薄膜应力测试仪（激光曲率法） 测试原理及样品要求

薄膜应力测试仪（激光曲率法） 测试原理及样品要求

在半导体、微电子、光伏及新材料等领域，沉积在基片上的薄膜其内在应力是决定器件性能与可靠性的关键参数。过大的应力会导致薄膜起皱、开裂甚至与基片剥离，直接影响产品的成品率和寿命。因此，精准、高效地测量薄膜应力至关重要。薄膜应力测试仪，特别是基于激光曲率法的设备，已成为该领域的主流测量工具。本文将以FST5000薄膜应力仪为例，详细介绍其测试原理与样品要求。

薄膜应力测试仪（激光曲率法）

一、 核心测试原理：从激光扫描到Stoney公式

激光曲率法薄膜应力测试仪的核心原理，建立在经典的基片弯曲法和Stoney公式之上，并通过先进的激光扫描技术实现了高精度的非接触测量。

基本原理 - Stoney公式： 当一层薄膜沉积在基片（如硅晶圆）上时，由于薄膜与基片之间热膨胀系数的差异或本征应力的存在，会使原本平整的基片-薄膜复合结构发生微小的弯曲。Stoney公式揭示了这种弯曲程度与薄膜平均应力之间的定量关系。其简化形式为： σ = (E_s * t_s²) / [6(1-ν_s) * t_f * R] 其中：

σ为薄膜的平均应力；

E_s和 ν_s分别是基片的杨氏模量和泊松比；

t_s和 t_f分别是基片和薄膜的厚度；

R是基片弯曲后的曲率半径。

激光曲率法的实现： FST5000仪器通过一束高精度的激光束，以非接触的方式快速扫描样品表面。测量时：

扫描与探测：激光器发射的激光束照射到样品表面，其反射光被高灵敏度的位置探测器接收。

测量弓高与轮廓：当样品存在弯曲时，扫描过程中不同位置的反射光点在探测器上的位置会发生系统性的偏移。仪器通过捕捉这些偏移量，精确计算出样品表面各点的弓高（相对于参考平面的高度），从而重建出整个样品的三维轮廓形貌。

计算曲率与应力：系统对测得的三维轮廓进行拟合，计算出样品整体的曲率半径（R）。最后，将已知的基片参数（E_s, ν_s, t_s）、用户提供的薄膜参考厚度（t_f）以及测量得到的曲率半径（R）代入Stoney公式，即可自动得出薄膜的应力值。

这种方法结合了光学测量的高精度、高速度和非接触优点，使其特别适合于易碎、高价值的晶圆类样品的无损检测。

二、 薄膜应力测试仪样品要求

为了确保测量的准确性和仪器的正常操作，对送测样品有以下基本要求：

样品尺寸：

最大尺寸： 8英寸（直径）。仪器完美适配标准8英寸晶圆。

兼容尺寸： 向下兼容6英寸、4英寸、3英寸、2英寸、1英寸等常见规格的圆形晶圆。

最小尺寸： 样品最小尺寸应大于 15mm × 15mm。对于非标准或破碎的小样品，只要满足此最小尺寸要求，亦可进行测量。

样品厚度：

对于基片（如硅片）的厚度，目前没有严格的限制。通常所说的晶圆或承载薄膜的基片，厚度范围一般在几百微米至几个毫米之间，仪器均能正常测量。

薄膜本身厚度通常在微米级甚至纳米级，仪器通过测量基片的弯曲来反算薄膜应力，因此对薄膜厚度无直接限制。

信息提供：

虽然仪器不直接测量薄膜厚度，但需要用户提供薄膜的大概厚度值（t_f）。此参数是使用Stoney公式计算应力的必要输入值，用于评估和测试的参考，对结果的准确性至关重要。

总结

FST5000薄膜应力测试仪凭借其基于激光曲率法的先进测量原理，提供了快速、精准、非接触的应力分析方案。它通过高精度激光扫描获取样品的曲率变化，并依据经典的Stoney公式计算出薄膜应力，广泛应用于半导体制造、新材料研发和质量控制等领域。