薄膜应力分析及一些测量结果
第23卷 第526期2001年526月
光 学 仪 器O PT I CAL I N STRUM EN T S
V o l . 23,N o. 526
D ecem ber, 2001
文章编号:1005—5630(2001) 5 6—0084—08
薄膜应力分析及一些测量结果
范瑞瑛, 范正修
(中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海201800)
Ξ
摘要:参数、老化条件的关系, 。
:; ; 老化
48415文献标识码:A
Stress ana lysis of th i n f il m s and so m e testi ng results
FA N R u i 2y ing , FA N Z heng 2x iu
(Shanghai In stitu te of Op tics and F ine M echan ics , Ch inese A cadem y of Sciences , Shanghai 201800, Ch ina )
Abstract :T he seri ou s influence of stress on h igh pow er laser th in fil m s w as discu ssed in th is p ap er . T he o riginati on of stress and the co rrelati on betw een stress and depo siti on p aram eters and aging conditi on s w ere analyzed . A si m p le stress testing m ethod and som e testing resu lts w ere p resen ted in the con tex t .
Key words :therm al stress ; defo rm ati on ; depo siti on ; aging
1 薄膜应力研究的重要性
薄膜应力在薄膜应用中是一个不容忽视的问题。它的存在不仅会直接导致薄膜的色裂、脱落
, 使薄膜损失, 而且会作用于基体, 使基体发生形变, 从而使通过薄膜元件的光场发生畸变, 影响传输特性, 更重要的是薄膜在激光辐照下, 由于预应力的存在, 加速了薄膜内的热力偶合作用, 使其成为薄膜破坏的敏感因素。因此研究薄膜的应力, 并设法控制其发展, 在强激光系统中显得更为重要。
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工艺等密切相关。搞清楚应力与这些因素的关系, 建立相关的控制技术, 就可以控制薄膜应力的发展, 从而减小薄膜元件的形变, 改善光学质量, 提高元件的使用寿命。2 薄膜应力的成因
薄膜应力的形成是一个较复杂的过程。近年来, 已有不少文献对电子束蒸发的薄膜应力及其影响因素
Ξ
收稿日期:2000208230
作者简介:范瑞瑛(19442) , 女, 浙江镇海人, 高级工程师, 从事光学薄膜技术和激光薄膜的研究, 主攻强激光薄膜。
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・85・
进行了报道。薄膜应力是在生长过程中以及成膜后老化过程逐步形成和发展的。分析得出薄膜的应力类
型可有张应力和压应力两种, 但按其成因分一般由三部分组成:即内应力, 热应力和由水诱发而生的应力, 可用公式(1) 表示:
(1) Ρto t =Ρinter +Ρth +Ρw 热应力(Ρth ) 主要是由薄膜沉积中和沉积后, 温度的变化致使膜层与基底、膜层与膜层之间热膨胀系数的失
匹而产生的, 对单层膜, 它可表示为
Ρth =
1-Χf
(Α-T 1
s
T 2
Αf ) d T (2)
其中E f 和Χf 是膜的杨氏模量和泊松比, Αs 和Αf 1为室温, T 2为膜沉积
时的基底温度。
, , 它的密度不同于相应的体材料密度, 。
内应力(Ρinter ) , 它的成因较复杂, 至今尚未完全搞清, 分析其原因可能有以下几种:
