In this study, residual stress distribution in multi-stacked film by MEMS (Micro-Electro Mechanical System) process is predicted using Finite Element method (FEM). We evelop a finite element program for residual stress analysis (RESA) in multi-stacked film. The RESA predicts the distribution of residual stress field in multi-stacked film. Curvatures of multistacked film and single layers which consist of the multi-stacked film are used as the input to the RESA. To measure those curvatures is easier than to measure a distribution of residual stress. To verify the RESA, mean stresses and stress gradients of single and multi layers are measured. The mean stresses are calculated from curvatures of deposited wafer by using Stoney's equation. The stress gradients are calculated from the vertical deflection at the end of cantilever beam. To measure the mean stress of each layer in multi-stacked film, we measure the curvature of wafer with the left film after etching layer by layer in multi-stacked film.
The presence of a residual stress in a thin film affects the properties and performances of the film, so the study of stress in a film must be very important. In this study, therefore, considering the characteristics of PECVD process, it was discussed that the residual stress, measured by $sin^2{\Psi}$ method, fo TiN films deposited on substrates with different TECs (thermal expansion coefficients) changed with film thickness. As a results, it was obtained that the residual stress of TiN film was compressive stress about all kinds of substrates and increased with film thickness. Also, the compressive residual stresses of TiN films increased in Si, Ti, STS304 order. According to the above results, we confirmed that the changes of residual stress of TiN film with substrates were due to the thermal stress originated form the difference in the TECs of the film and substrates, and that the intrinsic stress had dominating effect on the residual stress of TiN film deposited by PECVD. And in this study, the intrinsic stress of TiN film was compressive stress in spite of the Zone 1 structure. It is due to the entrapment of impurities in grain boundary or void.
The internal stress and magnetic properties (coercivity and squareness) of Ni-Fe nano thin film synthesized by electrodeposition method were studied as a function of acidic chloride bath conditions (composition and temperature) and current density. Fe deposition patterns were different depending on the temperature of the solution, the stress of film decreased with increasing the solution temperature, and the depending on the amount of Fe deposition showed a parabolic shape. The grain size of film was inversely proportional to stress of thin film. The internal stress of thin film and magnetic properties were deeply relevant, and the stress of thin film had a relationship with bath conditions and grain size of the thin film surface.
Kim, Yeong-Uk;Sin, Hong-Jae;Ha, Jeong-Min;Choe, Su-Han;Lee, Jong-Gil
Korean Journal of Materials Research
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v.1
no.1
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pp.46-53
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1991
The stress of PSG (Phosphosilicate glass), USG (Undoped-silicate grass) and SiN films, which are mainly used as passivation layers in semiconductor memory devices, deposited by CVD methods has been studied as a function of film thickness and holding time in air. The stress of the PSG film or the USG film is increased in tensile state with increasing film thickness. On the other hand the stress level of the SiN film in compressive stress does not change as film thickness changes. The stress of PSG film shows the drastic change from the tensile stress to the compressive stress after the film is left 2 days in air. FTIR spectra indicated that the stress variation was due to the penetration of water molecule. It looks possible to recover the stress of about $2.5{\times}{10^9}dyne/cm^2$ by annealing treatment at $300^{\circ}C$ for 20min. The total stress of multi-layered films having the PSG film is determined mainly by the stress variation of PSG layer with holding time. The total stress of multi-layered film appears to have a functional relationship with the stress in the thickness of each film. The resistance against stress-migration of sputtered Al line increases with increasing the tensile stress for the PSG film or the USG film.
