玻璃基片上鉭薄膜屈曲結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)研究

陳小軍，余森江，焦志偉，陳苗根

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 物理系，浙江 杭州 310018）

1 引言

利用濺射方法沉積的薄膜往往包含有較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。薄膜沉積完成之后，隨著內(nèi)應(yīng)力的逐漸釋放，薄膜易于形成開裂、起皺、鼓包、脫層（屈曲）等力學(xué)失效模式［1-8］。盡管在實(shí)際的應(yīng)用中，薄膜的力學(xué)失效是不希望出現(xiàn)的，但其一方面包含豐富的物理機(jī)理，另一方面也可通過其幾何尺寸推斷出薄膜的內(nèi)應(yīng)力、彈性模量和膜基結(jié)合能等參數(shù)［9-11］，因而薄膜的各類應(yīng)力釋放模式吸引著人們進(jìn)行廣泛而深入的研究，現(xiàn)已在實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面均取得了大量的研究成果［1-11］。在壓應(yīng)力導(dǎo)致的薄膜屈曲（脫層）模式中，圓形鼓包、直線狀條紋和電話線結(jié)構(gòu)是人們研究最為深入的。其中電話線結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)上最為常見，因?yàn)榫鶆虮∧ぶ械膬?nèi)應(yīng)力是各向同性的，電話線形結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，也最有利于等雙軸壓應(yīng)力的釋放［6-8］；圓形鼓包是電話線結(jié)構(gòu)的早期形貌，在尺寸較小時(shí)可穩(wěn)定存在，一旦尺寸超過某一臨界值，圓形鼓包將演化成電話線結(jié)構(gòu)［4］；而直線條紋只釋放掉垂直方向的壓應(yīng)力，平行方向的壓應(yīng)力則得到累積，因而其在能量上是亞穩(wěn)的，在均勻薄膜中并不常見，即使生成后也容易再次演化成電話線結(jié)構(gòu)［5，9］。到目前為止，人們對(duì)均勻薄膜中屈曲結(jié)構(gòu)的形貌取向和幾何特征，以及由屈曲結(jié)構(gòu)推斷薄膜的力學(xué)性能研究最多，而對(duì)非均勻薄膜的內(nèi)應(yīng)力，或者由于邊界和其它缺陷引起的內(nèi)應(yīng)力變化和屈曲結(jié)構(gòu)變化則研究較少。本文系統(tǒng)研究濺射沉積在玻璃基片上的金屬鉭薄膜中屈曲結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)，對(duì)邊界處內(nèi)應(yīng)力的變化及其對(duì)屈曲結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了深入闡述。

2 實(shí)驗(yàn)方法

金屬鉭薄膜樣品采用直流磁控濺射方法在室溫條件下制備而成?；捎妹娣e為20×20 mm2的普通載玻片，濺射源采用純度為99.9%的純鉭圓盤，直徑為60 mm，靶基距固定在90 mm。本底真空低于4×10-4Pa，工作氣體為99.999%的高純氬氣，濺射氣壓0.8 Pa。實(shí)驗(yàn)中，直流濺射功率控制在100 W，對(duì)應(yīng)于薄膜沉積速率約為15 nm/min。薄膜沉積時(shí)間由電腦精確控制，在1.5到20 min之間變化。沉積完成之后，薄膜厚度用輪廓儀 （-step 200 profilometer，TENCOR）進(jìn)行校準(zhǔn)，樣品的表面形貌用光學(xué)顯微鏡（Leica DMLM）和與之匹配的CCD照相機(jī)（Leica DC 300）進(jìn)行觀察并拍攝照片。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，薄膜沉積完成之后，如果仍將樣品保留在真空環(huán)境中（氣壓低于幾帕），則薄膜表面將保持平整，沒有任何屈曲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。而一旦將樣品從真空腔中取出并暴露在大氣環(huán)境中，一段時(shí)間之后薄膜的邊界附近開始出現(xiàn)屈曲結(jié)構(gòu)，并逐漸往薄膜中間區(qū)域延伸，如圖1所示。屈曲結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過程可持續(xù)幾天到一個(gè)月之久［12-14］，最終厚度較大的薄膜屈曲結(jié)構(gòu)將覆蓋整個(gè)樣品表面，而厚度較小的薄膜屈曲結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在薄膜的邊界附近區(qū)域。由圖1可知，屈曲結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過程中，其形貌特征發(fā)生了明顯的變化。在薄膜邊界處屈曲基本呈平行的直線狀條紋，并且垂直于薄膜邊界。而屈曲結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)了一段距離之后，直線狀條紋開始出現(xiàn)分叉，并最終演化成各向同性的無規(guī)網(wǎng)格或電話線形結(jié)構(gòu)。

