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氧化膜
冶金术语之一
基本信息
| 中文名 | 氧化膜 |
| 外文名 | oxidation film oxide film |
| 领域 | 冶炼 |
| 代表例 | 热氧化法及气相成长法 |
| 用途 | 半导体器件制造上有极为重要作用 |
| 学科 | 冶金术语 |
收起
产生和释放
高温合金或高温防护涂层的抗氧化性能依赖于表面能否形成一层致密、完整的氧化膜。氧化膜内应力是决定氧化膜完整性的重要因素。这是因为氧化膜内普遍存在的应力，往往导致氧化膜发生开裂和剥落，致使氧化膜丧失保护作用。通过对氧化膜应力的研究，可以了解氧化膜破裂机理，进而达到改善氧化膜抗剥落性从而提高金属材料或防护涂层的抗氧化性能的目的。
氧化膜应力的精确测量是氧化膜应力研究的基础。已经发展了多种氧化膜应力原位测量技术。由于氧化膜较薄，氧化膜与基体金属构成一动态复合体系以及环境温度高等特点，氧化膜应力的测试技术与常规薄膜的不同。从四十年代开始对氧化膜应力进行定量测量，由于技术的限制，测试范围和精度一直达不到像薄膜残余应力测量的程度。但是，近年来随着新技术的应用和研究的深入，在氧化膜应力方面才取得了明显进展。尽管如此，对氧化膜应力的研究工作还远远不够，许多问题亟待进一步澄清。
应力产生
氧化膜中存在两种类型的应力：氧化膜恒温生长时产生的生长应力和温度变化时由于金属与氧化物的热膨胀系数不同而产生的热应力。
生长应力
生长应力的产生因素较多，归结起来主要有：
1)氧化物和形成该氧化物所消耗金属的体积不同(对应的比值定义为Pilling-Bedworth比，简称PBR)；
2)氧化物在基体金属上取向生长；
3)金属或氧化膜成份变化；
4)膜内晶格缺陷；
5)新氧化物在已经形成的氧化膜内生成；
7)材料表面的几何形状。
通常认为第一种因素是最重要的。对各向同性的氧化膜，对实用纯金属，PBR通常大于1，氧化膜内存在压应力。而氧化物在基体金属上取向生长造成晶格畸变。这部分应力只对特别薄的膜才明显。对于不同的金属体系或是在不同的氧化条件下，其它因素的作用也可能十分突出，甚至是主要的。例如，通常认为氧化铝膜发生横向生长，即新的氧化物主要在已形成膜内的晶界处生成。此时，氧化膜横向生长是应力产生的主要因素。另外，金属试样初始表面形状对氧化膜内应力的性质及大小也有着十分明显的影响。Huntz认为，在许多情况下，氧化膜应力的性质与氧化膜的生长机制有更直接的关系。
应力释放
氧化膜内最终存在的应力水平应该是部分应力释放后取得平衡的应力。膜内应力的释放机制主要有三种:
(1)氧化膜塑性变形；
(2)金属基体塑性变形；
(3)氧化膜发生开裂和剥落。
材料的塑性变形包括两种类型:简单滑移和高温蠕变。高温蠕变可按三种机制进行:晶界滑移、扩散蠕变和位错攀移。其中，扩散蠕变包括体扩散控制的Herring-Nabarro蠕变和晶界扩散控制的Coble蠕变。对于大多数氧化物，高温下不具备发生滑移所必须的5个独立体系，因此高温蠕变将是氧化膜塑性变形的主要方式。在氧化物内，扩散慢的离子成为蠕变的控制步骤，同时温度和氧化物晶粒大小具有明显的影响作用。但是，已进行的大量高温性能的研究工作是针对大块烧结制备的氧化物的，而对薄氧化膜塑性变形机理的研究还极少。必须明确热生长薄氧化膜与烧结制备的大块氧化物性质有可能不同。这是因为，其一，尺寸效应的作用；其二，氧化物的掺杂不同；其三，氧化膜中存在化学位梯度，即在氧化膜中点缺陷的浓度呈分布状态，氧化膜中的变形速度与位置有关。
对冷却过程中氧化膜应力释放的大小进行了仔细研究。结果表明，冷却速度较快时，氧化膜通过蠕变释放应力很小。而当冷却速度足够慢时，释放的应力就很明显。在恒温氧化过程中，氧化膜的塑性变形是十分普遍的。这种现象在金属初始氧化过程中可原位观察到，较厚的膜也会发生大的弯曲。金属的塑性变形更易发生。条状试样氧化后其长度增加就是最明显的例子。
应力测量技术
氧化膜应力原位测量技术主要有:弯曲方法、高温x射线衍射法及光谱方法。其它方法还包括螺旋条法、圆盘法、线膨胀法及悬链线法等，但它们的应用极为有限。弯曲方法和高温x射线衍射法都存在明显不足。近些年由于对弯曲法的改进以及光谱技术的应用，使氧化膜应力测量精度有较大提高，并能够测量氧化膜内应力分布或微区应力。
稀土对氧化膜应力影响的精确评定
