摘要:
隨著(zhù)微電子機械系統(MEMS)消費市場(chǎng)的不斷增長(cháng)，微器件的可靠性問(wèn)題將是未來(lái)數年MEMS研究面臨的新挑戰。針對國內外近年來(lái)在微機械失效方面的主要研究?jì)热?，綜述了基于MEMS工藝微機械的主要失效形式、失效機理和失效預防措施的最新研究成果和主要研究方法，著(zhù)重總結了微機械的斷裂、疲勞、磨損、黏附和蠕變等失效形式，并分析了這些失效形式對微器件的功能和性能的影響以及對這些失效的預防措施，通過(guò)結構優(yōu)化、器件設計和加工質(zhì)量控制等措施可降低失效的發(fā)生，提高可靠性。最后總結了微機械失效分析中存在的主要問(wèn)題和以后的發(fā)展方向，提出建立通用的失效預測模型、標準的可靠性測試方法是未來(lái)微機械失效分析的研究重點(diǎn)。
0引言
隨著(zhù)微電子機械系統(micro-electromechanicalsystem，MEMS)在信息通信、航空航天、醫療生物、國防安全等領(lǐng)域的廣泛應用，與其性能和壽命相關(guān)的失效研究顯得越來(lái)越重要。近年來(lái)，微機械在新工藝開(kāi)發(fā)和新裝置研制上已取得長(cháng)足發(fā)展，但對可靠性和失效的研究還在持續進(jìn)行中，一個(gè)成功的微器件，在設計階段就應考慮潛在的失效形式。關(guān)于微機械失效的測試方法和檢驗數據目前較少，因微機械的失效和可靠性研究還缺少統一的標準和規范，對其研究是MEMS使用者最關(guān)心的問(wèn)題之一，也是研究者高度重視的研究方向。
微尺度下，微機械表現出來(lái)的表面效應、尺度效應、隧道效應都遠遠超出宏觀(guān)物理規律范疇，宏觀(guān)機電系統的失效分析方法、失效機理和失效形式不能完全指導和解釋微機械的可靠性研究與失效分析。因此，研究微機械可能出現的失效形式，提出相關(guān)失效分析技術(shù)，為可靠性分析提供保障和依據十分必要。本文綜述了微機械易發(fā)生的共性失效形式、失效機理和失效預防措施方面的國內外研究現狀，分析了失效研究面臨的問(wèn)題和發(fā)展方向。
1疲勞失效
1.1疲勞失效機理
材料在長(cháng)時(shí)間交變載荷或恒定載荷作用下發(fā)生疲勞，易出現強度下降、塑性變形和彈性常數變化的現象。強度下降造成器件疲勞斷裂，功能突然失效;塑性形變和彈性常數變化引起器件零點(diǎn)漂移和靈敏度改變，這些都是高可靠性器件必須避免的問(wèn)題。疲勞與溫度、濕度、表面形貌和應力有關(guān)，通常發(fā)生在器件高應力集中區或裂紋處。目前對疲勞的失效機理還沒(méi)有形成統一的認識，以下3種失效機理最具代表性:第一，反應層疲勞機制，有凹槽器件的固有氧化層在疲勞加載中逐漸加厚，氧化層上形成裂紋，在亞臨界裂紋的擴展作用下，氧化層上的裂紋逐漸擴展最終導致器件斷裂;第二，在高周疲勞循環(huán)應力和應力腐蝕作用下，由于器件表面粗糙度不同而出現亞臨界裂紋擴展現象，導致器件發(fā)生疲勞失效;第三，應力腐蝕開(kāi)裂引起的疲勞失效，器件的裂紋處在潮濕空氣中容易氧化，從而促使裂紋生長(cháng)，導致氧化面增大，裂紋快速擴展致使器件發(fā)生疲勞失效。因某些微致動(dòng)器需要將電能轉化為其他形式的能量，因此電致疲勞也是微機械疲勞研究的重要分支。
1.2微機械常用材料的疲勞失效
