在半导体材料与工艺领域，薄膜应力是一个重要的研究课题。物体因外因（如受力、湿度、温度场变化等）变形时，内部各部分会产生相互作用的内力，单位面积上的内力即应力。其中，同截面垂直的是正应力或法向应力，同截面相切的是剪应力或切应力。 当薄膜沉积在基体上时，会产生一定程度的应变，根据薄膜对基体施加的力，可分为拉应力和压应力。拉应力使膜受力向外伸张，基板向内压缩，薄膜表面下凹；压应力则使薄膜表面外凸。拉应力可能导致薄膜破裂或剥离，压应力可能使薄膜卷曲或起泡。
残余应力是制造过程中，样品受工艺因素影响后，在这些因素消失后仍存在的压力或应力。从能量作功角度看，外力超过物体承受能力时，物体会发生塑性变形并存储能量，外力消失后，因内部应力分布不均，能量释放。物体脆性决定其释放能量的表现，低脆性物体缓慢变形，高脆性物体可能形成裂纹。
薄膜的应力来源主要有外部应力、热应力和内应力。外部应力源于外部力量，热应力因基板和薄膜热膨胀系数不匹配产生，内应力由薄膜和基板材料特性决定，与薄膜微观结构和分子沉积缺陷等有关。薄膜之间的界面以及薄膜与基板边界的相互作用十分关键，这取决于制备工艺。 应力的存在与应力集中是材料和结构失效的主要原因。研究材料的应力分布及应力状态下的物理性质，既能预防工程应用中的损坏或失效，又能合理利用有益的物性改变来增强材料机械性能。因此，分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有重要的理论研究与实际应用价值，而应力测试方法是实现这一价值的必要手段。 薄膜应力测试方法主要包括机械法、干涉法和衍射法三大类。晶圆应力通常通过测量晶圆弯曲程度推算，这种方法称为曲率法。机械法和干涉法属于曲率法，它们通过测量基体受应力作用后弯曲的程度来估算薄膜应力。机械法假设薄膜应力均匀，通过测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值来求得实际薄膜应力的估计值；干涉法则利用测量基片弯曲曲率的激光宏观变形分析法（包括激光干涉法和激光束偏转法）来测量薄膜应力。衍射法则通过测量薄膜晶格常数的畸变来评估薄膜应力，如 X 射线衍射法，基于晶格变形原理，通过分析 X 射线的衍射角度和强度来计算薄膜应力。 不同的测量方法各有优缺点。X 射线分析法精度，但设备成本较高；激光干涉法精度次之，成本相对较低；激光束偏转法精度，但操作简便。选择合适的方法取决于具体的测试需求和条件。 除了上述常见方法，还有其他测量薄膜应力的方法。例如悬臂梁法，将基体一端固定，另一端悬空形成悬臂梁，薄膜沉积后基体受应力作用弯曲，通过激光照射悬臂梁自由端上的一点，测量薄膜沉积前后反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。牛顿环法利用基体镀膜后薄膜产生的弯曲面与一参考平面形成的干涉条纹（牛顿环）来测量，通过测量牛顿环间距与条纹数推算基体的曲率半径，再根据相关公式求出残余应力值。干涉仪相位移式应力测量法使用 Twyman - Green 干涉仪，通过 CCD 获得欲测量的薄膜曲面与由 PZT 控制的参考平面的干涉图，并转化为数字信号进行计算，利用相的位移求出镀膜前后的基体曲率半径，从而得到薄膜应力值。
X 射线衍射法是一种无损定量化方法，能准确比较残余应力大小，对保障产品质量和安全至关重要。X 射线衍射仪通过测量晶面间距的变化来评估材料中的应力或应变，由于 X 射线只能穿透材料表层，主要测试表层应力状态，通常视为二维应力状态。若要测量材料内部的残余应力或应力梯度，需要使用剥层法，即逐层剥离样品，测量每层表面应力，并使用算法扣除因剥层引起的应力松弛，以获得各层的真实应力。 拉曼光谱法也是一种测量薄膜应力的方法。当激光照射到薄膜样品上时，会产生拉曼散射光，薄膜中的应力会影响分子的振动模式，导致拉曼光谱的峰位、峰宽和峰强发生变化，通过分析这些变化可得到薄膜中的应力信息。该方法具有非破坏性、高分辨率和对样品要求低等优点，适用于各种薄膜材料的应力测量。 此外，还有一些其他的测量方法。薄膜应力测试仪采用非接触激光扫描的方式测量晶圆在镀膜前后曲率的变化，再利用相关公式计算薄膜应力。部分设备具备三维翘曲（平整度）、薄膜应力、纳米轮廓、宏观缺陷成像等检测功能，采用结构光反射成像方法测量晶圆的三维翘曲分布，通过翘曲曲率半径测量来推算薄膜应力分布。高低温冲击法将薄膜样品放入实验设备中，进行高温和低温的循环交替，观察薄膜在温度变化过程中的应力变化情况，例如高温调到 100 度，低温调至零下 40 摄氏度，高低温循环交替若干次。拉力测试法适用于测量薄膜的拉伸性能相关的应力情况，将裁好的膜料固定在机器两端，然后拉伸直到断裂，可测出力、断裂力等参数。摆格测试法将薄膜表面用刀子划成横竖交叉的田字格，再用 3M 胶带进行拉扯，观察薄膜的附着力和应力情况。 综上所述，薄膜应力的研究有助于深入理解薄膜的生长机制、微观结构与性能之间的关系，为新材料的开发和应用提供理论基础，同时也为力学、材料科学等领域的研究提供实验数据和研究手段，促进相关学科的发展。
