$Y_2O_3$ thin films were deposited by reactive sputtering of an Y target in Ar and $O_2$ gas mixture. Intrinsic stresses and the Ar content in the films were measured by the sines quare psi method of x-ray diffraction and wavelength dispersive spectrometer, respectively. At low working pressures the films had high compressive stresses. As working pressure increased, compressive stress was relaxed. Ar content was high in the film that had high compressive stress. After annealing of the films at 700℃, the compressive stress was largely relaxed but Ar content remained unchanged. These results clearly showed that compressive stress in $Y_2O_3$ films was not caused by Ar entrapment as an impurity but by Ar bombardment. Intrinsic stress was almost independent of the $O_2$/Ar flow ratio, showing that O bombardment was equal to Ar bombardment in affecting the intrinsic stress in $Y_2O_3$ films. The independence of intrinsic stress of $O_2$/Ar flow ratio was explained by the concept of $M_i\frac^{1}{2} θ ±(M_t^2 - M_i^2 sin ^2 θ)^\frac{1}{2}]$/(M_i + M_t) instead of the Mt/Mi ratio, where $M_t$ is the atomic mass of the target material, $M_i$ is the atomic mass of the sputtering gas, and θ is the scattering angle. Cu thin films were deposited by bias sputtering and the film density was measured by grazing incidence x-ray reflectivity. The influence of the experimentally measured film density on residual stress, which previously few studies reported about, was investigated. Without bias voltage, the relative film density was low and the tensile stress was high. With increasing bias voltage, tensile stress decreased and saturated to nearly zero at a bias voltage of -100 V while the film density increased and saturated to nearly bulk value at a bias voltage of -100 V. These results were consistent with those from previously reported molecular dynamic simulations. From the consideration of the Morse potential for relatively dense films, it was possible that tensile stress decreased as the film density increased. The crystallographic orientation of $Y_2O_3$ thin films was determined by measuring the relative intensity of the (400) to (222) plane using x-ray diffraction. At low pressure below 0.05 Torr, the (111) orientation and large compressive stress developed in $Y_2O_3$ thin films and at pressure around 0.10 Torr, the (100) orientation and low compressive stress were generated. These results show that the strain energy of $Y_2O_3$ films with a (111) orientation is lower than that with a (100) orientation and the surface energy of the $Y_2O_3$ films with a (111) orientation is higher than that with a (100) orientation. Al thin films with various residual stress and film thickness were deposited by bias sputtering. Residual stress and relative intensity of the (200) to (111) plane of Al thin films were measured by x-ray diffraction. When film thickness is fixed at $1 \mu m$, below the residual stress of ~80 MPa, Al thin films have a (111) orientation, but above this stress, a (100) orientation. If Al thin films are in the high residual stress of ~145 MPa, crystallographic orientation changes to a (100) from a (111) orientation as film thickness increases to 2 ㎛ from 1 ㎛. However, Al thin films with the residual stress of ~25MPa have a (111) orientation regardless of film thickness. Total energy for Al thin films of a (100) and a (111) orientation was calculated as a function of residual stress and film thickness. These experimental results could be explained by the minimization of the sum of strain energy and surface energy in the films.
아르곤과 산소의 혼합 기체 속에서 Y 타겟을 이용하여 반응 스퍼터링법으로 $Y_2O_3$ 박막을 증착하였다. 박막의 고유응력은 x-선 회절을 이용한 사인 제곱 프사이 방법으로 Ar 함유량은 파장 분산 분광계(wavelength dispersive spectrometer)를 이용하여 측정하였다. 낮은 작업압력에서 박막은 강한 압축응력을 나타냈고, 작업 압력이 증가함에 따라 압축응력은 완화되었다. 강한 압축응력이 나타난 박막은 높은 Ar 함유량을 나타냈다. 700℃에서 열처리한 후, 박막 내의 압축응력은 상당히 완화되었으나, 박막 내의 Ar 함유량은 변화가 없었다. 이러한 결과들은 $Y_2O_3$ 박막의 압축응력의 원인이 불순물 효과가 아니라 원자 충돌 효과라는 것을 명확히 나타낸다. $O_2$/Ar 유량비에 따른 고유응력의 변화는 거의 없었는데, 이것은 산소의 충돌 효과가 Ar의 충돌 효과와 거의 비슷하게 $Y_2O_3$ 박막의 고유응력에 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 고유응력이 $O_2$/Ar 유량비에 관계없이 일정한 것은 $M_t/M_i$ 비율 대신에$M_i\frac^{1}{2}{[M_i cos θ ±(M_t^2 - M_i^2 sin^2θ)^\frac{1}{2}]$/$(M_i + M_t)}$ 개념을 사용함으로써 설명할 수 있었다. 여기서 $M_t$는 타겟 물질의 원자량, $M_i$는 작업기체의 원자량, θ는 산란 각도를 나타낸다.
바이어스 스퍼터링법을 이용하여 Cu 박막을 증착하였고, 소각 입사 x-선 반사법 (grazing incidence x-ray reflectivity)을 이용하여 박막의 밀도를 측정하였다. 앞서 거의 보고되지 않은 박막의 밀도가 잔류응력에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 연구하였다. 바이어스 전압을 인가하지 않은 경우에 박막의 상대밀도는 낮았으며, 높은 인장응력을 나타냈다. 바이어스 전압이 증가함에 따라 박막의 밀도는 증가하고 인장응력은 감소하였고, -100 V에서 박막의 밀도는 거의 벌크값(bulk value)으로 잔류응력은 거의 무응력 상태로 포화되었다. 이 결과들은 앞서 보고된 분자 역학 시뮬레이션(molecular dynamics simulations) 결과들과 일치한다. 상대적으로 밀도가 높은 박막에 대해 Morse 전위(potential)를 고려하면, 박막의 밀도가 증가함에 따라 인장응력이 감소하는 것이 가능하다.
$Y_2O_3$ 박막의 결정 방향성은 x-선 회절을 이용하여 (400) 면과 (222) 면의 상대강도를 측정함으로써 결정하였다. 0.05 Torr 이하의 작업압력에서 $Y_2O_3$ 박막에는 (111) 방향성과 강한 압축응력이 나타났고, 0.1 Torr 부분의 작업압력에서는 (100) 방향성과 낮은 압축응력이 생성되었다. 이 결과들은 $Y_2O_3$ 박막의 경우에 (111) 방향의 변형에너지가 (100) 방향의 변형에너지보다 낮고, (100) 방향의 표면에너지가 (111) 방향의 표면에너지 보다 낮다는 것을 나타낸다.
바이어스 스퍼터링법을 이용하여 여러 잔류응력과 두께를 갖는 Al 박막을 증착하였다. Al 박막의 잔류응력과 (200)면과 (111)면의 상대강도를 x-선 회절을 이용하여 측정하였다. 박막의 두께가 1 ㎛인 경우에, 잔류응력이 약 80 MPa 이하이면 Al 박막은 (111) 결정 방향성을 나타냈으나, 80 MPa 이상이면 (100) 결정 방향성을 나타냈다. Al 박막이 145 MPa의 높은 인장응력을 갖는 경우에, 박막의 두께가 1 ㎛에서 2 ㎛로 증가하면 박막의 결정 방향성은 (111)에서 (100)으로 변화하였다. 그러나, Al 박막이 25 MPa의 낮은 잔류응력을 갖는 경우에는 두께에 관계없이 (111) 결정 방향성을 나타냈다. Al 박막의 두께와 잔류응력의 함수로서 전체에너지를 계산하였다. 이와 같은 실험 결과들은 변형에너지와 표면에너지 합의 최소화로서 설명할 수 있었다.