薄膜应力的研究进展

陈

焘,罗崇泰

（兰州物理研究所，表面工程技术国家级重点实验室，甘肃兰州730000）

摘

要：薄膜应力对薄膜性能具有重要的影响。主要介绍了薄膜应力形成机理和应力实验的研究进展，并探讨了

薄膜应力研究的发展趋势。通过选择适当的工艺条件以及表面处理可以改变薄膜的应力分布，提高薄膜的性能。

关键词：薄膜；应力；光学薄膜；模型中图分类号：O484

文献标识码：A

文章编号：1006-7086（2006）02-0068-07

THE RESEARCH PROGRESS OF THIN FILM STRESS

CHEN Tao ,LUO Chong-tai

（Lanzhou Institute of Physics,National Key Lab.Of Surface Engineering,Lanzhou 730000,China ）

Abstract:Influence of thin film stress is very significant on thin film properties.The progress of thin film stress development mechanisms and stress experimental study is introduced.The dominant direction of the study of thin fi-lm stress is discussed.Through the selection of processing parameters and surface modification.The distribution of th-in film stress is possible changed and thin film property is improved.

Key words:thin film;stress;optical film;model

1引言

随着真空科学与技术的迅速发展，薄膜应力在薄膜基础理论研究和应用研究中日益受到人们广泛的关注[1～9]。通过对薄膜应力进行系统的研究，阐明应力的产生机制，就可以深入了解应力对薄膜的生长过程和微观结构的影响；通过建立相关的薄膜应力控制技术，就可以控制薄膜应力的变化，从而减小薄膜元件的形变，提高元件的使用寿命。

薄膜应力的形成是一个复杂的过程。一般来说，薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性（如杂质、空位、晶粒边界、位错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等[10]。在薄膜形成后，外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力发生变化，如热退火效应使薄膜中的原子产生重排，结构缺陷得以消除（或部分消除），或产生相变和化学反应等，从而引起应力状态的变化。

2薄膜应力产生机理模型

人们通过对薄膜应力和微观结构的广泛研究，提出了不少薄膜应力起源的物理模型[11]，其中比较重要

的、能部分说明问题的有Winosita 模型、Kilcook 模型、Bauer 模型、Klockholm 模型以及Hoffman 模型。前3个模型比较适用于不连续的或者部分连续的薄膜，或者很薄的连续薄膜；后2个模型较适用于比较厚的连续薄膜。Winosita 模型认为，

薄膜中的本征应力来源于小岛的联合，因为小岛联合后的表面积小于联合前的小岛面积之和。Kilcook 模型则认为，本征应力来源于在薄膜形成过程中的退火作用，由于退火作用，薄膜中的空

收稿日期：2005-11-28.

基金项目：表面工程技术国家级重点实验室基金（51418060305HT6007）资助。

作者简介：陈焘（1973-），

男，甘肃省陇西县人，博士，从事空间光学薄膜及薄膜物理学研究。第12卷第2期2006年6月

真空与低温

Vacuum &Cryogenics

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人们对于本征应力还提出了其他模型，如杂质效应、钉扎效应等模型。杂质效应是指在成膜过程中，残留气体作为杂质进入薄膜，以及成膜以后薄膜表面发生氧化。此外，还有基片原子向薄膜中的扩散，这些杂质进入薄膜后，都使薄膜产生压应力。钉扎效应是指在溅射成膜时，在辉光放电中被加速的离子和原子（能量为102～104eV）撞击薄膜表面，并进入其内部，造成所谓钉孔。此外，以溅射形式飞出的原子一般有10eV左右的能量，远高于蒸发原子的能量。因此使晶体内部形成空位和离位原子，结果造成薄膜体积增大。由于以上原因，在溅射形成的薄膜中，经常存在压应力。

这些模型主要是针对于金属薄膜的应力而提出的，但是对于光学薄膜中常用的介质薄膜，特别是对于介质薄膜中压应力的产生机理，目前还不是很清楚。

Knuyt[12]通过研究离子束辅助沉积薄膜时应力的变化情况，提出了张压应力的转化模型。在这个模型中，可以对由几个沉积参数组成的连续函数对张应力到压应力的连续变化过程进行合理的解释。数值计算表明，薄膜的应力可以从张应力到压应力连续变化，但应力的实际大小取决于实验参数，因为它必须考虑薄膜中2个相邻柱状体之间的柱间间隙的大小。

