# 【74】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**：⭐⭐⭐⭐⭐（非常详细，数据完整）

## 核心内容

### 实验配置

| 参数 | 值 |
|------|-----|
| 基材 | 硅片，Φ75mm，400μm厚 |
| 靶材 | Au、Ta，99.99% |
| 溅射方法 | 直流磁控溅射 |
| 膜厚 | ~300nm |
| 溅射温度 | 室温 |

### 应力测试方法

#### Stoney公式
```
σ ≈ (Es·ts²) / (6(1-νs)·tf) × (1/R - 1/R₀)
```

### 关键发现1：Au膜 vs Ta膜

#### Au薄膜（张应力）
| 参数 | 应力类型 |
|------|----------|
| 0.12 Pa + 420V | **最小86.5 MPa** |
| 气压↑ | 张应力↑ |
| 电压↑ | 张应力↑ |

#### Ta薄膜（压应力）
| 参数 | 应力类型 |
|------|----------|
| 1.6 Pa + 300W | **最小-204 MPa** |
| 功率↑ | 压应力↑ |
| **气压↑** | **压应力↓** |

**关键结论**：**Au张应力，Ta压应力！**

### Au膜详细数据

#### A组：0.12 Pa固定气压
| 溅射电压(V) | 应力(MPa) |
|--------------|-----------|
| 400 | 52 |
| 420 | **86.5** |
| 440 | 141 |
| 460 | 178 |

#### B组：420V固定电压
| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) |
|----------------|-----------|
| 0.12 | **86.5** |
| 0.14 | 103 |
| 0.16 | 248 |
| 0.18 | 336 |
| 0.20 | 463 |

**最佳Au膜**：**0.12 Pa + 420V = 86.5 MPa**

### Ta膜详细数据

#### 0.5 Pa固定气压
| 溅射功率(W) | 应力(MPa) |
|--------------|-----------|
| 300 | -561 |
| 350 | -900 |
| 400 | -1090 |
| 450 | -1203 |

#### 300W固定功率
| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) |
|----------------|-----------|
| 0.15 | -1035 |
| 0.3 | -651 |
| **0.5** | **-561** |
| 0.7 | -504 |
| 0.9 | -438 |

#### 高气压数据
| 溅射气压(Pa) | 应力(MPa) |
|----------------|-----------|
| 1.2 | +232 |
| 1.4 | +210 |
| **1.6** | **+204** |
| 1.8 | +527 |

**最佳Ta膜**：**1.6 Pa + 300W = +204 MPa（张应力）**

### T/Tm比值理论

#### 定义
```
T/Tm = 沉积温度 / 靶材熔点温度
```

#### Au膜（张应力）
| 参数 | 值 |
|------|-----|
| T/Tm | 0.3-0.5 |
| Au熔点 | 1064℃ |
| 溅射温度 | 300-400℃ |

**机制**：T/Tm>0.3 → 晶界扩散主导 → **张应力**

#### Ta膜（压应力）
| 参数 | 值 |
|------|-----|
| T/Tm | <0.3 |
| Ta熔点 | 3020℃ |

**机制**：T/Tm<0.3 → 晶内扩散主导 → **压应力**

### 岛状生长模型(SZM)

```
阶段1：成核
     ↓
阶段2：岛状长大（岛可移动）
     ↓
阶段3：岛长大，受基体约束
     ↓
阶段4：岛连接，晶界形成
```

#### 各阶段应力
| 阶段 | 应力类型 |
|------|----------|
| 成核 | 无 |
| 岛长大 | 压应力（表面张力） |
| 岛连接 | **张应力（最大）** |
| 连续膜 | 取决于T/Tm |

### 溅射参数对不同金属的影响差异

| 金属 | 应力类型 | 低应力条件 |
|------|----------|------------|
| Au | 张应力 | **低气压+低电压** |
| Ta | 压应力 | **高气压+低功率** |

### 低应力工艺总结

| 金属 | 最佳气压 | 最佳功率/电压 | 最小应力 |
|------|----------|---------------|----------|
| **Au** | **0.12 Pa** | **420V** | **86.5 MPa（张）** |
| **Ta** | **1.6 Pa** | **300W** | **+204 MPa（张）** |

### 捶击效应
| 效应 | 影响 |
|------|------|
| 高能粒子轰击 | 膜密度增加 |
| 溅射粒子注入 | 晶格失配 |
| 结果 | 产生应力 |

## 与其他文献的关联

### 印证点
- 与《Au膜应力_刘明智》印证：温度↑→应力变化
- 与《Cu膜应力_赵海阔》印证：T/Tm理论

### 与XC03项目关联
- **直接相关**：XC03溅射Cu/Au膜
- **低气压+低电压**：有利于低应力
- **T/Tm比值**：关键理论
- **岛状生长模型**：理解应力演变

## 个人理解/提炼

**核心结论**：
1. **Au膜：张应力；Ta膜：压应力**
2. **Au低应力：0.12Pa + 420V = 86.5MPa**
3. **Ta低应力：1.6Pa + 300W = +204MPa**
4. **T/Tm比值决定应力类型**
5. **气压↑→压应力↓（Ta案例）**

**对XC03的启发**：
- 溅射Au时：低气压、低电压
- 溅射Cu时：参考类似规律
- 注意T/Tm比值影响
- 岛状生长阶段的应力最大

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## 📅 更新记录

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