mems微悬臂梁可靠性研究现状

1MEMS 微悬臂梁可靠性研究现状论文 关键词：MEMS 微悬臂梁 可靠度论文摘要： MEMS(Micro-electronics Mechanical System)的可靠性已经成为它能否成功地实现产品化的一个重要问题。多晶硅微悬臂梁是 MEMS 中的一个基本结构，作为机电结合的元件，在MEMS 中具有不可替代的位置。本文就近年来国内外所开展的有关多晶硅微悬臂梁的在多种失效机理下可靠性研究情况进行了综述，并对今后这一领域的研究方向进行了展望。Key words: MEMS; micro-cantilever; reliabilityAbstract: The reliability of MEMS is a key problem for its commercial application. Polysilicon microcantilevers is a basic structure, as a combination of mechanical and electrical components, place an irreplaceable part in MEMS. In this paper, at home and abroad in recent years carried out by the relevant silicon micro-cantilever in a variety of the failure mechanism under the reliability of the research are reviewed, The prospective research directions of the Reliability for polysilicon microcantilever in the future are forecasted.21 引言 微 电子 机械系统简 称 MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)已广泛用于国防、医疗、航空航天、汽车等领域，如今人们已不满足于 MEMS 某些系统功能的实现，而更多地关注 MEMS 结构的优化设计、工作的稳定性和可靠性等问题。这就对所用的材料、结构力学的性能检测和破坏机理的研究提出了新的要求。微机构的材料特性，包括残余应力、应变、弹性变量、硬度、抗拉强度、热导率和热扩散率等，是决定微机械特性的重要参数。悬臂梁是MEMS 器件中常见的可动结构，作为机电结合的元件，在MEMS 中具有不可替代的位置。MEMS 器件在工作时会受到静电力或其它静态载荷的作用，同时器件在存储、运输和使用的过程中也将受到不同程度的冲击和碰撞，在冲击作用下，MEMS 器件可能会发生断裂、分层和粘附等问题。由于MEMS 器件中的悬臂梁尺寸很小，梁与衬底间距仅为零点几至几个微米，而且长度远大于厚度，在使用过程中结构刚度降低，在外界力的作用下很容易使梁变形向衬底弯曲，当外界作用力消失以后，他们仍然粘连在一起不能分离，导致器件粘附失效。又因微悬臂梁通常具有某一个方向的尺寸远小于其它 2 个方向的尺寸的特征, 这时其表面和界面将发生一些物理现象的变化, 薄膜的电、热输运特性表现出尺寸效应, 控制其力学特性的主要参量不再是其微结构, 而是其尺寸的约束 1。因此材料的弹性模量和强度同样是影响微悬臂梁3可靠性能的因素。虽然产生粘附的主要原因是表面力的作用，如表面张力、静电力、范德华力(van der Waals，vdw)、casimir力等,但因接触面间的表面张力能产生很强的粘附，但可以通过一些工艺手段适当除去，如用具有低表面能的憎水性的分子膜覆盖表面，降低环境中相对湿度的影响等；中性物体间的静电力在空气中长时间放置可充分放电而消除。