微機械失效研究現(xiàn)狀分析

引言

隨著微機電系統(tǒng) (MEMS) 在信息通信、航空航天、醫(yī)療生物、國防安全等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，與其性能和壽命相關(guān)的失效研究顯得越來越重要。近年來，微機械在新工藝開發(fā)和新裝置研制上已取得長足發(fā)展，但對可靠性和失效的研究還在持續(xù)進(jìn)行中，一個成功的微器件，在設(shè)計階段就應(yīng)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(shù)據(jù)目前較少，因微機械的失效和可靠性研究還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對其研究是MEMS使用者最關(guān)心的問題之一，也是研究者高度重視的研究方向。

微尺度下，微機械表現(xiàn)出來的表面效應(yīng)、尺度效應(yīng)、隧道效應(yīng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出宏觀物理規(guī)律范疇，宏觀機電系統(tǒng)的失效分析方法、失效機理和失效形式不能完全指導(dǎo)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(xiàn)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(jù)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(yù)防措施方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了失效研究面臨的問題和發(fā)展方向。

1 疲勞失效

1.1 疲勞失效機理

材料在長時間交變載荷或恒定載荷作用下發(fā)生疲勞，易出現(xiàn)強度下降、塑性變形和彈性常數(shù)變化的現(xiàn)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(shù)變化引起器件零點漂移和靈敏度改變，這些都是高可靠性器件必須避免的問題。疲勞與溫度、濕度、表面形貌和應(yīng)力有關(guān)，通常發(fā)生在器件高應(yīng)力集中區(qū)或裂紋處。目前對疲勞的失效機理還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，以下3種失效機理最具代表性：第一，反應(yīng)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(kuò)展作用下，氧化層上的裂紋逐漸擴(kuò)展最終導(dǎo)致器件斷裂；第二，在高周疲勞循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕作用下，由于器件表面粗糙度不同而出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，導(dǎo)致器件發(fā)生疲勞失效；第三，應(yīng)力腐蝕開裂引起的疲勞失效，器件的裂紋處在潮濕空氣中容易氧化，從而促使裂紋生長，導(dǎo)致氧化面增大，裂紋快速擴(kuò)展致使器件發(fā)生疲勞失效。因某些微致動器需要將電能轉(zhuǎn)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(shù)、驅(qū)動電壓頻率和環(huán)境等因素均有關(guān)系。陳龍龍等人在測試多晶硅微簡支微梁在高周循環(huán)下的疲勞特性時發(fā)現(xiàn)，器件在經(jīng)歷了1.72×10^11次循環(huán)之后，微梁的諧振頻率、振動幅度發(fā)生了較大偏移，其諧振頻率的偏移量達(dá)14.531kHz，器件性能發(fā)生了嚴(yán)重的退化。因梁的有效剛度逐漸下降，同一電壓激勵下，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，導(dǎo)致輸出位移增大。R. A. Conant等人對冷熱臂電熱致動器做疲勞測試時發(fā)現(xiàn)，輸入功率增大導(dǎo)致溫度升高，當(dāng)致動器的最高工作溫度超過多晶硅的脆－韌轉(zhuǎn)變溫度時，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(rèn)為硅是脆性材料，不發(fā)生疲勞失效，而W. W. van Arsdell等人在試驗中發(fā)現(xiàn)了硅微器件也會發(fā)生疲勞現(xiàn)象，于是人們逐漸開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(qū)動被測件在不同環(huán)境下工作，通過圖像對比或電容檢測等方法獲取位移，再計算應(yīng)力，得到應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，從而預(yù)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(qū)動、檢測為一體的疲勞性能綜合測試系統(tǒng)，直接在芯片上測試的片上測試法。

微器件在長期循環(huán)應(yīng)力作用下，諧振頻率隨疲勞而改變，可通過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(qū)動進(jìn)行加速疲勞測試，發(fā)現(xiàn)梁在循環(huán)載荷下諧振頻率出現(xiàn)偏移，偏移量達(dá)15.618kHz，其相對變化量為9.15%，表明發(fā)生了疲勞失效。H. Kapels等人通過電熱激勵對梁施加軸向載荷，得到梁的循環(huán)次數(shù)與疲勞失效的關(guān)系。C. Kung等人通過施加不同頻率的周期電壓對電熱致動器進(jìn)行長期疲勞測試，發(fā)現(xiàn)可用宏觀的應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系估算致動器的疲勞壽命。

1.4 疲勞失效的預(yù)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(nèi)部本身的缺陷等多個方面。采用合理的加工工藝避免產(chǎn)生內(nèi)部缺陷、減小器件表面粗糙度、合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)、改善器件工作條件等措施均可預(yù)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(yīng)力超過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(yīng)力共同作用下的應(yīng)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、微傳動件等有相對運動的器件，由于過載、機械振動、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 過載、振動