多数光学薄膜器件都是由多层薄膜组成的，但是对于多层薄膜的应力研究还进行的比较少。Hsueh通过分析，提出了弹性多层薄膜的热应力分析模型[13]。在以前的模型中，通常假设整个多层薄膜系统的弹性模量为常数，但是实际情况并非如此。在这个分析模型中，考虑了各个膜层的弹性模量不同的情况，系统中的应变分布被分解为常数部分和弯曲部分。使用这种方法，膜层之间的边界条件自动得到满足，而且不管系统中的膜层有多少，仅仅只需要3个边界条件，就可以求解多层薄膜系统中的热应力分布。

最近，一种基于改进TFD(Thomas-Fermi-Dirac)理论[14]的新机制被用于解释薄膜中内应力的产生。这一解释认为，薄膜材料和基底材料表面电子密度的差异是内应力的起因，在薄膜与基底的界面处，表面电子密度必须保持连续。这一理论揭示了控制和减小薄膜内应力的一些途径：在材料筛选上，选择合适的薄膜材料可以一定程度地防止高应力的产生；在尺寸设计上，由于内应力的大小与薄膜基底的厚度比成反比，厚度比越小，薄膜中内应力越大，所以适当加厚薄膜可以减小内应力；在工艺上，如果采取能够减小薄膜和基底之间表面电子密度差的技术，可以有效地减小薄膜中的内应力。最近已经有研究者利用离子注入的方法，调整材料的表面电子密度，相关的实验结果证实，这确实能够很大程度地减小薄膜内的残余应力[15]。

总之，人们对于薄膜应力产生机理的研究已经取得了大量的成果，然而这些模型基本上都是定性或半定量的，每个模型本身只能说明部分实验事实。在对薄膜应力产生机理的研究过程中，也试图去控制薄膜中应力的变化，在这方面也取得了一些进展。

3薄膜应力的实验研究

在1965年，Anthony E Ennos就对各种光学薄

膜（主要包括介质薄膜和金属膜等）中的应力变化进

行了详细的研究，并且给出了ZnS、Na3AlF6、MgF2和

PbF2等单层薄膜及多层薄膜在成膜时的应力分布[16]。

研究结果显示：薄膜厚度至少达到3～5nm时才会出

现明显的应力；大多数薄膜存在着张应力，但有的薄

膜也出现压应力；有些薄膜（例如ZnS和MgF2等）在

生长开始后不久就形成了一个常数应力，即在薄膜中

建立了稳定的平衡应力，如图1所示；而一些薄膜

（Na3AlF6、PbF2等）中的应力是随着膜厚而变化的，如图2所示。同时也测试了PbF2/Na3AlF6、ZnS/Na3AlF6沉积速率：1为0.25nm/s；2为2.20nm/s。

图1ZnS薄膜的应力分布

陈焘等：薄膜应力的研究进展

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真空与低温第12卷第2期

变形结果放大因子为106

图4反射镜的有限元模型和应力引起的变形

多层薄膜的应力。从图3中可以看出：在开始沉积的几层薄膜中平均应力的大小波动很大，随着膜层数量的增加，应力逐渐趋于一个常数，当多层薄膜暴露于大气后，最后的多层薄膜应力略有下降。但对于应力的产生机理并没有进行研究。

Paul A Spence 和Michael P Kanouff 等利用有限元模型对由于应力引起的光学元件的变形情况进行了

数值计算，并且就变形引起的光学性能变化进行了分析[17]。研究者认为，均匀的膜层应力作用在平基片上就会产生球形形变和一个非球形的边界效应。从图4中可以明显的看到镜子表面周边的边界效应，镜子中心发生了球形形变，而镜子表面边缘明显向外突出，出现了非球形的边界效应。通过深入研究分析，作者提出了反射镜在设计和制作中应注意以下几个问题：光学元件的生产过程中应力应最小化；膜层中应力的变化量应最小化；基底尺寸在系统允许的范围内应最小化。在设计中必须综合考虑这几方面的因素。这些数值模拟结果为反射镜的设计提供了宝贵的参考数据。

