應(yīng)力常常是很大的

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1、第55卷第12期2006年12月物　理　學(xué)　報Vol.55,No.12,December,2006100023290P2006P55(12)P6459205ACTAPHYSICASINICAn2006Chin.Phys.Soc.3TiO2和SiO2薄膜應(yīng)力的產(chǎn)生機理及實驗探索顧培夫　鄭臻榮　趙永江　劉　旭(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室,杭州　310027)(2006年3月16日收到;2006年7月3日收到修改稿)　　對最常用的TiO2和SiO2薄膜應(yīng)力,包括應(yīng)力模型、應(yīng)力測試方法和不同實驗條件下的應(yīng)力測試結(jié)

2、果作了研究.基于曲率法模型,對TiO2和SiO2單層膜和多層膜進行了實驗測試,得到了一些有價值的結(jié)果,特別是離子輔助淀積和基板溫度等工藝參數(shù)對薄膜應(yīng)力的影響.提出了薄膜聚集密度是應(yīng)力的重要因素,低聚集密度產(chǎn)生張應(yīng)力,而高聚集密度產(chǎn)生壓應(yīng)力.在多層膜中通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù),適當(dāng)?shù)乜刂茝垜?yīng)力或壓應(yīng)力,可使累積應(yīng)力趨向于零.關(guān)鍵詞:薄膜應(yīng)力,離子輔助淀積,聚集密度PACC:4280X,4278H,0630M,4285F并沒有從根本上得到解決,在某些重要的應(yīng)用中依11引言然是一個難以逾越的障礙.本文主要對最常用的TiO2和S

3、iO2薄膜應(yīng)力作固體材料經(jīng)過蒸發(fā)或濺射形成的光學(xué)薄膜,其了一些研究,內(nèi)容涉及應(yīng)力模型、應(yīng)力測試方法和應(yīng)力常常是很大的.如果用相同性質(zhì)的兩種薄膜制不同實驗條件下的應(yīng)力測試結(jié)果.基于曲率法模型,成多層膜,其累積應(yīng)力更是不可容忍的.這樣大的應(yīng)對TiO2和SiO2單層膜和多層膜進行了實驗測試,得力勢必導(dǎo)致基板彎曲變形,最終致使膜層光學(xué)特性到了一些有價值的結(jié)果,特別是IAD和基板溫度對變化(包括光譜漂移和散射增加等),使力學(xué)性能急薄膜應(yīng)力的影響.提出了薄膜聚集密度是應(yīng)力的重劇降低,甚至導(dǎo)致膜層破裂.更為嚴(yán)重的是大的應(yīng)力要因

4、素,低聚集密度易產(chǎn)生張應(yīng)力,而高聚集密度易會使入射光波在薄膜上反射時波前產(chǎn)生很大的畸產(chǎn)生壓應(yīng)力.在多層膜中通過適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù),變,導(dǎo)致整個光學(xué)系統(tǒng)偏離設(shè)計指標(biāo),甚至完全不能可望使累積應(yīng)力趨向于零.工作.[1—5][6—9]對薄膜應(yīng)力的研究涉及到機理、測量21應(yīng)力模型[10—14]和抑制方法的各種探索.在機理研究方面,對應(yīng)力的起源建立了多種理論模型,包括薄膜材料熱如圖1所示,設(shè)截面積為S的薄膜受到作用力分子在基板表面的淬火效應(yīng),薄膜體積收縮產(chǎn)生張F,則在x方向上的應(yīng)力σ和應(yīng)變ε可分別表示為應(yīng)力或膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力的相

5、轉(zhuǎn)移效應(yīng),薄膜內(nèi)部空σ=FPS,位缺陷的消除使體積收縮或粒子埋入使體積膨脹的ε=ΔLPL0.空位消除或粒子埋入效應(yīng).此外,還有熱收縮效應(yīng)、應(yīng)用Hooke定律,應(yīng)力和應(yīng)變之間滿足雜質(zhì)效應(yīng)、界面失配和表面張力等.由于薄膜產(chǎn)生應(yīng)σ=Eε,力的機理非常復(fù)雜,至今并未完全搞清楚.在測量技其中E為楊氏模量.術(shù)上,主要有基片變形法和衍射法.其中前者又有懸圖2表示基板2薄膜系統(tǒng)中的應(yīng)力.若應(yīng)力處于臂梁法、光干涉法、曲率法等.在抑制應(yīng)力的方法方平衡狀態(tài),則要求順時針和逆時針的力矩相等,即面,包括離子輔助淀積(IAD)、紫外輻照處理

6、、調(diào)節(jié)((df+ds)P2)Ff=Mf+Ms,(1)基板的熱膨脹系數(shù)、摻雜、改變淀積參數(shù)和退火處理式中ds和df分別為基板和膜層的幾何厚度.由于等等.雖然薄膜應(yīng)力研究已取得了顯著進展,但迄今應(yīng)力的作用,基板2薄膜系統(tǒng)產(chǎn)生彎曲.3國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:60478038)資助的課題.6460物　　理　　學(xué)　　報55卷圖1　薄膜應(yīng)力和應(yīng)變示意圖圖3　薄膜彎曲及應(yīng)力分布[13]征的實際上是宏觀應(yīng)力.顯然,當(dāng)Stoney公式2Esds3Efdf11σf=1+-圖2　基板2薄膜系統(tǒng)中的應(yīng)力6(1-νs)Esdsrr0中取

7、r0→∞,且dfnds時便與(4)式一致.圖3表示薄膜的應(yīng)力隨膜厚而變化,應(yīng)力在薄膜的上下表面具有正、負(fù)最大值.設(shè)薄膜彎曲的曲率半徑為r,根據(jù)Hooke定律有31應(yīng)力測試(r±dP2)<-r

8、示彎曲的基板表面,AC為測量==,612r范圍,BD表示基板的彎曲程度,且AC=a,BD=h,式中w為膜層寬度.于是,薄膜的彎曲矩Mf和基通過幾何關(guān)系可得到基板的曲率半徑為板的彎曲矩M2s分別表示為1a2r=+h.(5)E32h4fdfwMf=,12r實驗中a為5mm.由于a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h,因此可將(5)(3)3Esdsw式簡化為Ms=.212rar=.(6)將(3)式代入(