激光声表面波法测量薄膜杨氏模量的理论与系统研究

摘要

针对现有的激光声表面波法薄膜杨氏模量测量技术，从理论算法和实验检测技术两方面展开，以期提高此技术的测量分辨率、测量效率及测量自动化，使之更适合薄膜尤其是超大规模集成电路中Low-k介质薄膜的杨氏模量测量。论文主要完成了以下工作：
　　 1、基于有限时域差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)，针对激光声表面波法的理论色散曲线计算，研究了此算法中的特殊对称关系及计算域空间特性，设计了对称边界-空间变步长算法。在此基础上建立了各向同性薄膜/衬底结构的计算模型；并特别针对掺入周期性纳米孔的Low-k介质薄膜，建立了多孔Low-k介质薄膜/衬底结构的计算模型。研究了薄膜的孔隙率、杨氏模量、密度、厚度等机械特性参数对声表面波传播色散特性的影响。
　　 2、设计并搭建了差分共焦光偏转敏感声表面波检测系统。分析了其检测原理，研究了其技术要点。并测试了此系统的可重复性。在此基础上，与商用纳米压痕仪展开对比测试，研究了此检测系统测量结果的可靠性。
　　 3、设计并搭建了基于PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜的压电声表面波检测系统，以之作为对比测试系统。在理论研究了线源激发的平头声表面波波阵面特性的基础上，设计了四象限压电平头声表面波探测技术，消除了压电声表面波检测系统的方向偏离误差及色散曲线分次测量误差，确保了此对比测试系统的可靠性及先进性。
　　 4、以硬质薄膜、多孔Low-k介质薄膜为测试样品，展开了差分共焦光偏转敏感声表面波检测系统、基于PVDF薄膜的压电声表面波检测系统的对比测试。对比分析了差分共焦光偏转敏感声表面波检测系统、压电声表面波检测系统的测量带宽，提出了色散曲线高频拟合方案，以差分共焦光偏转敏感声表面波检测系统提高了激光声表面波法的测量分辨率。
　　 5、研究了同类样品的色散曲线规律，提出了以其自相关序列的极值作为曲线匹配优度的判据。并据此设计了自相关-二分回溯逼近杨氏模量测量结果智能算法。实现了测量自动化，提高了测量结果计算效率。