[实用新型]薄膜应力测试仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及薄膜应力测量技术，更具体地说，涉及一种薄膜应力测试仪。

背景技术

目前薄膜技术广泛应用于微电子、信息、传感器、光学、太阳能、机械防护等领域。例如，金属材料可利用具有较好摩擦学性能和抗腐蚀性能的陶瓷薄膜作为防护膜。这类薄膜可以利用物理气相沉积工艺（PVD）制备。沉积态薄膜内一般都存在较高的残余压应力，且它在厚度方向上的数值可能差别很大。随着薄膜技术的广泛应用，薄膜的力学性能成为人们关注的焦点。其中残余应力、附着力和屈服强度是薄膜各项力学性能中导致薄膜失效的三个主要因素。

针对薄膜残余应力的测试技术，目前主流技术有X射线衍射法和基片弯曲法。

其中，利用X射线衍射法来测试薄膜应力有些难以克服的缺陷，例如：（1）X射线只能测量晶体材料的应力，而很多薄膜为非晶体材料；（2）晶体薄膜大多织构现象严重，而织构材料的X射线应力测量问题至今仍未很好解决；（3）当薄膜较薄时，为了增加衍射线的强度，有时不得不采用掠射法，此时有效ψ角的变化范围很窄，测量精度难以保证；（4）X射线应力常数与材料的杨氏模量E有关，但薄膜的E难以测定，且其制备工艺及质量对E影响很大。这些问题都严重阻碍了X射线衍射法在薄膜应力测试领域的应用。

以基片弯曲法为基础的薄膜应力测试技术，是当前应用最广泛的。在基片上沉积薄膜，通过薄膜沉积前后基片曲率的变化情况，应用Stoney公式（式（1））计算薄膜应力。因其通过基片的力学参数（杨氏模量与泊松比）替代了不稳定的薄膜力学参数，进行计算，且操作简单，得到广泛应用。该技术的关键在于精确地测量薄膜沉积前后基片的曲率变化。

σ=-Es·hx26(1-vs)·hf(1R-1R0)---(1)]]>

式中，σ为薄膜应力，E_s和V_s分别为基片的杨氏模量和泊松比，h_s和h_f分别为基片和薄膜的厚度，R₀和R分别为基片在镀膜前、后的曲率半径。

为了精确测量基片的曲率半径，通常采用以下几种方法：光杠杆法、牛顿环法、反射云纹法等。

目前在售的美国的FSM128型，MOS型，韩国的RST型薄膜应力测试仪都采用了光杠杆的原理，日本FLX型薄膜应力采用了牛顿环干涉原理，北京光电技术研究所，也基于干涉原理，研制了“BGS型电子薄膜应力分布测试仪”。已有的几种光杠杆法应力仪，光程距离偏短，对基片平整度要求很高；光干涉原理测试曲率更是严重受限于薄膜（基片）表面的平整度，基本只能用于Si基片上功能薄膜的应力测试。对一些基片不平整、本身具有曲率（甚至曲率不规则）的基片表面的薄膜应力无法测试，如不锈钢表面的薄膜，合金钢表面的薄膜等。并且，现有的薄膜测试仪产品操作并不方便，以韩国的RST型应力仪为例，没有自动查找样品中心功能，样品长宽比和表面平整度限定严格，明显影响了薄膜应力测试范围和能力，特别是对于沉积于表面不够平整的不锈钢等基片上的薄膜应力，基本无法测量。