(1) 薄膜材料热分子在基体表面的“淬火”效应, 使之突然失去功能, 形成应力;
(2) 薄膜成膜过程中的相变, 使薄膜体积变化产生应力, 体积胀大产生压应力, 体积缩小产生张应力; (3) 薄膜内部的空位缺陷的位移和消除, 使薄膜体积收缩产生张应力;
(4) 薄膜内的杂质效应, 杂质的引入会导致材料原子间吸引力的变化, 不仅造成总体应力的改变, 还会促成局部强应力区的产生;
(5) 薄膜的表面张力。
从内应力的成因看, 内应力是很难被独立测定的, 更难用理论公式定量计算。水吸收诱发的应力(Ρw ) 是由于蒸发薄膜的疏松结构, 密度不可能为1造成的, 在淀积过程中或淀积后, 空洞中或多或少吸附水分子, 由于薄膜分子与空洞壁上吸附的水分子结合的静电偶极矩之间的排斥作用, 形成了压应力。一般来说, 它与孔的大小有密切的关系, 孔越小(即膜的密度越大) , 由于毛细现象吸附的水气越多, 而且偶极矩之间的相互作用力越大, 应力就越大。但当膜密度大到一定值时, 能被非常精细孔吸附的水分子量明显减少时, 水诱发的应力也不明显了, 显而易见Ρw 是与膜的密度密切相关。另外, 还由于被吸附水的表面张力的存在, 所以水吸附诱发的应力也是较复杂的。
从上述分析可见, 薄膜应力的形成是诸多因素综合的结果。3 薄膜应力与沉积参数、老化条件的关系
从薄膜应力的成因可见, 应力的大小与膜依附的基体、膜料的类型、纯度、薄膜的淀积技术、淀积参数(如基底温度和气压等) 和膜老化过程的环境条件(如温度、湿度、气压等) 密不可分, 这些因素有的可影响膜的成分、纯度, 有的可直接造成蒸发材料粒子的入射动能以及到达基板上凝聚粒子的表面迁移率的差异, 从而引起薄膜微结构和密度的不同, 导致薄膜的不同的力学、热学参数以及在环境条件下的不稳定性。
[1, 2]
用电子束蒸发的Si O 2单层膜和由H fO 2 Si O 2组成的多层膜的应力发展是很有典型意义的。图1、图4、图5和图8分别给出了硅锗基底上的Si O 2单层膜和B K 7基底上的H fO 2 Si O 2多层膜的残余应力与基底种类、淀积条件、老化时间、老化条件的关系。膜是在硅基底上, 在不同的温度和气压下淀积的, 应力值是样品在清洁的室内环境中老化20天后测量得到的。
表面能的增加归结于表面向更凹的方向改变, 样品表面能数值的变化可能是由于基底初始的平面度和涂层老化试验时间两者的差别而造成。
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a ) () 20天后测量的应力值c ) 在基底上淀积的膜在干净的室内空气中老化20天后测量的应力值
图1 在200℃下沉积的Si O 2膜的残余应力与氧压的关系
(○) T d =285℃, 基础压强(P =2×10-3Pa ) (●) T d =285℃, P O 2=1×10-2Pa
(■) T d =200℃, 基础压强(
P =2×10-3Pa ) (□) T d =200℃, P O 2=2×10-2Pa (▲) T d =20℃, P O 2=2×10-2Pa
(◆) T d =200℃, P A r ≈2×10-2Pa (
∀) T d =20℃, 基础压强(P =2×10-3Pa )
图2 Si 基底上不同的氧压(或氩压) 和基底温度下淀积的Si O 2膜的残余应力随放置时间的变化(放置于注入空气的淀积室内)
(▲) 样品1, 保持在室内空气中 (●) 样品2先在室内空气中2h , 再在真空100h 后, 又在空气中
(○) 样品2, 2h 后放在真空室内100h
图3 相同条件下蒸发的Si O 2膜在不同老化条件下的老化曲线, 沉积条件:Si 基底; 温度:285℃; 氧压1×10-2Pa
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() 42(■) 应力系数 (◆) 表面能
图5 H fO 2 Si O 2多层膜的应力和应力引起的波前畸变与湿度的关系
图6 置于氮气环境中的涂层张应力的漂移
从Si O 2薄膜的应力实验中得到:不同的基底(Si 和Ge ) 上的Si O 2膜的应力值是不一样的;
