（固体力学专业论文）MEMS薄膜元器件在力热耦合作用下的性能测试与数值分析.pdf

中文摘要 薄膜基底系统在信息科学以及微电子机械系统技术( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 中有着十分重要的地位。薄膜中常会 有压或拉的残余应力，因此薄膜基底结构通常是工作在残余应力和热应力 以及外加应力的联合作用下。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类 则是屈曲、散裂。薄膜的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命。 由于m e m s 的工作环境极为复杂，通常受到热、力等多场耦合作用， 所以多场耦合下薄膜基底二元系统的研究极为重要。本文根据m e m s 工作 环境，开发了力位移自动控制加载系统。该加载系统由计算机控制，通过 一对p z t 对试件进行力和位移的加载。同时，利用温度控制系统进行温度 加载。 本文主要研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的a l 薄膜，在残余应 力和外加轴向载荷以及循环热载荷的共同作用下的破坏过程。使用一台光 学显微镜观测膜层表面的形貌及其变化。进行了轴向压力载荷试验，并记 录了薄膜的破坏过程。为了模拟膜层在复合工况下形成屈曲变形，在试验 中对试件施加外部单轴压缩载荷与热循环载荷，测量了铝质薄膜不同压应 力下的热疲劳特性。 利用数字图像技术对m e m s 压力传感器的热变形进行了初步研究，测 量了m e m s 传感器表面的热变形场和应变场。 关键词：纳米尺度薄膜m e m s 数字图像相关有限元力热耦合热疲劳 a b s t r a c t t h ef i l m s u b s t r a t es 仇l c t u r ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a sw e l la sm e m st e c h n o l o g y ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m , m e m s ) t h e r ew i l l b et h ec o m p r e s s i v eo rt e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e si nt h ec o m p o n e n t sw i t hf i l r n s u b s t r a t e s t n l c t u r e i nf a c t ，t h ef i l m s u b s t r a t es t r u c t u r ei su s u a l l ys u b j e c t e di nt h ef i e l d so f r e s i d u a ls t r e s sc o m b i n e dw i t ht h e r m a ls t r e s sa n dt h em e c h a n i c a ll o a d i n g o n eb r o k e n m o d eo ft h e s ef i l m si st h ef r a c t u r ef a i l u r e b u c k l i n ga n ds p a l l a t i o nc a na l s om a k ef i l m b e c o m ei n v a l i d d e f o r m a t i o na n dd a m a g eo ff i l mi nt h en a n o s c a l ew i l la f f e c ti t s p e r f o r m a n c ea n ds e v e rt i m e m e m sw o r k si nc o m p l e xw o r ke n v i r o n m e n t ，u s u a l l yi nc o u p l i n gf i e l dw h i c hh a s t h ei m p a c to ft e m p e r a t u r e ，p o w e r , m e c h a n i c a ll o a d i n g 。