图5为3种不同应力变化在基片上引起的非球形形变的轮廓线。结果表明：应力的变化对光学元件的非球形形变有很大的影响。应力的变化引起的非球形形变不仅发生在光学元件的边缘，而且布满整个光学元件的表面；单个周期的应力变化（第一种情况）引起的非球形形变明显大于另2种情况。研究还表明：由于应力变化引起的非球形形变是随着基片厚度的增加而减小的，而且不管应力分布（边缘效应）如何，发生在基片边缘的非球形形变，

图3

ZnS/Na 3AlF 6多层薄膜的应力分布

沉积速率：1为冰晶石，3.5nm/s ；2为冰晶石，2.3nm/s ；

3为锥冰晶石，4.0nm/s 。

图2

Na 3AlF 6薄膜的应力分布

形变位移大小=0.52nm

形变位移大小=0.39nm

形变位移大小=0.34nm

应力大小为-400MPa ；基片大小为φ200mm×10mm 。

图5由不同应力变化引起的非球形形变情况

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都是随着自由区的增大而增加的。因此必须综合考虑这2个方面的影响来优化设计基片的厚度。

图形的保真度是超紫外曝光机最基本的要求，当特征尺寸很小（小于90nm ）时，它变得更为重要。但是薄膜中的本征应力经常会引起掩模的变形，进而造成图形的失真。Zhaohua Feng 和Ed-

ward G Lovell 等研究认为：Stoney 方程是基于线

性弹性理论，它成立的前提是面内的应力必须均匀分布，然而实际上并非如此[18]。通过分析他们提出了一种薄膜应力测试的有限元技术。图6和图7所示的就是利用这种方法测试的反射镜多层薄膜中的形变和应力分布情况。结果表明，这种技术对于多层薄膜反射镜的非均匀应力分布的分析是很有用的，从而便于反射镜的应力控制。

近年来，随着微电子机械系统（MEMS ）的发展，薄膜应力的研究成为MEMS 制造中的一个关键问题。这是因为MEMS 材料经常以薄膜的形式存在。在MEMS 应用中要求薄膜本身具有较小的张应力，且膜内有小的应力梯度；如果薄膜内应力过大，会使MEMS 结构层形变甚至破裂，造成器件失效。例如JAMES Webb 太空望远镜上的多目标分光计（MOS ）的微快门阵列就是使用MEMS 技术制造的[19]。微快门阵列是由封闭的悬臂氮化硅膜组成，沉积在它上面的铁磁性薄膜（Co 90Fe 10）去实现快门的作用。由于沉积的Co 90Fe 10薄膜具有很大的张应力，造成了悬臂氮化硅膜的弯曲，如图8所示，尤其在太空应用中，微快门阵列工作在30K 的低温环境下，影响了MOS 的对比度。Yun Zheng 和Rainer Fettig 等研究认为，在高真空和低功率条件下溅射沉积的Co 90Fe 10薄膜具有更小的张应力。通过优化沉积参数，减小了膜层中的张应力，从而解决了微快门阵列的弯曲问题，制造出了平的微快门阵列，如图9所示。

图6

多层薄膜应力引起的形变3D 轮廓

图7多层薄膜反射镜的应力分布

图8高应力引起微快门阵列弯曲的SEM 照片

陈焘等：薄膜应力的研究进展

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真空与低温第12卷第2期

Kuo-shen Chen 和Xin Zhang [20]等通过研究等离子增强化学气相沉积氧化物和氮化物薄膜在热循环和

退火条件下的热力行为，阐明了本征应力的产生和控制机理，提供了MEMS 制造过程中应力控制的解决方法。研究表明，综合考虑加热速率和精确控制应力松弛过程，设计新的薄膜沉积过程，以减小薄膜应力（基片曲率）是完全可能的。提出了在氧化物薄膜中，氢的缺失和微空穴的缩小是张应力产生的主要原因，如图10、图11所示；并且通过实验证明高温退火可以减小氧化物薄膜的本征应力，如图12所示。这与理论计算的结果是相一致的。

张国炳、郝一龙[21]等通过对Pt/Ti/SiO 2复合膜应力的研究表明：多层膜的应力受单层膜的应力、单层膜厚度和不同单层膜的结构组成的影响；可以选取合适的结构组成厚度等，使复合膜为零应力或一定的应力梯度，以达到控制复合膜应力和应力梯度的目的。

