埋氧層應(yīng)力對微懸壁梁加工斷裂的影響機理研究.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，這致使懸臂梁在釋放工藝步驟中產(chǎn)率較低。本文中針對于MRFM磁共振力顯微鏡中的關(guān)鍵器件微懸臂梁進行研究，測量單電子自旋力的能力使其對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，驗證圖形化工藝對內(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，主要進行了以下幾個方面的工作:
　　(1)對微懸臂梁加工中埋氧層破裂機理進行了分析，包括對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理，并將其應(yīng)用于本論文研究的背景下。簡述了對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，針對解決應(yīng)力效應(yīng)的加工技術(shù)進行了闡述。
　　(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)計了懸臂梁模型，針對背面濕法刻蝕體硅

5、層剩余厚度的截止參數(shù)工藝進行建模分析。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理。根據(jù)脆性材料斷裂理論和仿真數(shù)據(jù)的處理，進行了體硅層厚度優(yōu)化設(shè)計和埋氧層圖形化工藝優(yōu)化設(shè)計。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)計對照驗證實驗。
　　本文全面展示了SOI埋氧層內(nèi)應(yīng)力對懸臂梁結(jié)構(gòu)制備時的影響機理，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)力影響機理分析方式也將有