物理气相沉积法制备薄膜的内应力形成机理及测量方法(2)

的增原子

图５　　薄膜应力的测试方法

　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ１０９

纳米技术

科技创新导报２００９　　ＮＯ．３４

化　学　工　业

方法的改进，使得薄膜内应力的原位测试成为可能，能够较为准确的得到薄膜结构与内应力之间的关系。然而，由于对薄膜性能的测试还不能原位进行，所以不能使得薄膜的性质和薄膜内应力一一对应起来。因此，内应力对薄膜性能影响的研究有待于进一步深入。

要是由于正在长大的晶粒表面俘获了大量处于非平衡状态的增原子。Ｃｈａｓｏｎ和Ｓｈｅｌｄｏｎ等提出了高表面迁移率薄膜压应力可逆变化的模型（见图４）：从气相沉积到薄膜表面的原子流使得薄膜表面处于非平衡状态，其化学势高于晶界处的化学势。沉积原子会从高化学势的薄膜表面迁移到低化学势的晶界处，导致薄膜产生压应力。当薄膜沉积过程中断时，薄膜表面的化学势降低，流入晶界处的原子减少，而晶界处的化学势由于处于应变状态而逐渐升高，当晶界处的化学势高于表面的化学势时，原子从晶界处流出，导致薄膜的压应力减小。当沉积过程继续时，这一过程重复进行，导致应力可逆现象的出现。

在化学势的驱动下在晶界和薄膜表面之间流动，其中Ｊ为粒子流，Ｒ为薄膜沉积速率。

对于小岛成核、长大阶段以及小岛合并阶段的内应力可逆变化的研究已经很多，人们提出了各种模型和机制去解释这一现象。Ｒｏｃｈ［２］认为薄膜沉积过程停止后，薄膜表面会趋向平坦化，处于表面压应变区的粒子会迁移到表面的张应变区。当薄膜沉积过程恢复后，在沉积粒子的作用下，薄膜表面又恢复到以前的布局。。

Ｆｒｉｅｓｅｎ和Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等认为在小岛成核、长大阶段内应力的可逆变化起源于增原子数目的改变。此外，也有研究认为表面台阶以及表面缺陷等引起内应力的可逆变化。总之，关于内应力的产生以及内应力可逆变化这一特殊现象的研究已经很多，人们分别从实验上理论上提出了各种模型，这都有助于加深对内应力的认识及理解。

上面这些内应力产生模型都是在研究真空蒸发条件下制备金属多晶薄膜的过程中提出的。对于溅射方法，或离子辅助方法制备的化合物薄膜，在上述模型的基础上，

除了考虑荷能粒子对薄膜表面的轰击作用即喷丸效应对薄膜内应力的影响外，还需要考虑反应气体的作用。在兼顾溅射过程中所有参数对薄膜内应力的影响以后，Ｋａｙ和Ｐａｒｍｉｇｉａｎｉ等提出用规范化能量（Ｅｎ）作为溅射金属薄膜的内应力标度因子，并指出当Ｅｎ的值小于４０电子伏／原子时，薄膜表现为压应力。当大于４０电子伏／原子时，表现为拉伸应力。Ｗｉｎｄｉｓｃｈｍａｎｎ提出用规范化动量（Ｐ＊ｎ）作为薄膜内应力的标度因子，当Ｐ＊ｎ很小的时候，薄膜的内应力为拉伸应力，薄膜结构呈疏松的多孔状。随着Ｐ＊ｎ的增加，薄膜的内应力由拉伸应力变为压应力，薄膜的结构由多孔状变为Ｔｈｏｒｎｔｏｎ模型中的Ｔ区结构。当Ｐ＊ｎ增大到某一个值时，薄膜的压应力值为一个常数。

参考文献

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５　薄膜内应力的测试原理和方法

早在１８５０年就发现薄膜中存在内应力，而薄膜内应力的最早测量是在１８７７年。１９０９年Ｓｔｏｎｅｙ通过测量衬底变形成功测得电镀膜的内应力。实际上，应力和应变是同一问题的两个不同方面，应力的测量可以通过应变的测量结合材料学和弹性力学的理论来实现，因为薄膜内应力的作用效果主要是：（１）衬底的变形、弯曲；（２）薄膜晶格常数的增加或减小。此外，拉曼光谱技术的最新应用表明，物体中存在的内应力会使得Ｒａｍａｎ谱中应力敏感的谱带产生移动和变形，其中Ｒａｍａｎ峰频率偏移的改变与所受应力成正比，即：

σ＝α△γ（其中α为常数，△γ为谱峰的频移差）

因此，可以通过测量衬底的变形，薄膜晶格常数的变化，及Ｒａｍａｎ光谱的频移来测量薄膜的应力。具体的测试方法总结如图５所示。

总之，在过去的研究中，由于应力测试

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的交易成本，也因政出多门而降低了政府规制的有效性。这一情况导致目前我国石油行业政府规制存在非公平竞争，政企不分，缺乏完整法律框架等问题。

应适时调整法规，以新的方式继续发挥政府的调控护航的作用。在新的形势下，一方面调整不符合全球市场一体化潮流的旧法规，新法规则尽可能选择与企业机制体制改革同步的合适时机出台，同时兼顾市场开放的规则和国家石油公司及国家根本利益；另一方面充分利用全球市场一体化有限过渡时间，支持中国石油企业抢先占领市场，把住资源、增强竞争能力，为提高中国石油产业的集中度保驾护航。

４　建议

４．１树立品牌意识，提高竞争力

在当前竞争愈演愈烈的情况下，我国石油公司要树立自己的品牌意识，在营造

品牌时，除了要在产品、生产经营活动中营造品牌，还要在社会公众形象上树立品牌。企业在自身发展的同时，应积极参与社会公益活动，支持社会公益事业，注重企业的社会责任，从多个侧面营造企业整体品牌，提高消费者对自己品牌的认同。４．２注重人才培养

首先要树立科学的人才观，加大对人才培养的投入；其次培养国内科技人才同时，加大力度吸引留学人才和海外人才，形成人才聚集效应；最后建立良好的制度环境，有利于科技人才展才华。４．３加强石油产业国际合作

一是加强与美欧能源技术合作，利用先进能源技术提高我国能源利用效率；二是加强与俄罗斯的能源合作，拓宽石油进口渠道；三是进一步巩固中东石油供给，同时拓宽中亚、东南亚石油进口渠道和输油管道；四是加强与非洲石油合作，积极参与国际能源开发合作。

参考文献

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