而范德华力是广泛存在的分子间作用力，无法完全消除，当其他表面力减至忽略不计时，范德华力对微机械表面粘附的影响将占主导地位，尤其当器件尺寸减小到纳米量级时，对器件工作性能的影响不可忽略2-7。为确保 MEMS 器件能够正常工作，研究 MEMS 微悬臂梁的可靠性对成功地设计开发产品，无疑是非常重要的。2 微悬臂梁的特点多晶硅材料资源充足而且具有良好的电学特性，常用于 MEMS 器件中。微悬臂梁是MEMS 器中一个应用很广的结构，作为 MEMS 机电耦合的关键元件，常用于 MEMS 传感器与执行器，它的可靠性对整个器件乃至系统都有很大的影响，这里选择表面微机械加工制成的多晶硅微悬臂梁进行可靠性研究。表面微加工器件由三种典型的部件组成：牺牲层（也称为空隙层）部分；微结构层部分；绝缘层部分。牺牲层通常是通过 LPCVD 技术将磷硅玻璃（PSG）或者 SiO2 沉积在基底上形成。在 HF 腐蚀剂中，PSG 的腐 蚀速度比 SiO2 快得多。它以薄膜形式存在时长度可达 2000m，厚度可以达到 0.10.5m 微结构层和绝4缘层都可以在薄膜上沉积，多晶硅是一种很普遍的沉积材料。牺牲层的腐蚀速率必须要比其他两部分的腐蚀速率高。先将PSG 沉积 在硅基底表面；再制作覆盖在 PSG 表面的，用于接下来腐蚀形成将来悬臂梁连接部分的掩膜，通过掩膜，由多晶硅微结构材料沉积形成微结构；腐蚀掉上一步保留下来的PSG 后，以形成符合要求的悬臂梁。最后一步腐蚀牺牲层。最匹配的腐蚀剂是 1：1 的 HF，即 1：1 的 HF：H2O+1:1 的 HC1: H2O。腐蚀完成后，将 该结构用去离子水彻底清洗，并放置于红外灯下烘干8-10 。用该腐蚀剂腐蚀不同材料有不同的腐蚀速率。如图 1 所示11。图 1 多晶硅微悬臂梁结构示意图Fig.1 Poly silicone micro-cantilever3 MEMS 微悬臂梁可靠性国内外的研究现状首先分析多晶硅微悬臂梁的失效机理,冲击断裂是导致器件失效的一个重要原因；由于尺寸效应，微梁同基座间的粘着力，对 MEMS 性能及可靠性至关重要，成为严重阻碍 MEMS 进入市场的关键因素之一；考虑了由于实际加工工艺所带来的残余应力因素，多晶硅微悬臂梁在轴向拉伸和垂直两种受力方式下的断裂分析；构件的有效表面积和有效体积的尺寸效应对多晶硅微悬臂梁的失效断裂强度的影响。3.1 冲击环境下的可靠性分析关于冲击可靠性的问题已有大量研究，德国的 UWagner 等人对压力计等结构做了冲击实验，得出了最大应力理论是比较符合冲击条件下的失效理论，并且根据实验统计，可靠度服从 Weibu 分布；2005 年，美国5Sandia 实验室的 MichaelSBaker 等人做了一份器件冲击可靠性的实验报告12。第一次对加电的器件做冲击试验，冲击结果是器件在 7200g 的大冲击下仍然可以正常工作。利用应力一强度干涉理论建立了可靠度模型。并设计了微悬臂梁测试样品，进行了冲击试验。初步验证了理论模型的有效性。应力一强度可靠性模型是根据推导或假设的随机变量的概率分布，包括应力和强度的分布，进行结构可靠性分析，从而得出失效模型。图 213分别给出了应力和强度的概率密度函数曲线。图中的阴影部分是两个曲线的重叠部分，称为干涉区，它是结构可能出现失效的区域。图 2 应力强度干涉模型 Fig2 Stressstrength interference model 在分析了断裂失效机理的前提下，使用应力一强度干涉理论建立了冲击环境下的断裂可靠度模型。针对上述模型，设计了微悬臂梁测试样品。通过使用高精度电子显微镜测量了悬臂梁的尺寸，拟合出了尺寸误差的分布曲线，得到可靠度理论曲线。通过冲击实验，统计出各个加速度下的可靠度值。并与理论值进行了比较，结果表明两者总体趋势基本一致14-16 。