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薄膜应力测试仪（激光曲率法）测试原理及样品要求

来源：时间：2025-10-10 15:51:34 浏览：505次

薄膜应力测试仪（激光曲率法）测试原理及样品要求

在半导体、微电子、光伏及新材料等领域，沉积在基片上的薄膜其内在应力是决定器件性能与可靠性的关键参数。过大的应力会导致薄膜起皱、开裂甚至与基片剥离，直接影响产品的成品率和寿命。因此，精准、高效地测量薄膜应力至关重要。薄膜应力测试仪，特别是基于激光曲率法的设备，已成为该领域的主流测量工具。本文将以FST5000薄膜应力仪为例，详细介绍其测试原理与样品要求。

薄膜应力测试仪（激光曲率法）

一、核心测试原理：从激光扫描到Stoney公式

激光曲率法薄膜应力测试仪的核心原理，建立在经典的基片弯曲法和Stoney公式之上，并通过先进的激光扫描技术实现了高精度的非接触测量。

基本原理 - Stoney公式：当一层薄膜沉积在基片（如硅晶圆）上时，由于薄膜与基片之间热膨胀系数的差异或本征应力的存在，会使原本平整的基片-薄膜复合结构发生微小的弯曲。Stoney公式揭示了这种弯曲程度与薄膜平均应力之间的定量关系。其简化形式为： σ = (E_s * t_s²) / [6(1-ν_s) * t_f * R] 其中：

σ为薄膜的平均应力；

E_s和 ν_s分别是基片的杨氏模量和泊松比；

t_s和 t_f分别是基片和薄膜的厚度；

R是基片弯曲后的曲率半径。

激光曲率法的实现： FST5000仪器通过一束高精度的激光束，以非接触的方式快速扫描样品表面。测量时：

扫描与探测：激光器发射的激光束照射到样品表面，其反射光被高灵敏度的位置探测器接收。

测量弓高与轮廓：当样品存在弯曲时，扫描过程中不同位置的反射光点在探测器上的位置会发生系统性的偏移。仪器通过捕捉这些偏移量，精确计算出样品表面各点的弓高（相对于参考平面的高度），从而重建出整个样品的三维轮廓形貌。

计算曲率与应力：系统对测得的三维轮廓进行拟合，计算出样品整体的曲率半径（R）。最后，将已知的基片参数（E_s, ν_s, t_s）、用户提供的薄膜参考厚度（t_f）以及测量得到的曲率半径（R）代入Stoney公式，即可自动得出薄膜的应力值。

这种方法结合了光学测量的高精度、高速度和非接触优点，使其特别适合于易碎、高价值的晶圆类样品的无损检测。

二、薄膜应力测试仪样品要求

为了确保测量的准确性和仪器的正常操作，对送测样品有以下基本要求：

样品尺寸：