SiO_2薄膜热应力模拟计算
SiO_2薄膜热应力模拟计算
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华 南 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2009年
值差异很小 ,薄膜热应力为压应力 ,其值随镀膜温度 的升高而增大. 从图 6可知 ,薄膜应力随着薄膜厚度 的增加而减小 ,尽管模拟值与理论计算值存在一定 的差异 ,但其变化趋势是一致的. 图 7 表明 ,随着薄 膜基底厚度的增加 ,薄膜应力先是快速增加 ,然后逐 步趋于一个稳定值. 因此在实际制膜时 ,基底最好不 要太薄 ,在满足使用的前提下应尽量让基底达到一 定的厚度值.
图 2 薄膜应力数值计算值 Fig. 2 The numerical results of stress in thin film
注 :镀膜温度为 190 ℃,应力单位为 MPa. The coating temperature is 190 ℃, and the unit of stress is MPa.
图 1 约束示意图 Fig. 1 A schematic rep resentation of constraint
在有限元模型中 ,为保证热应力计算的精度 ,对 模型进行映射网格划分 , SiO2 薄膜采用较大的网格 密度 ,玻璃基底采用较小的网格密度. 整个模型分析 采用二维耦合场实体单元 p lane 13,该单元具有二 维磁场 、温度场 、电场和结构场之间有限耦合功能.
- 1871490 M Pa, 理 论 值 为 - 1861841M Pa, 误 差 为 01347%. 由此可见 ,本文所建模型与理论计算值在 不同条件下的偏差是一致的 ,这从一个方面说明该 模型是合理的.
薄膜应力
第9章 压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求： （1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。
（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。
第一节 压力容器概述1、容器的结构如图1所示，容器一般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。
图1 容器的结构示意图2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。
压力容器的分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。
本节主要介绍以下几种：○1按照在生产工艺中的作用 反应容器（R ）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔，。
换热容器（E ）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。
分离压力容器（S ）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C ，球罐代号为B ）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。
○2按照压力分 外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。
内压容器：容器内的压力大于外界的压力。
低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤； 中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤ 高压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤超高压容器（U ）：P M P a ≤10○3《压力容器安全监察规程》 一类容器：有下列情况之一的A 非易燃或无毒介质的低压容器；B 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器； 二类容器：有下列情况之一的 A 剧毒介质的低压容器；B 易燃或者有毒介质的低压反应容器和储运容器；C 中压容器；D 内径小于1m 的低压废热锅炉 三类容器：有下列情况之一的 A 高压、超高压容器；B 剧毒介质，且最高工作压力与容积的乘积MPa L V P W ∙≥∙200C 易燃或者有毒介质且MPa L V P W ∙≥∙500的中压反应容器；或者M P a L V P W ∙≥∙500的中压储运容器；D 中压废热锅炉或内径大于1m 的低压废热锅炉。
sio_2薄膜对蓝宝石表面及高温强度的改善
蓝宝石是一种具有优异光学和力学性能的材料，广泛应用于红外透过窗口、头罩等领域。
然而，蓝宝石在高温下的强度较低，限制了其在高速、高温环境中的应用。
为了
改善蓝宝石的高温强度，可以采用在蓝宝石表面制备SiO2薄膜的方法。
制备的SiO2薄膜可以改善蓝宝石表面的形貌，降低表面粗糙度，同时改变蓝宝石的表面应力。
在800℃的高温下，镀膜蓝宝石的抗弯强度是未镀膜蓝宝石的1.5倍。
这表明SiO2薄膜能够显著提高蓝宝石的高温强度。
综上所述，SiO2薄膜能够改善蓝宝石表面的形貌和应力状态，提高其高温强度，
为蓝宝石在高速、高温环境中的应用提供了可能性。
如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询材料学专家。
薄膜应力分析及一些测量结果
文章编号:1005—5630(2001)5 6—0084—08薄膜应力分析及一些测量结果Ξ范瑞瑛,范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘要:论述了薄膜应力在强激光薄膜应用中的重要性,分析了应力的形成原因及沉积参数、老化条件的关系,给出了应力的简单测试方法及部分结果。
关键词:热应力;形变;沉积;老化中图分类号:O 48415 文献标识码:AStress ana lysis of th i n f il m s and so m e testi ng resultsFA N R u i 2y ing ,FA N Z heng 2x iu(Shanghai In stitu te of Op tics and F ine M echan ics ,Ch inese A cadem y of Sciences ,Shanghai 201800,Ch ina ) Abstract :T he seri ou s influence of stress on h igh pow er laser th in fil m s w as discu ssed in th is p ap er .T he o riginati on of stress and the co rrelati on betw een stress and depo siti on p aram eters and aging conditi on s w ere analyzed .A si m p le stress testing m ethod and som e testing resu lts w ere p resen ted in the con tex t .Key words :therm al stress ;defo rm ati on ;depo siti on ;aging1 薄膜应力研究的重要性薄膜应力在薄膜应用中是一个不容忽视的问题。
