工程化界面调控化学气相沉积金刚石薄膜热残余应力与翘曲的梯形界面设计研究

《Materials Today Communications》：Thermal residual stress and bow regulation of chemical-vapor-deposition diamond films by engineered interface

　　

摘要 本研究提出了一种新颖的梯形界面形貌，用于金刚石薄膜与硅衬底之间的界面设计，并系统研究了该界面在冷却过程中对热残余应力（thermal residual stress）和翘曲（bow）的影响。通过有限元建模（finite element modeling, FEM）与理论验证，研究人员证明：相较于传统平面界面形貌，优化的新型界面形貌不仅可将翘曲降低至多10.5%，还可使最大热残余S11和S22应力幅值分别降低11.3%和20.2%，这对于抑制位错（dislocation）和微裂纹（microcrack）的产生极为有利。此外，研究人员还考察了不同嵌入厚度（embedded thickness）和衬底厚度（substrate thickness）下新型界面形貌对力学行为的影响。该研究为通过工程化界面调控化学气相沉积（chemical-vapor deposition, CVD）金刚石薄膜中的热残余应力与翘曲提供了新范式，可用于低应力、高质量金刚石薄膜的生长。

论文解读：工程化梯形界面调控CVD金刚石薄膜热残余应力与翘曲的系统研究

一、研究背景与问题提出

金刚石凭借其优异的电学、热学、力学性能，尤其是室温热导率高达约1800 W/(m·K)的特性，被视为电子封装散热、微机电系统、卫星通信及人形机器人等领域极具前景的材料。特别是金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管展现出比现有碳化硅基器件更高的功率密度与可靠性。化学气相沉积（CVD）技术能够以较低成本制备大面积高质量金刚石薄膜，然而在制造过程中，薄膜内部会发展出两类残余应力：一类是由高温生长（通常700~1200 ℃）期间晶格失配、晶粒聚结、位错和缺陷引发的本征残余应力；另一类则是从高温沉积温度冷却至室温过程中，衬底与薄膜热膨胀系数（CTE）差异所导致的热残余应力。残余应力对金刚石薄膜行为具有关键影响，可导致薄膜损伤与开裂，引发过早失效和可靠性下降；同时，残余应力诱发的翘曲会挑战后续元器件制造工艺，甚至导致尺寸规格不达标。严重时，若总残余应力超过断裂韧性，薄膜/衬底在沉积过程中即可能发生断裂。因此，优化沉积过程中金刚石薄膜内的残余应力是核心技术问题，受到学术界与工业界的广泛关注。

现有残余应力调控方法可归为四类：控制CVD工艺参数、添加缓冲层、退火处理、以及改性界面形貌。尽管已有研究采用织构化界面改善CVD金刚石薄膜的残余应力与成核密度，但通过改变界面形貌来调控金刚石薄膜热残余应力及翘曲的研究仍十分匮乏。热障涂层（TBC）系统的研究表明，采用不同界面织构可延长系统寿命，这为CVD金刚石薄膜界面形貌优化提供了自然思路。有限元方法（FEM）因其全面描述与高效性的优势，已被广泛应用于CVD金刚石薄膜残余应力与变形研究，但热残余应力与翘曲问题尚未被充分理解。为此，本研究旨在通过设计新型界面形貌来解决这一关键问题。

二、研究内容与主要结论

研究人员采用商业有限元平台ABAQUS，对冷却过程中CVD金刚石薄膜的热残余应力分布进行建模。研究中提出一种在金刚石薄膜与硅衬底之间具有周期性梯形图案的新型界面形貌（命名为界面UT），该形貌可通过沉积前刻蚀硅表面实现。作为对比，同时构建了具有相同薄膜与衬底厚度的经典平面界面形貌（命名为界面F）。几何参数包括嵌入厚度t_e、凹角θ、底部凹宽w₁和上部凹宽w₂，其中θ = arctan(2t_e/(w₂?w₁))。衬底宽度、衬底厚度和薄膜厚度分别为25.40 mm、0.40 mm和0.30 mm。模型采用四节点平面应变单元（CPE4）离散，网格尺寸为0.02 mm。金刚石薄膜的杨氏模量和泊松比分别为1000 GPa和0.20，硅衬底则分别为169 GPa和0.30。CTE数据取自文献，沉积温度为800 ℃。研究仅聚焦热残余应力而忽略本征应力，其科学依据在于：高温沉积于硅上的CVD金刚石在冷却过程中产生的热应力被广泛认为是总残余应力的主导成分；且本征应力主要由微观沉积动力学而非宏观界面形状控制，隔离热应力可实现清晰的对比分析。理论分析采用Hsueh提出的双层结构模型，基于厚度方向应变连续假设及面内合力与总弯矩为零的平衡条件，计算曲率半径r、薄膜内应力分布σ_f和衬底内应力分布σ_s。

研究结果表明，与常规平面界面相比，优化的新型界面形貌不仅将翘曲降低至多10.5%，还将最大热残余S11和S22应力幅值分别降低11.3%和20.2%，对抑制位错和微裂纹极为有利。此外，研究还考察了不同嵌入厚度和衬底厚度下新型界面形貌对力学行为的影响。

三、关键技术方法

本研究主要采用以下关键技术方法：一是有限元建模（FEM），利用商业软件ABAQUS建立对称半模型，施加x方向对称边界条件及左下角节点全固定约束，采用四节点平面应变单元（CPE4）进行网格划分，模拟冷却过程热残余应力分布；二是理论分析，采用Hsueh双层结构理论模型，基于应变连续假设与力和力矩平衡条件，计算平面界面的曲率半径及薄膜、衬底内应力分布，用于验证有限元结果的正确性；三是界面形貌工程化设计，通过在硅表面刻蚀形成周期性梯形图案，构造新型界面形貌，并与传统平面形貌进行系统对比。

四、研究结果分述

界面形貌对翘曲的影响： 通过有限元模拟对比界面F与界面UT的翘曲行为，研究发现采用优化的新型梯形界面形貌可将翘曲降低至多10.5%，表明界面形貌工程化可有效调控冷却过程中的变形行为。

界面形貌对热残余应力的影响： 通过有限元模拟分析界面F与界面UT的热残余应力分布，研究发现新型界面形貌可使最大热残余S11和S22应力幅值分别降低11.3%和20.2%，显著有利于抑制位错和微裂纹的产生。

嵌入厚度与衬底厚度的影响： 通过系统改变嵌入厚度和衬底厚度进行参数化研究，考察了不同几何参数下新型界面形貌对力学行为的影响规律，为界面形貌的优化设计提供了依据。

五、讨论与结论

本研究通过有限元建模与理论验证相结合的方法，系统证明了工程化梯形界面形貌在调控CVD金刚石薄膜热残余应力与翘曲方面的有效性。研究结论为：与常规平面界面相比，优化的新型界面形貌不仅可将翘曲降低至多10.5%，还可使最大热残余S11和S22应力幅值分别降低11.3%和20.2%，这对于抑制位错和微裂纹极为有利。本研究提出的新型界面形貌丰富了优化CVD金刚石薄膜残余应力与翘曲的调控策略，适用于低应力、高质量金刚石薄膜的生长。该研究为通过工程化界面调控CVD金刚石薄膜热残余应力与翘曲提供了新范式，对推动金刚石薄膜在高端电子器件中的应用具有重要意义。