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摘要： 本文針對薄膜的結(jié)構(gòu)性能特點，集中探討了薄膜屈服強度與微結(jié)構(gòu)，薄膜力學(xué)性能與功能性，薄膜力學(xué)性能測試與表征等科學(xué)問題。通過對幾種膜基體系的研究，從理論上證明薄膜屈服強度高于相應(yīng)的整體材料，且隨膜厚或晶粒尺寸的倒數(shù)成線性增加。指出薄膜中的正常晶粒生長存在膜厚效應(yīng)，薄膜的擇優(yōu)取向取決于表面能、界面能和應(yīng)變能之和。認為薄膜電阻率與殘余應(yīng)力存在對應(yīng)關(guān)系。首次提出了薄膜劃擦臨界載荷的物理表征以及劃擦實驗卸載剝落抗力評價指標，并計算了薄膜的斷裂韌性。 Abstract In this paper, mechanical evaluation and characterization of thin films are summarized based on studies of the present group. The results indicate that the yield strength of thin films, usually exceeding that of bulk materials, is reciprocal to the film thickness or grain size, And the preferred orientation of thin films is not only correlated with surface energy, but also with strain energy and the interface energy between film and substrate. The relationship between residual stress and resistivity of metallic film is explored, and the increasing of resistivity with tensile residual stress is explained with the strain energy theory. A model using the circular buckle analysis is established for scratch fracture of DLC films, and used successfully to calculate the interfacial fracture toughness. |
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1. 引言 薄膜材料和薄膜器件日益廣泛的應(yīng)用及其可靠性指標體系的日益健全，要求學(xué)術(shù)界對其結(jié)構(gòu)和性能的特殊性給出科學(xué)解釋，相應(yīng)的參照物除通常的塊體材料外，也包括無約束的自由態(tài)薄膜。事實上，附著于基底材料表面的薄膜與無支撐的自由態(tài)薄膜其結(jié)構(gòu)和性能存在很大差異，研究中除應(yīng)注重低維材料相對巨大的表面效應(yīng)外，多數(shù)情況下尚須考慮基底的約束效應(yīng)和界面效應(yīng)。本文結(jié)合課題組近幾年的研究工作，著重介紹薄膜表面形貌、晶體取向、內(nèi)應(yīng)力、屈服強度以及薄膜與基底結(jié)合強度等方面的研究進展。 薄膜材料由于厚度的超薄性，表面形貌的表征和影響不容忽視。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜的表面形貌與真空沉積的熱力學(xué)條件和動力學(xué)過程密切相關(guān)，可在一定程度上反映薄膜的形成機制和主控參量的變化. 由于制備方式的特殊性，多晶薄膜均存在不同程度的晶體擇優(yōu)取向。有趣的是，對于確定的基底材料，薄膜的這種擇優(yōu)取向主要決定于沉積方式，工藝參數(shù)一般只能改變?nèi)∠虻膹娙酰桓鼮橛腥さ氖牵浞滞嘶鸷螅撾x基底的自由態(tài)薄膜按能量最小的晶體密排面確定取向，但有支撐的附著膜卻可能存在各異的晶體取向。分析認為，基底的約束作用及由此產(chǎn)生的薄膜應(yīng)變是導(dǎo)致“奇異性”取向的主要原因。 薄膜的內(nèi)應(yīng)力或殘余應(yīng)力嚴重影響薄膜器件的長期服役性和性能穩(wěn)定性。研究表明，內(nèi)應(yīng)力不僅制約和影響著薄膜的力學(xué)性能，而且與薄膜的電導(dǎo)率等物理性能存在一定的對應(yīng)關(guān)系。特別地，不同沉積方式和沉積參數(shù)可能產(chǎn)生不同的薄膜應(yīng)力，但幾乎所有的薄膜其內(nèi)應(yīng)力與晶體取向均有良好的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)退火等高溫處理后，這種關(guān)系更為明顯。 金屬薄膜更多地強調(diào)持續(xù)應(yīng)力或溫度作用下的塑變和蠕變抗力，但需要特別指出的是，傳統(tǒng)意義上屬材料常數(shù)的屈服強度在薄膜尺度下已不復(fù)存在，由此提出的科學(xué)命題涉及低維材料本征屬性和微尺度材料或器件表觀屬性的區(qū)別與聯(lián)系。研究證實，金屬薄膜的室溫和高溫屈服強度均與膜厚有關(guān)；相對于自由態(tài)薄膜，有基底支撐的附著膜具有更高的屈服強度；附著膜上存在鈍化層或置于多層膜中的單體膜，由于上下兩側(cè)的力學(xué)約束，其屈服強度將達到最大。由此說明簡單地套用傳統(tǒng)概念可能在薄膜材料設(shè)計和失效分析等方面帶來偏差甚至謬誤。 相對于金屬膜，人們對類金剛石等一類主要用于摩擦學(xué)領(lǐng)域的薄膜更多地關(guān)注膜/基界面結(jié)合強度。盡管劃痕法等傳統(tǒng)方法由于設(shè)備和操作簡單，至今仍廣泛應(yīng)用，但很少有人對其物理意義的不確定性和工藝對應(yīng)的不一致性加以論述。據(jù)此提出基于原位多重納米劃擦試驗評價方法，研究表明該方法有可能使確定的界面結(jié)合強度具有更明確的物理內(nèi)涵。 |
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