电子束蒸发SiO_2薄膜残余应力在不同湿度环境下的对比_叶晓雯
第41卷第3期红外与激光工程2012年3月Vol.41No.3Infrared and Laser Engineering Mar.2012电子束蒸发SiO2薄膜残余应力在不同湿度环境下的对比叶晓雯1,2，丁涛1,2，程鑫彬1,2，沈正祥1,2，王孝东1,2，刘永利1,2，鲍刚华1,2，何文彦1,2(1.同济大学精密光学工程技术研究所，上海200092；2.上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海200092)摘要：采用电子束蒸发方法在BK7基底上制备SiO2单层膜，通过台式探针轮廓仪分别测量了大气(45%RH)和干燥环境(5%RH)中不同沉积温度下制备的SiO2单层膜残余应力，同时使用分光光度计和原子力显微镜对样品的折射率和表面形貌进行研究。
测试结果表明：SiO2薄膜的残余应力在两个环境中均表现为压应力，且随沉积温度的升高均逐渐增大。
干燥环境下与大气环境相比，应力值减小了约100MPa。
此外，随沉积温度的升高，薄膜折射率不断增大，表面粗糙度逐渐减小。
说明：随着沉积温度的变化，SiO2薄膜的微结构发生了改变。
相应地，由水诱发的应力随薄膜致密度的增加而逐渐减小。
关键词：SiO2单层膜；沉积温度；残余应力；由水诱发的应力；折射率；表面形貌中图分类号：O439文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)03-0713-05Contrastive investigation of the residual stress of SiO2films prepared by electron beam evaporation in differentrelative humidity environmentsYe Xiaowen1,2,Ding Tao1,2,Cheng Xinbin1,2,Shen Zhengxiang1,2,Wang Xiaodong1,2,Liu Yongli1,2,Bao Ganghua1,2,He Wenyan1,2(1．Institute of Precision Optical Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China；2.Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology,Shanghai200092,China)Abstract:Silicon dioxide films were deposited on BK7substrates under different deposition temperatures using electron beam evaporation method.The residual stresses in SiO2films were measured in clean-room (45%humidity)and dry Nitrogen environments(5%humidity)by a stylus profiler separately.Moreover, the refractive indices and microstructure of the SiO2films were characterized using spectrophotometer and atomic force microscope.The observations suggest that all of the SiO2films exhibit compressive stress in both environments,and the compressive stress increases with the rise of deposition pared with the dry Nitrogen environments,the value of stresses decrease about100MPa in clean-room.Increase the deposition temperature,the microstructure become dense concluding from the high refractive indices and the low surface roughness.Accordingly,the stress induced by water decreases when the microstructure of films become denser.Key words:SiO2single layer;deposition temperature;residual stress;water-induced stress;refractive index;surface morphology收稿日期：2011-07-12；修订日期：2011-08-14基金项目：国家863计划；上海市博士后资助计划(10R21416000)作者简介：叶晓雯(1984－)，女，博士生，主要从事薄膜应力方面的研究。
PECVDSiO_2薄膜内应力研究
PECVD SiO2薄膜内应力研究孙俊峰,石霞(南京电子器件研究所,南京210016)摘要:研究了等离子体增强化学气相淀积(PEC VD)法生长SiO2薄膜的内应力。
借助XP22型台阶仪和椭偏仪测量计算了SiO2薄膜的内应力,通过改变薄膜淀积时的工艺条件,如淀积温度、气体流量、反应功率、腔体压力等,分析了这些参数对SiO2薄膜内应力的影响。
同时讨论了内应力产生的原因以及随工艺条件变化的机理,对工艺条件的优化有一定参考价值。
关键词:内应力;二氧化硅薄膜;等离子增强化学气相淀积中图分类号:T N405198 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2008)0520397204Study of I nternal Stress in PECV D SiO2Thin FilmsSun Junfeng,Shi X ia(Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China)Abstract:The internal stress in SiO2thin films prepared by PEC VD was studied and measured by XP22 stylus profilometer and spectral ellips ometer.By changing the deposition conditions,such as tem perature of deposition,gas flux2rate,power of reaction,gas pressure in chamber and s o on,the in fluence of critical process parameters on SiO2thin films stress was investigated.The cause of stress and the mechanism of different process conditions were discussed,which provided with orientation for optimizing the process.K ey w ords:internal stress;SiO2thin films;PEC VDEEACC:0520F0 引言PEC VD生长的SiO2介质膜已广泛用于半导体材料、集成电路和ME MS器件制造工艺中,要求SiO2介质膜具有生长温度低、工艺重复性好、淀积薄膜均匀、膜的台阶覆盖性好、缺陷密度较低等优点[122]。
