什么是应力呢?
这里的应力指的是薄膜的应力。
薄膜的应力是指当薄膜沉积在基板(例如Si/硅)上时,受到某些能量的刺激,薄膜与基板之间产生的作用力。这种薄膜应力通常分为Tensile Stress(拉伸应力) 和 Compressive stress(压应力)。
当有能量刺激要拉伸薄膜的长度时,薄膜要向外伸张,此时薄膜受到的是拉伸应力, 因为力的作用是相互的,此时基板就相对的承受压应力,造成基板和薄膜会向内侧弯曲呈现下凹状态。
反之,当有能量刺激要缩短薄膜的长度时,薄膜受到的压应力,基板受到的是拉伸应力,造成基板和薄膜向外侧弯曲呈现外凸状态,如下图所示。
薄膜的残余应力是指在制造工艺中,产品受到工艺的各种因素影响产生了应力,而这些应力在工艺完成后仍然存在。即使这些因素消失了,产品仍然会受到一定程度的影响,这种产品内部的影响力,就是所谓的残余应力。
▌薄膜的残余应力
薄膜的残余应力和薄膜材料、基板材质、工艺制程等都有关系,造成薄膜的应力来源一般分为三类:外应力,热应力和本征应力。
1、外应力:薄膜受到外力的刺激而引起的应力。
2、热应力:在工艺制造过程中,薄膜和基板同时经历高温过程并在工艺结束后同时回到常温,此过程中,因为温差关系,薄膜与基板之间的热膨胀系数不同,所以会产生热应力。当基底的热膨胀系数大于薄膜时,产生张应力;反之,则产生压应力。
3、本征应力:由于薄膜与基板交界处的材料性质不同,以及薄膜生长过程中内部的微观结构体不同,而造成的内部应力称之为本征应力。本征应力与制备薄膜的工艺制程和制备方法有着很大的关系,且与基板材料紧密相关。
例如当薄膜与基板材料交界处的晶格之间出现错配,或者薄膜在生长时内部各种缺陷的运动等。所以它依赖于沉积条件、退火、注入的杂质等因素。
▌当应力过大时会对薄膜的质量产生影响,如,
1,应力过大会导致薄膜卷曲,起泡,破裂,脱落和褶皱等,同时衬底的翘曲会变大。
2,应力会改变半导体材料的电子迁移率,影响其电流的传输性能。如果缺陷过多的话,那么薄膜将很容易被电压给击穿掉。
3,应力过大会改变薄膜的折射率。
▌如何解决应力过大问题呢?
1,优化沉积工艺的制程方法。
2,选择热膨胀系数与基板相接近的材料。
3,优化退火处理的制程方法。