スパッタ薄膜の応力は、主に成膜プロセスパラメータ、材料特性、薄膜と基板間の相互作用を含むいくつかの要因によって影響を受ける。薄膜の応力は次式で計算できる：
σ = E x α x (T - T0)
ここで
- σは薄膜の応力。
- Eは薄膜材料のヤング率で、材料の剛性を表す。
- αは薄膜材料の熱膨張係数で、温度変化によって材料がどの程度膨張または収縮するかを示す。
- Tは成膜中の基板温度。
- T0は基材の熱膨張係数。
この式は、薄膜の応力が、ヤング率と薄膜と基材との熱膨張差の積に正比例し、蒸着時の温度差でスケーリングされることを示している。このことは、ヤング率が高く、熱膨張係数の差が大きい材料ほど応力が高くなることを示している。
成膜プロセス自体も、薄膜の応力レベルを決定する上で重要な役割を果たしている。プラズマ支援プロセスであるスパッタリングでは、中性原子だけでなく、荷電種も成長膜表面に衝突する。イオンフラックスと原子フラックスの比（Ji/Ja）は、薄膜の微細構造と形態に大きく影響し、ひいては残留応力にも影響する。イオン照射量が多いと、膜に付加的なエネルギーが付与されるため、応力が増大する可能性がある。
さらに、出力や圧力などのパラメータによって制御される蒸着速度は、膜の均一性と膜厚に影響し、応力に影響を与える可能性があります。高い蒸着速度は、急速な膜の蓄積と基板との潜在的な格子不整合により、より高い応力につながる可能性がある。
不要なガスの封入や不規則な結晶粒成長などの膜欠陥も応力の原因となります。これらの欠陥は、適切に管理されないと、クラックや層間剥離につながる可能性のある局所的な応力点を作り出す可能性がある。
まとめると、スパッタ薄膜の応力は、材料特性、成膜プロセスパラメータ、および薄膜と基板間の相互作用の複雑な相互作用である。成膜設定と成膜後処理を慎重に選択することによってこれらの要因を管理することは、応力を制御し、薄膜の完全性と性能を確保するために極めて重要です。
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