微结构表面应力的反射差分光谱成像：技术实现与评价方法

担当关键任务的微结构的表面应力直接影响着微器件的工作性能和使用寿命。本项目拟采用反射差分光谱技术，利用光弹效应，通过测量由应力应变产生的光学各向异性信号，精确判定应力的大小及其在表面的空间分布。主要研究内容包括：1）开发具有高信号质量和较高面内二维空间分辨率的显微成像式反射差分光谱技术；2) 实验研究典型微结构在不同条件下（如不同材料、不同工艺、不同环境和不同工作状态）的反射差分光谱图像，建立与光谱图像对应的应力分布图；3) 结合计算机仿真（有限元方法）和实验数据，分析表面应力的产生原因，预测应力在器件工作中的变化规律，评价不良应力的危害程度，探讨应力测量和评价方法。研究成果将有助于优化微结构的设计，监控和改进加工工艺，检测产品质量，为微器件的规模化生产提供技术支持。

项目围绕微尺度表面表征，特别是微结构表面应力的表征，以高灵敏度反射差分光谱法为技术切入点，开展了从测量方法设计到设备样机研制，到实验测试，再到机理分析的一系列研究工作，获得了丰富的测量数据和研究结论，已达到项目的预期目的。在测量方法方面，提出了基于液晶调制器的反射差分光谱与成像测量方法，解决了旋转补偿器式反射差分光谱技术因机械转动引入的测量误差；提出了真空环境在线实时检测的差分反射光谱与成像测量方法，实现了各向同性薄膜制备过程的实时、高精度测量。在设备开发方面，成功研制基于上述方法的实验样机2套。为保证样机的高质量测量性能，一方面，采用离轴抛物镜与光学平板组合，显著缩小仪器体积，有效提高系统的光谱测量范围和长时间测量重复性；另一方面，对测量系统的核心器件特性进行了较全面的测试与分析，掌握了液晶调制器和三角棱镜的光学特性；对随机噪声，如光强跳动和探测器噪声的影响，采用数学分析确认误差传递系数的影响因素，提出了液晶式反射查分光谱仪的最优测量条件，并提出了双光路校正结构，提高了测量重复性6倍以上。在表面表征的实验测试与机理分析方面，研究了并五苯分子在SiO2和Au基底上初始生长模式，经AFM测试和膜厚仪验证，光学测试方法测得的薄膜覆盖率与AFM数据一致，光学信号增长趋势与膜厚仪数值一致，表明光谱测量方法的准确性和高精度，为研究薄膜制备工艺和薄膜生长机理提供了可行的在线测量方案；研究了基于有机薄膜的场效应管结构的电学特性与薄膜制备工艺的关联，利用显微式差分反射光谱系统并行获取了不同基底材料微区薄膜生长的光学信号，为功能微结构在线光电联合测试奠定了基础；通过离线电学测试和AFM测试发现，有机薄膜场效应管的电学特性与基底表面状况、制膜工艺和薄膜分子自身属性等紧密相关。针对拉伸应力和表面划痕作用下表面的光学测试方法，初步研究了PET薄膜在拉伸作用下，透射差分光谱的变化情况，实验表明拉伸对反射差分信号虚部的影响与薄膜厚度变化有关，而实部与膜内结构相关；初步研究了Al表面划痕结构反射差分成像图，测试表明划痕引起了表面局部光学特性的微小变化。

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