Die Spannung in gesputterten Dünnschichten wird in erster Linie durch mehrere Faktoren beeinflusst, darunter die Parameter des Abscheidungsprozesses, die Materialeigenschaften und die Wechselwirkung zwischen der Schicht und dem Substrat. Die Spannung in dünnen Schichten kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
σ = E x α x (T - T0)
wobei:
- σ ist die Spannung des dünnen Films.
- E ist der Elastizitätsmodul des Dünnschichtmaterials, der die Steifigkeit des Materials misst.
- α ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dünnschichtmaterials, der angibt, wie stark sich das Material bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht.
- T ist die Substrattemperatur während der Abscheidung.
- T0 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substratmaterials.
Diese Formel zeigt, dass die Spannung in der Dünnschicht direkt proportional zum Produkt aus dem Elastizitätsmodul und dem Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Schicht und dem Substrat ist, skaliert durch den Temperaturunterschied während der Abscheidung. Dies bedeutet, dass Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul und/oder großen Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten eine höhere Spannung aufweisen.
Auch der Abscheidungsprozess selbst spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Spannungsniveaus in den dünnen Schichten. Beim Sputtern, einem plasmagestützten Verfahren, treffen nicht nur neutrale Atome, sondern auch geladene Stoffe auf die Oberfläche der wachsenden Schicht. Das Verhältnis von Ionenfluss zu Atomfluss (Ji/Ja) wirkt sich erheblich auf die Mikrostruktur und Morphologie der Schicht aus, was wiederum die Eigenspannung beeinflusst. Ein hoher Ionenbeschuss kann aufgrund der zusätzlichen Energie, die auf die Schicht einwirkt, zu erhöhten Spannungen führen.
Außerdem wirkt sich die Abscheiderate, die durch Parameter wie Leistung und Druck gesteuert wird, auf die Gleichmäßigkeit und Dicke der Schicht aus, was wiederum die Spannung beeinflussen kann. Eine hohe Abscheiderate kann aufgrund des schnellen Schichtaufbaus und möglicher Gitterfehlanpassungen an das Substrat zu höheren Spannungen führen.
Filmdefekte wie Einschlüsse von unerwünschten Gasen oder unregelmäßiges Kornwachstum können ebenfalls zu Spannungen beitragen. Diese Defekte können örtlich begrenzte Spannungspunkte erzeugen, die bei unsachgemäßer Behandlung zu Rissen oder Delamination führen können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Spannungen in gesputterten Dünnschichten ein komplexes Zusammenspiel von Materialeigenschaften, Abscheidungsprozessparametern und der Wechselwirkung zwischen der Schicht und dem Substrat sind. Die Beherrschung dieser Faktoren durch eine sorgfältige Auswahl der Abscheidungseinstellungen und Nachbehandlungen ist entscheidend für die Kontrolle der Spannungen und die Gewährleistung der Integrität und Leistung der dünnen Schichten.
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