# 【115】沉积参数对磁控溅射镀金膜残余应力的影响

## 基本信息
- **作者**：刘明智等（北京航天控制仪器研究所）
- **来源**：《导航与控制》2020年第19卷第6期
- **路径**：源文件/文献/应力相关/沉积参数对磁控溅射镀金膜膜层残余应力与微观形貌的影响_刘明智(1).pdf
- **阅读日期**：2026-04-11
- **理解程度**：⭐⭐⭐⭐⭐（8页详细实验数据，极其有价值）
- **关联度**：⭐⭐⭐⭐⭐ **极高！XC03 Cu膜应力核心参考！**

## 核心内容

### 实验条件

| 条件 | 参数 |
|------|------|
| 设备 | 直流磁控溅射镀膜机 |
| 靶材 | Cr靶 + Au靶（99.99%） |
| 基底 | 石英玻璃（0.2mm厚） |
| 本底真空 | 6×10⁻⁴ Pa |
| 溅射电流 | 1.6 A |
| 镀膜时间 | Cr层3min + Au层20min |
| 膜厚 | 2000Å（Au层） |

### 关键发现1：温度对残余应力影响 ⭐⭐⭐⭐⭐

| 镀膜温度 | 基片面形 | 曲率半径 | **膜层应力** |
|----------|----------|----------|--------------|
| **25℃** | 2.51λ | 38.09m | **75.42 MPa** ✅ |
| 80℃ | 4.12λ | 23.21m | 123.79 MPa |
| 120℃ | 6.03λ | 15.86m | 181.18 MPa |
| 180℃ | 7.59λ | 12.60m | 228.06 MPa |

**结论**：温度↑ → **应力↑**（温度越高，拉应力越大！）

### 关键发现2：温度对晶粒尺寸影响 ⭐⭐⭐

| 镀膜温度 | 晶粒尺寸 | 致密度 |
|----------|----------|--------|
| **25℃** | **~30nm** ✅ | 致密 |
| 80℃ | 增大 | 致密 |
| 120℃ | 增大 | 致密 |
| 180℃ | **~100nm** | 致密 |

**结论**：温度↑ → 晶粒尺寸↑（从30nm增至100nm）

### 温度影响机理分析

```
温度↑→应力↑机理：
     ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│ 高温→原子迁移能力↑                  │
│     ↓                               │
│ 缺陷消除→晶界减少                   │
│     ↓                               │
│ 晶粒长大→体积收缩                   │
│     ↓                               │
│ 结果：拉应力↑                       │
└─────────────────────────────────────┘
```

### 关键发现3：气压对残余应力影响 ⭐⭐⭐⭐⭐

| 溅射气压 | 基片面形 | 曲率半径 | **膜层应力** |
|----------|----------|----------|--------------|
| 0.2 Pa | 4.63λ | 20.65m | 139.12 MPa |
| 0.3 Pa | 3.52λ | 27.16m | 105.77 MPa |
| 0.4 Pa | 2.57λ | 37.20m | 77.22 MPa |
| **0.6 Pa** | 2.46λ | 38.86m | **73.92 MPa** ✅ |

**结论**：气压↑ → **应力↓**（气压越高，拉应力越小！）

### 气压影响机理分析

```
气压↑→应力↓机理：
     ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│ 气压↑→电离电压↓                    │
│     ↓                               │
│ 离子动能↓→轰击能量↓                │
│     ↓                               │
│ 气压↑→分子自由程↓                  │
│     ↓                               │
│ 分子碰撞↑→到达基片能量↓            │
│     ↓                               │
│ 结果：拉应力↓                       │
└─────────────────────────────────────┘
```

### 热应力分析

| 材料 | 热膨胀系数 |
|------|------------|
| 石英基底 | 0.49×10⁻⁶/℃ |
| **金膜** | **1.45×10⁻⁵/℃** |

**结论**：金膜热膨胀系数是石英的**30倍**！

### 最优工艺参数

| 参数 | 推荐值 | 应力效果 |
|------|--------|----------|
| **镀膜温度** | **25℃（常温）** ✅ | **最低75MPa** |
| **溅射气压** | **0.6 Pa** ✅ | **最低74MPa** |

### 与其他文献的关联

#### 印证点
- 与《Cu膜织构与残余应力_赵海阔》印证：拉应力为主
- 与《薄膜应力研究_邵淑英》印证：热应力机制

#### 创新点
- **具体应力数值**（75-228 MPa）
- **晶粒尺寸变化**（30nm→100nm）
- **热膨胀系数30倍差**（具体数值）

### 与XC03项目关联

| 关联点 | 说明 |
|--------|------|
| 温度控制 | **常温沉积** ✅（低温应力低） |
| 气压控制 | **高气压** ✅（0.4-0.6 Pa） |
| 应力趋势 | 低温+高压→低应力 |
| 晶粒控制 | 常温→小晶粒30nm |

## 个人理解/提炼

**核心结论**：
1. **温度↑→应力↑**：25℃时最低（75 MPa），180℃时最高（228 MPa）
2. **气压↑→应力↓**：0.6 Pa时最低（74 MPa），0.2 Pa时最高（139 MPa）
3. **晶粒尺寸**：30nm（25℃）→ 100nm（180℃）
4. **常温沉积**：有利于降低应力
5. **高气压沉积**：有利于降低应力

**对XC03的启发**：
- **Cu膜沉积温度越低越好**（减少热应力）
- **工作气压在0.4-0.6 Pa**（降低应力）
- 兼顾生产效率与应力控制

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## 📅 更新记录

| 日期 | 操作 | 说明 |
|------|------|------|
| 2026-04-11 | 新增 | 芝士虾 |