4-第四讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
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薄膜材料工程学-最终版PPT课件
第三章 薄膜的物理气相沉积 ——溅射法
溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速 后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子 将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出 来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能， 并且会着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底 上薄膜的沉积。
这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可 能性提高。磁控溅射技术就是在克服以上沉积速度低， 工作气压高而发展起来的一种沉积技术。
第四章 真空蒸发
4.1 真空蒸发沉积的物理原理
真空蒸发沉积过程由三个步骤组成：
①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在激发源与基片之间蒸发粒子的输运； ③蒸发粒子到达基片后凝结。 ，成核，长大及成膜。
②沉积率： 蒸发粒子在基片上的沉积率则取决于蒸发源的几何 尺寸，蒸发源相对基片的距离以及凝聚系数等因素。
考虑蒸发源是一清 洁、均匀发射的点 源，基片为一个平 面，由Knudsen余 弦定律所确定的沉 积率则随cosθ/r2而 变化。（图4-1）
4.2 真空蒸发技术
真空蒸发系统一般由三个部分组成： ①真空室 ②蒸发源或蒸发加热装置 ③放置基片及给基片加热装置
②由于M2/M1 + M2近似等于1，而1/2 M1V12正是碰撞到电 子的动能，因此非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移 给其它质量较大的粒子，如离子或原子，引起其激发或电 离。因此电子与其它粒子的非弹性碰撞过程是维持再次放 电过程的主要机制。
3.2：溅射沉积装置
3.2.1直流溅射
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射
2.2.2：旋片式机械真空泵
凡是利用机械运动(转动或滑动) 以获得真空的泵，就称为机械 泵。它是一种可以从大气压开 始工作的典型真空泵，它即可 单独使用，又可作为高真空泵 或超高真空泵的前极泵(图2-1)
薄膜力学性能解析
薄膜和基底晶格常数失配引起的薄膜晶格常数的变化， 为 晶界松弛距离， 为Lg晶体尺寸。
19
二、残余应力的测量
1. Stoney公式
在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓
仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反
映了薄膜残余应力的大小，Stoney给出了二者之间的
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性薄膜
类
韧性基底
韧性薄膜 脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
压痕法
纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以
及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
19
二、残余应力的测量
1. Stoney公式
在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓
仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反
映了薄膜残余应力的大小，Stoney给出了二者之间的
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性薄膜
类
韧性基底
韧性薄膜 脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
