薄膜弹性性能与膜厚对其弹性模量的影响.pdf

第38卷 第5期 稀有金属材料与工程 C01．38，No．5 2009年 5月 RAREMETALMATERIALSANDENGINEERING May2009 薄膜弹性性能和膜厚对其弹性模量的影响 弓满锋1，一，乔生儒1，张程煜1，姬浩1 (1．西北工业大学，陕西西安710072) (2．湛江师范学院，广东湛江524048) 摘要：基于应变协调理论模型推导出薄膜弹性模量和泊松比表达式，对普通拉伸试验法进行了改进，即采用分区不 同膜厚拉伸法分别研究了氧化铝薄膜／铝合金基体系统和氮化钛薄膜／高速钢基体系统上不同厚度薄膜的弹性模量和泊 松比。结果表明：该方法可有效地减少薄膜制备、拉伸试验中偶然因素以及基体材料等对所测薄膜弹性性能的影响。 通过不同厚度薄膜弹性模量的对比，可知2种体系薄膜的弹性模量随膜厚的增加而提高。分析认为薄膜内应力的状态、 大小以及在薄膜厚度方向的重新分配等因素对薄膜弹性模量有很大影响。 关键词：拉伸法；薄膜：弹性模量；泊松比；厚度 中图法分类号：TGll5；0484文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2009)05．0876．05 薄膜材料广泛应用于机械Ill、微电子系统 弯曲法【12】、压入法【13】、拉伸法㈣和相对法【15】等。其中 因拉伸法相对更简单、直观和准确，所以它的应用也 (MEMS)E21、光学【3】和医疗【4】等领域。在基体材料上制 备有效的薄膜有利于延长零部件的使用寿命，改善材 更为广泛。本研究采用拉伸法进行薄膜弹性性能测试， 料的硬度、耐磨性和摩擦性能，增强材料耐腐蚀和抗 但是考虑到薄膜弹性模量和泊松比的不易测定性，提 氧化性能，对需要防护的基体材料提供有效的热障层 出一种改进的拉伸法，即采用分区不同膜厚拉伸法， 以及降低机器的维修成本和产品的制造成本等[5．6】。 通过测定2种不同厚度薄膜载荷和应变数据，得到薄 弹性性能是薄膜最主要的性能评价指标，薄膜材 膜弹性模量和泊松比，分析了膜厚对其弹性性能的影 料的本征特性(如成分、化学键)和微结构(如晶体结 响规律。选取同一试样不同区域进行应变测试，是为 构、晶粒大小、取向和微缺陷等)无疑是其弹性性能 了消除不同厚度薄膜制备工艺条件变化对测试结果的 的决定性因素。然而，基体材料的性质、薄膜的厚度 影响。因为选择同一试样上不同厚度的区域进行应变 以及薄膜内应力状态的改变等结构性因素亦对薄膜 测试，能够保证所研究的薄膜是同种工艺条件下制备 的弹性性能有不可忽视的影响【J卜91。这种影响虽然在 的，并且能够保证所有试样参照的I区膜厚相同，也 理论上已经得到了普遍认可，但对其程度仍缺乏准 能够有效地减少拉伸实验过程中偶然误差的影响，比 确可靠的实验依据。主要原因在于微米量级的膜厚， 如加载条件和载荷波动的影响。同时，有效避免因为 薄膜种类繁多且性质各异以及薄膜／基体界面相互作 基体材料的差异对薄膜弹性模量测试结果的影响，更 用的复杂性使得薄膜弹性性能的测量相当困难，测 重要的是可以通过一次实验获取尽可能多的对比实验 量结果的分散度也很大。例如，对TiN薄膜弹性模量 研究数据，从而节省时间和提高工作效率。 GPa的很宽范围间 的报道值就分散在106～640 1 理论基础 00,lq，从而给评价各种薄膜弹性性能、优化材料设计、 提高材料寿命以及进行强度计算带来很大的困难。鉴 1．1薄膜弹性模量 于此，对薄膜弹性性能测试方法和影响因素的进一步 如图l所示，考虑一个基于应变协调的理论模型， 研究以及提供各种薄膜