1、MEMS微懸臂梁可靠性研究現(xiàn)狀論文關(guān)鍵詞：ES微懸臂梁可靠度論文摘要：ES(ir-eletrnisehanialSyste)的可靠性已經(jīng)成為它能否成功地實現(xiàn)產(chǎn)品化的一個重要問題。多晶硅微懸臂梁是ES中的一個根本構(gòu)造，作為機電結(jié)合的元件，在ES中具有不可替代的位置。本文就近年來國內(nèi)外所開展的有關(guān)多晶硅微懸臂梁的在多種失效機理下可靠性研究情況進展了綜述，并對今后這一領(lǐng)域的研究方向進展了展望。Keyrds:ES;ir-antilever;reliabilityAbstrat:ThereliabilityfESisakeyprblefritserialappliatin.Plysilinirantil

2、eversisabasistruture,asabinatinfehanialandeletrialpnents,plaeanirreplaeablepartinES.Inthispaper,atheandabradinreentyearsarriedutbytherelevantsilinir-antileverinavarietyfthefailureehanisunderthereliabilityftheresearharerevieed,TheprspetiveresearhdiretinsftheReliabilityfrplysilinirantileverinthefuture

3、arefreasted.1引言微電子機械系統(tǒng)簡稱ES(irEletrehanialSystes)已廣泛用于國防、醫(yī)療、航空航天、汽車等領(lǐng)域，如今人們已不滿足于ES某些系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而更多地關(guān)注ES構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計、工作的穩(wěn)定性和可靠性等問題。這就對所用的材料、構(gòu)造力學的性能檢測和破壞機理的研究提出了新的要求。微機構(gòu)的材料特性，包括剩余應(yīng)力、應(yīng)變、彈性變量、硬度、抗拉強度、熱導(dǎo)率和熱擴散率等，是決定微機械特性的重要參數(shù)。懸臂梁是ES器件中常見的可動構(gòu)造，作為機電結(jié)合的元件，在ES中具有不可替代的位置。ES器件在工作時會受到靜電力或其它靜態(tài)載荷的作用，同時器件在存儲、運輸和使用的過程中也將受到不同

4、程度的沖擊和碰撞，在沖擊作用下，ES器件可能會發(fā)生斷裂、分層和粘附等問題。由于ES器件中的懸臂梁尺寸很小，梁與襯底間距僅為零點幾至幾個微米，而且長度遠大于厚度，在使用過程中構(gòu)造剛度降低，在外界力的作用下很容易使梁變形向襯底彎曲，當外界作用力消失以后，他們?nèi)匀徽尺B在一起不能別離，導(dǎo)致器件粘附失效。又因微懸臂梁通常具有某一個方向的尺寸遠小于其它2個方向的尺寸的特征,這時其外表和界面將發(fā)生一些物理現(xiàn)象的變化,薄膜的電、熱輸運特性表現(xiàn)出尺寸效應(yīng),控制其力學特性的主要參量不再是其微構(gòu)造,而是其尺寸的約束1。因此材料的彈性模量和強度同樣是影響微懸臂梁可靠性能的因素。雖然產(chǎn)生粘附的主要原因是外表力的作用，如

5、外表張力、靜電力、范德華力(vanderaals，vd)、asiir力等,但因接觸面間的外表張力能產(chǎn)生很強的粘附，但可以通過一些工藝手段適當除去，如用具有低外表能的憎水性的分子膜覆蓋外表，降低環(huán)境中相對濕度的影響等；中性物體間的靜電力在空氣中長時間放置可充分放電而消除。而范德華力是廣泛存在的分子間作用力，無法完全消除，當其他外表力減至忽略不計時，范德華力對微機械外表粘附的影響將占主導(dǎo)地位，尤其當器件尺寸減小到納米量級時，對器件工作性能的影響不可忽略2-7。為確保ES器件可以正常工作，研究ES微懸臂梁的可靠性對成功地設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品，無疑是非常重要的。2微懸臂梁的特點多晶硅材料資源充足而且具有良好的

6、電學特性，常用于ES器件中。微懸臂梁是ES器中一個應(yīng)用很廣的構(gòu)造，作為ES機電耦合的關(guān)鍵元件，常用于ES傳感器與執(zhí)行器，它的可靠性對整個器件乃至系統(tǒng)都有很大的影響，這里選擇外表微機械加工制成的多晶硅微懸臂梁進展可靠性研究。外表微加工器件由三種典型的部件組成：犧牲層也稱為空隙層部分；微構(gòu)造層部分；絕緣層部分。犧牲層通常是通過LPVD技術(shù)將磷硅玻璃PSG或者Si2沉積在基底上形成。在HF腐蝕劑中，PSG的腐蝕速度比Si2快得多。它以薄膜形式存在時長度可達2000，厚度可以到達0.10.5微構(gòu)造層和絕緣層都可以在薄膜上沉積，多晶硅是一種很普遍的沉積材料。犧牲層的腐蝕速率必需要比其他兩部分的腐蝕速率高

