（微电子学与固体电子学专业论文）多晶硅梁疲劳失效的研究与分析.pdf

摘要 ， m e m s 器件在受到循环载荷的作用之后发生失效，这种失效方式即为疲劳失效。例如r f 开关 等面外运动器件，在循环的振动载荷作用后，器件可能会发生断裂、软化等疲劳失效现象。为了避 免m e m s 器件在规定的工作时间内发生失效而造成一些不可预测的后果，需要了解器件的疲劳失效 特性，因此m e m s 器件的疲劳特性的研究是十分有必要的。 m e m s 器件的疲劳可靠性研究受到了越来越多的学者的关注，国内外学者己经对多晶硅m e m s 器件的疲劳可靠性作了大量的研究工作，选用的结构多为面内运动结构。本文首先对m e m s 器件疲 劳可靠性的研究成果进行综述分析，但是选取了以表面工艺加工的、面外运动的多晶硅结构一固支 梁与悬臂梁作为实验研究对象，并且从理论角度分析了用来表征双端固支梁与悬臂梁疲劳特性的三 个参量：吸合电压、谐振频率以及电阻；本文以此作为疲劳实验的理论基础，并指导着后续实验过 程的开展。接下来在现阶段国内外m e m s 器件疲劳可靠性的研究成果基础之上，对固支梁与悬臂梁 结构作了循环振动载荷下的疲劳实验，分析了器件出现疲劳失效的特性。此外，在疲劳实验加载的 过程中，本文也研究了可能影响疲劳的其它因素，如环境的温度、湿度等；实验结果表明，环境的 温、湿度会对疲劳实验结果有较大的影响：为了使测得的数据更加可信并且有可比性，因此必须控 制器件加载过程中的环境条件。 本文利用加速实验的方法进行疲劳加载，从而使疲劳实验更加高效。实验选用谐振频率来表征 样品性能的改变；对不同应力振动载荷作用后的样品测量发现，无论固支梁或者悬臂梁，器件的谐 振频率相对其固有的谐振频率都发生了明显的偏移，并且多组实验结果有相似的变化趋势：固支梁 结构谐振频率明显增大，其中一组固支梁结构在经过1 0 1 1 次振动载荷加载后，谐振频率偏移量达到 1 5 6 1 8 k h z ，其相对变化量为9 1 5 ，器件性能严重退化；而悬臂梁结构在循环振动载荷加载之后， 器件谐振频率明显变小，其中的一组结构在经过6 9 9 x10 1 0 次循环加载之后，器件谐振频率减小量达 到1 5 4 4 k h z ，相对偏移为1 3 4 。由此可见，本实验所用面外运动结构在循环振动载荷加载之后， 性能出现严重退化现象，器件发生了疲劳失效。本文在对实验获取的数据分析之后，从实验数据中 提取出了疲劳失效的加速因子值，固支梁与悬臂梁的加速寿命因子最大值甚至分别可达到1 3 3 5 7 8 8 和1 3 1 7 6 0 ，加速效果是非常明显的。本文所提供的实验数据和实验所采用的方法，可为以后的疲劳 加载实验起到指导和参考作用。 关键词：m e m s ，固支梁，悬臂梁，振动，疲劳，加速寿命因子 a b s t r a c t m e m sd e v i c e so c c u rf a i l u r ea f t e rt h ec y c l i cl o a di sa p p l i e d ，a n dt h i sf a i l u r em o d ei sc a l l e df a t i g u e t h e o u t - o f - p l a n ed e v i c e ss u c h a sr fs w i t c h e sm a yo c c u rf r a c t u r e ，s o f t e n i n ga n do t h e rf a t i g u ef a i l u r e p h e n o m e n o n su n d e rt h ec y c l ev i b r a t i o nl o a d s i no r d e rt oa v o i dt h eu n p r e d i c t a b l ec o n s e q u e n c e sh a p p e n e d a f t e rt h em e m sd e v i c e so c c u rf a i l u r ew i t h i nt h er e q u i r e dw o r k i n gh o u r s ，w en e e dt ou n d e m t a n dt h ef a t i g u e f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e v i c e s ，s ot h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fm e m sd e v i c e sr e s e a r c hi sv e r yn e c e s s a r y f a t i g u er e l i a b i l i t yo fm 匣m sd e v i c e sr e s e a r c hh a sa b s o r b e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c h e r s ，a n dt h e yh a v ed o n em a n ys t u d i