Ứng suất nộ

k là bán ính cong củ aU tại vị trí r= ro Giếng hẹp cĩ độ cong cao tương ư ùng với lớn, và giếng rộng cĩ độ cong thấp – bé

2.7.2.1. Ứng suất nộ

ở đo,ùY'_ thỉnh thoảng đư ợc gọi là modul đàn hồi 2 trục . Ư Ùng suất thoả biểu thư ùc (2.7.2) đư ợc gọi là ư ùng suất lư ỡng trục xy. Ư Ùng suất lư ỡng trục này sẽ sinh ra sư ï biến dạng theo trục z, trư ïc giao với mặt tăng trư ởng màng và nĩ thoả định luật Hooke 3 chiều :

   z x y  z Y 1         (2.7.2a)

Biểu thư ùc này sẽ trở về dạng (2.7.1) khi bỏ qua xvày. Cũng cĩ biểu thư ùc tư ơng tư ï với x

 vày .

Màng mỏng chư ùa 2 ư ùng suất : nội và ngoại. Ư Ùng suất ngoại sinh ra do kết quả của ngoại lư ïc tác động lên màng. Khi khư û ngoại lư ïc, thì ư ùng suất ngoại cũng biến mất. Như ng màng mỏng vẫn tồn tại ư ùng suất ngay cả khi khơng cĩ ngoại lư ïc đặt vào. Đĩ là ư ùng suất nội hay ư ùng suất dư . Nguồn gốc và bản chất của ư ùng suất nội là hiệu ư ùng cơ học trong màng.

2.7.2.1. Ứng suất nội

Ư Ùng suất nội dĩ nhiên khơng chỉ tồn tại trong cấu trúc màng – đế hợp chất, mà cịn tồn tại trong các vật liệu đồng nhất dư ới các tình huống riêng biệt, như xảy ra trong quá trình chế tạo hay gia cơng cơ, nhiệt sau khi chế tạo .

y 

x



Hình 2.7.3.

Kết quả biến dạng từ ứng suất 2 trục của một đơn vị thể tích khối lập phương

Mơ hình ư ùng suất nội phát sinh trong quá trình phủ màng đư ợc trình bày trên hình 2.7.4. Bất chấp sư ï phân bố ư ùng suất như thế nào, để duy trì cân bằng cơ học địi hỏi lư ïc F và moment uốn M phải triệt tiêu trên tiết diện ngang màng – đế. Như vậy :

0 dA F     dA 0 M y

ở đĩ A_diện tích tiết diện ngang ; M_ cánh tay địn của moment .

Hình 2.7.4. a) Màng dưới ứng suất dư căng ; b) Màng dưới ứng suất nén dư .

Trong trư ờng hợp thư ù nhất (hình 2.7.4a), màng phát triển co lại so với đế, nếu màng khơng bị gắn chặt với đế. Tuy nhiên, khi màng và đế gắn chặt vào nhau, thì chúng sẽ bị ràng buộc vào kích thư ớc bên, tư ùc là màng và đế phải cĩ độ dài bằng nhau. Như vậy, ư ùng suất sẽ phát triển như thoả mãn sư ï cân bằng lư ïc : lư ïc căng phát triển trong màng cân bằng với lư ïc nén trong đế. Tuy nhiên, đĩ khơng phải là sư ï cân bằng cơ học vì các momen ở mép khơng cân bằng. Nếu cặp màng – đế tư ï do, thì nĩ sẽ cong đàn hồi như chư ùng tỏ trên hình, để chống lại sư ï khơng cân bằng của momen. Như vậy, ư ùng suất nội của màng sẽ làm cho đế cong lên. Cũng lý luận tư ơng tư ï, ư ùng suất nội của màng sẽ làm cho đế cong xuống (hình 2.7.4b). Khi ư ùng suất căng đủ lớn, thì màng sẽ nư ùt g ãy. Khi ư ùng suất nén đủ lớn, thì màng sẽ cĩ nếp nhăn, rằng hạ thấp độ bám dính trên đế.

Bây giờ chúng ta hãy giả thiết rằng, h << hs . Đối với một đơn vị độ rộng theo y, cân bằng lư ïc theo hư ớng x, đồng thời bỏ chỉ số x và dùng phư ơng trình (2.7.2) :

Màng Đế hs hf a) Màng Đế b) hs hf x z y Hình 2.7.4c. W

F = Fs , hay h =shs . Hay s s s f f f h 1 Y h 1 Y                    .

Vì hf << hs, suy ra rằng f s. (trư ø khi: Ys<< Yf ) Điều đĩ cĩ nghĩa rằng, chủ yếu mọi biến dạng xuất hiện trong màng, và kích thư ớc bên của màng hồn tồn đư ợc xác định bằng kích thư ớc bên của đế.