TiO2和SiO2薄膜应力的产生机理及实验探索
基板温度对薄膜应力的影响可通过热应力的形 式表现出来 ( 热应力是基板热膨胀系数"7 和薄膜热!D!,物理学
报
88 卷
薄膜产生与收缩相反的张应力， 反之产生压应力 #
!" 讨
论
薄膜的应力与薄膜柱体或晶粒间的作用力密切 相关 # 应力特性虽因材料而异， 但总体上高聚集密度 的薄膜由于其柱体或晶粒之间空隙很小， 因而它们 之间产生一个排斥力， 其宏观应力呈现压应力 （图 低聚集密度的薄膜呈现张应力 # 当薄膜为 $） # 反之，
关键词：薄膜应力，离子辅助淀积，聚集密度
&’((：,$-#.，,$%-/，#&!#0，,$-12
并没有从根本上得到解决， 在某些重要的应用中依
"3 引
言
然是一个难以逾越的障碍 + 本文主要对最常用的 ’()$ 和 *()$ 薄膜应力作 了一些研究，内容涉及应力模型、 应力测试方法和 不同实验条件下的应力测试结果 + 基于曲率法模型， 对 ’()$ 和 *()$ 单层膜和多层膜进行了实验测试， 得 到了一些有价值的结果， 特别是 567 和基板温度对 薄膜应力的影响 + 提出了薄膜聚集密度是应力的重 要因素， 低聚集密度易产生张应力， 而高聚集密度易 产生压应力 + 在多层膜中通过适当调整工艺参数， 可望使累积应力趋向于零 +
&#,%-#!-）资助的课题 + !国家自然科学基金（批准号：
和抑制方法的各种探索
［"#—",］
" 8 !$ 9 $ # + 应用 /::;< 定律， 应力和应变之间满足 !8 % "， 其中 % 为杨氏模量 + 图 $ 表示基板= 薄膜系统中的应力 + 若应力处于 平衡状态， 则要求顺时针和逆时针的力矩相等， 即 （ （ &> ? &@） （"） 9$） "> 8 ’> ? ’@ ，
PECVD法制备SiO2薄膜的热应力影响研究
PECVD法制备SiO2薄膜的热应力影响研究【摘要】研究了等离子体增强化学气相淀积（PECVD）【关键词】应力；二氧化硅薄膜；等离子增强化学气相淀积；热处理工艺1.引言PECVD方法的最大特性是，由于在等离子体状态下利用化学性活泼的离子、原子团，因而可以在低温下生成薄膜，热损较少，抑制了与基片物质的反应，可在非耐热性基片上成膜。
从热力学角度上讲，在反应虽能发生但反应相当迟缓的情况下，借助等离子体激发状态，可以引发常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学变化；可以使许多通常不能发生和难以发生的化学反应得以进行或加速进行；还可以按着预先设计的模型合成新的材料，等离子体技术是一种十分有效的分子活化手段，能够省去许多常规化学反应所需要的酸、碱、热以及催化剂等多种条件，大大缩短了新材料的制备周期。
另外，由于反应材料是气体，可以稳定供给，因此可连续控制，从而可控制薄膜组成。
因此技术具有生长温度低，沉积速率大，台阶覆盖性能好等优点，并且在沉积过程中可方便掺入杂质来改变产品的特性。
在力学和化学中较稳定的厚氧化物膜在适当压力下可以较快的沉积。
由于这些处理和装置都源于微电子工业，因而具有高产的好前景。
正是由于PECVD技术具有如下的优点：1）镀膜温度大大下降；2）基材范围拓宽；3）镀层涂敷均匀，性能稳定，易于实现工业化生产；4）等离子体渗、镀同炉完成，工艺简化，效率较高。
所以该技术在生产上获得了迅速发展，并且应用非常广泛，是一种具有广泛应用前景的技术，开拓了新的领域。
2.2 应力测量介绍薄膜的应力由热应力和本征应力两部分组成。
热应力起源于薄膜与衬底之间热膨胀系数的不同，可表示为：式中：Ts和TM分别为淀积和测量时基片的温度；和。
分别为薄膜和基片的热膨胀系数；Ef为薄膜的杨氏模量，dT表示温度的微分。
若假定、不随温度变化，则式（1）可改写为：由式（2）可以看出，当测量温度低于淀积温度和>时，ST>0，薄膜收缩程度大于衬底收缩程度，膜相对于衬底就有了收缩的趋势，此时的热应力为张应力。
低温沉积 SiO 2薄膜工艺的研究
低温沉积 SiO 2薄膜工艺的研究李璟文;周艺;吴涛;章强【摘要】利用等离子体增强化学气相沉积系统（ PECVD ）研究SiO2薄膜低温制备工艺，分析工艺条件对薄膜性能参数影响，通过调节射频功率优化薄膜应力，在150℃低温下获得接近零应力 SiO2薄膜，薄膜沉积速率约为40 nm/min，片内均匀性优于3％，折射率为1．46±0．003，并具有良好的附着力和抗蚀性能。
由于沉积温度低，薄膜性能好，因此可以作为绝缘层或介质层，应用于柔性电子领域。
%The preparation of SiO2 film by plasma enhanced chemical vapor deposition ( PECVD) was invertigated.The effectof deposition parameterson the properties of the film was analyzed.The stress of the film by adjusingthe RF power was optimized, Near-zero stressSiO 2 film was prepared at 150 ℃.The depositionrate is around 40 nm/min with thickness uni-formity better than 3%and refractive index in the range of1.46±0.003.The film had good adhesion and etching resistance. Due to its low temperature and excellent film properties, the film can be applies in flexible electronics as insulationor dielec -tric layers.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】4页(P168-171)【关键词】PECVD;SiO 2;应力附着力;柔性电子【作者】李璟文;周艺;吴涛;章强【作者单位】中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163【正文语种】中文【中图分类】0484;0484.41 引言等离子体增强化学气相淀积SiO2薄膜由于其沉积温度低、速率快、折射率一定范围内易调、覆盖性好、介电强度高、对光的散射吸收小等性能而广泛应用于微电子领域。
射频磁控溅射SiO_2薄膜的制备与性能研究
第28卷 第8期2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.28 No.8 Aug.2006射频磁控溅射SiO 2薄膜的制备与性能研究金 桂,周继承(中南大学物理科学与技术学院,长沙410083)摘 要: 采用磁控射频反应溅射法在单晶硅片上制备了二氧化硅薄膜。
研究了制备工艺对薄膜沉积速率、表面形貌、折射率和电击穿场强的影响。
结果表明:薄膜的沉积速率随氧分压的增加先急剧减小,稍有增加后再缓慢减小,而随溅射功率的增加几乎呈线性增长;薄膜表面均匀,平均粗糙度分别为1.740nm (100W )和2.914nm (300W ),有随溅射功率的增加而增加的趋势;薄膜的折射率随着溅射气氛中氧气含量的增加而增加,最后稳定于1.46不变;薄膜的电击穿场强随溅射功率的增加先缓慢增加,然后缓慢减小,通过800℃/100s 的快速热处理,薄膜的电击穿场强明显升高。
