В микромире современных технологий — от чипов смартфонов и высокоэффективных солнечных батарей до сверхточных оптических линз — тонкоплёночная технология присутствует повсюду. Эти слои материалов, толщина которых составляет всего от нескольких нанометров до нескольких микрометров, придают устройствам уникальные оптические, электрические, магнитные, тепловые и механические свойства. Однако существует невидимая и неосязаемая, но крайне важная физическая величина — «внутреннее напряжение», которая постоянно влияет на характеристики пленок, их надёжность и даже на успех или неудачу конечного продукта. Когда напряжение выходит из‑под контроля, пленка трескается, отслаивается или образует складки, что приводит к полному выходу устройства из строя. В данной статье рассматриваются источники внутреннего напряжения в тонких пленках, методы его оценки и влияние на функциональные характеристики устройств, а также представлены соответствующие инженерные меры по его управлению.

«Тройные ворота» внутренних напряжений в тонких пленках: откуда они берутся?

В идеальном случае мы стремимся к тому, чтобы тонкая пленка идеально прилипала к подложке, словно гладкая поверхность озера. Однако на практике во время её изготовления и эксплуатации практически неизбежно возникают внутренние напряжения. Эти напряжения обусловлены главным образом тремя факторами: напряжениями роста, термическими напряжениями и интерфейсными напряжениями.

1. Стресс роста: возникает в момент «образования плёнки»

Ростовые напряжения, также называемые собственными напряжениями, возникают в процессе нанесения тонкой пленки при «размещении» атомов или молекул. Они не зависят от разности коэффициентов теплового расширения между пленкой и подложкой, а определяются неравновесным характером процесса роста микроструктуры пленки.

Напряжения в физическом осаждении из газовой фазы (PVD): В таких процессах PVD, как напыление или испарение, при бомбардировке растущей плёнки высокоэнергетическими частицами возникает эффект «внедрения атомов», когда поверхностные атомы «вклиниваются» в междоузлия кристаллической решётки, формируя сжимающее напряжение. Напротив, если в ходе осаждения подвижность атомов недостаточна, между зернами образуется множество микроскопических пор, которые в дальнейшем при росте плёнки «тянутся» друг к другу, создавая растягивающее напряжение. Известная «модель Торнтона» наглядно демонстрирует, как давление и температура в процессе напыления, влияя на подвижность атомов, определяют переход плёнки из области растягивающих напряжений в область сжимающих напряжений.

Напряжения в химическом осаждении из газовой фазы (CVD): Процесс CVD включает сложные химические реакции предшественников и поверхностные процессы. Например, при росте поликристаллических кремниевых пленок зерна во время роста сжимаются друг на друга и сливаются, что приводит к возникновению сжимающих напряжений. Кроме того, включение и выделение побочных продуктов реакции (например, водорода) в толще пленки также вызывают деформацию кристаллической решетки, что, в свою очередь, порождает внутренние напряжения.

2. Термическое напряжение: «последствия» изменений температуры

Термическое напряжение — наиболее распространённый и легко понимаемый вид напряжений в тонкоплёночных системах. Оно возникает из‑за несоответствия коэффициентов теплового расширения (КТР) между тонкой плёнкой и подложкой. Тонкие плёнки обычно формируют при высоких температурах (например, путём отжига или CVD‑выращивания); при охлаждении системы до комнатной температуры, если КТР плёнки превышает КТР подложки, плёнка сжимается сильнее, чем подложка, вследствие чего испытывает растягивающее напряжение, вызванное удерживанием подложкой. Напротив, если КТР плёнки меньше, чем у подложки, плёнка подвергается сжимающему воздействию подложки, что приводит к появлению сжимающего напряжения.

Величина термического напряжения может быть оценена по следующей формуле:

В этом выражении Ef и νf — соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона тонкой плёнки, αf и αs — коэффициенты теплового расширения плёнки и подложки, а T_deposition и T_room — температура осаждения и комнатная температура. Данная формула наглядно показывает, что несоответствие коэффициентов теплового расширения (αf−αs) и диапазон изменения температуры являются ключевыми факторами, определяющими величину термического напряжения.