s ot h es t u d yo ff i l m | s u b s t r a t e s y s t e mi nt h ec o u p l i n gf i l e di sv e r yi m p o r t a n t s p e c i m e nw a sd e s i g n e dt os i m u l a t em e m sc o m p o n e n t si ne x p e r i m e n t a n a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ed i s p l a c e m e n ta n df o r c ew a sd e v e l o p e d s o 嬲t oa p p l y p r e c i s er e m o t ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l e db yp c t w op z ti su s e dt oa p p l y d i s p l a c e m e n ta n df o r c ei n t h i ss y s t e m a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw a s d e v e l o p w h i c hc a na p p l yt h e r m a ll o a d i n ga c c u r a t e l y t h em e c h a n i c a la n dt h e r m a l p r o p e r t i e so fm o n o l a y e rf i l m sw e r em e a s u r e da n dc h a r a c t e r i z e dw i t hd i f f e r e n t c o m p r e s s i o n t l l i sp a p e rf o c u s e do nt h ed e s t r u c t i o np r o c e s so ft h i na 1f i l md e p o s i t e do np m m a s u b s t r a t e s ，w o r k i n gw i t hr e s i d u a ls t r e s s ，u n d e ra x i a ll o a da n dt h e r m a ll o a dc y c l i n g 1 1 1 ec h a n g e so ft h es u r f a c ew e r eo b s e r v e db yu s i n ga no p t i c a lm i c r o s c o p ef 2 0 0 0 x ) 1 1 1 ea x i a lf o r c ea n dt h e r m a lf a t i g u et e s tw a sc a r d e do u tw i t ht h ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m n ed e s t r u c t i o np r o c e s so ft h ef i l mw a sa l s or e c o r d e d i no r d e rt os i m u l a t et h e f i l mb u c k l i n gi nc o m p o s i t ec o n d i t i o n s ，t h es p e c i m e nw a sd e f o r m e dt ou n i a x i a l c o m p r e s s i o na n dt h e r m a lc y c l i n gl o a d i n g t h i sp a p e rs t a r t e dap r e l i m i n a r ys t u d yt o t h e 衄a ld e f o r m a t i o no fm e m sp r e s s u r es e n s o rb ym a k i n gu s eo fd i g i t a li m a g e c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y , m e a s u r e dt h et h e n n a ld e f o r m a t i o na n ds t r a i nf i e l do ft h e s u r f a c eo fm e m ss e n s o r k e yw o r d s ：n a n os c a l e ，m e m s ，d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n , f m i t ee l e m e n t m e t h o d ，m e c h a n i c a l t h e r m a lc o u p l e df i e l d ，t h e r m a lf a t i g u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爰即中签字日期：w 刁年f 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：爱f 自砷 签字同期：7 年月y 日 导师签名：乏绷 签字r 期：年月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米薄膜力一热性能研究现状及意义 近代电子工业迅猛发展，集成度上升，集成系统功能更新迅速，微电 子封装工艺及其可靠性的提高，都给力学提出了一系列的重大问题：例如 薄膜、基底等复合微电子材料的力学行为与细微力学；相关的应力分析、 失效分析与破坏防止对策；热疲劳过程与器件寿命估计；微电子结构设计 中力学优化；电子器件与薄膜基底的强度与韧度的测量与标定等。 