<<
>>

Напряженное состояние граничной области между! пленкой и подложкой

Кроме физико-химического типа связи на границе раздела, !измеряемое значение адгезионной прочности зависит также от механических напряжений в пленке и подложке. В напряженном состоянии находятся практически все виды пленок независимо от способа их формирования.

Напряжения могут быть сжимающими (пленка стремится расшириться параллельно поверхности[3] подложки) и растягивающими (пленка стремится сжаться). В случае .применения тонких и гибких подложек напряжения могут вызвать заметный их изгиб. Прочно сцепленные с подложкой пленки растрескиваются или разрушают подложку, если значение механических напряжений превысит пределы прочности материалов. При недостаточной адгезионной прочности напряжение вызывают са- !моотслаивание пленок.

Механические напряжения часто приводят к изменению физических свойств покрытия. Так, в производстве пленочных запоминающих устройств ЭВМ напряжения могут привести к появлению одноосной анизотропии, параллельной плоскости подложки. В монокристаллических пленках анизотропное напряжение :в сочетании с анизотропной магнитострикцией может также обусловить анизотропию магнитных свойств. Известно, что механические напряжения в криогенных пленках воздействуют на критическую температуру сверхпроводимости в случае свинца, алюминия, олова, и др. Охлаждение криогенной пленки до очень низких температур, необходимых для возникновения сверхпроводимости, приводит к большим термическим напряжениям, превышающим предел упругости пленки [20].

Для обычных температур нанесения пленок от 20°С до нескольких сотен градусов напряжения могут быть как сжимающими, так и растягивающими и составляют IO7—IO0 Н*м-2, причем для тугоплавких металлов значение напряжения ближе к верхнему пределу, а для мягких (Ag, Au, Cu, Al и т. д.) —к нижнему. У диэлектрических пленок напряжения часто оказываются сжимающими и имеют, как правило, меньшее значение.

Полное напряжение в пленке (или в подложке) \(Т определяется ¦ суммой трех составляющих, которые представляют собой вклад

внешних приложенных напряжений, а также термическую и структурную* компоненты:

lt;т—ав+'Ст + ас,              (1^)

где Ob — составляющая, учитывая вклад внешних напряжений; От — термическая составляющая; ас — структурная составляющая.

Вклад, обусловленный внешними напряжениями, зависит от величины и места приложения внешних сил, геометрии системы пленка — подложка и механических констант контактирующих материалов. Принципиально задача нахождения поля механических напряжений, обусловленных приложением внешних сил к системе пленка — подложка при известных геометрических параметрах и механических константах, хотя и очень сложна, но разрешима с помощью методов механики. Подробно это будет изложено) в следующем параграфе. Для решения данной задачи необходимо экспериментально определить механические параметры плевки: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести и другие константы, которые для пленочных и объемных образцов значительно различаются. Часто можно считать поле напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил, постоянным. Это справедливо, например, при равномерном приложении нормальной внешней силы к поверхности пленки малой толщины.

Значительные термические напряжения возникают gt;в двух случаях: при 'большой разнице значений температурного коэффициента линейного расширения (TKJIP) материалов пленки и подложки и при большой разнице в температурах формирования покрытия и его эксплуатации. Кроме того, термические напряжения могут быть обусловлены большим перепадом температуры по образцу, возникающим во время нанесения пленки. Например, растущая пленка, обращенная к испарителю, под воздействием его излучения и теплоты конденсации имеет собственную температуру, отличающуюся от температуры подложки. Следует отметить, что температурные напряжения достаточно хорошо определяются аналитическими методами.

Необходимо знать лишь температурное поле системы пленка — подложка на стадиях нанесения пленки и эксплуатации изделия, а также значение ТКЛР. Это дает возможность находить поле напряжений методами механики.

Практически важным является определение плоского напряженного состояния при условии, что подложка значительно толще пленки, и в предположении, что возникающие деформации не превышают предел упругости. Знак и. величина термических напряжений для- этого случая могут быть оценены по соотношению

ат = —ДаД Т,              (19)

I — Ji.

