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那些關于薄膜應力的小知識你都知道嗎?

 更新時間:2020-11-11 點擊量:7351
  薄膜由它所附著的基體支承著,薄膜的結構和性能受到基體材料的重要影響。因此薄膜與基體之間構成相互聯系、相互作用的統一體,這種相互作用宏觀上以兩種力的形式表現出來:其一是表征薄膜與基體接觸界面間結合強度的附著力;其二則是反映薄膜單位截面所承受的來自基體約束的作用力—薄膜應力。薄膜應力在作用方向上有張應力和壓應力之分。若薄膜具有沿膜面收縮的趨勢則基體對薄膜產生張應力,反之,薄膜沿膜面的膨脹趨勢造成壓應力。
  1、一次應力 為平衡壓力與其它機械載荷所必須的法向應力或剪應力。一次應力分為以下三類: 1.一次總體薄膜應力 是影響范圍遍及整個結構的一次薄膜應力(primary membrane stress)。在塑性流動過程之中一次總體薄膜應力不會重新分布,它將直接導致結構破壞。
  2.一次局部薄膜應力 應力水平大于一次總體薄膜應力,但影響范圍僅限于結構局部區域的一次薄膜應力。當結構局部發生塑性流動時,這類應力將重新分布。若不加以限制,則當載荷從結構的某一高應力區傳遞到另一低應力區時,會產生過量塑性變形而導致破壞。
  3. 一次彎曲應力 平衡壓力或其他機械載荷所需的沿截面厚度線性分布的彎曲應力。二次應力 為滿足外部約束條件或結構自身變形連續要求所須的法向應力或剪應力。二次應力的基本特征是具有自限性,即局部屈服和小量變形就可以使約束條件或變形連續要求得到滿足,從而變形不再繼續增大。只要*加載,二次應力不會導致結構破壞。峰值應力 由局部結構不連續或局部熱應力影響而引起的附加在一次加二次應力上的應力增量。
  常用的薄膜的應力控制方法大致有:
  (1)要消除薄膜中的熱應力,根本的方法就是選用熱膨脹系數相同的薄膜和基片材料。
  (2) 熱退火處理。
  薄膜中存在的各種缺陷是產生本征應力的主要原因。這些缺陷一般都是非平衡缺陷,故有自行消失的傾向。但是, 要發生消失, 需要外界給以活化能。在對薄膜熱處理時, 外界給以熱能,非平衡缺陷大量消失, 因此薄膜內應力顯著降低。
  (3)通過適當的摻雜, 使基底與薄膜的表面電子密度差降低, 即可減小殘余應力。
  (4)通過添加亞層控制多層膜應力。
  在鍍制多層高反、增透或其它介質膜的過程中, 膜料應力性質相同,這樣就會增大整個膜
  層的應力, 導致薄膜破裂或脫落。利用應變相消的原理, 在膜層與膜層之間再沉積一層薄膜,
  控制工藝使膜內呈現與結構薄膜相反的應力狀態, 來緩解應力帶來的破壞作用。
  (5)通過改變工藝參數控制應力。
  鍍膜過程中工藝參數的改變會直接影響薄膜中的終殘余應力水平,通過調整鍍膜時的基底溫度、工作氣壓、沉積速率等工藝參數可以控制薄膜中應力的大小,甚至會改變應力的性質。
  (6)通過改進沉積技術控制應力。
  在磁控濺射沉積薄膜過程中, 隨著射頻源功率的變化, 沉積原子的動能也發生改變,界面擴散層結構和膜層結構的缺陷濃度也隨之變化。
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