仲　仁，趙　鋼，陳建鋒，劉光麗，劉　杰，褚家如

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

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埋氧層內(nèi)應(yīng)力對微懸臂梁加工斷裂的影響機(jī)理研究*

仲仁，趙鋼，陳建鋒，劉光麗，劉杰，褚家如

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

研究了在Smart-cut方法下制作的SOI硅片中熱應(yīng)力產(chǎn)生的來源，以及熱應(yīng)力的分布、數(shù)值和范圍。對微懸臂梁制作過程的幾個(gè)階段進(jìn)行了建模，通過仿真，探討了不同熱應(yīng)力對微懸臂梁制作過程產(chǎn)生的影響，并在ANSYS軟件中對優(yōu)化的加工工藝可行性的仿真和制作時(shí)斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了SOI中埋氧層內(nèi)應(yīng)力影響微納加工工藝的機(jī)理，特別針對內(nèi)應(yīng)力使微懸臂梁制備產(chǎn)率下降的副作用進(jìn)行了分析。研究結(jié)果在基于SOI制造的微傳感器領(lǐng)域中具有重要的作用。

MEMS；微懸臂梁；埋氧層內(nèi)應(yīng)力；微納加工工藝；ANSYS仿真

近幾年來，基于SOI硅片的微納加工技術(shù)在高靈敏度微懸臂梁傳感器制作領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多的研究[1]。為了在SOI硅片上獲得更長、更薄的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，體硅層的刻蝕工藝在微懸臂梁制作時(shí)的背面釋放過程中就顯得極為重要[2]；但由于埋氧層(BOX)中內(nèi)部壓應(yīng)力存在，而大寬厚比的單晶硅微懸臂梁也具有極弱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這致使微懸臂梁在釋放工藝步驟中產(chǎn)率較低。

通過對應(yīng)力來源進(jìn)行分析和研究，認(rèn)為熱氧化步驟是在SOI硅片的制作過程中埋氧層和體硅層間內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的主要來源。本文通過分析熱氧化應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理[3]，確認(rèn)應(yīng)力的影響變量[4]，從而建立了在不同的制備工藝流程中影響微懸臂梁的內(nèi)部壓應(yīng)力的數(shù)值模擬模型。根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)制備過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)和影響方式，并用來解釋加工微懸臂梁時(shí)產(chǎn)生斷裂的原因。

通過改進(jìn)關(guān)鍵的制造工藝——圖形化內(nèi)部BOX氧化層，微懸臂梁的制備流程達(dá)到了降低應(yīng)力的效果，微懸臂梁的產(chǎn)率提高到了95%[5]。

本文對改進(jìn)850 nm厚的微懸臂梁的制備方式做了相應(yīng)的圖形化工藝仿真分析，并結(jié)合背面刻蝕工藝原理的模型，對圖形化后的埋氧層釋放內(nèi)部應(yīng)力的效果進(jìn)行了解釋，從而驗(yàn)證了微懸臂梁該種優(yōu)化工藝的可行性。

1　微懸臂梁加工工藝及應(yīng)力分析

1.1微懸臂梁的制作工藝流程

微懸臂梁原有的工藝流程如圖1所示。微懸臂梁制作步驟為：1)步驟1為采用RIE(Reactive-ion Etching)刻蝕頂層硅得到硅懸臂梁；2)步驟2為硅懸臂梁表面熱氧化，硅層厚度減薄至0.85 μm；3)步驟3為濕法刻蝕體硅(30%KOH，70 ℃)至5 μm厚度；4)步驟4為刻蝕剩余體硅至結(jié)束，硅懸臂梁被氧化結(jié)構(gòu)保護(hù)；5)步驟5為釋放懸臂梁。

