一种测量金属微结构残余应力的方法与流程

本发明属于微制造技术领域，涉及一种测量金属微结构残余应力的方法。

背景技术：

利用微电铸技术制作金属微器件的工艺过程中，在微电铸层中不可避免地会产生残余应力。较大的残余应力容易使微器件出现表面裂纹、结构变形、整体脱落等问题，这极大地降低了微器件制作的成品率和使用寿命。

MEMS金属微器件普遍具有功能性的结构设计，其最小特征尺寸在微米量级。目前，最常用的金属沉积层残余应力测量方法是X射线衍射法。但该方法只能用来测量结构尺寸大于10mm×10mm的样品，并且X射线衍射法受光束精度的影响无法进行定位测量，不能实现对微结构残余应力的分布进行研究。随着光束精度和定位系统的提高，微拉曼光谱法凭借非接触无损伤、空间分辨率高(激光光斑小至1um)、测量精度高在残余应力测量方面得到了应用。杂志Optics and Lasers in Engineering2005年，第43卷，第8期，第847-855页，利用微拉曼光谱技术测量了用电化学腐蚀法在硅基底上制备多孔硅薄膜工艺过程中产生的残余应力，对比了腐蚀区与未腐蚀区的残余应力大小以及多孔硅薄膜与硅基底界面处残余应力分布情况。杂志中国机械工程2005年，第16卷，第14期，第1292-1295页，利用微拉曼光谱技术对在标准体硅腐蚀工艺下形成的八梁支撑的微悬臂梁结构进行残余应力分布测试，其中硅的标准拉曼特征峰为520cm^-1。杂志Microelectronics Journal2007年，第38卷，第1期，第87-90页中也利用微拉曼光谱法测量了硅微悬臂梁结构的残余应力。

以上利用微拉曼光谱技术测量微结构残余应力的研究中，所研究对象的晶体结构均存在分子键。然而，金属是原子结构，不具有振动和转动自由度，金属表面电子和原子实际构成的等离子体对激光有强烈的吸收，使得其无法与内部原子相互作用，理论上微拉曼光谱法不能测量金属微器件的残余应力。但微拉曼光谱技术的空间高分辨率、直接测量应力等特点对分析微结构残余应力分布具有独特的优势。因此，借助微拉曼光谱技术建立一种能对金属微结构进行残余应力测量的方法具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种测量金属微结构残余应力的方法，将具有拉曼活性的固体颗粒进行预处理，与电铸液混合形成悬浮液进行微电铸。将固体颗粒作为应力追踪信号，通过微拉曼光谱法进行金属微结构的残余应力测量。

本发明的具体技术方案如下：

一种测量金属微结构残余应力的方法，详细的制作步骤如下：

步骤一，预处理具有拉曼活性的固体颗粒

清洗固体颗粒去除表面的悬浮碳、油污、氧化物杂质，得到表面洁净的固体颗粒。

步骤二，制作电铸悬浮液

将表面洁净的固体颗粒与表面活性剂混合润湿，并施加超声扩散；加热电铸液到电铸温度并利用水浴加热进行保温；将经过超声扩散的固体颗粒溶液缓慢倒入电铸液中，并进行磁力搅拌2-4h形成分布均匀的电铸悬浮液。

步骤三，微电铸

首先，基于UV-LIGA工艺制作光刻胶，利用掩膜板进行紫外曝光并显影，得到电铸微结构胶膜；然后在装有电铸悬浮液的电铸槽内进行微电铸。电铸液配方：氨基磺酸镍595-605g/L、氯化镍4-6g/L、硼酸30-40g/L。电铸液PH值为3.8～4.0，电铸温度为45-50℃，电流密度为1-3A/dm²。固体颗粒粒径为2-7um，含量为10-30g/L。得到外形尺寸为毫米量级，微结构最小特征尺寸在15-25um范围内的金属微结构。