多晶硅是微機械的常用材料之一，常溫下多晶硅是脆性材料，其主要失效形式是斷裂失效，溫度升高后，多晶硅材料性能發(fā)生改變，以疲勞失效為主。疲勞壽命與輸入功率、器件幾何參數、驅動(dòng)電壓頻率和環(huán)境等因素均有關(guān)系。陳龍龍等人在測試多晶硅微簡(jiǎn)支微梁在高周循環(huán)下的疲勞特性時(shí)發(fā)現，器件在經(jīng)歷了1.72×10 11次循環(huán)之后，微梁的諧振頻率、振動(dòng)幅度發(fā)生了較大偏移，其諧振頻率的偏移量達14.531kHz，器件性能發(fā)生了嚴重的退化。因梁的有效剛度逐漸下降，同一電壓激勵下，隨著(zhù)循環(huán)次數的增多，導致輸出位移增大。Ｒ．A．Conant等人對冷熱臂電熱致動(dòng)器做疲勞測試時(shí)發(fā)現，輸入功率增大導致溫度升高，當致動(dòng)器的最高工作溫度超過(guò)多晶硅的脆－韌轉變溫度時(shí)，位移因熱臂發(fā)生塑性變形而減小了20%。兩種相反的位移變化說(shuō)明多晶硅在不同工況下的疲勞機理不盡相同。
硅也是微器件廣泛采用的材料，通常認為硅是脆性材料，不發(fā)生疲勞失效，而W．W．vanArsdell等人在試驗中發(fā)現了硅微器件也會(huì )發(fā)生疲勞現象，于是人們逐漸開(kāi)始了硅的疲勞失效研究。
1.3疲勞失效測試方法
疲勞測試主要采用電熱、靜電以及壓電等方式驅動(dòng)被測件在不同環(huán)境下工作，通過(guò)圖像對比或電容檢測等方法獲取位移，再計算應力，得到應力與循環(huán)次數的關(guān)系，從而預測疲勞壽命。測試方法包括:將MEMS工藝流片的試件加載在宏觀(guān)力學(xué)性能測試平臺上進(jìn)行拉伸或彎曲測試的片外測試法;利用MEMS工藝流片制作集驅動(dòng)、檢測為一體的疲勞性能綜合測試系統，直接在芯片上測試的片上測試法。
微器件在長(cháng)期循環(huán)應力作用下，諧振頻率隨疲勞而改變，可通過(guò)多普勒測振儀測量諧振頻率的變化，分析疲勞失效。韓磊等人對帶有凹槽和切口的微梁，用靜電驅動(dòng)進(jìn)行加速疲勞測試，發(fā)現梁在循環(huán)載荷下諧振頻率出現偏移，偏移量達15.618kHz，其相對變化量為9.15%，表明發(fā)生了疲勞失效。H．Kapels等人通過(guò)電熱激勵對梁施加軸向載荷，得到梁的循環(huán)次數與疲勞失效的關(guān)系。C．Kung等人通過(guò)施加不同頻率的周期電壓對電熱致動(dòng)器進(jìn)行長(cháng)期疲勞測試，發(fā)現可用宏觀(guān)的應力與循環(huán)次數關(guān)系估算致動(dòng)器的疲勞壽命。
1.4疲勞失效的預防措施
疲勞失效取決于器件的工況條件、加工工藝和材料內部本身的缺陷等多個(gè)方面。采用合理的加工工藝避免產(chǎn)生內部缺陷、減小器件表面粗糙度、合理設計器件結構、改善器件工作條件等措施均可預防器件疲勞失效的發(fā)生。
2斷裂失效
2.1斷裂失效機理
斷裂失效是應力超過(guò)斷裂強度或因疲勞產(chǎn)生裂紋直至斷裂的失效形式，如室溫下的韌性斷裂、脆性斷裂或晶間斷裂，高溫下的蠕變斷裂，循環(huán)載荷下的疲勞斷裂，載荷和應力共同作用下的應力腐蝕斷裂等。脆性斷裂和晶間斷裂是微器件的兩種主要斷裂方式。加速度計、微陀螺儀、微鏡、微傳動(dòng)件等有相對運動(dòng)的器件，由于過(guò)載、機械振動(dòng)、腐蝕、疲勞等原因經(jīng)常發(fā)生斷裂。
2.2斷裂失效的誘因
2.2.1過(guò)載、振動(dòng)
振動(dòng)在結構中產(chǎn)生較強的動(dòng)態(tài)載荷，引起構件的開(kāi)裂、碎裂或斷裂。D．M．Tanner等人測試了不同持續時(shí)間和振幅的脈沖式振動(dòng)工況下微引擎的工作情況，觀(guān)察到齒輪、錨點(diǎn)、連桿臂、銷(xiāo)軸和梳齒等破碎的機械部件。A．Beliveau等人測試了商用加速度計在70kg沖擊載荷下的響應時(shí)間與輸出信號的線(xiàn)性度，觀(guān)測到輸出信號的線(xiàn)性度發(fā)生了變化。M．I．Younis等人精確計算了微梁在不同加速度g值的振動(dòng)脈沖作用下的動(dòng)力學(xué)行為，計算結果表明載荷、振動(dòng)對微梁的動(dòng)力學(xué)特性有較大影響。以上研究均表明過(guò)載、振動(dòng)是引起斷裂失效的原因。
