第五章 薄膜的性質(zhì)

第五章薄膜的性質(zhì),為了對薄膜的材料、用途、功能等客觀地進(jìn)行評價，需要測定薄膜的各種特性和效應(yīng)。本節(jié)所討論的內(nèi)容，不是以作成器件為測試對象，而僅是以薄膜材料的形式為測試對象。,第一節(jié)薄膜的力學(xué)性能,薄膜大都是附著在各種基體上，因而薄膜和基體之間的附著性能將直接影響到薄膜的各種性能，附著性不好的薄膜無法使用。薄膜在制造過程中，其結(jié)構(gòu)受工藝條件的影響很大，薄膜內(nèi)部產(chǎn)生一定的應(yīng)力。基體材料與薄膜材料之間的熱膨脹系數(shù)的不同，也會使薄膜產(chǎn)生應(yīng)力，過大的內(nèi)應(yīng)力將使薄膜卷曲或開裂導(dǎo)致失效。所以在各種應(yīng)用領(lǐng)域中，薄膜的附著力與內(nèi)應(yīng)力都是首先要研究的課題。,一、薄膜的黏附力,薄膜的附著性能在很大程度上決定了薄膜應(yīng)用的可能性和可靠性，這是在薄膜制造過程中普遍關(guān)心的問題。對薄膜最基本的性能要求之一就是其對襯底的附著力要好。,1、附著現(xiàn)象,從宏觀上看，附著就是薄膜和基體表面相互作用將薄膜黏附在基體上的一種現(xiàn)象。薄膜的附著可分為四種類型：簡單附著；擴(kuò)散附著；通過中間層附著；宏觀效應(yīng)附著。,附著的四種類型示意圖,2、附著表征,黏附力或者結(jié)合能的測定可分為兩大類。一類是機(jī)械法，另一類是形核法。機(jī)械法大致有：劃痕試驗(yàn)法；拉力試驗(yàn)法；剝離試驗(yàn)法；磨損法；離心力試驗(yàn)法；彎曲法；碾壓法；錘擊法；壓痕法；氣泡法等。,薄膜附著力的測量方法,牢固度是指膜層對于基片的附著/粘接程度。由膜層與基片之間結(jié)合力的性質(zhì)來決定，化學(xué)鍵力的結(jié)合要比物理性質(zhì)的范德華力的結(jié)合牢固得多。針對不同的薄膜材料類型與使用目的，發(fā)展出了多種薄膜附著力的測試方法，它們的共同特點(diǎn)是在對薄膜施加載荷的前體下，測量薄膜脫落時的臨界載荷。在各種方法中，較為有代表性的測試方法有兩大類，即剝離法和拉伸法。,薄膜附著力的測量方法,膠帶剝離法：將具有一定粘著力的膠帶粘到薄膜表面，在剝離膠帶的同時，觀察薄膜從襯底上被剝離的難易程度。摩擦法：用布、皮革或橡膠等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脫落時所需的摩擦次數(shù)和力的大小推斷薄膜附著力的強(qiáng)弱。超聲波法：用超聲波的方法造成周圍介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)力的振動，從而在近距離對薄膜產(chǎn)生破壞效應(yīng)，根據(jù)薄膜發(fā)生脫落時的超聲波的能量水平推斷薄膜的附著力。,薄膜附著力的測量方法,離心力法：使薄膜與襯底一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，使薄膜從襯底上脫開，用旋轉(zhuǎn)離心力來表征薄膜的附著力。脈沖激光加熱疲勞法：利用薄膜與襯底在脈沖激光作用下周期性地?zé)崦浝淇s，使薄膜與襯底不斷地彎曲變形，從而引起界面疲勞和造成薄膜脫落時單位薄膜面積上所吸收的激光能量來表征薄膜的附著力。,二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力,我們知道，基體上沉積薄膜時，無論用什么方法進(jìn)行沉積，薄膜和基體都發(fā)生彎曲，幾乎都有內(nèi)應(yīng)力存在。如果鍍膜在平行表面方向有收縮的趨勢，即薄膜有向內(nèi)側(cè)發(fā)生凹面彎曲的趨勢，此力為張應(yīng)力；如果鍍膜在平行表面方向有擴(kuò)張趨勢，即薄膜有向外側(cè)發(fā)生凸面彎曲的趨勢，此力稱為壓應(yīng)力。由此我們把薄膜內(nèi)產(chǎn)生力矩的力稱為內(nèi)應(yīng)力。,1、內(nèi)應(yīng)力形成的原因,（1）熱應(yīng)力（熱收縮效應(yīng)）（2）相轉(zhuǎn)移效應(yīng)（3）空位的消除（4）界面失配（5）雜質(zhì)效應(yīng)（6）原子、離子埋入效應(yīng)（7）表面張力（表面能）,2、內(nèi)應(yīng)力的測量,內(nèi)應(yīng)力的測量方法有：懸壁梁法；彎盤法；X射線衍射法；激光拉曼法。