薄膜应力测量方法及影响因素研究进展

薄膜应力测量方法及影响因素研究进展

马一博;陈牧;颜悦;刘伟明;韦友秀;张晓锋;李佳明

【摘要】随着薄膜电子器件的尺寸不断减小,薄膜应力成为薄膜器件失效的重要原因.薄膜应力不仅影响薄膜结构而且与薄膜光学、电学、力学等性质相关,因此,薄膜应力逐渐成为薄膜材料研究领域的热点之一.本文综述了薄膜应力的最新研究进展,对比分析了基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等常见的薄膜应力检测方法,概括了薄膜成分比例、基底类型、磁控溅射工艺参数(溅射功率、工作压力、基底温度)和退火等影响薄膜应力的因素.发现基底曲率法适合测量绝大部分薄膜材料,而X射线衍射法、拉曼光谱法只适合测量具有特征峰的材料,纳米压痕法需与无应力样品作对比实验.在薄膜制备和退火过程中,薄膜应力一般发生压应力和张应力的转化,且多个工艺参数共同影响薄膜应力,适当调节参数可使薄膜应力达到最小值甚至无应力状态.最后,结合薄膜应力当前的研究现状提出了未来可能的研究方向,即寻找不同材料体系薄膜应力的精确测量方法以及薄膜应力检测过程中面临的检测范围问题.%With the size of thin-film electronic devices decreasing,the film stress became an important reason for the failure of thin film devices. Film stress not only affected the membrane structure,but also associated with film optics,electricity,mechanics and other properties,therefore film stress turned into one hot spot in the research field of thin-film materials. This paper reviewed the latest re-search progress of film stress,substrate curvature method,X-ray diffraction technique and Raman spectroscopy,several frequently used stress measuring techniques were compared and analyzed,and composition ratios of thin film,substrate types,magnetron sputtering process parameters (sputtering power,work

pressure,substrate temperature)and annealing etc. factors influencing thin film stress were summarized. It was found that substrate curvature method was suitable for measuring almost all kinds of thin film materials. X-ray diffraction and Raman spectroscopy were just fit for measuring materials with characteristic peaks. Nanoindentation method required ex-tra stress-free samples as comparison experiments. During film fabrication and annealing process,film stress usually transited from compressive to tensile status,and several factors combined together could affect stress,so film stress could be reached the minimum value or even stress-free status through setting appropriate parameters. Finally,combined with film stress research status,accurate stress measurement methods for different materials as a thin-film stress research direction were introduced,and challenges in thin film detection range were pointed out.

【期刊名称】《航空材料学报》

【年(卷),期】2018(038)001

【总页数】9页(P17-25)

【关键词】薄膜应力;应力测量;应力控制;基底曲率法

【作者】马一博;陈牧;颜悦;刘伟明;韦友秀;张晓锋;李佳明

【作者单位】中国航发北京航空材料研究院透明件研究所,北京100095;北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心,北京100095;中国航发北京航空材料研究院透明件研究所,北京100095;北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心,北京100095;中国航发北京航空材料研究院透明件研究所,北京100095;北京市

先进运载系统结构透明件工程技术研究中心,北京100095;中国航发北京航空材料

研究院透明件研究所,北京100095;北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究

中心,北京100095;中国航发北京航空材料研究院透明件研究所,北京100095;北京

市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心,北京100095;中国航发北京航空材

料研究院透明件研究所,北京100095;北京市先进运载系统结构透明件工程技术研

究中心,北京100095;中国航发北京航空材料研究院透明件研究所,北京100095;北

京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心,北京100095

【正文语种】中文

【中图分类】O369

人们发现，当用薄膜材料替换块体材料，或在块体材料表面覆盖一层薄膜材料，新材料体系能够表现出更加优异的、甚至全新的性能。例如，金属氮化物薄膜可以极大地改善切割工具的耐磨性能[1]；全固态薄膜锂电池利用固态薄膜电解质代替传

统电解液，从根本上解决了电池易燃、易爆的安全隐患[2]；薄膜晶体管技术的成

熟使柔性显示屏开始在部分特殊领域替代传统硬玻璃基底上的液晶显示屏[3]。由

此可见，固体薄膜材料在多个领域具有广泛的应用价值，特别是在光学器件[4]、

半导体器件[5]、电子器件[6]和防腐耐磨涂层[7]等领域具有重要应用价值。

另一方面，薄膜沉积是个非平衡过程，沉积原子并不完全处于平衡状态，这意味着薄膜处于应力状态[8]。例如薄膜锂电池正极制备过程中，选择在单晶硅Si(100)上沉积钴酸锂(LiCoO2)薄膜，薄膜应力会使Si基底形成曲率半径较大的球冠状形貌，如果应力继续增大，会引起LiCoO2薄膜的开裂或脱落。通常，张应力(tensile stress)会引起薄膜开裂或者限制薄膜有效厚度，压应力(compressive stress)会造成薄膜的褶皱、起泡和脱落现象[9-11]。由此可见，薄膜应力是引起薄膜失效的重