MEMS工艺设计中如何实现应力匹配？

残余应力一直是MEMS技术发展中的一个重要问题，MEMS 器件中的残余应力会对器件的性能以及可靠性产生重要影响。根据其产生的原因，一般可将残余应力分为本征应力和热失配应力两大类。本征应力的成因比较复杂，主要是由于晶格失配引起的，而热失配应力是由于不同材料的热膨胀系数差异引起的。  

什么是本征应力？

本征应力又称内应力，是指在室温和零外加负载的情况下，材料自身内部存在的应力，分为压应力和张应力。在MEMS薄膜材料中，表现尤为突出，当内应力在薄膜材料厚度方向分布不均匀时，会产生应力梯度。当应力梯度不足以抵抗薄膜自身的弹性模量时，薄膜会产生变形，从而带动衬底产生翘曲或薄膜与衬底分离而破裂。除了单层膜存在应力梯度，复合膜的组合应力更加值得关注。在MEMS器件中，有大量的悬膜和悬臂梁为复合膜结构，此类复合膜结构设计的关键点为对膜层的应力匹配和补偿。

图2 本征应力引起的膜层形变：非应力匹配膜层和应力匹配膜层

本征应力的产生主要是源于沉积薄膜的过程中，成膜的方法、温度、压强和速率等因素引起内部晶格失配，例如金属金（Au）薄膜采用蒸镀成膜比磁控溅射成膜具有更低的本征应力。在MEMS常用的材料中，几乎不存在本征应力为零的材料。因此，在材料制备工艺中，更多的关注点在如何制备出更低应力的薄膜。采用低压化学气象沉积（LPCVD）制备的氮化硅薄膜，通过控制温度、压强、反应气体比例和反应时间等，制备低应力SiNx薄膜需要保证富硅，即高DCS/NH3比。值得注意的是，LPCVD炉管入气口和出气口与炉管中心温度存在差异，导致同一炉SiNx薄膜应力出现大的波动，应提高中心温度降低片间应力差异。

图3 低应力氮化硅制备工艺

什么是热应力？

热应力又称热失配，是指不同材料由于热膨胀系数的差异引起的界面应力。产生热应力，必须满足两个条件，第一是有热膨胀系数差异的两种材料，第二是有温度变化。热应力在MEMS器件和使用过程中不可避免，若在MEMS器件制备和使用过程中，温度变化引起的热应力导致器件或者膜层的非弹性变形（塑性变形），则会造成器件制备的失败和使用的可靠性问题。因此，我们在MEMS制备工艺过程中，热预算是随着工艺的进程逐步降低的，高温工艺一般只出现在最前道。

相较于本征应力，热应力在某些方面是可以化敌为友的。在MEMS热敏感执行器中，基于膜层之间的热膨胀系数差来实现悬臂梁的驱动。在双层膜形成的MEMS热驱动器中，温度升高，悬臂梁会向热膨胀系数小的一侧弯曲，当温度回降，悬臂梁回到原位。

图4 热执行器（0.1088/1361-6439/ab1633/meta）

如何实现应力匹配？

MEMS工艺设计过程中，最重要的一个设计就是应力的匹配。可以说，没有合理的膜层应力匹配，制备出的MEMS器件99%是失效的。以金属悬臂梁为例，讨论应力匹配的方法。选取的材料为Cr和Au，采用磁控溅射制备的Cr薄膜，本征应力为1000MPa，热膨胀系数为4.9 e-6/°C；采用磁控溅射制备的Au薄膜，本征应力为200MPa，热膨胀系数为14.1 e-6/°C。

图5 应力匹配模型示意图

3.1 两层复合膜

Cr薄膜在下层，Au薄膜在上层，考虑本征应力引起的应力梯度，复合膜向应力大的方向，即向下弯曲；考虑热应力，Cr的热膨胀系数小于Au的，复合膜向热膨胀系数小的方向，即向下弯曲。实际工艺过程中Cr常作为Au的黏附层使用，通过分析发现本征应力和热应力都会使复合膜层变形，这对于器件的制备是非常不利的。解决方案一般为尽量降低Cr的成膜内应力和厚度，增加Au的厚度，以抵抗变形。

图6 应力匹配力学仿真

3.2 三层复合膜

Cr薄膜在下层，Au薄膜在中层，Cr在上层，即形成三明治结构。考虑本征应力梯度，复合膜向应力大的方向弯曲，即由中间Cr层同时向上下Au层弯曲，这样就实现了本征应力抵消。考虑热应力，Cr的热膨胀系数小于Au的，复合膜向热膨胀系数小的方向，即由中间Cr层同时向上下Au层弯曲，这样也实现了热应力的补偿。这里唯一要考虑的是，三明治结构，上下层应尽可能做到厚度相同，才能更好的实现本征应力和热应力的同时补偿。

图7 Au-TiW双层膜应力匹配仿真和SEM（10.1016/j.matdes.2016.06.003）

在实际的工艺设计和制造过程中，对于复合膜的使用，通过以上分析，我们明显看到奇数层组合对应力的补偿是优于偶数层的。在MEMS器件的膜层设计中，尤其涉及同时存在正负应力的情况，应考虑的是尽可能降低单层膜的应力，在所有膜层低应力的情况下，去做应力补偿和匹配是器件设计和制造成功的关键。

审核编辑：黄飞