薄膜内应力产生因素
磁控溅射镀膜中,薄膜由于各种原因会产生内应力,不将其控制在合理的范围内会导致薄膜脱落等负面情况,大大减少使用寿命.内应力通常由于产生因素不同,会出现‘拉应力’和‘压应力’两种情况.由于内应力产生因素较多且镀膜种类方式均有不同,本文对其产生因素做一个简单概述,方便读者在实际工作分析时有一个初步的判断.
应力的定义
在材料单位面积上的作用力称为应力,如果应力由薄膜受外力作用引起的则称为外应力,如果由本身原因引起的则称为内应力.
综合来说,薄膜内应力的产生通常是其体积变化引起的,薄膜体积变化以及应力产生理论分析如下:
(1) 热应力:膜基膨胀系数不同+薄膜沉积时温差(产生附加应力)→膜基结合发生形变,产生热应力(2) 相变效应:气态液态固态,三态转换时体积变化产生内应力(3)空位的消除:退火处理;原子扩散等消除晶格缺陷,使薄膜内部空位和孔隙消失等,会影响薄膜体积收缩,产生拉应力性质的内应力.
(4)界面失配:指的是薄膜材料的晶格结构与衬底材料的晶格结构不同,薄膜与衬底接触面薄膜晶格结构会形成类似衬底的晶格结构,然后在向本来的结构慢慢过渡,这个过程会产生畸变,从而薄膜内部有内应力.
(5)杂质效应:薄膜沉积时,残余气体或其余杂质进入薄膜产生压应力.在薄膜形成时, 环境气氛对内应力有一定响应 .一般是压缩应力的产生与残留气体有密切关系 .残留气体作为一种杂质在薄膜中埋入愈多则愈易形成大的压应力 .另外, 由于晶粒间界扩散作用, 即使在低温下也可产生杂质扩散从而形成压应力 .
(6)原子、离子埋入效应:一方面薄膜沉积时会形成空位或填隙原子等缺陷造成薄膜体积增大,这些空位的存在会引起拉伸应力(而非压应力);另一方面反溅射过程中,由于外在离子轰击时薄膜表面原子向内部移动,导致体积增大.以上两点会导致薄膜产生内应力.
说法二:当使用阴极溅射法制备薄膜时往往会产生压应力.这种压应力一般是溅射薄膜中固有的应力.在阴极溅射过程之中入射到胞膜上的溅射原子都有10eV左右的能量.它比真空蒸发时的能量大约会高出1~2个数量级,因此在薄膜形成时可能形成空位或填隙原子等缺陷使薄膜体积增大.另外,在溅射过程中的加速粒子或加速中性原子常以10^2~10^4 eV的能量冲击薄膜,他们除了作为杂质被薄膜捕获以外,薄膜表面的原子也由内部移动埋入导致薄膜体积增大,在薄膜中形成了压应力.(注释:加入偏压引起的轰击影响内应力)(7)表面张力:固体的表面张力(表面能)大约是10^2~10^3dyne/cm^2,内应力中的一部分可以归结为这种表面张力.但是当内应力为10^4 dyne/cm^2时,其内应力就不能作为表面张力考虑.例如在LiE薄膜形成的初阶段它是岛状结构,这时的晶格间隔比块材宽一些,这样,表面张力是负值,小岛发生收缩.对于薄膜整体来说则形成张力形式的内应力.
(8) 靶电流影响:靶电流过大,导致靶材溅射原子能量过高,且沉积到衬底上的原子数量会很多,这样会使沉积薄膜存在内应力,减小结合力.
(9)表面张力和晶粒间界弛豫 在薄膜形成初期具有不连续结构的薄膜都是由孤立小岛或晶粒构成的, 这些晶粒受基体附着力的作用不能随意移动, 而且表面张力是压缩性的 ;它要向外扩展, 于是显示一种压缩应力状态 .
随着 晶粒的成长, 晶位间隔逐渐减小并达到接近晶格常数α 的数量级 .晶粒表面的原子与另一个晶粒表面的原子相互间受到引力作用, 相对应两个晶粒的两个表面结合起来形成了一个晶粒间界, 在晶粒结合时因表面能作用形成的压缩状态得到弛豫, 晶粒再进一步长大便产生张应力.
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