圖1 鉭薄膜邊界處（黑色區(qū)域）屈曲結(jié)構(gòu)的典型形貌。膜厚分別為（a）h=22.5 nm；（b）h=45 nm；（c） h=75 nm；（d） h=150 nm。圖片尺寸均為 450×300 μm2。

這一形貌演化規(guī)律可用單軸應(yīng)力和雙軸應(yīng)力模型進(jìn)行解釋。對(duì)于一個(gè)均勻的薄膜樣品，應(yīng)力狀態(tài)是各向同性的，或者稱之為等雙軸應(yīng)力，因而往往形成各向同性的內(nèi)應(yīng)力釋放形貌，比如無規(guī)網(wǎng)格、電話線屈曲、迷宮狀褶皺等等［1，2，6-8］。而一旦薄膜被施加一個(gè)單向的外部應(yīng)力，一維（1-D）周期性屈曲或褶皺將會(huì)形成，并垂直于外加應(yīng)力方向［5，15］。另一方面，通過向均勻薄膜中引入臺(tái)階、邊界或其他缺陷，等雙軸應(yīng)力狀態(tài)也將發(fā)生很大的改變。在臺(tái)階或邊界附近，應(yīng)力態(tài)具有強(qiáng)烈的取向，其平行分量和垂直分量可分別表示成［1］

其中v是泊松率，σ0是遠(yuǎn)離邊界的等雙軸應(yīng)力值，σ//是平行于邊界的應(yīng)力分量，σ⊥是垂直于邊界的應(yīng)力分量，x是垂直邊界的距離，l為從單軸應(yīng)力過渡到等雙軸應(yīng)力的距離（即邊界效應(yīng)的影響距離）。對(duì)于鉭薄膜來說，泊松率 v=0.35。顯然，在薄膜的邊界處（x=0），應(yīng)力平行分量σ//=0.65σ0，而垂直分量σ⊥=0。也就是說，在薄膜邊界附近應(yīng)力態(tài)是準(zhǔn)單軸應(yīng)力，因而屈曲結(jié)構(gòu)呈垂直于邊界的直線狀條紋。隨著距離的增加，應(yīng)力平行分量緩慢增加而垂直分量快速增加，并最終趨于同一飽和值σ//=σ⊥=σ0，即形成等雙軸應(yīng)力態(tài)，邊界效應(yīng)的影響消失。因而，在遠(yuǎn)離邊界的區(qū)域，屈曲結(jié)構(gòu)各向同性。對(duì)于鉭薄膜來說，從單軸應(yīng)力過渡到等雙軸應(yīng)力的距離在幾十微米數(shù)量級(jí)。

對(duì)比圖1（b）和1（d）我們還發(fā)現(xiàn)，薄膜的厚度不同，屈曲結(jié)構(gòu)的形貌也有很大區(qū)別。膜厚較小時(shí)，屈曲呈直線條紋構(gòu)成的無規(guī)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖1（a，b）），而膜厚較大時(shí)，屈曲傾向于形成電話線形結(jié)構(gòu)（圖1（d））。圖1（c）為從無規(guī)網(wǎng)格到電話線結(jié)構(gòu)的過渡狀態(tài)。為了清晰地顯示屈曲形貌隨薄膜厚度的變化規(guī)律，我們制備了膜厚呈連續(xù)變化的楔形鉭薄膜。在薄膜沉積之前，我們將寬為5毫米、厚為0.2毫米的擋板放在玻璃基片和鉭靶之間，擋板和基片之間的距離控制在2毫米左右。在沉積過程中，鉭原子通過與氣體分子和其他粒子發(fā)生碰撞而沉積到擋板后面的區(qū)域。因而，擋板后面的玻璃基片上將自然形成膜厚呈連續(xù)變化的楔形薄膜。圖2所示為楔形鉭薄膜邊界處屈曲結(jié)構(gòu)的典型形貌。我們發(fā)現(xiàn)，膜厚較小時(shí)屈曲呈直線狀條紋構(gòu)成的無規(guī)網(wǎng)格，而隨著厚度的增加，屈曲逐漸演化成電話線形結(jié)構(gòu)，這一規(guī)律與圖1所示的一致。由圖2還可清晰看到，屈曲的幾何尺寸隨著薄膜厚度的增加而增加。