压痕法
纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以
及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
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17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
薄膜材料物理-薄膜的表面和界面
薄膜的透过率决定了其光学透射效果， 对光学器件的性能有重要影响。
04 薄膜的制备与表征
薄膜的制备方法
物理气相沉积（PVD） 利用物理方法将固体材料转化为 气态，再在固体衬底上凝结成膜。 包括真空蒸发、溅射、离子束沉 积等。
喷雾热解法 将溶液通过喷嘴形成雾滴，在热 解炉中热解形成薄膜，适用于制 备金属氧化物薄膜。
VS
详细描述
功能薄膜具有针对性强、性能优异的特点 ，如防水、防雾、保温等功能。在建筑行 业中，功能薄膜可以作为窗户的贴膜，实 现隔热、防紫外线等功能；在环保领域， 功能薄膜可用于水处理和空气净化；在能 源领域，功能薄膜可用于太阳能电池和储 能器件的封装和保附
表面脱附是指已经吸附在固体表面的气体或液体分子重新回到气相或液相中的过 程。表面脱附可以是由于温度升高、压力降低或施加外部场作用等条件而发生的 。
表面扩散
• 表面扩散是指固体表面上的原子或分子的迁移现象。由于表面 原子或分子的能量较高，它们可以沿着表面跳跃移动，从而导 致表面的平滑化、晶态变化或化学反应等现象的发生。
化学气相沉积（CVD） 利用化学反应在衬底上生成薄膜。 包括常压化学气相沉积、等离子 体增强化学气相沉积等。
溶胶-凝胶法 通过溶胶凝胶过程制备薄膜，适 用于制备玻璃、陶瓷等无机薄膜。
薄膜的表征技术
光学显微镜
观察薄膜的表面形貌和结构。
X射线衍射
分析薄膜的晶体结构和相组成。
原子力显微镜（AFM）
测量薄膜表面的形貌和粗糙度。
热力学第一定律
描述系统能量守恒的定律，在薄 膜界面表现为界面能与表面自由 能之间的关系。
02
热力学第二定律
03
热力学第三定律
描述系统自发熵增的定律，在薄 膜界面表现为界面张力和表面自 由能之间的关系。
4-第四讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
4-第四讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
第四讲第二章薄膜的力学性质第二章薄膜的力学性质(续)第四讲§2.4内应力的测试方法1、悬臂
梁法测量时常用基片—云母片、玻璃片尺寸：15×2×0.05~65×10×0.15mm3测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、机电法等，其中电容法的灵敏度最高。
薄膜内应力：2、
弯盘法采用圆形基片，分别测量出在淀积薄膜前后的基片的曲率半径R1和R2，则薄膜单位宽度的应力为：基片：玻璃、石英、单晶硅
尺寸：0.13×Ф18-0.22×Ф30，光学抛光测量方法：牛顿环法(常用)、x射线衍射法、光纤法等。
3、x射线衍
射法测试前，用标准的硅单晶样品→标定装置误差。
薄膜厚度＞30nm,观测衍射峰最大值所对应的布拉格（Bragg）角Θ，并比较薄膜的Θ和块状的Θ角。
§2.5薄膜的机械强度分为抗张强度、耐压强度（用硬度表示）薄膜常开裂→薄膜
的断裂是它的应力→应变曲线的终点→抗张强度与应力—应变关系紧密。
2.5.1薄膜的应力—应变曲线块材：先线性弹性阶段→非线性弹
性阶段→塑性变形薄膜：有可能发生蠕变，因为薄膜内的缺陷较多，受到内部弹
性能的活化而发生了一些变化。
→与块材不同2.5.2薄膜的抗张强度薄
膜的断裂机理：在薄膜的内部局限区域中发生塑性变形，导致在该处变薄，结果这个区域中内应力增大，出现小的裂纹，最后发生断裂。
薄膜特点：缺陷较多，表面积与体积之比很大，本身有内应力。
薄膜的屈服强度：。
《材料物理薄膜物理》课件
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CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
薄膜力学性能资料
th f TsTdT
(4.22)
根据Hooke’s定律，应力为
th
E
1 f
th