e so nt h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo fp o l y s i l i c o nm e m s d e v i c e s m o s to ft h es t r u c t u r e st h e yu s e da r ei n - p l a n ed e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h ef a t i g u er e l i a b i l i t yo fm 【e m s d e v i c e sa f er e v i e w e da n da n a l y z e da tf i r s t , b u to u t = o f = p l a n es t r u c t u r e s - 一f i x e d - f i x e db e a m sa n dc a n t i l e v e r b e a m sw h i c hh a v eb e e nf a b r i c a t e db yp o l y s i l i c o ns u r f a c em i c r o m a c h i n i n ga r ee m p l o y e df o re x p e r i m e n t s p u l l i nv o l t a g e r e s o n a n t 疗e q u e n c ya n dr e s i s t a n c ea r eu s e df o rc h a r a c t e r i z a t i o no ff i x e d - f i x e db e a m sa n d c a n t i l e v e rb e a m sf a t i g u eb e h a v i o r s 1 1 1 e s ec o n t e n t sa r et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ff a t i g u ee x p e r i m e n t sa n d g u i d et h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t s t h e nf a t i g u ee x p e r i m e n t so fm e m sd e v i c e su n d e rh i l 曲一c y c l ev i b r a t i o n l o a d sa r ec a r r i e do u tb a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t su pt on o w , a n df a t i g u ef a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e sa l ea n a l y z e dh e r et o o i na d d i t i o n ，t h ea r t i c l eh a ss t u d i e dt h ep o s s i b l ef a c t o r s w h i c he f f e c tf a t i g u eo ft h ed e v i c e s ，s u c ha st h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , e r e n ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yh a v eag r e a t e ri n f i u e n c eo nt h ef a t i g u e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o i l sm u s tb ec o n t r o l l e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t si no r d e rt o m a k et h em e a s u r e dd a t am o r ec r e d i b l ea n dc o m p a r a b l e i nt h i sp a p e r , t h ea c c e l e r a t e df a t i g u el i f e t e s t i n g sh a v eb e e nu s e dt oe n a b l em o r ee f f i c i e n tf a t i g u e e x p e r i m e n t s r e s o n a n tf r e q u e n c yi sc h o s et or e p r e s e n tt h ec h a n g e si np e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s