第卷， 第期
年月
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激光与光电子学进展
，
五，
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薄膜应力研究
邵淑英 范正修 范瑞瑛 邵建达
〔中国科学院上海光学精密机械研究所光学薄膜技术研究与发展中心， 上海
关键词
综述了近几年薄膜应力研究的重点及新进展，探讨了薄膜应力研究的发展方向。
薄膜 应力
功 习 扣
沂即召加夕饥诊冷￡即沉以乳艺” 尸祝饥舒岭，战砚砚夕落介绍沉扭即瓦八已九落，
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叭 出 即山飞创 、，
万帕
研究的意义
随着传统光学 、 信息光学 、光
通讯的不断扩展以及计算机技术、
真空技术 、 光电子技术的飞速发
展，薄膜光学器件以及薄膜电子器
件得到了日益广泛的应用。 但是薄
膜应力的存在直接影响薄膜元器
件的成品率、稳定性和可靠性。 因
此，薄膜应力问题变得愈来愈突出
和重要。
薄膜应力是一种宏观现象，然
而，它却反映出淀积薄膜的内部状
态 ， 是决定薄膜完整性的重要因
素。 薄膜应力严重时会直接导致薄
膜色裂、脱落，使薄膜损伤，甚至使
整个元件失去功能。 在一定范围
内，应力会作用于基体，导致基体
发生变形，从而使通过薄膜元件传
输的光电信息发生畸变。 更重要的
是，薄膜在激光辐照下 ，由于预应
力的存在，加速了薄膜的热力藕合
作用 ，使其成为薄膜破坏的敏感因
素。 此外，通过对薄膜应力的研究，
可以了解薄膜破坏机理，进而达到
改善薄膜抗激光损伤性能的目的。
研究现状
一般说来，固态薄膜都处于某
种应力状态之中。 薄膜最终存在的
应力是各种因素所引起的应力分
量的总和 ，包括内应力几、 由于薄
膜与基底热膨胀系数不同及沉积
与测量时的温差而引起的热应力
几、 由晶态或体积变化或外加载荷
作用引起的外应力‘ 及水分吸收
等物理现象等化学反应引起的应
力内尸，。 即
二几。认口曰十亿卿】
早在世纪末， 镀膜中的应
力就已为人们所关注 。 年 ，
对由化学淀积在玻璃温度计
球管上的薄膜的内应力作过测定。
年后 ，利用基片的变形
测量了电镀薄膜内应力，为内应力
的定量计算奠定了基础。 从那时到
现在，薄膜中内应力的研究和实验
测量不断地被人们用各种手段进
行尝试， 并且提出了各种理论，以
求对所得的结果加以解释。 目前对
薄膜应力研究主要集中在薄膜内
应力生长模型、应力释放机制以及
应力控制技术。
薄膜应力产生机制研究
许多人对内应力产生的原因
进行了大量的研究，提出了各种理
论模型。 因为内应力现象很复杂，
它与源材料及沉积过程的工艺参
数密切相关，每一种材料与沉积过
程的组合都需要进行细致的研究，
因此没有哪一种模型能够对薄膜
中所有的压应力及张应力状态做
出完全解释。 目前对内应力的成
因有下面一些结论
收稿日期一一
日
第卷， 第期
年月 激光
与光电子学进展
，，
热收缩效应的模型
热收缩产生应力的模型最早
是由和提出来，
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。 在薄膜
形成过程中，沉积到基体上的蒸发
气相原子具有较高的动能，从蒸发
源产生的热辐射等使薄膜温度上
升。 当沉积过程结束，薄膜冷却到
周围环境温度过程中，原子逐渐地
变成不能移动状态。 薄膜内部的原
子是否能移动的临界标准是再结
晶温度，在再结晶温度以下的热收
缩就是产生应力的原因。
相转移效应模型
在薄膜形成过程中发生从气
相到固相的转移。 根据蒸发薄膜材
料的不同，可细分为从气相经液相
到固相的转移及从气相经液相可
能不经过再经过固相到别的固相
的转移。 在相转变时一般发生体积
的变化，从而引起应力。
由相转移产生应力的模型首
先是由掘越等人在薄膜中发现
