Lo stress nei film sottili sputtered è influenzato principalmente da diversi fattori, tra cui i parametri del processo di deposizione, le proprietà del materiale e l'interazione tra il film e il substrato. Le sollecitazioni nei film sottili possono essere calcolate con la formula:
σ = E x α x (T - T0)
dove:
- σ è lo stress del film sottile.
- E è il modulo di Young del materiale del film sottile, che misura la rigidità del materiale.
- α è il coefficiente di espansione termica del materiale del film sottile, che indica quanto il materiale si espande o si contrae al variare della temperatura.
- T è la temperatura del substrato durante la deposizione.
- T0 è il coefficiente di espansione termica del materiale del substrato.
Questa formula mostra che la sollecitazione nel film sottile è direttamente proporzionale al prodotto del modulo di Young e della differenza di espansione termica tra il film e il substrato, scalata dalla differenza di temperatura durante la deposizione. Ciò indica che i materiali con un elevato modulo di Young e/o grandi differenze nei coefficienti di espansione termica subiranno sollecitazioni più elevate.
Anche il processo di deposizione svolge un ruolo cruciale nel determinare i livelli di stress nei film sottili. Lo sputtering, essendo un processo assistito da plasma, coinvolge non solo atomi neutri ma anche specie cariche che colpiscono la superficie del film in crescita. Il rapporto tra il flusso di ioni e quello di atomi (Ji/Ja) influisce significativamente sulla microstruttura e sulla morfologia del film, che a sua volta influenza le tensioni residue. Un bombardamento ionico elevato può portare a un aumento delle sollecitazioni a causa dell'energia aggiuntiva impartita al film.
Inoltre, la velocità di deposizione, controllata da parametri come la potenza e la pressione, influisce sull'uniformità e sullo spessore del film, che può influenzare le sollecitazioni. Un'elevata velocità di deposizione può portare a sollecitazioni più elevate a causa del rapido accumulo del film e dei potenziali disadattamenti reticolari con il substrato.
Anche i difetti del film, come le inclusioni di gas indesiderati o la crescita irregolare dei grani, possono contribuire alle sollecitazioni. Questi difetti possono creare punti di stress localizzati che, se non gestiti correttamente, possono portare a cricche o delaminazioni.
In sintesi, le sollecitazioni nei film sottili sputtered sono una complessa interazione tra le proprietà del materiale, i parametri del processo di deposizione e l'interazione tra il film e il substrato. La gestione di questi fattori attraverso un'attenta selezione delle impostazioni di deposizione e dei trattamenti post-deposizione è fondamentale per controllare le sollecitazioni e garantire l'integrità e le prestazioni dei film sottili.
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