步骤四，微拉曼光谱测试

选取硅片进行微拉曼测量，得到的拉曼频率作为标定仪器误差的标准频率；对步骤一预处理后的固体颗粒进行微拉曼光谱测试，得到固体颗粒无应力状态下的拉曼特征频率ω₀；对步骤三金属微结构铸层内的固体颗粒进行微拉曼光谱测试，得到固体颗粒在有应力状态下的拉曼特征频率ω₁；根据公式

(1)计算得到金属微结构残余应力值σ；其中，K为应力因子。

σ＝K×(ω₁-ω₀) (1)

本发明的效果与益处：提供了一种测量金属微结构残余应力的方法，通过添加具有拉曼活性的固体颗粒与金属进行共沉积制备金属微结构，解决了X射线衍射法无法测量金属微结构残余应力的局限性，并扩大了微拉曼光谱法在测量残余应力方面的应用范围，具有应用范围广、简单、高效的特点，从而提高金属微器件的尺寸精度和制作成品率。

附图说明

图1.金属微结构掩膜板示意图

图2.UV-LIGA工艺流程示意图

图3.微电铸示意图

图中：1金属基底；2光刻胶；3掩膜板；4紫外光；5微结构电铸胶膜；6水浴槽；7电铸槽；8电铸悬浮液；9磁力转子。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1是用于光刻的金属微弹簧掩膜板示意图，该微结构整体尺寸为3.74mm×1.14mm，其弹簧最小线宽为25um。基于附图2所示的UV-LIGA工艺流程，制作了金属微结构电铸胶膜。之后在附图3所示的微电铸设备中进行固体颗粒与金属微结构的共沉积。一种测量金属微结构残余应力的方法，其包括步骤如下：

(1)预处理具有拉曼活性的固体颗粒。首先，称取20g粒径为5um的SiC固体颗粒倒入到500ml烧杯中，用去离子水清洗固体颗粒，过滤去除表面的悬浮碳；其次，用浓度为20％的NaOH水溶液浸泡30s去除固体颗粒表面油污；最后，用浓度为18％的HCl溶液浸泡3h去除固体颗粒表面的氧化物；待HCl溶液浸泡后，用去离子水清洗反复冲洗干净防止HCl溶液残留。

(2)制作电铸悬浮液

首先，称取0.4g表面活性剂与100ml去离子水进行混合，倒入到清洗好的SiC颗粒中，进行超声扩散30min，超声功率为100W，频率为40KHz；其次，取出900ml电铸液进行加热并保温，温度为50℃；最后，将经过超声扩散的固体颗粒溶液缓慢倒入到电铸液中，并进行磁力搅拌，磁力搅拌转速为800rpm，时间为4h。

(3)微电铸

选用800ml的烧杯作为电铸槽，阴阳极间距为35mm。在电铸过程中，利用集热式恒温磁力搅拌器对电铸过程进行水浴保温和施加磁力搅拌，电铸温度为50℃，磁力搅拌转速为600rpm。电铸液配方：氨基磺酸镍600g/L、氯化镍5g/L、硼酸30g/L。微电铸镍工艺条件为：铸液PH值为4.0，电流密度为1A/dm²。SiC固体颗粒含量为20g/L。

(4)微拉曼光谱测试

首先，选取硅片进行微拉曼光谱测试，拉曼测试时采用100倍物镜放大准确定位激光照射到样品表面，激光波长为532nm，功率为1mW，光栅刻度为1800线/nm，硅的拉曼特征峰频率为521cm^-1；其次，取出少量清洗好的SiC颗粒进行微拉曼光谱测试，其拉曼特征峰频率ω₀为792.98cm^-1；最后，对金属微结构铸层中的SiC颗粒进行微拉曼光谱测试，铸层内的SiC颗粒拉曼特征峰频率ω₁为793.51cm^-1，

σ＝K×(ω₁-ω₀) (1)

SiC固体颗粒的应力因子K为-434.78，利用公式(1)得到其残余应力值σ为-253.4MPa。