CN107572473A - 一种降低微机械梁薄膜应力的方法及相关低应力薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低微机械梁薄膜应力的方法及相关薄膜，属于微机电系统技术领域。本发明通过在多层金属薄膜形成的复合薄膜中增加单层石墨烯薄膜作为过渡层，采用高温退火工艺，用于释放金属薄膜产生的压应力，同时也提高复合薄膜与基底的结合力；由于石墨烯具有较大的拉应力，能够与上下两金属层的残余压应力相互作用，从而最大限度地降低多层结构复合薄膜的内应力，进而避免了因过高内应力而导致基底与薄膜之间结合强度降低导致翘曲的缺陷，同时提高了复合薄膜的承载能力，从而增强了微机械梁的机械强度，提升器件的可靠性；本发明制作工艺简单，成本低廉，可重复性好，为高性能微元器件以及互联结构的研究、开发和生产奠定了基础。

Description

一种降低微机械梁薄膜应力的方法及相关低应力薄膜

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种降低微机械梁薄膜应力的方法及相关薄膜。

背景技术

微电子机械系统(Miro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是由电子和机械元件组成的集成化微器件或系统。MEMS器件具有“件具有特点，即小型化、微电子集成及高精度批量制造。传统的MEMS器件通常分为传感器和执行器，传感器可以感知物理化学等激励，而执行器可以产生机械运动。作为MEMS器件中一个重要部分，可作机械运动的微机械梁体现了MEMS器件的机械本质，微机械梁通常采用薄膜结构，而薄膜材料的力学参数对MEMS结构特性和器件性能具有很大影响，薄膜的残余应力是影响微机械梁可靠性的关键因素。薄膜残余应力是基体通过界面的力传递到薄膜单位界面的作用力，它的产生机制是由薄膜本身结构、缺陷及薄膜与基体间物理性能差异所决定，因此残余应力是一种固有应力，是无外力作用时以平衡态存在与物体内部的应力，而不是由外加荷载所引起的。对于薄膜执行器而言，过大的拉伸残余应力(张应力)会使得薄膜结构发生破裂，而过大的压缩残余应力(压应力)则会使得薄膜结构发生膨胀或者翘曲，而上述两种情况都会使得器件失效。

目前通常采用多层金属薄膜结构来改善基体与薄膜之间的适应性、缓解化学键合与热膨胀系数的差异、避免薄膜中柱状晶体的生长以及提高薄膜的强度。然而多层金属层淀积在异性的基体上，在薄膜内部存在相当大的拉应力。因此，如何降低微机械梁多层薄膜结构的残余应力，提高薄膜与基体的结合力成为了本领域亟待解决的技术问题，

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种残余应力低且翘曲度小的复合薄膜以提高微机械薄膜梁的可靠性。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种用于微机械梁的低应力复合薄膜，其特征在于，微机械梁薄膜包括至少两层惰性金属层以及夹设于相邻两层惰性金属层之间的单层石墨烯薄膜。

一种降低微机械梁薄膜应力的方法，包括如下步骤：

步骤A：在基底表面形成一层牺牲层，采用光刻工艺在牺牲层表面形成目标图案；

步骤B：在经步骤A处理得到的目标图案表面由下至上分别形成第一惰性金属层、石墨烯层和第二惰性金属层，第一惰性金属层、石墨烯层和第二惰性金属层的尺寸、形状均与目标图案的尺寸、形状相同，然后经过高温退火处理得到上述三层相互层叠的薄膜结构；