圖1　微懸臂梁原有的工藝流程

1.2應(yīng)力影響分析

在整個(gè)微懸臂梁制作的過程中，正、反兩面的光刻過程及表面圖形化過程都不會(huì)受埋氧層中的應(yīng)力所影響?？紤]制作過程中的步驟2，由于在頂層硅進(jìn)行了第2次熱氧化，使新產(chǎn)生的氧化層對梁結(jié)構(gòu)的影響無法忽略。從步驟2到步驟3的過程中，表面的氧化層做保護(hù)層，保護(hù)梁結(jié)構(gòu)不被應(yīng)力破壞。當(dāng)體硅層厚度較大(≥20 μm)時(shí)，此時(shí)受應(yīng)力的影響不大，這是由于大量體硅能夠承載主要的應(yīng)力作用，使結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生較大變形；同時(shí)，由于頂層硅被氧化層覆蓋，其中部的懸臂梁結(jié)構(gòu)上下層均受到氧化層的應(yīng)力，受力的作用相互有一定限制，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到相對平衡。因此，此時(shí)結(jié)構(gòu)在工藝過程中均能保持完好。

在步驟3中，隨著減薄的體硅層，埋氧層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力對剩余結(jié)構(gòu)的影響也越來越大。由于接觸面上的面力分布方向?yàn)橄蛲鈹U(kuò)散，所以在體硅減薄時(shí)應(yīng)力的作用是沿著梁長度方向向上擴(kuò)張埋氧層，這樣會(huì)造成上部的梁結(jié)構(gòu)向上彎曲。顯然，在懸臂梁的根部受擠壓應(yīng)力的影響最大，這也是由于梁根部沒有體硅層基底保護(hù)，結(jié)構(gòu)受力易變形的特點(diǎn)造成的。

隨著體硅層的繼續(xù)減薄，埋氧層中的應(yīng)力最終將直接作用在上部的頂層硅梁結(jié)構(gòu)中。由于該結(jié)構(gòu)中氧化硅以非晶態(tài)存在，其屬于脆性材料，屈服應(yīng)變等性能值低，因此在步驟4時(shí)極易造成懸臂梁結(jié)構(gòu)由于內(nèi)應(yīng)力作用受壓而產(chǎn)生彎曲，乃至造成整個(gè)梁的斷裂。而在SOI硅片中，由于BOX(埋氧層)的存在，氧化時(shí)內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)無法避免，因而想要得到試驗(yàn)中的高靈敏度微懸臂梁的結(jié)構(gòu)就必須承受熱氧化應(yīng)力，這也對整個(gè)微懸臂梁工藝的產(chǎn)率產(chǎn)生了極大影響。

上述分析過程簡要闡述了埋氧層應(yīng)力對微懸臂梁制作過程破裂的影響機(jī)理，為進(jìn)一步分析提供了理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，這里所考慮的因素還不夠完善，比如在體硅刻蝕減薄工藝的過程中，應(yīng)力施加在接觸面切向方向上并不是絕對均勻的，這對于類似于薄膜結(jié)構(gòu)的微懸臂梁頂層硅結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈的作用效果，因?yàn)楸∧そY(jié)構(gòu)易失穩(wěn)而造成整體結(jié)構(gòu)破裂；因此，在上述分析埋氧層破裂的模型討論中，理論還有待完善。

本文通過分析微懸臂梁制作時(shí)內(nèi)應(yīng)力來源和數(shù)值理論模型， 建立微懸臂梁整體結(jié)構(gòu)的仿真模型，并分別從背面濕法刻蝕剩余厚度的自截止性分析和圖形化釋放應(yīng)力的有限元仿真這2個(gè)方面進(jìn)行了分析。

