摘 要:粘附是MEMS器件在加工、操作过程中特有的现象,根据微机械中作用力的尺度效应与表面效应,分析表面张力、范得瓦耳斯力、静电力对粘附的影响机理,同时给出了抗粘附的常用的技术方法。
微机电系统(Micro-Electro-MechaNIcal System,简称MEMS)作为一个新兴的,高新技术的交叉边缘学科,近年来对工农业、信息、环境、航空航天、生物工程、医疗、空间技术及国防等领域产生重大影响。随着材料尺寸、加工尺寸的日趋减小,微尺寸效应对系统的影响越来越明显。在MEMS的加工、运输和操过程中,微器件之间因相对运动而产生的粘附问题,已成为研究热点。如何控制粘附,成为MEMS提高性能、减少失效、实现产业化,并最终走向市场的关键。
1 粘附问题概述
粘附问题是研究特征尺寸在0. 1~100nm之间的微细结构所涉及到的力、能量问题,其研究范围属于纳米力学范围,即从纳米的尺度上展示力学的观念。由于微机械的几何尺寸的微小化,使表面积与体积之比相对增加,表面效应增强,另外,微机械中构件间的间隙小且表面光滑,故微构件间的表面作用力对其功能和性能的影响凸显出来,表面粘附问题是引起微器件制作失败和影响性能发挥的主要原因之一。
MEMS器件的粘附失效表现为两种情况:①制作过程中清洗后的粘附,即在释放牺牲层时,清洗液的表面张力使微构件间产生的粘附;②使用过程中相对运动表面间产生的粘附。因此,对微构件的作用力分析与宏机械构件间的受力分析有很大区别,在宏观机械研究中可忽略的一些因素在微机械中必须考虑。表面力和表面粘着能是使MEMS构件产生粘着和变形的主要原因[1]。
2 几种关键表面力对粘附的影响分析
MEMS中微器件粘附现象的产生受多方面影响,主要是表面力的缘故,较关键的如表面张力、范德瓦耳斯力、静电力等,同时这些力的大小与器件所处环境的湿度、温度、材料的结构、材料的表面情况以及相对运动等因素有关[2]。
2.1 表面张力的粘附机理
在微机械主要材料硅的表面微加工工艺中,当牺牲层被刻蚀完成后,器件用去离子水清洗刻蚀剂及刻蚀物,从去离子水中取出时,清洗液的表面张力是造成粘附的主要原因。
当两固体平板间存在液体时,由于表面张力( capillaryforce)的作用会导致粘连。表面张力是由于在表面上或表面附近的分子聚合力的不平衡而形成的一种液体特征,其结果是液体平面趋于收缩。当表面层中的分子受到附加力(内聚力)的作用而挤入液体内部时,引起表面层分子浓度略略变稀,微观上来看,使分子间距离r增大,从而分子的势能增大,形成了表面势能即表面能。分子间由于受到吸引力的作用,有使r恢复到平衡状态时的ro倾向,且这个吸引力的作用是各向同性的,在垂直液面的方向上起平衡内聚力的作用,防止表面层内液体分子进一步挤入内部造成“坍缩”。而在平行于液面的方向上吸引力使分子相互靠近,液面收缩,形成表面张力。图1中,当液体与固体的接触角θc<90°时,液滴内的压强小于外部压强,产生使两板靠近的吸引力。
液体与空气界面的压强差可由拉普拉斯方程得:
式中:γla为液-气界面的表面张力;r为弯月面的曲率半径。
由压强差产生的两平板表面间的表面张力为:
式中:A为平板间液体的浸润面积;d为平板间距。
图1为两平板之间存在液体形成液桥的简单模型,由于液桥在两平板间铺展的程度不同,液体与平板上下表面接触面积大小不同,接触角θc取值不同。由于液桥的存在平板间表面能Es为:
式中:C为由固-气界面、固-液界面、液-气界面表面能及平板面积确定的常数;Ab为液桥面积。
由式(3)可见,由于液桥的存在会造成平板总表面能的降低,且液桥面积越大,总的表面能越小,所以在硅表面微加工工艺中,在释放微构件时很容易产生粘附现象。这个结论也己被大量的微机械的粘附和摩擦的实验所证实。
通常情况下,微器件的表面并不是绝对光滑,而是具有一定的粗糙度。在干燥空气下,表面粗糙能有效减小接触表面之间的有效接触面积,减小粘附的发生,如图2所示。然而在湿空气下,随着相对湿度的增加,在两实际粗糙表面间的缝隙里也会存在液体产生使两表面粘附的表面张力,即出现毛细凝聚现象,如图3所示,从而导致在干燥环境中粘附力较低的固体在湿润环境中粘附力急剧增加。因此,在有液体和具有一定湿度的大气环境下,表面张力的影响很大。此外,由于硅表面的亲水性,在大气环境和低于200℃下会吸附水分子而在表面形成一层水膜,也会影响器件间的粘附[3]。
2.2 范得瓦耳斯力的粘附机理
范得瓦耳斯力(Van DerWaals force)存在于所有材料中,是中性原子间的作用力。原子间存在的这种范得瓦耳斯力同样存在于微观物体中。在微机电系统中,只要存在表面与表面的接触,并在表面积与体积之比很大的情况下,范得瓦耳斯力对接触面间的粘附影响就更显著,如长而薄的多晶硅梁或大而薄的梳状驱动结构与衬底之间发生的粘附常被视为微器件在操作运转中的主要问题。
范得瓦耳斯力是所有作用力中最弱的,但因其存在而不失其重要性。一般讲,范得瓦耳斯力可分为三部分:取向力,感应力和弥散力。各部分的大小均与分子间距离的6次方成反比(r-6),所以该力本质上是近程力,但在涉及大量分子或极大表面时,可产生长达0. 1μm以上的远程效应。
