多晶硅薄膜残余应力在线测量技术
多晶硅薄膜残余应力在线测量技术
介绍了多晶硅薄膜中的残余应力对微结构性能的影响，分析了应力在线测量技术的必要性。说明了T型微检测结构的测试原理，并基于单T型结构设计出双T型检测结构。探讨了检测结构的制作工艺，加工出试验样片，用刻度显微镜测量出试验数据，推导出误差修正公式，结合MathCAD软件计算出应力值。在结论部分，指出了双T型检测结构能够提高测量精度，并给出了多晶硅薄膜残余应力在线测量技术的工艺实现方法。
介绍了多晶硅薄膜中的残余应力对微结构性能的影响，分析了应力在线测量技术的必要性。说明了T型微检测结构的测试原理，并基于单T型结构设计出双T型检测结构。探讨了检测结构的制作工艺，加工出试验样片，用刻度显微镜测量出试验数据，推导出误差修正公式，结合MathCAD软件计算出应力值。在结论部分，指出了双T型检测结构能够提高测量精度，并给出了多晶硅薄膜残余应力在线测量技术的工艺实现方法。
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膜科学与技术
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第5眷 第瑚
薄 膜 科 学 与 技 术
Vol5 NO．3
THlN FⅡM SCIENCE AND TECHNOLOGY
薄膜应力的测量’
(北京清华走学材料系)
(广东佛山市畸瓷研究所)
1991年 l1月 11日收到
本文首先介绍了薄膜应力剥量的基本原理和方法，井着重讨论了用光学法和悬臂粱一电客法
测量应力的实验过程 ．计算方法以噩各 自的特点．此外，悬臂粱一 电客法还可用来测量基片的
杨氏弹性模量．
关蕾词：薄膜，应力，测量
薄膜应力是反映薄膜单位截面所承受的来 自基体约束的作用力 ，在作用方 向上有张应
力和压应力之分．薄膜与基体 间附着力的存在是薄膜应力产生 的前提条件，但薄膜应力的
存在对附着力又有重要影响．
薄膜应力 的早期研究可追溯至十九世纪中叶 “ 当时以电镀薄膜的应力研究为主．
到了本世纪五十年代，真空物理学和真空工艺学的蓬勃发展为薄膜的大量生产 制备提供
了新的重要途径，薄膜应力在薄膜基础理论研究和应用研究中所起 的重要作用 日益为人们
所认识，并已成为薄膜力学性能研究中一个不可缺少的方面．首先，薄膜应力的存在具有
普遍性 ，从实用的角度总是力求通过改变工艺条件来降低膜层中的应力．另一方碾，薄膜
应力的存在影响到薄膜的生长过程，这是 由应力提供应变能使吉布斯 自由能发生改变从而
影响原子的扩散迁移及位错等缺陷的运动所决定的，因此薄膜相应的结构和性能在不同程
度上与应力有关．归结起来，薄膜应力研究的基本 问题包括应力的测量、应力产生的机
翩、应力的控制以及应力的影响，而应力的定量测量又是应力研究的首要步骤．本文主要
讨论薄膜应力的测量原理和方法．
二、测量方法
在薄膜应力研究中一般只考虑宏观应力，其测量首先是以应变测量为基础的，然后再
根据弹性力学理论进行计算． 自Stoney在 1909年对电镀薄膜应力进行定量研究以来，到
目前为止已发展了许多应力的测量方法
．归纳起来，测量方法一般可分为 以下三大类：
·国家 自然科学基金资助项 目
薄 膜 科 学 与 技 术
l基片变形法
理论推导表明
．薄膜应力的存在使薄膜一基片复合体产生一定程度的弯 曲变形-
通过对其弯曲半径 的测量即可计算应力．计算公式为：
式中 为薄膜应力， 、 分别为基片的杨氏弹性模量和泊松比，h是基片厚度．厂为膜
厚，，、，分别是基片在镀膜前后的弯曲半径． 为薄膜的扬氏弹性模量，当厂&&^时 (这
种情况较为普遍)．—正一 ·{_ 《1．
由此可见．
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第36卷 第7期 2003年7月
材 料 保 护
Vol.36 No.7July2003
用基片曲率法测量薄膜应力
安 兵,张同俊,袁 超,崔 昆
(华中科技大学模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)