振動在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較強的動態(tài)載荷，引起構(gòu)件的開裂、碎裂或斷裂。D. M. Tanner等人測試了不同持續(xù)時間和振幅的脈沖式振動工況下微引擎的工作情況，觀察到齒輪、錨點、連桿臂、銷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(yīng)時間與輸出信號的線性度，觀測到輸出信號的線性度發(fā)生了變化。M. I. Younis等人精確計算了微梁在不同加速度g值的振動脈沖作用下的動力學(xué)行為，計算結(jié)果表明載荷、振動對微梁的動力學(xué)特性有較大影響。以上研究均表明過載、振動是引起斷裂失效的原因。

2.2.2 腐蝕

腐蝕是材料與周圍物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致解體的現(xiàn)象，分為點蝕、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(xiàn)，形成孔洞或裂紋，也可分布在較大的表面上。腐蝕與時間有關(guān)，是逐漸擴(kuò)散的失效過程。Q. Zhang等人證實鎳微梁承受持續(xù)載荷的能力隨暴露在腐蝕性環(huán)境中的時間而減少，說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(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用形成應(yīng)力腐蝕斷裂(stress corrosion cracking，SCC) 。硅暴露在空氣中表面易形成一層薄氧化層，拉應(yīng)力作用下氧化層薄膜產(chǎn)生細(xì)微裂紋，空氣進(jìn)入細(xì)微裂紋后形成新的氧化硅層，拉應(yīng)力使裂紋持續(xù)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(yīng)力腐蝕斷裂失效，預(yù)測壽命。

2.3 斷裂失效的預(yù)防措施

斷裂取決于初始裂紋、表面缺陷和內(nèi)部應(yīng)力。器件制造時材料內(nèi)部會不可避免地產(chǎn)生缺陷，形成細(xì)微裂紋，退火工藝能有效改變器件的內(nèi)部性能，減小斷裂的發(fā)生概率。另外， 通過增加空氣阻尼、減小應(yīng)力集中和初始裂紋、降低表面缺陷均能有效預(yù)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而引起的材料缺失現(xiàn)象，是有相對運動的微器件普遍存在的失效形式。最大限度降低磨損乃至實現(xiàn)無磨損運動，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(xiàn)磨損后器件表面不再光滑，發(fā)生變形。濕度會影響多晶硅微器件的磨損。D. M. Tanner等人研究了微傳動機構(gòu)在不同濕度下運行時的磨損，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)其主要成分是大小不等的氧化硅，沒有多晶硅，說明磨損發(fā)生時，磨損產(chǎn)生的碎片很快發(fā)生氧化反應(yīng)，從多晶硅材料中分離而形成磨屑。

圖1 不同濕度多晶硅器件的磨損

3.2 磨損失效的形成原因

3.2.1 黏著磨損

黏著磨損的機理與黏附相同，所不同的是黏著磨損在黏結(jié)處發(fā)生相對運動。其特征在于器件的材料發(fā)生了彼此之間或一個表面向另一個表面的遷移，黏著結(jié)點剪切深度越深、強度越高、磨損越嚴(yán)重。黏著長度、工作時間、溫度、濕度和滑動速度是影響?zhàn)ぶp的主要因素。D. M. Tanner等人提出了微致動器黏著磨損失效的預(yù)測模型。

3.2.2 磨粒磨損

磨粒磨損指顆粒或凸起物使材料產(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(zhuǎn)器件側(cè)壁的粗糙度較大，轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時，微轉(zhuǎn)子和軸承輪轂間的間隙較小，轉(zhuǎn)子和輪轂頻繁接觸，易發(fā)生磨粒磨損。

近年來，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(jù)，考慮了粗糙度對變形及應(yīng)力應(yīng)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(dǎo)出預(yù)測磨損的計算公式。孟永鋼等人設(shè)計的片上測試系統(tǒng)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值高，而微觀摩擦因數(shù)卻降低。

3.2.3 腐蝕磨損

腐蝕磨損依賴于化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)作用使材料表面發(fā)生損傷，有腐蝕和氧化反應(yīng)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)腐蝕同時存在并互相促進(jìn)。

3.3 磨損失效檢測手段和預(yù)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)直接觀察到，將發(fā)生磨損的器件在橫截面處用聚焦離子束截開，觀測材料的磨損。