关键词: 磁控射频反应溅射; 电击穿场强; 沉积速率; 表面形貌中图分类号: TB 43文献标志码: A 文章编号:167124431(2006)0820012204F abrication and Properties of Silicon Dioxide Film Prepared byRF Magnetron SputteringJ IN Gui ,ZHO U Ji 2cheng(School of Science and Technology of Physics ,Central S outh University ,Changsha 410083,China )Abstract : Silicon dioxide thin films were prepared by reactive RF magnetron sputtering on silicon substrate.The deposition rate ,morphologies ,breakdown voltage and refractive index were studied.The results showed that the deposition rate decreased rapidly with the oxygen partial pressure at first and then increased to some extent where it begins decreased again.Furthermore the deposition rate had a linear relationship with the sputtering power ;The film surface was uniform ,the roughness was small and increased when s puttering power increased ;The refractive index increased with the oxygen partial pressure ,then kept sta 2ble at 1.46;The breakdown voltage rose slowly with the increasing of sputtering power ,then decreased ,the breakdown voltage increased after 800℃/100s rapid thermal annealing.K ey w ords : reactive RF magnetron sputtering ; breakdown voltage ; deposition rate ; morphologies 收稿日期:2006203227.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60371046).作者简介:金 桂(19782),男,硕士生.E 2mail :jingui7808@二氧化硅薄膜具有良好的绝缘性和热稳定性,广泛应用于微电子器件和光学器件之中。
化学气相沉积SiO_2_S复合涂层的热力学分析
理化检验 化学分册PT CA(PART B:CH EM.ANAL.)2008年 第44卷 5 工作简报化学气相沉积SiO2/S复合涂层的热力学分析周建新1,徐 宏1*,戚学贵1,刘阿龙1,奚运涛2(1.华东理工大学化工机械研究所,上海200237; 2.西北工业大学航空学院,西安710072)摘 要:以二甲基二硫化物(DM DS)和正硅酸乙酯(TEOS)为反应物在25Cr35Ni合金基体上化学气相沉积SiO2/S复合涂层。
应用热力学势函数法对SiO2与S的生成反应以及反应产物之间的化学反应进行了热力学计算和分析,并对化学气相沉积源物质的配比选择进行了讨论。
结果表明:常压下选取预热温度773K、沉积温度1023K以及适当配比的源物质化学气相沉积SiO2/S复合涂层是可行的。
关键词:化学气相沉积(CVD);SiO2/S复合涂层;热力学中图分类号:O657.1 文献标识码:A 文章编号:1001 4020(2008)05 0405 04Thermodynamic Analysis of Chemical Vapor Deposition ofthe SiO2/S C omposite CoatingsZHOU Jian xin1,XU Hong1*,QI Xue gui1,LIU A long1,XI Yun tao2(1.R esearch I nstitute of M achiner y f or Chemical Engineer ing,Eas t China Univ er s ity of Science and E ngineer ing,Shanghai,200237; 2.School of A er onautics,N or thw es ter n Univer sity of I ndustr y,X i an710072,China)Abstract:T he SiO2/S composite coating s wer e coat ed by chemical vapor deposition on25Cr35Ni alloy subst rate using methyl disulfide(DM DS)and o rthosilicotetr aacet ate(T EO S)as r eactants.T hermo dy namic calculatio n and analy sis of the for matio n reaction of SiO2and S and the chemical r eactions among the reactio n pr oducts w ere done by ther modynamic po tential function,and the rat io o f CV D source mater ials chosen w as discussed.A s sho wn by the ex per imental results,chemical va po r depo sitio n of the SiO2/S composite co ating with pr eheating temper ature o f773K and depo sitio n temperatur e o f1023K under no rmal at mospher ic pr essure w as feasible.Keywords:Chemical v apo r depo sitio n(CVD);Silico n diox ide/sulfur co mpo site coating s;T hermo dy namics在乙烯生产装置中,结焦一直是影响乙烯生产的瓶颈问题。
二氧化硅光学膜应力和弯曲应力知乎
二氧化硅光学膜应力和弯曲应力知乎二氧化硅光学膜是一种非常重要的光学元件，应用范围广泛。
在使用过程中，不可避免地会出现应力和弯曲应力等问题。
接下来，我将从几个方面来阐述这方面的知识。
一、二氧化硅光学膜的定义和分类二氧化硅光学膜是由SiO2等材料制成的具有高透过率和反射率的薄膜，主要应用于光学器件、激光器和太阳能电池等领域。
根据不同的用途和应用领域，二氧化硅光学膜可以分为透射膜、反射膜、偏振器、滤波器等多种类型。
