MEMS慣性器件的主要失效模式和失效機理研究

陳俊光， 谷專元， 何春華， 黃欽文， 來 萍， 恩云飛

(1.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510610； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

綜述與評論

MEMS慣性器件的主要失效模式和失效機理研究

陳俊光1,2， 谷專元1,3， 何春華1， 黃欽文1， 來 萍1， 恩云飛1

(1.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510610； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

針對微機電系統(tǒng)(MEMS)器件的可靠性問題，通過大量的歷史資料調(diào)研和失效信息收集等方法，針對微機電系統(tǒng)(MEMS)器件的可靠性問題，對沖擊、振動、濕度、溫變、輻照和靜電放電(ESD)等不同環(huán)境應(yīng)力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機理進行了深入分析和總結(jié)，研究結(jié)果有利于指導(dǎo)未來MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設(shè)計。

微機電系統(tǒng)(MEMS)慣性器件； 可靠性； 失效模式； 失效機理

0 引 言

微電子機械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)是集成的微型系統(tǒng)，它結(jié)合了電子、機械或其他(磁、液體和熱等)元件，通常采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體批量工藝技術(shù)來制造[1]。MEMS慣性器件是指敏感結(jié)構(gòu)采用微加工手段加工的微機械陀螺和微加速度計，其中陀螺用于測量運動體的角速度，加速度計用于測量運動體的加速度，它們可單獨使用，也可組合使用。

MEMS慣性器件具有體積小、重量輕、功耗低、可大批量生產(chǎn)、成本低、抗過載能力強等一系列優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于生物與醫(yī)藥行業(yè)、汽車工業(yè)、機器人、消費類電子、航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域中。MEMS慣性器件不可避免地應(yīng)用在各種惡劣的工作環(huán)境中，由此引發(fā)的可靠性問題非常突出，近年來受到了高度重視。

在制造、安裝、運輸或使用過程中，MEMS慣性器件會遭到劇烈沖擊或振動應(yīng)力的影響。而在航天航空等領(lǐng)域，MEMS慣性器件通常工作在高低溫劇烈變化的環(huán)境中，如衛(wèi)星運行時會周期性進入向陽面和背陽面，造成慣性器件的工作環(huán)境溫度發(fā)生周期性的極端變化[2]，同時在太空中工作也會受到各種射線輻射的影響。大氣下工作的MEMS慣性器件還可能受到空氣中水蒸氣或其他腐蝕氣體的影響。這些惡劣環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致MEMS慣性器件的一些特性發(fā)生變化，所引發(fā)的典型失效模式包括斷裂、分層、粘附、疲勞、腐蝕、微粒污染等[3]。

本文通過大量的歷史資料調(diào)研和失效信息收集等方法，針對不同環(huán)境應(yīng)力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機理進行了深入探討和分析。

1 典型失效模式與失效機理

1.1 沖擊應(yīng)力下的失效模式與失效機理

沖擊應(yīng)力下引起的MEMS慣性器件典型失效模式包括斷裂、粘附、微粒污染及分層等。

斷裂是沖擊應(yīng)力下最常見的失效模式。慣性器件的懸臂梁、梳齒等部件對應(yīng)力非常敏感，在沖擊環(huán)境下最容易發(fā)生斷裂。

Yang Chunhua和Liu Qin等人通過對MEMS加速度計的沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)懸臂梁、梳齒的受力集中點均在根部，即連接點處[4]。當(dāng)沖擊應(yīng)力引起的懸臂梁變形大于材料的屈服強度時，懸臂梁發(fā)生斷裂失效，這種情況在脆性材料硅基MEMS慣性器件中最為顯著。

Li J和Broas M等人對MEMS陀螺儀進行了多次沖擊試驗，結(jié)果如圖1所示[5]，該沖擊試驗引起的主要失效模式包括：梳狀驅(qū)動器的梳齒、梳臂斷裂，梳齒的破損，微粒阻塞梳狀結(jié)構(gòu)的運動。其主要失效機理為沖擊應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間發(fā)生劇烈碰撞，所引起的應(yīng)力遠大于其斷裂強度。

微粒污染是沖擊應(yīng)力下常見的失效模式。MEMS慣性器件中的微粒可由多種途徑引入或產(chǎn)生，包括制造過程中的表面清理、金屬沉積、刻蝕、退火、以及封裝過程引入的微粒，還包括MEMS器件材料的晶粒生長等[6]。沖擊引起的結(jié)構(gòu)斷裂面附著的微粒在持續(xù)沖擊下還會發(fā)生移動，從而帶來潛在的可靠性問題。如圖1(e)所示的微粒卡在MEMS慣性器件運動部件與固定部件之間，阻礙了器件的正常運動，從而引發(fā)功能失效。

圖1 MEMS梳狀結(jié)構(gòu)的失效模式

Tanner D M等人在他們對MEMS器件的沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)[7]，除了斷裂失效，在沖擊應(yīng)力下，梳齒之間、或者梳齒與和基底之間可能會直接接觸，從而造成短路失效，如圖2所示。此外，微粒分布在梳齒和梳齒、或者梳齒和接地基底之間也會導(dǎo)致電學(xué)短路失效，如圖3所示。

