薄膜应力测试

薄膜应力测试旨在检测沉积于基底表面的薄膜（如半导体芯片的绝缘层、光学器件的镀膜）内部应力状态，避免应力过大导致薄膜开裂、剥落或影响器件性能。

测试需从应力类型、测试方法及影响因素等多方面展开，确保结果准确可靠。

一、测试目的

评估稳定性：测定薄膜内应力大小与分布，判断薄膜在后续加工或使用过程中是否会因应力集中发生破裂、卷曲或脱离基底。

优化工艺：通过应力测试结果，调整薄膜沉积参数（如温度、气压、速率），减少因工艺不当导致的应力问题，提升薄膜质量。

保障性能：对于功能性薄膜（如半导体器件的栅极氧化层），确保应力处于合理范围，避免影响其电学、光学等性能。

二、测试前准备

1. 样品制备

基底选择：根据薄膜应用场景，选用与实际工况一致的基底材料（如硅片、玻璃、金属片），确保表面平整、清洁，无油污或氧化层。

薄膜沉积：通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等工艺制备薄膜，记录沉积参数（如溅射功率、反应气体流量），便于分析应力与工艺的关联。

2. 设备与工具

曲率测量设备：激光干涉仪、扫描探针显微镜（SPM），用于测量薄膜沉积前后基底的曲率变化。

X 射线衍射设备：X 射线应力分析仪，利用 X 射线衍射峰偏移计算薄膜应力。

拉曼光谱仪：通过分析薄膜材料的拉曼峰位移，间接推算应力大小。

三、主要测试方法及流程

1. 曲率法（Stoney 公式原理）

测量原理：薄膜沉积后，内应力会使基底产生弯曲变形，通过测量基底曲率变化，结合材料力学公式计算薄膜应力。

操作步骤：

沉积前测量：使用激光干涉仪扫描基底表面，获取初始平整度数据；

沉积后测量：薄膜沉积完成后，再次扫描基底曲率，对比前后数据计算曲率变化量；

应力计算：根据 Stoney 公式，结合基底厚度、弹性模量及曲率变化，推算薄膜平均应力（压应力或拉应力）。

2. X 射线衍射法（XRD）

测量原理：利用 X 射线照射薄膜，不同应力状态下晶格间距发生变化，导致衍射峰位置偏移，通过偏移量计算应力大小与方向。

操作步骤：

样品定位：将样品固定于样品台上，确保 X 射线垂直入射薄膜表面；

数据采集：扫描不同衍射角度，记录衍射峰位置与强度；

应力分析：对比标准衍射峰位置，计算峰偏移量，结合材料弹性常数得出应力值，可获取薄膜表层不同深度的应力分布。

3. 拉曼光谱法

测量原理：应力作用下，薄膜材料分子振动频率改变，导致拉曼散射峰位置移动，通过峰位移与应力的线性关系推算应力。

操作步骤：

激光聚焦：将激光束聚焦于薄膜表面待测点；

光谱采集：收集拉曼散射光，分析光谱中特征峰的位置变化；

应力计算：根据材料的拉曼应力系数，将峰位移转换为应力值，适用于微区应力的高精度检测。

四、结果评估与分析

1. 应力类型判定

压应力：薄膜内部原子间距减小，表现为基底向上弯曲（凸面），过大压应力可能导致薄膜表面龟裂或分层；

拉应力：薄膜原子间距增大，基底向下弯曲（凹面），过高拉应力易引发薄膜边缘剥离或贯穿性裂纹。

2. 失效原因排查

工艺问题：沉积温度过高、速率过快或气体流量不均，可能导致薄膜内应力异常；

材料匹配：薄膜与基底的热膨胀系数差异过大，在温度变化时产生热应力；

杂质影响：薄膜中混入杂质或缺陷，形成应力集中点，降低薄膜稳定性。

3. 优化建议

调整沉积工艺参数（如降低温度、增加缓冲层），减小热应力；

选择与基底热膨胀系数相近的薄膜材料；

采用退火处理（在一定温度下保温），释放薄膜内部应力。

五、注意事项

样品保护：测试过程中避免触碰或刮擦薄膜表面，防止人为引入应力干扰结果；

环境控制：测试需在洁净、恒温恒湿环境下进行（温度 23±2℃，湿度 45-65%），避免环境因素影响基底变形；

设备校准：定期使用标准样品（如已知应力的薄膜）校准测试仪器，确保数据准确性；

多方法验证：对于关键薄膜，可结合曲率法、XRD 和拉曼光谱法交叉验证，提高应力测试结果的可靠性。

通过系统的薄膜应力测试，可有效预防薄膜因应力问题导致的失效风险，为半导体、光学、光伏等领域的薄膜工艺优化提供关键数据支撑。