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1、MEMS微懸臂梁可靠性研究現(xiàn)狀 論文關(guān)鍵詞：MEMS 微懸臂梁 可靠度 論文摘要：MEMS(Micro-electronicsMechanicalSystem)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MEMS中的一個基本結(jié)構(gòu)，作為機(jī)電結(jié)合的元件，在MEMS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(jī)理下可靠性研究情況進(jìn)行了綜述，并對今后這一領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望?！ eyicro-cantilever;reliability Abstract:Therel
2、iabilityofMEMSisakeyproblemforitsmercialapplication.Poly—siliconmicro—cantileversisabasicstructure,asabinationofmechanicalandelectricalponents,placeanirreplaceablepartinMEMS.Inthispaper,athomeandabroadinrecentyearscarriedoutbytherelevantsiliconmicro-cantileverinavarie
3、tyofthefailuremechanismunderthereliabilityoftheresearcharerevieicro—cantileverinthefutureareforecasted. 1引言 微電子機(jī)械系統(tǒng)簡稱MEMS(MicroElectro—MechanicalSystems)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MEMS某些系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而更多地關(guān)注MEMS結(jié)構(gòu)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、結(jié)構(gòu)力學(xué)的性能檢測和破壞機(jī)理的研究提出了新的要求。微機(jī)
4、構(gòu)的材料特性，包括殘余應(yīng)力、應(yīng)變、彈性變量、硬度、抗拉強度、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率等，是決定微機(jī)械特性的重要參數(shù)。懸臂梁是MEMS器件中常見的可動結(jié)構(gòu)，作為機(jī)電結(jié)合的元件，在MEMS中具有不可替代的位置。MEMS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程度的沖擊和碰撞，在沖擊作用下，MEMS器件可能會發(fā)生斷裂、分層和粘附等問題。由于MEMS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(yuǎn)大于厚度，在使用過程中結(jié)構(gòu)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(dāng)
5、外界作用力消失以后，他們?nèi)匀徽尺B在一起不能分離，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(yuǎn)小于其它2個方向的尺寸的特征,這時其表面和界面將發(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(xué)特性的主要參量不再是其微結(jié)構(gòu),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表面力的作用，如表面張力、靜電力、范德華力(vanderEMS器件能夠正常工作，研究MEMS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
6、材料資源充足而且具有良好的電學(xué)特性，常用于MEMS器件中。微懸臂梁是MEMS器中一個應(yīng)用很廣的結(jié)構(gòu)，作為MEMS機(jī)電耦合的關(guān)鍵元件，常用于MEMS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，這里選擇表面微機(jī)械加工制成的多晶硅微懸臂梁進(jìn)行可靠性研究。表面微加工器件由三種典型的部件組成：①犧牲層（也稱為空隙層）部分；②微結(jié)構(gòu)層部分；③絕緣層部分。犧牲層通常是通過LPCVD技術(shù)將磷硅玻璃（PSG）或者SiO2沉積在基底上形成。在HF腐蝕劑中，PSG的腐蝕速度比SiO2快得多。它以薄膜形式存在時長度可達(dá)2000μm，厚度可
7、以達(dá)到0.1～0.5μm微結(jié)構(gòu)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須要比其他兩部分的腐蝕速率高。先將PSG沉積在硅基底表面；再制作覆蓋在PSG表面的，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，由多晶硅微結(jié)構(gòu)材料沉積形成微結(jié)構(gòu)；腐蝕掉上一步保留下來的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：H2O+1:1的HC1:H2O。腐蝕完成后，將該結(jié)構(gòu)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
8、的腐蝕速率。如圖1所示[11]。圖1多晶硅微懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Polysiliconemicro-cantilever 3MEMS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(jī)理,沖擊斷裂是導(dǎo)致器件失效的一個重要原因；由
