薄膜の内部応力とは

薄膜には、物質や成膜の方法によって「圧縮」（compressive）か「引張り」（tensile）のいずれかの応力が発生します。たいていは物質によって決まっていますが、中には成膜の方法によって圧縮と引張りが入れ替わってしまう材料や、膜厚（薄膜の厚み）によっても異なる材料、大気等の環境下に曝露することで経時変化するものもあります。

薄膜の内部応力は、一般に、次の３つの要素の和で考える必要があります。

話を戻すと、この薄膜が水分などを吸収することで膨らみ、発生する応力がこの３番目のものになります。

内部応力とは、これら３つの合計によって決まります。

薄膜は通常１層で使われることは稀で、一般的な３層構造のＡＲコーティングから１５０層を超えるような多層膜まで、複数の膜を積層することで、求める特性に近づけることが出来ます。

蒸着やスパッタでは薄膜は一層では数十から数百nm程度のものですが、密着力を上回る応力差がかかることで剥離の可能性が出てきます。元来、薄い膜でもあり、特に大きな内部応力を持つ材料は設計時に考慮する必要があることはもちろん、薄膜と基板がもつ「熱膨張係数」も非常に大きく影響するため、留意しておく必要があります。

このため、多層膜を構成するそれぞれの薄膜、また薄膜と基板との応力差をなくすため、「引っ張り」と「圧縮」はそれぞれ打ち消しあうのが理想です。つまり、引張り応力を持つ薄膜と圧縮応力を持つ薄膜を交互に積層させる、あるいは基板とは逆の応力を持つ材料で薄膜を設計する、などの発想です。現実には、完全に打ち消し合わせることは困難なため、剥離などの問題が発生しづらい現実的な差に留めておくことが多いようです。

実務的には熱応力のほうが深刻な影響を及ぼすため、上記で言えば、真応力、熱応力が特に気をつけておくべき応力といえます。膜の種類や使われる環境によっては、水分の吸着の問題もあるので、個々に検討していくことが求められます。

薄膜の特性【参考】

主として光学膜や機能膜として用いられる薄膜の代表的な特性、物性について紹介します。

酸化物の薄膜

• Al2O3（酸化アルミニウム、アルミナ）
• CeO2（酸化セリウム）
• Cr2O3（酸化クロム）
• Ga2O3（酸化ガリウム）
• HfO2（酸化ハフニウム、ハフニア）
• NiO（酸化ニッケル）
• MgO（酸化マグネシウム、マグネシア）　
• I.T.O（Ｉｎ２Ｏ３＋ＳｎＯ２）酸化インジウムスズ
• Nb2O5（五酸化ニオブ）
• Ta2O5（五酸化タンタル）
• Y2O3（酸化イットリウム、イットリア）
• WO3（酸化タングステン）
• TiO（一酸化チタン）
• Ti3O5（五酸化チタン）
• TiO2（二酸化チタン、チタニア）
• ZnO（酸化亜鉛）
• ZrO2+TiO2（複合酸化物）
• ZrO2（酸化ジルコニウム、ジルコニア）

フッ化物の薄膜

• AlF3（フッ化アルミニウム）
• CaF2（フッ化カルシウム）
• CeF3（フッ化セリウム）
• LaF3（フッ化ランタン）
• LiF（フッ化リチウム）
• NaF（フッ化ナトリウム）
• MgF2（フッ化マグネシウム）
• NdF3（フッ化ネオジウム）
• SmF3（フッ化サマリウム）
• YbF3（フッ化イッテルビウム）
• YF3（フッ化イットリウム）
• GdF3（フッ化ガドリニウム）

窒化膜

• TiN（窒化チタン）
• CrN（窒化クロム）
• TiCN（炭窒化チタン）
• TiAlN（窒化チタンアルミ）
• BN（窒化ホウ素）
• AlN（窒化アルミニウム）
• CN（窒化炭素）
• BCN（窒化ホウ素炭素）

炭化膜

• DLC（ダイヤモンドライクカーボン）
• TiC（炭化チタン）
• SiC（炭化ケイ素）
• BC（炭化ホウ素）
• WC（炭化タングステン）

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