微桥法研究低应力氮化硅力学特性及误差分析

　　1　引言

　　氮化硅作为微机械和微电子领域中最重要的材料之一,广泛应用在微电子机械系统(micro-electro-me-chanical system, MEMS)、硅集成电路和光电领域。氮化硅薄膜在器件中通常被用来作为掩蔽层、结构层以及保护层。特别是作为结构层和保护层时,其力学特性将直接影响器件 的设计、模拟以及最终的机械性能。因此,准确地测量氮化硅薄膜的力学性能,具有非常重要的意义。

　　微机械非金属薄膜材料一般都是脆性材料,并且尺寸很小,因而很难利用常规方法去研究其力学性能。近年来,人们提出了一些新的测试方法来研究微机 械薄膜材料的力学性能,例如微单轴拉伸法[1]、鼓膜法[2,3]、共振频率法[4]及微梁挠曲法[5],还有微桥法。微桥法是利用装备有楔形压头的纳米 压入仪检测微桥中心处位移—载荷曲线的一种方法。与其他方法相比,微桥法综合利用MEMS和纳米压入仪的优点,因而具有更好的适用性,①利用MEMS技 术,工艺简单,容易批量制备标准化样品。②不存在微样品的装配和夹持问题。③可用简单的验则来检验微桥样品是否具有非弹性行为。④采用高精密的纳米压入仪 进行测试,测量精度高,操作相对简单,数据重现性好。⑤便于原位(On-chip)检测,可以将测试结构与功能芯片集成在同一块硅片上。

　　迄今为止,氮化硅薄膜的弹性模量数据相当分散,也很少有弯曲强度方面的数据。为此,用微细加工技术制备低应力LPCVD(low pressure chemical vapour de-posited)氮化硅微桥,并在纳米压入仪中对其位移—载荷曲线进行检测。同时为了保证弹性模量这一参数是由试样的弹性变形范围内得出的,提出一 种简单的弹性验则,并根据该验则剔除实验中那些具有非弹性行为的微桥。根据考虑衬底变形贡献的微桥挠度解析表达式,以最小二乘法对其实验曲线进行拟合,并 结合微桥横截面的形状,通过对大量结果的统计分析,得到低应力LPCVD氮化硅的弹性模量、残余应力和弯曲强度等力学参数。同时,探讨影响拟合结果的各种 因素及其相对误差之间的关系。

　　2　实验

　　氮化硅微桥是由体微机械加工工艺制备的。先在电阻为3Ω·cm~8Ω·cm的p型 (100)硅片的上下表面生长一层低应力LPCVD氮化硅薄膜,生长温度为840℃,生长压力22.7 Pa,气体流量比为SiCl2H2∶NH3=6∶1。经双面光刻和等离子体干法刻蚀、KOH湿法腐蚀后,即得到氮化硅的微桥阵列(见图1)。微桥的尺寸 为,厚度0.506μm,宽度6μm~24μm,长度30μm~120μm。将氮化硅微桥置于Nano Indenter II’s纳米压入仪系统中,由计算机控制楔形压头在微桥中心处进行加载。该纳米压入仪的载荷及位移的分辨率都很高,分别为76 nN和1 nm。楔型压头的宽度为30μm。图2为加载示意图。