复合微电子组件( 薄膜，基底，封装) 生产过程中，由于热学与力学 参量的失配，薄膜在各种成型工艺过程中的加热冷却，引起了残余热应力； 集成电路( i c ) 与集成系统( i s ) 在使用过程中的发热引起的热应力和交变 热循环引起了热疲劳，以及使用过程中引起的性能退化和老化，都是导致 i c 和i s 失效的重要原因。 从8 0 年代起，微电子元器件开始从基本上的单层薄膜几何转变为基本 上的多层叠合膜几何。国外的叠合层数已达到数百层，国内也达数十层之 多。从而实现了从面积元器件至体积型元件，从单层“平房”式的微电子元件 结构至多层微电子“摩天大厦”这一巨大变革。上述设计思想的更新导致了微 电子封装结构中应力应变水平的急剧增高，导致了硅基底、聚氨酰脂、 良性导电金属和陶瓷相之间易于发生缺陷的材料界面的大量引入，导致了 在制膜工艺工程中所必然遇到的反复加热冷凝的热疲劳过程。这些因素造 成了失效的技术动因，把失效力学推上了微电子技术这一舞台。再者，力 学的介入不仅可为微电子元件失效提供防范，力学概念的引入还可以正向 的推动微电子技术的发展。力学工作者投入微电子技术领域研究成为9 0 年 代以来引人注目的学科动向之一。在应用力学评论m e c h a n i c e su s a 专 刊上也特批一个栏目来讨论薄膜力学问题。美国机械工程学会新增了专门 学术刊物j o u r n a lo f e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，集中报道电子封装中微观力学、 失效分析，传热等高密度封装中的基础理论问题。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 圈1 1m e m s 薄膜基底结构元器件 薄膜基底结构系统如图1 一l ，在信息科学以及微电子机械系统技术 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 中有着十分重要的地位。例如： 在数据存储器和处理系统的集成电路中就有大量的导体、半导体和绝缘薄 膜，在磁盘存储系统中起芙键作用的是磁性薄膜等等。这些厚度一般为几 十纳米到几十微米的薄膜，可以通过溶胶一凝胶、真空蒸发、磁控溅射、 分子柬外延镀膜等不同的制作工艺来制得。薄膜中均会有或压或拉的残余 应力，在弟i 、i i 、i i i 类残余应力中，有的高达几个g p a ，因此薄膜基底 结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。这类薄 膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜在纳米尺度上 的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命，因此将薄膜基底作为个 基本结构对其中薄膜的力学、热学行为进行研究具有其必要性和紧迫 性。 1 1 1 纳米薄膜力学性能 材料的硬度、弹性模量和塑性是主要的力学性能，纳米材料与常规的 固体有很大的不同。相比于宏观材料，有些纳米材料的屈服强度会降低、 延展性会增加、硬度会减小。相关研究表明：随着组成纳米材料的微粒粒 径的减小有些纳米材料的弹性模量比固体材料要小得多，而微粒粒径越 小，材料弹性模量越小。 塑性是在一定的拉伸应力下产生的伸长变形，随着纳米材料构成微粒 粒径的减小而大大增加，有时会表现出超塑性。例如：陶瓷材料一般应是 非塑性材料，但是纳米陶瓷就表现出超塑性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 纳米薄膜热学性能 纳米材料的比热容比常规材料高得多。而且构成纳米材料的纳米微粒 粒径越小，材料的比热容越大。纳米材料的热膨胀比常规粗晶晶体大。而 且有关资料表明组成纳米材料的微粒粒径越大，在相同温度时的热膨胀值 就越小，而微粒粒径越小，热膨胀值就越大。 纳米材料的热稳定性是指在一定的温度范围内纳米微粒尺寸无明显变 化的现象，若颗粒尺寸无明显变化的温度区域越宽，它的热稳定性越好。 本文中研究的薄膜有着很好的热稳定性。 1 1 3 纳米薄膜力学问题的研究方法 近年来。国内外很多学者致力于纳米薄膜各种性能的多方面研究，关 于m e m s 领域的研究模型主要就是薄膜基底模型。薄膜基底系统的力学性 能的测试有很多不同的方法，这些方法思路独特，各有利弊，但是为我们 对纳米薄膜的研究提供了进一步的参考价值。比较成熟的技术有以下几种： x 射线衍射测量应力法、纳米压痕和划痕技术、外部载荷屈曲形貌法等等。 相比较而言，纳米压痕和划痕微尺度力学测试技术具有操作方便、样品制 备简单、测量和定位分辨率高等优点，因而得到了广泛应用。