MEMS薄膜应力研究

　　1　引　　言

　　通过微电子技术和LIGA技术等方法,微电子机械系统( Micro-Electromechanical System,简称MEMS)在微芯片中集成了机械可动元件,使其具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、抗冲击能力强及易于大批量生产的特点,在汽车、生命科学、航空航天、信息科学等领域得到空前发展。微悬臂梁作为MEMS机电耦合的关键元件,在MEMS中起着关键作用。然而在　　实际生产中,发现微悬臂梁的废品率很高[1～3]。本文根据微悬臂梁加工工艺,分析了薄膜应力对微悬臂梁的影响;在不同的工作状态下,建立了薄膜应力的力学方程;通过仿真,发现当加工温差落在某些温差段时,微悬臂梁刚度存在奇异值,已不符合小变形理论。从而提出薄膜应力是MEMS悬臂梁产生废品的因素之一的观点;并提出了改善措施。

　　2　微悬臂梁薄膜应力分析

　　硅经过切片、研磨、抛光后送入淀积反应炉内,通过常压化学汽相淀积(简称CVD)或等离子化学汽相淀积(简称LPCVD),按MEMS设计要求在硅片上淀积金属薄膜,再缓慢取出,形成满足要求的微悬臂梁。当硅片从炉内缓慢取出时,由于炉子的内、外温差较大,硅片所受的温度应力必须考虑。金属的热膨胀系数大于硅,导致其收缩量也大于硅。因此,金属薄膜受拉的温度应力,硅受压的温度应力。硅同金属薄膜之间不同方向的温度应力,导致微悬臂梁产生薄膜应力。图1为微悬臂梁受薄膜应力简化示意图。

　　由力平衡条件可得,N1=2N2,悬臂梁受力情况为超静定问题。金属膜和硅的热膨胀系数不同引起悬臂梁长度差为:

　　α1、α2分别为硅和金属膜的热膨胀系数,Δt是淀积炉内、外温差。硅和金属膜分别在压力Nt和拉力N2作用下,压缩、伸长量分别为:

　　3　薄膜应力对微悬臂梁刚度的影响

　　由MEMS具体工作分析可知,微悬臂梁有两种工作状态。微悬臂梁未撞到固定极板的动态为自由状态;微悬臂梁撞到固定极板的状态为约束状态。下面从两种状态分别分析薄膜应力对微悬臂梁刚度K1、K2的影响。

　　3.1　自由状态的悬臂梁刚度

　　图2所示为悬臂梁自由状态工作示意图,纵坐标为悬臂梁挠度。根据MEMS的功能不同,F可能是驱动力(执行元件)或激励力(检测元件),本文按外力讨论。

　　悬臂量受外F和因温差而引起的Ni力作用,弯矩方程为:

　　弹性小变形挠曲线方程为:

3.2　约束状态的悬臂梁刚度

　　图3所示为悬臂梁约束状态工作示意图,纵坐标为悬臂梁挠度。