西工大破解SOI-MEMS微結構釋放工藝后的變形之謎

MEMS 2026-06-12 07:11

2026 Siemens EDA Forum 七大核心環節全景解析 4周搞定BLE/Wi?Fi/NFC，從選型到首例工程

基于SOI工藝制備MEMS微結構為何會變形？破解SOI-MEMS微結構釋放工藝后變形之謎：西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室黎永前教授團隊揭示錨點應力傳遞新機制。

論文摘要圖

在基于SOI工藝制備的MEMS器件中，懸臂梁、固支梁等微結構是實現傳感、驅動和光學調制功能的關鍵單元。實際制備微結構釋放工藝后，這些可動結構經常會出現翹曲或彎曲變形，嚴重影響器件性能或者降低器件成品率。對于MEMS傳感器，結構變形會降低靈敏度和穩定性；對于光學MEMS執行器，微鏡或調制結構的翹曲或彎曲變形可能引起波前畸變、衍射效率下降和調制深度漂移，最終影響器件的工作精度和長期可靠性。

據麥姆斯咨詢報道，近日，西北工業大學黎永前教授團隊在SOI-MEMS微結構應力產生機制研究方面取得新進展。團隊揭示了基于SOI工藝制備的MEMS微結構在釋放后發生翹曲變形的新機制，為MEMS器件的形變預測、結構優化和可靠性提升提供了新的理論依據和設計思路。相關成果以“Anchor-Induced Localized Stress Evolution and Deformation Prediction in SOI MEMS Structures”為題，發表于MEMS領域國際期刊Microsystems & Nanoengineering。西北工業大學機電學院博士生惠大泰為論文第一作者。

圖1 錨點誘導應力傳遞與變形機制

黎永前教授團隊提出了SOI-MEMS結構中“錨點誘導局域應力”的產生與傳遞機制。研究發現，在SOI微結構釋放過程中，埋氧層錨點區域中原本存在的殘余壓應力會通過界面傳遞到器件層，并在可動結構附近形成局部應力集中。該過程可概括為“錨點擴張—界面應力傳遞—局域彎矩形成”三個階段，最終導致懸臂梁、固支梁等微結構發生翹曲變形。

圖2 梁變形解析模型示意圖及所提出模型預測的梁撓度對比

在機理分析的基礎上，團隊進一步建立了面向SOI微結構的錨點誘導形變預測模型。該模型引入等效厚度和特征長度兩個關鍵參數，將錨點局域應力場等效為作用于結構的壓縮載荷和局域彎矩，從而可以預測微結構應力變形結果。研究結果表明，錨點誘導變形規律與傳統梁理論存在明顯差異：懸臂梁的撓度隨梁的長度近似線性變化，而雙端固支梁則表現出非線性預屈曲特性。

圖3 拉曼應力測試得到的雙端固支板表面應力分布

為驗證上述機制，研究團隊制備了雙端固支板、固支梁和懸臂梁等典型SOI-MEMS測試結構，并結合微拉曼應力測試、有限元仿真和三維形貌測量開展系統驗證。實驗結果、仿真結果與理論模型預測結果吻合良好，平均相對誤差保持在10%以內，驗證了團隊所提出模型的有效性。為了克服這種應力傳遞機制導致的微梁結構的應力變形，團隊提出了應力隔離梁結構。該結構能夠將錨點誘導應力限制在局部隔離區域內，阻斷其繼續向梁結構區域傳遞。實驗結果表明，采用這種應力隔離梁結構后，180 μm固支梁結構的最大變形450 nm降低至約30 nm，變形抑制幅度接近93%，顯著提高了微結構的平整度和穩定性。