曲率半径法测量薄膜应力研究.pdf

2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 曲率半径法测量薄膜应力研究 刘奎，苑伟政，马炳和，邓进军，姜澄宇 (西北工业大学微／纳米系统实验室，陕西西安710072) 摘要：微机械薄膜应力对MEMS器件的性能有较大影响，开展薄膜应力的广泛 研究是必须的。针对微型薄膜传感器的薄膜应力的产生、基片曲率半径测量方法 和影响因素进行研究，并且研究薄膜应力在曲率半径测量方法条件下与基底材料 和成膜材料厚度特性之间的误差曲线关系，总结针对微型薄膜传感器的薄膜应力 的测量和控制方法，提供微型传感器的器件结构和微细加工工艺设计依据。 关键词：薄膜应力、传感器、厚度比 中图分类号：TP212 MEMS器件中涉及到的应力会对MEMS器应力和外应力。其中对单层膜的O，¨其计 件的性能产生重要的影响，国内外针对薄 算方法表示为： 膜应力的精确测量开展了大量的研究工 E， 玉 (2) 作，主要研究集中在对薄膜应力的产生分 Oth=÷【。(呸一口r)dr 卜’jyf^ 析和测量方法研究上…。 广泛开展针对MEMS技术制造的微型薄 其中，E，和Y，是膜的杨氏模量和泊松 比，a。和Q，分别为基底和膜的热膨胀系 膜器件的薄膜应力的测量方法和计算方法 的研究，对其薄膜应力的控制研究以及对 数，T，为室温，T。为膜沉积时的基底温度。 微型传感器性能和器件稳定性有非常重要 由于一般蒸发薄膜的疏松结构，其密度不 的意义。 同于相应的体材料密度，这些参数与体材 本文针对薄膜应力的产生机理进行分 料也不完全一致，因此在运用计算时需要 考虑。 析，结合曲率半径法测量薄膜应力的原理 和实验装置，建立薄膜一基底两层误差分析 程开甲【2J等指出内应力起源于薄膜与 基底材料的表面电子密度差，例如彼此不 模型，对Stoney公式及其衍生方法测量薄 膜应力的误差问题展开研究，得到薄膜应 同的晶格参数，是界面电子密度连续条件 的必然结果。薄膜和基底在界面附近两端 力的一般分析模型，同时得到薄膜应力在 为了使电子密度达到一个相等的值，就会 Stoney公式的假设满足与否条件下的计算 误差，为薄膜应力的控制和低应力工艺的 在界面处产生较大的应力。而外应力o。则 研究提供参考依据。 大都是由薄膜外部附加的使用条件引起 1薄膜应力的产生机理 的。 从薄膜应力的成因可见，应力的大小 薄膜应力是在生长过程中以及成膜后 老化过程中逐步形成和发展的。一般来说， 与膜依附的基底、薄膜材料的类型、纯度、 物体所承受的应力主要来自于材料内的缺 薄膜的沉积技术、沉积参数(如基底温度 陷和施加在物体上的外力，前者称为内应