MEMS薄膜基片中的工藝殘余應力實驗分析.pdf

1、工藝技術水平是目前制約大多數(shù)MEMS/NEMS設計、生產和應用的核心問題，其中工藝過程中對微器件施加的工藝應力以及工藝導致微器件的殘余應力則是關系MEMS/NEMS制備成品率、穩(wěn)定性、可靠性以及壽命的關鍵環(huán)節(jié)之一。對MEMS工藝殘余應力采用高精度高空間分辨率的手段進行基于工藝時序的無損檢測是當今MEMS相關領域發(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的基本概念和設備，并就各自測量微尺度下殘余應力

2、的主要原理和特點進行了專項討論。此外，本文針對微拉曼和X射線衍射技術實驗數(shù)據(jù)量大，譜線信息豐富，擬合工作繁瑣耗時等問題，對兩種技術光譜中頻移、強度和展寬等所包含的信息進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，有效地促進和提高了采用這兩種技術的實驗數(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構的薄膜基片中工藝應力問題，應用微拉曼光譜技術并配合

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