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那些關(guān)于薄膜應(yīng)力的小知識你都知道嗎？
薄膜由它所附著的基體支承著,薄膜的結(jié)構(gòu)和性能受到基體材料的重要影響。因此薄膜與基體之間構(gòu)成相互聯(lián)系、相互作用的統(tǒng)一體，這種相互作用宏觀上以兩種力的形式表現(xiàn)出來：其一是表征薄膜與基體接觸界面間結(jié)合強(qiáng)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(yīng)力。薄膜應(yīng)力在作用方向上有張應(yīng)力和壓應(yīng)力之分。若薄膜具有沿膜面收縮的趨勢則基體對薄膜產(chǎn)生張應(yīng)力，反之,薄膜沿膜面的膨脹趨勢造成壓應(yīng)力。
1、一次應(yīng)力 為平衡壓力與其它機(jī)械載荷所必須的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。一次應(yīng)力分為以下三類: 1.一次總體薄膜應(yīng)力 是影響范圍遍及整個結(jié)構(gòu)的一次薄膜應(yīng)力(primary membrane stress)。在塑性流動過程之中一次總體薄膜應(yīng)力不會重新分布，它將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
2.一次局部薄膜應(yīng)力 應(yīng)力水平大于一次總體薄膜應(yīng)力，但影響范圍僅限于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生塑性流動時，這類應(yīng)力將重新分布。若不加以限制，則當(dāng)載荷從結(jié)構(gòu)的某一高應(yīng)力區(qū)傳遞到另一低應(yīng)力區(qū)時，會產(chǎn)生過量塑性變形而導(dǎo)致破壞。
3. 一次彎曲應(yīng)力 平衡壓力或其他機(jī)械載荷所需的沿截面厚度線性分布的彎曲應(yīng)力。二次應(yīng)力 為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形連續(xù)要求所須的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力。二次應(yīng)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(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。只要*加載，二次應(yīng)力不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。峰值應(yīng)力 由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力影響而引起的附加在一次加二次應(yīng)力上的應(yīng)力增量。
常用的薄膜的應(yīng)力控制方法大致有：
(1)要消除薄膜中的熱應(yīng)力,根本的方法就是選用熱膨脹系數(shù)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(chǎn)生本征應(yīng)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(fā)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(nèi)應(yīng)力顯著降低。
(3)通過適當(dāng)?shù)膿诫s, 使基底與薄膜的表面電子密度差降低, 即可減小殘余應(yīng)力。
(4)通過添加亞層控制多層膜應(yīng)力。
在鍍制多層高反、增透或其它介質(zhì)膜的過程中, 膜料應(yīng)力性質(zhì)相同,這樣就會增大整個膜
層的應(yīng)力, 導(dǎo)致薄膜破裂或脫落。利用應(yīng)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(nèi)呈現(xiàn)與結(jié)構(gòu)薄膜相反的應(yīng)力狀態(tài), 來緩解應(yīng)力帶來的破壞作用。
(5)通過改變工藝參數(shù)控制應(yīng)力。
鍍膜過程中工藝參數(shù)的改變會直接影響薄膜中的終殘余應(yīng)力水平,通過調(diào)整鍍膜時的基底溫度、工作氣壓、沉積速率等工藝參數(shù)可以控制薄膜中應(yīng)力的大小,甚至?xí)淖儜?yīng)力的性質(zhì)。
(6)通過改進(jìn)沉積技術(shù)控制應(yīng)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(fā)生改變,界面擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)和膜層結(jié)構(gòu)的缺陷濃度也隨之變化。