薄膜的制备及其力学性能测试方法
摘要：本文介绍了多种薄膜的制备方法和优缺点，同时介绍了纳米压痕和鼓泡法两种力学性能测试方法。
关键词：薄膜制备纳米压痕法鼓泡法力学性能
0引言
近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。[1]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律[2],所以薄膜的制备及其力学性能测试方法就成了重点。
1.薄膜材料的制备方法
1.1化学气相沉积法
化学气相沉积是一种材料的合成过程,气相原子或分子被输运到衬底表面附近,在衬底表面发生化学反应,生成与原料化学成分截然不同的薄膜。化合物蒸汽一般是常温下具有较高蒸汽压的气体,多采用碳氧化物、氧氧化物、卤化物、有机金属化合物等。化学气相沉积法成膜材料围广泛,除了碱金属、碱土金属以外,几乎所有的材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积。
1.2真空热键法
真空蒸镀法是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸发的原子或原子团在温度较低的基底上析出进而形成薄膜。加热镀料的方法主要是利用湾等高溶点金属通电加热(电阻加热法)和电子束加热法为主。为了防止高温热源的燃烧和镀料、膜层的氧化,必须把蒸镀室抽成真空。电阻加热法装置便宜、操作简单,广泛地应用于Cu、Ni、Au、Ag等材料成膜。而电子束加热法主要用于制备像半导体工业那样要求纯度极高的薄膜的制备,特别是在半导体和ICS导体布线用Al膜的蒸键方面应用最广。
真空蒸镀法的优点是工艺简便,纯度高,膜厚可以控制,通过掩膜易于形成所需要的图形。缺点是蒸镀化合物时由于热分解现象难以控制组分比,在低蒸气压下材料难以成膜。主要用于表面光洁、光学工业、电子工业、化学工业(如保护膜、装饰、钟表等)中。
1.3溅射键膜法
溅射现象就像是在碎石子路上投掷一个球,石子会被撞飞出去那样。靶材前面的等离子体相当于球,勒材表面的原子相当于碎石子。溅射出来的原子就在靶材对面的基底上沉积成膜。由于靶材面积大,以光源类比就相当于面光源,所以一般可以得到厚度均匀的薄膜。将靶材置
于阴极,衬底置于阳极,并在阴极加一个负的直流高压电就可以在工作气氛中激发等离子体进行溅射。解决绝缘材料溅射的方法是在祀材和衬底之间施加射频交流电场,在交流电场的负半周期,等离子体的正离子轰击勒材,而在正半周期,电子被吸引到把表面中使正电荷得到中和。如果在勒的周围加上一个设计好的恒定磁场,将电子和高密度等离子体束缚在靶材表面附近,使得正离子有效地轰击靶面,可以显著地提高溅射速率,并且降低了衬底温度,避免了高能电子对衬底的轰击。这种方法叫做磁控溅射。
溅射镇膜法的优点主要有:膜基附着性能好,晃于保持化合物、合金的组分比。但是需要溅射靶,靶材需要精制,而且利用率低,不便于采用掩膜沉积。主要用于表面光洁、电子工业、保护膜、钟表眼镜、装饰和光学工业等[3]。
1.4激光脉冲沉积法
随着高能脉冲激光器的出现,激光被用作蒸发热源,并取得了成功,这种技术被称为激光脉冲沉积。和传统的真空蒸发锻膜不同,高能激光可以使被照射区域的温度提高到上万度,导致被照射区域从简单的加热到以等离子体形式烧烛。烧烛物沿表面层法向喷出,与反应室气氛气体的原子或分子发生弹性或反应性碰撞。并且烧烛物在气氛气体中激发起一个强冲击波,导致气氛气体或原子的激发、离解和电离,并进一步引起烧烛物中金属元素和气氛气体的化学反应。到达基底的烧烛物可能由于衬底的高温而挥发,或者被后续的烧烛物轰击而被溅射,沉积在衬底上的物质最终成核生长形成薄膜。
激光脉冲沉积的优点为:可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜;易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜和外延单晶膜;由于激光的能量高,可以沉积难熔薄膜;灵活的换靶装置便于实现多层膜及超晶格膜的生长;在生长过程中可以原位引入多种气体,提高薄膜的质量;污染小。其缺点为:薄膜存在表面颗粒问题;很难进行大面积薄膜的均匀沉积。
1.5分子束外延法
分子束外延法是利用分子束在超高真空系统中进行外延生长的方法。分子束外延过程是在超高真空中进行的,这样才能保证分子束具有较大的平均自由程,从而按照设计的路线射到衬底表面。这是分子束外延区别与其他薄膜生长方法的鲜明特点。这一特点带来了多种好处。首先,可以把要求高真空条件工作的分析装置结合到外延生长系统中去。为在确定的条件下进行表面研究和外延生长机理的研究创造了条件。其次,生长速率可以调节的很慢,使得外延层厚度可以得到精确控制,生长表面或界面可达到原子级光滑度,因而可以制备极薄的薄膜。
1.6溶胶一凝胶法
溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶的胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。溶胶-凝胶法的优点是由于原料是液体,精制容易，便于获得均质且纯度较高的薄膜,缺点是必须要经过高温热处理才能得到需要的材料。溶胶凝胶法一般用于玻璃、瓷、塑料的覆层,触媒层、光学层等方面。
1.7电沉积法
电沉积法是指电流通过电解液中的流动而发生化学反应,最终在阴极上沉积薄膜的制备方法。电沉积法只适用于在导电衬底上沉积金属和合金。电沉积法制备薄膜的原理为:离子被加速向与其极性相反的阴极,在阴极处,离子形成双层,它屏蔽了电场对电解液的大部分作用。在双层区(大约30nm厚),电压降导致此12{具有相当强的电场(107V/cm)。在水溶液中,离子被溶入到薄膜以前经历了下列一系列的过程:去氧、放电、表面扩散、成核结晶。
电沉积方法的优点是薄膜沉积速度较快,衬底可以使任意形状,价格便宜,易于大批生产,
