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.

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.

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.

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.