2　內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

2.1SOI制作方法

在本項(xiàng)研究的高靈敏度單晶硅微懸臂梁的制作過程中，采用了Bonding技術(shù)制作的SOI硅片(生產(chǎn)于中國電子科技集團(tuán)第24所)，其技術(shù)原理是通過注入氫離子于硅片中，在硅的內(nèi)部形成氣泡層，再將注氫后的硅片與表面具有熱氧化二氧化硅覆蓋的硅片鍵合，最后通過熱處理使注氫后的硅沿氣泡層的截面整齊地?cái)嗔?，剩下的就是SOI硅片。在上述制作工藝中，2次熱處理是造成內(nèi)應(yīng)力的主要原因：一次熱處理是將硅片從注氫后形成的氣泡層分開得到SOI；另一次熱處理則是加強(qiáng)硅片的鍵合強(qiáng)度。

針對這種硅片的制作過程進(jìn)行內(nèi)部熱應(yīng)力分析，是建模前的一項(xiàng)重要工作，應(yīng)確定好具體的SOI材料中應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理和數(shù)值大小等特性。

2.2應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理及影響應(yīng)力大小的因素

2.2.1應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理

熱氧化是SOI制作過程中得到二氧化硅結(jié)構(gòu)必不可少的一步。通過已有文獻(xiàn)及相關(guān)研究，可以確定熱氧化也是二氧化硅結(jié)構(gòu)中內(nèi)應(yīng)力的主要來源。

在SOI制作的注氫過程中，氫離子注入到硅層后，與晶格原子的碰撞形成大量空位等缺陷?？瘴恍腿毕菖c氫結(jié)合形成復(fù)合體，在注入過程中不斷吸收周圍遷移過來的空位和氫原子，形成微氣泡和氣泡層[6]，這個(gè)氣泡層的形成是剝離得到SOI技術(shù)的關(guān)鍵。各個(gè)區(qū)域氣泡對表層硅膜的壓力是不均勻的，氣泡壓力最大的地方發(fā)生了剝離現(xiàn)象，壓力較強(qiáng)的區(qū)域形成了砂眼，而壓力較小的位置樣品表面基本沒有變化；因此為了使整個(gè)注人硅片的表層從氣泡層處完整剝離開，必須補(bǔ)償注入硅片的不均勻受力。另外，還應(yīng)將注入片與另一個(gè)支承硅片緊密地結(jié)合起來，這個(gè)支承片不僅充當(dāng)將要形成的SOI結(jié)構(gòu)的襯底，更重要的是，由于它與注入片緊密鍵合，可以補(bǔ)償注入硅片表層硅膜的不均勻形變，使注入片表層硅膜受力均勻，然后通過熱處理使注氫厚的硅沿氣泡層的截面整齊地?cái)嗔眩?形成大面積的SO材料。

由于注氫階段產(chǎn)生明顯的應(yīng)力不均，圓片上下2層的表面會(huì)產(chǎn)生明顯或不明顯的剝離層，這樣有助于得到最后的SOI結(jié)構(gòu)，但也同時(shí)造成了埋氧層與頂層硅之間的內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

2.2.2影響應(yīng)力大小的因素

由氧化理論及固體物理理論可知，對于熱氧化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的大小可以由下述幾個(gè)方面來確定。

2)自限制效應(yīng)——阻止氧化，體積增長和位置限制。當(dāng)硅和氧反應(yīng)形成二氧化硅時(shí)，消耗了硅。根據(jù)摩爾體積計(jì)算，形成厚度為D的二氧化硅需要的消耗硅厚度為0.45D。晶圓片初始表面為100晶向，表面略低于氧化層中點(diǎn)。這時(shí)由于應(yīng)力在結(jié)構(gòu)邊緣非常大，體積的變化受限于結(jié)構(gòu)表面的氧化。這存在于結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力可以確定是由晶圓片中存在的熱梯度產(chǎn)生的，又稱熱塑應(yīng)力。要確定其大小，可以認(rèn)為其襯底(體硅)是各向同性的，即剪應(yīng)力為零。徑向應(yīng)力和角應(yīng)力分量分別由下述2個(gè)公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，α是線性熱膨脹系數(shù)；E是彈性模量；R是晶圓片半徑。

