MEMS薄膜基片中的工藝殘余應(yīng)力實驗分析.pdf

1、工藝技術(shù)水平是目前制約大多數(shù)MEMS/NEMS設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用的核心問題，其中工藝過程中對微器件施加的工藝應(yīng)力以及工藝導(dǎo)致微器件的殘余應(yīng)力則是關(guān)系MEMS/NEMS制備成品率、穩(wěn)定性、可靠性以及壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對MEMS工藝殘余應(yīng)力采用高精度高空間分辨率的手段進(jìn)行基于工藝時序的無損檢測是當(dāng)今MEMS相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的重點與難點。 本文首先簡要介紹了包括微拉曼、X射線衍射和中子散射技術(shù)的基本概念和設(shè)備，并就各自測量微尺度下殘余應(yīng)力

2、的主要原理和特點進(jìn)行了專項討論。此外，本文針對微拉曼和X射線衍射技術(shù)實驗數(shù)據(jù)量大，譜線信息豐富，擬合工作繁瑣耗時等問題，對兩種技術(shù)光譜中頻移、強度和展寬等所包含的信息進(jìn)行了較為深入的挖掘和提煉，并開發(fā)了批量自動化提取譜線信息的數(shù)據(jù)處理軟件，有效地促進(jìn)和提高了采用這兩種技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)分析工作的效率和精度。 本文核心工作針對一種MEMS元件-非致冷紅外焦平面陣列，就其雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)的薄膜基片中工藝應(yīng)力問題，應(yīng)用微拉曼光譜技術(shù)并配合

3、X射線衍射技術(shù)進(jìn)行了基于工藝時序的實驗研究。實驗發(fā)現(xiàn)，雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)在薄膜基片制備過程中，在基片的兩側(cè)均產(chǎn)生接近GPa的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的主要部分包括因薄膜與基底熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的溫度殘余應(yīng)力和由Si到SiO2轉(zhuǎn)化過程引入的本征應(yīng)力。殘余應(yīng)力導(dǎo)致試件發(fā)生翹曲，宏觀上應(yīng)力分布呈線性，平面假定成立。在界面區(qū)域附近的微觀尺度內(nèi)，材料成分和應(yīng)力分布都呈現(xiàn)梯度變化，梯度變化區(qū)域內(nèi)位移連續(xù)，應(yīng)力也連續(xù)并且遵循指數(shù)規(guī)律變化，平面假定不再成立。