盘点MEMS工艺过程中的测试项目（二）：应力测试

MEMS工艺过程中常常需要用到一些非破坏性的测试方法来表征当前工艺下的完成情况，以此判定工艺是否满足设计要求，它是MEMS工艺监控的重要环节。本文介绍的是应力测试。

薄膜的应力可分为张应力和压应力，张应力是指晶圆上沉积薄膜后，张应力使薄膜拉伸，晶圆整体呈现向内收缩趋势，会导致薄膜表面凹陷，甚至薄膜从晶圆上剥离脱落。压应力则相反，晶圆整体呈现向外膨胀趋势，会导致薄膜表面凸起。一般张应力表示正，压应力表示负。

按照常规理解，张应力应该是薄膜拉伸趋势，而压应力是薄膜收缩趋势，为什么实际的现象完全相反？

图 压应力和张应力示意图

这里的张应力和压应力对应的都是薄膜的正内应力，正应力与截面垂直，用σ表示，物理定义是材料内部单位面积上的力，σ=dF/dA。如下图示意，以张应力为例，张应力内部所有截面的内力都抵御薄膜拉伸产生的力，因此张应力向内收缩。简单的理解，张应力是因为拉而产生的应力，是收缩的，而压应力是因为压而产生的应力，是膨胀的。

图 拉应力薄膜内部应力示意图

那么MEMS薄膜沉积后，应力如何测试呢？在实际的Fab里，几乎全部采用曲率法测试薄膜应力。该方法通过测量薄膜应力引起的晶圆形变，结合斯托尼公式计算。现在大部分Fab都配备对应晶圆尺寸的应力检测仪，它的原理是光学反射，形变会改变反射方向造成发射点位置的偏移，而得到曲率半径。这种办法相对来说快速便捷，只要测一个薄膜沉积前前置和薄膜沉积后的后置即可，一般扫4条或8条线，得到mapping图。曲率法得到的是薄膜的平均应力，无法测的薄膜内部的应力梯度。曲率法还有一个重要的优势是，可以测多层膜的复合应力，即测多个值，用后置减去前值即可得到单层膜的应力，用最后值减去最前置，即可得到中间所有膜层复合产生的应力，这样有利于工艺控制。缺点是，因为每次放置晶圆的位置没有办法保证完全一致，这样用后值减去前值会造成一定的误差。

图 曲率法测应力示意、公式和条件

除了曲率法，还有XRD、拉曼光谱和纳米压痕法测应力。XRD是一种无损检测内应力的方法，它的原理主要是内应该会改变原子晶格，通过XRD可以拟合出晶格结构，进而判断内应力大小，但是首先我们也得弄到零应力状态的薄膜数据进行比对。XRD是得出的应力值是非常本征的结果，相当于从原子尺度计算得来，因此常被认为是最准确的测试方法。但是实际上XRD在Fab很少用来表征内应力，一方面是XRD虽然是无损检测，但是大部分XRD腔室都比较小，而晶圆太大，如果裂片测试也相当于有损；另一方面，XRD只能扫单点，无法做面内分析，常规从10°扫到90°，需要30-40分钟，扫面内耗时太长。

拉曼光谱测内应力，据了解已有厂家将拉曼光谱仪应用在半导体应力测试上。它的原理是当薄膜存在拉或压的残余应力时，其原子的键长会相应地伸长或缩短，使薄膜的力常数减小或增大，因而原子的振动频率会减小或增大，拉曼谱的峰值会向低频或高频移动，所以拉曼光谱测试应力值也是最本征的结果。

图 拉曼光谱测试晶圆示意图

最后一种办法是纳米压痕，这种办法我们尝试过，数据差异性很大，计算量也很大，作为有损单点检测方法，不适合应用在MEMS工艺制造过程中。