溅射薄膜中的应力是什么？掌握应力控制以提高薄膜的耐用性

应力是溅射薄膜的固有特性，直接源于沉积过程的能量特性。薄膜可能表现出拉伸应力（薄膜被拉开）或压应力（薄膜被推在一起）。这种应力的类型和大小不是缺陷，而是由溅射沉积过程中使用的特定参数决定的可控结果。

溅射薄膜内的应力是决定其机械稳定性的最重要因素。理解这种应力是工艺参数——主要是溅射压力——的直接、可调的结果，是防止开裂、起皱和分层等常见失效的关键。

薄膜应力的起源：两种力量的故事

从根本上讲，薄膜应力源于原子沉积和成膜时的排列方式。它们到达时所携带的能量决定了这种排列，从而产生了两种相互对立的内部力之一。

理解拉伸应力（向外拉扯）

拉伸应力感觉就像一根被拉伸的橡皮筋。当薄膜中的原子平均比其理想平衡位置更远时，就会发生这种情况。

这通常是由原子以低能量到达基板引起的。它们缺乏移动到最稳定、最致密的堆积排列的活动性，导致薄膜结构内出现微小空隙。跨越这些空隙的自然原子间吸引力将薄膜向内拉扯，产生张力。

理解压应力（向内挤压）

压应力感觉就像一个被压缩的弹簧。当原子被强行比理想间距更靠近时，就会发生这种情况。

主要原因是“原子轰击”效应。当高能粒子（无论是溅射的材料原子还是来自等离子体的中性气体原子）轰击生长的薄膜时，就会发生这种情况。这种轰击有效地将原子锤入薄膜结构中，使其致密化，并将原子推入间隙状位置，从而产生压缩。

控制应力的关键工艺参数

薄膜中的应力不是随机结果。它是您选择的沉积条件的预期结果。通过调整这些参数，您可以直接控制最终的应力状态。

溅射气体压力

压力是控制应力最关键的旋钮。它直接影响到达基板的粒子的能量。

• 低压力：腔室中的气体原子较少，碰撞也较少。溅射原子以高能量到达基板，导致原子轰击和压应力。
• 高压力：更多的气体原子导致更多的碰撞。溅射原子在到达之前会损失能量，导致表面迁移率低、空隙增多，从而产生拉伸应力。

对于每种材料和系统都存在一个“过渡压力”，在此压力下应力从压缩翻转为拉伸。在接近此点运行是实现低应力薄膜的关键。

基板温度

提高基板温度会给到达的原子提供更多的热能。

这种增强的表面迁移率使它们能够移动并稳定在更稳定、能量更低的晶格位置。这个过程有助于减少空隙的数量，从而减小拉伸应力或减轻轰击产生的一些应变，减小压应力。

基板偏压电压

对基板（或基座）施加负电压会吸引等离子体中的正离子。

这会故意增加轰击生长中的薄膜的能量和离子数量。可以使用小的偏压使薄膜致密化，并将其从拉伸状态转变为轻微的压缩状态。大的偏压将引起非常高的压应力。

理解权衡和后果

应力的大小，无论是拉伸还是压缩，最终决定了薄膜是会存活还是会失效。

高拉伸应力的问题

过度的拉伸应力会超过薄膜自身的内聚强度。

这直接导致开裂和龟裂，因为薄膜实际上被自身拉开了。如果应力超过薄膜与基板的粘附强度，也可能导致分层。

高压应力的问题

过度的压应力会导致薄膜在横向上膨胀超出基板的尺寸。

为了释放这种应力，薄膜会从基板处拱起，形成皱纹或起泡。在半导体制造中，高压应力会导致显著的晶圆弯曲，从而干扰后续的工艺，如光刻。

目标：中性或轻微压缩

对于大多数应用来说，目标是接近零或轻微压缩的应力状态。轻微的压应力通常是可取的，因为它确保薄膜完全致密并积极抵抗裂纹的形成。

为您的目标做出正确的选择

理想的应力状态并非普遍存在；它完全取决于您的最终应用和潜在的失效模式。

• 如果您的主要关注点是机械耐用性和防止开裂： 目标是轻微的压应力状态，方法是使用较低的气体压力溅射或使用轻微的基板偏压来使薄膜致密化。
• 如果您的主要关注点是最小化晶圆弯曲以进行后续处理： 您必须精确调整溅射压力，使其在拉伸-压缩过渡点附近运行，以实现接近零的应力值。
• 如果您的薄膜正在与基板分层： 应力（无论是拉伸还是压缩）对于现有的粘附力来说太高了。您的第一步应该是通过调整压力来减小应力的大小，然后着手改善基板清洁和粘附层。

通过了解工艺输入与内部力之间的关系，您可以将薄膜应力从潜在的失效点转变为可控的工程参数。

摘要表：

应力类型	原因	主要控制参数	对薄膜的影响
拉伸应力	低能原子到达，导致空隙	高溅射压力	将薄膜拉开，可能导致开裂
压应力	高能轰击（原子轰击）	低溅射压力/基板偏压	将薄膜推在一起，可能导致起皱

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