3. Интерфейсное напряжение: «несовместимость» на микроскопическом уровне

На границе раздела между тонкой пленкой и подложкой, вследствие различий в параметрах решётки или в способе упорядочения атомов, возникают интерфейсные напряжения, также называемые эпитаксиальными напряжениями. Когда один кристаллический материал вырастает эпитаксиально на другой кристаллической подложке, чтобы обеспечить совпадение расположения атомов на границе, решётка пленки вынужденно растягивается или сжимается, стремясь соответствовать решётке подложки; при этом внутри пленки накапливается значительная упругая деформационная энергия.

По мере увеличения толщины плёнки эта деформационная энергия непрерывно накапливается. Когда толщина превышает критическое значение, система стремится снять напряжение за счёт образования дефектов решётки, таких как дислокации, хотя это и нарушает идеальность кристаллической структуры. Понимание и управление интерфейсными напряжениями играют ключевую роль для характеристик полупроводниковых гетероструктурных устройств, таких как светодиоды и лазеры.

Инсайт‑стресс: как точно измерить «внутреннее состояние» тонких плёнок?

Поскольку напряжение столь важно, как же его можно точно измерить? Поскольку невозможно непосредственно ввести датчик в тонкую плёнку, учёные разработали множество косвенных методов измерения; среди них наиболее классическим и широко применяемым является метод измерения кривизны, основанный на «формуле Стони».

1. Основная идея: рассматривать «силу» через «форму»

Когда напряжённая тонкая плёнка осаждается на ровную подложку, вся система изгибается подобно биметаллической пластинке. Натягивающее напряжение приводит к вогнутости подложки со стороны плёнки, тогда как сжимающее напряжение — к её выпуклости. Точное измерение этого микроскопического изгиба (изменения радиуса кривизны) позволяет восстановить величину внутреннего напряжения в плёнке.

Формула Стони является математическим выражением этой идеи:

Здесь нижние индексы s и f обозначают подложку и тонкую пленку соответственно; E, ν и t — модуль упругости, коэффициент Пуассона и толщина; R₀ и R — радиусы кривизны подложки до и после нанесения тонкой пленки.

2. Основные методы измерения

Оптический метод (лазерное сканирование): Это в настоящее время наиболее распространённый бесконтактный метод измерения. Лазерный луч подаётся на поверхность образца под определённым углом, и по изменению угла отражённого луча вычисляется кривизна поверхности образца. Современные устройства позволяют осуществлять высокоскоростное и высокоточное сканирование всего полупроводникового пласта с возможностью оперативного мониторинга распределения напряжений по всей поверхности образца.

Рентгеновский метод дифракции: Рентгеновская дифракция (XRD) позволяет не только исследовать кристаллическую структуру материалов, но и с высокой точностью определять решёточную деформацию — а значит, и напряжения — по измерению изменений межплоскостных расстояний. Метод «sin²ψ» является одной из классических техник, особенно эффективной для поликристаллических тонких пленок. Преимущество XRD заключается в том, что она позволяет непосредственно измерять напряжения без необходимости знать модуль упругости материала и при этом различать различные компоненты напряжений.

Метод ступенчатого прибора: Для измерения значительных деформаций, обусловленных напряжениями, можно использовать высокоточный ступенчатый профилометр, позволяющий непосредственно определять рельеф поверхности образца. Зонд прибора мягко скользит по поверхности образца, точно фиксируя её высотные колебания. Путём проведения кривизненной аппроксимации полученных двумерных данных профиля можно вычислить радиус кривизны R, после чего, подставив его в формулу Стоу‑Ни, получить значение напряжения.

В таких отраслях, как производство полупроводников и плоскопанельные дисплеи, нередко возникает необходимость измерять глобальную ровность и степень искривления крупногабаритных образцов — например, кремниевых пластин диаметром свыше 300 мм, больших оптических зеркал или подложек для дисплеев. Эти макроскопические параметры рельефа зачастую являются прямым следствием неравномерного распределения напряжений в тонких пленках. Например, ступенчатый профилометр для крупногабаритных образцов компании Zeyou Technology (модель JS500C), благодаря своей чрезвычайно широкой области сканирования — от миллиметров до метров — и вертикальному разрешению на уровне субнанометра, способен точно получать данные о поверхности всего крупногабаритного образца, обеспечивая надёжную базу данных для расчёта глобального распределения напряжений, оценки равномерности толщины пленки после CMP‑обработки и анализа степени искривления подложки. Этот прибор действительно обеспечивает покрытие всего диапазона масштабов, становясь мощным инструментом для сохранения нанометровой точности при работе с крупными деталями.

