The Adhesion Failure in the MEMS Accelerator Influenced by Relative Humudity*

SONG Yunkang，ZHAO Kunshuai，YAN Xin，LI Chuan

(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute，Xi’an 710065，China)

The Adhesion Failure in the MEMS Accelerator Influenced by Relative Humudity*

SONG Yunkang*，ZHAO Kunshuai，YAN Xin，LI Chuan

(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute，Xi’an 710065，China)

Adhesion is a well-known failure mode in micro-electromechanical systems(MEMS)，most of them are influenced by relative humidity.The capacitive MEMS micro-accelerator is studied，the theory of adhesion influenced by relative humidity is analyzed，especially the capillary force.In order to investigate the adhesion influenced by different material and surface condition，the material W，AlCu and Al are used.Al is approved to be a good material with high contact angle and roughness，and the adhesion occurred on the Al electrode surface is the least.The HMDS is also used to deal with the inner surface of the MEMS chip，which is a good way to decrease adhesion.It is proved that choosing electrode material with high contact angel and large roughness，processing the contact surface with hydrophobic layers are good method to decrease adhesion dominated by relative humidity.

MEMS;adhesion;capillary force;roughness;HMDS

表面粘連是微/納器件失效的一種重要形式，引起粘連的表面力很多，最常見的幾種力是毛細黏性力，范德華力，靜電力和機械力等.在這幾種表面力中，毛細黏性力和范德華力是導致微/納器件失效的兩種主要形式，在RF-MEMS器件和MEMS加速度計工作過程中，以及MEMS陀螺結構釋放過程中比較常見［1］。MEMS加速度計和MEMS陀螺是兩種常見的微型器件，具有尺寸小，重量輕、功耗低、抗沖擊，能適用于惡劣環境等優點，由他們組成的微慣導系統在戰術武器系統、微小型微型、慣性導航、機器人、汽車等方面具有十分廣闊的應用前景［1］。隨著MEMS慣性器件應用越來越普遍，由粘連引起的失效引起廣泛關注和研究，因而減少粘連失效具有重要的意義。常用的減少粘連的方法主要有以下幾類:①微機械結構支撐，例如利用凸點防粘連;②改進釋放方法，例如用氣體HF釋放結構等;③減小表面張力處理，例如增加接觸面粗糙度，表面沉積疏水氟化物薄膜等;④采用密封封裝，減少水汽的侵入等，這些方法在針對不同MEMS結構都有顯著的效果［3-4］。

本文以“三明治”擺式加速度計為研究對象，圖1給出了一類擺式加速度計的示意圖，該結構由三層組成:兩側的電極板和中間的中心質量塊，質量塊表面對稱分布8個阻擋塊，防止中心質量塊與電極直接接觸造成短路。阻擋塊由SiO2制成，長、寬、高尺寸分別為30 μm，30 μm，2 μm。電容信號由電極孔引出(圖中未標出)，該加速度計是一個開放式結構。

圖1 電容擺式加速度計結構示意圖

該類加速度計在測試和使用過程中，出現中心質量塊與電極之間粘連的現象，即阻擋塊與電極之間發生粘連。由于懸臂梁產生的回復力小于阻擋塊與電極之間產生的黏性力，因此導致加速度計中心質量塊無法回復到平衡位置，如圖2“C-V測試曲線”中C2曲線所示:在加電壓過程中，中心質量塊與電極板發生吸合，在電壓減少時，中心質量塊無法回復到平衡位置，即阻擋塊與電極之間發生粘連(其中C1曲線為正常測試曲線)，粘連引起的失效嚴重影響加速度計正常工作。

圖2 加速度計芯片C-V測試曲線

本文以MEMS擺式加速計為模型，分析環境濕度對加速度計粘連的影響，通過理論分析建立了濕度影響粘連的模型。并采用不同的電極材料;改變電極表面粗糙度;表面疏水處理等方法有效減少加速度計粘連比例，提升該類器件的成活率。