Si 基底上的Si O 2膜的总应力随基底温度的上升, 压应力上升; 随淀积时的氧压的上升, 压应力下降; 在氧压高于一
定值时, 甚至会使压应力变为张应力; 随着老化时间和环境的变化, 应力数值和性质也会改变。这样就可以找到一个使Si O 2膜应力值最低的最佳基底温度和氧压值, 以及最佳的储存环境和时间。
H fO 2 Si O 2多层偏振膜的应力漂移与环境湿度和老化时间的实验中, 可以看出该多层膜的总应力随湿度的增加由强的张应力变化到低的压应力, 而且在大气环境中, (相对湿度～50%) , 应力的稳定至少需要3个月。结果还表明了Si O 2淀积时的氧压可能是调整整个涂层应力的主要参数, 氧压的减低可增加Si O 2层的压应力, 因此可以用控制Si O 2压应力的数值来平衡H fO 2层的张应力, 从而使整体应力下降。这
一方面的进一步研究是很有意义的。
・88・光 学 仪 器第23卷
(—■—) 应力系数 (—3—) 相对湿度
图7 H fO 2 Si O 2偏振膜的应力系统与老化时间的关系
222未退火处理的应力 ——经200℃退火处理的应力图8 在氮气中总的涂层应力的变化与Si 淀积气压的关系
要了解薄膜应力的影响因素, 需要大量仔细的实验, 但从应力的成因出发, 可以作出定性分析, 下表列出了影响应力的各种因素及其相关程度(∃表示一般相关, ∃∃表示密切相关) , 搞清这些因素的影响情况, 就可以控制应力的形成和发展。 表1
基底材料薄膜材料膜料纯度基底温度淀积方法淀积气压淀积速率退火处理老化时间老化环境
(气压湿度)
应力与各种因素的相关性
热应力∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃
内应力
水诱发应力
总残余应力
∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃
∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃
∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃∃
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4 薄膜应力的测试及部分结果
从薄膜应力的形成过程可以知道, 薄膜的残余应力从原则上讲是一个“瞬时值”, 它与不同的淀积参数
和老化条件均相关, 要得到这个“瞬时值”必须实时测量膜的热、力学参数、膜的结构和密度等等, 难度是较大的, 对多层膜, 困难就更大。但是从应力发展的情况看, 镀制的膜经过一定时间的“老化”, 它的微结构和密度均会趋于平衡。于是它的应力也可以达到一个恒定值。而且由于膜的应力作用可使涂膜元件发生形变。利用这一特性, 只要用干涉仪测量基板在镀膜前后的曲率变化, 就可用下述公式推出膜的应力值。
设基板的直径为D , 厚度为t s , 膜厚为t f , 形变产生的曲率半径的变化为r ,
∆, R 1、R 2为膜淀积前后的曲率半径。一般t f
∆2
8r
R -
1
) (3)
22
(-) ==2
6(1-ΧR 2R 13(1-Χs ) t f s ) D t s
(4)
Ρ为应力系数, E s 和Χ。s 为基底的杨氏模量和泊松比
图9显示了一个单层膜压应力引起的基板变形(呈现出凸偏离) , 对于多层膜, 造成基板形变是多层膜应力的总体效果, 因此得到的应力系数Ρ也是整个膜组的混合项。
图9 压应力引起的基板变形
在我们的工作中, 利用Zego 干涉仪对几种类型的ZrO 2 Si O 2薄膜应力形变进行了测试, 并用上述公式(4) 计算了薄膜应力, 得出的结果列于表2、表3。图10和图11分别为观察到的全反膜和增透膜样品镀膜前后的面形变化。 表2
样品号
1
几种薄膜镀制前后面形改变的初步结果
厚度
(mm ) 1215
直径
(mm ) 100
基板面形镀膜特性
1106Λm 全反(ZrO 2 Si O 2) 1106Λm 全反(ZrO 2 Si O 2) 1106Λm 增透(ZrO 2 Si O 2) 1106Λm 增透(ZrO 2 Si O 2) 1106Λm 双面
膜板面形
+0. 062
面形
改变
