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微纳尺度材料和器件的可靠性表征是微机电系统(MEMS)发展的关键技术之一。目前,MEMS薄膜材料和器件的力学性能和可靠性研究相对落后于MEMS器件技术的发展,成为MEMS实现产业化的瓶颈。因此,迫切需要开发适用于MEMS薄膜材料和器件的力学性能和可靠性的评估方法。本文研究内容主要包括采用矩形膜吹曲法表征MEMS薄膜材料的力学性能和可靠性,并采用正在研制的器件可靠性测试平台研究悬臂梁结构在振动载荷作用下的疲劳失效,重点研究内容如下:
参与组建了吹曲法测试装置,开发了吹曲法自动测试软件,制备了矩形膜悬浮膜片结构。采用矩形膜吹曲法系统表征了厚度分别为0.40μm和1.42μm的LPCVD3C-SiC薄膜的力学性能:杨氏模量、残余应力和断裂应力,讨论了薄膜微结构(晶粒取向、薄膜缺陷等)对薄膜力学性能的影响。表征了在两种衬底表面(Si衬底和带热氧化层的硅衬底)PECVD淀积的SiNx薄膜的杨氏模量、残余应力和断裂应力,研究了衬底表面差异以及工艺制备中BHF刻蚀对SiNx薄膜断裂性质的影响。
设计并制备了带有片上加热电阻的两种悬臂梁结构,即矩形悬臂梁和带质量块悬臂梁,使用有限元模拟获得了悬臂梁的振动特性和热学特性,制定了使用正在组建的MEMS可靠性测试平台进行悬臂梁疲劳失效研究的测试方案。