7、。先將PSG沉積在硅基底外表；再制作覆蓋在PSG外表的，用于接下來腐蝕形成將來懸臂梁連接部分的掩膜，通過掩膜，由多晶硅微構(gòu)造材料沉積形成微構(gòu)造；腐蝕掉上一步保存下來的PSG后，以形成符合要求的懸臂梁。最后一步腐蝕犧牲層。最匹配的腐蝕劑是1：1的HF，即1：1的HF：H2+1:1的H1:H2。腐蝕完成后，將該構(gòu)造用去離子水徹底清洗，并放置于紅外燈下烘干8-10。用該腐蝕劑腐蝕不同材料有不同的腐蝕速率。如圖1所示11。圖1多晶硅微懸臂梁構(gòu)造示意圖Fig.1Plysilineir-antilever3ES微懸臂梁可靠性國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀首先分析多晶硅微懸臂梁的失效機理,沖擊斷裂是導(dǎo)致器件失效的一個重要

8、原因；由于尺寸效應(yīng)，微梁同基座間的粘著力，對ES性能及可靠性至關(guān)重要，成為嚴重阻礙ES進入市場的關(guān)鍵因素之一；考慮了由于實際加工工藝所帶來的剩余應(yīng)力因素，多晶硅微懸臂梁在軸向拉伸和垂直兩種受力方式下的斷裂分析；構(gòu)件的有效外表積和有效體積的尺寸效應(yīng)對多晶硅微懸臂梁的失效斷裂強度的影響。3.1沖擊環(huán)境下的可靠性分析關(guān)于沖擊可靠性的問題已有大量研究，德國的Uagner等人對壓力計等構(gòu)造做了沖擊實驗，得出了最大應(yīng)力理論是比較符合沖擊條件下的失效理論，并且根據(jù)實驗統(tǒng)計，可靠度服從Eibu分布；2022年，美國Sandia實驗室的ihaelSBaker等人做了一份器件沖擊可靠性的實驗報告12。第一次對加電

9、的器件做沖擊試驗，沖擊結(jié)果是器件在7200g的大沖擊下仍然可以正常工作。利用應(yīng)力一強度干預(yù)理論建立了可靠度模型。并設(shè)計了微懸臂梁測試樣品，進展了沖擊試驗。初步驗證了理論模型的有效性。應(yīng)力一強度可靠性模型是根據(jù)推導(dǎo)或假設(shè)的隨機變量的概率分布，包括應(yīng)力和強度的分布，進展構(gòu)造可靠性分析，從而得出失效模型。圖213分別給出了應(yīng)力和強度的概率密度函數(shù)曲線。圖中的陰影部分是兩個曲線的重疊部分，稱為干預(yù)區(qū)，它是構(gòu)造可能出現(xiàn)失效的區(qū)域。圖2應(yīng)力強度干預(yù)模型Fig2Stressstrengthinterferenedel在分析了斷裂失效機理的前提下，使用應(yīng)力一強度干預(yù)理論建立了沖擊環(huán)境下的斷裂可靠度模型。針對上

10、述模型，設(shè)計了微懸臂梁測試樣品。通過使用高精度電子顯微鏡測量了懸臂梁的尺寸，擬合出了尺寸誤差的分布曲線，得到可靠度理論曲線。通過沖擊實驗，統(tǒng)計出各個加速度下的可靠度值。并與理論值進展了比較，結(jié)果說明兩者總體趨勢根本一致14-16。3.2微懸臂梁的粘附失效可靠性分析針對ES中典型的微機械構(gòu)造多晶硅微懸臂梁的粘附失效問題，利用撓度理論和宏觀機械可靠性中的應(yīng)力一強度干預(yù)理論，預(yù)測了梁在外載荷下的粘附可靠度，對ES器件的設(shè)計有一定的參考意義在這個預(yù)測模型中，為了簡化問題做了一些近似處理，多晶硅懸臂梁的粘附受到很多外界條件的影響，其可靠性預(yù)測模型的建立也將非常復(fù)雜，影響其精度的因素很多，還需要實驗的進一