+0. 180
烘烤后面形
-0. 097
最终结论
-01118完全恢复
210-0. 347-0. 043+0. 304-0. 191半恢复
310+0. 006-0. 219-0. 225-0. 136未完全恢复
410+0. 622+0. 512-0. 111+0. 512未完全恢复
3’+0. 107
增透
1106Λm 双面
+0. 111+0. 004+0. 068基本恢复
4’6
20
2
+0. 147-0. 025
增透
ZrO 2单层膜
+0. 247+0. 017
+0. 100+0. 042
+0. 120-0. 006
基本恢复基本恢复
・90・
续表
样品号
7910
光 学 仪 器第23卷
2
直径
(mm )
厚度
(mm )
基板面形镀膜特性
T i O 2单层膜Si O 2单层膜ZrO 2单层膜
膜板面形
+0. 065+0. 010-
0. 330
面形改变
+0. 367+0. 599+0. 093
烘烤后面形
+0. 075-0. 556+0. 007
最终结论与镀膜后面
形相当基本恢复未复原
-0. 302-0. 579-0. 423
注:面形的数值是相对于波长而言, 测量中用的光波长为633nm
表
样品号
3421
3
膜类型反射反射
([**************]
)
100100
()
1010101215
形变量(mm )
[***********]9
应力值(104Kg c m 2)
-0153-[1**********]4
图10 1106Λm 增透膜(3#样品) 在镀膜前后的面形变化
图11 1106Λm 全反膜(2#样品) 在镀膜前后的面形变化
5 结 论
本文对薄膜应力的分析及实验结果可以得出如下结论:(1) 薄膜应力在强激光薄膜的应用中是一个不可忽视的因素;
(2) 薄膜应力与膜的淀积参数密切相关, 还与膜料、膜系有关(在我们的实验中大部分增透膜呈压应力
第526期范瑞瑛等: 薄膜应力分析及一些测量结果 ・91・
态, 大部分反射膜呈张应力态) , 因此可以通过控制这些参数的方法, 达到减小或消除应力形变的效果。
(3) 镀膜后的退火处理可以减小或消除镀膜造成的应力形变。6 参考文献
[1] L ep lan , B . Geenen , J Y Robic , R esidual stresses in evapo rated silicon di oxide th in fil m s :Co rrelati on w ith depo siti on param eters and
. Phys . , 1995, 78(2) :962～968. aging behavi o r [J ]J . A pp l
[2] Jay F A nzello tti , Douglas J Sm ith , Robert J . Sczupak , Stress and environm ental sh ift characteristics of H fO 2 Si O 2m ultilayer coatings
[J ]. SP IE , 1997, 2966:258～264.
消 息
超紫外线光刻技术有望走出实验室
使用超紫外线光刻技术(EU V ) 的芯片制造机器在实验室揭开面纱。如果这项技术走出实验室, 它有望维持芯片处理能力的持续提高的期限再延长30年。
这种超紫外线光刻技术能够将芯片的规格缩小到0103Λm , 其技术关键在于紫外光的波长, 能够将小尺寸的电路蚀刻在硅薄片上。但这种不可见光能够被空气和聚焦透镜吸收, 因此必须在真空状态下进行操作。
从90年代开始, 英特尔公司、摩托罗拉公司和高级微设备公司等公司就开始研发超紫外线光刻技术。目前还存在一些技术问题亟待解决。
目前使用的紫外线光刻技术使用的是深紫外光, 这一工艺在理论上能够蚀刻印刷电路的最小尺寸为011Λm , 以目前芯片的更新速度计算, 到2003年即将达到这一极限。而紫外线光刻技术可使摩尔定律有效期延长到2010年。
1965年, 英特尔公司合作尊基人摩尔预言, 芯片上晶体管数量每隔18个月就会翻一番, 被称为著名的“摩尔定律”。到目前为止, 这一定律还是正确的。
(摘自)
《科学时报》