半导体封装测试展|半导体薄膜应力的常见测量方法及设备

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，样品仍然受到一定程度的影响，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。

半导体封装测试展了解到，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。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，这种测量方法通常称为曲率法。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体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。导体封装测试展了解到，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。

这就是著名的Stoney’s Equation（斯托尼方程），利用激光测量样本的形貌,透过比较镀膜前后衬底曲率半径的变化。目前市面上常见的薄膜应力测试仪均是依赖于Stoney’s Equation，下表是典型设备参数。薄膜应力仪特别适合于晶圆类光电薄膜样品的弓高、翘曲、轮廓形貌、曲率半径和薄膜应力测量和计算。

（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。导体封装测试展了解到，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。

（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 。

 

 

文章来源：芯系半导体