在溅射薄膜中，应力是在沉积过程中和之后在薄膜内部产生的固有机械力。这种内部力可以是拉伸的（相互拉开）或压缩的（相互推挤），是直接影响薄膜结构完整性、附着力和整体性能的关键因素。
核心问题在于，赋予溅射薄膜所需密度和附着力的正是这种高能沉积过程，它也是内部应力的主要来源。了解这种应力的起源是控制它并防止灾难性薄膜失效的关键。
为什么应力是一个关键问题
机械失效的风险
过度的应力是薄膜机械失效的首要原因。当内部力超过薄膜的结构极限或其与基板的附着力时，通常会导致失效。
常见的失效模式
拉伸应力（将薄膜原子拉开）可能导致开裂。相反，高压缩应力（将原子推在一起）可能导致薄膜起皱或从基板上分层。
溅射薄膜中应力的主要原因
溅射薄膜中的应力源于两个不同的来源：沉积过程本身（内因性）以及薄膜与基板之间的相互作用（外因性）。
内应力：溅射过程
这类应力是在薄膜生长过程中形成的。溅射中的主要机制通常被称为“原子轰击”。
来自等离子体的高能原子和离子轰击正在生长的薄膜。这种轰击有效地将原子“推入”材料结构中，形成了致密的薄膜，但也产生了显著的压缩应力。
外应力：材料失配
这种应力是在沉积之后产生的，通常是在薄膜从加工温度冷却到室温时。
两个主要原因是热失配和晶格失配。如果薄膜和基板的热膨胀系数不同，冷却时一个收缩的程度会比另一个大，从而产生应力。同样，如果它们的晶体结构没有完美对齐，会在界面处产生应变。
理解权衡
密度与应力的困境
溅射中的高能粒子轰击是产生具有优异密度、纯度和附着力的薄膜的原因。然而，这种能量也是高压缩应力的主要驱动力。
降低沉积能量以减少应力有时会导致薄膜密度降低或孔隙率增加，从而影响其性能。目标不总是零应力，而是可控应力的最佳水平。
沉积参数的作用
管理应力需要仔细的平衡。调整溅射压力等参数可以改变轰击粒子的能量。较高的压力会导致更多的气相碰撞，从而降低粒子能量，进而降低压缩应力，但这也可能会影响薄膜密度。
根据您的目标做出正确的选择
控制应力需要调整您的沉积过程，并根据您的具体目标考虑沉积后的处理。
- 如果您的主要重点是防止开裂： 您需要管理拉伸应力，这通常意味着确保工艺不会产生空隙，或者通过引入低水平的有利的压缩应力来管理。
- 如果您的主要重点是防止分层： 您必须通过优化沉积压力或使用沉积后退火来使薄膜松弛，从而控制高压缩应力。
- 如果您的主要重点是最大化耐用性和附着力： 目标是达到低压缩应力的最终状态，这利用了原子轰击效应来形成致密薄膜，同时不会有机械失效的风险。
最终，掌握应力控制是将高性能、可靠的溅射薄膜与失效薄膜区分开来的关键。
总结表：
| 应力类型 | 主要原因 | 潜在失效模式 |
|---|---|---|
| 拉伸应力 | 低能沉积，空隙形成 | 开裂 |
| 压缩应力 | 溅射过程中的高能原子轰击 | 起皱，分层 |
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