3.2 微悬臂梁的粘附失效可靠性分析针对 MEMS 中典型的微机械结构 多晶硅微悬臂梁的粘附失效问题，利用挠度理论和宏观机械可靠性中的应力一强度干涉理论，预测了梁在外载荷下的粘附可靠度，对 MEMS 器件的设计有一定的 参考 意义在这个预测模型中，为了简化问题做了一些近似处理，多晶硅悬臂梁的6粘附受到很多外界条件的影响，其可靠性预测模型的建立也将非常复杂，影响其精度的因素很多，还需要实验的进一步验证。残余应力对材料的力学性能具有极大的影响。MEMS 领域中, 一般以尺度在微米量级的各种硅类薄膜作为结构部件, 如果膜内存在较大的残余应力, 就会导致薄膜发生翘曲、褶皱、断裂等失效形式, 严重影响 MEMS 器件的生产成本、工作性能和使用寿命。因此, 研究残余应力的产生根源、测量技术以及控制技术对于 MEMS 器件设计加工、工艺改进与优化等具有极其重要的意义, 应该引起 MEMS 研究人员的足够重视。分析了多晶硅微悬臂梁断裂失效机理，利用威布尔分布理论建立了多晶硅微悬臂梁在轴向拉抻和垂直两种受力方式下的断裂可靠性预测模型，模型考虑了由于实际加工工艺所带来的残余应力因素，模型所得的预测曲线与实验数据比较吻合17-21。 3.3 断裂失效强度的尺寸效应分析为了了解构件尺寸的微型化给材料的强度和弹性模量带来的影响, 利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲实验来测量其力学特性。该方法可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲形变, 但必须考虑压头在微悬臂梁上的压入及微悬臂沿宽度方向的挠曲。试验研究表明, 多晶硅微悬臂梁的平均弹性模量为 156 GPa (4. 52 9.83)GPa, 其失效断裂强度表现出对构件有效体积和表面积的尺寸效应。随着构件的有效表面积与有效体积比值的增加, 其断裂失效强度增高。由此得出, 多晶硅微7悬臂梁的失效断裂强度表现出对构件有效表面积和有效体积的尺寸效应。由实验测得的失效强度得到 K C= 1. 62M Pa M1/2 的缺陷尺寸 a 为 58 117 nm。由实验测得的失效强度 计算 出的 a 为 58 117 nm , 此数值与表面粗糙度相当,稍小于多晶硅膜的晶粒尺寸 100 200 nm , 因此,表面粗糙度、表面能及晶粒尺寸对多晶硅微悬臂梁强度有很大影响, 其尺寸效应的微观机理需要进一步研究22-26。3.4 范德华力对微悬臂梁抗粘附稳定性的分析范德华力对硅基微悬臂梁抗粘附稳定性的影响通过在硅微悬臂梁与基底表面上涂覆低表面能的憎水性 OTS(CH(CH：)SIC13) 膜，以除去接触面间的表面张力；把梁与基底均接地，以除去接触面间的静电力，研究仅有范德华力作用时，硅微悬臂梁结构的抗粘附稳定性。根据两接触面均为粗糙表面的微观实际接触模型，在接触表面产生塑性变形的情况下， 计算 范德华粘附能大小，并分析表面形貌对其影响，得到粗糙表面接触的微梁抗粘附临界长度27,28。4 展望随着新 MEMS 和微系统产品的产生，这些产品的市场扩展非常迅速。不仅广泛应用于 工业 领域，MEMS 在生物医学和基因工程等其他领域的应用正以令人惊异的速度显现。如今人们已不满足于 MEMS 某些系统功能的实现，而更多地关注 MEMS 结构的优化设计、工作的稳定性和可靠性等问题。对于 MEMS 微悬臂梁可靠性研究还是一个难点，还有待进一步的突破。目前的研究大多都是基于单个8影响因素的研究，并未对影响微悬臂梁的综合因素进行全面的研究。可利用挠度理论和宏观机械可靠性中的应力一强度干涉理论,并应用 Ansys 软件和 Matlab 软件对微悬臂梁的可靠性进行进一步的分析研究。 由于材料或结构的力学性能对于 MEMS 的设计、加工和可靠性有着非常重要的影响, 随着MEMS 的 发展 , 这些测试方法也需要进一步完善, 并逐步实现标准化。参考文献 ：1 Arzt E. 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