在現(xiàn)代科技的微觀世界里，從智能手機的芯片到高效的太陽能電池板，再到精密的光學鏡片，薄膜技術(shù)無處不在。這些厚度僅為幾納米到幾微米的材料層，賦予了器件獨特的光、電、磁、熱及機械性能。然而一個看不見、摸不著卻至關(guān)重要的物理量——“內(nèi)應(yīng)力"，時刻影響著薄膜的性能、可靠性乃至最終產(chǎn)品的成敗。當應(yīng)力失控時，薄膜會開裂、脫落或起皺，導致器件失效。本文將探討薄膜內(nèi)應(yīng)力的來源、表征方法及其對器件的影響，并介紹相應(yīng)的工程對策。

薄膜內(nèi)應(yīng)力的“三重門"：它從何而來？

在理想狀態(tài)下，我們希望薄膜能附著在基底上，如同平靜的湖面。但現(xiàn)實是，薄膜在制備和服役過程中，幾乎不可避免地會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力主要來自三個方面：生長應(yīng)力、熱應(yīng)力和界面應(yīng)力。

1. 生長應(yīng)力：源于“成膜"的瞬間

生長應(yīng)力，又稱本征應(yīng)力，是在薄膜沉積過程中，原子或分子“安家落戶"時產(chǎn)生的。它與薄-基材料的熱膨脹系數(shù)差異無關(guān)，而是由薄膜微觀結(jié)構(gòu)的非平衡生長過程決定。

物理氣相沉積（PVD）中的應(yīng)力：在濺射或蒸發(fā)等 PVD 工藝中，高能粒子轟擊生長中的薄膜表面，會產(chǎn)生“原子實入"效應(yīng)，將表面原子“楔入"到晶格的間隙位置，形成壓應(yīng)力。相反，如果沉積過程中原子遷移率不足，晶粒間會形成大量的微小空隙，這些空隙在后續(xù)的薄膜生長中會被“拉扯"在一起，產(chǎn)生張應(yīng)力。 “Thornton 模型"就很好地描述了濺射壓力和溫度如何通過影響原子遷移率，進而調(diào)控薄膜從張應(yīng)力區(qū)向壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變。

化學氣相沉積（CVD）中的應(yīng)力：CVD 過程涉及復雜的前驅(qū)體化學反應(yīng)和表面過程。例如，在多晶硅薄膜的生長中，晶粒在生長過程中會相互擠壓、合并，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此外，反應(yīng)副產(chǎn)物（如氫）在薄膜中的摻入與逸出，也會引起晶格畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)力。

2. 熱應(yīng)力：溫度變化的“后遺癥"

熱應(yīng)力是薄膜體系中見也最容易理解的一種應(yīng)力。它源于薄膜與基底材料之間熱膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配。薄膜通常在高溫下制備（如退火、CVD 生長），當體系從高溫冷卻至室溫時，如果薄膜的 CTE 大于基底，它會比基底收縮得更多，從而受到基底的拉扯，產(chǎn)生張應(yīng)力。反之，如果薄膜的 CTE 小于基底，則會受到基底的擠壓，產(chǎn)生壓應(yīng)力。

其中，Ef 和νf 分別是薄膜的楊氏模量和泊松比，αf 和αs 分別是薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)，T_deposition 和 T_room 分別是沉積溫度和室溫。這個公式清晰地表明，CTE 失配（αf-αs）和溫度變化范圍是決定熱應(yīng)力大小的關(guān)鍵。

3. 界面應(yīng)力：微觀層面的“不兼容"

在薄膜與基底的交界處，由于晶格常數(shù)或原子排列方式的不同，會產(chǎn)生界面應(yīng)力，也稱為外延應(yīng)力。當一種晶體材料在另一種晶體基底上外延生長時，為了保持原子在界面處的對齊，薄膜的晶格會被迫拉伸或壓縮，以匹配基底的晶格，從而在薄膜內(nèi)部積累了巨大的彈性應(yīng)變能。

隨著薄膜厚度的增加，這種應(yīng)變能會不斷累積。當厚度超過一個臨界值時，體系會選擇通過引入位錯等晶格缺陷來釋放應(yīng)力，盡管這會破壞晶體性。理解和控制界面應(yīng)力對于半導體異質(zhì)結(jié)器件（如 LED、激光器）的性能至關(guān)重要。

洞察應(yīng)力：如何精確測量薄膜的“內(nèi)心情緒"？

既然應(yīng)力如此重要，我們該如何精確地測量它？由于無法直接將傳感器放入薄膜中，科學家們開發(fā)了多種間接測量方法，其中經(jīng)典和廣泛應(yīng)用的是基于“斯托尼公式"的曲率測量法。

1、核心思想：以“形"觀“力"

當有應(yīng)力的薄膜沉積在平整的基底上時，整個體系會像一個雙金屬片一樣發(fā)生彎曲。張應(yīng)力會使基底朝薄膜一側(cè)凹陷，而壓應(yīng)力則使其凸起。通過精確測量這種微小的彎曲（曲率半徑的變化），就可以反推出薄膜的內(nèi)應(yīng)力大小。

隨著薄膜厚度的增加，這種應(yīng)變能會不斷累積。當厚度超過一個臨界值時，體系會選擇通過引入位錯等晶格缺陷來釋放應(yīng)力，盡管這會破壞晶體性。理解和控制界面應(yīng)力對于半導體異質(zhì)結(jié)器件（如 LED、激光器）的性能至關(guān)重要。

洞察應(yīng)力：如何精確測量薄膜的“內(nèi)心情緒"？

既然應(yīng)力如此重要，我們該如何精確地測量它？由于無法直接將傳感器放入薄膜中，科學家們開發(fā)了多種間接測量方法，其中經(jīng)典和廣泛應(yīng)用的是基于“斯托尼公式"的曲率測量法。