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硅是微机电系统(MEMS: Microelectromechanical Systems)中最常用的功能结构材料之一,其疲劳特性在硅基MEMS可靠性中有着重要地位。通过疲劳试验数据和现象来认知硅疲劳是目前普遍采用的方法,但由于影响硅疲劳的因素繁多,因此效果并不理想。尽管对硅疲劳特性的研究已有二十载,在测试手段、疲劳寿命建模、疲劳机理等方面取得了一些进展,但没能给出广为接受的硅疲劳理论。本文着眼于提高单晶硅微结构的疲劳可靠性,着重研究了单因素——掺磷(一种常用的电活性杂质)——对单晶硅疲劳特性的影响。主要研究内容及结论如下:1.针对各向异性湿法体硅工艺的特点,设计了一种既新颖又经济的试样结构,利用有限元分析确定结构的尺寸;设计掩膜版和工艺流程,制备了六组不同掺磷浓度的试样;设计了一种简易的片外弯曲测试系统,通过调整和改进,整个系统的测试性能可满足使用要求。2.研究了杂质磷对单晶硅微梁弯曲强度的影响。由强度测试数据可知,掺磷对单晶硅微梁的弯曲强度有明显的增强作用。其作用机理为:杂质磷能提高部分原子键的断裂难度和产生新表面的能量。3.研究了杂质磷对单晶硅微梁弯曲疲劳特性的影响。首先根据强度信息确定疲劳加载应力,进行疲劳测试;然后建立疲劳断裂概率模型;最后由疲劳测试数据和疲劳模型拟合得到材料常数C和n,通过对C和n随掺磷浓度变化趋势的分析得知,掺磷对单晶硅的疲劳特性有比较明显的改善。其机理是:杂质磷能提高单晶硅阻碍裂纹萌生和扩展的能力。经上述研究,本文发现了掺磷对单晶硅强度及疲劳特性的影响规律,这对硅基MEMS的相关可靠性设计有一定的参考价值。