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薄膜應力測試儀（激光曲率法）測試原理及樣品要求

來源：時間：2025-10-10 15:51:34 瀏覽：2054次

薄膜應力測試儀（激光曲率法）測試原理及樣品要求

在半導體、微電子、光伏及新材料等領(lǐng)域，沉積在基片上的薄膜其內(nèi)在應力是決定器件性能與可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。過大的應力會導致薄膜起皺、開裂甚至與基片剝離，直接影響產(chǎn)品的成品率和壽命。因此，精準、高效地測量薄膜應力至關(guān)重要。薄膜應力測試儀，特別是基于激光曲率法的設(shè)備，已成為該領(lǐng)域的主流測量工具。本文將以FST5000薄膜應力儀為例，詳細介紹其測試原理與樣品要求。

薄膜應力測試儀（激光曲率法）

一、核心測試原理：從激光掃描到Stoney公式

激光曲率法薄膜應力測試儀的核心原理，建立在經(jīng)典的基片彎曲法和Stoney公式之上，并通過先進的激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了高精度的非接觸測量。

基本原理 - Stoney公式：當一層薄膜沉積在基片（如硅晶圓）上時，由于薄膜與基片之間熱膨脹系數(shù)的差異或本征應力的存在，會使原本平整的基片-薄膜復合結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的彎曲。Stoney公式揭示了這種彎曲程度與薄膜平均應力之間的定量關(guān)系。其簡化形式為： σ = (E_s * t_s2) / [6(1-ν_s) * t_f * R] 其中：

σ為薄膜的平均應力；

E_s和 ν_s分別是基片的楊氏模量和泊松比；

t_s和 t_f分別是基片和薄膜的厚度；

R是基片彎曲后的曲率半徑。

激光曲率法的實現(xiàn)： FST5000儀器通過一束高精度的激光束，以非接觸的方式快速掃描樣品表面。測量時：

掃描與探測：激光器發(fā)射的激光束照射到樣品表面，其反射光被高靈敏度的位置探測器接收。

測量弓高與輪廓：當樣品存在彎曲時，掃描過程中不同位置的反射光點在探測器上的位置會發(fā)生系統(tǒng)性的偏移。儀器通過捕捉這些偏移量，精確計算出樣品表面各點的弓高（相對于參考平面的高度），從而重建出整個樣品的三維輪廓形貌。

計算曲率與應力：系統(tǒng)對測得的三維輪廓進行擬合，計算出樣品整體的曲率半徑（R）。最后，將已知的基片參數(shù)（E_s, ν_s, t_s）、用戶提供的薄膜參考厚度（t_f）以及測量得到的曲率半徑（R）代入Stoney公式，即可自動得出薄膜的應力值。

這種方法結(jié)合了光學測量的高精度、高速度和非接觸優(yōu)點，使其特別適合于易碎、高價值的晶圓類樣品的無損檢測。

二、薄膜應力測試儀樣品要求

為了確保測量的準確性和儀器的正常操作，對送測樣品有以下基本要求：

樣品尺寸：

最大尺寸： 8英寸（直徑）。儀器完美適配標準8英寸晶圓。

兼容尺寸：向下兼容6英寸、4英寸、3英寸、2英寸、1英寸等常見規(guī)格的圓形晶圓。

最小尺寸：樣品最小尺寸應大于 15mm × 15mm。對于非標準或破碎的小樣品，只要滿足此最小尺寸要求，亦可進行測量。

樣品厚度：

對于基片（如硅片）的厚度，目前沒有嚴格的限制。通常所說的晶圓或承載薄膜的基片，厚度范圍一般在幾百微米至幾個毫米之間，儀器均能正常測量。

薄膜本身厚度通常在微米級甚至納米級，儀器通過測量基片的彎曲來反算薄膜應力，因此對薄膜厚度無直接限制。

信息提供：

雖然儀器不直接測量薄膜厚度，但需要用戶提供薄膜的大概厚度值（t_f）。此參數(shù)是使用Stoney公式計算應力的必要輸入值，用于評估和測試的參考，對結(jié)果的準確性至關(guān)重要。

總結(jié)

FST5000薄膜應力測試儀憑借其基于激光曲率法的先進測量原理，提供了快速、精準、非接觸的應力分析方案。它通過高精度激光掃描獲取樣品的曲率變化，并依據(jù)經(jīng)典的Stoney公式計算出薄膜應力，廣泛應用于半導體制造、新材料研發(fā)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

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