由微观理论,得到两个平滑的、无限长的平板间的每单位面积的范得瓦耳斯力:
式中:D为平板间距离;A、B分别为近程和远程范得瓦耳斯力的Hamaker常数,它取决于材料表面性质及介质。
式(4)只在两平板间距离小于10nm时有效,距离较远时,则采用式(5)。由式(4)、(5)可见,单位面积的范得瓦耳斯力为两平板间距离的函数。在短程范围内,由于范得瓦耳斯力的大小随间距的3次方变化,显然对微构件的粘附有很大影响,在没有表面张力作用时,范得瓦耳斯力在短程范围内,是造成粘附的主要原因。
2.3 静电力
静电引力(Electrostatic forces)是由于2个相对表面间的不同功函数或带有静电荷而形成的力。它是存在于带电分子或粒子之间的作用力。它由交界面的外加电压,表面材料的功能函数的差异,或是微结构的制造过程中的释放蚀刻、清洗及干燥过程中产生静电荷等因素而产生。由静电激励所产生的强电场可导致电荷在绝缘体中扩散或陷落,从而在受到法向力或切向力作用时产生不稳定或滞后现象。
静电力的大小与分子或粒子之间距离的平方成反比(r-2),单位面积上静电力大小为:
式中:ε为分隔的两表面间介质的介电常数;V为被介质分隔的两表面间的电势差;d为被介质分隔的两表面间的间距。
与范得瓦耳斯力相比,静电力是比较长程的作用力。在很小的间隙情况下,两平板表面间的静电力小于范得瓦耳斯力。微机电系统中,静电力在间距小于0. 1μm时最为重要,而在远离10μm时仍具有显著影响。在两个电极之间存在电势差就会产生静电力。由于难以控制的表面陷落电荷存在,微机电系统中出现的一些问题通常都与静电力有关。实际上,由于断键和表面电荷陷阱,任何表面都有可能带有电荷,当表面是良绝缘体时,如SiO2,陷落电荷会产生高达几百伏到数千伏的电压。
即使在加工和运转过程中会产生瞬时的电荷,如由于相对运动表面摩擦产生的电荷以及静电驱动马达绝缘体上的电荷,由于静电荷的存在是一种不平衡现象,这些非平衡电荷会随着时间的推移或由于导体及半导体的相互接触而及时释放,不会使构件产生永久的粘附[4]。
3 控制粘附力的相关技术
基于以上对影响微器件粘附的表面力的分析得出,表面张力在表面力中对粘附作用的影响最大,随着两个平行表面距离的减小,范德瓦耳斯力和静电力的影响也逐渐增大。为消除或减小粘附现象的发生,必须在工艺过程及操作过程中严格控制这些表面力。
(1)控制表面张力的作用 最有效的方法是在器件表面提供一个非亲水性表面来避免“液体桥”的出现,消除表面张力的作用。其方法主要有:升华释放法、超临界释放法、无水氢氟酸进行气相刻蚀等,同时可去除表面的羟基来消除氢键在两个表面粘附中的作用,这些方法需要特殊的试验装置;在粘附测试中,选择相对干燥的环境中进行,避免存在过大的相对湿度。
(2)增大表面粗糙度来抗粘附 在微器件中,通过增加触点(dimple)或将多晶硅表面粗糙化的方法来减小接触面积,进而减小粘附的发生。
(3)表面改性技术的应用 采用表面修改技术如提高器件表面粗糙化的方法来减小有效接触面积,用化学处理技术改变表面特征,并选择典型的刻蚀技术来改变多晶硅的表面形状,在NH4F或HF中处理表面,通过改变表面的化学成分达到改变表面性能、减小粘附的目的[5]。
4 结束语
粘附是微观领域特有的现象,是一个涉及量子力学、纳米力学、隧道扫描学、微电子学、材料学和固体物理学的综合问题。粘附现象对MEMS器件具有极大的负面影响,特别是采用表面工艺制作的微器件具有更大的表面积,同时相邻表面间距较小,易发生释放粘附和工作粘附现象,严重影响MEMS器件的工作性能和使用寿命。故研究MEMS器件粘附现象是通过分析来发现粘附现象产生的根源,从而采取相应的措施和技术手段消除或最大程度减小粘附现象的发生,对于MEMS器件的设计、加工和优化都具有重要的实际意义。
但是,由于微观世界的复杂性及微操作的不可逆性,目前对微观世界的特殊规律尚未完全认识,对粘附问题的研究虽然目前取得了一些成就,但是更清晰的机理分析与更有效的解决方法仍需不断探索和研究。
参考文献:
[1] 李瑰贤,彭云峰.微机械中微观力的几个关键问题分析[J].哈尔滨工业大学学报, 2006(8): 1318-1322.
[2] 田文超,贾建援.MEMS亟待解决的七个问题[J].仪器仪表学报, 2004(4): 95-97.
[3] Fuqian Yang. Adhesion contact of axisymmetric suspended minia2ture structure [J]. Physica,l 2003(104): 44-52.
[4] 张向军,孟永钢,温诗铸.微电子机械系统中的若干固体力学问题[J].力学与实践, 2003(2): 7-10.
[5] Pierre-HenriPuecha, Kate Poolec, DetlefKnebelc. A new techni2cal approach to quantify cell–cell adhesion forces by AFM [J].Ultramicroscopy, 2006(106): 637-644.
本文作者：刘庆玲