而在課題所需討論的試驗(yàn)環(huán)境下，可以通過上述公式來簡單確定這種熱塑應(yīng)力產(chǎn)生的大小典型值。其中，硅的屈服強(qiáng)度可以用Haassan公式來表示。

(3)

式中，e是應(yīng)變率；e0是參考應(yīng)變率，e0一般取值為10-3/s。它的準(zhǔn)確值取決于晶圓片中氧濃度和摻雜濃度以及前面的加工工藝。式中典型的取值為A=3 630Pa，Ea=1.073eV，n=2.45。根據(jù)要求應(yīng)變的值的不同，計(jì)算所得的屈服強(qiáng)度也有很大變化，考慮懸臂梁破裂時(shí)應(yīng)變較大， 取高應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度均≤60MPa，這和熱氧化中產(chǎn)生的典型應(yīng)力值(見下)相比要小很多；因此，雖然其在溫度變化過程中產(chǎn)生的應(yīng)變效果不明顯，但對內(nèi)部存在的內(nèi)應(yīng)力影響比想象中要大得多。

3)退火——增加熱載荷。熱氧化經(jīng)常在氮?dú)庵型瓿裳趸嘶?。這一步驟增加了薄膜的密度，退火消除了一些缺陷，當(dāng)然也增加了熱載荷。由上述分析可知，共有3個(gè)步驟在SOI制作過程中誘發(fā)了熱氧化應(yīng)力的存在：a.高溫加工中注入層進(jìn)入到高溫硅片中；b.自身高溫處理的過程，如退火、片間熱傳遞及氧化過程等；c.在高溫表面剝離頂層硅。

由于埋氧層表面的溫度傳播分布相比于埋層注入過程和剝離過程是最不規(guī)則的，認(rèn)為步驟b中產(chǎn)生的應(yīng)力影響可以忽略。而對于注入這一過程，考慮到整個(gè)層都停留在高溫空間(指體硅層之間)中有過一段時(shí)間，誘發(fā)的應(yīng)力從較大單向主應(yīng)力變?yōu)榉稚⒌膬?nèi)部各向應(yīng)力值，受到了“軟化”。因此，認(rèn)為步驟c是能夠誘發(fā)最大應(yīng)力的工藝。將該步驟相關(guān)的影響因素全部列出如下[7]：a.剝離時(shí)退火的溫度；b.頂層硅剝離的速度；c.體硅層厚度及其他的幾何形狀參數(shù)。

本文在上述3種不同的影響因素——退火溫度、剝離層速率及結(jié)構(gòu)尺寸上探究熱應(yīng)力的計(jì)算，以提出應(yīng)力的數(shù)值模型，并用計(jì)算結(jié)果提供出一個(gè)在多種作用因素影響下確認(rèn)熱應(yīng)力實(shí)際值的理論手段。

熱應(yīng)力仿真過程模擬是在退火溫度為800～1 150 ℃時(shí)進(jìn)行。剝離速度分別為100、250和500mm/min。4in(1in=25.4mm)直徑的SOI硅片埋氧層處于頂層硅與體硅基底之間，埋氧層的厚度為0.1～3.0μm，頂層硅的厚度可以達(dá)到20～100μm，而基底的厚度選擇在200μm。

在典型的氧化環(huán)境下，即當(dāng)退火溫度和剝離速度都取環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的最大值(如1 150 ℃和500mm/min)時(shí)，可以通過ANSYS軟件計(jì)算得到各相對應(yīng)力最大的數(shù)值。代入SOI硅片厚420μm，頂層硅與埋氧層厚度分別為1.13和1μm，所得熱氧化應(yīng)力3個(gè)方向的主應(yīng)力和切應(yīng)力的數(shù)值如下：

(4)