a m p l e s t h e r ei sac l e a rs h i f tf o rt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h ed e v i c er e l a t i v et oi t si n h e r e n tr e s o n a n t f r e q u e n c ya f t e rt h ed i f f e r e n tv i b r a t i o nl o a d sa r ea p p l i e d ，r e g a r d l e s so ff i x e d - f i x e db e a m so rc a n t i l e v e r b e a m s a n dm u l t i p l es e t so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es i m i l a rt r e n d s t h er e s o n a n tf r e q u e n c yo f f i x e d - f i x e db e a m si n c r e a s em a r k e d l y , f o re x m a p l eo n eo f g r o u p so f f s e tr e a c h e d1 5 6 1 8 k h za f t e rv i b r a t i o n l o a da p p l i e df o r1 0 儿c y c l e s t h er e l a t i v ec h a n g eo fr e s o n a n tf r e q u e n c yi s9 1 5 w h i c hs h o w sas e r i o u s d e g r a d a t i o no fd e v i c ep e r f o r m a n c e t h er e s o n a n tf r e q u e n c yo fc a n t i l e v e rb e a m ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d1 5 4 4 k a za f t e r6 9 9 10 1 0c y c l e so fl o a d i n gi sa p p l i e d ，a n dt h er e l a t i v eo f f s e ti s1 3 4 i tc a nb es e e nt h a tt h e o u t - o f - - p l a n es t r u c t u r e sp e r f o r m a n c es e v e r e l yd e g r a d e da f t e rt h ev i b r a t i o nl o a d sa r ea p p l i e da n dt h ed e v i c e s o c c u rf a t i g u ef a i l u r e a c c e l e r a t e df a c t o r sc a nb ee x t r a c t e df r o me x p e r i m e n t a ld a t a , a n dt h em a x i m u mv a l u e o ff i x e d f i x e db e a m sa n dc a n t i l e v e rb e a m sc a ne v e nu pt o1 3 3 5 7 8 8a n d1 3 1 7 6 0 ，r e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dm e t h o d sp r o v i d e dh e r ep l a y e dt h er o l eo fg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h es u b s e q u e n t f a t i g u ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：m e m s ，f i x e d f i x e db e a m ，c a n t i l e v e rb e a m ，v i b r a t i o n , f a t i g u e ，a c c e l e r a t e df a c t o r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：咝日 期：! ! ：丝竺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：虽鱼生导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 微机电系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是集成的微器件或微系统，由电子、机械、 流体、光学、磁学、热力学等组件组成，几乎涉及所有的物理领域。