范瑞瑛、范正修[22]对薄膜应力在强激光薄膜应用中的重要性进行了论述，分析了应力的形成原因及沉积参数、老化条件与薄膜应力的关系。薄膜在激光辐照下，由于残余应力的存在，加速了薄膜内的热力耦合作用，使其成为薄膜破坏的敏感因素。图13、图14分别给出了硅锗基底上的SiO 2单层薄膜和

BK7基底上的HfO 2/SiO 2多层膜的残余应力与基底

种类、沉积条件和老化时间的关系。实验研究表明：不同基底（Si 或Ge ）上的SiO 2薄膜的应力值是不一样的；Si 基底上的SiO 2薄膜的总应力随基底温度的上升压应力上升；随着沉积时氧压的上升压应力

图9平的微快门阵列SEM 照片

图10本征应力产生的几何模型图11在不同特征尺寸下空穴收缩过程中的本征应力

图12

PECVD 氧化物薄膜在退火时的应力松弛过程

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下降，在氧压高于一定值时甚至会使压应力变为张应力；随着老化时间和环境的变化，应力数值和性质也会发生变化。这样就可以找到一个使SiO 2薄膜的应力值最小的最佳基底温度和氧压值，以及最佳的储存环境和时间。

王若楠、刘继峰[15]等通过对CoSi 2薄膜中本征应力的分析，证明了基体与薄膜的原子表面电子密度差是薄膜本征应力的来源。通过离子注入和退火实验，发现薄膜中的应力随C +注入剂量的增加而减小，如图15所示，并且与理论计算的数值相吻合。

李爱侠、孙大明[23]等对在Si 基底上真空蒸发沉积Ag-

MgF 2复合薄膜的内应力进行了研究，采用了电子薄膜测

试仪对不同温度、不同厚度Ag-MgF 2复合薄膜内应力变化情况进行测试，得到基底温度(退火温度)在300～400℃范围内薄膜平均应力最小，且处于张应力向压应力的转变区域；在Ag-MgF 2复合薄膜中Ag 对复合薄膜内应力的影响大于MgF 2。

邵淑英、范正修[24]等采用ZYGO Mark Ⅲ-GPI 数字波面干涉仪对电子束蒸发方法制备的ZrO 2薄膜中的残余应力进行了研究，讨论了沉积温度、沉积速率等工艺参数对ZrO 2薄膜残余应力的影响。研究表明，

随着沉积温度和沉积速率的提高，ZrO 2薄膜中的残余应力由张应力变为压应力，且压应力随着沉积温度的升高而增大；ZrO 2薄膜中的残余应力主要来源于薄膜沉积过程中微结构的复杂变化，选择合适的沉积参数可以控制薄膜中应力的变化。

关于薄膜应力的研究已取得了大量的科研成果和丰富的实验数据。但许多研究主要集中在单层薄膜的应力研究，对于以多层薄膜为主的光学薄膜应力的研究还比较少，如果能在这方面多做一些工作，相信会对光学薄膜的应用起到很大的作用[25]。

4结束语

人们对薄膜应力在产生机理、应力梯度控制、应力对器件的影响等方面都展开了深入的研究，但普遍性

的结论并不多。从目前的现状看，今后薄膜应力研究的趋势主要集中在以下几个方面：（1）薄膜应力产生机

（a ）Si 基底上沉积的薄膜在真空中测得的应力值；（b ）Si 基底上沉积的薄膜在干净的室内空气中老化20天后测得的应力值；（c ）Ge 基底上沉积的薄膜在干净的室内空气中老化20天后测得的应力值。

图13

在200℃下沉积的SiO 2薄膜的残余应力与氧压的关系

（▲）样品1：保持在室内空气中；（○）样品2：2h 后放在真空内100h ；

（○）样品2：先在室内空气中2h ，再在真空中100h 后又在空气中。Si 基底；沉积温度285℃；氧压1×10-2Pa 。

图14

相同条件下蒸发的SiO 2薄膜在不同条件下的老化曲线

图15

CoSi 2薄膜内应力与Si 基体中C +

注入剂量的关系

陈焘等：薄膜应力的研究进展

73

真空与低温第12卷第2期74

（2）进一步研究薄膜应力理的深入研究，例如从分子动力学的角度进行计算机模拟来探讨应力的产生机制；

（3）随着MEMS器件的迅速发展，薄膜应力的精确测量显的控制技术，以期望得到预期的应力或应力梯度；

得尤为重要，因此研究薄膜应力的精确测量技术成为必然。

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