第一章 薄膜及其特性研究报告.ppt

为提高薄膜的附着性能可以在薄膜与基体之间加入一种另外的材料,组成中间过渡层。如在Au-SiO2 之间沉积一层Ti 可以大大提高薄膜的附着力; 在往单晶硅片上沉积Cu膜前, 可先沉积一层薄的Cr层作为衬底, 可防止Cu-Si反应并增强附着性。 清洁的衬底表面对于形成结合良好的薄膜十分重要，受污染的衬底表面的吸附层，会破坏简单附着所需要的物理或者化学结合力。 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前一般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、去氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。 较高的衬底温度有利于薄膜与衬底间的互扩散，形成牢固的扩散附着。但是过高的衬底温度会造成薄膜晶粒粗大，热应力增高，从其他方面劣化薄膜性能，需要做适当的取舍。 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于形成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促进薄膜与衬底间的互扩散。 较高的沉积速度会降低薄膜与衬底界面处形成化合物中间层的几率，同时形成相对疏松的膜层，往往会导致附着力的下降。 沉积气氛主要是在沉积初期影响附着力的大小，如果沉积环境的残余气氛有助于在薄膜与衬底界面处形成化合物中间层，则将有助于提高附着力。 薄膜在使用过程中，会由于氧气等扩散，使得薄膜与衬底界面继续发生氧化等化合过程，薄膜的附着力缓慢增强，即产生所谓的附着力的时间效应。时间效应不完全有利于附着力的提高。吸潮过程也是个缓慢的过程，当吸潮影响到薄膜与衬底界面时，会造成薄膜与衬底的剥离，产生局部“鼓泡”现象，这是负面的时间效应。 衬底（基体）的选择涉及到基体和薄膜匹配性问题，考虑方面主要有：1 基体和薄膜材料的化学相容性最理想的化学相容性结果，是指薄膜在制备过程中，界面性能不发生退化，物相在界面上不发生有害的化学反应，不产生弱化相。通过热力学计算与预测，可以改进薄膜的组分和沉积工艺参数，为减少乃至抑制界面反应提供理论指导。根据最小自由焓原理，当最小自由焓小于零时，等温等压条件下封闭体系中的反应自发进行。因此若要使得影响界面性能的反应不能够发生，应保证最小自由焓大于零。 2 基体和薄膜材料的物理相容性物理相容性主要指基体和薄膜材料在热膨胀系数、弹性模量、泊松比以及晶格常数等方面的匹配，其结果直接影响薄膜材料内部残余应力的分布，进而影响到薄膜的力学性能。基体与薄膜之间的物理匹配将对界面应力、载荷传递以及整个材料的性能产生影响，其中尤以热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差异对材料性能的影响最大。对于工业应用的切削刀具薄膜的制备来讲，从降低残余拉应力、提高材料强度方面考虑，应使基体与薄膜材料的热膨胀系数接近，基体的弹性模量较小。 另外对于多层薄膜体系，薄膜/基体、薄膜/薄膜之间的晶格类型、晶格常数的匹配需要引起足够的重视，例如对于TiC/TiB2、TiN/TiB2薄膜系统而言，TiC、TiN是NaCl型FCC晶格结构，TiB2是简单六方晶格结构，制备薄膜时需要考虑其结构差异的影响。影响TiC/TiB2、TiN/TiB2薄膜性能的因素包括几何因素和能量因素。所谓几何因素是指薄膜材料的晶格在原子排列与尺寸上与基体材料是否相近。首先薄膜的晶格至少有一个晶面与基体表面的原子排列相似。薄膜/基体、薄膜/薄膜的晶格在尺寸上的相似程度通常用晶格错配度来表示，是与基体和薄膜的晶格常数有关一个参数。晶格错配度越小越有利于减小薄膜和基体之间的应力。 能量条件也是影响外延生长的一个重要因素。因为在外延生长过程中为了与基体保持一定的取向关系，形成薄膜的原子需要在基体表面上进行较长距离的扩散。这就要求原子具有较高的能量。因此外延薄膜在生长时需要较高的基体温度，或利用载能粒子照射的方式将能量传递给基体表面上的原子。材料系统不同，晶格失配度差别迥异。晶格失配度过高，将产生过大的应力，从而导致涂层剥落或涂层不粘合。薄膜界面分为相干、半相干、不相干界面。实际的薄膜制备工艺应尽量避免最末一种界面的出现。 实验结果表明： ①在金属薄膜－玻璃基片系统中，Au薄膜的附着力最弱； ②易氧化元素的薄膜，一般说来附着力较大； ③在很多情况下，多薄膜加热（或沉积过程中或沉积完成之后），会使附着力以及附着能增加； ④基片经离子照射会使附着力增加。 （3）薄膜中的内应力 薄膜中普遍存在应力。薄膜单位面积截面上承受的力称为应力。 按照应力的起源分为外应力和内应力。外应力是外部对薄膜施加的