一种测量微尺度基体薄膜残余应力的方法

摘要

一种测量微尺度基体薄膜残余应力的方法，属于光测力学、微电子器件技术领域。本发明的技术特点是在聚焦离子束-场发射扫描电子束双束系统这一成熟商品仪器环境下，利用离子束在试件表面上制作正交光栅，选取合适的放大倍数利用电子束采集残余应力释放前的相移云纹图像，利用离子束刻蚀环形槽以释放残余应力，最后利用电子束在同一条件下采集残余应力释放后的相移云纹图像。应用随机相移云纹法计算求得由残余应力释放引起的应变。根据应力应变关系表达式，即可求出残余应力。该方法简单灵活，灵敏度高，适用范围广。

主权项

一种测量微尺度基体薄膜残余应力的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)将基体薄膜放入聚焦离子束‑场发射扫描电子束双束系统的样品台上，使电子束垂直于基体薄膜表面，在电子束下进行对中、消象散和调焦，直至观察到清晰的基体薄膜表面，并选择欲测量残余应力的区域；将基体薄膜倾斜θ角度，使离子束垂直于基体薄膜表面，在离子束下进行对中、消象散和调焦，找到欲测量残余应力的区域；2)在欲测量残余应力的区域利用离子束刻蚀正交光栅，刻蚀完成后将基体薄膜表面恢复至与电子束垂直的位置，定义正交光栅的两个方向分别为x和y，通过旋转电子束使得电子束的扫描方向和x方向的光栅平行，选择放大倍数以形成清晰的云纹，在该放大倍数下利用电子束对正交光栅区域进行扫描得到一幅云纹图像，在同一放大倍数和工作距离下移动电子束至少两次以实现云纹的相移，每次移动后采集一幅云纹图像，得到x方向上至少三幅残余应力释放前的云纹图像；将电子束旋转90°，使其扫描方向与y方向的光栅平行以形成云纹，在同一放大倍数和工作距离下以相同的方式采集该方向至少三幅残余应力释放前的云纹图像；3)将基体薄膜倾斜与步骤1)相同的角度θ使离子束垂直于基体薄膜表面，利用聚焦离子束刻蚀环形槽以释放残余应力；4)刻蚀完成后将基体薄膜表面恢复至与电子束垂直的位置，利用电子束采集刻蚀环形槽后的云纹图像，图像采集条件和方式同步骤2)，得到至少六幅残余应力释放后的云纹图像；5)根据残余应力释放前后的云纹图像，利用随机相移算法分别计算残余应力释放前后的虚应变εx0、εy0、γxy0、εx1、εy1和γxy1，其中εx0和εx1为刻蚀环形槽前后x方向的正应变，εy0和εy1为刻蚀环形槽前后y方向的正应变，γxy0和γxy1为刻蚀环形槽前后的剪切应变；由残余应力释放引起的应变为εx＝εx1‑εx0，εy＝εy1‑εy0，γxy＝γxy1‑γxy0，则主应变为 ϵ 1 = 1 2 [ ( ϵ x + ϵ y ) + ( ϵ x - ϵ y ) 2 + r xy 2 ] ϵ 2 = 1 2 [ ( ϵ x + ϵ y ) - ( ϵ x - ϵ y ) 2 + r xy 2 ] ; 6)根据公式 σ 1 = - E 1 - v 2 ( ϵ 1 + v ϵ 2 ) σ 2 = - E 1 - v 2 ( ϵ 2 + v ϵ 1 ) 计算两个残余主应力，E为薄膜材料的弹性模量，υ为泊松比。