引言

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS：Micro-Electro-mechanical 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(lái)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，廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、航空、汽車(chē)、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(wèn)題變得越來(lái)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。

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(jiàn)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. 粘附

粘附失效是MEMS中最常見(jiàn)且無(wú)法避免的問(wèn)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

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。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。因毛細(xì)效應(yīng)引起的粘附問(wèn)題可以通過(guò)一些技術(shù)手段來(lái)避免，包括疏水涂層、超臨界CO2干燥或冷凍干燥技術(shù)，也可以使用真空封裝或向封裝中填充惰性氣體的方式來(lái)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。

圖2 水彎月面產(chǎn)生的毛細(xì)力使接觸面相互吸引

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(guò)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(lái)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(méi)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。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。

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(guò)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(wèn)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。

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(lái)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(guò)程不斷地進(jìn)行，并最終導(dǎo)致斷裂失效(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(guò)載失效均發(fā)生在本身的氧化層中。

圖3 硅材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的失效機(jī)理

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。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(guò)程是保持多層結(jié)構(gòu)可靠性的必要條件。

6. 碎屑污染

MEMS制造工藝復(fù)雜并且非標(biāo)準(zhǔn)化，不同類(lèi)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(guò)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4000 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)。

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(kāi)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(guò)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，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。