步骤C：采用刻蚀工艺去除目标图案之下的牺牲层，最终得到悬空于基底之上的微机械梁薄膜。

进一步地，本发明步骤B中高温退火处理的操作具体为：将基底温度升高至500～800℃，然后自然冷却至室温。

进一步地，本发明在步骤B之前还包括：

步骤B₀：在经步骤A处理得到的目标图案表面形成与之尺寸、形状相同的金属钛层。

进一步地，本发明金属钛层的厚度为5～10nm。

进一步地，本发明牺牲层材料为二氧化硅层。

进一步地，本发明二氧化硅层的厚度为1～3μm。

进一步地，本发明金层的生长速率优选为0.6～1埃/秒。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

本发明通过在多层金属薄膜形成的复合薄膜中增加单层石墨烯薄膜作为过渡层，采用高温退火工艺，用于释放金属薄膜产生的拉应力，同时也提高复合薄膜与基底的结合力；由于石墨烯具有较大的压应力，能够与上下两金属层的残余拉应力相互作用，从而最大限度地降低多层结构复合薄膜的内应力，进而避免了因过高内应力而导致基底与薄膜之间结合强度降低导致翘曲的缺陷；又因石墨烯兼具较小的韧性以及较高的杨氏模量，提高了复合薄膜的承载能力，从而增强了微机械梁的机械强度，提升器件的可靠性；本发明制作工艺简单，成本低廉，可重复性好，为高性能微元器件以及互联结构的研究、开发和生产奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例所提供复合型低应力金属薄膜的制备流程示意图；其中，1为硅片，2为二氧化硅氧化层，3为金属钛层，4为第一金层，5为石墨烯层，6第二金层。

图2为本发明实施例1中石墨烯的拉曼光谱测试示意图；

图3为本发明实施例1至3在不同退火温度下制得“金-石墨烯-金”结构薄膜的XRD测试结果图；

图4为本发明实施例4在500℃退火温度下制得“金-金”结构薄膜的XRD测试示意图；

图5为本发明实施例最优退火温度下制得复合薄膜采用原子力显微镜表征得到的表面形貌测试示意图；

图6为图5划线处薄膜的最大突起及凹陷的曲线图。

具体实施方式

下文结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明实施例提供一种用于微机械梁的低应力复合薄膜，包括至少两层惰性金属层以及夹设于相邻两层惰性金属层之间的单层石墨烯薄膜。

下面公开上述用于微机械梁的低应力复合薄膜的具体制备方法：

实施例1：

一种用于微机械梁的低应力复合薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

(1).选用晶面指数为<110>，平面尺寸为1cm×1cm，厚度为500μm的硅片1作为衬底，衬底表面有热氧化生成的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为2μm；将上述衬底置于浓硫酸∶过氧化氢的体积比为7∶3的混合体系中加热煮沸10分钟，然后采用去离子水清洗15次后超声处理30分钟，在氮气氛围中于180℃条件下烘干，得到如图1a所示的结构；

(2).将经步骤(1)处理得到的衬底置于电子束蒸发仪的真空腔室中蒸镀一层厚度为5nm的金属钛层3，如图1b所示，所述金属钛层的作用在于增加上、下薄膜之间的粘附性；如图1c所示，再蒸镀一层厚度为200nm的第一金层4；本实施例沉积金属层采用蒸镀法，根据本领域公知常识可知，亦可采用任何合适的金属沉积工艺，本发明对此并不做限定；

(3).如图1d所示，将单层石墨烯转移至第一金层表面，本发明对石墨烯转移的方式并不对限定，在此仅提供一种本领域常用的转移方式，对转移石墨烯后的衬底进行拉曼光谱测试，得到如图2所示；

(4).如图1e所示，将步骤(3)得到的衬底进行第二次电子束蒸镀形成一层厚度为200nm的第二金层6；

(5).将经步骤(4)处理后的衬底置于700℃高温退火炉中处理1小时，然后自然冷却至室温，本步骤在氮气气氛中进行，最终得到“金-石墨烯-金”层叠结构的复合薄膜。

实施例2：

一种用于微机械梁的低应力复合薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

(1).选用晶面指数为<110>，平面尺寸为1cm×1cm，厚度为500μm的硅片1作为衬底，衬底表面有热氧化生成的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为2μm；将上述衬底置于浓硫酸∶过氧化氢的体积比为7∶3的混合体系中加热煮沸10分钟，然后采用去离子水清洗15次后超声处理30分钟，在氮气氛围中于180℃条件下烘干，得到如图1a所示的结构；

