超声表面波表征方法中薄膜残余应力的研究

摘要

激光激发超声表面波技术测量速度快、测量准确且不损伤材料，因而被用于测量薄膜材料的杨氏模量、粘附性、泊松比等机械特性，在集成电路领域得到广泛关注。在之前的学习和研究中，通常采用理想模型来获得理论色散曲线，而未考虑材料残余应力对测量结果的影响。在集成电路加工制造过程中，材料中将不可避免地引入残余应力，且残余应力作为薄膜材料的一项重要性能参数关系着薄膜器件的性能，成为IC领域中不可忽视的问题。因此讨论薄膜残余应力对激光激发超声表面波技术检测薄膜机械特性的影响以及薄膜残余应力的无损检测具有重要意义。 本文在理想理论计算模型中引入包含残余应力的等效弹性常数Eeff，建立了半无限大残余应力理论计算模型以及薄膜/基底结构残余应力理论计算模型。并结合两个数值算例，详细计算并分析了残余应力对超声表面波检测二氧化硅体材料以及二氧化硅薄膜杨氏模量的影响，并分别计算理想理论计算模型在两种情况下的适用范围。研究发现，对于二氧化硅体材料，当残余压应力小于 900 MPa时，残余应力对利用理想理论计算模型检测二氧化硅体材料杨氏模量的影响可忽略不计；对于SiO2薄膜/Si基底结构，超声表面波在SiO2薄膜/Si基底结构中沿硅Si[110]晶向传播时理想理论计算模型的适用范围要比沿硅Si[100]晶向传播时的范围更大一些。以1000 nm的二氧化硅薄膜为例，超声表面波沿硅Si[110]晶向传播时，理想理论计算模型的适用条件为残余压应力小于508 MPa，而超声表面波沿硅Si[100]晶向传播时的适用条件为残余压应力小于373 MPa。 本文最后通过激光激发超声表面波技术对一组不同膜厚的二氧化硅薄膜样片进行了检测，并将检测结果同曲率法的结果进行比较。实验发现，二氧化硅薄膜样片中的残余应力为残余压应力，且随着薄膜厚度的增大，残余压应力的数值逐渐减小。其中膜厚为1000 nm的二氧化硅薄膜残余压应力最小，而300 nm的二氧化硅薄膜残余压应力最大，这与曲率法所测得的实验结果趋势相同，进而验证了激光激发超声表面波技术检测薄膜残余应力的正确性。

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