[發明專利]一種測量微尺度基體薄膜殘余應力的方法

有效

• 申請號: 201110232536.2
• 申請日: 2011-08-15
• 公開（公告）號: CN102322992A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 謝惠民;李艷杰;胡振興;朱建國
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25;G01N23/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及一種測量微尺度基體薄膜殘余應力的方法，屬于光測力學、微電子器件技術領域。

背景技術

基體薄膜結構是微機電系統中最常見的結構。在薄膜的加工制作過程中，往往會產生殘余應力，過大的殘余應力會嚴重影響器件的工作性能和服役壽命。為了更好地了解殘余應力的產生從而達到有效控制殘余應力大小的目的，需要發展基體薄膜結構的殘余應力測量技術。目前已有的殘余應力測量技術有X射線衍射、拉曼光譜測量法和切除釋放殘余應力測量方法。前兩者測量得到的都是一定區域范圍內的平均殘余應力，測量區域較大，一般都在毫米量級，而且這兩種方法都有一定的局限性，X射線衍射方法只適用于晶體材料，對于無定形材料無計可施，拉曼光譜測量法只適用于具有拉曼效應的物質。切除釋放殘余應力的方法包括鉆孔法(加工圓孔)、切槽法(加工條形槽)和環芯法(加工環形槽)，該方法不僅適用于宏觀殘余應力測量，也適用于微觀殘余應力測量，并且適用于各種不同的材料。由于薄膜的破壞往往是局部破壞，微區的殘余應力測量具有非常重要的意義。具有微納米加工能力的聚焦離子束系統和光學測量方法相結合，為實現微區的殘余應力測量提供了可能。Sabate等(N.Sabate，D.Vogel?et?al.Journal?of?Microelectromechanical?Systems，2007)利用聚焦離子束在薄膜表面鉆孔或者切槽結合數字圖像相關的方法測量懸空梁薄膜的殘余應力；Korsunsky(A.Korsunsky，M.Sebastiani?et?al.Surface?and?Coatings?Technology，2010)等利用聚焦離子束加工環形槽結合數字圖像相關的方法測量薄膜的殘余應力；Massl(S.Massl，J.Keckes?et?al.Scripta?materialia，2008)等利用聚焦離子束加工微懸臂梁測量撓度的方法測量薄膜的殘余應力。鉆孔或者切槽的方法會在刻蝕區域引起應變集中，而環芯法釋放的應變較為均勻，是釋放殘余應力的最佳選擇；加工微懸臂梁的方法只適用于試件邊緣，而且只適用于脆性基底的薄膜。利用數字圖像相關方法測量由殘余應力釋放引起的位移或應變需要記錄鉆孔或者切槽前后的試件表面圖像，但是在聚焦離子束的微加工過程中邊緣區域形貌破壞比較嚴重，試件表面灰度形貌也會受影響，這些都會顯著影響數字圖像相關方法的計算精度。為了提高應變測量的精度，本專利將提出一種新的測量微尺度基體薄膜殘余應力的方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的高精度的測量微尺度基體薄膜殘余應力的方法。該方法直接利用聚焦離子束-場發射掃描電子束雙束系統中的聚焦離子束刻蝕高頻光柵和環形槽，利用掃描電子束完成云紋圖像的采集，操作簡單，適用于不同材料的微觀殘余應力的測量。

本發明的技術方案如下：

1.一種測量微尺度基體薄膜殘余應力的方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)將基體薄膜放入聚焦離子束-場發射掃描電子束雙束系統的樣品臺上，使電子束垂直于基體薄膜表面，在電子束下進行對中、消象散和調焦，直至觀察到清晰的基體薄膜表面，并選擇欲測量殘余應力的區域；將基體薄膜傾斜θ角度，使離子束垂直于基體薄膜表面，在離子束下進行對中、消象散和調焦，找到欲測量殘余應力的區域；

2)在欲測量殘余應力的區域利用離子束刻蝕正交光柵，刻蝕完成后將基體薄膜表面恢復至與電子束垂直的位置，定義正交光柵的兩個方向分別為x和y，通過旋轉電子束使得電子束的掃描方向和x方向的光柵平行，選擇放大倍數以形成清晰的云紋，在該放大倍數下利用電子束對正交光柵區域進行掃描得到一幅云紋圖像，在同一放大倍數和工作距離下移動電子束至少兩次以實現云紋的相移，每次移動后采集一幅云紋圖像，得到x方向上至少三幅殘余應力釋放前的云紋圖像；將電子束旋轉90°，使其掃描方向與y方向的光柵平行以形成云紋，在同一放大倍數和工作距離下以相同的方式采集該方向至少三幅殘余應力釋放前的云紋圖像；

3)將基體薄膜傾斜與步驟1)相同的角度θ使離子束垂直于基體薄膜表面，利用聚焦離子束刻蝕環形槽以釋放殘余應力；

4)刻蝕完成后將基體薄膜表面恢復至與電子束垂直的位置，利用電子束采集刻蝕環形槽后的云紋圖像，圖像采集條件和方式同步驟2)，得到至少六幅殘余應力釋放后的云紋圖像；