单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试

　　1　引　　言

　　微电子机械系统(MEMS)是基于微电子和微机械的有机集成,集约了各学科前沿领域研究的新技术、新成果,和纳米科学技术(NST)一起被列为21世纪关键技术[1]。该系统微器件及其间隔之间的尺寸处于微米量级,材料呈现显著的尺寸效应[2-3]。目前,微电子机械系统的制造工艺相对超前于基础理论,主要的微细加工有表面加工、体加工和LIGA等[4]。利用现有工艺可以加工出多种微传感器和微执行器[5]。但是,各种微器件有机结合成真正意义上的MEMS,还有相当的难度,如何建立MEMS等效机构的失效模型的问题尚未得到有效解决[6-7]。人们对微观条件下MEMS器件的运动规律、物理特性和受载之下的力学行为尚缺乏充分的认识[8],只能靠传统方法进行试探性研究。已有实验表明,研究人员采用多种技术测定微结构的材料性能[9-12],但是,MEMS材料力学性能的研究远远不能满足人们的需要,这成为整个微电子机械系统进一步发展的“瓶颈”,因此需要大量的研究以建立完善的基本数据库。单晶硅具有良好的晶体结构因而机械性能高,还具有多种优异的传感特性,如压电效应、霍尔效应等。单晶硅微细加工技术成熟,是MEMS最基本、最常用的材料,并被广泛地应用于微装置中,因此有必要对单晶硅的力学特性进行研究[13]。通过单晶硅微桥式梁的弯曲测试,计算出单晶硅弹性模量、硬度和弯曲强度等多种力学性能参数及其尺寸效应,为硅微构件的可靠性设计提供基本的数据。

　　2　微桥式梁试件加工

　　试件采用LPCVD和光刻等微细加工技术,原材料选用厚度为300μm的硅片。双面抛光硅片(电阻率ρ=10Ω·cm),清洗(硫酸∶过氧化氢=3∶1煮沸),采用LPCVD法在(100)晶格取向的N型硅片双面顺序氧化(SiO2,约800nm)、淀积(Si3N4,约100nm),双面光刻(涂胶,压版,显影,坚膜,腐蚀氧化层,去胶),用EDP(邻苯二酚,乙二胺和水的溶液)腐蚀硅至所需厚度,然后清洗(硫酸∶过氧化氢=3∶1)。在用EDP腐蚀的过程中,温度约为110℃,腐蚀速率约0.8μm/min,硅片的正面覆盖有热氧化层,因而能避免被腐蚀掉,最后用HF酸腐蚀掉氧化层。这样,单晶硅微梁就制作出来了(如图1、图2所示)。加工工艺流程如图3所示。共加工了6种尺寸的试件,厚度为20μm的微梁对应的长/上宽分别为:1000/60(试件A)、780/45(试件B)、360/30(试件C)μm,厚度为6μm的微梁对应的长/宽分别为240/25(试件D)、178/20(试件E)、150/16(试件F)μm。

　　3　微梁的弯曲测试

　　单晶硅微桥式梁的弯曲测试采用纳米压痕法,在跨度中间处梁的上表面沿宽度中点垂直向下施加载荷。压头选用Berkovich标准金刚石压头,其形状为三棱锥,三个侧面与底面之间的夹角相同(65.3°),因此压痕为等边三角形。高弹性模量和高硬度的金刚石特性使得压头本身在试件位移测试中的微弱变形可以忽略不计。