多結晶シリコン薄膜丨薄膜への応力の影響

2024-04-22

フィルムが基材に貼り付けられている場合、何らかのフィルム応力源の力を受けると、フィルムの長さが変化する。フィルム応力は通常、引張応力と圧縮応力に分けられる。フィルムの長さを長くしようとする力がある場合、フィルムは引張応力を受け、力の均衡の条件下で、この時、基板は相対的に圧縮応力を受け、基板とフィルムは内側に曲げられ、凹面が形成される。逆に、フィルムの長さを短くしようとする力がある場合、フィルムは圧縮応力を受け、基板とフィルムは下向きに曲げられ、凸面が形成される。過大な応力がかかると、フィルムの破断や基材からの剥離を引き起こしやすくなる。

フィルム応力とは

フィルムの残留応力の大きさとフィルムの材料、基板材料、準備方法は、フィルムによって引き起こされる総応力の種類に関連している一般的に2つのカテゴリに分かれています：外部応力（外部応力）と内部応力：（内部応力）、内部応力：熱応力と固有応力に分けることができます。

フィルム応力発生のメカニズムは以下の通り。

1、熱応力：製造工程で、フィルムと基材が同時に高温工程を経て、工程終了時に同時に室温に戻るが、この間に温度差があり、フィルムと基材の熱膨張係数が異なるため、熱応力が発生する。基材の熱膨張係数がフィルムの熱膨張係数より大きいと引張応力が発生し、逆に小さいと圧縮応力が発生する。

2、固有応力：フィルムと基板との界面における材料特性の違いに起因するだけでなく、内部応力によって引き起こされるフィルム成長プロセス自体の微細構造は、固有応力と呼ばれる。この応力は、膜の準備過程や準備方法と大きな関係があり、基板と膜の接触界面の格子不整合や膜の成長における様々な内部欠陥の動きなど、基板材料と密接な関係があります。成膜条件、アニール、不均一性などに強く依存する。

3、外部応力：フィルムに加わる外力による応力。フィルム作製時に残留応力が発生しないようにすることは難しい。外部からの荷重が加わらないため、外部応力はゼロとなる。

薄膜成長パターン

基板上に堆積した薄膜の成長には、層状構造、層長＋島構造、島構造の3つのモデルがある。これら3つの成長モードは、主に単位面積あたりの表面自由エネルギーと、基板と薄膜の格子の違いによって区別される。

1、層構造：フィルムと基材の格子差が小さい、または両者の格子定数が非常に近いので、反応分子は結合力によって基材に結合され、他の分子間結合力より強いので、結晶は二次元平面層構造モードで成長し、フィルムと界面の自由エネルギーの合計は基材の自由エネルギーより小さくなる。

2.層＋島構造：膜と基材との格子差が層構造よりわずかに大きい。成長の初期段階では、結晶はまだ濡れ面のような平面と呼ばれる2次元平面構造モードで成長する。この平面構造が界面の厚さを超えると、基材から蓄積された応力を逃がすために、自動的に重合して島状構造を形成するようになり、膜と界面の自由エネルギーの和が基材のそれよりも大きくなったり小さくなったりするとは限らない。

3、島構造：フィルムと基材の格子差は他の2つのモードより大きいので、分子成長は基材の結合力より他の分子間結合力を受け、結晶は直接三次元島構造モードになり、過度の応力を解放するために成長し、フィルムと自由エネルギーの和の間の界面は基材の自由エネルギーより大きくなる。

異種分子間に化学結合が生じない限り、ほとんどの異種分子は同種分子よりも互いに引き合う力が弱い。蒸着された原子間または蒸着された分子間の結合力は、基板のそれよりも大きく、三次元島構造の初めに表面上に成長した膜のほとんどは、島の間にまだ基板の表面であり、表面上のより多くの核生成センター、高密度、より薄い表面はより平坦であり、島の高さと面積の増加の連続的な蒸着、および島は合併を生成し、最終的に基板全体をカバーする。しかし、この成長メカニズムは大きな残留内部応力を伴い、LPCVD法による多結晶シリコン薄膜の作製はこのタイプである。

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