(2).将经步骤(1).处理得到的衬底置于电子束蒸发仪的真空腔室中蒸镀一层厚度为5nm的金属钛层3，如图1b所示，所述金属钛层的作用在于增加上、下薄膜之间的粘附性；如图1c所示，再蒸镀一层厚度为200nm的第一金层4；本实施例沉积金属层采用蒸镀法，根据本领域公知常识可知，亦可采用任何合适的金属沉积工艺，本发明对此并不做限定；

(3).如图1d所示，将单层石墨烯转移至第一金层表面，本发明对石墨烯转移的方式并不对限定，在此仅提供一种本领域常用的转移方式，对转移石墨烯后的衬底进行拉曼光谱测试，得到如图2所示；

(4).如图1e所示，将步骤(3)得到的衬底进行第二次电子束蒸镀形成一层厚度为200nm的第二金层6；

(5).将经步骤(4)处理后的衬底置600℃高温退火炉中处理1小时，然后自然冷却至室温，本步骤在氮气气氛中进行，最终得到“金-石墨烯-金”层叠结构的复合薄膜。

实施例3：

一种用于微机械梁的低应力复合薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

(1).选用晶面指数为<110>，平面尺寸为1cm×1cm，厚度为500μm的硅片1作为衬底，衬底表面有热氧化生成的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为2μm；将上述衬底置于浓硫酸∶过氧化氢的体积比为7∶3的混合体系中加热煮沸10分钟，然后采用去离子水清洗15次后超声处理30分钟，在氮气氛围中于180℃条件下烘干，得到如图1a所示的结构；

(2).将经步骤(1).处理得到的衬底置于电子束蒸发仪的真空腔室中蒸镀一层厚度为5nm的金属钛层3，如图1b所示，所述金属钛层的作用在于增加上、下薄膜之间的粘附性；如图1c所示，再蒸镀一层厚度为200nm的第一金层4；本实施例沉积金属层采用蒸镀法，根据本领域公知常识可知，亦可采用任何合适的金属沉积工艺，本发明对此并不做限定；

(3).如图1d所示，将单层石墨烯转移至第一金层表面，本发明对石墨烯转移的方式并不对限定，在此仅提供一种本领域常用的转移方式，对转移石墨烯后的衬底进行拉曼光谱测试，得到如图2所示；

(4).如图1e所示，将步骤(3)得到的衬底进行第二次电子束蒸镀形成一层厚度为200nm的第二金层6；

(5).将经步骤(4)处理后的衬底置于500℃高温退火炉中处理1小时，然后自然冷却至室温，本步骤在氮气气氛中进行，最终得到“金-石墨烯-金”层叠结构的复合薄膜。

实施例4：

本实施例作为实施例3的对比实施例，意在制备传统多层金属层叠的复合薄膜，具体操作如下：

(1).选用晶面指数为<110>，平面尺寸为1cm×1cm，厚度为500μm的硅片1作为衬底，衬底表面有热氧化生成的二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为2μm；将上述衬底置于浓硫酸∶过氧化氢的体积比为7∶3的混合体系中加热煮沸10分钟，然后采用去离子水清洗15次后超声处理30分钟，在氮气氛围中于180℃条件下烘干，得到如图1a所示的结构；

(2).将经步骤(1).处理得到的衬底置于电子束蒸发仪的真空腔室中蒸镀一层厚度为5nm的金属钛层3，如图1b所示，所述金属钛层的作用在于增加上、下薄膜之间的粘附性；再蒸镀一层厚度为200nm的第一金层4如图1c所示；本实施例沉积金属层采用蒸镀法，根据本领域公知常识可知，亦可采用任何合适的金属沉积工艺，本发明对此并不做限定；