纳米压痕技 术在金属和陶瓷测量方面取得了很好的效果，同时也取得了业内广泛认可， 但是对于纳米尺度材料力学性能测量来说尚有一定不足。纳米尺度下的材 料具有一定的粘弹性，这是纳米压痕技术和划痕技术所欠缺的地方，他们 对这种现象不能做到很好的处理。而x 射线法也有其局限性，不能完全测 出材料在纳米尺度下的表层内的力学性能。另外电镜技术( s e m ，t e m ， a f m ) 和图像处理技术在薄膜断裂和薄膜屈曲问题的研究中得到了应用， 并取得了许多的试验结果【2 】。 在压缩载荷( 应力) 作用下，薄膜基底二元结构中的薄膜的屈曲问题， a ge v a n s 3 】等针对类钻石碳膜( d l c ) 玻璃基底试样( 薄膜厚度：2 6 0 一 4 6 0 n m ) ，利用原子力显微镜( a f m ) 和聚焦离子束( f i b ) 技术，得到了 表面缺陷对d l c 薄膜受压载荷下屈曲的生成和扩展影响的试验结果。 1 1 4 纳米薄膜的研究现状 g p a r r y 毒，c c o u p e a u ，j c o l i n ，a c i m e t i e r e ，j g r i l h _ e 4 1 对于一个依 附在基底上的应力薄膜，其从直线褶皱向周期性分布的水泡的转变已经通 过a f m 实验观察而作了研究。开展了非线性数值分析，对不同步骤的褶皱演 天律大学硕士学位论文 第章绪论 化也作了表征。屈曲结构的不同参数，例如水泡的外形参数和应力释放已经 被确定了，并且同实验数据作了比较。弹性应变能的比较，突出了结构与不 同波长的共存性的可能。 c h r i s t o p h ec o u p e a u t 4 1 提取沉积在硅圆片上6 0 0 r i m 的不锈钢的弹性参 数，他认为通过喷溅的方式而获得的薄膜和覆盖层通常伴有较高的内部应 力，有时候会选好几g p a 的压应力，因而比较容易脱粘和屈曲。尽管这个现象 对于将来的技术应用足不必要的，人们仍然可以利用它柬表征膜和基底的本 质力学参数。大多数屈曲模式，都能在弹性理论的框架下，理解为一个膜中应 力的最优释放方式。通过这种方式，屈曲结构的几何分析能够被想象成简单 方法来决定薄膜和覆盖层的力学特性这与零散的晶体是绝然不同的。 hmj e n s e n - ，is h e i n m a n l 6 1 对屈曲扩展分层进行了数值分析。薄膜系 统中屈曲扩展分层的稳态增长条件可以通过一个简化的方法来计算这个方 法不需要生长前端的细节资料。这个简化的方法依赖于对分层扩展前端的 荷载相位角的估计，这些估计的精确性也被作了研究，即与有限元计算而来 的沿着生长前端的断裂力学参数作比较。这些参数对前端外形的敏感性也 被作了研究，研究显示，分层生长前端的荷载相位角的估计这种简化方法是 很精确的。沿着不同曲率但是相同宽度的圆形路径的稳态分层生长之间也 作了比较，之所以采用曲率不同，宽度相同的路径是为了使生长前端的荷载 相位角被假设成同样的，并且独立于曲率。 赝霆翼雳 f 一 ，弋 量兰乡3 i n ，邕1 。1 。一一、 一 、 - ol 一一：一一一 u ji 3 图1 2 直边( o s b 3 ) 和半圆形裂皱前端( 3 s m 3 ) ，屈曲沿着弯曲的椭圆型前端扩展，而其后形成的直线型边 缘并不扩展( j wh u t c h i n s o n 1 0 】) 。尽管屈曲直线边缘的能量释放率超过弯 曲的扩展前沿，但是直线型边缘的韧性也显著超过了扩展前沿，因此直线 边缘不会扩展。m wm o o n t 5 】提出直线型屈曲只能出现在较小的归一单位面 积能量下，与电话线型屈曲相比比较少见。j wh u t c h i n s o n 最早提出屈曲的 横截面展现出余弦曲线的形状： 孚：妻【1 + c o s ( x y b ) ( 2 1 ) l， l 一一 f 兰鳖 7 h 叹= 每( 鲁) 2 对应屈曲膜层离面最高点。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 无津大学硕上学位论文第二章艇惦系统薄膜元器件破坏机理 要曩焉 主堇 h 图2 - 3 直线型屈曲的结构 薄膜脱层区域的边缘相当于一种裂纹。h ，j e n s e n t 川从理论上推导了直 线型屈曲的弯曲扩展前沿和直线型边缘的裂纹模态混台及能量释放率。得 出结论为：扩展前沿的裂纹形式以i 型裂纹( 张开型) 为主；而直线边缘 只要屈曲扩展选到一定宽度后其断裂形式就转化为i i 型( 滑移型) 为主； 而剪切型裂纹对界砸韧性的影响与j 型和i i 型相比基本可阻忽略不计。 2 2 2 圆泡型屈曲 对于圆泡形屈曲进行较多的研究的e y m e r yj p 与dd e n a n o t m f 等人， 他们应用离子溅射得到硅基底上形成的不锈钢薄膜，首先应用s i n 。p 的方法 来估算了不锈钢薄膜中的残余应力值。并应用电子扫面隧道显微镜观察了 典型的无波状边缘圆形泡( c i r c u l a rb l i s t e r ) 和有波状边缘的圆形泡( c i r c u l a r b l i s t e r w i t h w a v ye d g e s ) 。如图2 4 。 