基体间形成一个渐变界面。 实现方法：基片加热法； 离子注入法； 离子轰击法； 扩散附着牢的原因：物理原因：增大了接触面积； 能量原因：薄膜原子在基片内有较低的位能 3.1 薄膜的附着性能 图3-2 扩散附着示意图 f S 增加扩散！ Example: 溅射镀膜 高能量增加扩散
31薄膜的附着性能 (c) 通过中间层附着 薄膜和基片间形成一个化合物中间层而产生附着。 形成中间层的方法： ①反应蒸发、反应溅射：在反应气氛中进行蒸发或溅射（在反应气 氛中实行辉光放电)。 ②蒸发或溅射过渡层：采用易于氧化的金属，如Ti、Mo、Ta、Cr。 ③基片表面掺杂：向SiO,基片表面中，掺入AI或P。 HHHHH7/AAHA S 图3-3通过中间层附着示意图
(c) 通过中间层附着 Ⅱ 3.1 薄膜的附着性能 薄膜和基片间形成一个化合物中间层而产生附着。 形成中间层的方法： ① 反应蒸发、反应溅射：在反应气氛中进行蒸发或溅射（在反应气 氛中实行辉光放电)。 ② 蒸发或溅射过渡层：采用易于氧化的金属，如Ti、Mo、Ta、Cr。 ③ 基片表面掺杂：向SiO2基片表面中，掺入Al或P。 图3-3 通过中间层附着示意图 f S
3.1薄膜的附着性能 宏观效应 (d)机械锁合 图3-4机械锁合附着示意图 (e)双电层吸引 双电层吸引是由于在薄膜与基片所形 成的界面处产生双电层，异性电荷间 +++++++++ 的相互吸引； ●出现双电层的原因：薄膜和基片两种 材料的费米能级不同。 图3-5双电层吸引附着示意图 ●是一种长程力；
3.1 薄膜的附着性能 (e) 双电层吸引 Ⅰ Ⅱ + + + + + + + + + f S (d) 机械锁合 双电层吸引是由于在薄膜与基片所形 成的界面处产生双电层，异性电荷间 的相互吸引； 出现双电层的原因：薄膜和基片两种 材料的费米能级不同。 是一种长程力； 图3-4 机械锁合附着示意图 图3-5 双电层吸引附着示意图 宏观效应
3.1薄膜的附着性能 。附着力的性质 AA 按薄膜对基片的附着性质，有三种附着力：范德华力、静电力和化学键力。 。范德华力 范德华力是存在于分子之间的一种吸引力。 定向力：来源于永久偶极距之间的相互作用。 诱导力：由于永久偶极矩的诱导作用而产生的力。 色散力：由电子在围绕原子核运动过程中所产生的瞬时偶极间的相互作用 而产生。 其相互作用能约为0.04~0.4eV
3.1 薄膜的附着性能 按薄膜对基片的附着性质，有三种附着力：范德华力、静电力和化学键力。 其相互作用能约为0.04~0.4eV。 附着力的性质 范德华力是存在于分子之间的一种吸引力。 定向力：来源于永久偶极距之间的相互作用。 诱导力：由于永久偶极矩的诱导作用而产生的力。 色散力：由电子在围绕原子核运动过程中所产生的瞬时偶极间的相互作用 而产生。 范德华力
3.1薄膜的附着性能 。静电力 o2.d E,= (3-2) 2·80·8 式中o为单位面积上的电荷量，d是双电层（电荷层）厚度， 和ε分别是真空和基体的介电常数。 理论计算表明，静电力的吸引能量与范德华力基本相近。 实际计算中有一定难度： 原因是单位面积上的电荷量σ计算困难 实际的费米能级确定困难（界面态、界面结构的影响)
3.1 薄膜的附着性能 0 2 2 d Es 式中σ为单位面积上的电荷量，d是双电层(电荷层)厚度， ε0 和 ε 分别是真空和基体的介电常数。 理论计算表明，静电力的吸引能量与范德华力基本相近。 实际计算中有一定难度： 原因是单位面积上的电荷量σ计算困难 实际的费米能级确定困难（界面态、界面结构的影响） (3-2) 静电力
3.1薄膜的附着性能 。化学键力 簿膜与基体之间形成化学键后的结合力。 化学吸附的吸附能在0.5~10eV。 化学键力在数值上比范德华力大得多。在薄膜与基体之 间并不是普遍地存在化学吸附，要使薄膜在基体上有牢固的 附着性必须在它们之间产生化学键。 附着现象实质是建立在原子间电子 的交互作用基础上，因此是电子性质的
附着现象实质是建立在原子间电子 的交互作用基础上，因此是电子性质的。 化学键力在数值上比范德华力大得多。在薄膜与基体之 间并不是普遍地存在化学吸附，要使薄膜在基体上有牢固的 附着性必须在它们之间产生化学键。 化学吸附的吸附能在0.5~10eV。 3.1 薄膜的附着性能 簿膜与基体之间形成化学键后的结合力。 化学键力