(3).将步骤(2)得到的衬底进行第二次电子束蒸镀形成一层厚度为200nm的第二金层6；

(4).将经步骤(3)处理后的衬底置于500℃高温退火炉中处理1小时，然后自然冷却至室温，本步骤在氮气气氛中进行，最终得到“金-金”层叠结构的薄膜。

下面通过复合型薄膜的相关应力公式进一步分析本发明提出“金-石墨烯-金”三层复合结构的理论可行性：

薄膜材料的残余应力可以采用X射线衍射的法测试得到。那么薄膜的应力σ可以根据如下式(1)得到：

其中E_e为复合薄膜的等效杨氏模量，ν_e为复合薄膜的等效泊松比，θ₀为无应力试样衍射峰位的布拉格角，衍射晶面法线方向与试样表面法线之间的夹角。

对于多层复合型薄膜结构，其等效杨氏模量E_e和泊松比ν_e按照如下式(2)表示：

本实施例提供的“金-石墨烯-金”层叠结构复合薄膜中单层石墨烯的杨氏模量为1.01TPa，泊松比为0.21，厚度为0.34nm。金的杨氏模量78GPa，泊松比为0.44，厚度为200nm。这里，金的无应力试样衍射峰位的布拉格角2θ₀＝38.3°。对实施例1至4得到的样品采用X射线衍射的法测试，得到如图3和图4所示的结果，其中实施例1至实施例3分别顺序对应图3中的图(a)、图(b)和图(c)，实施例4对应图4。定义实施例1制得复合薄膜的残余应力采用σ_A表示，实施例2制得复合薄膜的残余应力采用σ_B表示，定义实施例3制得复合薄膜的残余应力采用σ_C表示，实施例4制得复合薄膜的残余应力采用σ_D表示；从图3中可以看出：在不同退火温度下制得的复合薄膜的残余应力的大小为：σ_B﹥σ_A﹥σ_C。因此可知在退火温度为500℃条件下，加载石墨烯的复合薄膜的残余应力最小；结合图3和图4，并通过公式(1)和(2)计算可知实施例3与其对比实施例制得薄膜的残余应力的大小如下：σ_C＝52.58MPa；σ_D＝122.83MPa，因此基于本发明构思能够显著降低多层膜的残余应力。

基于上述理论分析与工艺实践，选取残余应力最小的薄膜对其进行原子力显微镜(AFM)扫描测试，如图5所示，在一条直线上通过测试薄膜的最大的突起和凹陷绘制曲线如图6所示。由于薄膜翘曲度可以按照如下式(3)定义：

其中h为薄膜的最大峰值到参考平面的距离，l为测量峰值的水平距离。根据图6的结果可计算得到翘曲度为1.54％。

在整个测试过程中，复合型薄膜的应力远小于纯金属薄膜的应力，通过不同退火温度下薄膜的应力测试比较，薄膜的应力随着温度的升高先增大后减小。最后通过原子力显微镜测试薄膜表面形貌以及翘曲度，表现出良好的力学特性。

Claims (8)

1.一种用于微机械梁的低应力复合薄膜，其特征在于，微机械梁薄膜包括至少两层惰性金属层以及夹设于相邻两层惰性金属层之间的单层石墨烯薄膜。

2.一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：在基底表面形成一层牺牲层，采用光刻工艺在牺牲层表面形成目标图案；

步骤B：在经步骤A处理得到的目标图案表面由下至上分别形成第一惰性金属层、石墨烯层和第二惰性金属层，第一惰性金属层、石墨烯层和第二惰性金属层的尺寸、形状均与目标图案的尺寸、形状相同，然后经过高温退火处理得到上述三层相互层叠的薄膜结构；

步骤C：采用刻蚀工艺去除目标图案之下的牺牲层，最终得到悬空于基底之上的微机械梁薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，所述步骤B中高温退火处理的操作具体为：将基底温度升高至500～800℃，然后自然冷却至室温。

4.根据权利要求1所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，在步骤B之前还包括：

步骤B₀：在经步骤A处理得到的目标图案表面形成与之尺寸、形状相同的金属钛层。

5.根据权利要求4所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，所述金属钛层的厚度为5～10nm。

6.根据权利要求1所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，所述牺牲层材料为二氧化硅层。

7.根据权利要求6所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为1～3μm。

8.根据权利要求1所述的一种降低微机械梁薄膜应力的方法，其特征在于，金层的生长速率优选为0.6～1埃/秒。