[摘 要] 采用基片曲率法设计和制作了一种测量薄膜应力的装置,它具有简单、无损伤、快速、易于操作、精度高的
优点。使用该装置测量了射频磁控溅射镀制的Cu单层膜和Ag/Cu多层膜的应力,,但随沉积条件不同而不同。Cu单层膜和Ag/Cu多层膜处于压应力状态,外加-200V偏压时应力状态。XRD表明Ag/Cu多层膜已结晶,呈现Ag(111)/Cu(111)[关键词] 基片曲率法;薄膜;残余应力
[中图分类号] TB302.5 [] [03)07-0013-03
ofThinFilmsbySubstrateCurvatureMethod
ANBing,ZHANGTong2jun,YUANChao,CUIKun
Abstract:Anopticalapparatusbasedonsubstratecurvaturemethod(SCM)wasdevelopedforstressmeasurementofthinfilms,whichofferedalotofadvantagesassimplestructure,nondestructive,quickresponse,ingtheapparatus,thestressinCufilmsandAg/CumultilayerthinfilmspreparedbyRFmagnetronsputteringweredetected.Itwasfoundthattheresidualstressinthesefilmswashomogenous,monlysamplesofthesefilmswereinastateofcompression,butwhenanadditionalbiasof-200Vwasimposedononeofthem,itturnedtopresentasmalltensilestress.TheXRDpatternshowedthatAg/Cumultilayerthinfilmswerecrystallized,andexhibitedAg(111)/Cu(111)preferredorientations.
Keywords:subsresidualstress
计算薄膜应力。该法要求基片为圆片状或长方条形。当薄膜沉积到基片上时,薄膜与基片之间产生二维界面应力,使基片发生微小的弯曲。当薄膜样品为平面各向同性时,圆片和长方条分别近似弯曲成球面和圆柱面。从几何学和力学原理能够简单地推导出基片曲率变化与薄膜应力的对应关系,可以用Stoney
公式表达[4]:
(k-k0) (tsµtf)6tf
薄膜残余应力是薄膜制备过程中的普遍现象,所有的薄膜几乎都处于某种应力状态,金属薄膜的残余应力大小一般为107～
109Pa数量级[1]。残余应力对薄膜的结构和性能有很大的影响,
它可以导致薄膜的光、电、磁、机械性能改变,较大的应力可能导致薄膜剥落、撕裂,使得薄膜结构失效。因此,测量薄膜的应力是一项很有意义的技术。现在已经有多种方法用于测量薄膜应力,常用的有X射线法[2]、Raman光谱法[3]、基片曲率法[4]等等。本文将介绍基片曲率法,并制作基片曲率法测量薄膜应力的装置,测试铜单层膜和Ag/Cu多层膜的应力。
σ式中 ――薄膜应力f―
ts,tf―――分别为基片和薄膜的厚度k0,k―――分别为基片镀膜前后的曲率半径
1 实验方法
1.1 基片曲率法的原理
基片曲率法的原理是通过测量基片镀膜前后的曲率变化来
[收稿日期]
[基金项目] 国家自然科学基金资助项目()
Ms=Es/(1-vs)为基片的二维杨氏模量,其中Es,vs分别是基片材料的杨氏模量和泊松比。
本实验中的Si(111)基片的二维杨氏模量为229GPa[5]。在硬基底软膜的情况下基片曲率法较为适用。
1.2 基片曲率法的种类
文献中报道的基片曲率法大致分为3种:
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薄膜应力激光测量的新装置
来源：IT168 &责任编辑：李志 &时间: 7:52:19
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