二、二氧化硅光学膜的应力问题在二氧化硅光学膜的制作过程中，因为材料性质的不同和制作工艺的差异，容易产生一些内部应力，在使用过程中，也会因环境的变化而发生一些外部应力。
这些应力会导致光学膜出现一些问题，例如局部失效、弯曲等。
三、二氧化硅光学膜的弯曲应力问题对于二氧化硅光学膜来说，弯曲应力是一个非常常见和重要的问题，主要体现在以下几个方面：1. 在制作过程中，膜的弯曲会影响薄膜的成形和质量，降低加工效率。
2. 在使用过程中，弯曲会引起光学散射、透过率下降等问题，破坏了光学膜的性能。
3. 在高温或其他环境下，弯曲应力可能会导致光学膜开裂或变形。
四、解决二氧化硅光学膜的应力问题为了解决二氧化硅光学膜中的应力和弯曲问题，我们可以采取以下措施：1. 选择合适的材料，根据制作工艺和应用环境来选择二氧化硅光学膜的材料，以避免产生过多的内部应力。
2. 优化制作工艺，采用低应力加工技术，如离子束溅射、光刻、干刻等，来最大程度地减少膜的弯曲和应力。
3. 应用膜材料自身的弹性特性，采用单晶二氧化硅材料的薄膜可以提高其弯曲强度，减少反应形变。
4. 外加应力控制，采取压缩应力或拉伸应力等方式，可以有效地控制或减少弯曲和应力的问题。
综上所述，二氧化硅光学膜的应力和弯曲问题是一个常见的问题，我们要通过选择合适的材料、优化制作工艺、应用材料自身的弹性特性和外加应力控制等方法来解决这些问题，以确保光学膜的使用效果和质量。
薄膜应力
薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。
因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。
薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。
若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。
应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。
图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。
按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。
本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。
本征应力又可分为界面应力和生长应力。
界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。
本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。
热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。
在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。
但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。
薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。
薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。
C+离子注入与CoSi2薄膜应力的研究
C+离子注入与CoSi2薄膜应力的研究
C+离子注入与CoSi2薄膜应力的研究
王若楠;刘继峰;冯嘉猷
【期刊名称】《自然科学进展》
【年(卷),期】2002(012)012
【摘要】根据改进的Thomas-Fermi-Dirac模型,分析了CoSi 2 薄膜中本征应力的起源,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.实验在Si(100)基体注入碳离子(C + ),然后沉积钴(Co)薄膜,再进行快速退火(Rapid Thermal Annealing,简称RTA)形成二硅化钴(CoSi 2 )薄膜,发现薄膜中的应力随C + 离子注入剂量的增加而减少,理论计算了由C + 离子注入引起的应力减小的数值,并与实验结果进行了比较.
【总页数】5页(1296-1300)
【关键词】CoSi 2 薄膜应力原子表面电子密度 TFD模型
【作者】王若楠;刘继峰;冯嘉猷
【作者单位】清华大学材料科学与工程系,北京,100084;清华大学材料科学与工程系,北京,100084;清华大学材料科学与工程系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.粒子束注入技术/金属工业离子注入机/多功能离子注入机/全方位离子注入机/氧化锆氧分析仪 [J],
2.粒子束注入技术金属工业离子注入机多功能离子注入机全方位离子注入机 [J],
3.离子注入对Si<,3>N<,4>薄膜应力的影响[C], 张国炳; 徐嘉佳; 张劲宇; 郝。
第七章_压力容器中的薄膜应力、弯曲应力和二次应力-讲义
47
三 边界应力的性质 1 两个概念 一次应力：载荷直接引起的应力。 二次应力：由于变形受到限制引起的应力。
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2 边界应力的特点
（1）局部性：边界应力的最大值出现在两种形状
壳体的连接处，离开连接处，边界应力会迅速衰减。
（2）自限性：
施加的限制增大到使应力达到材料的屈服限，相 互限制的器壁金属发生局部的塑性变形，限制就会 缓解，相互限制所引起的应力自动地停止增长。
49
四 对边界应力的处理
1.利用局部性特点——局部处理 如：改变边缘结构，边缘局部加强，焊缝与
边缘离开，焊后热处理等。
2.利用自限性——保证材料塑性 ——可以使边界应力不会过大，避免产生裂 纹。
50
低温容器，以及承受疲劳载荷的压力容器，更要注 意边缘的处理。
对大多数塑性较好的材料，如低碳钢、奥氏体不锈 钢、铜、铝等制作的压力容器，一般不对边缘作特 殊考虑。
边界应力：筒体与封头在连接处所出现的自由
变形不一致，导致在这个局部的边界地区产生
相互约束的附加内力。
42
结论：（1）封头限制了筒体端部直径的增大
环向压缩（薄膜）应力
（2）封头限制了筒体端部横截面的转动
轴向弯曲应力
43
二 影响边界应力大小的因素
薄壁圆筒和厚平板形封头在封头不变形的
情况下，横截面的最大弯曲应力：
经向薄膜应力:
m
pD
4
2、圆球形壳体上的薄膜应力
m
pD
4
中径公式
23
（三）椭球形壳体上的薄膜应力
1 球形壳体和椭球形壳体的区别
球
椭
形
球
低应力非晶硅薄膜的制备
低应力非晶硅薄膜的制备王剑敏【摘要】Three kinds of methods were studied to decrease amorphous Si stress:1.Optimizing process parameter.2.Changing amorphous Si compress stress to tensile stress by N2 anneal.3.Changing amorphous Si Stress by additional boron dopant.Stress was changed suddenly after added boron dopant at the very beginning,but by the in-situ dopant concentration increasing,stress variable trend will be alleviated.By making use of upper 3 kinds of methods comprehensively, final result achieved anticipated low stress goal.%本文研究了三种降低非晶硅材料应力的手段:优化工艺参数.通过N2退火,将非晶硅的压应力变为张应力.通过额外的掺杂硼来改变非晶硅的应力.最初加入硼掺杂后应力会发生突变,但随着同步掺杂的浓度增加,最终的应力变化会趋向缓和.通过综合利用以上三个手段,最终的实际结果达到了预定的低应力目标.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】3页(P46-48)【关键词】低应力;非晶硅;微机械;半导体制造【作者】王剑敏【作者单位】上海华虹宏力半导体制造有限公司,上海,201206【正文语种】中文非晶硅材料被广泛运用在微电子和微机械的工艺制作中。