的。 在常温下蒸发的薄膜，当
膜厚在某一临界厚度之前它是非
晶态的，内应力也非常小。 可是，当
膜厚增加而发生结晶时，内应力就
会急剧地增大。 另一个明显的例子
就是和等人对
薄膜进行的试验。 从液相转为
固相时， 它的相变温度约为℃ ，
而且相变时它的体积发生了膨胀。
他们从薄膜的内应力变为压应
力来说明内应力是由液相向固相
转移而引起的。
晶格缺陷消除的模型
在薄膜中经常都含有许多晶格
缺陷， 其中空位和空隙等缺陷经过
热退火处理， 原子在表面扩散时将
消除这些缺陷， 可使体积发生收缩
从而形成张应力性质的内应力。
由晶格缺陷消除而产生应力
是由和 飞提出来。
在薄膜的形成过程中由于晶格缺
陷消失而引起了体积的收缩，从而
产生了内应力。 现已知道薄膜中含
有很多缺陷，特别是空穴。 把薄膜
进行热处理，然后同时测量它的内
应力及其电阻，结果发现两者的变
化形式对应得很好。 因为电阻值随
热处理的变化能很好地反映出空
穴浓度的变化 ，所以 ，内应力与空
穴消失有关的看法被认为是正确
的。 但是，为了能够说明实测的内
应力值，就必须假定薄膜中含有多
达百分之几的缺陷浓度要比热平
衡状态下的缺陷浓度大几个数量
级，这种模型的缺点是只能说明张
应力。
表面张力和晶粒间界弛豫
模型
为了说明膜内应力的复杂
状态，和提出了
表面张力与晶界弛豫模型。 他们
考虑了与薄膜形成过程各阶段相
对应的模型 ，即在薄膜形成的最初
期核生成和其成长阶段，由于小岛
中的原子和小岛本身是容易移动
的，故不能产生内应力。 当岛增大
时， 它和基片之间的结合增强了，
这时不但原子或小岛的运动受到
抑制，而且由于表面张力 ，岛的结
晶也受到了抑制 ，从而产生了压应
力。 当小岛再进一步增大时，岛与
岛之间的距离变小从而引力增大，
产生了张应力。 当岛与岛接近形成
晶界时，张应力达到最大。 此后 ，如
果晶界状态不变，那么 ，应力就保
持一定。 但是，在说明压应力时，还
存在某些难点。 另外，还存在实验
中常常不一定能够看到有压应力
存在的缺点。
界面失配模型
当与基体晶格结构有较大差异
的薄膜材料在这种基体上形成薄膜
时，若两者之间相互作用较强，薄膜
的晶格结构会变得接近基体的晶格
结构， 于是薄膜内部产生大的畸变
而形成内应力。 若失配程度比较小，
会产生均匀的弹性变形相反，如失
配程度较大，则会产生界面位错，从
而松弛薄膜中的大部分应变。 这一
模型一般用来解释单晶薄膜外延生
长过程中应力的产生
杂质效应模型
在薄膜形成过程中，环境气氛
中的氧气、 水蒸气 、 氮气等气体的
存在会引起薄膜结构变化。 如杂质
气体原子的吸附或残留在膜中形
成间隙原子，造成点阵畸变。 另外
还可能在薄膜内扩散、 迁移甚至发
生晶界氧化等化学反应。 残留气体
作为一种杂质在薄膜中掺人愈多则
愈易形成大的压应力。 另外由于晶
粒间界扩散作用， 即使在低温下也
能产生杂质扩散从而形成压应力。
原子、离子钉轧效应模型
在薄膜溅射沉积过程中，最显
著的特点是存在着工作气体原子
的作用，而且溅射原子的能量相对
较高，在低的工组气压或负偏压条
件下，一般得到处于压应力状态的
薄膜，这一结论有很大的普遍性刀。
对此 ，五飞和 等提
出了原子钉轧效应模型 ，由此产
生的压应力一般是溅射薄膜中固
有的应力。 在阴极溅射过程中人射
到薄膜上的溅射离子都具有一定
的能量，它比真空蒸发时的能量大
一个数量级。 因此，在薄膜形成时
可能形成空位或填隙原子等缺陷，
使薄膜体积增大。 另外，在溅射过
程中的加速离子或加速中性原子
常以很高的能量冲击薄膜。 它们除
了作为杂质被薄膜捕获之外，薄膜
表面原子也向内部移动导致薄膜
体积增大 ， 在薄膜中形成了压应
力。
由以上的分析可以看出，薄膜
应力的起源涉及到复杂的物理化
学过程 ，与薄膜的成核、 生长以及
盆
第卷， 第期
年月 激光与光电子李进展
，
台
微观结构密切相关。 一般情况下 ，
应力的产生是几种机制综合作用
