《不同牺牲层材料上lpcvd氮化硅薄膜内应力的测试与研究》

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1、万方数据不同牺牲层材料上LPCVD氮化硅薄膜内应力的测试与研究——王莎莎陈兢张海霞不同牺牲层材料上LPCVD氮化硅薄膜内应力的测试与研究王莎莎陈兢张海霞北京大学微米／纳米加工技术国家重点实验室，北京，100871摘要：测量了淀积在三种不同的牺牲层材料(热氧si02、LPCVDSiO：、LPCVDPSG)上LPCVD氮化硅薄膜的应力，结果表明，不同牺牲层上淀积的氮化硅薄膜残余应力存在较大的差异。从多方面分析了残余应力差异产生的原因，实验得到的结果为器件的设计提供了更准确的依据。关键词：微机械系统；残余应力；薄膜；牺

2、牲层；氮化硅中图分类号：TN405文章编号：1004—132x(2005)sl—0449一02InternalStressMeasurementofLPCVDSiliconNitrideDepositedonDifferentSubstratesShashaWangJingChenHaixiaZhangNationalKeyLaboratoryofMicro／NanoFabricationTechnology，PekingUniversity，Beijing，100871Abstract：Theresiduals

3、tressesofLPCVDsiliconnitridefilmdepositedon3prevailingsacrificiallayers(thermaloxide，LPCVDPSG)havebeenmeasuredrespectively，andcomparedwiththatdepositeddirectlyonthesiliconsubstrate．Substantialvariationoftheinternalstresseshasbeenrevealed．Severalexplanationsha

4、vebeenillus—trated．TheresultsareofgreatbenefittothedesignofcorrespondingMEMSdevices．Keywords：MEMS；residualstress；thinfilm；sacrificiallayer；siliconnitride0引言由MEMS表面微机械加工工艺制备的薄膜往往存在不可忽视的残余内应力。对于使用表面微加工的典型微结构如悬臂梁、微桥、微膜片，薄膜内应力将直接影响器件的刚度和谐振频率等重要的静态、动态设计参数，直接影响所设计器

5、件的性能。通常认为，薄膜内应力分为热应力与本征应力，热应力是由于薄膜与衬底材料之间的热膨胀系数差异而引起的；本征应力的产生机理比较复杂，至今尚无定论，一般认为与薄膜一衬底界面晶格失配、电子密度等微观、介观物理现象有关。由此可以推断，微机械加工中薄膜的内应力应与其淀积衬底材料的特性密切相关。对于表面微机械加工工艺，同一种薄膜在不同牺牲层材料上淀积产生的内应力必然有所差异，但是这种差异还没有引起MEMS设计者的足够重视。本文通过实验，对此现象进行详细的研究。1实验设计与测试方法1．1薄膜材料的选取本实验选取了表面微机

6、械加工中常用的结构材料LPCVDSi。N；作为研究对象，对其在常用牺牲层材料热氧Si02、LPCVDSi02、LPCVD磷硅酸盐玻璃(phosphosil—icateglass，PSG)上淀积产生的内应力进行了测试与分析。各种薄膜的生长条件及厚度如表1所示。1．2测试方法在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，其挠曲程度反映了薄膜残余应力的大小，由Stoney公式决定：收稿日期：2005一03—3l基金项目：北京大学校长基金资助项目表1薄膜生长实验条件薄膜类型淀积温度(℃)膜厚(nm)热氧Si021000300L

7、PCVDSiOz720300LPCVDPSG680300LPCVDSi3N4780150E。t：⋯巩一五一6rttL1J式中，下标f和S分别代表薄膜和基底；￡为厚度；r为曲率半径；E和v分别为弹性模量和泊松比。对于多层膜结构，每一层淀积的膜都对基底施加一个单独的弯矩作用，从而使基底的曲率发生变化，且各层薄膜对基底的弯矩作用满足线性叠加原理，通过比较淀积薄膜前后挠曲程度的变化即可得到薄膜的应力值。薄膜应力测试使用的是自行研制的BGS6341型电子薄膜应力分布测试仪，该仪器使用偏移相移光干涉方法测定衬底片的曲率，通过

8、测定硅片相同区域由于薄膜内应力而引起的薄膜生长前后衬底的弯曲程度的变化，利用Stoney公式来间接测定薄膜应力。图1为应力仪测得的硅片表面的三维形变。这种方法的优点是应力测试结果与薄膜其他机械参数如弹性模量完全无关而只与基底特性相关。薄膜厚度的测量使用的是NanoSpec膜厚测试仪，在实验中每次薄膜淀积、刻蚀完成后，均对薄膜厚度做进一步测量。1．3工艺流程本实验对于淀积在