图24 圆泡型屈曲，箭头处为其初始缺陷 首先对于没有波状边缘的圆形泡屈曲，平均的脱粘半径在2 0 3 0 a n 。 从下面的图2 - 5 到2 7 中可以看出典型的无波状边缘的圆形泡屈曲形状如一 圆帽( c a p ) ，当该屈曲进行扩展时，会逐渐失去圆形对称的形状，边界上会 天津大学硕士学位论文第二章跳系统薄膜元器件破坏机理 逐渐生出突出的叶状部分( 1 0 b e s ) 。应用冯卡门板壳理论得出如下的公式可 以来计算薄膜从基底上脱粘的临界应力： t = 1 2 2 【9 1 0 一y 2 ) ( r ) 2 公式中h 是薄膜厚度，e 是弹性模量，”是泊松比 图2 - 8 电话线型屈曲的扇型单元 下图是本课题组实验中所得的电话型屈曲 天津大学硕士学位论文 第二章姬雌系统薄膜元器件破坏机理 圈 图2 9 实验中获得的电话线型屈曲图像 2 2 4 屈曲模式的相互转变 各种屈曲模式并非是独立而随机的，除了有极其复杂的力学因素外， 各种形状的屈曲也是可以互相转化的。为了可以更好地研究薄膜屈眭的现 象，我们不是单纯观察薄膜在制作过程中由于薄膜基底热扩展不匹配而形 成的屈曲这样的屈曲形成因素复杂，不易做深入研究。我们对薄膜屈曲 进行研究是首先要得到有一定规律的薄膜屈曲形状。一种方法是对试件降 温( jw h u t c h i n s o n i t 6 ) ，因为膜层与基底的热扩展系数不同，膜层中会产 生等轴的残余压应力，这时屈曲程度只是温度变化量的函数。另一种方法 是对试件外加载荷，通常是外部单轴压应力，可以形成规则的屈曲扩展( 例 如c c o u p e a u l 8 1 ) 。对于低残余应力的沉积膜层，还有一种引入外部载荷的 方法：在拉伸的基底上镀膜，而后释放载荷引起屈曲这样就利用弹性不 匹配，在膜层中引入单向残余应力( a l v o l y n s k i i ) 。 ( 一) 由直线型向电话线型屈曲转变 c o a p e a u l 8 1 等人应用原子力显微镜对聚碳酸脂基底上5 8 纳米厚的薄膜 进行了研究。曲张型( 或者说是蠕虫状) 屈曲模式( v a r i c o s e m o d e ) 被认为 是直线型模式向电话线模式转变过程中的过渡状态( m o o n m w 1 4 1 ) ，如 果薄膜的泊松比较低，那么也有可能向圆泡形屈曲转化。在基底受到单轴 压应力的情况下，沿着y 轴的应力被释放，从而孔道会扩展。外部应力被 释放掉，会使得”一增加，如式( 2 - 4 ) ，会出现向电话线或者是曲张形屈曲。 虮；参器 ( 2 4 ) = 参半等叽 天津大学硕士学位论文第二章肛i l s 系统薄膜元器件破坏机理 以下图2 1 0 是应用原子力显微镜观察到的直线型屈曲分别向电话线和 曲胀形转化的实例： 撕n ，咖。兮兮 图2 - 1 0 直线型屈曲分别向电话线型和曲张型屈曲的转变 ( 二) 直线型屈曲向泡状屈曲的转变 gp a r r y 与c c o u p e a u b ”等人应用原子力显微镜观察了聚碳酸脂基底上 镍薄膜从直线型屈眭向泡状屈曲转化的现象。当外部应力被释放掉的时候， 屈曲结构由直线型( s t r a i g h t s i d e d ) 向分布的泡状( b l i s t e r s ) 屈曲转化。如 图2 一1 1 我们可以看出，左边是在低纵向应力下的直线型屈睦，右边是高 纵向应力下的有一定规律的泡状屈曲。由于膜层的泊松比小于基底的泊松 比，y 方向上外部压应力载荷的释放使总应力下降，而非载荷的x 方向上 总应力增长，从而届曲形状的转化是在纵向得到能量释放的最佳方式。 2 3 薄膜的断裂 产 1 0r - t m 舀2 - 1 1 由直线型皱裙向泡状届曲的转变 h u t c h i n s o n 和s u 0 1 4 3 i 等人真对薄膜基底系统承受拉应力时，薄膜的断裂现象 进行了研究，图2 1 3 。研究表明，当有机玻璃基底承受拉应力时沉积在它上面 天律大学硕士学位论文第二章- 咧s 系统薄膜元器件破坏机理 的金属薄膜将产生断裂，并且裂纹附近的薄膜将与基底脱粘。在薄膜从完好到断 裂的过程中，由于局部应力过大，薄膜将产生颈缩现象，随着拉应力的的进一步 增大，薄膜最终将断裂图2 - 2 。 三茏乏羔：舜名互丝丝瑚 l i = 二二：= ；- 。、二 2：= ： j l 函d i k 矗立j ( 瓣j ? ，t 、t 、y f 囤2 1 2 拉应力引起颈缩、断裂与脱粘图2 - 1 3 拉应力引起薄膜断裂后的效果 t “a ，z yh u 皿g m 峰人针_ 肘另外一种断裂形式进行了研究。如果薄膜上存 在一条初始的裂纹当它承受拉应力时，并不舍应为局部应力过大而产生颈缩现 象，也不会引起裂纹附近的薄膜脱粘。由于拉应力的存在，裂纹将向前扩展。 匿写 2 4 初始缺陷的表征与影响 镀膜过程中由于工艺上的问题，基底和薄膜之间不可避免的存在微小 的缺陷。在研究由屈曲驱动的扩展问题上，薄膜的缺陷是不可忽视的。屈 曲的产生总是在初始缺陷处开始或者在初始缺陷处终止，并随着进一步 的加载贯穿该缺陷，如图2 1 5 所示。研究表明，沿着膜与基底界面存在的 缺陷可以显著改变屈曲产生和扩展的条件。