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内 应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
i
1
Ef
f
xa a
1
Ef
f
Lg
(4.24)
式中 a为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数， x 为a由于
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
热应力是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果
为
S dP dh
2
Er
A
(4.4)
这里，h为压头的纵向位移，S dP为d试h 验载荷曲线的薄
膜材料刚度， 是压A头的接触面积。
8
Er 为约化弹性模量
1
薄膜的力学性质汇总
X射线衍射
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
2、薄膜的内应力
内应力的起因
热效应 相变 界面应力:晶格适配 杂质效应
此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺 陷、微孔的扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应 力的变化。
2、薄膜的内应力
内应力的测量方法
➢ 机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。
悬臂梁法、弯盘法 原理：
➢ 衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。
1、薄膜的附着力
增加附着力的方法
➢ 清洗基片 ➢ 提高基片温度 ➢ 引入中间过渡层 ➢ 采用溅射增加附着力
1、薄膜的附着力
附着力的测Leabharlann 方法➢ 粘胶法:薄膜与基片间的附着力必须小于薄膜与粘胶间的 附着力
引拉法；剥离法 ➢ 直接法
划痕法、摩擦法、离心法
难定量描述，结果只具定性意义！！
引拉法
➢ 利用黏结或焊接的方法将薄膜结 合与拉伸棒的端面上，测量将薄膜 从衬底上拉伸下来所需的载荷的大 小。薄膜的附着力等于拉伸时的临 界载荷与被拉伸的薄膜面积之比。
§7-1 薄膜的力学性质
薄膜的力学性质与其结构密切相关。
薄 膜
附着性质 — 取决于薄膜成长的初始阶段
的 应力性质 力
学 弹性性质 性
取决于生长阶段及其结构类型
质 机械强度
1、薄膜的附着力
附着：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方 的吸附作用的状态。
附着力、附着能 附着性能
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； 使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性
2、薄膜的硬度
物质的硬度：一种物质相对于另一物质的抗摩擦性或抗 刻划性的能力。 硬度试验：维氏硬度、库氏硬度、布氏硬度。
2、薄膜的内应力
内应力的起因
热效应 相变 界面应力:晶格适配 杂质效应
此外薄膜的生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺 陷、微孔的扩散等会引起表面张力的变化，也会引起内应 力的变化。
2、薄膜的内应力
内应力的测量方法
➢ 机械法：测量基片受应力作用后弯曲的程度。
悬臂梁法、弯盘法 原理：
➢ 衍射法：测量薄膜晶格常数的畸变。
1、薄膜的附着力
增加附着力的方法
➢ 清洗基片 ➢ 提高基片温度 ➢ 引入中间过渡层 ➢ 采用溅射增加附着力
1、薄膜的附着力
附着力的测Leabharlann 方法➢ 粘胶法:薄膜与基片间的附着力必须小于薄膜与粘胶间的 附着力
引拉法；剥离法 ➢ 直接法
划痕法、摩擦法、离心法
难定量描述，结果只具定性意义！！
引拉法
➢ 利用黏结或焊接的方法将薄膜结 合与拉伸棒的端面上，测量将薄膜 从衬底上拉伸下来所需的载荷的大 小。薄膜的附着力等于拉伸时的临 界载荷与被拉伸的薄膜面积之比。
§7-1 薄膜的力学性质
薄膜的力学性质与其结构密切相关。
薄 膜
附着性质 — 取决于薄膜成长的初始阶段
的 应力性质 力
学 弹性性质 性
取决于生长阶段及其结构类型
质 机械强度
1、薄膜的附着力
附着：薄膜与基片保持接触，两者的原子相互受到对方 的吸附作用的状态。
