JPH03122544A - 薄膜材料の機械的特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子デバイスに使用される薄膜材料の膜応力及
び機械的特性測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、薄膜材料の膜応力測定法及び薄膜材料の機械的特
性の測定法については、１９８３年発行のｗＩＩＪｌ！
ハンドブック第１７８項から第２０７項に論じられてい
る。薄膜の材料膜応力を測定する手法としては基板上に
薄膜を形成したサンプルの反り変形量から算出する方法
とｘｔｇ回折により薄膜材料の格子面間隔を求め、これ
から膜応力を算出する方法がある。薄膜材料の機械的特
性のうちヤング率を測定する手法は、現在のところ完全
には確立されていないが、使用されている方法は薄膜単
独のサンプル中に超音波を励起し、この超音波の音速が
ヤング率に依存することを利用する超音波音速測定法と
、薄膜単独のサンプルあるいは基板上にｆ［を形成した
サンプルを振動させ、この時の共振の固有振動数がサン
プルの形状、密度及びヤング率に依存することを利用す
る振動リード法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は任意の温度における薄膜材料の膜応力測
定について配慮がされておらず、室温以外の状態での測
定ができないという問題点があった。

本発明は任意の温度における薄膜材料の膜応力の高精度
な測定を可能にすることを目的としている。

従来技術は薄膜材料のヤング率を測定する際、薄膜単体
のサンプルが必要であること、測定装置が大がかりにな
ること、等の欠点があった。

本発明は基板上に薄膜を形成したサンプルを用いて、容
易にヤング率を測定することを目的としている。

本発明の他の目的は、薄膜材料の熱膨張係数を容易に測
定することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、温度調整装置により、サン
プルを収納する容器内部の温度を任意に制御できるよう
にしたものである。

また、室温以外の状態でサンプルの反り変形量を測定す
るために、比較的波長の短かいレーザービームの干渉効
果により反り変形量を測定できるようにしたものである
。

さらに、薄膜材料のヤング率と熱膨張係数を容易に測定
するため、目的とする薄膜材料を異なった２個の基板上
に形成したサンプルを用い、これを同時にサンプル収納
容器に収納し、同時に温度変化を与えながら反り変形量
を測定するようにしたものである。

〔作用〕

温度調整装置は、サンプル収納容器内の温度をモニター
し、その情報をフィードバックすることにより、指示さ
れた温度よりも容器内部の温度が低ければヒーターを作
動させ、逆に丞相された温度よりも容器内部の温度が高
ければヒーターを停止させる。それによって、目的の温
度までサンプルを加熱冷却させること、又一定の温度に
サンブルを保つことができる。

レーザービームは光学系によりサンプル収納容器内部に
導かれ、サンプルの置かれたオプティカルフラットとサ
ンプル表面で反射され、これら反射されたレーザービー
ムは干渉し、ニュートンリング像を形成する。このニュ
ートンリング像の明線と明線、Ｂ＃線と暗線のそれぞれ
の高さの差は、レーザービームの波長の２分の１となる
ので、このニュートンリング像からサンプルの反り変形
量を測定できる。

ガス排気装置とガス導入装置は、サンプル収納容器内部
を真空＃囲気にした後、Ａ　ｒ　ｒ　Ｎ　２などの不活
性ガスをサンプル収納容器内部に導入するために存在す
る。それによって、大気中では酸化しやすいサンプルに
ついても、酸化させることなく、薄膜の内部応力、薄膜
の熱膨張係数、薄膜のヤング率を測定することが可能と
なる。

この装置は異なる熱膨張係数、ヤング率を持つ。

２種類の基板上に薄膜を形成した。２コのサンプルを同
時に目的の温度まで加熱、又は冷却し、それらの反り変
形量を測定する。このとき、第１のサンプルの基板の熱
膨張係数、ヤング率ポアソン比をそれぞれα！、Ｅｌ、
ν工とし、第２のサンプルの基板の熱膨張係数、ヤング
率ポアソン比をそれぞれα２．Ｅ　２１　’Ｉ　２Ｌと
し、サンプル１、サンプル２のそれぞれの薄膜の長さを
Ω工、２２とし、基板の厚さをＤｌｌ　Ｄａとし、薄膜
の厚さをａｌ、　ｄａとし、薄膜の熱膨張係数、ヤング
率、ポアソン比をそれぞれ、α□ｇ　Ｅｚｓ　Ｖｉ　と
し、これらのサンプルにΔＴの温度変化を与えた時の、
サンプル１及びサンプル２の反り変形量の変化斌が６１
．δ２であるとすれば、Ｄｌ：＞ｄｔかつＤ　ｚ　＞　
ｄ　ｘの時、これらの量の間には Ｑｓ　　　　Ｅｘ（１ｖｚ）Ｉ）ｌ” Ｑ２．　　Ｅｘ（１−ｖｚ）Ｄｚ” という関係が成り立つ、この２つの式はＥｘ。

αｆに関する連立方程式なので、Ｅ　ｉ　、α１につぃ
て解くことができ、これによって薄膜のヤング率、熱膨
張係数を求めることができる。

テレビカメラは干渉の結果生じた。サンプルの反り変形
量を示すニュートンリング像を記録し。

データ処理装置に送る。これによって任意の時点におけ
る測定又は連続的な測定か可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

電気炉１はサンプル収納器を兼ねており、これにはガス
排気口２とガス導入口３が付いていて、容器内のガスを
任意のものに置換、あるいは真空にできる。電気炉１中
にはオプティカルフラット５が備えられており、この上
にサンプル４を置く。

