Assessment of coating thickness effect on the amount of residual mechanical stresses in Al2O3/Si

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of a study of the thickness of thin-film coatings at significant residual stresses at the film–substrate interface are presented. During the experiment, a Si substrate with a thin Al2O3 film formed by the magnetron method was used. For the first time, the relationship between the shapes of substrates and the levels of residual stresses in a thin-film coating is shown. A modern technique for studying residual stresses in thin-film coatings was used, which makes it possible to determine mechanical stresses in local zones of thin films.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Sidorova

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3002-1246

Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor

Russian Federation, Moscow

A. D. Kouptsov

Bauman Moscow State Technical University

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0002-3997-9722

Post Graduate

Russian Federation, Moscow

O. V. Novikova

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0002-7549-7309

Student

Russian Federation, Zelenograd

I. V. Kushnarev

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0000-8241-0553

Student

Russian Federation, Zelenograd

A. A. Epikhin

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0008-1620-8283

Head of Centre

Russian Federation, Zelenograd

E. E. Gusev

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2819-2599

Head of Laboratory

Russian Federation, Zelenograd

References

  1. Комаровская В.М., Иващенко С.А. Оптимизация режимов ионной обработки поверхности неметаллических материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 3. С. 23–27.
  2. Сахно Э.А. и др. Применение технологии тонких пленок и наноструктурированных материалов при изготовлении теплонагруженных печатных плат // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 3. С. 20–22.
  3. Groner M.D. et al. Electrical characterization of thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition on silicon and various metal substrates // Thin solid films. 2002. Vol. 413. No. 1–2. PP. 186–197.
  4. Семенов Э.И. и др. Контроль параметров тонких пленок, защитных покрытий и технологического процесса их нанесения в вакууме // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 6. С. 46–56.
  5. Li H. et al. Silicon waveguide integrated with germanium photodetector for a photonic-integrated FBG interrogator // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1683.
  6. Бессмертный В.С. и др. Получение защитно-декоративных покрытий на изделиях на основе древесины методом плазменного напыления // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 12. С. 101–101.
  7. Тавгер Б.А., Демиховский В.Я. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках // Успехи физических наук. 1968. Т. 96. № 9. С. 61–86.
  8. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Кушнарев И.В., Махиборода М.А., Доброхотов Д.А., Беспалов В.А. Особенности влияния ориентации и размера зерен на механические свойства тонкопленочных мембран Al/Mo // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50. Вып. 9. С. 10–15.
  9. Lychev S. et al. Deformations of Single-Crystal Silicon Circular Plate: Theory and Experiment // Symmetry. 2024. Vol. 16. No. 2. P. 137.
  10. Hah D. et al. Mechanically tunable optical filters with a microring resonator // Applied Optics. 2011. Vol. 50. No. 22. PP. 4320–4327.
  11. Азаров В.В., Оглоблин М.С., Фокин В.В. и др. Атомно-слоевое осаждение метод модификации оптических поверхностей / // Контенан. 2020. Т. 19. № 6–2. С. 1–8.
  12. Han C.Y., Tang W.M., Lai P.T. High-mobility pentacene organic thin-film transistors achieved by reducing remote phonon scattering and surface-roughness scattering // Applied Surface Science. 2021. Vol. 544. P. 148656.
  13. Костырко С.А. и др. Влияние поверхностной диффузии на морфологическую устойчивость поверхности многослойного пленочного покрытия // Процессы управления и устойчивость. 2015. Т. 2. № 1. С. 190–195.
  14. Stoney G.S. Proc. Royal Soc. Ser. A. 1990. Vol. 82. NA553. PP. 172–175.
  15. Касимов Ф.Д. и др. Расчет упругих механических напряжений в неоднородных полупроводниковых структурах // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002. № 2. С. 13–14.
  16. Достанко А.П. и др. Интегрированные технологии функциональных микро- и наноструктур : монография / Под ред. акад. НАН Беларуси А.П. Достанко. Минск: Бестпринт, 2013. 216 c.
  17. Hyun S. et al. Thickness and temperature dependence of stress relaxation in nanoscale aluminum films // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83. No. 21. PP. 4411–4413.
  18. Thornton J.A. Ann. Rev. Mater. Sci. 1997. Vol. 7. P. 239.
  19. Adams D.P., Parfitt L.J., Biello J.C., Yalisove S.M., Rek. Z.U. Thin Solid Films, Vol. 266. No. 52 (1995). https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)00603-6
  20. Fu J.K., Atanassov G., Dai Y.S. et al. Single films and heat mirrors produced by plasma ion assisted deposition // Journal of Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 218. PР. 403–410.
  21. Шугуров А.Р. Влияние кривизны границы раздела пленка/подложка на закономерности деформации и разрушения тонких металлических пленок и керамических покрытий при внешних воздействиях: Автореф. дис. … к.т.н. Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, 2016.
  22. Горбунов Р. и др. Влияние параметров роста на механические напряжения в пленках GaN, выращенных методом HVPE. 2010. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29901.49129
  23. Nix W.D. et al. Crystallite coalescence: A mechanism for intrinsic tensile stresses in thin films // Journal of materials research. 1999. Vol. 14. No. 8. PP. 3467–3473.
  24. Kouptsov A.D. Vasilev D.D., Sidorova S.V., Moiseev K.M., Kouptsov A.D. et al. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS. Journal of Physics: Conference Series : 27, Saint Petersburg, Saint Petersburg, Virtual, 2021. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1799/1/012016
  25. Дюжев Н.А. и др. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2016. Т. 21. № 4. С. 367–372.
  26. Новак А.В. и др. Зависимость механических напряжений в пленках нитрида кремния от режимов плазмохимического осаждения // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2017. Т. 22. № 2. С. 138–146.
  27. Рубцевич И.И. и др. Исследование свойств пленок нитрида и оксида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевую подложку // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 4. С. 29–32.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1. Schematic representation of mechanical stresses in the substrate/film system

Download (113KB)
Indexing metadata
3. Fig.2. Technological equipment

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig.3. Analytical equipment

Download (982KB)
Indexing metadata
5. Fig.4. Technological route for measuring mechanical stresses of the structure: a – initial substrate before the technological cycle; b – final cleaning with an ion beam; c – deposition of an aluminum oxide coating; d – measurements of the structure with an optical profilometer

Download (314KB)
Indexing metadata
6. Fig.5. Uncoated silicon substrate (a) and with an Al2O3 layer (b). The lines show the measurement directions parallel (solid) and perpendicular (dashed) to the base section

Download (168KB)
Indexing metadata
7. Fig.6. The result of calculating the values of mechanical stresses: a – relief of the substrate; b – curvature of the substrate; c – introduced curvature of the substrate after film deposition; d – stress distribution

Download (1MB)
Indexing metadata
8. Fig.7. Dependence of mechanical stresses on the thickness of the Al2O3 film on Si substrates of convex (a, b) and concave (c, d) shapes

Download (354KB)
Indexing metadata
9. Fig.8. Roughness of Si, Si–Al2O3 structures without ion purification and with ion purification

Download (489KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Sidorova S.V., Kouptsov A.D., Novikova O.V., Kushnarev I.V., Epikhin A.A., Gusev E.E.