# 【73】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**：⭐⭐⭐⭐⭐（非常详细，实验数据完整）

## 核心内容

### 实验配置

| 参数 | 值 |
|------|-----|
| 基材 | 石英玻璃，0.2mm厚，Φ22mm |
| 靶材 | Cr靶 + Au靶，99.99% |
| 溅射方法 | 直流磁控溅射 |
| 本底真空 | 6×10⁻⁴ Pa |
| 溅射电流 | 1.6A |
| Cr层时间 | 3min |
| Au层时间 | 20min |

### 应力测试方法：基片曲率法

#### Stoney公式
```
σ ≈ (Es·ts²) / (6(1-νs)·tf) × (1/R)
```

#### 原理
```
薄膜应力 → 基底形变
     ↓
曲率半径变化
     ↓
计算出应力值
```

### 关键发现1：温度↑ → 应力↑

| 镀膜温度 | 晶粒尺寸 | 膜层应力 |
|----------|----------|----------|
| 25℃ | 30nm | **75.42 MPa** |
| 80℃ | 增大 | 123.79 MPa |
| 120℃ | 增大 | 181.18 MPa |
| **180℃** | **100nm** | **228.06 MPa** |

**结论**：温度↑ → 晶粒长大 → 晶界减少 → 体积收缩 → **拉应力↑**

### 温度影响机制

| 温度 | 原子迁移 | 晶粒尺寸 | 晶界数量 | 应力 |
|------|----------|----------|----------|------|
| 低 | 弱 | 小 | 多 | 低 |
| 高 | 强 | **大** | **少** | **高** |

**机制**：晶粒长大→体积收缩→拉应力↑

### 热膨胀系数差异

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

**问题**：热膨胀系数差异30倍！

### 关键发现2：气压↑ → 应力↓

| 溅射气压 | 电离电压 | 离子动能 | 膜层应力 |
|----------|----------|----------|----------|
| 0.2 Pa | 高 | 大 | **139.12 MPa** |
| 0.3 Pa | 中 | 中 | 105.77 MPa |
| **0.4 Pa** | 中低 | 中低 | **77.22 MPa** |
| **0.6 Pa** | **低** | **小** | **73.92 MPa** |

**结论**：气压↑ → 离子动能↓ → 应力↓

### 气压影响机制

| 气压 | 分子自由程 | 碰撞几率 | 原子动能 | 应力 |
|------|------------|----------|----------|------|
| 低 | 大 | 小 | 大 | 高 |
| **高** | 小 | 大 | **小** | **低** |

**公式**：分子自由程 ∝ 1/(气压×碰撞截面)

### 电离电压与气压关系
| 气压 | 电离电压 |
|------|----------|
| 0.2 Pa | 高 |
| 0.6 Pa | 低 |

### 最佳工艺参数

| 参数 | 最优值 | 应力 |
|------|--------|------|
| 镀膜温度 | **低温（25℃）** | **最低75MPa** |
| 溅射气压 | **0.6 Pa** | 最低 |
| 组合 | 低温+0.6Pa | **73.92 MPa** |

### 残余应力两大来源

| 应力类型 | 来源 |
|----------|------|
| **热应力** | 热膨胀系数差异 |
| **本征应力** | 晶格错配、缺陷、杂质 |

### 金膜微观结构随温度变化

| 温度 | SEM观察 |
|------|----------|
| 25℃ | 晶粒细小，晶界多 |
| 180℃ | 晶粒粗大(100nm)，晶界少 |

## 与其他文献的关联

### 印证点
- 与《Cu膜织构_赵海阔》印证：温度↑→应力变化
- 与《应力机制_张以忱》印证：热应力+本征应力

### 与XC03项目关联
- **直接相关**：XC03也是溅射金属膜
- **低温溅射**：有利于降低应力
- **适当气压**：0.4-0.6 Pa最优
- **晶粒控制**：影响膜层质量

## 个人理解/提炼

**核心结论**：
1. **温度↑ → 应力↑**（晶粒长大→体积收缩）
2. **气压↑ → 应力↓**（离子动能降低）
3. **最佳：低温(25℃) + 0.6 Pa**
4. **Au膜晶粒**：30nm(25℃) → 100nm(180℃)
5. **热膨胀系数差异30倍**：石英vs Au

**对XC03的启发**：
- 溅射时尽量低温（如需要低应力）
- 工作气压控制在0.4-0.6 Pa
- 注意热膨胀系数差异影响
- 晶粒大小可通过温度控制

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## 📅 更新记录

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