Определение механических свойств покрытий. Напряжение

Курс «Проектирование и конструирование технологических плазменных ускорителей и установок»

Лекция № 17

НАПРЯЖЕНИЯ

[Д 1 С. 267…268] Интерес к механическим напряжениям в тонких пленках начал проявляться еще в 1877 г. За прошедшее время было проведено много экспериментов по определению напряжений в тонких пленках, полученных разными способами, и предложены теории для объяснения полученных результатов. Опубликовано множество работ, в которых основное внимание уделялось напряжениям в непрерывных тонких пленках, и в частности, напряжениям, которые присутствуют на начальных стадиях роста, когда пленка представляет собой полностью изолированные островки.

Почти все пленки, независимо от способа их формирования, находятся в состоянии внутреннего напряжения. Напряжения могут быть сжимающими т.е. пленка как бы стремится расшириться параллельно поверхности. Напряжения могут быть и растягивающими (пленка будет стремиться как бы сжаться); в определенных вариантах, силы могут оказаться достаточно большими, превышающими предел упругости пленки; в этом случае пленка разорвется.

Для нормальных температур осаждения (от пятидесяти до нескольких сотен градусов Цельсия) типичные величины растягивающих напряжений в металлических пленках составляют 10⁸…10¹⁰ дин см^-2. Причем для тугоплавких металлов величины близки к верхнему, а для мягких (Си, Аg, Аu, Аl) — к нижнему пределу. Для диэлектрических пленок напряжения часто оказываются сжимающими, и, по-видимому, они имеют несколько меньшие значения.

Движение пленки относительно подложки будет иметь место лишь в том случае, когда адгезионная связь между пленкой и подложкой будет нарушена. В предположении миграции атомов вдоль поверхности гранецентрированной структуры из одного потенциального минимума в другой, что для того, чтобы преодолеть энергию адсорбции порядка 0,2 эВ, напряжение должно составлять величину 5·10⁹ дин·см^-2. Как видно из предыдущего раздела, эта энергия соответствует заниженному значению только физической адсорбции на подложке, и значение порядка 5·10⁹ дин·см^-2 для напряжения является относительно высоким. Вообще говоря, адгезия пленки к подложке не является ограничивающим фактором. Если пленка отслаивается или отделяется от подложки с помощью какого-либо внешнего воздействия, то часто можно наблюдать ее сморщивание. Такое поведение указывает на неравномерное распределение напряжений в пленке. В определенных случаях тип напряжения может зависеть от условий подготовки пленки, следовательно, можно получить пленку с пулевым напряжением, изменяющимся в незначительных пределах. Существует два наиболее распространенных типа пленки, в которых можно получить контролируемые напряжения:

- электролитические пленки никель-железо, в которых добавки могут изменять напряжение;

- напыленная моноокись кремния, в которой на характер полученною напряжения могут воздействовать давление остаточного газа и скорость