Như õng yếu tố làm ảnh hư ởng lên ư ùng suất nội :

Chúng ta chỉ khảo sát như õng yếu tố ảnh hư ởng lên ư ùng suất tư ø quá trình chế tạo. Đĩ làhố, cấu trúc vi mơ và hạt bắn phá. Phản ư ùng hố học xảy ra trong quá trì nh phủ màng cĩ thể sản sinh ư ùng suất khi chúng liên tục xảy ra cùng mư ùc độ dư ới bề mặt tăng trư ởng. Phản ư ùng, ở đĩ cĩ bổsung vật liệu, thì cấu trúc này sẽ sản sinh ư ùng suất nén. Cịn phản ư ùng, ở đĩvật liệu bị loại thì sản sinh ư ùng suất căng. Ví dụ, phản ư ùng hố học kim loại, như Ti đư ợc phủ trong buồng chân khơng xấu, hoặc với O2 _ khí cịn lại bổ sung, cĩ thể phát triển ư ùng suất nén, do quá trình oxide hố dư ới bề mặt. Trái lại p hủ màng – plasma Silicon Nitride (SiNxHy) đư ợc dùng tư ø SiH4 và NH3, thì phát triển ư ùng suất căng lớn, vì Si(NH2)3 liên tục để bay hơi NH3 tư ø phía dư ới bề mặt tăng trư ởng, như nĩ ngư ng tụ hố học Si3N4. ( 3Si(NH2)4  Si3N4 + 8NH3). Quá trình hố học đĩ cũng cĩ thể thay đổi ư ùng suất trong quá trình thi cơng sau khi phủ màng .

Cấu trúc vi mơ của màng và sư ï phát triển của nĩ theo thời gian dư ới bề mặt tăng trư ởng cĩ thể sản sinh ư ùng suất căng. Tron g số các vùng cấu trúc đã đư ợc trình bày trên hình (2.4.2), màng trong vùng I cĩ ư ùng suất nhỏ, vì ư ùng suất khơng thể làm giá đở dọc lỗ trống vi mơ giư õa các vi tinh thể nến. Tuy nhiên, khi màng chuyển theo hư ớng cấu trúc bĩ chặt vùng T hoặc vùng II, thì lỗ trống vi mơ sẽ bị phá vỡ, các hạt cơ lập sẽ kết tụ dư ới tác động của lư ïc hút nguyên tư û trên biên hạt. Khi đĩ, liên kết biến dạng – căng phát triển. Ư Ùng suất căng cĩ thể phát triển thêm khi sư ï kết tinh lại của vật liệu, do sư ï bĩ chặt, như đư ợc trình bày ở mục 2.5 .

Bắn phá bề mặt màng bằng ion hay hạt trung hồ năng lư ợng cao cĩ thể sản sinh ư ùng suất nén, do cấy như õng hạt này vào bên trong màn g và do truyền động lư ợng đến nguyên tư û bề mặt. Chúng chen vào giư õa các nút mạng, ép buộc các nguyên tư û lân cận phải dồn nén ra ngồi và kết quả cuối cùng là mạng nở rộng. Bắn phá các hạt năng lư ợng lên màng trong quá trình phủ là phư ơng pháp rất hiệu dụng để trung hồ ư ùng suất căng sinh ra do hiệu ư ùng hố học hay cấu trúc vi mơ. Trong nhiều trư ờng hợp, nĩ cĩ thể dùng để điều khiển ư ùng suất .

Hình 2.7.5, trình bày tính chất chung cu ûa ư ùng suất màng ftheo áp suất p trong lớp phủ bằng phư ơng pháp phún xạ (Thornton, 1986). Chuyển tư ø vùng I đến vùng T do p giảm trong phún xạ sẽ gây nên hai hiệu ư ùng : giảm sư ï phân tán của gĩc tới của h ạt phủ và tăng động năng của hạt đĩ. Sư ï chuyuển đĩ sẽ làm cho ư ùng suất căng tăng, vì các lỗ trống vi

mơ bị phá vở. Độ cao cư ïc đại của ư ùng suất căng cĩ liên quan đến sư ï giảm Ts Tm đối với nhiều kim loại, vì ư ùng suất nhỏ hơ n khi bản thân nĩ bị đốt nĩng ởTs Tm thấp hơn. Tại áp suất p thấp hơn, ư ùng suất sụtdo bịdồn nén bởi các hạt năng lư ợng cao, và đối với một số vật liệu nĩ trở thành ư ùng suất nén. Ư Ùng suất nén cũng cĩ thể nhận đư ợc bằng cách d ùng thế dịch âm trên đế để gia tăng sư ï bắn phá của ion năng lư ợng cao .

Mặc dù đã bàn luận về nĩ, như ng nguồn gốc của ư ùng suất ở trạng thái phủ màng thư ờng chư a đư ợc biết rõ, và rất nhiều cơng trình cịn lại phải thư ïc hiện trong lĩnh vư ïc này để hiểu và điều khiển nĩ một cách hiệu dụng .