附着力、附着能 附着性能
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； 使用上，决定了薄膜元器件的稳定性和可靠性
薄膜的力学性质
——只有热激活的电子才能克服库的作用力而 穿过隧道，此模型导出的公式：
8me
h3B2
eb KT
BKT s in(B KT )
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形 变的能力。
2、硬度的测量方法
金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压 痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不 同）。
（1）硬度的几种名称 •维氏（Vickers）硬度（136度） •库氏（Knoop）硬度（172.5度） •布氏（Brinell）硬度
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
8me
h3B2
eb KT
BKT s in(B KT )
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形 变的能力。
2、硬度的测量方法
金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压 痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不 同）。
（1）硬度的几种名称 •维氏（Vickers）硬度（136度） •库氏（Knoop）硬度（172.5度） •布氏（Brinell）硬度
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
薄膜材料的力学行为与应用
薄膜材料的力学行为与应用薄膜材料是指厚度相对较薄的材料，可以是金属、陶瓷、聚合物等材料制成。
由于其独特的力学行为，薄膜材料在许多领域都有广泛的应用。
本文将探讨薄膜材料的力学行为以及其在各个领域的应用。
一、薄膜材料的力学行为1. 基本概念薄膜材料的力学行为受到其几何结构以及材料本身的特性影响。
薄膜通常具有高度表面积与体积比，因此可能显示出与宏观材料不同的性质。
薄膜材料的力学行为研究涉及到应力、应变、蠕变等参数的分析。
2. 弹性行为薄膜材料在受力时通常表现出弹性行为，也即在去除外力后能恢复到初始状态。
弹性模量是评估材料弹性性质的一个重要参数。
对于薄膜材料来说，尺寸效应对其弹性模量产生显著影响，较小尺寸的薄膜材料通常表现出较高的弹性模量。
3. 塑性行为除了弹性行为外，薄膜材料也可能出现塑性变形。
当应力超过一定临界值时，薄膜材料会发生形变，且不会完全恢复到初始状态。
塑性行为的研究对于薄膜材料的应用具有重要意义，例如在可变形电子元件中，薄膜的可塑性可以实现弯曲、拉伸等形变操作。
4. 界面效应薄膜材料通常存在于支撑衬底上，这种界面对其力学行为有重要影响。
界面能量对于薄膜的弹性、塑性、蠕变等力学行为起到调控作用。
因此，研究薄膜材料的界面效应对于提高材料的力学性能具有重要意义。
二、薄膜材料的应用1. 微电子领域薄膜材料在微电子领域中有着广泛的应用。
例如，薄膜材料可以作为微电子器件的基底或者封装层，提供保护和支撑功能。
另外，薄膜材料的弯曲性质使其成为可实现柔性电子器件的理想选择，如柔性显示器、可穿戴设备等。
2. 光电领域薄膜材料在光电领域中也有广泛的应用。
例如，薄膜太阳能电池利用薄膜材料的光吸收和电子传输特性，将太阳光转化为电能。
此外，薄膜还可以应用于光学镜片、涂层等领域，发挥其光学性能。
3. 传感器领域薄膜材料在传感器领域具有重要应用价值。
由于薄膜材料的高灵敏度和可调变形性质，使其成为传感器元件的理想材料。
例如，薄膜材料可以应用于压力传感器、湿度传感器、生物传感器等，实现对于外界参数的敏感检测。
物理学中的薄膜力学特性研究
物理学中的薄膜力学特性研究薄膜材料在生活中随处可见，例如电子产品中常用的薄膜屏幕、太阳能电池板、医用贴片等等。
这些材料的力学特性对于产品的功能和性能都有着决定性的影响。
因此，薄膜力学特性的研究变得越来越重要。
薄膜力学特性的研究主要是针对薄膜的力学性质和变形机理进行探究。
之所以崇尚薄膜研究，是因为薄膜与传统的板材相比，在力学上具有独特的特性。
首先，薄膜因其厚度比较小，因此其力学性质与普通材料不同。
