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引言随着MEMS加工工艺的发展
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微机电系统材料特性检测技术
作者:廖峰 石庚辰
一、引言
随着MEMS 加工工艺的发展,微机电系统的材料特性引起了人们越来越多的关注。由于硅
晶材料的残余应力会降低MEMS 系统结构的使用寿命,频繁的冲击会对器件造成致命的伤
害。因此,测量加工工艺造成的残余应力和应变,测试材料的疲劳强度对于MEMS 加工工
艺的发展有着重要的意义。
二、 微机构材料应力的检测
微结构构件发生损坏主要是由于各种微观和宏观应力(热应力、薄膜应力、晶格失配应力、
机械应力、灌封应力等)集中造成的。在应力集中区域,腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为
剧烈。因此,应力变形状况,特别是导致损伤的临界应力变形状况便成为评价微结构构件强
度和可靠性的一个重要依据。因此为了及时准确地找出最大机械应力变形区域,就必须开发
出同其相关联的检测方法和手段。目前,微结构材料应力特性检测主要包括X 射线衍射法、
悬臂梁法、圆片法和谐振频率法。
X 射线法原理:薄膜内部应力会对硅的面间距离产生影响,将单晶硅面间距离d0 与多晶硅
薄膜比较,可发现有表1 中所列关系,采用X 射线衍射法可以求出单晶硅面间距离d0 和多
晶硅面间距离d,从而可以求出薄膜应力。
悬臂梁法原理:将长方形薄膜衬底一端固定,形成一个悬臂梁,当梁发生弯曲时,表1 中公
式成立,可根据公式求出薄膜应力。
圆片法原理:此法主要是针对用CVD 法生长的多晶硅膜,当应力作用时会对膜的圆衬底产
生碗底状形变,量测出曲率半径R ,可根据表1 所列公式求出内部的薄膜应力。
表1 应力测试方法公式及其说明
应力计算公式 符号说明
X 射线衍 σ: 薄膜内应力
射法 µ: 衬底的泊松比
E: 衬底的弹性模量
d0: 单晶硅面间距
离
d: 多晶硅面间距离
悬臂梁法 σ: 薄膜内应力
E: 衬底的弹性模量
B: 衬底厚度
µ: 衬底的泊松比
h: 薄膜厚度
l: 薄膜长度
δ: 变形量
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圆片法 σ: 薄膜内应力
E: 衬底的弹性模量
B: 衬底厚度
µ: 衬底的泊松比
h: 薄膜厚度
R: 圆薄膜曲率半径
谐振频率法原理:对于均质等截面的悬臂梁,其自由振动的一阶固有频率fR 与弹性模量E
的关系为:
(1)
其中:l—悬臂梁长度;
h—梁厚度;
ρ—材料密度;
E—弹性模量。
残余内应力使梁受轴向应力σ作用,受轴向应力的梁其频率方程为:
(2)
λ1 和λ2 满足以下关系:
(3)
(4)
其中:ω— 固有频率;
e—应变,e=s/E ;
A—梁截面面积;
I—惯性矩;
λ1 和 λ2 —应变波波长。
因此,当已知弹性模量E ,并测得梁的一阶固有频率后,通过以上几式可求出应变e,然后
根据s=eE 可求出应力。
谐振频率的测量装置如图1 所示。
三、微机构薄膜——应变检测
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随着MEMS 系统的微型化,传统的应变测试方法已不能满足测试要求,因此有必要采用新
的测试方法。
目前,测试
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