レーザー発生部８で生じた単色光１１はビームエキスパ
ンダー９によりその面積を拡げられた後、レンズ６．１
２およびハーフミラ−７を経た後、電気炉１内に入る。

そして、オプティカルフラット５で反射された単色光と
サンプル４で反射され単色光が干渉し、ニュートンリン
グ像を形成した後、この像は、レンズ１２．１３を経て
外部に取り出され、スチールカメラ１０などにより記録
される。この時、電気炉１の温度を所望の温度に設定し
ておけば、いろいろな温度におけるサンプルの反り変形
量が測定できる０図中には示していないが、熱膨張係数
、ヤング率の異なる２種類の基板上に目的とする薄膜を
形成した、２コのサンプルを使用すれば、その反り変形
量の差異から薄膜のヤング率、熱膨張係数を算出するこ
とができる。

又、薄膜形成時の温度まで電気炉１により加熱すれば、
その温度での反り変形量から成膜時に蓄積される真性な
薄膜の応力を知ることも可能である。

単色光１１を得るためには、レーザー光ではなく。

水銀燈などの光をフィルターに通したものを用いても良
い、スチールカメラ１０の代わりに、テレビカメラ等を
用い、影像データを、データ処理装置に送れば、連続的
な測定も可能である。

第２図は単色光によりニュートンリング像が生成される
原理を示す。単色光１４はオプティカルフラット表面で
反射した単色光１５とサンプル表面で反射した単色光１
６に分かれる。これら反射した単色光は、オプティカル
フラット５とサンプル４とのすきまが、 λ　・　ｎ と表わされるときに強めあい、 と表わされるときに弱めあう。ここに、λは単色光の波
長、ｎは０以上の整数である。従って、明線−明線、暗
線−暗線の高さの差は一λとなり、サンプルの反り変形
量を測定できる０反り変形量をより高精度に測定したい
場合は、より短い波長のレーザー光を用いるか、より短
い波長の光のみを透過させるフィルターを用いれば良い
。

本実施例によれば薄膜材料の内部応力、熱膨張係数、ヤ
ング率を高精度に測定することが可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、サンプルの反り変形蓋を高精度に測定
できるので、薄膜の内部応力、熱膨張係数、ヤング率を
容易に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による薄膜材料の機械的特性測定装置の
断面図、第２図はオプティカルフラット上に置かれたサ
ンプルの反り変形ｆ２１１１１定方法の原理を示す図で
ある。 １・・・電気炉、４・・・サンプル、５・・・オプティ
カルフラット、１１・・・単色光。 率　）　　■ 不 ？ 因 ５−１３ １”ρ 電帆ｒ サーフ１ル γフ゛グン力ＩＬフ２γト 草を璃巳

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に薄膜を形成してサンプルの反り変形量を測
   定し、この反り変形量から薄膜の膜応力を算定し、ある
   いは薄膜の機械的特性を算定する装置において、少なく
   とも２個のサンプルを収納する容器と、サンプルを置く
   オプティカルフラットとサンプルを任意の温度まで加熱
   、冷却し、あるいは一定の温度に保つ温度調整装置と、
   容器内の雰囲気を任意の気体に変え、あるいは真空雰囲
   気にするガス排気装置とガス導入装置と、サンプル及び
   オプティカルフラットにサンプルの反り変形量と測定す
   るためのレーザービームを照射するレーザービーム発生
   装置と、サンプル及びオプティカルフラットにレーザー
   ビームを導く光学系と、サンプル及びオプティカルフラ
   ットに照射されたレーザービームの反射ビームをスチー
   ルカメラ又はテレビカメラに導くための光学系と、前記
   テレビカメラによつて得られた画像を処理し、機械的特
   性を算出するための処理装置からなるものであることを
   特徴とする薄膜材料の機械的特性測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置においてレーザー
   ビーム発生装置は、サンプルの反り変形量を測定するた
   めに適切な波長のレーザービームを発生するものである
   ことを特徴とする薄膜材料の機械的特性測定装置。 ３、上記レーザービーム発生装置のレーザーとして、色
   素レーザー又はエキシマ、窒素、Ｈｅ−Ｎｅ等の気体レ
   ーザー又は該気体レーザーからの高周波により励起され
   る色素レーザー、又はルビー等の固体レーザー又は該固
   体レーザーからの高調波により励起される色素レーザー
   、又は波長可変レーザー、又は自由電子レーザーを用い
   たことを特徴とする薄膜材料の機械的特性測定装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の装置においてレーザー
   ビームを導く光学系はレンズ、鏡、半透明鏡、ビームエ
   キスパンダーから成るものであることを特徴とする薄膜
   材料の機械的特性測定装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載の装置においてサンプル
   の反り変形量の測定にオプティカルフラットの表面で反
   射されたレーザービームとサンプルの表面で反射された
   レーザービームの干渉により生じたニュートンリング像
   を用いることを特徴とした薄膜材料の機械的特性測定装
   置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の装置において測定され
   る薄膜材料の機械的特性は薄膜の内部応力と熱膨張係数
   とヤング率であることを特徴とする薄膜材料の機械的特
   性測定装置。 （９）上記薄膜材料の機械的特性の測定は異なる熱膨張
   係数、ヤング率を持つ２種類の基板上に目的とする薄膜
   材料をスパッタリング法、蒸着法などを用いて形成し、
   このサンプルを同一雰囲気中で特定の温度まで加熱ある
   いは冷却した際に生じて熱応力のサンプルによる差異か
   ら算定することを特徴とする薄膜材料の機械的特性測定
   装置。