本文深入解析兩類應(yīng)力的形成機(jī)制，揭秘從工藝優(yōu)化（如LPCVD參數(shù)調(diào)控）到材料設(shè)計的全鏈條應(yīng)對策略，并探討如何將熱應(yīng)力“化敵為友”，為高可靠性MEMS器件的研發(fā)提供關(guān)鍵理論支撐。

殘余應(yīng)力一直是MEMS技術(shù)發(fā)展中的一個重要問題，MEMS 器件中的殘余應(yīng)力會對器件的性能以及可靠性產(chǎn)生重要影響。根據(jù)其產(chǎn)生的原因，一般可將殘余應(yīng)力分為本征應(yīng)力和熱失配應(yīng)力兩大類。本征應(yīng)力的成因比較復(fù)雜，主要是由于晶格失配引起的，而熱失配應(yīng)力是由于不同材料的熱膨脹系數(shù)差異引起的。

圖 應(yīng)力失配懸臂梁SEM

什么是本征應(yīng)力？

本征應(yīng)力又稱內(nèi)應(yīng)力，是指在室溫和零外加負(fù)載的情況下，材料自身內(nèi)部存在的應(yīng)力，分為壓應(yīng)力和張應(yīng)力。在MEMS薄膜材料中，表現(xiàn)尤為突出，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力在薄膜材料厚度方向分布不均勻時，會產(chǎn)生應(yīng)力梯度。當(dāng)應(yīng)力梯度不足以抵抗薄膜自身的彈性模量時，薄膜會產(chǎn)生變形，從而帶動襯底產(chǎn)生翹曲或薄膜與襯底分離而破裂。除了單層膜存在應(yīng)力梯度，復(fù)合膜的組合應(yīng)力更加值得關(guān)注。在MEMS器件中，有大量的懸膜和懸臂梁為復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，此類復(fù)合膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點為對膜層的應(yīng)力匹配和補(bǔ)償。

圖 本征應(yīng)力引起的膜層變形：非應(yīng)力匹配膜層和應(yīng)力匹配膜層

本征應(yīng)力的產(chǎn)生主要是源于沉積薄膜的過程中，成膜的方法、溫度、壓強(qiáng)和速率等因素引起內(nèi)部晶格失配，例如金屬金（Au）薄膜采用蒸鍍成膜比磁控濺射成膜具有更低的本征應(yīng)力。在MEMS常用的材料中，幾乎不存在本征應(yīng)力為零的材料。因此，在材料制備工藝中，更多的關(guān)注點在如何制備出更低應(yīng)力的薄膜。采用低壓化學(xué)氣象沉積（LPCVD）制備的氮化硅薄膜，通過控制溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)氣體比例和反應(yīng)時間等，制備低應(yīng)力SiNx薄膜需要保證富硅，即高DCS/NH3比。值得注意的是，LPCVD爐管入氣口和出氣口與爐管中心溫度存在差異，導(dǎo)致同一爐SiNx薄膜應(yīng)力出現(xiàn)大的波動，應(yīng)提高中心溫度降低片間應(yīng)力差異。

圖 低應(yīng)力氮化硅制備工藝

什么是熱應(yīng)力？

熱應(yīng)力又稱熱失配，是指不同材料由于熱膨脹系數(shù)的差異引起的界面應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力，必須滿足2個條件，第一是有熱膨脹系數(shù)差異的兩種材料，第二是有溫度變化。熱應(yīng)力在MEMS器件和使用過程中不可避免，若在MEMS器件制備和使用過程中，溫度變化引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致器件或者膜層的非彈性變形（塑性變形），則會造成器件制備的失敗和使用的可靠性問題。因此，我們在MEMS制備工藝過程中，熱預(yù)算是隨著工藝的進(jìn)程逐步降低的，高溫工藝一般只出現(xiàn)在最前道。

相較于本征應(yīng)力，熱應(yīng)力在某些方面是可以化敵為友的。在MEMS熱敏感執(zhí)行器中，基于膜層之間的熱膨脹系數(shù)差來實現(xiàn)懸臂梁的驅(qū)動。在雙層膜形成的MEMS熱驅(qū)動器中，溫度升高，懸臂梁會向熱膨脹系數(shù)小的一側(cè)彎曲，當(dāng)溫度回降，懸臂梁回到原位。

圖 熱執(zhí)行器（引用doi：0.1088/1361-6439/ab1633/meta）

如何實現(xiàn)MEMS工藝過程中的應(yīng)力匹配？

MEMS工藝設(shè)計過程中，最重要的一個設(shè)計就是應(yīng)力的匹配。可以說，沒有合理的膜層應(yīng)力匹配，制備出的MEMS器件99%是失效的。以金屬懸臂梁為例，討論應(yīng)力匹配的方法。選取的材料為Cr和Au，采用磁控濺射制備的Cr薄膜，本征應(yīng)力為1000MPa，熱膨脹系數(shù)為4.9 e-6/°C；采用磁控濺射制備的Au薄膜，本征應(yīng)力為200MPa，熱膨脹系數(shù)為14.1 e-6/°C。

圖 應(yīng)力匹配模型示意圖

兩層復(fù)合膜情況：

Cr薄膜在下層，Au薄膜在上層，考慮本征應(yīng)力引起的應(yīng)力梯度，復(fù)合膜向應(yīng)力大的方向，即向下彎曲；考慮熱應(yīng)力，Cr的熱膨脹系數(shù)小于Au的，復(fù)合膜向熱膨脹系數(shù)小的方向，即向下彎曲。實際工藝過程中Cr常作為Au的黏附層使用，通過分析發(fā)現(xiàn)本征應(yīng)力和熱應(yīng)力都會使復(fù)合膜層變形，這對于器件的制備是非常不利的。解決方案一般為盡量降低Cr的成膜內(nèi)應(yīng)力和厚度，增加Au的厚度，以抵抗變形。

圖 應(yīng)力匹配力學(xué)仿真

三層復(fù)合膜情況：

Cr薄膜在下層，Au薄膜在中層，Cr在上層，即形成三明治結(jié)構(gòu)。考慮本征應(yīng)力梯度，復(fù)合膜向應(yīng)力大的方向彎曲，即由中間Cr層同時向上下Au層彎曲，這樣就實現(xiàn)了本征應(yīng)力抵消。考慮熱應(yīng)力，Cr的熱膨脹系數(shù)小于Au的，復(fù)合膜向熱膨脹系數(shù)小的方向，即由中間Cr層同時向上下Au層彎曲，這樣也實現(xiàn)了熱應(yīng)力的補(bǔ)償。這里唯一要考慮的是，三明治結(jié)構(gòu)，上下層應(yīng)盡可能做到厚度相同，才能更好的實現(xiàn)本征應(yīng)力和熱應(yīng)力的同時補(bǔ)償。

圖 Au-TiW雙層膜應(yīng)力匹配仿真和SEM（引用10.1016/j.matdes.2016.06.003）

在實際的工藝設(shè)計和制造過程中，對于復(fù)合膜的使用，通過以上分析，我們明顯看到奇數(shù)層組合對應(yīng)力的補(bǔ)償是優(yōu)于偶數(shù)層的。在MEMS器件的膜層設(shè)計中，尤其涉及同時存在正負(fù)應(yīng)力的情況，應(yīng)考慮的是盡可能降低單層膜的應(yīng)力，在所有膜層低應(yīng)力的情況下，去做應(yīng)力補(bǔ)償和匹配是器件設(shè)計和制造成功的關(guān)鍵。

圖 單層膜應(yīng)力儀測試數(shù)據(jù)