2.2.2腐蝕
腐蝕是材料與周?chē)镔|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應導致解體的現象，分為點(diǎn)蝕、晶界腐蝕和裂縫腐蝕，通常在材料表面發(fā)生，在器件局部集中出現，形成孔洞或裂紋，也可分布在較大的表面上。腐蝕與時(shí)間有關(guān)，是逐漸擴散的失效過(guò)程。Q．Zhang等人證實(shí)鎳微梁承受持續載荷的能力隨暴露在腐蝕性環(huán)境中的時(shí)間而減少，說(shuō)明腐蝕影響了微梁的使用壽命。器件凹口、溝道和臺階等位置更易形成腐蝕斷裂，腐蝕斷裂的斷面較為粗糙。
應變和腐蝕聯(lián)合作用形成應力腐蝕斷裂(stresscorrosioncracking，SCC)。硅暴露在空氣中表面易形成一層薄氧化層，拉應力作用下氧化層薄膜產(chǎn)生細微裂紋，空氣進(jìn)入細微裂紋后形成新的氧化硅層，拉應力使裂紋持續延伸，發(fā)生SCC。硅微器件可用描述玻璃斷裂的經(jīng)典SCC模型分析應力腐蝕斷裂失效，預測壽命。
2.3斷裂失效的預防措施
斷裂取決于初始裂紋、表面缺陷和內部應力。器件制造時(shí)材料內部會(huì )不可避免地產(chǎn)生缺陷，形成細微裂紋，退火工藝能有效改變器件的內部性能，減小斷裂的發(fā)生概率。另外，通過(guò)增加空氣阻尼、減小應力集中和初始裂紋、降低表面缺陷均能有效預防斷裂失效。
3磨損失效
3.1磨損失效機理
磨損指接觸表面因相對滑動(dòng)而引起的材料缺失現象，是有相對運動(dòng)的微器件普遍存在的失效形式。最大限度降低磨損乃至實(shí)現無(wú)磨損運動(dòng)，是保證微器件功能和壽命、提高可靠性的關(guān)鍵。微尺度下，分子作用力、接觸副變形、潤滑特性等對微機械的磨損影響很大。D．H．Alsem等人在室溫下測試了多晶硅器件在微牛頓級載荷下的磨損體積、表面形貌和壽命，發(fā)現磨損后器件表面不再光滑，發(fā)生變形。濕度會(huì )影響多晶硅微器件的磨損。D．M．Tanner等人研究了微傳動(dòng)機構在不同濕度下運行時(shí)的磨損，發(fā)現磨屑量與濕度有關(guān)，濕度越高，磨損越小，磨屑量越少，如圖1所示。其原因是高濕度下，器件表面覆蓋的氫氧化物薄膜起潤滑作用。分析磨粒的成分發(fā)現其主要成分是大小不等的氧化硅，沒(méi)有多晶硅，說(shuō)明磨損發(fā)生時(shí)，磨損產(chǎn)生的碎片很快發(fā)生氧化反應，從多晶硅材料中分離而形成磨屑。
3.2磨損失效的形成原因
3.2.1黏著(zhù)磨損
黏著(zhù)磨損的機理與黏附相同，所不同的是黏著(zhù)磨損在黏結處發(fā)生相對運動(dòng)。其特征在于器件的材料發(fā)生了彼此之間或一個(gè)表面向另一個(gè)表面的遷移，黏著(zhù)結點(diǎn)剪切深度越深、強度越高、磨損越嚴重。黏著(zhù)長(cháng)度、工作時(shí)間、溫度、濕度和滑動(dòng)速度是影響黏著(zhù)磨損的主要因素。D．M．Tanner等人提出了微致動(dòng)器黏著(zhù)磨損失效的預測模型。
3.2.2磨粒磨損
磨粒磨損指顆?；蛲蛊鹞锸共牧袭a(chǎn)生遷移而造成的磨損，是微機械中最重要的磨損損傷機制，具有一定的偶發(fā)性，判斷磨粒磨損的必要條件是存在硬質(zhì)磨粒并在摩擦表面上產(chǎn)生明顯的磨粒劃傷痕跡。由于工藝原因，微齒輪、微棘輪等旋轉器件側壁的粗糙度較大，轉子高速運轉時(shí)，微轉子和軸承輪轂間的間隙較小，轉子和輪轂頻繁接觸，易發(fā)生磨粒磨損。
