深圳电子展|半导体薄膜应力的常见测量方法及设备

当薄膜沉积在基材上时，它会遭受不同程度的应变。这类应变状态可以根据薄膜对基材施加的力来区分为拉应力和压应力。拉应力发生在膜受力向外伸张，导致基板向内压缩的情况下，使薄膜表面呈现下凹状态。与之相反，压应力则使薄膜表面呈现外凸状态。拉应力会导致薄膜收缩，而压应力则使薄膜向表面扩张。若拉应力超过薄膜的弹性限度，可能导致薄膜破裂或剥离，而压应力达到一定程度时，可能导致薄膜卷曲或起泡。

残余应力是在制造过程中，样品受到各种工艺因素的影响后，在这些因素消失后仍然存在的压力或应力。即使这些因素消失了，样品仍然遭受一定程度的影响，这些影响会留存在样品内部，形成残余应力。从能量作功的角度来理解，当外力作用于物体时，如果超过了其承受能力，物体会发生塑性变形，这会导致物体内部存储一部分能量。一旦外力消失，由于内部应力分布不均匀，这些能量会释放出来。物体的脆性决定了其在释放能量时的表现：低脆性物体会缓慢变形，而高脆性物体可能会形成裂纹。

薄膜的应力来源主要有外部应力、热应力和内应力。外部应力是指外部力量对薄膜的影响，热应力则是因为基板和薄膜的热膨胀系数不匹配而产生的。深圳电子展了解到，内应力是由薄膜本身和基板材料特性引起的，取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素。因此，薄膜之间的界面和薄膜与基板边界之间的相互作用至关重要，这取决于制备工艺。

晶圆的应力无法直接测量，而是通过测量晶圆弯曲的程度来推算出来的，这类测量方法通常称为曲率法。深圳电子展了解到，测量薄膜内部应力的方法主要分为机械法、干涉法和衍射法三种。机械法和干涉法通过测量基材弯曲程度来间接推算应力，而衍射法则是通过测量薄膜晶格常数的变化来得到应力信息。

（一）曲率法

假设一层薄膜被均匀地施加在一个物体表面上。我们可以通过测量在薄膜施加前后物体表面的弯曲量的变化来估算实际上薄膜施加的应力。这个应力与测量位置距离表面中心的距离的平方、薄膜的厚度、以及物体的泊松比成反比关系。另一方面，它与物体的杨氏模量、物体的厚度的平方以及在薄膜施加前后物体表面的曲率变化成正比。通过这些测量值，我们可以计算出薄膜施加后留下的残余应力的值。

（二）悬臂梁法

薄膜在基体表面沉积时会施加应力，导致基体产生弯曲。如果薄膜施加的是拉伸应力，基体表面会凹陷；如果是压缩应力，基体表面则会凸起。这可以利用固定一端并悬挂另一端的基体，形成悬臂梁结构来观察。测量方法是在自由端照射激光，并在薄膜沉积后再次进行相同测量，通过偏移量来计算薄膜的残余应力。

（三）牛顿环法

这种方法利用了涂层后薄膜产生的形变与一个参考平面之间的干涉现象，通过测量干涉条纹的间距和数量，可以推算出基体的曲率半径R。R与干涉环直径的平方差成正比，与波长的4倍以及干涉条纹数的差成反比。通过将得到的R值代入公式，可以计算出薄膜残余应力的值 。

（四）干涉仪相位移式应力测量法

此法是利用Twyman-Green干涉仪，透过 CCD 获得欲测量的薄膜曲面与由 PZT 控制的参考平面之干涉图 (图形信号)，进而转化成数字信号来计算，并利用相的位移求出镀膜前后的基体曲率半径，进而求得薄膜应力值。

（五）X射线衍射法

X射线衍射法是一种用于测定残余应力的无损定量化方法，它在零件加工、设备制造、安装等质量控制环节以及失效分析和安全评估中得到了广泛应用。这种方法能够准确比较残余应力的大小，从而提高产品质量，预防产品早期失效，对于保障产品质量和安全至关重要。

X射线衍射仪通过测量晶面间距的变化来评估材料中的应力或应变。深圳电子展了解到，当材料存在残余应力时，晶面间距会发生变化，因为在应力作用下，晶格会发生畸变，从而使晶格常数发生变化，导致衍射峰位置移动，这与应力大小相关。通过照射不同入射角的X射线，并测量相应的衍射角度，可以计算出应力值。由于X射线只能穿透材料的表层，因此主要测试表层的应力状态，通常视为二维应力状态。

文章来源：芯系半导体