薄膜應(yīng)力測試方法

1、.薄膜的殘余應(yīng)力測試一、薄膜應(yīng)力分析圖一、薄膜應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力薄膜沉積在基體以后，薄膜處于應(yīng)變狀態(tài)，若以薄膜應(yīng)力造成基體彎曲形變的方向來區(qū)分，可將應(yīng)力分為拉應(yīng)力(tensile stress)和壓應(yīng)力 (compressive stress)，如圖一所示。拉應(yīng)力是當(dāng)膜受力向外伸張，基板向內(nèi)壓縮、膜表面下凹，薄膜因為有拉應(yīng)力的作用，薄膜本身產(chǎn)生收縮的趨勢，如果膜層的拉應(yīng)力超過薄膜的彈性限度，則薄膜就會破裂甚至剝離基體而翹起。壓應(yīng)力則呈相反的狀況，膜表面產(chǎn)生外凸的現(xiàn)象，在壓應(yīng)力的作用下，薄膜有向表面擴張的趨勢。如果壓應(yīng)力到極限時，則會使薄膜向基板內(nèi)側(cè)卷曲，導(dǎo)致膜層起泡。數(shù)學(xué)上表示方法為拉應(yīng)力正號、亞

2、應(yīng)力負號。 造成薄膜應(yīng)力的主要來源有外應(yīng)力 (external stress)、熱應(yīng)力 (thermal stress) 及內(nèi)應(yīng)力 (intrinsic stress)，其中，外應(yīng)力是由外力作用施加于薄膜所引起的。熱應(yīng)精品.力是因為基體與膜的熱膨脹系數(shù)相差太大而引起，此情形發(fā)生于制備薄膜時基板的溫度，冷卻至室溫取出而產(chǎn)生。內(nèi)應(yīng)力則是薄膜本身與基體材料的特性引起的，主要取決于薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和分子沉積缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜與基體邊界之相互作用就相當(dāng)重要，這完全控制于制備的參數(shù)與技術(shù)上，此為應(yīng)力的主要成因。 二、薄膜應(yīng)力測量方法測量薄膜內(nèi)應(yīng)力的方法大致可分為機械法、干涉法和衍射法三大類

3、。前兩者為測量基體受應(yīng)力作用后彎曲的程度，稱為曲率法；后者為測量薄膜晶格常數(shù)的畸變。 （一） 曲率法假設(shè)薄膜應(yīng)力均勻，即可以測量薄膜蒸鍍前后基體彎曲量的差值，求得實際薄膜應(yīng)力的估計值，其中膜應(yīng)力與基體上測量位置的半徑平方值、膜厚及泊松比 (poissons ratio) 成反比；與基體楊氏模量 (es，youngs modulus)、基體厚度的平方及蒸鍍前后基體曲率（1/r）的相對差值成正比。利用這些可測量得到的數(shù)值，可以求得薄膜殘余應(yīng)力的值。 1、懸臂梁法精品.薄膜沉積在基體上，基體受到薄膜應(yīng)力的作用發(fā)生彎曲。當(dāng)薄膜的應(yīng)力為拉應(yīng)力時，基體表面成為凹面，若為壓應(yīng)力，基板的表面變?yōu)橥姑?。于是可?/p>

4、將一基體的一端固定，另一端懸空，形成機械式懸臂梁，如圖二所示。測量原理為將激光照在自由端上的一點，并在沉積薄膜后再以相同方法測量一次，得到反射光的偏移量，進而求得薄膜的殘余應(yīng)力。 圖二、懸臂梁法示意圖2、牛頓環(huán)法本法是利用基體在鍍膜后，薄膜產(chǎn)生的彎曲面與一參考平面，產(chǎn)生干涉條紋的牛頓環(huán)，利用測量到的牛頓環(huán)間距與條紋數(shù)，推算基體的曲率半徑r，其中r 與牛頓環(huán)直徑之平方差成正比，并與波長的4倍、牛頓環(huán)條紋數(shù)的差成反比，將所求得的r帶入牛頓環(huán)應(yīng)力公式，可求出殘余應(yīng)力值 (如圖三)。精品.圖三、牛頓環(huán)法示意圖3、干涉儀相位移式應(yīng)力測量法此法是利用twyman-green干涉儀，透過 ccd 獲得欲測量的薄膜曲面與由 pzt 控制的參考平面之干涉圖 (圖形信號)，進而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號來計算，并利用相的位移求出鍍膜前后的基體曲率半徑，進而求得薄膜應(yīng)力值。圖四、相位移twyman-green干涉儀（二）x射線衍射法以x射線衍射儀測量應(yīng)力或應(yīng)變，是利用bragg 衍射公式求出薄膜結(jié)構(gòu)中微晶體晶面間距的變化來測定的。通常借著薄膜平面 (film plane) 晶格常數(shù)而獲得薄膜應(yīng)力值。