在更为广泛的定义中，m e m s 指可以批量制造、集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理、控制电路等于一体的器件或系统， 特征尺寸范围一般从微米到毫米。目前国际上通常将m e m s 以b i o - 、r f 、c h e m i c a l 等前辍的形式 表示其不同的应用领域。m e m s 利用了当今科学技术的许多尖端成果，更重要的是它将信息处理与 敏感及执行机构相结合，改变了人们感知和控制外部世界的方式。从2 0 世纪6 0 年代m e m s 技术的 起源以及直到1 9 8 9 年，m e m s 一词逐渐成为一个世界性的学术用语。现阶段与m e m s 一词通用的 还有如下几种称谓，如在欧洲称之为m i c r os y s t e m ，以及日本称之为m i c r om a c h i n e 等。 m e m s 器件的微型化给科学技术新的发展提供了机会，微机械器件和系统具有比宏观器件和系 统更小、更轻以及一般情况下更加精确的固有优点1 1 1 】，具有广阔的应用前景。而可靠性是制约m e m s 器件能否成功应用的关键。因此关注m e m s 器件的可靠性研究是非常必要的。本章将从宏观可靠性 实验的设计及可靠性分析方法讨论起，进而提出m e m s 器件可靠性的实验设计，并且讨论m e m s 可靠性实验对m e m s 器件的意义及重要性，最后给出本篇论文的主要工作介绍。 1 1 可靠性理论基础 1 1 1 可靠性定义 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功能的能力【1 2 】。理解这一定义 需要注意下面几点的内容： 首先需要明确“产品”的概念：“产品”是指作为单独研究和分别试验对象的任何无件、零件、部 件、设备等等，甚至还可以把人的因素包括在内；所以必须明确具体使用中“产品”的含义。再者， “规定的条件”一般指的是使用条件、维护条件、环境条件等等，如载荷、温度、压力、湿度、振 动、磨损、腐蚀等；这些条件必须在使用说明书中加以规定，也是判断发生故障时有关责任方的关 键。其次，“规定的时间区间”，通常可靠度是随时间而降低的，产品只能在一定的时间区间内才能 达到目标可靠度，因此，对时间的规定一定要明确；但是这里所指的时间，不仅仅是日历时间，根 据产品的不同，还可能是与时间成比例的次数、距离等，如应力循环次数、汽车行驶里程等。最后， “规定的功能”必须明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成了规定的功能；产品丧失规定功 能称之为失效，对可修复产品称为故障；大部分情况下这两者之间是很难区分的，所以必须明确地 规定产品的功能。 1 1 2 可靠性的研究方法 进行可靠性设计时，除了要明确所设计产品的可靠性要求外，还必须掌握产品可靠性实验、验 证及数据处理方法i l 1 引。所谓可靠性试验就是为了提高和证实产品的可靠性水平而进行的各种试验。 这里所说的产品包括系统、设备、零部件及材料。与常规试验相比，由于可靠性试验是为了获得统 计数据，所以可靠性试验所用的时间更长、所花的费用较大。但是从提高和保证产品质量角度上来 讲是会得的，其中寿命试验是可靠性试验的重要组成部分。 为了定量地对产品的可靠性时行评定，需要从试验所获得的信息中，采用适当的数学方法对试 验数据进行处理，以求得各种可靠性特征量的估计。因此，在可靠性工程中，如何正确地片理可靠 1 东南大学硕士学位论文 性试验数据同样也是一个十分重要的问题。 由于实验室内的模拟实验终究不能完全反映使用的实际情况，因此还应当注意收集和积累产品 使用现场数据，进行质量反馈，以改进产品的设计和试验水平。通过设计、制造、试验、使用之间 的相互循环，使产品的质量和可靠性水平获得不断提高。 1 1 3 可靠性实验的分类 可靠性实验内容是非常广泛的，可根据试验对象、地点、目的及方法等进行分类，下图1 1 为 几种不同的分类方法【1 2 】。 可靠性试验 分类 试验 场所 试验 目的 试验截 止情况 产品 过程 现场ll 实验室li 筛选i i 寿命i l 环境l i 全数li 截尾li 设计l l 研制il 生产 试验il 模拟实验ii 实验i l 实验i l 实验l i 实验l l 实验i l 阶段l i 阶段ji 阶段 储存寿 命试验 工作寿 命试验 加速寿 命试验 定时il 定数 截尾f i 截尾 图1 1 可靠性试验的分类 1 2m e m s 器件可靠性意义及失效模式 1 2 1m e m s 器件的可靠性意义 随着微电子机械系统技术的兴起和发展，m e m s 器件大量应用于国防和民用产品中，采用这些新 型的微型产品要求高的可靠性，然而目前的实际情况是许多这样的新产品未能提供希望的或预期的 可靠性。 和宏观的机械系统对比，微机械和微机电系统的失效机理涉及到力、热、声、光、磁等多方面因 素的影响，因此更为复杂。而且m e m s 技术正处于快速发展阶段，人们对其失效机理知之甚少，因此开 展微机械可靠性试验的研究及分析非常重要。