薄膜應(yīng)力測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄膜應(yīng)力測試方法，通過以下步驟分別測量鍍膜前、后的基片的曲率半徑：1）將基片放置在樣品臺上；2）使激光器產(chǎn)生的入射激光束，穿過半透鏡到達(dá)所述基片，經(jīng)基片反射回半透鏡，再由半透鏡反射至激光探測儀；3）驅(qū)動所述樣品臺運動，并采集數(shù)據(jù)，記錄運動的距離、以及所述激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離；4）對于鍍膜前表面平直的基片，通過普通測量模式的計算式計算薄膜應(yīng)力；對于鍍膜前表面不平直的基片，通過原位測量模式的計算式計算薄膜應(yīng)力。該測試方法可以有效提高測量精度。
【專利說明】薄膜應(yīng)力測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜應(yīng)力測量技術(shù)，更具體地說，涉及一種薄膜應(yīng)力測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前薄膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子、信息、傳感器、光學(xué)、太陽能、機械防護(hù)等領(lǐng)域。例如，金屬材料可利用具有較好摩擦學(xué)性能和抗腐蝕性能的陶瓷薄膜作為防護(hù)膜。這類薄膜可以利用物理氣相沉積工藝(PVD)制備。沉積態(tài)薄膜內(nèi)一般都存在較高的殘余壓應(yīng)力，且它在厚度方向上的數(shù)值可能差別很大。隨著薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，薄膜的力學(xué)性能成為人們關(guān)注的焦點。其中殘余應(yīng)力、附著力和屈服強度是薄膜各項力學(xué)性能中導(dǎo)致薄膜失效的三個主要因素。
[0003]針對薄膜殘余應(yīng)力的測試技術(shù)，目前主流技術(shù)有X射線衍射法和基片彎曲法。
[0004]其中，利用X射線衍射法來測試薄膜應(yīng)力有些難以克服的缺陷，例如:(1)X射線只能測量晶體材料的應(yīng)力，而很多薄膜為非晶體材料；(2)晶體薄膜大多織構(gòu)現(xiàn)象嚴(yán)重，而織構(gòu)材料的X射線應(yīng)力測量問題至今仍未很好解決；(3)當(dāng)薄膜較薄時，為了增加衍射線的強度，有時不得不采用掠射法，此時有效Ψ角的變化范圍很窄，測量精度難以保證；(4)X射線應(yīng)力常數(shù)與材料的楊氏模量E有關(guān)，但薄膜的E難以測定，且其制備工藝及質(zhì)量對E影響很大。這些問題都嚴(yán)重阻礙了 X射線衍射法在薄膜應(yīng)力測試領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0005]以基片彎曲法為基礎(chǔ)的薄膜應(yīng)力測試技術(shù)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的。在基片上沉積薄膜，通過薄膜沉積前后基片曲率的變化情況，應(yīng)用Stoney公式(式(I))計算薄膜應(yīng)力。因其通過基片的力學(xué)參數(shù)(楊氏模量與泊松比)替代了不穩(wěn)定的薄膜力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行計算，且操作簡單，得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵在于精確地測量薄膜沉積前后基片的曲率變化。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，通過以下步驟分別測量鍍膜前、后的基片的曲率半徑: 1)、將基片放置在樣品臺上； 2)、使激光器產(chǎn)生的入射激光束，穿過半透鏡到達(dá)所述基片，經(jīng)基片反射回半透鏡，再由半透鏡反射至激光探測儀； 3)、驅(qū)動所述樣品臺運動，并采集數(shù)據(jù)，記錄運動的距離、以及所述激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離； 4)對于鍍膜前表面平直的基片，通過以下計算式計算薄膜應(yīng)力:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，在所述步驟3)中，驅(qū)動所述樣品臺沿著第一水平方向正向、以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，針對規(guī)則形狀的基片，采用自動測量模式進(jìn)行測量，在自動測量模式下，所述步驟3)采用下述各步驟分別測量鍍膜前、后的基片: S1、驅(qū)動所述樣品臺沿著與所述第一水平方向垂直的第二水平方向負(fù)向、以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第二水平方向的左邊緣； S2、驅(qū)動所述樣品臺沿著第二水平方向正向、以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第二水平方向的右邊緣； S3、根據(jù)步驟S1、S2找到的基片在第一水平方向的左邊緣和右邊緣，計算得到基片的第一中心線，所述第一中心線沿著垂直于第二水平方向的第一水平方向延伸； S4、沿著第一中心線，朝向第一水平方向正向、以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第一水平方向的前邊緣； S5、沿著第一中心線，朝向第一水平方向負(fù)向、以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第一水平方向的后邊緣； S6、根據(jù)步驟S4、S5找到的基片在第一水平方向的前邊緣和后邊緣，計算得到基片的第二中心線； .57、根據(jù)第一中心線和第二中心線，計算得到基片的中心，從而找到基片所在的大圓線.58、使激光束位于大圓線的后邊緣，并驅(qū)動樣品臺帶著基片沿著第一水平方向以預(yù)定的步長持續(xù)運動，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，針對不規(guī)則形狀的基片，采用半自動測量模式進(jìn)行測量，在半自動測量模式下，所述步驟3)采用下述各步驟分別測量鍍膜前、后的基片: Al、使激光束位于基片在第一水平方向的前邊緣或者后邊緣，驅(qū)動樣品臺沿著第一水平方向以預(yù)定的步長持續(xù)運動，直至激光束到達(dá)基片的相對后邊緣或前邊緣，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離； A2、驅(qū)動樣品臺沿著垂直于所述第一水平方向的第二水平方向運動預(yù)定的間隔； A3、驅(qū)動樣品臺沿著第一水平方向以預(yù)定的步長持續(xù)運動，直至激光束到達(dá)基片的相對后邊緣或前邊緣，每運動預(yù)定的步長后，采集數(shù)據(jù)，記錄運動的步長、以及激光探測儀204表面的激光光斑的對應(yīng)移動距離； A4、重復(fù)以上步驟A2、A3，直至沿著具有預(yù)定間隔的至少三條線對基片采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式計算在至少三條線上計算得到的曲率半徑，得到基片所在球面的曲率半徑，該球面的曲率半徑作為所述基片的曲率半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動所述樣品臺運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，所述預(yù)定的步長是0.1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，所述激光探測儀是分辨率為30微米的激光光斑位敏探測儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的薄膜應(yīng)力測試方法，其特征在于，當(dāng)激光探測儀所顯示的坐標(biāo)值浮動時，表明激光束離開所述樣品臺， 借此找到所述基片的前、后、左、右邊緣。
【文檔編號】G01L1/24GK103630277SQ201310700453
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】趙升升, 程毓 申請人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院