Вызванная анкерами локальная эволюция напряжений и предсказание деформации в MEMS‑структурах на SOI

Почему крошечные опоры могут искривлять крошечные механизмы

От смартфонов до подушек безопасности в автомобилях — множество устройств полагаются на микроскопические механизмы, выштампованные в кремниевых пластинах. Эти микроэлектромеханические системы, или MEMS, часто используют тонкие кремниевые балки, свисающие над зазором и закреплённые лишь по концам. Даже незначительное непреднамеренное изгибание таких подвешенных элементов может размыть изображение камеры, исказить показания датчика или изменить направление светового пучка. В этом исследовании выявлен скрытый источник такого изгиба и предложен способ предсказать и существенно уменьшить его, что поможет будущим MEMS работать точнее и надёжнее.

Маленькие чипы — большие проблемы напряжений

Многие высокопроизводительные MEMS создают на пластинах silicon‑on‑insulator (SOI), где тонкий «рабочий» слой кремния лежит на изолирующем слое оксида, а под ним — толстая кремниевая подложка. Такая архитектура ценится за механическую стабильность и используется в акселерометрах, гироскопах, датчиках давления и настраиваемых оптических компонентах. Тем не менее инженеры давно замечали, что после освобождения от пластины подвешенные балки и пластины часто прогибаются или выгибаются вверх на сотни нанометров. Это кажется крошечным, но для оптических устройств, работающих с длинами волн ближними по масштабу, даже доля такого смещения может ухудшить работу или привести к отказу. До настоящего времени такую деформацию обычно списывали на неопределённое «внутреннее напряжение» в тонком кремнии.

Анкеры как скрытые источники проблем

Авторы показывают, что главным виновником является не кремниевый лист, а анкеры, которые связывают его с погребённым оксидом. Во время высокотемпературной обработки SOI‑пластины кремний и оксид по-разному расширяются и сжимаются при нагреве и охлаждении. Такое несоответствие оставляет слой оксида сжатым, а кремниевый слой — растянутым. Пока всё остаётся связанным и не травлено, эти напряжения зафиксированы и в основном безвредны. Проблемы возникают, когда оксид избирательно удаляют для освобождения MEMS‑балок: небольшие участки оксида остаются в виде анкеров, по‑прежнему находясь под сильным сжатием. Эти анкеры стремятся расширяться в сторону, и, делая это, они давят на нижнюю часть кремниевых балок, передавая им напряжение и вызывая изгиб.

Как локальное толчкообразное действие превращается в глобальное изгибание

Чтобы превратить эту картину в инструмент проектирования, команда разработала простую механическую модель. Они рассматривают напряжённую область у каждого анкера как эффективный тонкий слой у нижней части балки, который вводит в неё сжимающее усилие и создаёт локальный изгибающий момент. Эта локальная зона изгиба распространяется лишь на небольшое характерное расстояние вдоль балки, после которого остальная часть балки ведёт себя более как жёсткий рычаг, просто поворачивающийся. Исходя из этой идеи, они вывели компактные формулы для максимального прогиба как для кантилеверов (закреплённых на одном конце), так и для двусторонне закреплённых балок. Удивительно, что для кантилеверов предсказанный прогиб растёт линейно с длиной, а не по степенной зависимости, ожидаемой для обычных задач нагружения из учебников, а у двусторонне закреплённых балок наблюдается резкий рост прогиба по мере приближения к пределу, похожему на потерю устойчивости (buckling).

Видеть и измерять скрытое напряжение

Чтобы проверить, действительно ли анкеры вызывают деформацию, исследователи совместили компьютерное моделирование с детальными экспериментами. С помощью микро‑Раман‑спектроскопии — по сути считывания крошечных сдвигов в цвете рассеянного лазерного света — они картировали напряжение на поверхности подвешенных пластин. Измерения показали чёткий переход от растягивающего напряжения в зоне анкера к сжимающему напряжению в свободных, подвешенных частях, что соответствует картине переноса напряжения из оксида в кремниевую балку, предложенной моделью. Затем они измеряли, как реально изгибаются микромостики и кантилеверы после освобождения, и сравнивали результаты с их уравнениями и конечно‑элементными моделями. Для множества размеров и форм предсказания и измерения согласовывались примерно в пределах десяти процентов, подтверждая, что простая модель улавливает существенную физику процесса.

Проектирование балок, сохраняющих плоскостность

Вооружённые этим пониманием, авторы предложили практический способ: изолирующую от напряжений балку, размещённую между анкером и основной функциональной структурой. В такой компоновке изолирующая балка ориентирована так, чтобы поглощать большую часть сжимающего напряжения и изгиба, индуцируемых анкером, в то время как центральное устройство остаётся в значительной степени без напряжений и плоским. Моделирование показало, что сжимающее напряжение концентрируется внутри изолирующей балки, а измерения на изготовленных образцах подтвердили, что основные балки почти не смещаются. В одном случае первоначальный подъём вверх длинной двусторонне закреплённой балки сократился примерно на 93 процента — с сотен нанометров до всего лишь нескольких десятков.

Что это значит для будущих крошечных машин

Проследив нежелательный изгиб до сжатого оксида в анкерах, эта работа преобразует загадочную проблему надёжности в предсказуемый, управляемый параметр проектирования. Вместо того чтобы рассматривать деформацию как неприятный сюрприз, обнаруживаемый после изготовления, инженеры теперь могут оценивать, насколько прогнётся MEMS‑балка, корректировать размеры, чтобы оставаться в безопасном допуске, или добавлять изоляционные элементы, чтобы блокировать напряжение до того, как оно достигнет критических компонентов. Те же идеи применимы к разным SOI‑технологиям и даже к другим тонкоплёночным материалам на оксиде. По мере того как MEMS‑устройства движутся к всё более строгим допускам — для более точных датчиков, более плоских оптических зеркал и более стабильных резонаторов — эта ориентированная на анкеры схема даёт ясный путь к сохранению прямолинейности и стабильности крошечных структур.

Цитирование: Hui, D., Meng, X., Ding, J. et al. Anchor-induced localized stress evolution and deformation prediction in SOI MEMS structures. Microsyst Nanoeng 12, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01277-2

Ключевые слова: деформация MEMS, кремний-на-оксиде (SOI), остаточные напряжения, мирокантилеверные балки, конструкция анкера