Последствия неконтролируемого процесса и инженерные меры противодействия

Когда внутреннее напряжение в тонкой плёнке превышает её предел прочности или её адгезионную прочность к подложке, происходит катастрофический разрушительный отказ.

Расщепление: При чрезмерном растягивающем напряжении плёнка разрывается, подобно растянутой резиновой ленте, образуя трещины, проходящие через всю толщину плёнки.

Сгибание и отслаивание: При чрезмерном сжимающем напряжении тонкая плёнка, подобно сжатой линейке, изгибается, образуя складки или характерный «телефонный провод»‑подобный рельеф. Если напряжение ещё больше возрастает либо адгезия плёнки к подложке недостаточно прочна, плёнка полностью отслаивается от подложки.

Столкнувшись с трудными задачами, связанными со стрессом, инженеры разработали целый ряд изящных методов регулирования:

Оптимизация технологических параметров: Как отмечалось ранее, регулируя технологические параметры — температуру осаждения, давление фонового газа, энергию ионного бомбардирования и др. — можно непосредственно влиять на микроструктуру тонкой пленки и, соответственно, управлять её собственным напряжением. Это наиболее прямой и широко применяемый метод.

Термическая обработка (отжиг): Отжиг является эффективным методом снятия и регулирования внутренних напряжений. Нагревая образец до определённой температуры и выдерживая его при этой температуре, можно обеспечить атомам достаточную энергию для диффузии и перераспределения, что позволяет устранить дефекты кристаллической решётки, уменьшить микропористость и, таким образом, снизить собственные напряжения. В то же время, точно контролируя скорость охлаждения после отжига, можно также в определённой степени регулировать термические напряжения.

Конструкция многослойной мембраны: Умело спроектированная многослойная мембранная структура позволяет реализовать принцип «силой противодействовать силе». Например, можно чередовать нанесение слоёв с растягивающим и сжимающим напряжением, так чтобы на макроскопическом уровне они взаимно компенсировали друг друга, снижая суммарное напряжение всей мембранной системы. Такая технология компенсации напряжений широко применяется в таких областях, как создание прецизионных оптических покрытий.

Введение буферного слоя/вставочного слоя: Включение между тонкой пленкой и подложкой специального буферного слоя позволяет эффективно снизить напряжения, возникающие вследствие решеточной или термической несовместимости. Например, при эпитаксиальном росте GaN обычно сначала формируют низкотемпературный слой GaN или AlN в качестве буферного слоя.

Внутреннее напряжение в тонких пленках — ключевая проблема, охватывающая всю цепочку: от подготовки материалов до проектирования и производства устройств. Это одновременно и вызов, и возможность. Глубокое понимание источников напряжений, точное освоение методов их характеристики и гибкое применение различных инженерных подходов к их управлению — залог обеспечения высоких эксплуатационных характеристик и надёжности современных высокотехнологичных продуктов. От измерения микроскопической кривизны одного‑единственного подложечного полупроводникового пластина до сохранения точной геометрии лопаток авиационных двигателей — такие прецизионные измерительные приборы, как крупногабаритный ступенчатый профилометр компании «Цзэюй», всё более мощно помогают нам проникать в тонкий мир микро‑механики и управлять им, обеспечивая нанометровую точность — от чипов до самых далёких пределов космоса.

Справочные материалы
1. Харамильо — Фернандес, Х. (2015). Настройка теплопроводности поликристаллических пленок за счёт многоуровневых структурных дефектов и деформации.
2. Анализ интерфейсных напряжений в системе покрытие–матрица [J]. Журнал механики твёрдого тела, 2006, 27(2): 203–206.
3. Тестирование Go. Принцип действия и руководство по применению шагомера
4. Шао Шуинь (2004). Исследование механизмов возникновения и технологий контроля напряжений в тонких пленках