14、微机电系统检测的光谱技术应用

微机电系统检测的光谱技术应用

1. 引言

光谱技术在微电子领域有着广泛应用，包括X射线光电子能谱（XPS）、光谱椭偏仪（SE）、双光束光谱（DBS）、高分辨率电子能量损失谱（HREEL）、俄歇电子能谱（AES）、拉曼光谱（RS）和布里渊散射（BS）等。这些技术主要用于材料分析、薄膜厚度测量和机械分析等。本文着重介绍这些光谱技术在微机电系统（MEMS）研究中的应用。

2. 拉曼光谱（RS）

2.1 原理

RS是一种无损光学分析技术，通过激光与气体、流体或固体中的分子或晶格振动模式相互作用，测量其振动频率。晶格振动（声子）与单色光相互作用，会产生一阶反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射。拉曼散射效率与拉曼张量、入射光和散射光的偏振矢量有关。

拉曼光谱的频率和数量是材料的独特指纹，可用于样品识别和结晶度分析。对于MEMS分析，拉曼峰频率对机械应变的依赖性是其重要特性。通过监测样品不同位置的频率变化，可以获得“应变图”。在某些情况下，如硅的单轴应力或双轴应力，应力与拉曼频率的关系为线性：
- 单轴应力：$s (MPa) = -435\Delta w (cm^{-1})$
- 双轴应力：$s_{xx} + s_{yy} (MPa) = -435\Delta w (cm^{-1})$
其中，$\Delta w$ 是拉曼频率相对于无应力值的偏移。

2.2 仪器

经典的RS仪器设置包括：激光发出的单色光聚焦在样品上，波长可从紫外到红外。光通过两个滤波器F1和F2，F1用于阻挡激光的等离子线，F2用于降低激光功率。偏振器P控制入射光的偏振。测量模式有宏观RS和微观RS（µRS），微观R