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技术文章

薄膜内应力起因

    一般认为薄膜内应力是由热效应、相变、界面应力、杂质效应等因素综合作用的结果。
    一、热效应
    热效应是内应力的主要来源。因此在选择基片时应尽量选择其热膨胀系数与薄膜相接近的材料,或者选择可使薄膜处于压应力状态的基片材料。基片温度对薄膜的内应力影响很大,它直接影响吸附原子在基片表面的迁移能力,从而影响薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数最和分布,而这些都与内应力大小有关。
    二、相变
    薄膜的形成过程实际上也是一个相变过程,即由气相变为液相再变为固相,这种相变带来体积上的变化,从而产生内应力。在薄膜形成过程中,首先是在基片上凝聚成短程有序的类液体固相,这时薄膜并没有本征应力;当类液体固相向稳定的晶相转变以后,由于两相密度不同,就产生了本征应力。例如Ga由液相变为固相时体积将发生膨胀,因而薄膜内将产生内应力;Sb在常温下形成的薄膜一般是非晶态,当膜厚超过某一临界值时将发生晶化,晶化时体积收缩,薄膜内就产生张应力。
    三、界面应力
    当薄膜材料的晶格结构与基片材料的晶格结构不同时,薄膜最初几层的结构将受到基片的影响,形成接近或类似基片的晶格尺寸,然后逐渐过渡到薄膜材料本身的晶格尺寸。在过渡层中的结构畸变,将使薄膜产生内应力。这种由于界面上晶格的失配而产生的内应力称为界面应力。为了减少界面应力,基片表面晶格结构应尽量与薄膜相匹配。
    四、杂质效应
    在淀积薄膜时,环境气氛对内应力影响很大。真空室内的残余气体或其它杂质进人薄膜结构中将产生压应力。制备好的薄膜置于大气中,会受到环境气氛的影响,例如铜膜的表面遇到空气会在表面生成一层很薄的氧化层,它也会使薄膜增加压应力。进人薄膜中的残余气体还可能再跑出来,在薄膜中留下空位或微孔,从而出现张应力。由于晶界扩散使杂质进人薄膜中也会产生压应力。
    除了以上几种原因以外,在薄膜生长过程中由于小岛的合并、晶粒的合并、缺陷、微孔的扩散等,会引起表面张力的变化,也会引起薄膜内应力的变化。