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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：1273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、光伏及新材料等領域，沉積在基片上的薄膜其內在應力是決定器件性能與可靠性的關鍵參數。過大的應力會導致薄膜起皺、開裂甚至與基片剝離，直接影響產品的成品率和壽命。因此，精準、高效地測量薄膜應力至關重要。薄膜應力測試儀，特別是基于激光曲率法的設備，已成為該領域的主流測量工具。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實現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-薄膜復合結構發生微小的彎曲。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： 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生系統性的偏移。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（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。

這種方法結合了光學測量的高精度、高速度和非接觸優點，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：