1.1 研究背景
近年來，人們逐漸意識到節能減碳的重要，提倡使用節能燈泡取 代傳統燈泡，其中以發光二極體(light emitting diode, LED)最為省電，
在照明的運用上扮演重要角色。
LED 的磊晶製程可分為液相磊晶法(liquid-phase epitaxy, LPE)、
分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)及氣相磊晶法(chemical vapor deposition, CVD)三種。LPE 製程速度快，但產品品質不穩定，
良率不高。MBE 可精準控制磊晶厚度，生產速度慢不適合量產。CVD 能夠精確控制組成物與大量生產，是目前生產 LED 的主要方法。因 為LED 製程導入的前置物種類包含金屬有機物，上述 CVD 製程稱為 金屬有機化學氣相磊晶法(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)。
為了獲得高品質的磊晶成品，曲率量測及應力估算已成為一重要課題。
溫度、反射率的量測方法已發展完備，故本研究將只著重晶圓曲率的 量測。
1.2 文獻回顧
1.2.1 應力量測之文獻
1959 年，Finegan 與 Hoffman [2]以牛頓環(Newton’s ring)法觀察 到試片表面非等向應力的干涉條紋。考量蓋玻片擁有較佳的平整度及 厚度，在真空中沉積鐵薄膜於圓形蓋玻片，薄膜應力足以使得基板發 生彎曲。分別如圖 1.2 與 1.3 所示，等向性應力作用會造成圓形干涉 條紋，非等性應力分佈則會呈現橢圓形干涉條紋。
1982 年，Rossnagel et al [3]改良牛頓環架構，以幾何光學原理達 成快速量測的目的，實驗裝置如圖1.4 所示。將薄膜沉積在圓形蓋玻 片上，表面變形近似拋物面，取代牛頓環實驗裝置中的球面鏡，投影 至屏幕之成像隨著試片凹凸，放大或縮小，可計算變形量。
1969年，Klokholm [4]曾利用微電子天平(electronic microblance) 測量一端固定類似於懸臂梁(cantilever beam)結構的石英棒變形量，連 續地量測鍍膜中結構的變形，並求得薄膜內應力與曲率，此方法具有 架構簡單與在原位(in-situ)量測的優點，但基板必須能夠導電。
1988年，Aoki et al [5]以圖1.5所示之光學系統，將一束氦氖雷射 經過一個分光鏡，形成兩束相互垂直的光線，一束垂直入射晶圓表面，
另一束水平入射夾45度之平面鏡，使垂直入射晶圓表面。由晶圓表面 反射光投影至屏幕後，量測兩光點距離，由光路的幾何關係推估變形 與薄膜應力。若試片表面無法反射雷射，則需在試片表面鍍上反射 層。
1990 年，Sahu et al [6]提出一種新的光電技術，實驗架構參考圖 1.6 所示，將長方型玻璃基板一端固定，使用電化學反應在基板鍍上 一層氫化鈀造成基板彎曲，電鍍過程中採用位置感測元件(position sensitive detector, PSD)，量測雷射光入射翹曲基板後的角度偏移量，
估算鍍膜上的應力，具有架構簡易之優點。
1977 年，Sinha et al [7]設計如圖 1.7 所示之光槓杆法(Laser levered reflection method)裝置，以水平移動之雷射光入射於加熱盤上 的基板，翹曲的基板會使得屏幕上的光點產生變化，測量曲率估算矽 基板上介電層(dielectric film)的熱應力及本質應力。
1966年，Ennos [8]以麥克森干涉儀量測基板偏移量並對不同薄膜 材料、多層薄膜進行應力量測。1975年，Rőll、Hoffmann [9]將麥克 森干涉儀架構安裝於真空腔體中，並計錄溫度變化下薄膜應力釋放的 條紋變形。
2001年，Tien et al [10]採用如圖1.8所示之相位移式太曼-格林 (Twyman-Green)干涉儀，在已知熱膨脹係數、楊氏係數及蒲松比的 BK-7與Pyrex玻璃基板上沉積薄膜，薄膜沉積完成後透過加熱板改變 溫度，利用相位變化量測面外位移量，再使用Stoney的應力公式計算 應力，繪製應力與溫度的關係圖計算出薄膜應力、熱膨脹係數。
1.2.2 薄膜應力之文獻
1858 年，Gore [11]發現在電鍍銻(antimony)的過程會有極度不穩 定的狀態，很容易因為振動或局部熱應力造成破壞，主張因內外聚合 力(cohesive tension)的不相等，在正負電極處會發生外凸與內凹的現 象。
1877 年，Mills [12]發現以化學反應鍍於溫度計底部的金屬薄膜
具有應力，使得溫度計內的水銀上升，且薄膜超過一定厚度很容易剝 落，並針對不同沉積時間與材料分析。
1909 年，Stoney [13]在鋼尺鍍上一層鎳(nickel)薄膜作為試片，量 測鋼尺彎曲變形的位移量，依據力及力矩平衡關係，推導出薄膜應力 公式。之後有關薄膜的應力量測或分析，多以Stoney [13]的薄膜應力 公式為準，進行薄膜應力的計算與改良。
1993 年，Riet [14]根據基板的位移量推導非等向性的薄膜應力，
將應力應變關係代入平衡方程式，將座標軸旋轉至主力矩 (principle moment)平面，由於基板無外力作用，主力矩平面的力及力矩必須自 我平衡(self banlance)，求解出主力矩平面的應力。
1.3 內容簡述
薄膜應力量測之文獻，第二章為理論說明，包含薄膜應力產生原因與 薄膜應力推導。第三章則為雙光束系統量測原理與實驗架構。第四章 則為實驗量測與結果討論，包括機器視覺、系統校正與量測穩定性的 討論，第五章則為結論與未來工作展望。