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薄膜と応力 - 薄膜技術入門講座 第7回 -

応力とは

薄膜技術入門講座の7回目です。
今回から、薄膜特有の特徴・特性についてみていこうと思います。
今回は応力についてです。
いきなり応力って言われても、初めて聞く人には何のことか分からないと思います。
応力とは、物体(ここでは薄膜と基板になりますが)同士が及ぼしあう力のことです。


・・・?

あっ、分かりにくいですか、そうですよね。
では、具体的にどういったものか見ていきましょう。

バイメタルって聞いたことあるでしょうか。
バイメタルとは、異なる性質の金属を2つ張り合わせた物質です。
金属はそれぞれ熱せられると膨張する性質がありますが、バイメタルでは、この熱膨張の割合が異なる金属を張り合わせます。
たとえば20℃では同じ長さの金属Aと金属Bの鉄板を10cmずつ張り合わせたとします。
金属Aは100℃になると10%伸びますが、金属Bは5%しか伸びません。
すると金属AとBとを張り合わせたバイメタルは、A側の表面のほうがB側の表面より伸張します。
その結果、金属Bを内側にして、反り返ってしまうことになります。
さらに温度を上げればあげるほど、バイメタルの反りは大きくなっていきます。
この性質を利用して、温度を測定するためなどに使われます。
これは金属AとBがお互いに及ぼしあう力、つまり応力を利用した簡単な事例になります。

バイメタルの応力 バイメタルの応力

熱応力と残留応力

こういった現象は、異なる金属同士を化学的に結びつける薄膜の世界でも、当然起こります。
バイメタルの例で見たような、熱の変化によってもたらされる応力を熱応力といいます。

しかしそれ以上に薄膜の世界で大切な応力を残留応力(内部応力)といいます。
これは熱の変化によって薄膜が歪むのではなく、分子同士の結びつきの強さのムラなどによって生じます。
たとえば薄膜が核成長する過程で、核同士が引き合ったまま固体になってしまったり、気体が薄膜内部に残留したりして、薄膜自体が歪んでしまうことがあります。
膜厚(薄膜の厚さ)が薄い場合には薄膜が縮むことで基板を引っ張る応力が働き、膜厚が厚い場合には真空蒸着の時には引っ張り、スパッタリングの場合には薄膜が伸張することで基板を丸め込む圧縮の力が働きます。
これらの応力は、生成する薄膜の質を落とし、基板をゆがめてしまう恐れがありますので、熱処理を加えたり、応力を計算して基板を研磨したりなどの工夫をして、対処していくことになります。

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