# 【48】磁控溅射制备低应力金属膜的工艺研究

## 基本信息
- **作者**：张龙等（南京电子器件研究所、东南大学、南京大学）
- **来源**：《中国机械工程》2005年第16卷第14期
- **路径**：源文件/文献/应力相关/磁控溅射制备低应力金属膜的工艺研究.pdf
- **阅读日期**：2026-04-11
- **理解程度**：⭐⭐⭐⭐⭐

## 核心内容

### 研究背景/目的
- MEMS表面加工中金属薄膜是关键工艺
- 应力过大 → 褶皱、起皮、脱落、梁结构弯曲
- 目标：制备低应力Au、Ta薄膜

### 应力产生机理

#### 1. 热应力
- 基底与薄膜热膨胀系数不同
- 降温时收缩不一致

#### 2. 本征应力
- 薄膜生长过程的结构不完整性

#### 3. 岛状体生长模型（SZM）

```
岛状核形成 → 岛长大 → 岛间距缩小 → 岛相互连接
     ↓            ↓            ↓           ↓
   无应力       压应力      张应力     张应力最大
```

#### 4. 捶击效应
- 高能粒子轰击生长中的薄膜
- 使膜密度增加，产生应力

#### 5. 反射粒子注入
- 溅射气体粒子反射后高速注入薄膜
- 造成晶格失配，产生应力

### 核心发现1：Au薄膜

#### 测试条件
- 膜厚：300nm
- 溅射气压：0.12Pa（固定电压420V）

| 溅射电压(V) | 应力(MPa) | 应力类型 |
|-------------|-----------|----------|
| 400 | 52 | **张应力** |
| 420 | **86.5** | 张应力（最小） |
| 440 | 141 | 张应力 |
| 460 | 178 | 张应力 |

**结论**：电压↑ → 张应力↑

#### 固定电压420V，改变气压

| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) | 方块电阻(Ω) |
|---------------|-----------|--------------|
| 0.12 | **86.5** | 0.152 |
| 0.14 | 103 | 0.126 |
| 0.16 | 248 | 0.109 |
| 0.18 | 336 | 0.143 |
| 0.20 | 463 | 0.135 |

**结论**：气压↑ → 张应力急剧↑

### 核心发现2：Ta薄膜

#### 测试条件
- 膜厚：300nm
- 溅射气压：0.5Pa（固定功率300W）

| 溅射功率(W) | 应力(MPa) | 应力类型 |
|-------------|-----------|----------|
| 300 | -561 | **压应力** |
| 350 | -900 | 压应力 |
| 400 | -1090 | 压应力 |
| 450 | -1203 | 压应力 |

**结论**：功率↑ → 压应力↑（绝对值↑）

#### 固定功率300W，改变气压

| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) | 方块电阻(Ω) |
|---------------|-----------|--------------|
| 0.15 | -1034 | 3.48 |
| 0.30 | -651 | 3.13 |
| 0.50 | -561 | 3.29 |
| 0.70 | -504 | 3.62 |
| 0.90 | -438 | 4.05 |

**关键转折**：气压≥1.2Pa时，压应力变为**张应力**

| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) | 应力类型 |
|---------------|-----------|----------|
| 1.2 | +232 | 张应力 |
| 1.4 | +210 | 张应力 |
| **1.6** | **+204** | 张应力（最小） |
| 1.8 | +527 | 张应力 |

### T/Tm比值与应力类型关系

| 材料 | T/Tm | 应力类型 |
|------|------|----------|
| Au | 0.3-0.5 | **张应力**（晶界作用>晶体内部） |
| Ta | <0.3 | **压应力**（晶体内部>晶界作用） |

### 低应力工艺优化

#### Au薄膜最优条件
| 参数 | 值 |
|------|-----|
| 溅射气压 | **0.12Pa** |
| 溅射电压 | **420V** |
| 膜厚 | ~300nm |
| 应力值 | **86.5MPa（张应力）** |

#### Ta薄膜最优条件
| 参数 | 值 |
|------|-----|
| 溅射气压 | **1.6Pa** |
| 溅射功率 | **300W** |
| 膜厚 | ~300nm |
| 应力值 | **-204MPa（压应力）** |

### 粘附性问题
- Si与Au粘附性差
- 解决：加Cr、Ti等粘附层

## 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：张应力与沉积条件相关
- 与《镀金膜残余应力_刘明智》印证：气压↑→应力变化
- 与《应力对薄膜结构与性能影响_冉春华》印证：热膨胀系数不匹配是应力来源

### 与XC03项目关联
- Cu膜也是金属膜，应力问题同样存在
- 低气压有利于降低张应力
- 可以参考Au的最优条件（气压0.12Pa，电压420V）
- 注意Cu膜与PET基材的粘附性

## 个人理解/提炼

**核心规律**：
1. **Au：张应力为主**，气压↑→应力急剧↑
2. **Ta：压应力为主**，功率↑→压应力↑，气压↑→压应力↓→转张应力
3. **T/Tm比值**决定应力类型
4. **低应力工艺**：需要找到最优的气压+功率组合

**对XC03的启发**：
- 如果Cu膜出现张应力过大 → 检查是否气压过高
- 如果Cu膜出现压应力 → 可能工艺参数不当
- 参考Au的低应力条件（低气压+适中电压）

## 待深入/疑问
- Cu膜的T/Tm比值对应的应力类型
- PET基材上Cu膜的最优工艺参数

---

## 📅 更新记录

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