钛金属薄膜,由于在微机电系统(MEMS),医学注入,以及智能材料的潜在应用,已经被广泛的研究。但是,在一般沉积过程中薄膜残余的拉应力是钛金属薄膜更广泛应用的巨大障碍。薄膜中残余的拉应力不光会影响薄膜与基体之间的结合力,还会引起微机电系统结构的变形,引发位错活动,并且有可能影响材料的塑性性能。因此,研究钛金属薄膜残余应力的变化是非常必要的。本实验采用离子束辅助沉积结合金属离子注入的方法在单晶Si基体表面沉积了金属Ti膜,并对薄膜样品进行了不同温度的退火处理。实验中使用XRD方法对薄膜样品的物相进行了分析,用扫描俄歇纳米探针SAN进行薄膜样品的元素分析,用扫描电子显微镜SEM对薄膜样品表面及断裂面的形貌等特征进行了观察,用原子力显微镜AFM测定薄膜样品表面粗糙度和晶粒度,并用纳米压痕仪测量了薄膜的纳米硬度和弹性模量。本文研究的重点是退火温度对金属薄膜的残余应力以及机械性能的影响。薄膜的内应力问题一直为很多研究者所关注,本实验使用X射线衍射法对在不同退火温度下单晶Si基体上沉积的Ti膜的内应力进行了测量,结果表明,在400°C以下,所有样品的Ti膜内均呈现出压应力的特征,而在500°C时,Ti膜呈现出拉应力的特征。经过分析可以认识此种变化主要由于薄膜晶体的重结晶以及薄膜材料和基体材料热膨胀系数差异的综合结果产生。此外,不同的薄膜厚度对薄膜内应力性质和大小的影响也在本文中进行了研究。薄膜与基体材料之间的结合力向来都是评价薄膜力学性能的一个重要指标,它将直接影响薄膜材料的性能稳定性以及使用寿命。本实验使用扫描俄歇电子探针观察了金属薄膜与基体的结合情况,结果发现在沉积薄膜前对基体表面进行离子注入处理,可以在膜基界面处形成一层混和过渡层,从而大大提高金属膜与基体之间的结合力。实验中还研究了不同温度下薄膜的机械性能的变化,结果表明,随着退火温度的增加,薄膜的表面粗糙度及晶粒度均呈现不同程度的增大,从400°C到500°C的阶段尤为明显。相比较而言,退火温度对薄膜的纳米硬度和弹性模量影响不大,这可能是由于薄膜材料的晶体结构与块体材料的晶体结构有差异所造成。