[發明專利]薄膜應力測試方法

有效

• 申請號: 201310700453.0
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103630277A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 趙升升;程毓
• 申請（專利權）人: 深圳職業技術學院
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 深圳市順天達專利商標代理有限公司 44217
• 代理人: 王小青

技術領域

本發明涉及薄膜應力測量技術，更具體地說，涉及一種薄膜應力測試方法。

背景技術

目前薄膜技術廣泛應用于微電子、信息、傳感器、光學、太陽能、機械防護等領域。例如，金屬材料可利用具有較好摩擦學性能和抗腐蝕性能的陶瓷薄膜作為防護膜。這類薄膜可以利用物理氣相沉積工藝（PVD）制備。沉積態薄膜內一般都存在較高的殘余壓應力，且它在厚度方向上的數值可能差別很大。隨著薄膜技術的廣泛應用，薄膜的力學性能成為人們關注的焦點。其中殘余應力、附著力和屈服強度是薄膜各項力學性能中導致薄膜失效的三個主要因素。

針對薄膜殘余應力的測試技術，目前主流技術有X射線衍射法和基片彎曲法。

其中，利用X射線衍射法來測試薄膜應力有些難以克服的缺陷，例如：（1）X射線只能測量晶體材料的應力，而很多薄膜為非晶體材料；（2）晶體薄膜大多織構現象嚴重，而織構材料的X射線應力測量問題至今仍未很好解決；（3）當薄膜較薄時，為了增加衍射線的強度，有時不得不采用掠射法，此時有效ψ角的變化范圍很窄，測量精度難以保證；（4）X射線應力常數與材料的楊氏模量E有關，但薄膜的E難以測定，且其制備工藝及質量對E影響很大。這些問題都嚴重阻礙了X射線衍射法在薄膜應力測試領域的應用。

以基片彎曲法為基礎的薄膜應力測試技術，是當前應用最廣泛的。在基片上沉積薄膜，通過薄膜沉積前后基片曲率的變化情況，應用Stoney公式（式（1））計算薄膜應力。因其通過基片的力學參數（楊氏模量與泊松比）替代了不穩定的薄膜力學參數，進行計算，且操作簡單，得到廣泛應用。該技術的關鍵在于精確地測量薄膜沉積前后基片的曲率變化。

σ=-Es·hs26(1-vs)·hf(1R-1R0)---(1)]]>

式中，σ為薄膜應力，E_s和V_s分別為基片的楊氏模量和泊松比，h_s和h_f分別為基片和薄膜的厚度，R₀和R分別為基片在鍍膜前、后的曲率半徑。

為了精確測量基片的曲率半徑，通常采用以下幾種方法：光杠桿法、牛頓環法、反射云紋法等。

目前在售的美國的FSM?128型，MOS型，韓國的RST型薄膜應力測試儀都采用了光杠桿的原理，日本FLX型薄膜應力采用了牛頓環干涉原理，北京光電技術研究所，也基于干涉原理，研制了“BGS型電子薄膜應力分布測試儀”。已有的幾種光杠桿法應力儀，光程距離偏短，對基片平整度要求很高；光干涉原理測試曲率更是嚴重受限于薄膜（基片）表面的平整度，基本只能用于Si基片上功能薄膜的應力測試。對一些基片不平整、本身具有曲率（甚至曲率不規則）的基片表面的薄膜應力無法測試，如不銹鋼表面的薄膜，合金鋼表面的薄膜等。并且，現有的薄膜測試儀產品操作并不方便，以韓國的RST型應力儀為例，沒有自動查找樣品中心功能，樣品長寬比和表面平整度限定嚴格，明顯影響了薄膜應力測試范圍和能力，特別是對于沉積于表面不夠平整的不銹鋼等基片上的薄膜應力，基本無法測量。