薄膜材料 应力、缺陷的形成和表面演化PDF电子书下载

第1章　引言和总论 1

1.1　薄膜组态分类 2

1.2　薄膜沉积方法 4

1.2.1　物理气相沉积 4

1.2.2　化学气相沉积 7

1.2.3　热喷涂沉积 8

1.2.4　实例：热障涂层 10

1.3.1　从气相到吸附原子 12

1.3　气相沉积薄膜的生长方式 12

1.3.2　从吸附原子到薄膜生长 14

1.3.3 自由表面或界面的能量密度 16

1.3.4　表面应力 20

1.3.5　基于表面能的生长方式 22

1.4　薄膜微观结构 24

1.4.1　外延膜 25

1.4.2　实例：垂直孔洞表面发射激光 31

1.4.3　多晶体膜 33

1.4.4　实例：磁存储介质薄膜 36

1.5.1　光刻 39

1.5　微电子结构的制备 39

1.5.2　铜互联体的大马士革加工 40

1.6　MEMS结构的制备 42

1.6.1　整体微加工 42

1.6.2　表面微加工 43

1.6.3　成型加工 44

1.6.4　NEMS结构 45

1.6.5　实例：振动梁细菌探测器 47

1.7　薄膜应力源 49

1.7.1　薄膜应力的分类 49

1.7.2　外延薄膜中的应力 50

1.8　多晶体薄膜中的生长应力 51

1.8.1　岛合并前的压缩应力 53

1.8.2　实例：表面覆盖的影响 55

1.8.3 岛接触引起的拉应力 56

1.8.4　连续生长过程中的压缩应力 58

1.8.5　最终应力与晶粒结构间的关系 59

1.8.6　应力演变的其他机制 60

1.9　薄膜应力的后果 67

1.10　习题 68

2.1 Stoney方程 71

第2章　薄膜应力和基底曲率 71

2.1.1　实例：外延应变引起的曲率 76

2.1.2　实例：热应变引起的曲率 76

2.2　薄膜厚度对双层薄膜曲率的影响 80

2.2.1　任意薄膜厚度的基底曲率 80

2.2.2　实例：双层薄膜最大热应力 85

2.2.3　温度调节双金属片的历史记录 86

2.3 曲率测量方法 88

2.3.1　扫描激光法 89

2.3.2　多束光学应力敏感技术 90

2.3.3　光栅反射法 91

2.3.4　相干梯度传感器方法 93

2.4　层状和成分梯度薄膜 96

2.4.1　非均匀错配应变和弹性性能 97

2.4.2　错配应变中的恒定梯度 100

2.4.3　实例：成分梯度薄膜的应力 101

2.4.4　周期多层薄膜 104

2.4.5　实例：多层薄膜整体热弹性响应 104

2.4.6　微小总厚度的多层薄膜 106

2.4.7　实例：薄多层膜中的应力 107

2.5　几何非线性变形范围 108

2.5.1　线性范围的极限 108

2.5.2　非线性范围内的轴对称变形 110

2.6　平衡形状的分叉 113

2.6.1　均匀曲率的分叉分析 114

2.6.2　均匀曲率状态的可视化 120

2.6.3　一般曲率变化的分叉 123

2.6.4　基底曲率变形图 125

2.6.5　实例：Cu/Si系统的曲率图 126

2.7　习题 127

第3章　各向异性和图形薄膜中的应力 130

3.1　弹性各向异性 130

3.2　立方晶体的弹性常数 132

3.2.1　有效模量的方向变化 134

3.2.2　特殊情况的各向同性 136

3.3　非立方晶体的弹性常数 136

3.4　层状外延生长材料的弹性应变 138

3.5　一般错配应变的薄膜应力 140

3.5.1　薄膜材料的任意取向 141

3.5.2　实例：（111）取向的立方薄膜 143

3.6　薄膜应力的X射线衍射测量 145

3.6.1 应力与d间距之间的关系 146

3.6.2　实例：由测量d间距得到的应力 148

3.6.3　从非对称衍射测无应力d间距 148

3.6.4　实例：参考晶格间距的测定 152

3.7　各向异性薄膜引起的基底曲率 153

3.7.1　各向同性基底上的各向异性薄膜 153

3.7.2　排列一致的正交各向异性材料 155

3.8.1 电场引起的错配应变 158

3.8　压电薄膜 158

3.8.2　实例：电场引起的基底弯曲 159

3.9　平行薄膜裂纹的周期排列 160

3.9.1 薄膜裂纹引起的平面应变曲率变化 161

3.9.2　薄膜裂纹引起的双轴弯曲 168

3.10　平行线或条纹的周期排列 171

3.10.1　线结构引起的双轴弯曲 171

3.10.2　基于曲率的体平均应力 176

3.10.3　镶嵌结构中的体平均应力 178

3.11.1　基底曲率法 181

3.11 图形薄膜中应力的测量 181

3.11.2　X射线衍射方法 182

3.11.3　微观拉曼光谱法 182

3.12　习题 184

第4章　脱层和断裂 187

4.1　薄膜边缘附近的应力集中 188

4.1.1 薄膜 189