一般认为，在初始缺陷处扩展 天津大学硕士学位论文第二章狐惦系统薄膜元器件破坏机理 的产生，与能量释放率有关。在不存在屈曲的情况下，裂纹在局部最高拉 应力区附近的界面缺陷处产生，沿界面突然出现，而后受到抑制。伴随着 上述现象，能量释放率在裂纹产生时达到峰值，然后下降，当扩展停止时 达到界面断裂能。 图2 一i5 初始缺陷对屈曲的影响 2 5 薄膜残余应力的研究 残余应力 2 2 1 ( r e s i d u a ls t r e s s ) 是指当产生应力的各种外部因素不存在时， 由于形变、相变、温度或体积变化不均匀，而存留在构件内部井自身保持 平衡的应力。薄膜残余应力是衡量m e m s 产品的重要指标之一。其产生的 原因是外力所做的功，引起材料内部的塑性变形存储在器件内；当外力消 除后，应力不均匀的能量要释放出来，引起了试件缓慢的变形，既残余应 力做功。残余应力过大将引起器件的失稳，弯曲，影响系统的工作性能， 甚至有时直接导致器件直接失效，无法应用。残余应力因素增大了m e m s 产品设计和加工的复杂程度。因此研究残余应力，尽量减小和消除残余应 力，或者在设讨中有意利用残余应力十分必要。由此引发了大量的m e m s 残余应力的测量及理论研究。 宏观领域残余应力主要由机械应力和热应力两种外因引起的，微观领 域的加工工艺过程中的化学反应、参杂、沉积、晶格不匹配，以及构件系 统过程中的装配和封装都将导致残余应力。m e m s 残余应力大致可分为本 征应力和热应力。 天律大学硕士学位论文 第二章眶璐系统薄膜元器件破坏机理 2 5 i 本征应力 本征应力又称内应力，是在薄膜沉积过程中产生的，它的成园比较复杂， 目前还没有系统的理论对此进行解释，如晶格失配、杂质介入、晶格重构、 相变等均会产生内应力。一般认为内应力与特定的薄膜沉积技术以及沉积 工艺参数有直接关系它屉必然存在的需要通过后续工艺来消除 2 2 1 。 其中有由于薄膜结构和沉底结构存结合界面处异质材料晶格常数失配 而产生的界面应力( i n t e r f a c es t r e s s ) ，薄膜和村底材料由于原子密度不同 产生的刃型位错，如图所示。位错密度越丈，界面应力越大。 2 5 2 热应力 e 毒 图2 一1 6 薄膜和基底由于原子密度的不同产生的刃型位错 热应力是由薄膜与基底之问热膨胀系数的差异引起的。当温度变化 时，m e m s 结构中薄膜内部产生的热应力可以用( 2 - 1 ) 式近似计算 = 0 - ，一q 且， ( 2 1 ) 其中：鼻是薄膜的弹性模量，a f ) a ，分别对应薄膜和基底的热膨胀系数， r 为温度变化量。从( 2 - i ) 式可以看出，在已知薄膜与基底材料属性的情况 下，热应力只取决于工艺前后的温度差，而沉积工艺通常在几百度下进行因 此，当结构冷却到室温时，将可能产生较大的残余热应力，进而引起更大的结 构变形。 2 5 3 薄膜残余应力及梯度 假设衬底在沉积薄膜之前没有应力，在村底上沉积薄膜时，薄膜残余 应力( 热应力与本征应力之和) 作用下衬底将发生弯曲，利用数字波面干 涉仪或激光干涉仪等测试仪器可以测量出衬底镀膜前后的曲率半径，通 过镀膜前后基片曲率半径的变化，单层薄膜的残余应力。 r o l le 2 2 墟过分析给出下面的估算残余应力的公式： 天津大学硕士学位论文第二章皿m s 系统薄膜元器件破坏机理 町2 捣1 i 一小等睁) 亿2 ， 其中2 己s ，屹，h s 是基地的弹性模量、泊松比和厚度 l 厂一l ，则是薄膜的弹性模量和厚度 q ，分别是薄膜沉积前后的曲率半径。 聂萌等人采用全场光学在线测试方法，研究了多层薄膜的残余应力。 假设衬底的上面( 下脚标u ) 有刀层薄膜，下面( 下脚标d ) 有k ( o k ，z ) 层薄膜，上面的第i ( 1s i 刀) 层薄膜和下面的第i ( 1 i k ) 层薄膜在同一工艺 下生长，具有相同的厚度和应力 当t 么+ 如时，依次腐蚀衬底诶面的各层薄膜，测量出对应曲率 i = li = l 半径，就可以按照下式提取覆盖在正面各层薄膜的残余应力：。 去：等笋窆乞 一= 7 ，r f 月 t r 一- - k + - 一 ( 2 3 ) 式中从衬底的泊松比 乞衬底的厚度一 衬底正面第i 层膜的残余应力 乙衬底第i 层薄膜的厚度 特殊的，当k = 胛时，假设，衬底的正反两面薄膜的生长情况完全相同， 多层薄膜复合结构的弯曲现象不会发生。当k = 0 时，上式就退化为多层膜 残余应力的s t o n e y 传统公式： 去= 掣( 啪n ：”坼钏 4 ， 薄膜的残余应力一般可用材料内部残余应力的平均值来代替，但化学 反应、参杂、材料的微细结构和表面状态等原因导致的残余应力在材料内 部并非是均匀分布的，而是眼波麽厚度方向着一定的梯度分布，甚至在薄 膜的中央和边缘区域也有残余应力梯度。残余应力梯度取决于薄膜本身构 成的变化以及薄膜与衬底厚度比。如果梯度分布的起伏较大，既残余应力 最大值与平均值偏差较大，则残余应力梯度对薄膜性能的影响不能忽视。 图2 1 7 示出微悬臂梁结构中，残余应力还未形成或残余应力可以忽略不计， 天津大学硕士学位论文 第二章m e m s 系统薄膜元器件破坏机理 此时梁的长度不变并且没有发生弯曲。