薄膜残余应力是如何产生的

薄膜残余应力的产生

薄膜残余应力是薄膜生产、制备过程中普遍存在的现象。无论化学气相沉积法、物理气相沉积法，还是磁控溅射法等镀膜技术，薄膜中的残余应力都是不可避免的。薄膜应力是一种宏观现象，然而它却能够反映出沉积薄膜的内部状态。薄膜中残余应力的存在会影响其质量和性能。薄膜应力通常分为拉应力和压应力两类。例如，薄膜中的残余拉应力会加剧材料内部的应力集中，并促进裂纹的萌生或加剧微裂纹的扩展；而残余压应力会松弛材料内部的应力集中，可以提高材料的疲劳性能，但过大的压应力却会使薄膜起泡或分层。

无论使用哪种镀膜方式，当膜料在真空室中由蒸气沉积在基板上时，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。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。


热应力

热应力是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的，所以也称为热失配应力。热膨胀系数是材料的固有特性，不同种类材料之间的热膨胀系数可能有很大的差异。这种差异是薄膜在基底上外延生长时产生残余应力的主要原因。


内应力

内应力也称为本征应力，其起因比较复杂。目前对内应力的成因有以下几种理论模型。

（1）热收缩效应模型

热收缩产生应力模型的前提是：蒸发沉积时薄膜最上层会达到相当高的温度。在薄膜的形成过程中，沉积到基体上的蒸发气相原子具有较高的动能，从蒸发源产生的热辐射等使薄膜的温度上升。当沉积过程结束时，在薄膜冷却到周围环境温度过程中，原子逐渐不能移动。薄膜内部的原子是否能移动的临界标准是再结晶温度，在再结晶温度以下的热收缩就是产生应力的原因。

（2）相转移效应模型

在薄膜的形成过程中，发生从气相到固相的转移。根据蒸发薄膜材料的不同，可细分为从气相经液相到固相的转移，以及从气相经液相再经过固相到别的固相的转移。相转变时一般发生体积的变化，从而引起应力。

（3）晶格缺陷消除的模型

在薄膜中经常含有许多晶格缺陷，其中空位和空隙等缺陷在经过退火处理时，原子在表面扩散将消除这些缺陷，可使体积发生收缩从而形成拉应力性质的内应力。

（4）表面张力和晶粒间界弛豫模型

在薄膜形成的最初期核生成及其成长阶段，由于小岛中的原子和小岛本身是容易移动的，故不能产生内应力；当小岛增大时，它和基片之间的结合增强了，这时不但原子或小岛的运动受到抑制，而且由于表面张力，岛的结晶也受到了抑制，从而产生了压应力；当小岛再进一步增大时，岛与岛之间的距离变小从而引力增大，产生了拉应力；当岛与岛接近形成晶界时，拉应力达到最大。此后，如果晶界状态不变，应力就保持固定不变。

（5）界面失配模型

当与基体晶格结构有较大差异的薄膜材料在这种基体上形成薄膜时，如果两者之间相互作用较强，薄膜的晶格结构会变得接近基体的晶格结构，于是薄膜内部产生大的畸变而形成内应力。如果失配程度较小，会产生均匀的弹性变形；相反，如果失配程度较大，则会产生界面位错，从而使薄膜中的大部分应变产生松弛。这种界面失配模型一般用来解释单晶薄膜外延生长过程中应力的产生。

（6）杂质效应模型

在薄膜形成的过程中，环境气氛中的氧气、水蒸气、氮气等气体的存在会引起薄膜的结构发生变化。例如，杂质气体原子的吸附或残留在薄膜中形成了间隙原子，造成点阵畸变，并且还可能在薄膜内扩散、迁移，甚至发生晶界氧化等化学反应。残留气体作为一种杂质在薄膜中掺入越多，则越容易形成大的压应力。另外，由于晶粒间界扩散作用，即使在低温下也能产生杂质扩散从而形成压应力。

（7）原子、离子钉轧效应模型

在薄膜溅射沉积过程中，最显著的特点是存在着工作气体原子的作用，而且溅射原子的能量相对较高。在低的工作气压或负偏压条件下，通常得到压应力状态的薄膜，而压应力一般是溅射薄膜中固有的应力。

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