在微机械工艺中，经常会淀积较厚的非晶硅材料作为机械结构或非晶硅牺牲层，这时非晶硅本身的力学参数，特别是对应力的要求就比较苛刻。
薄膜应力计算公式
薄膜应力计算公式薄膜应力计算公式是表征薄膜材料内部应力分布的关键公式之一。
薄膜应力计算公式的推导综合考虑了材料本身力学性质、膜厚、晶格缺陷等多种因素，才得以建立起完整的数学模型，从而给人们提供了计算薄膜应力的有效方法。
首先，我们来回顾一下薄膜应力的基本概念。
薄膜是指在一种基材上面涂上一层很薄的材料，厚度一般都在几纳米到几微米之间，具有很多独特的性质和应用价值。
薄膜材料的内部应力分布是影响其性能和寿命的重要因素之一。
所谓薄膜应力（Stress in Thin Film）就是指由于各种因素导致薄膜内部产生的拉伸或压缩力，其量纲为Mpa或N/m2。
对于薄膜材料的内部应力分布，一般采用求解薄膜应力计算公式的方法来确定。
常见的薄膜应力计算公式有以下几种：1. 偏差法（Stoney Formula）：偏差法是一种最为常见的薄膜应力计算方法，通常用于薄膜在基材上平行平铺的情况下。
其计算公式如下：σ = E(1-ν)ΔT(1+ν)(1-2ν) / 2(1-ν)t其中，E为薄膜材料的弹性模量，ν为泊松比，ΔT为膜材料与基材材料之间的温度差，t为膜厚。
2. 力学平衡法：力学平衡法适用于考虑悬臂式薄膜或复合材料薄膜等非平铺情况下的薄膜应力计算。
其计算公式如下：σ = E1t1^2(h1+h2)/2h2^2 - E2t2/h2其中，E1和E2分别是上下两层膜材料的弹性模量，t1和t2分别是上下两层膜材料的厚度，h1和h2分别是上下两层膜材料的高度。
3. 光致反射法（Optical Reflection Method）：光致反射法是一种基于光学原理实现的薄膜应力计算方法，对于有一定透明性和反射率的薄膜材料适用。
其计算公式如下：ΔR/R = (2σt/λ)sin2θ其中，ΔR/R是膜面上反射度的变化量，λ是光的波长，θ是光线入射角度。
通过以上三种薄膜应力计算方法，可以得出薄膜材料内部应力的数值大小和分布情况，并为日后进一步研究薄膜性能和应用提供有效参考。
多层薄膜结构中的热应力分析
多层薄膜结构中的热应力分析刘加凯【摘要】针对当前无法分析MEMS多层薄膜结构中热应力的现状，通过修正Suhir.E提出的双金属带热应力分布理论，提出了MEMS多层薄膜结构的热应力分布模型，该模型适用于评估MEMS多层结构中热应力分布规律，同时为采取合理措施减小应力提供了理论支持。
在温度载荷作用下，多层薄膜结构中将产生正应力、剪应力和剥离应力的作用，应力变化主要集中在界面端处。
其中，正应力分布于各层内，随与中心点距离的增大呈指数减小，在端面处急剧减小至最小值；剪应力和剥离应力则主要分布于各层界面上，随与中心点距离的增大呈指数增大，在界面端处达到最大值。
最后，开展了由四种材料（玻璃、铬、铜、镍）组成的多层薄膜结构的热力学仿真分析，验证了所建立解析模型的正确性，以及各应力在多层结构中的分布规律。
%Aimed at the multilayer structure being unable to parse,the thermodynamics distributing model has been put forward by revising bimetal strip stresses model advanced by Suhir. E,which applies to evaluate the thermal stress distributing rule of MEMS multilayer structure. Under the thermal loading,multilayer structure composed by different material will create normal stress,shearing stress and peeling stress,and the stress variety concentre in the end of interface. Normal stress distributes in each layer,which value presents exponential decrease along with the distance from centre of each layer,and decreases sharply in the end until achieve minimum. Shearing stress and peeling stress main distribute in the interface of each layer,both values present exponential increate along with the distance from centre of bonded pair,and increase sharply in the enduntil achieve maximum. Then,the thermody⁃namic simulation has been analyzed on multilayer structure composed by four material such as glass,chromium,cu⁃prum and nickel,which result validate the analytic model and the stress distributing in multilayer structure.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2016(029)007【总页数】6页(P994-999)【关键词】MEMS;多层薄膜结构;热应力;温度载荷【作者】刘加凯【作者单位】武警工程大学装备工程学院，西安710086【正文语种】中文【中图分类】TN4EEACC:7230 doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.008利用薄膜工艺制备的多层结构在MEMS器件中有着广泛的应用［1］，环境应力对其可靠性具有重要的影响。
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第 1期
吴靓臻等 : SiO2 薄膜热应力模拟计算
53
α s
分别是基体泊松比
、薄膜泊松比
、薄膜厚度
- 1871490 M Pa, 理 论 值 为 - 1861841M Pa, 误 差 为 01347%. 由此可见 ,本文所建模型与理论计算值在 不同条件下的偏差是一致的 ,这从一个方面说明该 模型是合理的.
