關(guān)于MEMS器件失效機(jī)理的討論

陳天佐，張琦，任德潔

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所,江蘇 蘇州 215011）

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS:Micro-Electromechanical System）是基于微電子技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)而發(fā)展起來的,將傳感器、執(zhí)行器、機(jī)械機(jī)構(gòu)、信息處理和控制電路等集成于一體的集成微型器件或系統(tǒng),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。與傳統(tǒng)的器件相比,其具有可大批量生產(chǎn)、成本低、功耗少和集成化程度高等顯著的特點(diǎn)。常用的MEMS器件包括加速度、壓力、化學(xué)、流體傳感器,以及微鏡、陀螺儀等[1],廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、航空、汽車、生物醫(yī)療、家電和環(huán)境等領(lǐng)域。然而,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛,MEMS器件需在各種惡劣的環(huán)境下完成傳感、執(zhí)行等功能,因此其可靠性問題變得越來越突出,已經(jīng)成為了制約MEMS產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素[2]。

1 MEMS典型的失效機(jī)理

通用的MEMS器件中的部件主要有結(jié)構(gòu)梁、結(jié)構(gòu)薄膜、平層、鉸鏈、空腔和齒輪裝置等。雖然MEMS器件的應(yīng)用非常廣泛,但在特定的環(huán)境條件下,其部件經(jīng)常會(huì)經(jīng)歷相同的退化或失效模式。本文詳細(xì)地討論了MEMS器件中常見的失效模式及其失效機(jī)理,主要包括粘附、磨損、金屬蠕變、脆性斷裂、分層和碎屑污染。

1.1 粘附

粘附失效是MEMS中最常見且無(wú)法避免的問題之一。MEMS的尺寸微小,其可動(dòng)結(jié)構(gòu)部件由微米級(jí)的薄膜加工而成,比表面積大大地增加。根據(jù)比例定律,當(dāng)表面力占主導(dǎo)作用時(shí),會(huì)使得結(jié)構(gòu)部件表面在接觸時(shí)很容易發(fā)生粘附而導(dǎo)致器件失效（如圖1所示）。MEMS中主要的表面力是毛細(xì)力、分子范德華力和靜電力。

圖1 梳齒驅(qū)動(dòng)器的粘附失效SEM圖 [3]

在濕度環(huán)境中,封裝后的MEMS器件若因封裝密封性不好使其懸臂梁暴露在空氣中,水汽會(huì)因毛細(xì)凝聚作用自發(fā)地凝聚在表面微小的空隙或空洞中,形成水彎月面。由于分子范德華力的作用,梁上下表面出現(xiàn)應(yīng)力差,導(dǎo)致懸臂梁發(fā)生彎曲。當(dāng)梁面與其他表面接觸時(shí),水彎月面產(chǎn)生的毛細(xì)力使接觸面相互吸引 （如圖2所示）,而曲面又使得表面毛細(xì)力增強(qiáng),最終導(dǎo)致界面粘附失效[4]。MEMS結(jié)構(gòu)表面的粗糙度越大,就意味著可凝聚的水汽越多,表面之間發(fā)生粘附的幾率也就越大[5]。因毛細(xì)效應(yīng)引起的粘附問題可以通過一些技術(shù)手段來避免,包括疏水涂層、超臨界CO2干燥或冷凍干燥技術(shù)[6],也可以使用真空封裝或向封裝中填充惰性氣體的方式來實(shí)現(xiàn)。

靜電力是另一種可能引起粘附的作用力。在靜電驅(qū)動(dòng)或摩擦的作用下,殘余電荷會(huì)集聚在MEMS器件中的絕緣部件或絕緣層上,例如:氧化硅或氮化硅絕緣層和疏水涂層等。相鄰表面的殘余電荷引起靜電力,在發(fā)生接觸時(shí),若電荷之間不能相互抵消,則可能會(huì)發(fā)生短暫的粘附失效[7]。

圖2 水彎月面產(chǎn)生的毛細(xì)力使接觸面相互吸引 [7]

1.2 磨損

磨損是由于相互接觸的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成的,是機(jī)械裝置失效的主要原因之一。硅MEMS器件的主要磨損機(jī)理是粘著磨損。在粘著磨損中,相互接觸的粗糙表面會(huì)在凸起點(diǎn)粘著在一起,表面的相對(duì)滑行造成凸起點(diǎn)磨損或斷裂,產(chǎn)生碎屑或顆粒。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑由于粘度過大,并不適用于微機(jī)械系統(tǒng),只能利用濕度環(huán)境中水汽的毛細(xì)凝聚作用來提供一定的潤(rùn)滑作用。一項(xiàng)試驗(yàn)表明:微型電動(dòng)機(jī)在-50%RH的濕度環(huán)境下運(yùn)行,幾乎沒有磨損現(xiàn)象,而在0.1%RH的干燥環(huán)境下,機(jī)械構(gòu)件的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重[6]。此外,在器件的設(shè)計(jì)中盡量地減少部件相對(duì)滑行的接觸面積或提高運(yùn)動(dòng)部件的匹配度,也可以有效地降低磨損[8]。