的结果。
薄膜应力释放机制
薄膜中最终存在的应力水平
是部分应力释放后取得平衡时的
应力。 薄膜应力的释放机制包括
薄膜塑性变形基底塑性变
形薄膜开裂或脱落。
在对气相沉积薄膜中残余应力蠕
变释放机制进行的研究中指出，
薄膜的应力释放包括膜层蠕变、基
底蠕变 、膜层破裂 、基底破裂、 基底
弯曲、膜层弯曲等过程。 研究发现
通过蠕变释放应力的大小与膜层
和基底的厚度，暴露时间的长短及
暴露环境的温度有密切关系。 随着
膜层厚度增加及基底厚度的减小，
膜层破裂的倾向性减小。 另外，还
有人对多晶硅薄膜中的应力采取
了快速热退火的方法来促进其中
应力的释放，结果表明随着退火
时间的延长和退火温度的升高，最
初的应力值逐渐减小，而且由于快
速热退火， 没有发现晶粒生长。
射线衍射光谱表明，退火改变了薄
膜的显微结构，从而引起了应力的
改变。 在对沉积在锗基底上的硅膜
应力释放机制研究中，比较了在
相同条件下 ，离子束溅射和磁控溅
射沉积薄膜的结构与应力大小 ，发
现磁控溅射硅膜呈非晶态 ，而离子
束溅射硅膜呈现弱多晶结构，且其
中的应力远远大于磁控溅射膜中
的应力值。 在随后相同温度下的热
处理过程中， 磁控溅射薄膜中的应
力随着温度的升高及热处理时间的
延长明显减小而离子束溅射膜在
热处理后，其中的应力反而增大。 小
晶粒薄膜中， 晶界扩散是应力释放
的主要方式， 离子轰击对应力大小
有显著影响， 它甚至会改变应力的
性质。 对一和一评一
等多层膜系统的应力释放，通
目
过实时测量的方法进行了广泛的
研究 ，经离子辐射的样品 ，膜层和
基底结合得很好，可以看作是一个
整体结构，这主要是因为经离子辐
射的膜层中没有宏观缺陷和杂质
的缘故。
薄膜中的应力如果不能通过
基片或薄膜的塑性变形得以释放，
当累积到一定值时，膜就会发生开
裂甚至剥落。 事实上，镀膜过程中经
常观察到剥落薄膜发生卷曲或氧
化膜仅微区局部剥落 ，表明薄膜内
存在应力梯度以及微区应力集中。
因此 ， 为了深刻了解薄膜破裂机
理，有必要发展薄膜微区应力测量
技术并进行深入的研究。
薄膜应力控制技术
薄膜中的预应力是薄膜生长
过程和存放的环境条件共同作用
的结果，其性质和大小与基体和薄
膜材料 、 沉积技术 、 沉积条件以及
后处理等密切相关。 搞清楚应力与
这些元素的关系，建立相关的控制
技术， 就能控制薄膜应力的发展，
从而减小薄膜元件的形变，提高元
件的使用寿命。 许多研究人员从这
一点出发，对薄膜应力的控制技术
进行了探讨。
通过添加亚层控制多层膜
应力
在镀制多层高反、 增透或其它
介质膜的过程中， 膜料应力性质相
同，这样就会增大整个膜层的应力，
导致薄膜破裂或脱落。 为了解决这
一问题，通常采用的方法是，在层与
层之间添加一亚层， 来缓解应力带
来的破坏作用。 探讨了镀在
硅激光反射镜上的 ’ 必扩永
多层高反膜中应力减小的可能性
， 在这篇文献中， 作者分别将
。 和 单层膜的应力性质
及基板温度 、基板偏压等工艺参数
对应力的影响进行了对比，讨论了
这两种材料组合成多层膜的可能
性及工艺参数对应力的补偿程度。
结果发现仅仅通过控制工艺参数
来补偿应力是不可能的，建议用具
有较高张应力和较低密度的金属
铬作为隔层，实验效果较好。
通过改变工艺参数控制应
力
镀膜过程中工艺参数的改变
会直接影响薄膜中的最终残余应
力水平，通过调整镀膜时的基底温
度、 真空度 、 沉积速率等工艺参数
可以控制薄膜中应力的大小，甚至
会改变应力的性质。 而通过
对硼膜内应力的控制研究阅，分析
了离子辅助沉积硼膜中的应力与
沉积条件的关系 ，结果表明，在基
底温度 、沉积速率等不同蒸发条件
下 ，膜层应力性质由压应力变为张
应力。 而且当用氢离子辅助进行沉
积时，由于钉轧效应引起了压应力
值的增加。 最后 ， 在蒸发速率为
· 一‘ 、 基底温度为℃条件
下沉积得到的硼膜 ， 其应力值接
近。 研究了磁控溅射铬