4.1.2　实例：控制界面剪切应力的方程 191

4.1.3　边缘应力的更一般描述 193

4.2　断裂力学的概念 197

4.2.1　能量释放率和Griffith准则 198

4.2.2　实例：层状复合材料的界面韧性 202

4.2.3　裂纹前缘应力场 204

4.2.4　局部应力状态的相角 206

4.2.5　界面脱层的驱动力 207

4.3　断裂功 209

4.3.1　界面分离行为的表征 209

4.3.2　制备和界面化学的影响 212

4.3.3　局部相角对断裂能的影响 216

4.3.4　实例：贝壳的断裂阻力 217

4.4　残余应力引起的薄膜脱层 220

4.4.1　直脱层前沿 222

4.4.2　实例：热应变引起的脱层 224

4.4.3　扩展的圆形脱层前沿 224

4.4.4　应力集中区的相角 228

4.4.5　靠近薄膜边缘的脱层 230

4.5　界面韧性测试方法 231

4.5.1　双悬臂梁试验组态 231

4.5.2　四点弯曲梁试验组态 232

4.5.3　压缩实验试样组态 235

4.5.4　叠层实验组态 237

4.6　残余应力引起的薄膜开裂 239

4.6.1　薄膜中的表面裂纹 239

4.6.2　埋藏层中的隧道裂纹 246

4.6.3　裂纹阵列 247

4.6.4　实例：外延膜的开裂 251

4.7　界面处的裂纹偏折 252

4.7.1　偏离界面的裂纹偏折 253

4.7.2　裂纹偏折进入界面 256

4.8　习题 261

5.1　均匀宽度条带的翘曲 264

第5章　薄膜的翘曲、鼓包和剥离 264

5.1.1　后翘曲响应 265

5.1.2　脱层生长的驱动力 270

5.1.3　界面局部应力状态相位角 271

5.1.4　弹塑性材料的限制 274

5.2　圆片的翘曲 276

5.2.1　后翘曲响应 277

5.2.2　例题：温度变化引发脱黏区翘曲 280

5.2.3　脱层驱动力 281

5.2.4　实例：氧化膜翘曲 284

5.3　二次翘曲 286

5.4 实验观察 287

5.4.1　边缘脱层 287

5.4.2　初始圆形脱层 288

5.4.3　缺陷对翘曲脱层的影响 291

5.4.4　实例：碳薄膜翘曲的不稳定性 293

5.5　无脱层的膜翘曲 295

5.5.1　软弹性基底 295

5.5.2　黏性基底 297

5.6　均匀宽度加压鼓包 299

5.5.3　实例：玻璃基底翘曲波长 299

5.6.1　小挠度弯曲响应 300

5.6.2　大挠度响应 301

5.6.3　薄膜响应 304

5.6.4　脱层力学 306

5.7　圆形加压鼓包 309

5.7.1　小挠度弯曲响应 309

5.7.2　薄膜响应 310

5.7.3　大挠度响应 312

5.7.4　残余应力的影响 314

5.7.5　脱层力学 316

5.7.6　鼓包试验组态 318

5.8　实例：MEMS电容传感器 319

5.9　薄膜剥离 322

5.9.1　脱层驱动力 322

5.9.2　脱层力学 324

5.10　习题 324

第6章　外延系统中的位错形成 327

6.1　位错力学的概念 327

6.1.1　位错的平衡和稳定性 328

6.1.2 自由表面附近的弹性场 330

6.2　应变外延薄膜的临界厚度 334

6.2.1　临界厚度准则 335

6.2.2　临界厚度与错配应变的关系 336

6.2.3　实例：（001）Si基底上SiGe薄膜的临界厚度 339

6.2.4　临界厚度的实验结果 340

6.2.5　实例：晶体取向对临界厚度hcr的影响 340

6.3　单根贯穿位错 342

6.3.1　贯穿位错的运动条件 343

6.3.2　临界厚度条件的局限性 346

6.3.3　非平衡条件下的贯穿位错 348

6.4　层状薄膜和梯度薄膜 351

6.4.1　未应变层覆盖的均匀应变层 352

6.4.2　应变层超晶格 355

6.4.3　成分梯度薄膜 356

6.5　基于螺型位错的模型系统 357

6.5.1　模型系统的临界厚度条件 357

6.5.2　薄膜-基底模量差的影响 359

6.5.3　实例：模量差异和位错形成 361

6.6　非平面外延系统 362

6.6.1　埋入的应变量子线 364

6.6.2 自由表面对量子线稳定性的影响 368

6.7　基底柔度的影响 371

6.7.1　临界厚度的估计 372

6.7.2　实例：柔性基底的临界厚度 374

6.7.3　黏性底层引起的错配应变弛豫 375

6.7.4　作用在层中位错上的力 377

6.8　位错形核 380

6.8.1　表面位错环的自发形成 381

6.8.2　完整晶体中的位错形核 383

6.8.3　应力集中对位错形核的影响 386

6.9　习题 388

第7章　位错交互作用和应变弛豫 390