從數(shù)值結(jié)果可以看出，取不同主應(yīng)力方向產(chǎn)生的熱氧化的應(yīng)力最大值約為300MPa，與用薄膜層應(yīng)力分析所得的結(jié)果260MPa[8]相當(dāng)。通過研究這樣在典型條件下分析的應(yīng)力數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)， 面擴(kuò)散應(yīng)力主要方向與晶向無對應(yīng)關(guān)系，所以在接觸面內(nèi)均有大小接近的應(yīng)力值293MPa，這也相當(dāng)于分布在接觸面上有一個(gè)約為300MPa的膨脹力。而在接觸面的法向方向上，之所以應(yīng)力非常小，是因?yàn)楣柙谘趸^程中四周固支而向上可以自由擴(kuò)散，因此，自限制效應(yīng)和體積增長都不會(huì)限制其產(chǎn)生位移，從而減小了應(yīng)力。

這也可以解釋為何在硅層內(nèi)部氧化時(shí)得到的氧化應(yīng)力一般約為500MPa[9]，大于這里的單方向無限制熱氧化應(yīng)力值。

3　仿真結(jié)果分析

3.1懸臂梁仿真模型設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對高靈敏度測試的應(yīng)用場景，微懸臂梁要求應(yīng)具有超薄、大寬厚比和高品質(zhì)特點(diǎn)。本文選取了為磁共振力顯微鏡(MRFM)探測單電子自旋而設(shè)計(jì)的懸臂梁，結(jié)合試驗(yàn)條件，由SOI硅片確定懸臂梁的設(shè)計(jì)參數(shù)為500μm×10μm×1μm。該結(jié)構(gòu)在加工過程中非常容易遭到破壞，因而必要對其力學(xué)特性進(jìn)行研究，根據(jù)其內(nèi)應(yīng)力分布的狀態(tài)了解其變化規(guī)律。

為了理解內(nèi)部壓應(yīng)力對基于SOI硅片制備的單晶硅懸臂梁的影響，筆者應(yīng)用ANSYS仿真軟件進(jìn)行了仿真。考慮到微納器件制作時(shí)的工藝兼容性和可靠性[10]，懸臂梁主體是由SOI頂層硅在氧化后通過濕法各向異性刻蝕所得的結(jié)構(gòu)，因此，其外部形狀可以確定。

仿真的懸臂梁是由一個(gè)完整的單晶硅主體貼附于BOX埋氧層上，并覆蓋有氧化后的頂硅層。按照以往的試驗(yàn)結(jié)果，所制備的懸臂梁寬度和長度分別為10和465μm，厚度為0.85μm。而使用的SOI硅片上頂層硅和BOX層厚度是1.13和1μm。在ANSYS軟件建模中，幾何建模、網(wǎng)格劃分及整個(gè)懸臂梁的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型采用符合規(guī)模的SolidShell單元，F(xiàn)ree四邊形網(wǎng)格劃分方式。

圖2　懸臂梁模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分圖

基于熱氧化應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，每個(gè)硅懸臂梁的應(yīng)力作用均獨(dú)立，因此，其仿真模擬過程也將相互獨(dú)立，只需要考慮單根梁模型。模型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力數(shù)值都采取了實(shí)際SOI硅片制備及懸臂梁制備工藝參數(shù)下產(chǎn)生的典型應(yīng)力值[11]，即退火溫度和剝離速度都取環(huán)境中的真實(shí)值，分別為1 150 ℃和500mm/min，其數(shù)值結(jié)果見上文和式4中數(shù)值。

3.2濕法刻蝕剩余厚度分析

在實(shí)際制備試驗(yàn)中，濕法刻蝕的釋放過程往往帶來了BOX層薄膜失穩(wěn)，最終造成懸臂梁斷裂的后果，這是由在BOX層的內(nèi)部壓應(yīng)力作用引起的。模型在內(nèi)應(yīng)力下懸臂梁的最大位移、第一主應(yīng)力和最大應(yīng)變相對于濕法刻蝕時(shí)體硅層剩余厚度的變化情況如圖3所示。

