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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