,3、內(nèi)應(yīng)力與薄膜的物理性能,（1）內(nèi)應(yīng)力引起磁各向異性，內(nèi)應(yīng)力是通過磁致伸縮現(xiàn)象向薄膜提供能量的。而且還對薄膜的磁性能產(chǎn)生影響。（2）內(nèi)應(yīng)力引起超導(dǎo)點(diǎn)的變化，如引起Pb膜超導(dǎo)點(diǎn)的下降。,三、提高黏附力的途徑,（1）對基體進(jìn)行清潔處理（2）提高基體溫度（3）制造中間過渡層（4）活化表面（5）熱處理（6）晶格匹配（7）用氧化方法（8）用梯度材料,第二節(jié)薄膜的電學(xué)性質(zhì),一、介電常數(shù)壓電薄膜的介電常數(shù)值與晶體的數(shù)值略有差異。在薄膜中常有較大的殘留內(nèi)應(yīng)力以及測量上的原因，也導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)值不同于晶體的相應(yīng)數(shù)值。,一、介電常數(shù),壓電薄膜的介電常數(shù)有相當(dāng)大分散性的原因，除了因內(nèi)應(yīng)力大小和測試條件不同以外，還因薄膜成分偏離化學(xué)式計量比和薄膜厚度的差別；薄膜介電常數(shù)隨厚度減薄而變?。涣硗?，壓電薄膜的介電常數(shù)隨溫度、頻率的變化也會發(fā)生明顯的變化。,二、體積電阻率,從降低壓電薄膜的介質(zhì)損耗和馳豫頻率來說，都希望它具有很高的電阻率，至少應(yīng)該ALN薄膜的電阻率為2101411015，遠(yuǎn)高于108，因而在這方面AIN是十分優(yōu)異的薄膜。有壓電效應(yīng)的晶體都不具有對稱中心，所以其電子遷移率也是各向異性的。電導(dǎo)率也是各不相同的。,三、損耗角正切,ALN壓電薄膜的介質(zhì)損耗角正切ZnO薄膜的則較大，為0.0050.01。這些薄膜的之所以有這樣大，是由于在這些薄膜中除了有電導(dǎo)過程以外，還存在著顯著的馳豫過程。與介質(zhì)薄膜類似，壓電薄膜的隨溫度和頻率的上升以及濕度的增大，都逐漸變大。另外，在薄膜厚度減小時，趨向于增大。,四、擊穿場強(qiáng),因?yàn)殡娊橘|(zhì)的擊穿場強(qiáng)屬于強(qiáng)度參數(shù)，而且在薄膜中又難免有各種缺陷，所以壓電薄膜的擊穿場強(qiáng)有相當(dāng)大的分散性；按電介質(zhì)的擊穿理論，對于完好無缺的薄膜，其擊穿場強(qiáng)應(yīng)該隨薄膜厚度的減少而逐漸增大。但是實(shí)際上，因?yàn)楸∧ぶ泻胁簧偃毕?，厚度越小時缺陷的影響越顯著，所以在厚度減小到一定數(shù)值以后，薄膜的擊穿場強(qiáng)反而急劇變小。,五、體聲波性能,體聲波壓電換能器最重要的特性參數(shù)是諧振頻率、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)K。所以對壓電薄膜的聲速v及其溫度系數(shù)、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)要求特別嚴(yán)格。而薄膜的這些性能不但取決于薄膜內(nèi)晶粒的彈性、介電、壓電和熱性能，而且還與壓電薄膜的結(jié)構(gòu)如晶粒堆積緊密程度和擇優(yōu)取向程度等密切相關(guān)。,六、表聲波性能,表聲波在壓電介質(zhì)中傳播時，其質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨著離開介質(zhì)表面距離的增大而迅速衰減，因此表聲波能量主要集中在表面下一二個波長的范圍內(nèi)。下圖示出了壓電介質(zhì)中表聲波傳播示意圖。,壓電介質(zhì)中表聲波傳播示意圖,表聲波性能函數(shù)式,由于表聲波的性質(zhì)與體聲波的不同，所以壓電材料在表聲波方面所表現(xiàn)出的性能顯著地不同于它的體聲波性能。可將薄膜的表聲波性能表達(dá)為下列函數(shù)式：表聲波性能=F（原材料，基片，薄膜結(jié)構(gòu)，波模式，傳播方向，叉指電極形式，厚度波數(shù)積）,第三節(jié)薄膜的光學(xué)特性,當(dāng)光照在薄膜上時，一部分光會被薄膜物質(zhì)所吸收，一部分光在薄膜表面被反射，也有一部分光會穿過薄膜而透射出