微觀磨損研究的最終目的是減小磨損直至實現(xiàn)零磨損，通過在器件表面沉積Al2O3、類金剛石(diamond like carbon，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，隨著尺度減小和表面效應(yīng)增強，器件的表面力將起主導(dǎo)作用，可動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(fù)，則發(fā)生黏附。黏附影響器件的運動重復(fù)性和穩(wěn)定性，引起磨損、黏滑，甚至阻滯構(gòu)件運動。表面工藝制作的有移動件的器件，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(qū)動器的黏附失效SEM照片。從物理機制和力學(xué)角度來看，黏附是微構(gòu)件在系統(tǒng)驅(qū)動力和表面力共同作用下的變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖2 梳齒驅(qū)動器的黏附

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，器件移動時產(chǎn)生毛細(xì)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(dāng)可動結(jié)構(gòu)和其他表面接觸時，表面水分子層促使彎月面形成，表面毛細(xì)力增強，導(dǎo)致界面黏附。研究發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)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關(guān)。張向軍等人針對微構(gòu)件的黏附失效，采用Laplace公式結(jié)合微構(gòu)件的變形分析，研究了毛細(xì)力作用下微構(gòu)件的變形特性、失穩(wěn)行為和表面形貌參數(shù)對黏附失效的影響，發(fā)現(xiàn)微構(gòu)件存在不穩(wěn)定臨界點和黏附行為發(fā)生點，提出了微構(gòu)件黏附失效的預(yù)防措施。分子或原子間的范德華作用力是導(dǎo)致黏附的重要原因，范德華力的實質(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，考慮粗糙表面的實際接觸情況，得出范德華力作用下梁的抗黏附臨界長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(yù)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，通過接觸表面改性來減小表面黏附能可有效預(yù)防黏附，如采用自組裝單分子膜、氮化硅固體膜及表面疏水層等。設(shè)計方面，增加結(jié)構(gòu)剛度、避免過大的跨度、設(shè)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(yù)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(zhuǎn)的變形，與溫度、機械應(yīng)力、時間和材料成分有關(guān)。蠕變分初始蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和后期蠕變3個階段，蠕變的最終結(jié)果是斷裂。蠕變存在溫度閾值，根據(jù)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)的快速變形過程，低溫蠕變與時間呈對數(shù)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(yīng)力?；谑锢韺W(xué)方法，利用有限元數(shù)值計算，可模擬器件的蠕變過程。

5.2 應(yīng)力和應(yīng)變梯度引發(fā)的失效

控制釋放后結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力和應(yīng)變梯度是保證器件正常工作的關(guān)鍵，過大的壓應(yīng)力會導(dǎo)致兩端固定的橋結(jié)構(gòu)拱起，過大的拉應(yīng)力會導(dǎo)致材料的開裂，結(jié)構(gòu)層的薄膜應(yīng)力會造成諧振器諧振頻率的改變和靜電開關(guān)導(dǎo)通電壓的變化。薄膜生長中，應(yīng)力隨薄膜厚度變化會產(chǎn)生應(yīng)力梯度，釋放后的結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲或塌陷，圖3為應(yīng)變梯度為正時MEMS結(jié)構(gòu)的翹曲。

圖3 殘余應(yīng)力作用下釋放后MEMS結(jié)構(gòu)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(dāng)都會引發(fā)微機械失效，如外界的振動和沖擊、溫度和濕度的變化以及外界雜質(zhì)進(jìn)入器件等均會引發(fā)失效。微機械的電介質(zhì)層很薄，操作電壓過高時易產(chǎn)生高電場，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。

(a) 沖擊引起的導(dǎo)線斷裂 (b) 微齒輪上的雜質(zhì) (c) 短路引起的失效圖4 不同工作環(huán)境引起的器件失效

6 失效分析中存在的問題和發(fā)展方向

微器件種類繁多，功能各異，失效形式多，某一主導(dǎo)失效下經(jīng)常伴有其他類型的失效，現(xiàn)有的失效分析主要針對特定結(jié)構(gòu)的某一具體失效建立失效預(yù)測模型，所建模型不能完全指導(dǎo)器件的可靠性分析。失效建模多局限于采用傳統(tǒng)的失效建模分析思路，即根據(jù)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(nèi)外很多研究機構(gòu)在MEMS失效建模方面做了大量的研究工作，如通過沖擊可靠性模型預(yù)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，通過建立開關(guān)在高沖擊下的碰撞數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的失效建模方面。目前還沒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(yù)測模型、分析不同類型失效形式對器件壽命的影響權(quán)重將是以后失效建模方面的研究重點。

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。開發(fā)適用于基于MEMS工藝微機械失效分析的專用測試設(shè)備、建立通用的測試程序也是亟待解決的問題。

7 結(jié)語

本文通過對近幾年國內(nèi)外微機械失效研究現(xiàn)狀的分析，歸納總結(jié)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(yīng)的失效機理和預(yù)防措施， 并根據(jù)失效研究中存在的主要問題，提出了微機械失效研究的發(fā)展方向。