# 153_沉积参数对磁控溅射镀金膜残余应力与微观形貌的影响_刘明智2020

## 文献基本信息

| 项目 | 内容 |
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| 标题 | 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 |
| 作者 | 刘明智、梁康、熊巍、张国锐、杨洋 |
| 单位 | 北京航天控制仪器研究所；国防大学联合勤务学院 |
| 来源 | 导航与控制，2020，19(6): 1899 |
| 关键词 | 残余应力；磁控溅射；基片曲率法；溅射气压 |
| 置信度 | ⭐⭐⭐⭐（学术期刊，试验数据充分） |

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## 核心内容

### 1. 残余应力测试方法

**热应力 vs 本征应力**：
- **热应力**：由薄膜与基片热膨胀系数差异引起（本文Au: 1.45×10⁻⁵/℃ vs 石英: 0.49×10⁻⁶/℃）
- **本征应力**：晶格错配、晶粒长大、缺陷形成导致

**基片曲率法（Stoney公式）**：
$$\sigma \approx \frac{E_s t_s^2}{6(1-\nu_s)t_f} \cdot \frac{1}{R}$$

其中R为镀膜前后基片曲率半径变化。

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### 2. 镀膜温度对残余应力的影响

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

**结论**：温度越高，残余拉应力越大。

**机理**：
- 温度↑ → 原子迁移能力↑ → 晶粒长大（25℃: 30nm → 180℃: 100nm）
- 晶界减少 → 体积收缩 → 拉应力↑

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### 3. 溅射气压对残余应力的影响（常温25℃）

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

**结论**：在0.2~0.6 Pa范围内，气压↑ → 残余应力↓

**机理**：
- 气压↑ → 电离电压↓ → 溅射离子动能↓
- 低气压→离子自由程大→碰撞少→到达基片动能大→应力大

**SEM结果**：气压变化对表面形貌影响不明显，晶粒尺寸基本一致

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### 4. 热处理对残余应力的影响

- 液氮冷却：温度骤降导致应力变化
- 烘箱热处理：温度升高→进一步晶粒长大→拉应力变化
- 真空退火：高温加速微观结构演化

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## 与文献库印证

| 内容 | 本文 | 文献库（赵海阔/邵淑英） | 印证结果 |
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| 温度升高→应力增大 | ✅ 明确数据 | 赵海阔2009 Cu膜应力研究 | ✅ 印证 |
| 气压升高→应力降低 | ✅ 明确数据 | 刘冰综述（0.1~1 Pa范围） | ✅ 印证 |
| 晶粒尺寸与应力关系 | ✅ SEM验证 | 邵淑英2005薄膜应力研究 | ✅ 印证 |

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## 对XC03项目的启示

1. **温度控制是降低应力的关键**：PET基膜对温度敏感（软化点~250℃），高温镀膜会增大拉应力→薄膜开裂风险↑
2. **溅射气压不宜过低**：0.2 Pa虽速率高，但应力高达139 MPa；建议≥0.4 Pa
3. **晶粒长大与应力耦合**：温度每升高约40℃，应力约增加50 MPa
4. **退火处理可调控应力**：适度退火可消除部分本征应力

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*记录日期：2026-04-13*
*芝士虾@XC03项目*