拉曼光谱应用于硅微悬臂梁的应力特性测试

　　0　引言

　　微结构上的应力分布不均匀是导致MEMS器件失效的重要原因之一。应力分布特性是影响微传感器件可靠性的关键因素之一[1],作为微传感器关键部件的敏感微结构上的应力分布特性更是值得深入研究。基于硅工艺的微悬臂梁是一类很重要的微结构,该类微结构常用作压阻式传感器的敏感结构[2]。硅微悬臂梁结构上应力分布特性受各种加工工艺以及本身结构的影响。

　　目前,微加工过程中最常用的测试应力的方法是利用应力测试仪[3]。应力测试仪主要是基于对加工前后薄膜形变的测量来推算薄膜的应力。依据对形变测量方法的不同,应力测试仪可以有很多种类型,但各种方法所获取的基本上都是薄膜或者是材料的平均应力。对于宽度、厚度只有十几微米乃至几微米的微梁结构的应力测试,这种方法显然有所欠缺。

　　本文介绍一种利用拉曼散射光谱对硅微结构实现应力分布特性测量的方法。与应力测试仪不同,利用该方法可以实现微结构上微米级微区应力的分布特性测试。拉曼散射光谱的应用起源于20世纪80年代,其应用主要集中在对材料的识别、对晶格缺陷的测试以及对材料应力的测试[4,5]。文献[6]对拉曼光谱应用于微结构应力特性测试进行了研究工作。随着MEMS技术的发展,微器件的可靠性问题日渐突出,近年来拉曼散射光谱在微结构应力分布特性方面的应用受到广泛重视[7],因此开展此方面的研究具有重要的意义。

　　1　拉曼光谱应力测试方法

　　1.1　测量原理

　　当硅晶体受到内应力时,其散射的拉曼光谱相对于其本征频率会发生频移。相对于晶体的不同晶面(110)、(111)、(100),其相对拉曼频移和应力之间的关系可以表述如下[8]:

　　当硅晶体本征频率力?=520cm-1时,可以得到(100)晶面上内应力和相对拉曼散射频移之间的关系方程:

　　利用上式算得的结果中,“+”表示应力为张应力、“-”表示应力为压应力。

　　1.2　误差估计

　　本实验应用514.5nm波长的Ar+激光器激发微结构样品,使用50倍的物镜对激光进行聚焦,利用拉曼散射光谱仪及其软件分析拉曼光谱,测试仪器见图1。测试微结构应力主要误差源有以下两种:①拉曼频移对周围环境十分敏感(温度、压力、振动等);②入射激光的聚焦无法完全对准。利用RENISHAW拉曼散射光谱仪进行微区应力测试时的不确定性最大相对拉曼散射频移为±0·02cm-1,相应地,(100)晶面按式(4)来估计,其应力的不确定性为±10MPa左右。图2为误差分析图。

　　2　微悬臂梁制作