转移薄膜铌酸锂中的梯度残余应力及其利用周期性极化压电双层结构的补偿方法

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Gradient Residual Stress in Transferred Thin-Film Lithium Niobate and Its Compensation Using Periodically Poled Piezoelectric Bilayers

　　摘要：在本工作中，我们利用悬臂梁曲率分析实验研究了厚度从 100 至 460nm 的 128° Y 切转移薄膜铌酸锂（TFLN）薄膜中的梯度应力（σ?）。结果显示，σ?强烈依赖于晶向和薄膜厚度，对于 220–460nm 薄膜，无应力方向约为 55°和 125°，而对于 100nm 薄膜，则偏移至约 20°和 160°。提取的归一化 σ?范围为 -0.1 至 3.4MPa/nm（100nm）、-0.8 至 0.34MPa/nm（220nm）以及 -0.12 至 0.08MPa/nm（460nm），表明存在显著的沿厚度方向且依赖于厚度的应力梯度。有限元模拟与测量结果显示出极好的一致性，验证了基于曲率的提取方法，并证实 σ?源于依赖于晶向的残余应力梯度。为缓解此效应，研究了一种具有相反晶向的双层 TFLN 结构，该结构形成周期极化压电薄膜（P3F），从而实现 σ?的部分抵消。90/110nm 的 P3F 双层结构将等效归一化 σ?降低至 -0.4 至 -0.04MPa/nm，从而显著减少变形。这些结果确立了通过晶向、厚度及双层设计进行梯度应力工程是实现机械稳定且可扩展的 TFLN 微机电系统（MEMS）器件的有效策略。[2026-0054]