1.3 金屬蠕變

對(duì)于金屬材料而言,其微米級(jí)薄膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性往往與其宏觀結(jié)構(gòu)的大不相同。與其宏觀結(jié)構(gòu)相比,金屬薄膜極少顯示出疲勞特性,但卻更容易受到蠕變的影響。金屬構(gòu)件在高溫環(huán)境下受應(yīng)力長(zhǎng)期作用會(huì)產(chǎn)生連續(xù)應(yīng)變,并由此引起蠕變,經(jīng)過一段時(shí)間后,蠕變可能因斷裂而結(jié)束,造成器件斷裂失效。所以,在金屬M(fèi)EMS器件中,蠕變問題不能被忽略。

通常情況下,當(dāng)應(yīng)力不大而溫度又低于材料熔點(diǎn)的1/3時(shí),材料不會(huì)發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象。而當(dāng)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)的1/3～1/2時(shí),材料的蠕變速率會(huì)快速地上升。此時(shí),即使應(yīng)力在屈服極限以下,材料也很容易因蠕變而發(fā)生斷裂。所以,一些低熔點(diǎn)的金屬材料在室溫下也會(huì)發(fā)生蠕變。因此,采用高熔點(diǎn)的材料或采取對(duì)結(jié)構(gòu)部件冷卻或隔熱等方法,可以有效地降低材料的蠕變速率。

1.4 脆性斷裂

在較大的循環(huán)應(yīng)力的作用下,雖然微米級(jí)的金屬薄膜不易產(chǎn)生疲勞失效,但脆性材料卻有可能在濕潤(rùn)環(huán)境中產(chǎn)生脆性斷裂,或被稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。在MEMS器件中,硅 （單晶硅和多晶硅）常被用來作為結(jié)構(gòu)部件材料,以承受工作環(huán)境中的較大應(yīng)力。硅本身并不會(huì)因?yàn)樗a(chǎn)生應(yīng)力腐蝕,但暴露在空氣中的硅表面易被氧化而形成SiO2薄層,氧化層容易吸附空氣中的水分子,在高電場(chǎng)環(huán)境下,氧化薄層會(huì)與表面的水分子膜發(fā)生水解作用。若此時(shí)薄層上出現(xiàn)了細(xì)小的裂紋,裂紋會(huì)在水解和外界高拉伸應(yīng)力的共同作用下生長(zhǎng)。裂紋的生長(zhǎng)會(huì)加快硅的氧化,促使過程不斷地進(jìn)行,并最終導(dǎo)致斷裂失效[3]（如圖3所示）。對(duì)于硅材料薄膜,裂紋的起源、生長(zhǎng)和最終過載失效均發(fā)生在本身的氧化層中[9]。

圖3 硅材料的應(yīng)力腐蝕開裂的失效機(jī)理 [3]

1.5 分層

MEMS器件中的基底具有多層結(jié)構(gòu),是器件的重要組成部分。由于多層材料的物理性質(zhì)失配或工藝不同等,使得多層結(jié)構(gòu)中有較高的殘余應(yīng)力。同時(shí),外界溫度的變化引起熱應(yīng)力變化,材料的熱膨脹系數(shù)不匹配使得層間界面處產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力。高溫和低溫應(yīng)力的循環(huán)反復(fù)作用,使得界面因疲勞而產(chǎn)生裂紋并不斷地?cái)U(kuò)展,最終造成分層失效,或引起封裝氣密失效。同時(shí),作為電連接和機(jī)械連接的焊點(diǎn)也可能會(huì)因熱疲勞而發(fā)生斷裂,導(dǎo)致整個(gè)封裝的失效。研究表明,裂紋疲勞擴(kuò)展速率隨溫度變化幅值的增大而呈指數(shù)關(guān)系升高[10]。除溫度應(yīng)力外,化學(xué)腐蝕也可能會(huì)使界面之間的裂紋擴(kuò)展并造成分層,原因在于化學(xué)物質(zhì)可以依靠毛細(xì)作用不斷地向裂紋深處滲透。所以,高純度、無(wú)污染的工藝過程是保持多層結(jié)構(gòu)可靠性的必要條件[6]。

1.6 碎屑污染

MEMS制造工藝復(fù)雜并且非標(biāo)準(zhǔn)化,不同類型的MEMS器件使用的制造工藝流程完全不同,所以用于IC的標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝并不適用于MEMS器件。MEMS器件封裝過程中一些環(huán)節(jié)如晶圓切片、芯片鍵合等,容易產(chǎn)生碎屑。此外,器件微結(jié)構(gòu)斷裂,層間界面分層也會(huì)產(chǎn)生碎屑或微粒。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在對(duì)MEMS進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)沖擊大于4 000 g時(shí),在芯片邊緣等處的碎屑會(huì)發(fā)生明顯的移動(dòng),導(dǎo)致執(zhí)行器短路,并有可能堵塞聯(lián)動(dòng)裝置,阻礙器件機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)[11]。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了MEMS的典型失效模式和失效機(jī)理,以期對(duì)相關(guān)技術(shù)人員在開展失效分析和可靠性設(shè)計(jì)工作時(shí)有所幫助。技術(shù)人員可通過光學(xué)、掃描電子、聲學(xué)顯微鏡和紅外等分析技術(shù),對(duì)MEMS器件的失效現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)分析和特性分析[12],并以此為依據(jù),在材料、結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),達(dá)到提高M(jìn)EMS器件的可靠性的目的。在未來的工作中,筆者將通過試驗(yàn)進(jìn)一步地量化環(huán)境應(yīng)力對(duì)器件的影響,并建立失效模型,為相關(guān)的可靠性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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