圖3　　　　最大位移、第一主應(yīng)力及最大應(yīng)變與體硅層厚度的對應(yīng)曲線

固定其他參數(shù)不變，考察在體硅層從200 μm逐步減小到5 μm時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的分布。通過玻爾茲曼方程和指數(shù)方程擬合來描述仿真模擬結(jié)果，其仿真的數(shù)據(jù)見表1。

表1　仿真數(shù)據(jù)與玻爾茲曼和指數(shù)擬合結(jié)果

由上述仿真結(jié)果可以得出，隨著體硅層逐步減薄，其內(nèi)部最大位移和內(nèi)應(yīng)力均產(chǎn)生非線性增長。尤其是減小至20 μm以下，其應(yīng)變值在懸臂梁根部和埋氧層內(nèi)部有最大值。由于埋氧層中的非晶態(tài)二氧化硅是公認(rèn)的脆性材料，其拉伸變形機(jī)理由文獻(xiàn)[12]所述，因此采用第二強(qiáng)度理論(即內(nèi)部最大應(yīng)變值)來分析。由于此時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變已經(jīng)超過了二氧化硅塊體中拉伸行為的極限應(yīng)力值，內(nèi)部原子構(gòu)型變化產(chǎn)生空洞，并隨著應(yīng)變增大而空洞逐漸擴(kuò)大，最后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而直接被破壞。

參照非晶態(tài)二氧化硅拉伸變形的曲線可知，在先不考慮尺寸效應(yīng)的情況下，要使結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生空洞，應(yīng)變值最大需要控制在約為0.1。通過玻爾茲曼方程和指數(shù)方程的擬合結(jié)果，可以找到需要體硅層維持在22.3 μm以上厚度，才能使埋氧層結(jié)構(gòu)不會(huì)由于某一處應(yīng)變過大而產(chǎn)生破壞。

在試驗(yàn)中工藝制備的高寬厚比情形中，懸臂梁整體結(jié)構(gòu)還會(huì)受到尺寸效應(yīng)的影響，薄膜結(jié)構(gòu)中相同的應(yīng)變值會(huì)帶來更大的結(jié)構(gòu)破壞；因此，ANSYS軟件所得到的參數(shù)(濕法刻蝕的截止厚度)還會(huì)與試驗(yàn)結(jié)果有一定出入。假設(shè)按照上述分析的結(jié)果進(jìn)行制作工藝，體硅層完全釋放到自截止性參厚度前就停止?jié)穹涛g的過程，可以在控制應(yīng)力影響的情況下繼續(xù)進(jìn)行剩下的工藝，最后再統(tǒng)一釋放懸臂梁。這樣得到的懸臂梁產(chǎn)率將會(huì)得到保證，懸臂梁也能通過應(yīng)力剛化而提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

從仿真結(jié)果可以看出，在現(xiàn)有工藝下，懸臂梁內(nèi)部的最大應(yīng)力值均不會(huì)達(dá)到氧化硅和硅的斷裂強(qiáng)度。這表明結(jié)構(gòu)如果能通過改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在懸臂梁根部不會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)變值，這樣尺寸的懸臂梁結(jié)構(gòu)本身是能抵抗破壞的，這也為接下來的工藝優(yōu)化指明了方向。

3.3圖形化優(yōu)化工藝及仿真分析

埋氧層圖形化方案的工藝流程與原有工藝流程的主要區(qū)別在于步驟2中實(shí)施了埋氧層圖形化，將梁陣列中原本相連接的結(jié)構(gòu)分離開。每根梁單獨(dú)被氧化層包圍，因而在步驟3中刻蝕體硅時(shí)，在殘留體硅層厚度允許下，梁結(jié)構(gòu)此時(shí)所受的應(yīng)力由于硅層的表面結(jié)構(gòu)面積減小而減小，其余梁結(jié)構(gòu)以外的面積上應(yīng)力則由于上層沒有硅結(jié)構(gòu)而被釋放，這樣就對懸臂梁起到了減少受力的作用。刻蝕體硅至結(jié)束時(shí)，懸臂梁應(yīng)僅受到上、下2個(gè)氧化層中應(yīng)力的作用，其上、下受力作用效果相互限制。通過上述對工藝流程的分析，此時(shí)在梁長度方向所受的應(yīng)力作用面為硅梁水平截面，并在上、下2個(gè)氧化層的共同限制下，應(yīng)力數(shù)值相對于原有工藝會(huì)大大減?。灰虼嗽趫D形化的工藝下，埋氧層內(nèi)部應(yīng)力施加于頂層硅的效果就能大大減小，從而最終可以釋放出完整的梁結(jié)構(gòu)。