图2 1 8 示出残余应力梯度可以忽略 时的状态，微梁只能伸长或缩短，不会弯曲。图2 1 9 和图2 2 0 说明残余应 力梯度会使得微悬臂梁产生向上或向下的弯曲。 图2 1 7 不含残余应力的微悬臂粱图2 1 8 含均匀残余应力的微悬臂梁 图2 1 9 含拉应力梯度的微悬臂梁 图2 2 0 含压应力梯度的微悬臂梁 薄膜厚度对残余应力的影响极大，一般残余应力可以表示成厚度尺寸 方向的函数： q = 主k = o 吒( 等) ( 2 5 ) 式中z 薄膜厚度方向的坐标 后自然数 因此残余应力厚度方向的梯度为： g r a d o ，= 筹2z k o k ( 才 6 ， = 一，l 等i t ；0 f ，、 通常k = 1 上式表明，当残余应力水平确定时，薄膜厚度越小，残余应 力梯度越大，容易引起薄膜的弯曲，需要密切关注；相反，厚度越大，梯 度越小，残余应力可以看做均匀分布，薄膜在厚度方向的变形较小。另外， 残余应力水平与薄膜厚度模切相关，在实际应用中，应该综合考虑薄膜厚 度对残余应力水平和分布梯度的双面作用。 天津大学硕士学位论文第二章脏m s 系统薄膜元器件破坏机理 当微梁的残余应力表现为压缩应力时，还应考虑屈曲现象是否发生。 由e u l e r 方程，微梁失稳的临街载荷为： 。裔 7 ) 式中 e u l e r 因子 ，微悬臂梁的惯性矩 天津大学硕士学位论文 第三覃力一热耦合宴验系统的开发 3 1 加载方案 第三章力热耦合实验系统的开发 实验中采用的试件基底为有机玻璃，在基底t 溅射沉积一层铝膜。基 底材料尺寸：长1 1 9 l m ，宽9 r a m ，高3 r a m 。所有的面都有平行度要求：端 面和底面有垂直度要求。由于基底是非金属材料，并且尺寸精度要求较高， 所以机加工难度非常高。载荷加载方向是沿试件的长轴。 顶面要用来进行温度的测量和显微镜的观察，温度测量是通过热电偶 实现的。所以，温度载荷的施加，选择底面和前后面。这样的加热方式有 利于温度在基地内的均匀分布，便于温度的控制和测量t 如下图： 薄膜 图3 - 】试件受力热加载示意图( 底面、前面和后面为加热面) 3 2 温度控制系统的设计 3 2 1 加热系统 热载荷施加元件不能对薄膜基底试件力学性能产生大的影响，否则将 从根本上改变了薄膜基底二元系统的力学模型参量。所以本文中设计了专 门的加载炉，对时间进行温度加载，本文根据实验的要求在热载荷加载上 采用的是3 5 0 q 电阻式加热元件，采取并联方式以提供足够大的功率。该加 载炉具有以下特点： ( 】) 所占空间极小，使用方便，可重复使用： ( 2 ) 导热效果突出，能使试件均匀受热，不影响试件的基本结构： ( 3 ) 形状及大小适台于面积极小的试件： 天津大学硕士学位论文第三章力一热耦合实验系统的开发 ( 4 ) 发热好，热量太最高温度能达到1 3 0 ( 达到实验的要求) ： ( 5 ) 散热效果好，当停止加载时可咀有效散热，快速降温，利于自动控制 减小实验时的温度滞后效应。 ” 3 2 2 温度控制系统设计 图3 之加热系统 因为在施加热载荷时需要熟载荷控制，所咀设计一个电路来控制 热载荷的加载。电路图如图3 - 3 所示： 实验中的控温器采用智能温控仪6 0 0 0 系列如图3 - 4 四位数码管显示。 显示精度05 ；测量范围：o 4 0 0 ，偏差范围：2 。 供电电源采用的是天津电子仪器厂生产的z h d l 型综合测试仪如图3 - 5 所示，电压是可调直流电压，供电范围是：0 3 2 v 。本实验采用1 6 v 直流电 压。 热电耦 丽毫 器 窝 热电m 圉3 - 3 热载荷控制系统电路国 其中，热电阻是用来在实验中对薄膜基底元件加热 天津大学硕士学位论文第三章力一热耦台实验系统的开发 围3 - 4 智能温控器圈图3 - 5 直流电源 热载荷施加及控制原理：通过可调直流电源给热电阻供电，热电阻通 过自身产生的热量来进行热载荷的加载，并通过热电耦来实时检测热电阻 的熟载荷的大小，直接反馈到电路，起到对热载荷控制的作用。 将控温器设定为预定的载荷，当热电阻达到所设定的热载荷时通过热 电藕反馈给控温器，控温器及时断开电路停止载裢的施加，热电阻产生的 热载荷低于控温器所设定的热载荷时，热电偶反馈给控温器，控温器接通 电路使载荷继续施加达到所设定的载荷。 3 2 3 热电偶温度标定 实验中使用热电偶对试件的温度分布进行测量。为保证被控制温度的 准确性，我们对实验中使用的热电偶进行了标定。下图为标定时同时测量 得到的温度计和热电偶的温度分布情况。 圈3 6 热电偶标定 天津大学硕士学位论文 第三章力一热耦合实验系统的开发 从图3 - 6 中我们可以看出热电偶所测温度存在很大偏差，但仍有很好的 线性度。所以需要对热电偶温度进行修正，修正后计算公式如下。 丁= ( 一9 6 1 ) 0 6 9 ( 3 1 ) 式中，强r 为实际温度，为热电偶采集温度。修正后温度分布图如 下 图3 7 热电偶修正 修正后的热电偶的线性度是很好的，如图3 7 ，所以试验中对于温度载 荷的测量的误差是很小的。在试验中，我们将热电偶的测温点与试件全面 接触，并在接触点外附加了部分导热胶，以保证热电偶的温度与基底薄膜 的温度近乎一体，从而确认热电偶的温度测量的有效性。 