为了对m e m s 器件的可靠性进行全面、系统的分析研究， 美国s a n d i a n 国家实验室以物理学为基础，自行研制了一套m 吼s 器件可靠性测试系统1 1 。1 3 】，一次可以试 验2 5 6 个m e m s 器件，并能发现失效的原因、失效时间及位置。m e m s 器件可靠试验相关研究主要在两个 方面，一是试验方法研究，由于微机械力学特性不能用常规方法测试，试样非常微小，安装困难，受外 界影响大，应变的测试极为困难：二是失效机理的研究，与宏观机械相比，微机械呈现一些新的特点， 如表面粘附，摩擦和静电对可靠性的影响。目前关于m e m s 器件的可靠性相关研究在国外相当热门， 国内这方面研究相对较少。 m e m s 发展仍处在初期阶段，但是对m e m s 的可靠性要求已作为一个重要的问题提了出来。由 于m e m s 的商品化的发展趋势几乎不可阻挡，以前被忽视的可靠性问题注定会成为头等重要的大 事。美国的研究人员认为这些问题必须与m e m s 的研制开发同时提出，目的是为了确保它们快速地 进入到工业应用中。了解了m e m s 产业的未来发展趋势，可靠性的重要性不言而喻。 对于m e m s 的可靠性保证问题，当然用户们有不同的要求，为了制作出高可靠的部件，不仅要 验查器件本身，而且还要验查制作部件所采用的全部工艺，从原理到最后结束阶段。也就是说，经 2 第一章绪论 过厂家全面检查，工艺必须要验证，封装也要鉴定合格。 1 2 2m e m s 器件的主要失效模式机理 m e m s 器件可靠性是一个很困难的问题，因为特定应用领域中的m e m s 还不是很成熟，另外 m e m s 的设计和加工都是根据用户要求来进行的，诸多因素造成了m e m s 可靠性问题的复杂性。尽 管有这些困难的存在，但可以建立一些通用的方法，对具有相似失效机理的器件进行量化评估分析。 i c 封装中的主要失效模机理与焊料有关，但在m e m s 中情况要复杂得多。下面给出m e m s 的一些 主要的失效模式【i l j 。 ( 1 ) 断裂和屈服 构件在载荷作用下，没有明显的破坏前兆而发生的突然破坏的现象称为断裂失效【l 1 。1 习。工程 上器件常见的断裂失效有两种类型：( 1 ) 构件的突然断裂，特别是脆性材料制成的构件在绝大多数情 况下都发生突然断裂，当然也会发生在塑性材料制成的构件上；( 2 ) 构件的疲劳断裂，构件在交变 应力的作用下，即使是塑性材料，当经历一定次数的交变应力作用之后也会发生脆性断裂。 对于塑性材料，随着载荷的增加，如图1 2 所示，应力增大到某一数值时，应变有着非常明显的 增加，应力在做微小的振动，在。一曲线上出现接近水平的小锯齿形线段，这种应力基本不变，而 应变显著增加的现象称为屈服。 o 8 图1 2 屈服材料的。一示意图 当应力超过材料的强度极限时，将发生断裂或屈服失效，脆性材料硅、多晶硅制成的m e m s 器 件在冲击作用下往往发生断裂失效 ( 2 ) 磨损与蠕变 磨损是由于互相接触的表面相对运动造成的，是指由机械作用造成的固体表面的材料缺失现象 1 1 6 - 1 1 8 】。磨损通常是微机械器件所不希望的效应，主要有粘蚀、冲蚀、浸蚀、表面疲劳等几种。对 许多种微机械执行器而言，磨损会使器件的驱动电压增加。这是因为磨损造成了接触表面的抛光， 抛光使粘附力增大，进而使驱动电压上升。 蠕变是由热效应引起，在一定应力的作用下，应变随温度和时间的增加而显著增加。也就是说， 材料的形变不仅仅由所施加的应力决定，而且依赖应力作用的时间和温度。换句话说，载荷作用在 器件上的时间很长，如某些电子器件可能持续多年，形变的积累最终导致器件失效，这种现象称为 蠕变。 对于金属m e m s 而言，蠕变是一个很重要的可靠性问题。t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 发现由a l 制 成的薄膜微加工结构比起体结构金属来更容易发生的是蠕变而非疲劳。这种蠕变极大的限制了一些 低熔点金属的寿命。蠕变是当应力大到一定数值，或者温度大于材料熔点的0 3 倍时，其应变将显 著地增加。蠕变不仅仅是由所施加的应力决定，还依赖应力作用的时间和温度，即随着温度和时间 的增加而变得显著。蠕变现象可能持续很长一段时间，形变的积累最终将导致器件失效。 ( 3 ) 分层 m e m s 中的多层膜结构，由于工艺、材料的本征属性、热膨胀系数的不匹配，使得多层材料的 结构中有残余应力，在温度变化、冲击和振动的过程中可能导致不同层之间的剥离和分离，这种现 象称为分层。例如由于m e m s 中经常使用键合技术，金属薄膜键合分层以及相同材料或不同材料键 3 东南大学硬士学位论文 合分层失效都会发生，最常用的如硅罐链合。 ( q 牯附 m e m s 中常用到一些粱、膜或质量块等基本结构，这些结构的表面积相对体积而言非常大，并 且与衬底的问距很小，只有几个微米。在表面力的作用下根容易导囊粱或膜变形向衬底弯曲发生牯 附这主要是因为在徽米特征尺度下，表面力( 如表面粘附力、摩擦力等) 对器件性能的影响将发 挥越来越重要的作用，而体力( 如引力、惯性力) 将成为次要的因素l l 。