近年來(lái)，基于能量法、疲勞斷裂法和彈塑性理論建立了磨損的計算模型。J．Halling引入疲勞臨界判據，考慮了粗糙度對變形及應力應變關(guān)系的影響，修正了AＲCHAＲD模型。X．J．Qiu等人考慮了磨損量對接觸表面的影響，基于能量法建立了磨損分析模型，推導出預測磨損的計算公式。孟永鋼等人設計的片上測試系統有效模擬了器件的摩擦磨損特性，得出微尺度下材料的硬度和彈性模量比宏觀(guān)值高，而微觀(guān)摩擦因數卻降低。
3.2.3腐蝕磨損
腐蝕磨損依賴(lài)于化學(xué)反應，化學(xué)作用使材料表面發(fā)生損傷，有腐蝕和氧化反應兩種損傷機制，易在微流體、生物MEMS等器件中發(fā)生。摩擦副之間存在腐蝕介質(zhì)是腐蝕磨損的必要條件，其特征是機械磨損和化學(xué)腐蝕同時(shí)存在并互相促進(jìn)。
3.3磨損失效檢測手段和預防措施
磨損后的表面高度比磨損前低，磨損產(chǎn)生的微粒不能完全用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀(guān)察到，將發(fā)生磨損的器件在橫截面處用聚焦離子束截開(kāi)，觀(guān)測材料的磨損。
微觀(guān)磨損研究的最終目的是減小磨損直至實(shí)現零磨損，通過(guò)在器件表面沉積Al2O3、類(lèi)金剛石(diamondlikecarbon，DLC)薄膜等固體薄膜或有機物薄膜，利用氣相潤滑等可減小磨損發(fā)生。
4黏附失效
4.1黏附失效機理
微尺度下，隨著(zhù)尺度減小和表面效應增強，器件的表面力將起主導作用，可動(dòng)件在外力作用下與基底接觸，若外力撤除后接觸不能在自身回彈力作用下恢復，則發(fā)生黏附。黏附影響器件的運動(dòng)重復性和穩定性，引起磨損、黏滑，甚至阻滯構件運動(dòng)。表面工藝制作的有移動(dòng)件的器件，由于濕法釋放工藝中不可避免的表面張力，更易發(fā)生黏附失效，圖2所示為梳齒驅動(dòng)器的黏附失效SEM照片。從物理機制和力學(xué)角度來(lái)看，黏附是微構件在系統驅動(dòng)力和表面力共同作用下的變形失穩現象。
4.2黏附失效的形成原因
由于工藝原因，微器件表面常存在單分子層水薄膜，器件移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生毛細力，SiO2等材料在自然狀態(tài)下是親水的，容易吸附空氣中的水分子，當可動(dòng)結構和其他表面接觸時(shí)，表面水分子層促使彎月面形成，表面毛細力增強，導致界面黏附。研究發(fā)現，毛細力引起的黏附能僅與浸濕表面積有關(guān)，與浸濕表面的距離無(wú)關(guān)［43］。張向軍等人針對微構件的黏附失效，采用Laplace公式結合微構件的變形分析，研究了毛細力作用下微構件的變形特性、失穩行為和表面形貌參數對黏附失效的影響，發(fā)現微構件存在不穩定臨界點(diǎn)和黏附行為發(fā)生點(diǎn)，提出了微構件黏附失效的預防措施。分子或原子間的范德華作用力是導致黏附的重要原因，范德華力的實(shí)質(zhì)是一種電性引力，分子的大小與范德華力呈正比，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。張建等人以懸臂梁為對象，考慮粗糙表面的實(shí)際接觸情況，得出范德華力作用下梁的抗黏附臨界長(cháng)度與范德華黏附能的四次方根呈反比，與梁厚度、彈性模量、梁和基底的初始間隙有關(guān)，與梁的本身厚度無(wú)關(guān)。此外，靜電力、化學(xué)鍵作用力等也是黏附的主要形成原因。
4.3黏附失效預防措施
黏附發(fā)生的本質(zhì)是接觸面的表面能，表面能越高，黏附越容易發(fā)生。因此，通過(guò)接觸表面改性來(lái)減小表面黏附能可有效預防黏附，如采用自組裝單c分子膜、氮化硅固體膜及表面疏水層等。設計方面，增加結構剛度、避免過(guò)大的跨度、設計防黏附凸塊均能有效避免黏附的發(fā)生。工藝方面，采用表面修飾、沉積抗黏附薄膜、干法刻蝕和CO2干燥均能預防黏附。另外器件封裝在適宜的工作環(huán)境中也能有效減少黏附。