比如说，薄膜的弯曲角度会影响其强度和变形速度，而在板材中这一点不成立。
因此，研究薄膜的力学特性可以有助于设计出更稳定、更耐用的材料。
其次，薄膜的某些力学特性在应用上有着非常重要的作用。
例如，薄膜的自由面能对于其在液态浸润中的行为产生影响；有些薄膜材料的应用要求即使在大变形下仍能保持能量吸收能力；还有些材料需要具有较低的弯曲刚度，才能达到所要求的柔性或可卷曲性。
薄膜力学研究所需要利用的工具和方法主要分为两类：试验和计算模拟。
试验手段包括如拉伸试验、压力试验、穿透试验等等，这些试验能够通过一些微小的变形或者力学响应来获得薄膜材料的物理性质指标。
计算模拟方法则常常使用有限元法，将薄膜结构建模，并得出其力学指标。
这些数学和计算方法在薄膜研究中有着广泛的应用。
在现实的应用中，人们对于薄膜的力学性质研究有着不同的需求。
例如，对于在电子产品的制造中，要求其具有高的拉伸强度、高弹性模量和良好的可加工性等性质，因此这些固定需要通过力学指标的测试得出。
而对于一些柔性电路板或者弯曲产品，其需要满足更多变形机理的要求，而这方面的研究更是仍处于探究阶段。
总之，薄膜力学特性的研究在如今的应用中具有着越来越重要的意义。
研究者们希望通过不断的探索和实验，掌握更加精准和深入的薄膜力学规律，从而带来更多更优质的产品和应用。
薄膜的基本性质
负，在膜较厚时为正值。通常，较厚膜的TCR接近整块材料 TCR接近整块材料 在膜较厚时为正值。通常，较厚膜的TCR 的值，但并不相等。 的值，但并不相等。 在制造电阻膜时，一般希望使电阻温度系数为零，因此， 在制造电阻膜时，一般希望使电阻温度系数为零，因此， 一般要研究蒸发条件核溅射条件的各种变化。有时也在氮 一般要研究蒸发条件核溅射条件的各种变化。 气等活性气体中制造薄膜。 气等活性气体中制造薄膜。 薄膜的结构是随着温度不可逆地变化的。与此相应， 薄膜的结构是随着温度不可逆地变化的。与此相应，电阻 核电阻温度系数也会变化。膜越薄， 核电阻温度系数也会变化。膜越薄，这种变化就越显著激 可以理解为， 烈。可以理解为，这是由于接近岛状或者海峡结构的薄膜 其粒子在基片上的再蒸发、重排、 其粒子在基片上的再蒸发、重排、氧化等而引起化学变化 的缘故。 的缘故。在膜较厚时也会由于晶格缺陷的变化而发生不可 逆的变化。对于薄膜来说，TCR和电阻率对于温度的可逆变 逆的变化。对于薄膜来说，TCR和电阻率对于温度的可逆变 化只是在某一限定范围之内的，与整块材料完全不同的。 化只是在某一限定范围之内的，与整块材料完全不同的。
• （3）空位的消除 • 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷，其中空位和孔隙等缺陷经 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷，
过热退火处理，原子在表面扩散时消灭这些缺陷可使体积发 过热退火处理， 生收缩，从而形成拉应力性质的内应力。 生收缩，从而形成拉应力性质的内应力。
• （4）界面失配 • 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时，薄膜 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时，
一、薄膜的粘附力
• 薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜
应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造 过程中普遍关心的问题。
• （3）空位的消除 • 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷，其中空位和孔隙等缺陷经 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷，
过热退火处理，原子在表面扩散时消灭这些缺陷可使体积发 过热退火处理， 生收缩，从而形成拉应力性质的内应力。 生收缩，从而形成拉应力性质的内应力。
• （4）界面失配 • 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时，薄膜 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时，
一、薄膜的粘附力
• 薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜
应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造 过程中普遍关心的问题。
第四章-2薄膜力学性能
根据Hooke’s定律，应力为
(4.22)
th
E th 1 f
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内
应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
Ef i 1 f
xa Ef a 1 f
即可算出晶面间距的变化量，再根据弹性力学定律计算出该 方向上的应力数值。
30
X射线衍射法测量残余应力中最常用的方法是 sin2 法， 其基本原理简述如下。 下图为测试的试样表面，图中 1 、 2 和 3 为主应 力方向。由于X射线对物体的穿入能力有限，因而X射 线测量的是物体表层应力(记为 )。因为物体表层 不受外力时即处于平面应力状态，所以 3 0 。设任 意方向应变为 (以 与试样表面法向方向的夹 角表示的方位)，按弹性力学原理，有
S dP 2 Er dh A
(4.4)
这里， 为压头的纵向位移， dP dh为试验载荷曲线 h S 的薄膜材料刚度， A 是压头的接触面积。
8
E r 为约化弹性模量
1 Er
1 1
2 f 2 i
(4.5)
Ef
Ei
其中的 E f 、Ei 、 f 、 i 分别为被测薄膜和压头的
Hale Waihona Puke (4.27)式中下标1，2，…，n分别代表各层薄膜的编号， 为残余应 力，其余字符的意义与式(4.26)相同。
22
3. 薄膜厚度与基底可比时的情形
如图所示, t 和 t s 相差不大，采取图中所示的柱坐标 f 系统，显然，不为零的残余应力分量只有 rr r, z 和 r, z , 相应的弹性应变能密度为
(4.22)
th
E th 1 f
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内
应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
Ef i 1 f
xa Ef a 1 f
即可算出晶面间距的变化量，再根据弹性力学定律计算出该 方向上的应力数值。
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X射线衍射法测量残余应力中最常用的方法是 sin2 法， 其基本原理简述如下。 下图为测试的试样表面，图中 1 、 2 和 3 为主应 力方向。由于X射线对物体的穿入能力有限，因而X射 线测量的是物体表层应力(记为 )。因为物体表层 不受外力时即处于平面应力状态，所以 3 0 。设任 意方向应变为 (以 与试样表面法向方向的夹 角表示的方位)，按弹性力学原理，有
S dP 2 Er dh A
(4.4)
这里， 为压头的纵向位移， dP dh为试验载荷曲线 h S 的薄膜材料刚度， A 是压头的接触面积。
8
E r 为约化弹性模量
1 Er
1 1
2 f 2 i
(4.5)
Ef
Ei
其中的 E f 、Ei 、 f 、 i 分别为被测薄膜和压头的
Hale Waihona Puke (4.27)式中下标1，2，…，n分别代表各层薄膜的编号， 为残余应 力，其余字符的意义与式(4.26)相同。
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3. 薄膜厚度与基底可比时的情形
如图所示, t 和 t s 相差不大，采取图中所示的柱坐标 f 系统，显然，不为零的残余应力分量只有 rr r, z 和 r, z , 相应的弹性应变能密度为
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薄 膜 材 料 本 身 与 内 应 力 的 关 系 ： 与 原 材 料 的 切 变 模 量 G 、 熔 点 量 G 、 熔 点 T 间 有 某 种 关 系 m之 9 的 （ G > 41010 P a ） 、 难 熔 （ T > 1500 C ） 0.01 G 10 P a 硬 m 大 10 8 软 的 （ G < 4 10 P a ） 、 易 熔 （ T < 1500 C ） < 5 10 P a m 小 钛 薄 膜 的 微 分 应 力 ： 经 最 大 值 后 ， 下 降 到 性 质 相 反 的 应 力 （ 例 如 从 张 应 力 变 到 压 应 力 或 相 反 ） 薄 膜 应 力 随 厚 度 有 变 化应 选 用 合 适 的 厚 度 ， <附 着 力
