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关于薄膜加工时残余应力防控的探讨

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链行走-发帖时间:2025/7/7 16:55:56
薄膜加工过程中残余应力的产生,是影响薄膜性能与质量的关键因素之一。残余应力的存在不仅会降低薄膜的机械性能,还可能导致光学性能的不稳定,甚至在极端情况下引发薄膜的开裂或剥落。因此,如何在加工过程中有效控制和减少残余应力,是薄膜制造技术中的一个重要课题。
一、优化工艺参数
(一)控制沉积温度
沉积温度对薄膜内应力的影响极为显著。以ZrO₂/SiO₂多层膜为例,当沉积温度为260℃且界面应力为3MPa时,模拟曲线与实际曲线拟合最佳,此时应力补偿效果最为理想。温度过高或过低,应力补偿效果均会变差。因此,在实际生产中,应根据薄膜材料的特性,精确控制沉积温度,以达到最佳的应力补偿效果。
(二)调整膜层厚度比
膜层厚度比对残余应力的影响也不容忽视。以SiO₂和ZrO₂为例,当厚度比为94:70时,界面应力为-4MPa,此时计算曲线与实验曲线拟合最好。在实际生产中,可以通过调整膜料厚度比来改善应力分布,从而减少残余应力的产生。
(三)优化镀膜工艺参数
基底温度、工作气压、沉积速率等工艺参数对薄膜中最终残余应力水平有着直接影响。基片温度影响吸附原子在基片表面的迁移能力,进而影响薄膜的结构和成分。例如,在溅射镀膜过程中,随着反应腔内溅射气压的增大,高能离子浓度增大,气体分子自由程减小,原子喷丸效应削弱,压应力减小,张应力先增大再减小。因此,优化这些工艺参数,可以有效控制薄膜中的残余应力。
二、添加缓冲层或组合应力匹配膜层
(一)添加缓冲层
在基底和多层膜之间添加缓冲层,能够有效中和薄膜应力,降低或消除基底变形。缓冲层应具有较大与薄膜应力相反性质的应力,通过改变缓冲层厚度,可以调控基底变形,得到净应力值接近零的样品。例如,Mo-Si多层反射膜在添加缓冲层后,应力可从几百MPa降至小于100MPa。
(二)组合应力匹配膜层
依靠两种应力性质相反的膜层之间应力互相抵消,可以减小整个薄膜的应力,同时保证良好的光学性质。这要求两种膜料除满足光学性能要求外,还应具有相反性质的薄膜应力。通过合理设计膜层结构,可以实现应力的有效平衡,从而减少残余应力。
三、采用后处理技术
(一)热处理
在一定温度下进行有氧退火,是普遍的后处理技术,有助于降低氧化物膜的吸收和散射损耗。例如,HfO₂薄膜经较高温度退火处理后,应力向张应力方向变化。Livermore实验室通过有效热处理,使Mo-Si多层反射膜应力降至低于100MPa。热处理可以通过控制温度和时间,使薄膜内部的残余应力得到释放,从而减少因残余应力导致的变形问题。
(二)激光预处理
对薄膜进行激光预处理可以有效改变薄膜应力。例如,激光束热冲击方法对电沉积镍涂层中残余应力影响显著,合理激光束辐照后,应力性质改变且力学性能改善。激光预处理能够通过精确控制激光能量和作用时间,实现对薄膜应力的有效调控。
四、其他方法
(一)离子注入
利用离子注入方法调整材料表面电子密度,可以减小薄膜内残余应力。离子注入能够通过改变材料的表面结构和成分,实现对残余应力的有效控制。
(二)同温沉积
在原子层沉积中,采用同温沉积可以有效减少界面热应力。通过精确控制两种薄膜的原子级层厚与组合顺序,可以实现残余应力均小于5MPa的近零应力纳米叠层封装阻隔膜制备。同温沉积能够确保膜层在沉积过程中温度一致,从而减少因温度差异导致的应力产生。
综上所述,残余应力是薄膜制造中不可避免的现象,但通过优化工艺参数、添加缓冲层或组合应力匹配膜层、采用后处理技术以及其他辅助手段,可以有效控制和减少残余应力的产生。
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