磁控濺射法制備鐵氧體薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度研究
利用磁控濺射法在單硅晶基底和玻璃基底上沉積鐵氧體薄膜，采用AFM 觀察薄膜的微觀形貌，采用劃痕法測(cè)試薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果表明：由于兩種不同材質(zhì)上沉積的薄膜粗糙度緣故，硅晶/鐵氧體薄膜的臨界載荷為19.7N，其劃痕形貌為裂紋狀擴(kuò)展，玻璃/ 鐵氧體薄膜的臨界載荷為5.3N，其劃痕形貌為剝落狀。
由于電子器件的微型化、小型化發(fā)展趨勢(shì)，薄膜器件的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。由于薄膜較脆且易碎，因此要將它附著在基體上，才能達(dá)到耐用和可靠。薄膜與基體界面結(jié)合強(qiáng)度直接關(guān)系到膜－基體系中最終使用性能和可靠性，是薄膜質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[1] ，因此薄膜與基體之間要有足夠的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而保證薄膜滿足力學(xué)、物理和化學(xué)使用性能的要求[2，3] 。本文通過對(duì)薄膜在壓頭作用下壓痕邊緣處的開裂和剝落情況的觀察和分析，用聲信號(hào)法、摩擦力曲線法和顯微鏡觀察法，綜合評(píng)定磁控濺射技術(shù)制備鐵氧體薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度。
1、試驗(yàn)過程
在JGP600 型高真空多功能磁控濺射儀制備鐵氧體薄膜[4] 。普通載玻片切割成25 mm×15 mm規(guī)格，經(jīng)100 # 剛玉砂紙打磨，硅晶基片切割成25 mm×10mm 規(guī)格，用丙酮和乙醇中超聲清洗，后進(jìn)行離子反濺射清洗。濺射條件如下：真空度6×10－5 Pa，濺射氣壓（Ar 氣）1.0×10－1 Pa，濺射功率為120W，濺射靶材為純度99.5%的鐵氧體復(fù)合靶。使用WS2000 型自動(dòng)劃痕測(cè)試儀（見圖1）測(cè)定薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度，試驗(yàn)過程如下：用一個(gè)一定頂角的錐形金剛石壓頭在薄膜表面以一定的速度滑動(dòng)，同時(shí)以一定的載荷逐漸施加壓力，同時(shí)自動(dòng)記錄膜被劃破時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)和摩擦力信號(hào),其參數(shù)為壓頭劃速2 mm/min，加載速率100 N/min。在劃痕試驗(yàn)中，當(dāng)載荷增大到某一數(shù)值時(shí)，薄膜開始破裂或剝離，聲信號(hào)曲線會(huì)發(fā)生突變，同時(shí)摩擦系數(shù)曲線將發(fā)生較大變化，此時(shí)的載荷即為薄膜的臨界載荷[5] 。通常臨界載荷的大小即表征了薄膜的界面結(jié)合強(qiáng)度的大小。
圖1 劃痕法試驗(yàn)裝置示意圖
采用美國(guó)DI 公司的Nanoscope Ⅲ掃描探針顯微鏡（SPM） 的原子力顯微鏡模塊觀察沉積薄膜的微觀形貌， 表征其粗糙度情況； 用NikonEPIPHOT 300 型光學(xué)顯微鏡設(shè)備觀察和分析薄膜劃痕的微觀形貌。
3、結(jié)論
由于基體材料不同引起沉積的鐵氧體薄膜粗糙度差別較大，在測(cè)試過程中，硅晶/ 鐵氧體薄膜劃痕形貌為裂紋狀擴(kuò)展， 臨界載荷可為19.7 N，界面結(jié)合強(qiáng)度較高；玻璃/鐵氧體薄膜劃痕形貌為剝落狀，臨界載荷為5.3 N，界面結(jié)合強(qiáng)度較低。
參考文獻(xiàn)
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