光学薄膜应力研究

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1、浙江人学硕J：论文Zono1Zon41,2Zono3T1T2Tempera乞ure———'Zone1Zone2Zone3‘o．3Tmo．召一o．45k'o·嘎5Tm‘o．z6Tmo．3一o．．15TOA，o．45Tm图1-1薄膜结构的分区模型聚集密度是表示薄膜微结构的一个重要参数。薄膜的聚集密度P与薄膜中的总空隙’体积有关，其定义为。薄膜中固体部分的体积(即柱体)，，．、‘薄膜的总体积(即柱体+空隙)r¨对于实际薄膜，P一般在0．75．0．95之间，只有离子镀、溅射或离子辅助等技术才能使聚集密度

2、接近1。对于多数薄膜而言，不论其化学成分如何，都具有相同的基本结构。这说明微结构的不同几乎完全是由物理过程的不同引起的。最成功的解释是凝聚离子有限的迁移率和沉积粒子对入射粒子造成的阴影。薄膜生长其实是一个远离平衡态的过程，因为蒸发源温度很高，而基板温度很低，这就使薄膜沉积粒子在基板表面的凝聚系数几乎达到了l，但另一方面，蒸发源温度很高，基板温度很低也使薄膜的沉积粒子迅速冷却或淬火，从而大大降低了粒子的表面迁移率。对薄膜微观结构的深入认识更多的是来源于薄膜生长的计算机模拟。Hendersont8】

3、等假定球状粒子是随机到达基板表面的，然后他们要么直接粘贴在它们到达的位置上(即迁移率为零)，要么可以滚动到由三个球支撑的最低能量的位置上(即对应于有限的迁移率)，这种三维模拟计算量都很大。因此Dirks等[91将其进一步近似为二维，这时分子4浙江人学硕上论文是两点支持的圆。Mueller基于二维分子动力学模型进一步模拟了微结构与入射粒子动能的关系。为了使基板温度不因入射粒子而上升，新沉积原子在到达基板之前，需要有足够时间来耗散其能量，从而消除了热效应引起的结构变化。薄膜的微结构使薄膜的机械性能发

4、生了变化，尤其是对薄膜应力产生了很大的影响。薄膜应力与薄膜柱体之间的作用力密切相关。对于介质膜，典型的应力值为108Pa数量级。应力特性虽因材料而异，但薄膜中的内应力和薄膜密度之间存在很强的联系，总体上高聚集密度的薄膜，由于其柱体之间空隙很小，他们之间产生一个排斥力，而宏观应力呈现压应力。反之，低聚集密度的薄膜呈现张应力。§1．4薄膜的应力薄膜的应用日益广泛，薄膜镀制方法一般归类于物理气相沉积法(PVD)，其成膜过程可分为三步，首先是将薄膜材料由固态变成气态，其次将薄膜的气态原子或分子或离子穿过

5、真空抵达基板表面，最后薄膜材料沉积在基板上渐渐形成薄膜。不论使用何种镀膜方式，当膜料在真空室中由蒸汽沉积在基板上时，由于从气体变成固体，这种相的转变会使膜料的体积发生很大的变化，此变化加上沉积原子(或分子)和原子(或分子)间的挤压或拉伸，在成膜过程中会有微孔、缺陷等产生而造成内应力(intrinsicstress)；当镀膜完成后，镀膜机内的温度从高温降至室温时，由于薄膜和基板之间的热膨胀系数不同，导致收缩或伸长量不匹配而产生热应力他ennalstress)。几乎所有薄膜都存在着的应力，它对薄膜的

6、性能，特别是牢固性产生很大威胁。薄膜应力通常分为张应力(tensilestress)和压应力(compressivestress)两类。在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，如果膜层的张应力超过薄膜的弹性限度，薄膜就会破裂，破裂时薄膜会离开基板而剥落。在压应力作用下，薄膜有向表面扩张的趋势，薄膜向内侧弯曲，当压应力超过薄膜的弹性限度时，会导致膜层起皱。如图1．2所示。尤其在集成设备迅速发展的今天，薄膜应力对器件的稳定性和寿命的影响更是不容忽视的。浙江人学硕上论文张应力(tensilestress)

7、压应JJ(compressivestress)图卜2薄膜受到张应力和压应力的示意图薄膜应力的相关研究有着相当长的历史，一百多年来许多学者先后针对各种沉积技术制备的薄膜进行研究。最早在1858年英国化学家Gore【lo】就已经发现电镀的薄膜内存在应力，其报导指出电镀锑时，在内、外表面的内聚张力(cohesivetension)不相等，且悬臂式阴极会凹陷弯曲，这表示电镀沉积的金属薄膜呈张应力状态。1877年Mills／11】曾对化学沉积的薄膜中的机械应力进行定性研究。三十年后Stoney[12】利用

8、金属薄片基板的变形成功地测量了电镀薄膜的应力。因此，Stoney可以说是历史上第一个测量应力的人。在此之后几乎所有测量都是利用类似Stoney的方法进行的，并以他导出的公式为基础对薄膜应力进行研究。§1．4．1薄膜应力的成因关于薄膜内应力的成因，许多学者从不同角度进行了研究，分别提出了不同的物理模型。由于内应力比较复杂，至今没有一种模型能够对内应力进行全面分析。对金属薄膜的研究较多，并且先后提出了很多物理模型。比较重要的有Kinosita模型【13】、Wilcook模型141、Bauer模型15