5其他失效形式
5.1蠕變失效
蠕變是塑性材料在屈服強度下永久的、不可逆轉的變形，與溫度、機械應力、時(shí)間和材料成分有關(guān)。蠕變分初始蠕變、穩態(tài)蠕變和后期蠕變3個(gè)階段，蠕變的最終結果是斷裂。蠕變存在溫度閾值，根據閾值將蠕變分為高溫蠕變和低溫蠕變。高溫蠕變是與溫度有關(guān)的快速變形過(guò)程，低溫蠕變與時(shí)間呈對數遞減關(guān)系。K．Tuck等人證明溫度是蠕變的主要誘因，溫度對蠕變的影響大于應力?；谑锢韺W(xué)方法，利用有限元數值計算，可模擬器件的蠕變過(guò)程。
5.2應力和應變梯度引發(fā)的失效
控制釋放后結構層的應力和應變梯度是保證器件正常工作的關(guān)鍵，過(guò)大的壓應力會(huì )導致兩端固定的橋結構拱起，過(guò)大的拉應力會(huì )導致材料的開(kāi)裂，結構層的薄膜應力會(huì )造成諧振器諧振頻率的改變和靜電開(kāi)關(guān)導通電壓的變化。薄膜生長(cháng)中，應力隨薄膜厚度變化會(huì )產(chǎn)生應力梯度，釋放后的結構發(fā)生翹曲或塌陷，圖3為應變梯度為正時(shí)MEMS結構的翹曲。
5.3工作環(huán)境誘發(fā)的失效形式
外部環(huán)境變化或操作不當都會(huì )引發(fā)微機械失效，如外界的振動(dòng)和沖擊、溫度和濕度的變化以及外界雜質(zhì)進(jìn)入器件等均會(huì )引發(fā)失效。微機械的電介質(zhì)層很薄，操作電壓過(guò)高時(shí)易產(chǎn)生高電場(chǎng)，引發(fā)短路而失效，另外靜電放電、歐姆接觸引起的短路等都是引發(fā)器件失效的主要原因。圖4所示為幾種工作環(huán)境引發(fā)的失效形式。
6失效分析中存在的問(wèn)題和發(fā)展方向
微器件種類(lèi)繁多，功能各異，失效形式多，某一主導失效下經(jīng)常伴有其他類(lèi)型的失效，現有的失效分析主要針對特定結構的某一具體失效建立失效預測模型，所建模型不能完全指導器件的可靠性分析。失效建模多局限于采用傳統的失效建模分析思路，即根據已失效的產(chǎn)品反推分析，進(jìn)而考察產(chǎn)品的失效模式和失效機理，而這種失效分析思路顯然不適合生產(chǎn)加工工藝與普通機械零件有很大差異的微機械器件。國內外很多研究機構在MEMS失效建模方面做了大量的研究工作，如通過(guò)沖擊可靠性模型預測單自由度MEMS器件在半正弦加速度下失效的臨界沖擊值等，通過(guò)建立開(kāi)關(guān)在高沖擊下的碰撞數學(xué)模型，研究不同載荷條件下接觸力的變化情況，間接分析器件的失效等，其研究工作主要集中在對MEMS傳感器及其內部結構的失效建模方面。目前還沒(méi)有建立考慮多種失效并存的分析模型，如何建立綜合失效預測模型、分析不同類(lèi)型失效形式對器件壽命的影響權重將是以后失效建模方面的研究重點(diǎn)。
基于MEMS工藝微機械的失效測試主要借鑒IC器件，但其工作機理和工況條件與IC器件不盡相同，因此對基于MEMS工藝的微機械所特有的失效機理、檢測手段等方面還需更進(jìn)一步地研究。開(kāi)發(fā)適用于基于MEMS工藝微機械失效分析的專(zhuān)用測試設備、建立通用的測試程序也是亟待解決的問(wèn)題。
7結語(yǔ)
本文通過(guò)對近幾年國內外微機械失效研究現狀的分析，歸納總結了斷裂、疲勞、磨損、黏附和蠕變等主要失效形式。針對各種失效形式，給出了相應的失效機理和預防措施，并根據失效研究中存在的主要問(wèn)題，提出了微機械失效研究的發(fā)展方向。