11、步驗證。剩余應(yīng)力對材料的力學性能具有極大的影響。ES領(lǐng)域中,一般以尺度在微米量級的各種硅類薄膜作為構(gòu)造部件,假設(shè)膜內(nèi)存在較大的剩余應(yīng)力,就會導(dǎo)致薄膜發(fā)生翹曲、褶皺、斷裂等失效形式,嚴重影響ES器件的消費本錢、工作性能和使用壽命。因此,研究剩余應(yīng)力的產(chǎn)生根源、測量技術(shù)以及控制技術(shù)對于ES器件設(shè)計加工、工藝改進與優(yōu)化等具有極其重要的意義,應(yīng)該引起ES研究人員的足夠重視。分析了多晶硅微懸臂梁斷裂失效機理，利用威布爾分布理論建立了多晶硅微懸臂梁在軸向拉抻和垂直兩種受力方式下的斷裂可靠性預(yù)測模型，模型考慮了由于實際加工工藝所帶來的剩余應(yīng)力因素，模型所得的預(yù)測曲線與實驗數(shù)據(jù)比較吻合17-21。3.3斷裂失

12、效強度的尺寸效應(yīng)分析為了理解構(gòu)件尺寸的微型化給材料的強度和彈性模量帶來的影響,利用納米硬度計通過微懸臂梁的彎曲實驗來測量其力學特性。該方法可準確測量微懸臂梁納米級彎曲形變,但必須考慮壓頭在微懸臂梁上的壓入及微懸臂沿寬度方向的撓曲。試驗研究說明,多晶硅微懸臂梁的平均彈性模量為156GPa(4.529.83)GPa,其失效斷裂強度表現(xiàn)出對構(gòu)件有效體積和外表積的尺寸效應(yīng)。隨著構(gòu)件的有效外表積與有效體積比值的增加,其斷裂失效強度增高。由此得出,多晶硅微懸臂梁的失效斷裂強度表現(xiàn)出對構(gòu)件有效外表積和有效體積的尺寸效應(yīng)。由實驗測得的失效強度得到K=1.62Pa1/2的缺陷尺寸a為58117n。由實驗測得的失

13、效強度計算出的a為58117n,此數(shù)值與外表粗糙度相當,稍小于多晶硅膜的晶粒尺寸100200n,因此,外表粗糙度、外表能及晶粒尺寸對多晶硅微懸臂梁強度有很大影響,其尺寸效應(yīng)的微觀機理需要進一步研究22-26。3.4范德華力對微懸臂梁抗粘附穩(wěn)定性的分析范德華力對硅基微懸臂梁抗粘附穩(wěn)定性的影響通過在硅微懸臂梁與基底外表上涂覆低外表能的憎水性TS(H(H：)SI13)膜，以除去接觸面間的外表張力；把梁與基底均接地，以除去接觸面間的靜電力，研究僅有范德華力作用時，硅微懸臂梁構(gòu)造的抗粘附穩(wěn)定性。根據(jù)兩接觸面均為粗糙外表的微觀實際接觸模型，在接觸外表產(chǎn)生塑性變形的情況下，計算范德華粘附能大小，并分析外表形

14、貌對其影響，得到粗糙外表接觸的微梁抗粘附臨界長度27,28。4展望隨著新ES和微系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)生，這些產(chǎn)品的市場擴展非常迅速。不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，ES在生物醫(yī)學和基因工程等其他領(lǐng)域的應(yīng)用正以令人驚異的速度顯現(xiàn)。如今人們已不滿足于ES某些系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而更多地關(guān)注ES構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計、工作的穩(wěn)定性和可靠性等問題。對于ES微懸臂梁可靠性研究還是一個難點，還有待進一步的打破。目前的研究大多都是基于單個影響因素的研究，并未對影響微懸臂梁的綜合因素進展全面的研究?？衫脫隙壤碚摵秃暧^機械可靠性中的應(yīng)力一強度干預(yù)理論,并應(yīng)用Ansys軟件和atlab軟件對微懸臂梁的可靠性進展進一步的分析研究。由于材料或

15、構(gòu)造的力學性能對于ES的設(shè)計、加工和可靠性有著非常重要的影響,隨著ES的開展,這些測試方法也需要進一步完善,并逐步實現(xiàn)標準化。參考文獻：1ArztE.SizeEffetsinaterialsDuetirstr2uturalandDiensinalnstraints:AparativeRevieJ.Ataaterial,1998,46(16):5611-56262FrankD，artenPD，JaesAKTherlefvanderaalsfresinadhesinfirehanissurfaesJNatureaterials，2022，4：629-33astrangelH，HsuHAsiplee

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