圖2 楔形鉭薄膜在邊界處的屈曲形貌。箭頭表示薄膜厚度從大到小的變化方向，其垂直方向?yàn)閾醢宓倪吔缇€方向。圖片尺寸均為 670×350 μm2。

既然薄膜的自然邊界對(duì)屈曲結(jié)構(gòu)具有很好的調(diào)控作用，我們推測(cè)在均勻薄膜中人為引入一些邊界或缺陷也將起到類似的效果，并可以通過改變?nèi)毕莸男螤詈头植颊{(diào)控屈曲結(jié)構(gòu)的有序性。為了實(shí)現(xiàn)以上想法，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用了一種非常簡(jiǎn)單的技術(shù)：用針尖將薄膜或基片劃裂，從而在薄膜中人為引入一些缺陷或邊界。具體方法分以下兩種：1、薄膜沉積完成之后，將樣品從真空腔中取出（此時(shí)屈曲結(jié)構(gòu)尚沒有形成），用針尖劃破薄膜表面，薄膜分成兩片，此后形成的屈曲結(jié)構(gòu)將以劃痕為邊界生長(zhǎng)，邊界處呈非常明顯的直線狀條紋（見圖3（a）），與圖1和圖2所示結(jié)果完全類似。2、薄膜沉積之前先用針尖將玻璃基片劃出裂痕，然后沉積上鉭薄膜。最后形成的屈曲結(jié)構(gòu)也以劃痕為邊界生長(zhǎng)，但邊界效應(yīng)比直接將薄膜片劃裂要小得多，最突出的特點(diǎn)就是邊界處的直線狀條紋的長(zhǎng)度明顯變小，如圖3（b）所示。另一方面，如果初始的劃痕較淺，隨后沉積的薄膜在劃痕處將連續(xù)分布，使最后形成的屈曲結(jié)構(gòu)能貫穿劃痕而生長(zhǎng)（見圖3（b）中的箭頭所示），此時(shí)邊界的調(diào)控作用消失。

圖3 人為產(chǎn)生的邊界對(duì)屈曲結(jié)構(gòu)的調(diào)控。(a)薄膜沉積完成之后用針尖劃破薄膜；(b)薄膜沉積之前用針尖在玻璃基片上產(chǎn)生劃痕，隨后沉積薄膜。圖片尺寸均為600×400 μm2。

4 結(jié)論

本文采用直流磁控濺射方法在玻璃基片上沉積出金屬鉭薄膜，研究了邊界效應(yīng)對(duì)薄膜屈曲結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，所得的主要結(jié)論如下：

（1）鉭薄膜中包含較大的殘余壓應(yīng)力，促使薄膜與基片脫層而形成屈曲結(jié)構(gòu)。

（2）屈曲結(jié)構(gòu)在薄膜邊界處產(chǎn)生，并逐漸往中間區(qū)域延伸。壓應(yīng)力在薄膜邊界處為準(zhǔn)單軸應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離邊界的區(qū)域?yàn)榈入p軸應(yīng)力，因而屈曲結(jié)構(gòu)在邊界處呈垂直于邊界的直線狀條紋，而在均勻薄膜中為各向同性（包括無規(guī)網(wǎng)格和電話線結(jié)構(gòu)）的形貌。

（3）屈曲結(jié)構(gòu)的形貌隨著薄膜厚度的變化而變化，薄膜厚度較小時(shí)，屈曲呈直線條紋構(gòu)成的無規(guī)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而薄膜厚度較大時(shí)，屈曲呈電話線形結(jié)構(gòu)。

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