多晶硅微悬臂梁断裂失效强度的尺寸效应

　　微系统及其相关技术的研究是21世纪被普遍看好的一个崭新研究领域。在实验室,科学家在芯片上研制各种MEMS器件,应用于数据存储、细胞融合、微卫星的推进系统和核武器的微安全开关机构等多种场合,但是对“MEMS装置的失效机理及如何建立失效模型”这一问题仍未能有效解决[1]。对微观条件下的机械系统的运动规律、微小构件的物理特性和受载之下的力学行为等尚缺乏充分的认识,还没有形成基于一定理论基础之上的微系统的设计理论与方法,因此只能凭经验和试探的方法进行研究。对各种MEMS器件长期可靠性的研究还需要很多有关微构件的疲劳和断裂的基础数据,微构件的弹性系数还影响甚至决定微型传感器的静态力学特性和动态力学特性,这在某种程度上就需要更加精确的测试和评定微构件的力学特性的方法,而采用通常的方法很难得到材料特性的准确值。

　　薄膜通常具有某一个方向的尺寸远小于其它2个方向的尺寸的特征,这时其表面和界面将发生一些物理现象的变化,薄膜的电、热输运特性表现出尺寸效应,控制其力学特性的主要参量不再是其微结构,而是其尺寸的约束[2]。随着器件的不断微型化,微型系统的可靠性愈来愈重要,促使人们对尺寸效应进行研究。多晶硅薄膜是用于MEMS系统的主要材料,其厚度一般只有几μm甚至1μm以下。了解构件的尺寸对材料的弹性模量和强度的影响非常重要,目前这仍是一个未解决的问题。笔者利用纳米硬度计来研究评价试件的尺寸对其力学特性的影响。

　　1　实验方法

　　1.1　实验样品

　　实验样品在北京大学微电子所微米/纳米加工技术国家重点实验室制作。样品材料采用MEMS装置中通常采用的LPCVD多晶硅。首先采用LPCVD法在127 mm(5 inch)、(100)晶格取向的N型硅片上依次氧化(SiO2)、淀积Si3N4,然后将硅片背面的Si3N4刻蚀掉,并且将背面的SiO2腐蚀掉。用KOH腐蚀硅片,直到余下40μm厚,之后再刻蚀硅片正面的Si3N4。刻蚀完成以后,　　采用LPCVD法淀积2.4μm厚的多晶硅薄膜。在1050℃下,氮气烘1h自然冷却去应力,然后,采用SF6气体反应离子刻蚀(RIE)光刻正面结构图形。图形制作完成后,再次氧化、淀积SiO2。把背　　面的SiO2腐蚀掉,就可继续用KOH腐蚀硅片背面窗口,直到穿通。在用KOH腐蚀的过程中,硅片的正面覆盖有SiO2,因此能避免被腐蚀掉。最后,正面的SiO2用BHF腐蚀掉。这样,多晶硅微悬臂梁就制作完成,见图1。

　　1.2　测试方法

　　制造好后的硅片被切成1.5 cm×1.5 cm的小块,用胶粘结放置在1.5 cm×2.0 cm×3.0 cm的Al块上,然后把样品定位于压头下。通过纳米硬度计对微悬臂梁加载,并自动记录挠曲变形数据。实验过程中,微悬臂梁以一恒定速率挠曲。采用较高的弯曲速率和施载速率,与在基体上薄膜