表面粘附常常导致器件彻 底失效【i 哪使徽结构达到难以分开的地步，图1 3 是我们实验中采用的结构，对比了结构发生了牯 附失效后的异同。 闰1 3 ( a ) 投有发生粘附的粱嘞发生了粘附的粱 o ) 电介质逗化 台有介电层的m e m s 器件有一个重要的问题是表面电荷积累，这些寄生电荷可能会改变驱动电 压或器件的动态特性。表面电荷的一个重要来源是高子( 核) 辐射，因此，在空间应用中要着重考 虑这个问题。介电层的另一个重要问题是在高电场强度下。电流传导不再由欧姆定律确定而是类似 于s c h o t 姆和舢b f 埘d l 传导形式。这种情况将导致介电层漏电，最终导致电击穿。 ( 6 ) 粒子污染 在m e m s 制造过程中，尘埃等颗粒的污染对m e m s 往往是致命的。可能导致器件的完全失效。 因此，m e m s 制造必须在选到一定标准的超净闻力进行单纯的i c 器件封装完以后在使用的过程 中一般不存在粒子污染，而m e m s 器件在使用过程中仍然存在被污染的可能，像齿轮和梳状静电驱 动器，在冲击和碰撞过程中容易产生碎片和微粒从而导琏器件失效或短路等l l “。另外像传勰 和执行器。如利用悬臂粱的谐振特性来检测某些化学气体的传感器，由于工作需要，器件必须裸露 在工作环境中，这也可能导致器件失效。图1 - 4 是被灰尘污染的苍片表面。 图1 - 4 被灰尘污染的蕃片表面 ( n 材料应力、寄生电容、阻尼效应 材料应力是指没有外力作用时材料内部的应力，包括热应力和残留应力“j 。材料应力对薄 膜器件结构尤其具有特别大的影响，小的应力会导致传感器的噪声，大的应力会造成结构的变形甚 至断裂。高温退火等技术虽然能降低应力，但是有时和具体的微机械工艺却不兼容。 寄生电容本身不是失散模式，但会对各种微机械器件的失效方式带来影响，所以应该设法藏小。 阻尼效应会使各种微机械器件的谐振频率越来越偏离其自然谐振颓率，会造成驱动电压的上升， 4 第章绪论 对结构的机械性能和长期可靠性有明显影响 ( 吼环境引起的可靠性问题 可能导致失效的环境因素主要有振动、冲击，潮湿、辐射、微粒、温度变化、静电放电等。振 动可能导致粘附、断裂、和疲劳；冲击区别于振动的是它是单性的机械作用而不是反复循环性的 机械作用，冲击会导致牯附和断裂以及半导体嚣件中常见的键台引线脱离等失效。潮湿是微机械重 点考虑的问置之一，它会造成微裂、孔道、粘附等。辐射则需要根据具体应用确定抗辐射性能，并 根据具体器件研究辐射的影响，通常静电驱动的微机械器件对辐射更敏癌。微粒会导致短路、粘附、 分层等，在工艺中和封装时要隔绝微粒，设计时要留有一定的微粒允许度温度变化舍引起应力变 化。造成杨氏模量的变化而引起机械性能的变化致使器件热匹配不皇的和封装发生失效图1 是压应力导致固支集发生向上的届曲的示意图。静电放电对半导体器件和电路是敏盛的破坏因素。 对微机械也是必须给予重视的因素，有可能会烧毁结构的介质材料。 图i 面另导甄面玉藁蕊上的屈面 辫篡篇嚣篙嚣的情形下，气密性封装将是一个很重要的问题。气密性维持了包括徽 陀螺仪在内的多种m e m s 器件的性能可靠性。封装材料的漏气会导致气密性下降采用合适的吸气 剂、封装材料和有效的前处理会很好的解决气密性下降的问题。 1 3m e m s 器件的疲劳可靠性 疲劳是指材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点逐渐产生了局部的永久结构变 化从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。疲劳强度不仅在航天、车辆、原子能 等尖端工业部门有着十分重要的意义也是影响一般机械产品使用可靠性和使用寿命的一十重要问 题j 。据统计舯的机械和电学失效可以全部或部分归结为疲劳而引起的失效，可见疲劳失效为一 种常见的失效模式疲劳破坏的特性是其往往发生零部件的截面突变处，破坏处名义应力不高，低 于材料强度极限和屈服极限。整个过程可以简单的描述为：由塑性形变引起位错移动并相互作用， 位错的相互作用使其迁移能力降低，而随后搜生的疲劳变形集聚了更多的位错，随着位错密度的增 加，晶体的完整性遭到破坏，进而形成了微裂纹，随着微裂纹的扩展，导致器件发生失效”“。 徽电子机械系统( m e m s ) 中的器件，器件的几何尺寸已经明显向微米、亚微米甚至纳米尺度 方向发展。由于这些小尺度材料在微加工制备，如溅射、沉积、刻蚀等过程中队匣随后的服役过程 中受i 4 热、电等引起的循环应力的作用，而导致其性能下降甚至破坏，例如在各种微型电子设备 中广泛适用的薄膜材料。由于薄膜与基体间热膨胀系敷不匹配产生的热循环应力惶材料发生塑性变 形或循环形变而破坏失效；在微型射频开关中，微米尺寸的悬臂粱器件经常受到高额谐振的作用， 微构件中疲劳损伤的出现会逐渐改变其响应频率及电阻等参量，从而影响了镦传感器及致动器的输 出量，甚至导致最终失效”。图1 - 6 是cl f f u h l s t e i n 等人基于s i g e 表面加工工艺制作舶多晶扇状 梳齿结构谐振器结构”删，样品上加载了一个循环应力，其加载频率为样品的谐振频率值，样品在振 动时处于谐振状态，加载应力状态迭到最大值，样品裂纹的产生和扩展情况如图所示。 