薄膜中存在两种应力：界面应力和生长应力 。
生长应力与薄膜厚度无关； 薄膜的内应力与它在空气中暴露的时间有密切的关系，往往从 张应力变为压应力。因为在疏松的薄膜中，大量吸附空气中的水 分和氧而造成的。 薄膜中的各种缺陷是产生本征应力的主要原因。但这些缺陷 一般都是非平衡缺陷，故有自引消失的倾向，即自然给予活化能 会消失 薄膜内应力
（ 3） 环 境 气 氛 可 直 接 进 入 结 构 不 够 紧 密 的 薄 膜 中 ， 从而产生压应力。 若薄膜中的残余气体再跑出来，在薄膜中留 下空位和空位团，从而出现张应力。 高 氧 气 压 下 靶 表 面 氧 化 溅射氧化膜 张应力 钽膜： 低 氧 气 压 下 在 基 片 上 发 生 氧 化 压应力
低温退火— 晶格振动相互交换能 畸变位置的原子恢复正常 中温退火— 原子活化能大 与空位、填隙原子、位错复合 或者移到表面和晶界面而消失 高温退火— 原子的扩散加剧 进一步消除冻结的缺陷， 再结晶 晶粒增大 晶界减小 退火温度的选择应注意薄膜发生氧化、杂质偏析或者 相变过程
2 E d SS , 2 3 1 R ld S SF
Ed 、基 片 的 弹 性 模 量 和 厚 度 S S
Rl 、 基 片 的 曲 率 半 径 和 长 度 ， d 、 薄 膜 厚 度别测量出在淀积薄膜前后的基片 的曲率半径R1和R2，则薄膜单位宽度的应力为：
§2.5
第二章 薄膜的力学性质(续)
第四讲
工 艺 对 内 应 力 的 影 响 — 基 片 情 况 ， 淀 积 过 程 ， 薄膜本身。
使 薄 膜 处 于 压 应 力 状 态 — 选 基 片 材 料 ； 1、 基 片 情 况 基 片 表 面 晶 格 结 构 须 与 薄 膜 相 匹 配 ； 基 片 温 度 （ 淀 积 时 ） 对 内 应 力 影 响 大 。 2、 淀 积 基 片 温 度 吸 附 原 子 在 基 片 表 面 的 迁 移 能 力 决定薄膜的结构、成份、晶粒尺 寸、晶面取向以及各种缺陷的 数量和分布。
§2.4
内应力的测试方法
弯梁法 基片弯曲法 弯盘法 机械方法 基片膨胀法 分三类： 性能方法 衍射方法
1、悬臂梁法 • 测量时常用基片—云母片、玻璃片 尺寸：15×2 ×0.05~65 ×10 ×0.15mm3 • 测量方法：目镜直视法、各种光学法、电感法、电容法、 机电法等，其中电容法的灵敏度最高。 • 薄膜内应力：
由 2 d s i n （ 0 . 1 5 4 0 5 n m ） d 薄 膜 的 原 子 间 距 （ 平 行 于 膜 面 ） 因 为 薄 膜 的 内 应 力 只 在 膜 面 方 向 ， 在 垂 直 膜 面 的 方 向 上 内 应 力 为 零 。 2 因 此 在 这 个 方 向 上 薄 膜 的 应 变 为 ： （ 垂 直 膜 面 方 向 上 ） z E d d 0 在 垂 直 膜 面 方 向 上 的 应 变 为 ： d 薄 膜 ， d 块 状 z 0 d 0
代 入 上 式 得 出 薄 膜 的 内 应 力 为 ：
E d0 d E薄 膜 材 料 的 弹 性 模 量 2 d0
泊 松 比 ， t l
t 横 向 切 应 变 ， l 纵 向 切 应 变
若 薄 膜 >块 材 d <d0， 则 薄 膜 的 内 应 力 张 应 力 若 薄 膜 块 材 移 动 （ 退 火 ） 则 薄 膜 内 应 力 变 小 注 意 ： 用 x 射 衍 射 法 测 内 应 力 ， 不 含 膜 内 无 定 形 区 及 微 小 晶 粒 区 的 内 应 力 ， 因 此 比 悬 臂 梁 法 测 得 数 值 要 小 。
3、 淀 积 过 程 对 薄 膜 内 应 力 的 影 响 影响因素：淀积方式、热源温度、淀积速率、 入射角度和环境气氛。 溅射镀膜 溅射气体进入膜内 （ 1） 淀 积 方 式 本征应力增大 蒸 发 镀 膜 慢 蒸 本 征 应 力 小 淀 积 速 率 晶 粒 平 均 尺 寸 内 应 力 大 （ 2） 例 外 ： 有 例 外 具 体 情 况 具 体 分 析
2 Ed 1 S S 1 S d ( ) F 6 R R 2 1
基片：玻璃、石英、单晶硅 尺寸：0.13×Ф 18-0.22×Ф 30，光学抛光 测量方法：牛顿环法(常用)、x射线衍射法、光纤法等。
3、 x射线衍射法 测试前，用标准的硅单晶样品→标定装置误差。
薄膜厚度＞30nm,观测衍射峰最大值所对应的布拉 格（Bragg）角Θ ，并比较薄膜的Θ 和块状的Θ 角。