镀膜中的沉积速率，气体压力和气
体氢 、氢性质对薄膜内应力的影
响 ，指出在溅射过程中，如采取
低压和缓慢沉积时，铬薄膜具有较
高的压应力。 提高沉积速率和工作
压力，将使薄膜的压应力减小。 并
认为膜的压应力是由于被加速的
高能离子或原子在沉积成膜时的
撞击而产生。 抢和在
℃到℃的温度范围内， 对真
空蒸发在石英单晶片上的皿薄
膜的内应力和杨氏模量进行了测
量问，结果表明，内应力是张应力，
并随沉积温度的增加应力稍有减
小， 其应力值在又眺和
甲眺“ 之间，杨氏模量的值
为欠眺，
通过改进沉积技术控制应
力
在磁控溅射沉积薄膜过程中，
第卷， 第期
年月 激光与光电子营进展
，
随着射频源功率的变化，沉积原子
的动能也发生改变 ，界面扩散层结
构和膜层结构的结构缺陷浓度也
随之变化。 因此，薄膜内的残余应
力就会发生改变。 在偏压溅射中，
‘刃和等‘分别对金属
膜和非金属膜在溅射中因改变偏
压参数引起的膜的微观结构和应
力的关系做了研究。 枷还用透
射电镜研究了一矶膜的微观
结构和应力的关系，发现随负偏
压的增加，膜的应力由张应力变为
压应力 ，且不断增加。 总的应力值
在未加负偏压时为， 负偏
压为一时则为 甲，另
外，当负偏压值增加时 ，膜的形态
由疏松的柱状变为致密，它的变形
和压应力的增加相一致。
罗叫姐份嶙份砰翔田明娜甲甲甲
一一一
一二二二犷
图 悬臂法测量应力的示意图
基片
簿膜
对阴极为
图 身寸线衍射法测量内应力的装置
薄膜应力测量技术
在薄膜应力研究中，一般只考
虑宏观应力，其测量首先是以应变
测量为基础 ，然后再根据弹性理论
进行计算。 薄膜中应力的测量方法
有很多种，从大的方面分为沉积后
测量和实时测量两种。 沉积后测量
所依据的物理现象可分为悬臂法、
射线衍射法 、 牛顿环法、 光干涉
法 、 光谱法等，这里只对具有代表
性的悬臂法和常用的射线衍射
法、光谱法及新发展起来的两种实
时测量法作一介绍团，。
悬臂法
图 所示为悬臂法测量应力
的示意图。 它是用一根很薄的玻璃
长条作为基板 ，一端固定 ，另一端
可自由弯曲，形成悬臂。 测出因薄
膜应力引起的自由端位移， 就可
以算出应力。 计算公式为
测定方法主要有直观法、 电容量法
和光杠杆法等。
射线衍射法
如果应力对晶格有影响， 那么
晶格就会发生畸变， 从而晶格常数
也要发生变化。 所以，假如能够测出
晶格畸变， 也就能计算出薄膜的内
应力。 其具体做法是，考察晶体中的
某一晶面，当晶体没有发生畸变时，
晶面之间的面间距为。 ， 当由于沿
晶面方向的内应力引起晶面间距
。 变为时， 可由下式表示
图为掠射射线衍射仪示意图。
采用这种测量方法的主要好处是
低角掠射 。 一， 以减小
射线穿透深度 通过真空光阑有
效地提高衍射强度和衍射峰的分
辨率 采用单色器以提高信噪比
刀又采用旋转试样架减小了薄膜
织构的影响。
。 。一
毛沙一 二
—艺 。
一
式中，为基片的杨氏膜量，为基
片厚度，为基片的泊松比，为薄
膜的厚度，为基片长度。 位移’的
因为式中的是用 射线和电子
衍射线的位置决定的，所以又称此
法为衍射法。 图所示是射线法
测量系统的原理图。
射线应力分析作为一种重
要的测试手段和评估材料性能的
方法已为大家所熟知，并在材料科
学研究中发挥了重要作用。 然而 ，
当其应用于那些厚度小于几十纳
米薄膜应力测定时却遇到了很大
困难，其主要原因是受衍射强度偏
低、 衍射峰畸变 、 宽化等因素的限
制。 因此就有人通过真空光阑、 内
标校正的途径来提高测量精度困。
图 掠射射线衍射仪示意图
光谱法
表面增强激光拉曼光谱技术
的最新应用表明困，该项技术可用
于薄膜内微区应力分布的测量。 该
方法测试简单‘绷，易于实现高温下
的原位测量，特别是激光束斑直径
小 可达 林， 对薄膜透射深度
浅，在测量薄膜内微区应力及应力
国
，
第卷， 第期
月翌钻蕊一一一
激光与光电寻含进辰
图 千涉法实时测量应力装置， 悬臂结构
