基于MEMS粘附问题中关键表面力的分析

　　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。