模拟计算中 ,在模型左边施加对称约束 ,同时固 定左下角的节点 ,限制其刚体位移 ,如图 1 所示. 加 载的热载荷情况是 :镀膜温度作为参考温度 ,环境温 度作为热力耦合的薄膜和基体的温度载荷. 为了便 于分析 ,本文建模时做了如下假设 : (1)薄膜与基体 材料都是各向同性弹性材料 ; (2)在镀膜过程中 ,模 型内温度一直是均匀的 ,不考虑瞬态效应 ; ( 3)热应 力产生主要由冷却到室温的过程中基底与薄膜的热 膨胀系数不同所引起 ; ( 4)在边界条件中不考虑系 统的导热 、对流和辐射等影响 ,同时忽略环境对材料 性质的影响.
二氧化硅 ( SiO2 )薄膜因其具有优越的电绝缘性 和传导特性等各种性能 ,加之其工艺的可行性 ,在微 电子及光学和其它领域中有着非常广泛的应用 [ 1 ]. 随着光通信及集成光学研究的深入 ,在光学薄膜中 , 占重要地位的多层介质 SiO2 光学薄膜是主要的低 折射率材料 ,对光学技术的发展起着举足轻重的作 用 [ 2 ]. 然而 ,光学薄膜中普遍存在的残余应力是影 响光学器件甚至整个集成光学系统性能及可靠性的 重要因素. 过大的残余应力会导致薄膜产生裂痕 、褶 皱 、脱落等各种破坏 , 影响薄膜的使用性能 [ 3 ] . 此 外 ,光学薄膜中的残余应力还会引起其基底平面发 生弯曲导致其光学仪器发生畸变 ,从而导致整个光 学系统偏离设计指标 ,甚至完全不能工作. 因此有必 要对 SiO2 薄膜残余应力进行深入细致的研究.
名称
SiO2 B K7 玻璃
表 1 材料参数 Tab. 1 M aterial parameters
杨氏模量
线膨胀系数
Ex / GPa
α/ ( ×10 - 6 )
73. 1
0. 55
81
7. 1
泊松比 v
0. 17 0. 208
在镀膜温度为 190 ℃,环境温度为室温 25 ℃ 时 ,利用有限元模型计算薄膜热应力结构 X 方向 (径向 )应力分布如图 2 所示. 从图中可以明显看 出 , SiO2 膜层热应力占主导地位 ,远远大于基底的 应力 ,膜层内热应力最大值为 - 951187 M Pa,数值为 负 ,表明薄膜所受应力主要为压应力 ,这是由于基底 的热膨胀系数大于薄膜的热膨胀系数造成的. 用式 (2) 计 算得 到的 理论 值为 - 941858 MPa, 误 差 为 01347%. 由于基体基本上处于自由膨胀状态 ,内部 应力很小. 当镀膜温度为 350 ℃时 ,模型计算值为
、基体
厚度 、沉积温度 、室温 、薄膜和基体热膨胀系数.
3 模型验证和计算结果分析
2 有限元模型建立
采用有限元软件 AN SYS[ 6 ]对二氧化硅 ( SiO2 ) 薄膜的热应力进行仿真研究 ,并通过理论值验证. 在 沉积过程中 ,由于模型的几何条件 、材料的物理性质 与热力学性质和边界条件等的轴对称性 ,将模型简 化为轴对称模型 , 只取薄膜 1 个截面进行计算 ,截 面左边对应圆盘模型的中心. 实际模型是在直径为 30 mm、厚度为 4 mm 的圆形 B K7 玻璃片上沉积厚 度为 01004 mm 的 SiO2 薄膜 ,材料参数 [ 2, 7 ]见表 1.
图 3 中心处基底下表面到薄膜上表面 Y方向应力变化趋势图 Fig. 3 D istribution of stress at Y - direction in thin fim from the
downside to up side of surface in the centre of base
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. 薄膜内应力可
以写成 :
σ内 =σ热 +σ本征 .