分布时有着极大的优越性。 该方法
的原理是，单色光照射固体时发生
散射，其中发生非弹性散射的光束
经分光后形成拉曼谱。 拉曼散射光
谱与固体分子的振动有关，并且只
有当分子的振动伴有极化率变化
时才能与激光相互作用 ，产生拉曼
散射。 如果物体存在应力，某些对
应力敏感的谱带就会产生移动和
变形。 其中拉曼峰频率偏移的改变
与所受应力成正比， 即柳二肪或
艰柳。 为频移拍且，
单位娜乃 ， 北和 为应力因子。
、 口困
二
图
激光干涉法对薄膜应力实时测量的原理图。 激光分束镜参考镜
样品 块 斩波器光圈 离子束样品自由端样
聪第二部分激光束和分别为干涉仪的两个肩突
离子源
相应处理后就可以得到基片偏移
量的数值， 从而算出应力的大小。
图为干涉法所用的悬臂结构
抑为被测试样和无应力标准试样
上对应力敏感的相同谱峰的频移
差渭瓢救黯
当固体受
压应力作用时，分子键长通常要缩
短， 依据力常数和键长的关系，力
常数就有增加 ， 从而振动频率增
加，谱带向高频万间移动。 相仪，
固体受张应力作用时，谱带向低频
方向移动。
激光反射实时测量法
图为利用激光反射法实
时测量基片偏移的装置固，该测量
系统在悬臂法的基础上，利用了基
片变形前后反射激光束位置的变
化，引起位敏二极管输出光
流量的改变，通过
刀〕转换器的放
大作用将这种变化输人电脑，进行
原理，具中买线邵分为基片偏移后
反射激光束的位置，而虚线为基片
未偏移时反射光束的参考位置。
应该指出，利用该方法进行测
量时 ，当镀膜室中温度较高
，基片
会因热膨胀而发生偏移，这一偏移
同样会引起反射光束位置的变化，
导致测量结果出现误差。 因此该方
法的测量精度有待于进一步提高。
激光干涉实时测量法
图为利用激光干涉法测量基
片偏移的应力实时测量原理图阴。 这
子辐射给薄膜带来的影响可以忽
略。 激光束首先通过分束镜分为
两束，其中一束照在试样上 ，经试
样反射后与人射激光束经分光后
的另一束光发生干涉。 通过参考镜
可以看到当试样因应力产生偏移
时两束光干涉条纹的移动。
结束语
从以上的介绍可以看出，虽然
对薄膜中的应力从各个方面都曾
展开过比较深人的研究，但具有普
遍性的结论并不多。 薄膜应力研究
与薄膜生长机理的研究关系密切，
因此，应将两者连起来进行分析。
一系统被成功地用于离子与晶体
硅相互作用的研究，并用来监控薄
另外，薄膜应力的测量技术虽有很
多创新，但还远远没有实现精确测
膜的沉积。 如图所示
，试样的一
端被固定于点，而另一端保持
不受约束。 测量是在试样的背面 ，
也就是沉积膜面的另一面，因此离
量的程度，在今后的研究中还应借
鉴薄膜物理领域的新成果。 从目
前的研究现状看，今后的研究趋势
有〔 薄膜应力释放与薄膜显微
目
第卷， 第期
年月
结构、表面及界面形貌的关系
明确薄膜内微区应力集中对膜内
激光与光电子学进展
初始裂纹形成的作用以及薄膜内
宏观应力对裂纹扩展的作用
升
对薄膜应力产生机制，从分子动力
学的角度进行计算机模拟。
参 考 文 献
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， 毗 ， 一 瓜 对 叩一芜两一
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范玉殿，周志峰 薄膜内应力的起源 材料科学与工程， ， 一
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如 砚 ℃山以 庆 认沈 云枷
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一
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国
|
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