1 理論分析

擺式電容加速度計測試過程中，出現加速度粘連比例隨環境濕度變化的現象(試驗共測試18個芯片)，如圖3所示，當濕度小于50%時，粘連比例相對較小;當濕度大于55%，粘連比例明顯增加。Van Spengen W M等人的研究表明毛細黏性力和范德華力是影響MEMS器件粘連的主要機理，在濕度較小的條件下(RH＜30%)，范德華力是粘連的主要因素;在濕度較大(RH＞30%)的條件下，毛細黏性力是導致粘連的主要因素，相比于毛細黏性力的影響，范德華力的影響要小的多［4］。因此要消除粘連問題，主要是減少毛細黏性力。

圖3 濕度對加速度計芯片粘連比例的影響

在一定濕度的情況下，當兩個物體間的距離很小時，兩個界面之間會形成液橋，液橋對界面的相對運動產生毛細黏性力，毛細黏性力是由于液體的表面張力引起的［6］。Nieis Tas等人建立了毛細粘附力作用于兩個界面的模型，通過理論分析給出了毛細粘附作用表面能量的大小［7］。王佩瑤等研究了懸臂梁在沖擊作用下的粘連失效形式，沖擊越大，失效比例增加;濕度越大，粘連比例增加［8］。Liang X J等人分析了濕度對MEMS陀螺失效的影響，并給出了梳齒結構毛細黏性力的計算公式［2］。結合二者的研究，可以得到兩個平整界面間表面黏性力的計算公式，如式(1)所示:

σ為液體表面張力，θ1為液體與上級板之間的接觸角，θ2為液體與下級板之間的接觸角，l為間距，A為液體與板的接觸面積。從該表達式可以看出，毛細黏性力與其作用距離的一次方成反比，與面積成正比，即

由以上分析可知，要想減小毛細黏性力，需要從增加界面間的距離、減少接觸面積，以及增加表面接觸角著手。由于毛細黏性力與作用距離的變化緩慢［3］，因此減少毛細黏性力作用面積、改變表面形貌和表面性質將會有效減少毛細黏性力。由于受阻擋塊尺寸的限制，本文主要采用改變電極材料、增加電極表面粗糙度和界面疏水處理來減少毛細黏性力。

2 試驗分析

2.1 材料性質和粗糙度對粘連的影響

2.1.1 不同金屬薄膜電極表面性質

金屬電極材料對粘連的影響表現為，電極表面接觸角越大，毛細黏性力越小，粘連減少。粗糙度對粘連的影響一般表現為粗糙度增加，粘連減少:當固體表面粗糙度增加，液體浸潤固體的能力減弱，即接觸角增加，因而毛細黏性力減少［6］。有研究表明，當粗糙度(Ra)從1.6nm增加到10.3nm時，毛細黏性力減小約90%［9］。由于二氧化硅阻擋塊的粗糙度(Ra=12.5à)和親水性改變困難，因此本實驗對金屬電極表面進行重點研究。實驗中選用鎢(W)、鋁銅(AlCu)(Cu含量0.4%)和鋁(Al)3種材料進行對比，驗證不同材料對毛細黏性力的影響，同時驗證粗糙度對毛細黏性力的影響。

金屬電極制備采用DENTON磁控濺射設備;粗糙度測量使用VeeCo臺階儀，型號:DEKTAK-8;接觸角的測量采用參考文獻［10］的測試方法;測試環境濕度為65%。

試驗表明3種電極材料具有不同的表面性質:其中W和AlCu粗糙度接近，但是由于材料性質差異較大，W接觸角比AlCu小，表現更強的親水性;AlCu和Al粗糙度差異較大，但是由于材料具有相近的材料性質，因此接觸角接近，具體試驗結果見表1。由以上的分析可知，Al電極材料表面接觸角大、表面粗糙度大，用Al材料做電極，會減少粘連比例。

表13 種電極材料性能的對比

2.1.2 不同材料和粗糙度對粘連的影響

利用3種材料做電極制備加速度計芯片，采用陽極鍵合(溫度360℃)進行封裝。實驗發現W、AlCu電極的粗糙度變化不明顯，接觸角略有減小，分析可能是電極表面被氧化所致。Al電極材料，在經歷高溫退火后，表面粗糙度增加，接觸角增加。W、AlCu和Al 3種電極接觸角依次增加，因此對應芯片成活率逐漸減小。其中Al對應粘連比例最小，表明Al電極具有很好的防粘連效果，試驗結果見表2。

