一种表征薄膜残余应力的方法技术

本发明专利技术涉及一种表征薄膜残余应力的方法，包括：采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，在样片表面汇聚成线性激光束，样片表面产生超声表面波；压电传感器探测，并采集离散时域电压信号；得到实验频散曲线；建模并得到无残余应力状态下的薄膜/基底模型理论频散曲线；将实验频散曲线与理论频散曲线进行比较，定性确定样片薄膜残余应力的大小排列。本发明专利技术可以快速、无损检测薄膜残余应力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄膜特性表征领域，是一种超声表面波技术无损检测薄膜残余应力的方法。
技术介绍
薄膜中的残余应力在力的外部效应来看分为压应力和拉应力，当压应力过大的时候，就会使薄膜发生屈曲，这样使薄膜的附着力减弱，使薄膜与衬底脱离；当拉应力过大的时候，会使薄膜产生褶皱，甚至出现破裂。若在集成电路制造过程中，不能及时察觉薄膜中残余应力过大的情况，继续进行下一步的工作，则势必会严重影响集成电路的性能。因此，薄膜中残余应力的检测具有重要意义。超声表面波方法测量薄膜机械特性参数依据的原理是：超声表面波在薄膜/基底的分层结构中传播时是色散的，表面波波速除了与频率有关，还与薄膜的厚度、密度、弹性常数、残余应力以及基底材料的密度、弹性常数有关。将分别由理论模型和实验信号处理获得的色散曲线进行逼近匹配就可以测出薄膜样片的参数。本专利技术基于此提供一种无损表征样片薄膜残余应力的方法，即：基于声弹性理论，建立一种初级的理论计算模型，研究不同残余应力作用下的频散曲线变化规律，通过与激光激发声表面波检测薄膜特性的实验得出的频散曲线进行拟合，从而定性表征薄膜残余应力的大小。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种快速、无损检测薄膜残余应力的方法，有效的对low-k薄膜残余应力进行表征。技术方案如下：一种表征薄膜残余应力的方法，包括下列步骤：1)采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，样片表面产生超声表面波；2)表面波在样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，再经过信号调理和数据采集后获得离散时域电压信号；3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的数学处理，得到实验频散曲线；4)将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度在内其他参数代入MATLAB理论模型中，5)在理论模型中用应力t来表征残余应力的大小，令t＝0，运行程序则得到无残余应力状态下的薄膜/基底模型理论频散曲线；6)将实验频散曲线与应力t＝0时的理论频散曲线进行比较，规定t<0时表现为压应力，t>0时表现为拉应力，由此判断其残余应力类型，然后通过改变应力t的值来找出与实验频散曲线最相近的理论曲线应力t的值，重复试验测得一组样片的应力t值，进行排序，从而定性确定样片薄膜残余应力的大小排列。附图说明图1为本专利技术采用的激光激发声表面波检测薄膜残余应力系统示意图。图2表面波沿Si[100]方向传播时，不同压应力对色散曲线的影响。图3表面波沿Si[100]方向传播时，不同拉应力对色散曲线的影响。图4表面波沿Si[110]方向传播时，不同压应力对色散曲线的影响。图5表面波沿Si[110]方向传播时，不同拉应力对色散曲线的影响。具体实施方式利用激光激发声表面波实验系统测得声表面波在样片表面传播的试验曲线，激光激发声表面波检测薄膜残余应力系统示意图如图1所示，其中采用MNL801S型氮分子激光器，波长为337.1nm，平均脉冲能量为400uJ。压电传感器由聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)和自制楔形探头组成。放大器为高倍宽频电压放大器MITEQAU-1338型，数字示波器采用TektronicsTDS3000B型，带宽为300MHz，最高采样次速率为2.5GS/s。实验所用样片为薄膜/衬底结构，为使得结果更加准确，需保证所测量的样片属于同一批，具有高度相似的杨氏模量，密度和泊松比，在测量过程应保证同一组数据相同的晶向进行测量。具体测量过程如下：(1)通过计算机控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束。经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，由于热弹效应，样片表面将会产生超声表面波；(2)表面波在样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，经过放大器放大后采样存储在数字示波器中。(3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的一系列数学处理，从而得到实验频散曲线。将样片其他参数代入MATLAB理论模型中，薄膜及基底的相关参数设定见表1。在理论模型中用应力t来表征残余应力的大小。令t＝0，运行程序则得到无残余应力状态下的薄膜/基底模型理论频散曲线。将实验频散曲线与应力t＝0时的理论频散曲线进行比较，规定t<0时表现为压应力，t>0时表现为拉应力，由此判断其残余应力类型。当表面波沿不同晶向传播时分析如下：(1)设定表面波沿Si表面[100]方向传播，当t为压应力时，频率-速度色散曲线如图2所示，在固定频率下，随着压应力的增大而减小；当t为拉应力时，频率-速度色散曲线如图3所示，在固定频率下，随着拉应力的增大而增大。且在[100]方向传播时，相差200MPa的曲线变化相对较小；(2)设定表面波沿Si表面[110]方向传播，当t为压应力时，频率-速度色散曲线如图4所示，在固定频率下，随着压应力的增大而减小；当t为拉应力时，频率-速度色散曲线如图5所示，在固定频率下，随着拉应力的增大而增大。且在[110]方向传播时，相差200MPa的曲线变化相对较大。根据以上规律即可对样片薄膜残余应力的大小进行排序。通过改变应力t的值来找出与实验频散曲线最相近的理论曲线，从而确定被测样片所对应的t值。重复试验测得一组样片的应力t值，进行排序，从而定性确定样片薄膜残余应力的大小排列。表1薄膜/衬底结构的参数设定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表征薄膜残余应力的方法，包括下列步骤：1)采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，样片表面产生超声表面波；2)表面波在样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，再经过信号调理和数据采集后获得离散时域电压信号；3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的数学处理，得到实验频散曲线；4)将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度在内其他参数代入MATLAB理论模型中，5)在理论模型中用应力t来表征残余应力的大小，令t＝0，运行程序则得到无残余应力状态下的薄膜/基底模型理论频散曲线；6)将实验频散曲线与应力t＝0时的理论频散曲线进行比较，规定t<0时表现为压应力，t>0时表现为拉应力，由此判断其残余应力类型，然后通过改变应力t的值来找出与实验频散曲线最相近的理论曲线应力t的值，重复试验测得一组样片的应力t值，进行排序，从而定性确定样片薄膜残余应力的大小排列。

【技术特征摘要】
1.一种表征薄膜残余应力的方法，包括下列步骤：1)采用薄膜/衬底结构的样片，控制激光器发射出一定频率和能量的短脉冲激光束，经过光学调整系统最终在样片表面汇聚成线性激光束，样片表面产生超声表面波；2)表面波在样片表面传播一定距离后被压电传感器探测，再经过信号调理和数据采集后获得离散时域电压信号；3)对采集到的离散时域电压信号进行包括傅立叶变换在内的数学处理，得到实验频散曲线；4)将样片的薄膜和衬底的密度、杨氏模量、泊松比、厚度在内其他参...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖夏，睢晓乐，戚海洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12