在试样一侧面通过离子注入稀土元素或表面涂覆稀土氧化物，如稀土对氧化膜应力产生影响，那么氧化过程中试样发生偏转。依据试样弯曲的方向和大小来判定稀土的作用。在特定条件下还可以获得由稀土引起的氧化膜应力的改变。或者，采用上述双面氧化弯曲法测得不含稀土合金上形成的氧化膜应力，然后依据单面添加稀土试样的偏转可计算得出含稀土表面氧化膜应力的绝对值。
综上，双面氧化弯曲法由于试样不需镀制保护膜，不受氧化温度和氧化时间的限制，并提高了测试精度。在研究稀土的影响时，不需要知道含稀土合金的杨氏模量及泊桑比等力学参量，对试样弯曲有影响的其它因素的作用相互抵消，测试精度有显著改善。
高温X射线衍射法
X射线衍射法是常用的一种薄物理膜残余应力测量方法。在X衍射仪上附加高温台，应用常规的“Sin2φ”法可实现原位测量氧化膜应力。但由于薄氧化膜的衍射峰通常较弱，高角度衍射峰和基体金属的衍射峰经常重合，所以这种方法除需大型设备外，测量值往往较分散。低的测试精度使这种技术不足以测量初始形成的膜内快速变化的应力以及长时间氧化后形成的较厚的膜内低的应力值。
方法
1）激光喇曼光谱方法
喇曼散射光谱与固体分子的振动有关。如固体存在应力时，某些对应力敏感的谱带会产生移动和变形。其中频率变化与所受应力成正比，即α=α·Δγ.α为频率因子，Δγ为被测试样和无应力标准样的对应力敏感的相同谱峰的频率差。测量时，首先需对α值进行标定。
Birnie等人最早利用激光喇曼光谱方法研究氧化膜应力。原位测量了纯Cr在800℃下Ar+O2气氛中氧化形成的Cr2O3膜生长应力以及室温下测量Cr2O3膜的残余应力与应力分布。测量结果表明，晶粒中心处存在压应力，晶界处存在同等大小的张应力。这一结果对于了解氧化膜内应力存在状态以及应力导致膜内裂纹形成很有意义。
激光喇曼光谱方法测试简洁，可方便地应用于高温原位测量。特别是激光束斑直径小(可达1μm)，对氧化膜透射深度浅(对Cr2O3膜为0.3～0.5μm)，测量氧化膜内微区应力以及应力分布时有着极大的优越性，测量精度在10%以内。该方法还适用于对初期氧化形成的薄氧化膜分析，并可同时确定氧化膜相组成。因此，该项技术在氧化膜应力研究中受到重视。
2）荧光光谱方法
和激光喇曼光谱方法相比较，它们都具有高的空间分辨率，都可以测量微区应力与应力分布。荧光光谱法中，谱线频移与所受应力间有更直接的关系，它的谱线强度超过喇曼光谱的几个量级，这点对于非接触精确测定频移是非常重要的，即这种方法的测试精度要高。荧光光谱法也具有不足之处，只对几种体系有效:Cr3+掺杂的Al2O3，Sm5+掺杂的YAG，Cr3+掺杂的MgO。但是，由于主要的高温合金都是形成Al2O3膜的，而合金中大多数是含Cr的。因此，Cr3+掺杂的Al2O3体系具有代表性。当用于高温时，由于热效应会引起谱线宽化，所以温度限制在600℃以下。
稀土元素影响
在合金内添加稀土元素或稀土氧化物可显著提高合金的抗氧化性能，包括降低氧化膜生长速率和改善氧化膜的粘附性。稀土元素的作用机理还不十分清楚。通常认为氧化膜粘附性的改善起因于多种原因，例如降低了氧化膜应力或者促进膜容纳生长应力。但已进行的直接测量结果并不完全支持这一假设。例如，Delaunay等人的实验结果表明，添加稀土元素可显著降低Ni-Cr、Fe-Ni-Cr及Fe-Ni-Cr-Al合金上复合氧化膜的生长应力。我们较早发现离子注入Y增大了Fe-23Cr-5Al合金上Al2O3膜生长应力，以后更细致的实验也得到同样的结果。Buscail等人发现表面的CeO2膜对纯铁800℃氧化形成的FeO膜的生长应力几乎没有影响。而其它研究者采用间接的方法也证实，体内添加Y导致Fe-Cr-Al合金表面Al2O3膜生长应力增大。
由于合金添加稀土后，会对氧化物晶粒尺寸及氧化膜自身的力学性质产生影响作用，稀土对氧化膜应力有影响是肯定的。既然有证据表明，稀土并不总是降低氧化膜应力，因此认为稀土更可能的是通过改善氧化膜/合金界面结合强度来提高氧化膜的抗剥落性能。这一结论有待于更多的关于稀土元素对氧化膜应力影响的测量工作来证实。
总结
虽然已对氧化膜应力进行了大量研究，但普遍性的结论并不多。对Cr2O3及NiO的应力研究较深入，而针对Al2O3膜的研究还极少。氧化膜应力研究与对氧化膜形成机理的研究密不可分。同时，在应力测量技术上还要不断鉴借薄膜物理领域研究的新成果。今后的研究重点归结起来有：
(1)深入了解氧化膜应力的变化规律及影响因素；
(2)氧化膜应力释放与氧化膜显微结构、表面及界面形貌的关系；
(3)明确氧化膜内微区应力集中对膜内初始裂纹形成的作用以及氧化膜内宏观应力对裂纹扩展的作用。
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