表2 鍵合后電極材料性能

HengYu wang等人對Al薄膜進行不同的退火試驗，發現退火時間越久，Al膜層晶粒越大，表面粗糙度越大，表面黏性力大幅減少［11］。Al電極在經過高溫之后，表面會出現凸起，即所謂的合金化點，會顯著增加Al電極的表面粗糙度［12］。

通過上面的研究表明，選用接觸角大的材料;適當增加電極的粗糙度，都可以有效減少毛細黏性力為主導的粘連。

2.2 表面疏水劑的影響

表面覆蓋疏水單分子層具有很好的防粘連效果，這種方法早在1950年，由Bowden F P和Tabor D在防止金球的冷焊粘連中得到應用，并取得很好的效果［13］。常用的防粘連薄膜有OTS(CH3(CH3)17SiCl3)和FDTS(CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3)該類物質中的烷基與—OH發生反應，形式Si—O—R鍵，這樣形成的薄膜具有很強的疏水性［14］。本試驗中利用HMDS疏水劑，分子式(CH3)3SiNHSi(CH3)3，對芯片內表面(粘連明顯的W電極表面)進行處理。HMDS與阻擋塊(SiO2)表面的硅羥基發生化學反應，將表面的羥基替換為機官能團，使SiO2表面由親水表面變為疏水表面，示意圖如圖4所示［15］。利用這種方式可以增加表面接觸角，減少表面毛細黏性力。

圖4HMDS表面改性示意圖

具體試驗過程:(1)將芯片在烘箱中加熱至200℃，保溫1 h;(2)將芯片在HMDS的蒸汽中放置30 min。通過對處理之后的表頭進行測試，發現加速度計粘連失效比例從78%，減少到28%(一共測試18只表頭)。這些處理后的加速度計芯片在后端測試中沒有表現出與合格表頭的差異。表明HMDS處理，是有效減少加速度計芯片粘連的方法。

3 總結

本為以擺式MEMS加速度計為模型，分析了濕度對加速度計粘連失效的影響，主要是毛細黏性力的影響，并對毛細黏性力形成機理進行深入分析。通過選用W、AlCu和Al 3種電極材料進行對比分析，發現Al電極接觸角和粗糙度都很大，因而粘連比例較少。除此之外，利用疏水劑HMDS對芯片內表面進行處理，有效減少粘連。研究表明選用接觸角大的電極材料、增加電極表面粗糙度、表面疏水處理都能有效減少毛細黏性力為主導的粘連失效，該類方法在芯片后端測試中得到驗證，具有顯著效果。本研究具有很強的借鑒意義，對提升其他類型MEMS器件粘連失效有重要的指導意義。

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宋運康(1986-)，碩士，陜西漢中人。現工作于西安飛行自動控制研究所，工藝工程師。主要研究方向為MEMS加工工藝和慣性MEMS器件的失效分析，syk618@163.com;

閆鑫(1982-)，男，博士，新疆哈密人。2011年畢業于廈門大學微電子與固體電子專業，現工作于西安飛行自動控制研究所，高級工藝工程師。主要研究對象為MEMS加工工藝和慣性MEMS傳感器的設計，steven.yanx@ gmail.com。

濕度對微型加速度計粘連失效的影響*

宋運康*，趙坤帥，閆鑫，李川
(西安飛行自動控制研究所，西安710065)

粘連是微/納器件的一種典型失效模式，由于濕度引起的粘連失效占很大比例。以MEMS擺式加速度計為模型，分析了濕度引起粘連失效的機理，主要是毛細黏性力的影響。為了研究材料性質和粗糙度對粘連的影響，對比鎢(W)、鋁銅(Al-Cu)和鋁(Al)3種不同電極材料，發現Al電極材料表面接觸角和表面粗糙度都很大，對應芯片的粘連比例較少。利用HMDS對粘連芯片內表面進行疏水處理，有效減少了粘連比例。研究表明選用接觸角大的電極材料、增加電極表面粗糙度和表面疏水處理均能有效減少毛細黏性力為主導的粘連。

MEMS;粘連;毛細黏性力;粗糙度;HMDS(六甲基二硅胺烷)

V241.6;TH706;TN405.98

A

1004－1699(2014)03－0316－04

2014-01-04修改日期:2014-02-28

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.008

項目來源:863預研課題項目(2011AA110102);國家國際科技合作項目專項項目(2011DFA72370)