7.1　平行错配位错的交互作用 390

7.1.1　基于平均应变的位错间距 391

7.1.2　位错同时形成的间距 392

7.1.3　基于最后位错插入的间距 394

7.2　相交错配位错的交互作用 395

7.2.1　贯穿位错的障碍 397

7.2.2　错配位错的交叉排列 401

7.3.1　弛豫模型的构造 403

7.3　位错形成引起的应变弛豫 403

7.3.2　实例：半导体薄膜中的位错控制 406

7.4　理想塑性薄膜的连续力学分析 409

7.4.1　双层结构的塑性变形 410

7.4.2　温度循环作用下的薄膜 414

7.5　薄膜的应变-硬化响应 416

7.5.1　各向同性硬化 418

7.5.2　实例：具有各向同性硬化的温度循环 420

7.5.3 随动硬化 421

7.5.4　比例应力历史 424

7.6　基于塑性速率方程的模型 426

7.6.1　跨越障碍的位错热激活滑移 427

7.6.2　晶界扩散的影响 429

7.7　热循环过程中的结构演变 431

7.7.1 晶粒结构演变的实验观测 431

7.7.2　贯穿位错的实验观测 433

7.7.3　温度循环过程中的应变弛豫机制 435

7.8　薄膜中塑性屈服的尺寸依赖性 440

7.8.1　塑性响应的观测 441

7.8.2　尺寸依赖的塑性流变模型 444

7.8.3　弱膜-基界面的影响 446

7.9　确定薄膜塑性响应的方法 447

7.9.1　薄膜的拉伸试验 447

7.9.2　微梁挠度法 449

7.9.3　实例：薄膜的平面应变延展 451

7.9.4　基底曲率法 452

7.9.5　纳米压痕仪 453

7.10　习题 456

8.1　热力学框架 459

第8章　表面的平衡和稳定性 459

8.2　材料表面的化学势 461

8.2.1　演化着的自由表面 461

8.2.2　沿双材料界面的传质 464

8.2.3　材料界面迁移 467

8.2.4　裂纹表面的生长和愈合 470

8.3　受双轴应力的材料中的椭圆孔 472

8.3.1　化学势 473

8.3.2　形状稳定性 474

8.4.1　小幅正弦起伏 477

8.4　平表面的周期性扰动 477

8.4.2　实例：应变外延膜的稳定性 481

8.4.3　基底刚度对表面稳定性的影响 483

8.4.4　二阶表面扰动 485

8.4.5　实例：小坡度近似的有效性 489

8.5　平表面的一般扰动 490

8.5.1　二维组态 491

8.5.2　三维组态 491

8.5.3　实例：双周期表面扰动 493

8.6.1　球面的力-挠度关系 495

8.6　材料表面的黏着接触 495

8.6.2　实例：岛碰撞时产生的应力 499

8.7　错配位错应变场的结果 501

8.7.1　错配位错引起的表面起伏 501

8.7.2　错配位错引起的生长图案 504

8.8　应变材料中的表面能各向异性 505

8.8.1　力平衡的含义 506

8.8.2　表面化学势 509

8.8.3 应变邻位表面的能量 510

8.8.4　实例：应变硅邻近（001）的台阶表面 514

8.9　应变的外延岛 515

8.9.1　孤立的岛 517

8.9.2　中间应变层的影响 521

8.9.3　表面能各向异性的影响 523

8.9.4　岛在稳定表面上形核的障碍 525

8.9.5　择优边墙取向的形状转变 526

8.9.6 岛形成的观察 528

8.10　习题 533

第9章　应力在传质中的作用 536

9.1　表面演变机制 537

9.1.1　表面扩散 538

9.1.2　凝聚-蒸发 541

9.2　小幅表面扰动的演化 542

9.2.1　一维正弦表面 542

9.2.2　实例：特征时间 543

9.2.3　一般表面扰动 544

9.2.4　孤立表面突起 547

9.3　表面演变的变分方法 550

9.3.1　表面流量的变分法则 551

9.3.2　在二阶表面扰动中的应用 554

9.4.1 自由能变化 557

9.4　具有台阶状表面的岛的生长 557

9.4.2　岛的形成和交互作用 559

9.5　界面扩散 564

9.5.1 晶界扩散诱发应力弛豫 564

9.5.2　形变过程中沿剪切带的扩散 568

9.6　固溶体中的成分变化 570

9.6.1　均质溶体的自由能 571

9.6.2　均匀成分的稳定性 573

9.6.3　实例：成分的弹性稳定性 577

9.6.4　成分变化的演变 578

9.6.5　耦合的形变-成分演变 579

9.7　应力辅助扩散：电迁移 584

9.7.1 电迁移过程中的原子输运 585

9.7.2　漂移试验 590

9.7.3　微观结构对电迁移损伤的影响 592

9.7.4 互联可靠性的评估 594

9.8　习题 595

参考文献 597

英汉名词索引 618