薄膜內(nèi)應(yīng)力起因
一般認為薄膜內(nèi)應(yīng)力是由熱效應(yīng)、相變、界面應(yīng)力、雜質(zhì)效應(yīng)等因素綜合作用的結(jié)果。
一、熱效應(yīng)
熱效應(yīng)是內(nèi)應(yīng)力的主要來源。因此在選擇基片時應(yīng)盡量選擇其熱膨脹系數(shù)與薄膜相接近的材料，或者選擇可使薄膜處于壓應(yīng)力狀態(tài)的基片材料。基片溫度對薄膜的內(nèi)應(yīng)力影響很大，它直接影響吸附原子在基片表面的遷移能力，從而影響薄膜的結(jié)構(gòu)、晶粒的大小、缺陷的數(shù)最和分布，而這些都與內(nèi)應(yīng)力大小有關(guān)。
二、相變
薄膜的形成過程實際上也是一個相變過程，即由氣相變?yōu)橐合嘣僮優(yōu)楣滔啵@種相變帶來體積上的變化，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在薄膜形成過程中，首先是在基片上凝聚成短程有序的類液體固相，這時薄膜并沒有本征應(yīng)力;當(dāng)類液體固相向穩(wěn)定的晶相轉(zhuǎn)變以后，由于兩相密度不同，就產(chǎn)生了本征應(yīng)力。例如Ga由液相變?yōu)楣滔鄷r體積將發(fā)生膨脹，因而薄膜內(nèi)將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力;Sb在常溫下形成的薄膜一般是非晶態(tài)，當(dāng)膜厚超過某一臨界值時將發(fā)生晶化，晶化時體積收縮，薄膜內(nèi)就產(chǎn)生張應(yīng)力。
三、界面應(yīng)力
當(dāng)薄膜材料的晶格結(jié)構(gòu)與基片材料的晶格結(jié)構(gòu)不同時，薄膜最初幾層的結(jié)構(gòu)將受到基片的影響，形成接近或類似基片的晶格尺寸，然后逐漸過渡到薄膜材料本身的晶格尺寸。在過渡層中的結(jié)構(gòu)畸變，將使薄膜產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種由于界面上晶格的失配而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為界面應(yīng)力。為了減少界面應(yīng)力，基片表面晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與薄膜相匹配。
四、雜質(zhì)效應(yīng)
在淀積薄膜時，環(huán)境氣氛對內(nèi)應(yīng)力影響很大。真空室內(nèi)的殘余氣體或其它雜質(zhì)進人薄膜結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生壓應(yīng)力。制備好的薄膜置于大氣中，會受到環(huán)境氣氛的影響，例如銅膜的表面遇到空氣會在表面生成一層很薄的氧化層，它也會使薄膜增加壓應(yīng)力。進人薄膜中的殘余氣體還可能再跑出來，在薄膜中留下空位或微孔，從而出現(xiàn)張應(yīng)力。由于晶界擴散使雜質(zhì)進人薄膜中也會產(chǎn)生壓應(yīng)力。
除了以上幾種原因以外，在薄膜生長過程中由于小島的合并、晶粒的合并、缺陷、微孔的擴散等，會引起表面張力的變化，也會引起薄膜內(nèi)應(yīng)力的變化。