(1)
影响热应力的物理参数有热膨胀系数 、杨氏模
量 、泊松比 、厚度 、温度变化等. 目前 , 薄膜热应力数
学模型是基于传统的梁弯曲理论来计算的 , 假设涂
华南师范大学学报 (自然科学版 )
2009年 2月 Feb. 2009
JOURNAL
OF SOUTH CH INA NORMAL UN (NATURAL SC IENCE ED ITION )
IV ER
S ITY 2009 年第 No. 1,
1期 2009
文章编号 : 1000 - 5463 (2009) 01 - 0052 - 04
SiO2 薄膜热应力模拟计算
吴靓臻 1 , 唐吉玉 13 , 马远新 2 , 孔蕴婷 1 , 文于华 1 , 陈俊芳 1
(1. 华南师范大学物电学院 ,广东广州 510631; 2. 新疆医科大学物理教研室 ,新疆乌鲁木齐 830054)
图 1 约束示意图 Fig. 1 A schematic rep resentation of constraint
在有限元模型中 ,为保证热应力计算的精度 ,对 模型进行映射网格划分 , SiO2 薄膜采用较大的网格 密度 ,玻璃基底采用较小的网格密度. 整个模型分析 采用二维耦合场实体单元 p lane 13,该单元具有二 维磁场 、温度场 、电场和结构场之间有限耦合功能.
图 6 薄膜厚度与应力值关系图 Fig. 6 The dependence between coating thickness and stress
图 4 薄膜上表面中心到边缘 X 方向应力变化趋势图 Fig. 4 D istribution of stress at X - direction in thin film from
摘要 :薄膜内应力严重影响薄膜在实际中的应用. 该文采用有限元模型对 SiO2 薄膜热应力进行模拟计算 ,验证了模 型的准确性. 计算了薄膜热应力的大小和分布 ,分析了不同镀膜温度 、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力 的大小 ,得到了相应的变化趋势图 , 对薄膜现实生长具有一定的指导意义. 关键词 :热应力 ; SiO2 薄膜 ; 有限元 ; 模拟 中图分类号 : O414 文献标识码 : A
前人的研究表明 [ 4 ] : SiO2 薄膜中的最终残余应 力是淬火应力和热应力共同作用的结果 ,而热应力 是薄膜应力中不可避免的. 但是现有的热应力理论 计算无法得到直观的热应力分布规律 ,不利于选择 最适合的生长环境 ;若采用实验测试 ,成本高且不现 实. 本文利用计算机 ,采用有限元技术 ,以在 BK7玻 璃衬底上生长的 SiO2 薄膜为研究对象 ,利用有限元 软件 ANSYS对 SiO2 薄膜在冷却阶段产生的热应力 进行计算与分析 , 计算了薄膜热应力的大小和分 布 ,分析了不同镀膜温度 、不同膜厚和不同基底厚度 生长环境下热应力的大小 ,得到了相应的变化趋势
图. 这些结果对 SiO2 薄膜的实际应用和薄膜应力产 生机制的探讨都有一定的意义.
1 理论分析
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. 在薄膜
形成后 ,外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力
圆盘中心处 ,基底下表面到薄膜上表面的 Y方 向 (法向 )应力变化趋势如图 3 所示 ,放大部分展示 了薄膜内 Y方向应力随厚度变化情况 (圆盘中心部 位 ). 基底内应力很小 ,应力主要集中在薄膜内 ,且 应力分布不均匀 ,基底 Y 方向应力开始趋于零 ,在 基底和薄膜的界面上应力出现突变 ,并表现为张应 力. 图 4是薄膜上表面由中心到边缘的 X 方向应力 变化趋势图 ,从图中可以看出 :除了边缘处由于边缘 效应导致应力出现突变 ,薄膜上其余位置的应力分 布较为均匀. 截取中心到径向 3 mm 的一段曲线放 大 ,发现圆盘结构中心部位所受的压应力为最大 ;而 压应力沿径向震荡分布 ,很快趋向平稳. 所以圆盘的 半径大小对热应力的影响不是很大 ,而边缘效应的 存在使薄膜边缘部分热应力减小 ,并向张应力转化. 比较 X 和 Y两方向的应力分布情况 ,可以看出 : Y方 向应力总体来说都非常的小 ,与 X 方向应力相差 3 个数量级 ,在一定程度上可以忽略.
层相对于基体非常薄 , 而且尺寸无限宽 , 根据 Stoney
方程 [5 ]可知 :
Td
∫ Eef
(αs
-
α f
)
dT
σ热=Leabharlann Tr,1 + 4 ( Eef / Ees ) ( h /H )
(2)
其中 Eef = Ef / ( 1 - vf ) 和 Ees = Es / ( 1 - vs ) 分别是薄
膜和基体的有效杨氏模量 , vs、vf、h、H、Td 、Tr、αf 和
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华 南 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
2009年
值差异很小 ,薄膜热应力为压应力 ,其值随镀膜温度 的升高而增大. 从图 6可知 ,薄膜应力随着薄膜厚度 的增加而减小 ,尽管模拟值与理论计算值存在一定 的差异 ,但其变化趋势是一致的. 图 7 表明 ,随着薄 膜基底厚度的增加 ,薄膜应力先是快速增加 ,然后逐 步趋于一个稳定值. 因此在实际制膜时 ,基底最好不 要太薄 ,在满足使用的前提下应尽量让基底达到一 定的厚度值.