激光激发超声表面波技术因其具有快速、无损、定量等突出优点,被广泛应用于测量薄膜的杨氏模量、厚度、粘附性等性质。声表面波技术利用表面波在分层结构中传播时的频散现象,通过将实验频散曲线与理论频散曲线簇相匹配,从而表征薄膜的各种机械性质。在以前的研究中,使用格林函数和矩阵法计算表面波的理论频散曲线,忽略了薄膜中的残余应力以及薄膜表面和界面粗糙度。因此本文对表面波无损检测技术中的残余应力和粗糙度进行了深入的研究,拓展了声表面波技术的应用范围,提高了表面波技术的可靠性。基于声弹性理论,建立了表面波在分层结构中传播的残余应力模型,得到了表面波在不同残余应力下的理论频散曲线。利用激光激发超声表面波测量系统,对一组二氧化硅薄膜的残余应力进行了测量,并与基底曲率法测量结果进行对比,验证了建立的残余应力模型的正确性以及声表面波法表征薄膜残余应力的可行性。重点研究了残余压应力和残余拉应力对声表面波法无损表征薄膜机械性质的影响。研究发现,对于二氧化硅薄膜,残余拉应力对杨氏模量表征的影响小于5%,可以忽略;当薄膜厚度为1000 nm,残余压应力为-400 MPa时,表面波沿Si[110]和[100]晶向传播时,残余应力对表面波法表征薄膜杨氏模量的影响分别达到3.9%和5.36%。通过大量数值分析,得到了理想理论计算模型的适用范围,以及理想理论模型测量的杨氏模量的修正公式,以减小残余应力对表面波法测量的影响。此外,发现表面波沿Si[110]晶向传播时,残余应力对测量的影响小于表面波沿Si[100]晶向传播时的影响。利用蒙特卡洛法,通过改变均方根高度和相关长度两个关键参数,模拟了不同粗糙程度的随机表面。通过有限元法,建立了表面波传播的粗糙模型,通过模态分析,计算得到不同粗糙表面和界面对频散曲线和杨氏模量测量的影响。结果表明,在现有工艺水平下,表面和界面粗糙度对表面波法表征二氧化硅薄膜和low-k薄膜杨氏模量的影响分别小于0.5 GPa和0.05 GPa,可基本忽略。