微制造膜基结合力测量.pptx

1、微制造与微机械电子系统讨论,问题4： 如何测量薄膜与基底之间的膜基结合力？ 如何增强常见硅基薄膜的膜基结合力？,划痕法 压入法 滚动接触疲劳法 基体拉伸法 剥离法,1、划痕法 工作原理有声发射和摩擦力两种：用120的锥形金刚石压头在薄膜表面缓慢划动,并连续不断地增加载荷,当载荷增加到一定数值时,薄膜开始破裂,此时传感器会同时收到破裂时的声发射信号和摩擦力变化数据，传到主机进行处理, 这时的载荷即为临界载荷,用Lc表示,通常就用Lc来表征薄膜的结合力。,1、划痕法,划痕试验机,膜基结合力测试结果,图1.划痕法测量结合力强度,2、压入法 压入法是以准静态的加载方式,采用圆锥形压头缓慢压向样品，当载

2、荷较低时,薄膜与基体一同变形,此时压痕完好。达一定载荷时,薄膜与基体协同变形的条件被破坏,膜基体系发生薄膜开裂、剥落，此时的临界载荷反映膜基结合强度。压入法测量膜基结合力需要精确测定薄膜开裂或剥落时的临界载荷。,图中HF1HF4(HF 是德语中结合强度的 缩写)表示有足够的结合强度，而HF5HF6 表示结合强度不够接触疲劳法测定界面疲劳强度,3、滚动接触疲劳法 薄膜的剥落是一个长时间高周次过程,其失效过程属疲劳失效。采用高周次界面疲劳强度作为膜基结合强度的判据,以膜基界面处的切应力幅表征膜基界面疲劳强度。 试验中试样静止不动,钢球在试样表面作纯滚动，改变接触应力,得到薄膜界面处的剪切应力幅与循

3、环周次之间的曲线，得到剪切应力幅，即表征膜基结合力。,4、基体拉伸法 作用力平行于膜基结合界面，界面结合强度定义为涂层在基体上保持不脱落的最大剪切应力。由于薄膜和基体的弹性模量不同,在界面上将产生剪切应力，如果界面上用以维持涂层基体应变一致的剪切应力超过膜层与基体的结合强度，就发生脱粘现象，由此测得膜基结合力。,5、剥离法 使用特制的刮剥刀具，以与刮剥相类似的加载方式将薄膜沿薄膜/基体界面从基底上剥离下来，由刮剥过程测得的水平刮剥抗力曲线，可得到单位宽度刮剥刀刃进入薄膜/基底界面前后的切向单位面积耗能(或做功)之差，由此可导出薄膜的剥离过程本身所消耗的能量即薄膜剥离能，并用此能量作为薄膜/基底

4、间结合强度的量度。,5、剥离法,其他测量方法还有： 超声波法、弯曲法、胶带剥离法、热学法、核化法、电容法及X射线衍射法等。,硅基薄膜膜基之间的结合强度是影响薄膜性能的重要指标, 在很大程度上决定了该薄膜应用的可能性和可靠性。增强硅基薄膜的膜基结合力的主要方法有：,1、对硅片做预处理。 沉积薄膜前对硅片表面做抛光处理，并用超声波清洗以减少硅片表面杂质。离子沉积时可通过施加负偏压溅射清洗硅片表面，进一步减少表面杂质。,2、合理选择薄膜材料。 随着薄膜成分的不同，膜基结合力也会表现出一定的差别，这是由于不同原子间的亲和性不同，导致薄膜沉积后扩散深度不同，也就表现出膜基结合力的不同。或者也可以在沉积材料中加入某些特殊元素，加入合适的中间层都可以提高膜基结合力。,3、适当提高薄膜沉积温度。 薄膜之所以能附着在基体上,是由范德瓦尔力、扩散附着、机械锁合、静电引力、化学键力等综合作用的结果。基体温度的提高,有利于薄膜和基体之间原子的相互扩散,有利于界面化学反应的加速,有利于形成扩散附着和化学键附着力,从而使得结合力有所增加。,4、改变其他薄膜沉积工艺参数。 薄膜沉积功率、工作气压、靶材比例以及及沉积时间等因素对结合力的影响都存在一峰值，优化这些工艺参数，可得到最高膜基结合力。,5、热处理。 有研究表明，对薄膜进行高温退火可以大幅降低薄膜中的残余应力，大大改善膜基结合力，消