3 3 力位移自动控制系统 在微纳米量级实验中，一点微小的力或位移扰动对结构的结果影响是 很大的。所以为了实验结果的精确，必须对外力和位移条件进行精准的控 制。 轴向压力控制：在实验过程中准确的对试件施加对称压力。以便对特 定外力边界条件下，试件的现象进行准确观测；对试件在实验过程中所受 的对称力进行准确监测，以便当试件发生规律性现象时给出准确的外力条 天津大学硕士学位论文第三章力一热耦台实验系统的开发 件。对外力边界条件的控制，有利于对试件现象与外力的关系进行规律性 总结。 边界位移控制：在实验过程中准确对试件边界施加对称位移，以便对 特定位移边界条件下的实验现象进行准确观测；对试件在实验过程中所受 的对称位移进行准确监测，以便当试件发生特定现象时给出准确的位移边 界条件。对位移边界条件的准确控制，对研究者归纳实验现象与位移的关 系有很大帮助。 3 3 1 力。位移模式控制系统 为了实现实验中压力和位移的控制要求，作者自行设计了一套力- 位移 自动控制加载系统 图3 - 8 是该系统的设计结构图。该系统的设计目的是，实现轴向压力 的自动控制和边界位移的自动控制。由计算机通过l a b j a c k u l 2 控制驱动电 源的输出电压从而控制p z t 的输出压力或者位移。再由力或位移反馈电 路测得输出量，经l a b j a c ku 1 2 反馈给计算机。由计算机计算偏差后，调整 驱动电源的输出电压，从而实现对轴向压力和边界位移的精确自动控制。 3 , 3 2 数据采集系统 圆圈一书 图3 - 8 力一位移自动控制加载系统 l a b j a c ku 1 2 ，是一个u s b 接口的、多功能数据采集控制器，是目 前性价比较高的多功能数据采集控制器如图3 - 9 。方便的u s bl i 使计算机 轻丽易举地和外部物理世界鞋系起来，它被广泛地应用于测试仪器，工业 过程控制，数据监视等各种数据采集和控制场合。 口o=事一 i 天津大学硕士学位论文 第三章力一热耦合实验系统的开发 田3 - 9 数据采集控制嚣 3 3 3 数据采集系统及软件 作者利用图形化虚拟仪器编程工具l a b v i e w l 2 ”结合多功能数据采集 装置的特点，自行设计了力一位移自动控制软件。所谓虚拟仪器，实际上就 是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬 件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力 和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，太大缩小了仪器硬件的成本和 体积，并通过软件实现对数据的显示、存储i ； 及分析处理。 该自动控制软件的作用是t 可以通过友好的界面调节外力和位移的输 出t 并具有自动记录功能如图3 - 1 0 。当实验人员对某一外力或者位移值 有特定需求时可以设定该特定值，并对输出进行自动控制。图3 1 1 为该 软件设计流程图。 图3 - i o 自动控制软件操作界面 天津大学硕士学位论文第三章力一热耦合实验系统的开发 3 4 力传感器及标定 图3 1 1 自动控制软件流程图 在力位移自动控制加载系统中，对外力的测量是必不可少的，本实验 采用压电传感器采集信号，通过电荷放大器将信号放大，最后由计算机处 理和显示力的测量结果。 实验所采用的压电传感器( s d l 4 2 1 型) 和电荷放大器( y e 5 8 5 0 型) ， 整个压电传感系统的载荷与输出电压对应关系必须需要经过标准砝码标 定。标定采用2 k g 标准砝码，逐个对传感器进行加载卸载，观察电压变化 值。 天津大学硕士学位论文 第三章力一热耦合实验系统的开发 表3 1 力传感器的标定 图3 1 2 压电传感器标定曲线 从图3 1 2 中我们可以看出，加载曲线和卸载曲线基本重合，并且保持 良好的线性关系，在实验中可以准确的测量出力的大小，满足实验要求。 3 5 位移传感器及标定 考虑到薄膜屈曲的微纳米级别尺寸，作者自制悬臂梁位移测量装置， 如图3 1 3 ，依照电测计算基本原理，对试件边界位移进行测量。 天津大学硕士学位论文第三章力一热耦合实验系统的开发 应变片悬臂梁 测量头 图3 1 3 悬臂梁位移传感器 本实验采用图3 1 4 所示的悬臂梁结构，在2 个桥臂上采用半桥接线法 连接电阻应变片。由以上理论分析可知，应变仪的读数与所接各应变片的 应变成线性齐次关系，相邻桥臂符号相异，相对桥臂符号相同。利用这一 特性，采用合理的组桥方法，可以达到增加输出灵敏度，消除不需要的应 变读数以及温度引起的热输出等效果影响。 6 应变片r l t 国一 怍， s ，一 i j j n l 一 4 n 一 单位：i l l l 1 图3 1 4 悬臂梁式位移传感器结构 位移传感器必须经过标定才能使用。在实验中，应变片( 1 2 0 e ) 连接 静态电阻应变仪( y j 2 8 a p 1 0 r ) ，再将应变仪的输出电压通过数据采集装置 读入计算机进行处理。 本文采用螺旋测微计( 精度：0 0 1 m m ) 作为参考标准，对位移传感器 进行标定。标定时，位移传感器的测试端抵紧螺旋