Какое напряжение в напыленных пленках? Освоение контроля напряжений для долговечности пленки

Напряжение является неотъемлемым свойством тонких напыленных пленок, возникающим непосредственно из-за энергетического характера процесса осаждения. Пленки могут проявлять либо растягивающее напряжение (когда пленка растягивается), либо сжимающее напряжение (когда она сжимается). Тип и величина этого напряжения являются не дефектами, а контролируемыми результатами, определяемыми конкретными параметрами, используемыми при напылении.

Напряжение внутри напыленной пленки — это самый важный фактор, определяющий ее механическую стабильность. Понимание того, что это напряжение является прямым, настраиваемым результатом параметров процесса — в первую очередь давления напыления — является ключом к предотвращению распространенных отказов, таких как растрескивание, коробление и расслоение.

Источники напряжений в пленке: Сказка о двух силах

По своей сути, напряжение в пленке возникает из-за расположения атомов при их попадании на подложку и формировании пленки. Энергия, которой они обладают по прибытии, определяет это расположение, создавая одну из двух противоположных внутренних сил.

Понимание растягивающего напряжения (растягивание)

Растягивающее напряжение ощущается как натянутая резинка. Оно возникает, когда атомы в пленке в среднем находятся дальше друг от друга, чем их идеальные равновесные положения.

Обычно это вызвано тем, что атомы достигают подложки с низкой энергией. Им не хватает подвижности, чтобы найти наиболее стабильную, плотную упаковку, что приводит к микроскопическим пустотам в структуре пленки. Естественное межъатомное притяжение через эти пустоты стягивает пленку внутрь, создавая натяжение.

Понимание сжимающего напряжения (сжатие)

Сжимающее напряжение ощущается как сжатая пружина. Оно возникает, когда атомы сближаются больше, чем их идеальное расстояние.

Основная причина — эффект, известный как «атомная дробеструйная обработка» (atomic peening). Это происходит, когда высокоэнергетические частицы (либо атомы напыляемого материала, либо нейтральные атомы газа из плазмы) бомбардируют растущую пленку. Эта бомбардировка эффективно забивает атомы в структуру пленки, уплотняя ее и заставляя атомы занимать междоузельные положения, создавая сжатие.

Ключевые параметры процесса, контролирующие напряжение

Напряжение в вашей пленке — это не случайный результат. Это предсказуемый результат выбранных вами условий осаждения. Регулируя эти параметры, вы можете напрямую контролировать конечное состояние напряжения.

Давление газа при напылении

Давление — самый критический регулятор напряжения. Оно напрямую влияет на энергию частиц, достигающих вашей подложки.

• Низкое давление: Меньше атомов газа в камере означает меньше столкновений. Атомы напыляемого материала достигают подложки с высокой энергией, что приводит к атомной дробеструйной обработке и сжимающему напряжению.
• Высокое давление: Больше атомов газа приводит к большему количеству столкновений. Атомы напыляемого материала теряют энергию до прибытия, что приводит к низкой подвижности на поверхности, большему количеству пустот и, следовательно, растягивающему напряжению.

Для каждого материала и системы существует «переходное давление», при котором напряжение меняется сжимающего на растягивающее. Работа вблизи этой точки является ключом к получению пленок с низким напряжением.

Температура подложки

Повышение температуры подложки придает прибывающим атомам больше тепловой энергии.

Это усиленная подвижность на поверхности позволяет им перемещаться и оседать в более стабильных, низкоэнергетических узлах решетки. Этот процесс помогает уменьшить количество пустот, что снижает растягивающее напряжение, или снимает часть деформации от бомбардировки, уменьшая сжимающее напряжение.

Напряжение смещения подложки

Приложение отрицательного напряжения к подложке (или держателю подложки) притягивает положительные ионы из плазмы.

Это намеренно увеличивает энергию и количество ионной бомбардировки растущей пленки. Небольшое смещение можно использовать для уплотнения пленки и перевода ее из растянутого в слегка сжимающее состояние. Большое смещение вызовет очень высокое сжимающее напряжение.

Понимание компромиссов и последствий

Величина напряжения, будь то растягивающее или сжимающее, в конечном итоге определяет, выдержит ли пленка или разрушится.

Проблема высокого растягивающего напряжения

Чрезмерное растягивающее напряжение может превысить собственную прочность на когезию пленки.

Это напрямую приводит к растрескиванию и образованию сетки трещин, поскольку пленка буквально разрывает саму себя. Если напряжение превышает прочность сцепления пленки с подложкой, это также может вызвать расслоение.

Проблема высокого сжимающего напряжения

Чрезмерное сжимающее напряжение заставляет пленку расширяться в боковом направлении за пределы размеров подложки.

Чтобы снять это напряжение, пленка будет коробиться от подложки, образуя морщины или пузыри. В производстве полупроводников высокое сжимающее напряжение может вызвать значительное коробление пластины, нарушая последующие процессы, такие как фотолитография.

Цель: Нейтральное или слегка сжимающее

Для большинства применений цель состоит в том, чтобы достичь состояния с нулевым или слегка сжимающим напряжением. Небольшое количество сжимающего напряжения часто желательно, поскольку оно гарантирует, что пленка полностью уплотнена и активно сопротивляется образованию трещин.

Сделайте правильный выбор для вашей цели

Идеальное состояние напряжения не является универсальным; оно полностью зависит от вашего конечного применения и потенциальных режимов отказа.

• Если ваш основной фокус — механическая долговечность и предотвращение трещин: Стремитесь к слегка сжимающему состоянию напряжения, напыляя при более низком давлении газа или используя небольшое смещение подложки для уплотнения пленки.
• Если ваш основной фокус — минимизация коробления пластины для последующей обработки: Вы должны точно настроить давление напыления, чтобы работать вблизи точки перехода растяжение-сжатие, чтобы достичь значения напряжения, близкого к нулю.
• Если ваша пленка расслаивается от подложки: Напряжение (растягивающее или сжимающее) слишком велико для существующей адгезии. Ваш первый шаг — уменьшить величину напряжения, отрегулировав давление, а затем поработать над улучшением очистки подложки и адгезионных слоев.

Понимая взаимосвязь между входными параметрами процесса и внутренними силами, вы можете превратить напряжение пленки из потенциальной точки отказа в контролируемый инженерный параметр.

Сводная таблица:

Тип напряжения	Причина	Основной управляющий параметр	Влияние на пленку
Растягивающее напряжение	Поступление низкоэнергетических атомов, приводящее к пустотам	Высокое давление напыления	Растягивает пленку, может вызвать растрескивание
Сжимающее напряжение	Бомбардировка высокоэнергетическими частицами (атомная дробеструйная обработка)	Низкое давление напыления / Смещение подложки	Сжимает пленку, может вызвать коробление

Достигните идеального состояния напряжения для вашего применения тонких пленок.

Сталкиваетесь с растрескиванием пленки, расслоением или короблением пластины? Эксперты KINTEK понимают, что контроль напряжения — ключ к механической стабильности. Мы специализируемся на предоставлении точного лабораторного оборудования и расходных материалов, необходимых для оптимизации параметров вашего процесса напыления — таких как давление и смещение подложки, — что позволяет производить долговечные и надежные пленки.

Позвольте нам помочь вам превратить напряжение пленки из точки отказа в контролируемый инженерный параметр. Свяжитесь с нашими специалистами по тонким пленкам сегодня, чтобы обсудить ваши конкретные потребности в применении.

Визуальное руководство