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

什么是本征應力？

本征應力又稱內應力，是指在室溫和零外加負載的情況下，材料自身內部存在的應力，分為壓應力和張應力。在MEMS薄膜材料中，表現尤為突出，當內應力在薄膜材料厚度方向分布不均勻時，會產生應力梯度。當應力梯度不足以抵抗薄膜自身的彈性模量時，薄膜會產生變形，從而帶動襯底產生翹曲或薄膜與襯底分離而破裂。除了單層膜存在應力梯度，復合膜的組合應力更加值得關注。在MEMS器件中，有大量的懸膜和懸臂梁為復合膜結構，此類復合膜結構設計的關鍵點為對膜層的應力匹配和補償。

圖2 本征應力引起的膜層形變：非應力匹配膜層和應力匹配膜層

本征應力的產生主要是源于沉積薄膜的過程中，成膜的方法、溫度、壓強和速率等因素引起內部晶格失配，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力。在MEMS常用的材料中，幾乎不存在本征應力為零的材料。因此，在材料制備工藝中，更多的關注點在如何制備出更低應力的薄膜。采用低壓化學氣象沉積（LPCVD）制備的氮化硅薄膜，通過控制溫度、壓強、反應氣體比例和反應時間等，制備低應力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，導致同一爐SiNx薄膜應力出現大的波動，應提高中心溫度降低片間應力差異。

圖3 低應力氮化硅制備工藝

什么是熱應力？

熱應力又稱熱失配，是指不同材料由于熱膨脹系數的差異引起的界面應力。產生熱應力，必須滿足兩個條件，第一是有熱膨脹系數差異的兩種材料，第二是有溫度變化。熱應力在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力導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，熱預算是隨著工藝的進程逐步降低的，高溫工藝一般只出現在最前道。

相較于本征應力，熱應力在某些方面是可以化敵為友的。在MEMS熱敏感執行器中，基于膜層之間的熱膨脹系數差來實現懸臂梁的驅動。在雙層膜形成的MEMS熱驅動器中，溫度升高，懸臂梁會向熱膨脹系數小的一側彎曲，當溫度回降，懸臂梁回到原位。

圖4 熱執行器（0.1088/1361-6439/ab1633/meta）

如何實現應力匹配？

MEMS工藝設計過程中，最重要的一個設計就是應力的匹配。可以說，沒有合理的膜層應力匹配，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，本征應力為1000MPa，熱膨脹系數為4.9 e-6/°C；采用磁控濺射制備的Au薄膜，本征應力為200MPa，熱膨脹系數為14.1 e-6/°C。

圖5 應力匹配模型示意圖

3.1 兩層復合膜

Cr薄膜在下層，Au薄膜在上層，考慮本征應力引起的應力梯度，復合膜向應力大的方向，即向下彎曲；考慮熱應力，Cr的熱膨脹系數小于Au的，復合膜向熱膨脹系數小的方向，即向下彎曲。實際工藝過程中Cr常作為Au的黏附層使用，通過分析發現本征應力和熱應力都會使復合膜層變形，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的成膜內應力和厚度，增加Au的厚度，以抵抗變形。

圖6 應力匹配力學仿真

3.2 三層復合膜

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

圖7 Au-TiW雙層膜應力匹配仿真和SEM（10.1016/j.matdes.2016.06.003）

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

審核編輯：黃飛

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