多晶硅微电子机械构件材料强度尺寸效应研究

　　1　引言

　　微电子机械系统的研究是机械科学的前沿领域,涉及电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。在微型机械中,由于表面积与体积之比相对增加,表面效应增强,其对微构件的作用力分析不同于宏机械构件间的受力分析,在宏机械研究中忽略的一些因素在微机械中必须考虑。另外,当构件缩小到一定的尺寸范围时,将出现材料强度随试件几何尺寸变化而变化的现象———强度尺寸效应,材料内部缺陷减少,因而材料的机械强度显著增加,微构件的弹性模量、抗拉强度、断裂韧度、疲劳强度以及残余应力均与大构件不同,材料性能和构件的力学行为将发生很大变化。表面效应和尺寸效应使得微机械中许多物理现象与宏观世界有很大的不同,这就向微小尺寸体系的物理研究提出了一些急需回答的问题和挑战[1]。

　　材料的力学特性对微器件的工作性能有很大影响。在进行微机械设计时,由于缺乏有关微构件材料力学特性的基础数据,没有一个有效的设计准则。正因如此,关于微构件材料力学性包括弹性性能、残余应力、蠕变、屈服、粘弹特性以及失效特性的研究越来越受到重视[2]。由于微构件尺寸很小,其力学特性的测量理论和方法尚存在不少问题。目前,已发展了一些用于评价微构件材料力学特性的方法,如纳米压痕法[3,4]、纳米硬度计弯曲法[5]、压力破坏法、谐振频率法[6]、AFM(原子力显微镜)弯曲法[7]以及纯拉伸法。但针对微机械构件的力学特性测量还没有形成统一的试验标准和规范,各种不同的方法得到的微构件的力学性能参数相差很大。本文利用纳米硬度计压痕法和电磁驱动微拉伸法对多晶硅微构件的弯曲强度和拉伸强度进行研究,以便获得可靠的设计数据。

　　2　实验方法

　　2.1　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76.2 mm、(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,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1 050℃下氮气烘1小时自然冷却去应力,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,多晶硅微悬臂梁和微拉伸构件就制作完成,如图1所示。