Внутренние напряжения и их релаксация

Понятие внутренних напряжений

Внутренние напряжения — это напряжения, возникающие внутри материала тонкой плёнки без внешнего механического воздействия. Они играют ключевую роль в формировании физических, механических и оптических свойств плёнок и могут существенно влиять на их работоспособность и долговечность.

Внутренние напряжения в тонких плёнках могут возникать вследствие различных причин:

  • Структурных искажений при осаждении материала (например, неравномерность кристаллической решётки).
  • Разницы температур между плёнкой и подложкой после технологического процесса.
  • Диффузионных процессов и химических реакций.
  • Механических воздействий при нанесении и последующей обработке.
  • Механизма роста плёнки, включающего напряжения от структурных дефектов, пористости, неоднородности и т. д.

Классификация внутренних напряжений

Внутренние напряжения условно делятся на два основных типа:

  • Термические напряжения — вызваны разницей коэффициентов теплового расширения плёнки и подложки при охлаждении после нанесения.
  • Собственные (ростовые) напряжения — обусловлены процессом осаждения и структурными особенностями образуемого слоя.

Кроме того, выделяют:

  • Сжатые напряжения — приводят к сжатию материала.
  • Растянутые напряжения — вызывают растяжение материала.

Механизмы возникновения внутренних напряжений

  1. Термические напряжения

При осаждении плёнки температура обычно выше комнатной, а после охлаждения разница в тепловом расширении плёнки и подложки приводит к возникновению напряжений. Выражение для термических напряжений:

$$ \sigma_{\text{терм}} = \frac{E}{1 - \nu} \Delta \alpha \Delta T $$

где E — модуль Юнга плёнки, ν — коэффициент Пуассона, Δα = αплёнка − αподложка — разница коэффициентов теплового расширения, ΔT — изменение температуры.

  1. Ростовые напряжения

Возникают непосредственно в процессе формирования плёнки из-за неравномерностей в осаждении, атомарного строения, дефектов, пористости. Существует несколько моделей их возникновения:

  • Модель притягивающихся атомов: при осаждении атомы стремятся расположиться максимально плотно, что вызывает сжатие.
  • Модель зерен и границ зерен: неоднородность структуры из-за роста зерен с разной ориентацией.
  • Напряжения от диффузионных процессов: миграция атомов к дефектам или на границы.

Методы измерения внутренних напряжений

Для количественной оценки внутренних напряжений применяются следующие методы:

  • Определение искривления подложки: Использование формулы Стонли — для оценки напряжений через измерение радиуса кривизны подложки:

$$ \sigma = \frac{E_s t_s^2}{6(1 - \nu_s) t_f R} $$

где Es, νs — модуль Юнга и коэффициент Пуассона подложки, ts, tf — толщина подложки и плёнки, R — радиус кривизны подложки с плёнкой.

  • Рентгеноструктурный анализ (РСА): Использование смещений дифракционных пиков, чтобы оценить деформации в кристаллической решётке.

  • Микроскопия и интерферометрия: Измерение деформаций и искривлений поверхности.

  • Механические методы (например, микро- и нанотестирование): Прямое измерение напряжений на микроуровне.

Релаксация внутренних напряжений

Релаксация — процесс уменьшения внутренних напряжений с течением времени или под воздействием внешних факторов (температуры, механического воздействия). В тонких плёнках релаксация играет критическую роль для стабильности их свойств.

Основные механизмы релаксации:

  1. Пластическая деформация

Если внутренние напряжения превышают предел текучести материала, возникает пластическая деформация, которая снижает напряжения.

  1. Диффузионные процессы

Атомы могут мигрировать, устраняя концентрацию дефектов и способствуя снятию напряжений. Особенно эффективно при высоких температурах.

  1. Релаксация за счёт образования трещин и дефектов

Иногда напряжения снимаются через образование микротрещин, пузырей или других дефектов.

  1. Переходы фаз

Изменения кристаллической структуры могут сопровождаться изменением внутреннего напряженного состояния.

Температурные эффекты и релаксация

Релаксация внутренних напряжений зависит от температуры. При повышении температуры увеличивается подвижность атомов и дефектов, что ускоряет процессы релаксации. Типично наблюдается две стадии:

  • Быстрая релаксация — связана с устранением наиболее подвижных дефектов и напряжений.
  • Медленная релаксация — диффузионные и структурные процессы, протекающие на длительных временных интервалах.

Влияние внутренних напряжений на свойства тонких плёнок

  • Механические свойства

Высокие внутренние напряжения могут привести к разрушению плёнки (отслоение, трещины), деформации и изменению микроструктуры.

  • Электрические и оптические свойства

Структурные изменения под влиянием напряжений меняют параметры проводимости, оптические константы и активность в функциональных устройствах.

  • Адгезия

Внутренние напряжения влияют на сцепление плёнки с подложкой, что критично для долговечности.

Контроль и управление внутренними напряжениями

Для достижения требуемых свойств тонких плёнок применяются методы управления внутренними напряжениями:

  • Оптимизация технологических параметров осаждения (температура, скорость, давление).
  • Использование промежуточных слоёв для снижения разницы коэффициентов теплового расширения.
  • Термическая обработка (отжиг) для релаксации напряжений.
  • Выбор материалов с близкими коэффициентами теплового расширения.

Моделирование внутренних напряжений

Современные подходы включают численные методы:

  • Конечные элементы (FEA) для моделирования распределения напряжений и деформаций в многослойных структурах.
  • Атомистические симуляции для изучения микроуровневых механизмов.

Практические примеры

  • В полупроводниковой промышленности внутренние напряжения в кремниевых плёнках критичны для работы микросхем.
  • В оптике контролируемые напряжения в диэлектрических плёнках влияют на спектры отражения и пропускания.
  • В нанотехнологиях релаксация напряжений влияет на формирование наноструктур и их стабильность.

Внутренние напряжения и их релаксация остаются одной из ключевых тем в науке о тонких плёнках, напрямую влияя на функциональные возможности современных материалов и устройств.

Оглавление