埋氧層應(yīng)力對(duì)微懸壁梁加工斷裂的影響機(jī)理研究.pdf

1、最近幾年以來，基于SOI硅片的微納加工技術(shù)——尤其在高靈敏度微懸臂梁傳感器制作領(lǐng)域，已經(jīng)得到了越來越多的研究。為了在SOI片上獲得更長更薄的懸臂梁結(jié)構(gòu)，體硅層的刻蝕工藝在懸臂梁制作時(shí)的背面釋放過程中就顯得極為重要。但由于埋氧層(BOX)中內(nèi)部壓應(yīng)力存在，大寬厚比的懸臂梁又具有極弱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這致使懸臂梁在釋放工藝步驟中產(chǎn)率較低。本文中針對(duì)于MRFM磁共振力顯微鏡中的關(guān)鍵器件微懸臂梁進(jìn)行研究，測(cè)量單電子自旋力的能力使其對(duì)懸臂梁的靈敏度提出

2、了很高的要求。其中微懸臂梁的長度要求大于300μm，厚度要求低于1μm，而寬度為10μm。
　　為了定量地分析埋氧層應(yīng)力在弱結(jié)構(gòu)的懸臂梁制作工藝中起到影響作用，驗(yàn)證圖形化工藝對(duì)內(nèi)部壓應(yīng)力的釋放效果，需要首先分析獲得埋氧層應(yīng)力產(chǎn)生的來源，探究其破壞作用規(guī)律和圖形化工藝釋放應(yīng)力規(guī)律后，根據(jù)研究所得規(guī)律優(yōu)化基于SOI的微懸臂梁制作方案，最終探索埋氧層應(yīng)力對(duì)其他傳感器制作的影響。
　　研究工作主要采取使用理論分析和有限元模擬仿真兩種

3、研究手段，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)對(duì)微懸臂梁加工中埋氧層破裂機(jī)理進(jìn)行了分析，包括對(duì)原有工藝流程中破裂過程的分析、埋氧層應(yīng)力作用的方式和脆性材料的拉伸斷裂機(jī)理，并將其應(yīng)用于本論文研究的背景下。簡述了對(duì)埋氧層圖形化工藝的思路和其整體流程的分析，探討其中應(yīng)力作用的影響變化方式，針對(duì)解決應(yīng)力效應(yīng)的加工技術(shù)進(jìn)行了闡述。
　　(2)研究了埋氧層應(yīng)力產(chǎn)生的來源?？紤]不同SOI硅晶片的制作方法和其內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生因素，由硅材料的

4、非均勻氧化理論出發(fā)，研究埋氧層內(nèi)應(yīng)力;分析影響內(nèi)應(yīng)力的影響因素，以此得到其內(nèi)應(yīng)力的表達(dá)方式和在不同條件下的數(shù)值理論模型。
　　(3)討論了內(nèi)應(yīng)力在不同條件的影響因素下，建立的數(shù)值理論模型的情況。在不同的退火溫度、頂層硅的剝離速度及SOI圓片尺寸的影響因素下，所得的SOI材料及最終的懸臂梁模型的內(nèi)應(yīng)力大小均有符合理論的變化情況。
　　(4)使用有限元仿真手段，建立了埋氧層內(nèi)應(yīng)力的仿真模型。設(shè)計(jì)了懸臂梁模型，針對(duì)背面濕法刻蝕體硅

5、層剩余厚度的截止參數(shù)工藝進(jìn)行建模分析。用以印證埋氧層應(yīng)力在懸臂梁制作工藝中的斷裂影響機(jī)理。根據(jù)脆性材料斷裂理論和仿真數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行了體硅層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)和埋氧層圖形化工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后根據(jù)埋氧層應(yīng)力模型所得仿真結(jié)果，優(yōu)化了基于SOI的微懸臂梁制作方案，設(shè)計(jì)對(duì)照驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
　　本文全面展示了SOI埋氧層內(nèi)應(yīng)力對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)制備時(shí)的影響機(jī)理，這在基于SOI硅片生產(chǎn)的微型傳感器的領(lǐng)域中起到重要的作用。本文所述的內(nèi)應(yīng)力影響機(jī)理分析方式也將有