利用ANSYS軟件建模，進(jìn)行圖形化釋放應(yīng)力的有限元仿真。在具有完整埋氧層結(jié)構(gòu)的制備工藝下，體硅層剩余厚度為5 μm時(shí)懸臂梁的應(yīng)變、位移和應(yīng)力分布圖像如圖4所示?；谙嗤琒OI硅片和相同環(huán)境及工藝參數(shù)下，使用改進(jìn)埋氧層圖形化工藝制備后懸臂梁的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布圖像如圖5所示。

圖4　具有完整埋氧層結(jié)構(gòu)制備工藝下應(yīng)力及形變分布圖

圖5　改進(jìn)埋氧層圖形化工藝下應(yīng)力及形變分布圖

由圖4和圖5可以明顯看出，原有工藝下懸臂梁結(jié)構(gòu)變化更為顯著，而埋氧層圖形化工藝下懸臂梁結(jié)構(gòu)得到了更好地保存，其最大主應(yīng)力的位置也從根部轉(zhuǎn)移到了梁的中部，最大應(yīng)變則從梁的根部分散到了兩端。比較2組數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，圖形化后的最大位移約為原有工藝下最大位移的48.94%，最大應(yīng)力僅為原來的16.77%，最大應(yīng)變值為原來的43.45%。這樣的仿真結(jié)果可以與上述對工藝流程的分析相互得到解釋，并與加工試驗(yàn)中的結(jié)果相互驗(yàn)證。

4　結(jié)語

本文通過理論探究懸臂梁的內(nèi)應(yīng)力來源，與對懸臂梁制作過程的建模仿真結(jié)果分析，全面展示了SOI埋氧層內(nèi)應(yīng)力對懸臂梁結(jié)構(gòu)制備時(shí)的影響機(jī)理，這在基于SOI硅片生產(chǎn)的微型傳感器的領(lǐng)域中起到了重要的作用。本文所述的內(nèi)應(yīng)力影響機(jī)理分析方式也將有助于提出一些新的方法，以減少生產(chǎn)各類微納米器件時(shí)由內(nèi)應(yīng)力引起的副作用。

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*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205375)

責(zé)任編輯鄭練

Research of Mechanism of Buried Oxide Layer Stress Impact on the Micro-cantilever Processing Breakage

ZHONG Ren, ZHAO Gang, CHEN Jianfeng, LIU Guangli, LIU Jie, CHU Jiaru

(Department of Precision Machinery and Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Report the source that thermal stress generates, and in particular, determine the distribution, the value and the range of the stress in silicon-on-insulator (SOI) wafer made from smart-cut method. Explore the effect under the presence of different thermal stress during micro cantilever producing progress by simulation, involving the modeling of different fabrication of cantilevers. ANSYS emulation of the feasibility accordingly and verification of breakage is done in different fabrication process. Systematically study the mechanism of how SOI buried oxide layer stress influence the micro-fabrication progress, especially on the cantilever structure. The results play an important role in the area of micro-sensor based on SOI production.

MEMS, micro-cantilever beam, BOX internal stress, micro-nano fabrication process, ANSYS simulation

TP 212

A

仲仁(1991-)，男，碩士研究生，主要從事微懸臂梁制作及特性等方面的研究。

2016-04-28