薄膜附著力

薄膜的附著性能在很大程度上決定了薄膜應用的可能性和可靠 性，這是薄膜製造過程中普遍關心的問題。

2.4.1 附著現象

從宏觀上看，附著就是薄膜和基材相互作用將薄膜黏附在基材上的 一種現象。薄膜的附著可分為四種類型: a.簡單附著;b.擴散附著;c.

透過中間層附著;d.巨觀效應附著。如圖 2-12 所示[32]。

(1) 簡單附著時，薄膜和基材之間存在一個很清楚的分介面。這種 附著就是由兩個接觸面相互吸引形成的。當兩個不相似或不相 容的表面相互接觸時就易形成這種附著。

(2) 擴散附著是由於在薄膜與基材之間相互擴散或溶解形成一個漸 變的介面，即它可以使一個不連續的介面被一個由物質逐漸和 連續變化到另一種物質的過渡層所代替。陰極濺鍍法製備的薄 膜附著性比真空蒸發好，一個重要的原因是，從陰極靶上濺鍍 的粒子都有較大的動能，它們沉積到基材上時可發生較深的縱 向擴散從而形成擴散附著。

(3) 通過中間層的附著是在薄膜和基材之間形成一種化合物中間層 (一層或多層)薄膜再通過這個中間層與基材間形成牢固的附 著。這種中間層可能是一種化合物的薄層，也可能是含有多種

化合物的薄膜。其化合物可能是由薄膜與基材兩種材料形成的 化合物，也可能是與真空室內環境氣氛形成的化合物，或種兩 種情況都有。由於薄膜和基材之間有這樣一個中間層，所以兩 著之間形成的附著就沒有單純的介面。

(4) 透過巨觀效應附著包括機械鎖合和雙電層吸引等。機械鎖合是 一種巨觀的機械作用。當基材表面比較粗糙(見圖 4- (d)中的 B)，有各種微孔(A)或微裂縫(C、D)時，在薄膜形成過程中，

入射到基材表面上的氣相原子便進入到粗糙的表面的各種缺 陷、^微孔或裂縫中形成這種巨觀機械鎖合。如果基材表面上各 種微缺面分佈均勻適當，透過機械鎖合作用可提高薄膜的附著 性能。

由上可以看出，附著或結合的全部現象實質上都是建立在原子間電 子的交互作用基礎上的。

2.4.2 提高附著力的途徑

為了提高附著力，可以採用如下的一些方法:[32-34]

(1) 對基材進行清潔處理: 基材的表面狀態對附著力的影響很大，

如果表面有汙染層，將使薄膜不能與基材直接接觸，凡得瓦力大 大減弱，擴散附著也不可能，從而附著性能極差。解決的方法是 對於基材進行嚴格的清洗。

(2) 提高基材溫度: 在沉積薄膜時提高基材溫度，有利於薄膜與基 材原子的相互擴散，而且會加速化學反應，從而有利於形成擴散 附著和化學鍵附著，使附著力增大。但基材溫度過高，會使薄膜 晶粒粗大，增加膜中的熱應力，從而影響薄膜的其他性能。因此，

在提高基材溫度時應做全面考慮。

(3) 製造中間過渡層: 當基材和薄膜的熱膨脹係數相差較大時將產 生很大的熱應力而使薄膜脫落，除選擇熱膨脹係數和接近的基材 外，還可以在薄膜之間形成一層或多層熱膨脹係數介於基材和薄 膜之間的過渡層，以緩和熱應力。

(4) 活化表面: 設法增加基材的活性，可以提高表面能，從而增加 附著力。用洗滌劑清洗，相當於活化的效果。利用腐蝕劑(如 HF) 進行蝕刻、離子轟擊，或利用某些機械進行研磨等清潔和粗話的 效果也有活化的作用。

(5) 熱處理: 沉積薄膜後進行適當的熱處理，如經過熱退火處理消 除缺陷產生的應力或增加相互擴散來提高附著力。

(6) 晶格匹配: 由於基材與薄膜的晶格失配，將產生熱應力，因而 盡量選擇基則和薄膜材料的晶格結構相近的材料作為基材，可以 提高附著力。

(7) 用氧化方法: 氧化物具有特殊的作用，用氧化的方法在基材與 薄膜間形成中間氧化物層可以提高附著力。例如，對於基材用含 有 O²和 H²O 的輝光放電的離子進行轟擊，基材表面就會出現易於 氧化的部分，從而使沉積的薄膜附著力增強。

(8) 用梯度材料: 連續改變兩種材料的組成和結構，使其內部介面 消失來緩和熱應力，增強附著力。