где E и |ы — модуль Юнга и коэффициент Пуассона для пленки; Да— разность значений ТКЛР пленки и подложки, К-1; AT— разность температур во время конденсации и измерения, К.

Термические напряжения являются доминирующими в тонких пленках некоторых металлов с низкой точкой плавления (In, Sn,

Pb щ др.)» а также в пленках с высокой степенью кристаллического упорядочения.

Наиболее трудно вычисляемой является структурная составляющая механических напряжений ас. Структурные напряжения в тонких пленках определяются структурными деформациями, которые, в свою очередь, зависят от условий изготовления пленочных образцов.

На структурные деформации влияют: фазовые и полиморфные превращения, изменение 'концентрации структурных несовершенств, изменение плотности атомной упаковки, гигроскопичность пленки либо подложки и др. Структурная деформация весьма сильно и сложным образом зависит от условий напыления: температуры подложки, скорости напыления, достижения вакуума при напылении и др. Например, напряжения у пленок моноокиси кремния, полученных испарением в вакууме, очень сильно зависят от давления остаточных газов в камере и скорости напыления. В случае напыления пленок алюминия и меди при низком вакууме возникают сжимающие напряжения [20].

Структурные напряжения в напыленных пленках сильно зависят от механизма их конденсации. При переходе от механизма конденсации пар — кристалл к механизму пар — жидкость — кристалл напряжения претерпевают скачок. Это подтверждается экспериментами с серебряными пленками, напыленными на стекло [21]. Изменение значений напряжений происходит и в случае перехода от островковой пленки к сплошной. Структурной составляющей механических напряжений свойственна анизотропия, которая может возникнуть в пленке при наклонном падении пучка атомов на подложку при напылении.

Важность нахождения структурных напряжений связана с тем, что в большинстве пленочных систем они являются доминирующими. Для нахождения структурных напряжений необходимо экспериментально определить структурную деформацию в образце ес. Затем с использованием методов механики твердого тела находят механические напряжения по известным значениям ес.

Практически важной является задача уменьшения механических напряжений в пленках. Так как термические и структурные напряжения зависят от режимов нанесения, то путем правильного выбора режимов можно сильно ^уменьшить напряжения в пленках. Хорошо контролируемые напряжения получаются в электролитических пленках железо — никель и при напылении моноокиси кремния. Один из способов получения в пленках напряжений, близких к нулю, заключается в попеременном нанесении слоев с напряжениями сжатия и растяжения.

<< | >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Напряженное состояние граничной области между! пленкой и подложкой:

  1. Расчет напряжений в системе пленка — подложка
  2. Влияние на адгезию дефектов на границе пленки и подложки
  3. Методики оценки состояний психоэмоционального напряжения у человека
  4. Вегетативные показатели в идентификации состояний психоэмоционального напряжения.
  5. Напряжения между собственными И ЗАИМСТВОВАННЫМИ ИДЕЯМИ: ИСЛАМ, ИУДАИЗМ И ХРИСТИАНСКИЙ МИР
  6. Психофизиологическая характеристика состояния больных при эмоциональном напряжении и невротических расстройствах.16
  7. Граничные элементы классификации
  8. ЗАЩИТА ОТ ОПАСНОСТИ ПЕРЕХОДА НА ПРОВОДА С НАПРЯЖЕНИЕМ 380/220 В БОЛЕЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
  9. 4.1. Характеристика экономического состояния банковского сектора Тюменской области
  10. Занятие 7 Диагностика отдельных психических состояний, основанная на самооценке (тревога, агрессия, фрустрация, нервно-психическое напряжение, депрессия, дистимия, одиночество, эмоциональное выгорание, уверенность/неуверенность, интерес и др.)
  11. Приложение №4 Отдельные показатели деятельности кредитных организаций Тюменской области по состоянию на 1 января 2002 года