薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力测试

一、薄膜应力分析

图一、薄膜应变状态与应力

薄膜沉积在基体以后,薄膜处于应变状态,若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分,可将应力分为拉应力(tensile stress)与压应力 (compressive stress),如图一所示。拉应力就是当膜受力向外伸张,基板向内压缩、膜表面下凹,薄膜因为有拉应力的作用,薄膜本身产生收缩的趋势,如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度,则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况,膜表面产生外凸的现象,在压应力的作用下,薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress),其中,外应力就是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力就是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起,此情形发生于制备薄膜時基板的温度,冷卻至室温取出而产生。內应力则就是薄膜本身与基体材料的特性引起的,主要取决于薄膜的微观结构与分子沉积缺陷等因素,所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要,這完全控制于制备的参数与技术上,此为应力的主要成因。

二、薄膜应力测量方法

测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法与衍射法三大类。前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度,称为曲率法;后者为测量薄膜晶格常数的畸变。

（一）曲率法

假设薄膜应力均匀,即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值,求得实际薄膜应力的估计值,其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比;与基体杨氏模量 (Es,Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率(1/R)的相对差值成正比。利用这些可测量得到的数值,可以求得薄膜残余应力的值。

1、悬臂梁法

薄膜沉积在基体上,基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时,基体表面成为凹面,若为压应力,基板的表面变为凸面。于就是可以将一基体的一端固定,另一端悬空,形成机械式悬臂梁,如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点,并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次,得到反射光的偏移量,进而求得薄膜的残余应力。

图二、悬臂梁法示意图

2、牛顿环法

本法就是利用基体在镀膜后,薄膜产生的弯曲面与一参考平面,产生干涉条纹的牛顿环,利用测量到的牛顿环间距与条纹数,推算基体的曲率半径R,其中R 与牛顿环直径之平方差成正比,并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比,將所求得的R帶入牛顿环应力公式,可求出残余应力值 (如图三)。

图三、牛頓环法示意图

3、干涉仪相位移式应力测量法

此法就是利用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。

图四、相位移Twyman-Green干涉仪

(二)X射线衍射法

以X射线衍射仪测量应力或应变,就是利用Bragg 衍射公式求出薄膜结构中微晶体晶面间距的变化来测定的。通常借着薄膜平面 (film plane) 晶格常数而获得薄膜应力值。因为在应力作用下,晶格会发生畸变,从而使晶格常数发生变化,因此测量晶格畸变可以计算出薄膜的应力。