柬南大学硕士学位论文 丽五一 图1 6 表面微机械工艺样品g js e m 图。 1一 2u m 器件在循环应力加载下产生裂纹并扩展 微观薄膜的疲劳性质和其宏观材料相比有很大区别”。例如对于金属薄膜而言，一个很重要的 特点就是它们比相应的宏观部分更不容易疲劳。宏观的疲劳模型是基于材料表面位错的移动，当损 伤得到足够的积景时就会形成疲劳裂纹。然而薄膜材料内井投有太多的晶粒边界和缺陷，因为它们 本身的尺寸就只有几个晶粒厚因此没有足够的损伤能够使疲劳裂纹产生l l q 。显然，姬船结构的疲 劳研究不能直接套用宏观模型的结果。此外，不同材辩种类及器件尺寸的m e m s 器件，其疲劳失效 机理也存在根大的差异。因此，基于表面加工工艺制作的多晶硅微小器件的疲劳失效机理到目前 为止还没有一十统一的理论可以解释众多实验中出现的现象和结果”j ，有待进一步探索和研究。本 文以表面加工工艺制各的微粱结构为研究对象，对m e m s 微结构的疲劳失效进行了较为详尽的分析 和研究得到许多有益的结果。 1 4 本论文的主要工作 m e m s 器件在工作的时候会受到循环载荷的作用，同时在运输和使用的过程中器件处于各种不 周的、复杂的环境也会给器件引 一些载荷作用，器件在循环载荷持续作用后发生失效，我们将 这种失效方式称为疲劳失效。在循环的疲劳载荷作用后，m e m s 器件可能会发生断裂、软化等失效 情况。为了保证m e m 6 器件在一定工作时间之内不会发生器件失效，而造成一些不可预测的后果 在设计器件的时候就必须清楚器件的疲劳特性，所队对i e m s 器件进行疲劳实验是十分有必要的， 最终从实验基础上总结推理出器件发生疲劳的失效机理。 本篇论文拭主要包括六部分：第一部分主要是介绍可靠性的基本知识，包括宏观和微观，井初 步引出m e m s 疲劳可靠性的相关知识。第二部分介绍了m e m s 器件的主要失效机理，指出失效分 析的一般方法，并提出了振动环境下的疲劳分析方法。第三部分是我们研究疲劳的理论部分，列举 了谐振频率，多晶硅电阻和吸台电压的一般原理，为实验部分作理论基础，第四部分是前期实验部 分，详细介绍了疲劳实验所需醴各及注意事项，并且开展了低周循环f 的疲劳实验研究，对实验结 果作了分析总结，为后续实验的作理论及实验准备。第五部分主要研究了多晶硅固支梁在振动载荷 下的高周疲劳实验，研究其失效特性并且分析得出疲劳失效的加速因子。第六部分主要研究了多晶 硅悬臂粱在振动载荷f 的高周疲劳实验，通过实验得到微梁的频率变化曲线，分析其性能变化特性， 最终提取山疲劳失效的加速园子，为其它疲劳实验提供数值参考。 第二章m e m s 疲劳可靠性基础 第二章m e m s 疲劳可靠性基础 m e m s 器件由于其自身的特点如体积小、功耗低、高精度等，其产业化的趋势势在必行。现阶 段m e m s 器件产业的产品如打印机喷墨打印头、压力传感器、微镜阵列、加速计、r f 开关【2 - 1 】【2 4 】 等，其应用己经被越来越多的行业接受，并且对产业发展带来很好的促进作用。但是正如上文所述， 产品的成功必须要有高的可靠性，这是产品能否长期发展的重要决定因素，因此m e m s 器件的可靠 性是非常有必要的。 m e m s 器件不同于普通的半导体器件，其自身往往会有一些可动部件；可动部件在外力加载作 用下往复循环运动，会引起疲劳失效；疲劳的发生会对器件产生灾难性的后果，直接可能造成更大、 更坏的影响：m e m s 器件疲劳的研究是很有必要的，并且也成为现阶段国外研究的热点问题之一， 但对国内而言，此方面的研究还较少，这也是本工作的意义所在。本章将从宏观疲劳可靠性基础之 上引申出m e m s 器件疲劳可靠性基础，研究m e m s 器件的疲劳失效特性。 2 1 材料的疲劳破坏基础 2 1 1 疲劳破坏特征 交变载荷又称为循环载荷或者是疲劳载荷。它是指载荷的大小、方向随时间作周期性或者不规 则、随机性的变化。疲劳载荷包括随机性载荷与确定性载荷，其中确定性载荷又分为等幅疲劳载荷 与阶梯载荷。 疲劳破坏的特征1 2 5 】： ( 1 ) 交变应力水平低：构件中的交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限时，破坏就可能发生。 ( 2 ) 脆性断裂：无论是脆性还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上表现为无明显塑性变形的突然断裂。 ( 3 ) 具有局部性t 不牵扯整个结构，会在局部首先发生疲劳失效；因此发现疲劳裂纹时，只需采取 局处理措施即可。 ( 4 ) 疲劳过程是一个累积损伤的过程：疲劳经历一段，甚至很长一段历程后才会断裂破坏。疲劳断 裂分三个过程：裂纹形成、裂纹扩展、失稳断裂。 ( 5 ) 疲劳破坏断口在宏观、微观上有相应的特征。通过对断口的观察，可以分析研究疲劳的破坏机 理，进而可以获得破坏的原因。 2 1 2 疲劳破坏裂纹萌生机理 疲劳裂纹的萌生都是由局部塑性应变集中引起的。有三种常见的裂纹萌生方式1 2 j 】：滑移带开裂、 夹杂物或第二相基体的界面开裂。 ( 1 ) 滑移带开裂 滑移带开裂不仅是最常见的裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本的一种。 ( 2 ) 晶界和孪晶界开裂 对于一些晶体结合而言，滑移较困难时，孪晶变形较为常见。常温下，裂纹多为穿晶，而在高 温下，则往往变为晶间、晶界表面相接处出现裂纹。晶界结合力比晶粒内部弱，在低于晶内滑移应 力下，在晶界上萌生裂纹。 ( 3 ) 夹杂物或第二相基体的界面开裂 由于夹杂物或第二相质点处产生了很高的应力集中，从而在较低的名义应力下也能出现局部塑 7 东南大学碗士学位论文 性形变，这样便导致在夹杂物和基体界面上萌生裂纹。 2 1 3 疲劳破坏裂纹扩展及断裂分析 裂纹在滑移带萌生后可分为两个扩展阶段：( 1 ) h 裂纹沿剪应力最大的活性面向内部扩展，滑 移面趋向大致与主应力线呈4 5 。，这个阶段扩展很慢，断口形貌研究很困难。( 2 ) i i ：由于晶粒难以 滑移，裂纹的扩展方向由开始时与外加应力成接近4 5 4 方向，逐渐转向与拉伸应力垂直的方向( 约 9 0 。k 失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段。它各前两个阶段不同是在一瞬间突然发生的。但从疲劳的 全过程来说，则仍然是渐近式的，是由损伤逐渐积累引起的；失稳断裂是损伤积累到临界值时的一 种表现，是裂纹扩展到临界尺寸、裂纹尖端的应力强度因子达到临界值的结果。 2 1 4 疲劳破坏断口分析 一般断口分析丹为两个步骤：宏观分析及微观分析。 对样品进行宏观分析，典型的疲劳破坏断口按照断裂过程分为三个区域，即疲劳核心区( 疲劳源) 、 疲劳断裂扩展区、瞬时断裂区。其中，疲劳源很小。宏观上看不到，放大足够倍数后，可看出明显 的疲劳裂纹，可判断宏观缺陷性质和事故发生原因：疲劳扩展区为细晶粒，深色，平滑、海滩状； 瞬断区为粗晶粒，凹凸不平、白色、撕裂或台阶状。 疲劳断口的微观分析可以得出第1 阶段疲劳裂纹扩展，断口比较光槽具有一定的结晶性质， 此外没有明显特征。第二阶段裂纹扩展有如下四个特征：( 1 ) 疲劳区宏观上平坦光滑，断口比较光滑， 微观上凹凸不平：每个断口有若干凹凸不平的小断片连接而成，小断片结台处形成台阶；( 2 ) 具有疲 劳条纹，一般常见塑性疲劳条纹：( 3 ) 轮胎压痕和脊骨压痕特征，它是由于相匹配断口的反复挤压、 相互嵌入与脱离造成的；h ) 在疲劳裂纹扩展时还可能出现二次裂纹，往往成扫帚状。示意图及材 料断裂断口图如图2 - 1 所示。 图2 一l ( 吣裂纹扩展示意刳( b ) 多晶硅薄膜在s e m 下的断裂表面图，n f - 38 1 0 ”箭头为裂纹扩展 方向2 “i 2 1 5 疲劳损伤累积及模型 当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一周应力应变循环均会耗尽其一部分寿命，产生一定量 的损伤，这种损伤能够累积当损伤景积到临界值时将发生破坏，这就是疲劳损伤累积理论。目前最 具代表性且应用最广泛的线性疲劳损伤累积理论是m i n e r s 规则1 2 ”。 第二章m e m s 疲劳可靠性基础 口芹p a ) 1 孵 o 4 仃 0l 护l o ；1 0 毒l o sl 萨1 0 7 图2 2 钢的理想应力循环次数曲线 例如对于钢而言理想化的应力循环曲线如图2 2 所示图中斜线表示当冲击循环超过1 0 3 次后其 破坏应力就要降低2 7 】。曲线拟合公式如式2 2 所示： r 3 + ! 二型垒、 n = 1 0 、0 1 6 3 ( 2 1 ) 即： = 1 4 9 - o 1 6 3 1 9 n (22)仃 、7 式( 2 2 ) 中仃实际应力，仃破坏应力，n 作用导致破坏的循环次数。利用该图可以很方便地查 处循环次数和破坏应力的对应值m m e r 提出了破坏的线性积累规则即： d = 二 ( 2 3 ) n t 。 式中：d 疲劳损伤值，疲劳断裂时理论上取值为l ( 一般工程取值范围为0 0 ( 2 9 ) 其中，t 是加载的温度值，为绝对温度，而a 、b 是待测的常数。阿列纽斯加速疲劳失效的因 子a f 可用如下表达式给出，其中温度为t l 时应力幅度为tl ，温度为t 2 时应力幅度为t2 。 ，8 r 三! 、 彳f = 1 = p 、7 i 乏。 ( 2 1 0 ) f 2 ( 2 ) 逆幂关系式( i n v e r s ep o w e rl a wr e l a t i o n s h i p ) 1 7 这种模型常用来表示失效时间与外加载荷应力之间的关系，关系式如下所示： 彳 f = 百 ( 2 1 1 ) 其中v 是常应力，a 和y 是失效模型的特征常数。 此种加速疲劳失效因子如下所示，其中tl 、t2 分别是应力v l 、v 2 时的失效时间： 胛= 2 = 仁 z ly i ( 3 ) 艾林关系式( e y r i n gr e l a t i o n s h i p ) 这种关系式是用来表达温度与另一种变量所产生的加速应力载荷与失效时间的一种关系式，是 一种多元综合的关系式。关系式如下所示： f ：( 等) p 浯) ( 以f 售) ) l i l o ( 圪r ) ) = i n ( a ) 一l i l ( 乃+ 寺+ c 矿+ 学( 2 1 3 ) 其中，t 为绝对温度值