MEMS薄膜基片中的工艺残余应力实验分析

摘要

工艺技术水平是目前制约大多数MEMS/NEMS设计、生产和应用的核心问题，其中工艺过程中对微器件施加的工艺应力以及工艺导致微器件的残余应力则是关系MEMS/NEMS制备成品率、稳定性、可靠性以及寿命的关键环节之一。对MEMS工艺残余应力采用高精度高空间分辨率的手段进行基于工艺时序的无损检测是当今MEMS相关领域发展的重点与难点。 本文首先简要介绍了包括微拉曼、X射线衍射和中子散射技术的基本概念和设备，并就各自测量微尺度下残余应力的主要原理和特点进行了专项讨论。此外，本文针对微拉曼和X射线衍射技术实验数据量大，谱线信息丰富，拟合工作繁琐耗时等问题，对两种技术光谱中频移、强度和展宽等所包含的信息进行了较为深入的挖掘和提炼，并开发了批量自动化提取谱线信息的数据处理软件，有效地促进和提高了采用这两种技术的实验数据分析工作的效率和精度。 本文核心工作针对一种MEMS元件-非致冷红外焦平面阵列，就其双材料悬臂梁结构的薄膜基片中工艺应力问题，应用微拉曼光谱技术并配合X射线衍射技术进行了基于工艺时序的实验研究。实验发现，双材料悬臂梁结构在薄膜基片制备过程中，在基片的两侧均产生接近GPa的残余应力。残余应力的主要部分包括因薄膜与基底热膨胀系数差异导致的温度残余应力和由Si到SiO2转化过程引入的本征应力。残余应力导致试件发生翘曲，宏观上应力分布呈线性，平面假定成立。在界面区域附近的微观尺度内，材料成分和应力分布都呈现梯度变化，梯度变化区域内位移连续，应力也连续并且遵循指数规律变化，平面假定不再成立。 本文实验和分析表明，采用微拉曼光谱技术并配合X射线衍射技术，可以实现对MEMS材料和结构工艺残余应力基于工艺时序的精密监测。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2 MEMS工艺残余应力测试的常用方法与发展现状

1.3本文主要工作

第二章 残余应力的微尺度无损检测技术

2.1拉曼光谱技术与微尺度实验力学测试

2.1.1拉曼光谱法的基本原理

2.1.2拉曼光谱与应力/应变的关系

2.1.3拉曼光谱仪

2.2 X射线衍射技术与残余应力测试

2.2.1 X射线衍射的基本原理

2.2.2 X射线与应变/应力的关系

2.2.3 X射线衍射设备

2.3中子射线检测技术

2.3.1中子射线检测的原理与设备

2.3.2中子射线检测的应用

第三章 残余应力测试实验与数据处理

3.1试件制备

3.2实验流程和设备参数设定

3.2.1微拉曼实验

3.2.2 X射线衍射实验

3.3实验数据处理的方法与软件

3.3.1 Raman谱线处理

3.3.2 Raman奇异曲线特殊处理

3.3.3拉曼计算的结果与应力的对应关系

3.3.4 X射线衍射谱线处理

3.3.5 X射线检测结果与对应应力的计算

第四章 MEMS工艺残余应力分析

4.1 MEMS器件加工工艺与残余应力

4.2硅基体热氧化SiO2薄膜的残余应力分析

4.2.1实验结果

4.2.2实验结果分析

4.3 Au/SiO2薄膜试件残余应力分析

4.3.1实验结果

4.3.2实验结果分析

4.4实验结果总结及进一步讨论

4.4.1双材料微悬臂梁基片中的工艺残余应力

4.4.2基于实验结果的进一步讨论

4.4.3关于本文工作需要进一步研究的问题

总结

参考文献

附录

致谢