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薄膜應力與光彈應力智慧檢測技術

刊登日期：2022/10/01

摘要：現今許多光學元件或高精密儀器皆需做鍍膜處理，然而薄膜應力過大時，可能會使得元件產生劇烈變形而導致結構損壞，因而薄膜應力估算非常重要。對於薄膜應力之量測，通常為利用Stoney方程式做計算，使用該方程式時，僅需量測基材於鍍膜前後之表面曲率，最後再將曲率代入該方程式中即可計算求得薄膜應力，因此選用適當的光學量測技術非常重要，故本文將針對常用之光學量測技術進行介紹。另外本文同時介紹光彈應力技術，而此技術為可直接獲得材料內部之應力，因此此方法皆可做為檢測薄膜應力之技術，同時也會分享實際應力量測之案例。
Abstract：Nowadays, the optical components or high-precision instruments need to have coating finishing; however, large thin film stress will cause severe deformation of the structure and damage the components. Therefore, accurate estimation of thin film stress is essential. In general, the thin film stress is determined by Stoney equation, which only requires application of curvature radius of a substrate before and after thin film coating into the equation to estimate the stress; and using an appropriate optical measurement technology is important. This article will focus on introduction of optical measurement technologies. In addition, application of photoelasticity for stress analysis will also be introduced in this article. The internal stress of a material can be estimated directly by adopting photoelasticity method. We will also present several practical cases of stress measurement in this article.

關鍵詞：薄膜應力、光學量測技術、光彈法
Keywords：Thin film stress, Optical measurement technology, Photoelasticity

前言
對於高階半導體或光電等元件皆朝向不僅輕薄且須具備更高的效能做為發展目標，因此為了縮小電子與光學元件尺寸以及提高其效率，各元件上會鍍製單層或多層各種不同功能之薄膜(Thin Film)，然而當薄膜鍍製於基材(Substrate)上後，由於薄膜與基材兩者材料之機械性質有所不同，例如楊氏模數、蒲松比與熱膨脹係數等，使得薄膜基材結構受環境或外力影響時，因材料不匹配(Mismatch)進而使整體結構產生撓曲變形之現象，故鍍膜的製程不可避免的會產生相當之薄膜應力(Thin Film Stress)。而元件之可靠度、穩定性與良率會直接受到薄膜應力之影響，因此精準估算薄膜應力至關重要。長期以來，1909年Stoney [1]所推導之方程式常被用以計算薄膜應力，如下

(1)

其中tf與ts分別為薄膜與基材之厚度；νs為基材之蒲松比；Es為基材之彈性模數；R為薄膜基材結構中性軸(Neutral Axis)之曲率半徑(Radius of Curvature)；R0為基材於鍍膜前之曲率半徑。而由式(1)中可得知，使用Stoney方程式時僅需量測基材於鍍膜前後之曲率，再代入該方程式中即可求得薄膜應力，其薄膜應力可利用薄膜基材結構之彎曲方向做區分[2]，如圖1所示，張應力為當薄膜為向外伸張，而反之薄膜應力為壓應力時，薄膜向內壓縮。Stoney方程式已成為現今研究學者計算薄膜應力之重要方程式，換句話說，量測元件於鍍膜前後之曲率變化就顯得格外重要，現今薄膜沉積技術成熟，並且對元件良率要求越來越高，因此對於高精密之量測技術也就會有所需求，故對於薄膜應力量測技術通常會使用非接觸式之高精度光學量測法，例如彩色共焦法(Chromatic Confocal Sensor, CC)、條紋反射技術(Fringe Reflection, FR)與雷射干涉儀(Laser Interferometer, LI)等，然而必須針對樣品條件選擇適當之量測方法，再將所獲得的形貌資訊做曲率半徑之轉換，即可獲得最準確之薄膜應力估算，因此本文將針對上述之光學檢測法進行介紹。
另外，本文同時介紹光彈法(Photoelasticity)，光彈法為可直接檢測材料內部應力的方法，此方法為利用材料之雙折射特性，當光穿透受應力之材料時，光彈條紋即會呈現，並藉由分析光彈條紋即可得知材料內部之應力狀態與分布，因此可利用此方法量測基材於鍍膜前與鍍膜後之應力變化，即可推算鍍膜所產生之薄膜應力。此外，本文也將會對光彈法的應用與工研院量測中心服務之實際案例進行介紹，光彈法一般可應用於透明或半透明試件之應力量測，如塑膠材料、玻璃等，然而目前非常火紅的碳化矽(Silicon Carbide, SiC)材料也因為半透明材料，故本文將也會介紹不同SiC型態之應力量測分析，目前化合物半導體SiC長晶製程複雜且成本很高，長晶全程到完成後，SiC晶體還必須經過切割並研磨成晶圓，才能得知SiC之品質，一般對於SiC為量測表面翹曲判別品質，但SiC為經由長晶所製成，若僅量測表面資訊仍然無法得知材料內部之真實特性，可能會導致誤判SiC之品質，因此目前量測中心已成功利用由光彈法檢測SiC晶圓應力並判別其應力狀態，此將對於SiC產業也有著相當之幫助，且未來也可將應力檢測技術成為SiC良率標準檢測程序。