Residual stress is a dominant obstacle to efficient production and safe usage of products by reducing the mechanical strength and failure properties. Especially, it causes interfacial failure and substrate deflection in the case of thin film. So, the exact evaluation and optimum control of thin film residual stress is indispensable. However, hole drilling or X-ray diffraction techniques have some limits in application to thin film. And, curvature technique for thin film materials cannot give the information about local stress variation. Therefore, we applied the nanoindentation technique in evaluating the thin film residual stress. In this study, we modeled the change of indentation loading curve for residually stressed and stress-free thin films during stress relaxation. The value of residual stress was directly related to the indentation depth change by relaxation. The residual stress from nanoindentation analysis was consistent with the result from curvature technique.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.7
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pp.1270-1279
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2002
Residual stress is a dominant obstacle to efficient production and safe usage of device by deteriorating the mechanical strength and failure properties. Therefore, we proposed a new thin film stress-analyzing technique using a nanoindentation method. For this aim, the shape change in the indentation load-depth curve during the stress-relief in film was theoretically modeled. The change in indentation depth by load-controlled stress relaxation process was related to the increase or decrease in the applied load using the elastic flat punch theory. Finally, the residual stress in thin film was calculated from the changed applied load based on the equivalent stress interaction model. The evaluated stresses for diamond-like carbon films from this nanoindentation analysis were consistent with the results from the conventional curvature method.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.9
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pp.135-141
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2003
MEMS structures generally have been fabricated using surface-machining method, but the interface failure between silicon substrate and evaporated thin film frequently takes place due to the residual stress inducing by the applied the various loads. And the very important physical property in the heated environment is the linear coefficient of thermal expansion. Therefore this paper studied the residual stress caused the thermal loads in the thin film and introduced the simple method to measure the trend of the residual stress by the indentation. Specimens were made of materials such as Al, Au and Cu and thermal load was applied repeatedly. The residual stress was measured by nano-indentation using AFM and FEA. The existence of the residual stress due to thermal load was verified by the experimental results. The indentation length of the thermal loaded specimens increased minimum 11.8% comparing with the virgin thin film caused by tensile residual stress. The finite element analysis results are similar to indentation test.
The total relaxed stress in annealing and the thermal strain/stress were obtained from the identification of the residual stress-free state using electronic speckle pattern interferometry (ESPI). The residual stress fields in case of both single and film / substrate systems were modeled using the thermo-elastic theory and the relationship between relaxed stresses and displacements. We mapped the surface residual stress fields on the indented bulk Cu and the 0.5 $\mu\textrm{m}$ Au film by ESPI. In indented Cu, the normal and shear residual stress are distributed over -1.7 GPa to 700 MPa and -800 GPa to 600 MPa respectively around the indented point and in deposited Au film on Si wafer, the tensile residual stress is uniformly distributed on the Au film from 500 MPa to 800 MPa. Also we measured the residual stress by the x-ray diffractometer (XRD) for the verification of above residual stress results by ESPI...
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2000.07a
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pp.395-398
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2000
Reactive radio frequency (RF)magnetron sputter with incident angle has been used to deposit AlN thin film on a crystalline Si substrate. (002)Preferred orientation of AlN thin film has been obtained at low sputtering pressure. Also it has been shown that depostion rate of AIN thin film is affected by fraction Ar and $N_2$ partial pressure. But substrate temperature didn't affect depostion rate of AIN thin film . As sputtering pressure increased preferred orientation degraded. The internal stress changed from tensile stress to compressive stress as fraction of $N_2$ partial pressure increased. At low nitrogen partial pressure cermet$^{[1]}$ AIN thin film is obtained.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.1
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pp.8-13
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2020
Stress is the main cause of warpage failure of very thin substrates with thickness of several hundred ㎛, such as IC packages. Stress usually results from differences in crystal structures and corresponding thermal expansion coefficients when depositing different substances on a substrate. In this study, the behaviors of stress occurring in substrates were numerically analyzed by the thin-film pattern of the rectangles stacked on the substrates. First, the substrate displacement was obtained and the substrate strain and stress were obtained using it. When the tensile force is concentrated at the edge of the thin film pattern, normal and shear stresses are generated around the edge of the thin film pattern. Normal stress occurs near the edges of the thin film pattern and the vertexes. Shear stress also occurs around the edge of the thin film pattern, but unlike normal stress, it does not appear near the vertexes. It was also confirmed that the magnitude and direction of shear stress are changed around the edge. When edge forces of thin-film pattern are equal, the normal stress was about 10 times larger than the shear stress. This indicates that normal stress is the biggest cause of warpage failure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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