溅射薄膜中的应力是什么？控制内部应力以实现可靠的薄膜性能

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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