圖2 梳齒與基底接觸引起短路失效

圖3 微粒引起的短路失效

沖擊應(yīng)力下引發(fā)的失效模式還包括分層。MEMS慣性器件包含可動結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與襯底之間往往通過陽極鍵合工藝加工在一起，而高g值沖擊應(yīng)力下可能會導(dǎo)致鍵合斷裂，從而引起分層失效。

上述研究雖然是基于微引擎的，但由于MEMS慣性器件同樣具有梳齒結(jié)構(gòu)，而且加工工藝類似，所以，在高g值沖擊應(yīng)力下它們的失效模式和失效機理是相似的。

對基于表面微加工工藝的MEMS慣性器件，其表面積和體積之比相對較大，當(dāng)器件內(nèi)部的兩個部件表面距離較近時容易產(chǎn)生粘附失效。MEMS慣性器件梁與襯底間距僅為零點幾個微米，在使用過程中結(jié)構(gòu)材料的剛度退化降低，在沖擊力作用下梁容易變形，向襯底彎曲并發(fā)生粘附。當(dāng)彈性力小于粘附力時，梁與襯底無法分離，從而使器件發(fā)生永久性的粘附失效[8]。圖4為微懸臂梁粘附的兩種模式，一種為S型，一種為弓型[9]。

圖4 懸臂梁的粘附示意圖

1.2 振動應(yīng)力下的失效模式與失效機理

振動是影響MEMS慣性器件可靠性的重要因素之一。振動環(huán)境下MEMS慣性器件的主要失效模式包括斷裂、微粒污染、粘附、疲勞、以及金屬鍵合引線的脫落等。

斷裂同樣是振動應(yīng)力下MEMS慣性器件常見的失效模式。當(dāng)振動應(yīng)力超過材料斷裂強度時，就會引起斷裂失效。

不同于沖擊環(huán)境，振動環(huán)境下的斷裂失效可能是由于長期振動下的材料疲勞引起的，這種情況下振動應(yīng)力即使低于材料的斷裂強度，也可能引發(fā)斷裂失效。疲勞是指材料受到交變應(yīng)力重復(fù)作用后材料強度下降。MEMS慣性器件通常工作在諧振狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在工作過程中常以拉伸、壓縮、彎曲、振動，熱膨脹和熱收縮等形式產(chǎn)生循環(huán)的機械運動[10]。交變應(yīng)力會使疲勞損傷逐漸累積，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變、器件性能發(fā)生變化。據(jù)美國Sandia實驗室有關(guān)研究報道，材料的平均楊氏模量隨著循環(huán)次數(shù)的增加下降的范圍在疲勞失效前可達15 %[11]。也就是說當(dāng)循環(huán)運動達到一定次數(shù)后，器件會因為疲勞而發(fā)生失效。

De Pasquale G和Somà A對MEMS器件的彈性梁在不同交變應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)下進行了疲勞測試，結(jié)果如圖5所示[12]。實驗中σa表示交變應(yīng)力的振幅，σm表示平均應(yīng)力的振幅，Nf表示疲勞失效的循環(huán)次數(shù)。實驗中結(jié)果表明，σm=60 MPa，σa=32.7 MPa，Nf=6.6×106時，梁上表面晶界處開始出現(xiàn)裂縫，隨著應(yīng)力振幅的增長和循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫尖端處位錯的進一步運動使得裂縫生長，高密度的位錯積聚使材料表面出現(xiàn)局部屈服，如圖5(d)和(e)所示。在σm=65 MPa，σa=10 MPa時，彈性梁斷裂，如圖5(f)所示。由于MEMS慣性器件的微梁結(jié)構(gòu)在振動交變應(yīng)力作用下的受力情況也與上述梁結(jié)構(gòu)近似，因此出現(xiàn)的失效模式及失效機理也類似。

圖5 MEMS梁結(jié)構(gòu)在振動下的疲勞失效示意圖

在較大振動應(yīng)力下，還會引發(fā)鍵合引線的脫落或者斷裂。MEMS加速度計中的微電路引線材料為鋁，而結(jié)構(gòu)鍵合引線材料是金，不同材料之間的鍵合強度不是很強，在較大振動或沖擊應(yīng)力下都可能引起鍵合引線脫落或斷裂[13]。

MEMS慣性器件在振動過程中，由于懸臂梁太接近襯底而引起粘附力快速增長，當(dāng)力接近或超過梁的最大承受載荷和梁的彈性恢復(fù)力時會造成梁與襯底接觸，當(dāng)梁的彈性勢能不足以抵消表面能時，就會與襯底產(chǎn)生粘附失效。

在振動應(yīng)力的作用下也會出現(xiàn)MEMS慣性器件短路失效的問題。引發(fā)該失效模式的原因主要有兩個方面，一是振動應(yīng)力下不同電極部件的直接接觸，二是微粒散落在不同電勢部件之間形成通路進而造成短路失效。這兩種情況與沖擊應(yīng)力下的失效模式及失效機理類似。微粒污染也是振動下的失效模式之一，帶來的影響主要包括造成機械阻塞和短路失效兩種，其失效機理也與沖擊應(yīng)力下提到的類似。

1.3 濕度環(huán)境下的失效模式與失效機理

濕度也是影響MEMS慣性器件可靠性的重要因素之一。在濕度條件下，水汽會滲入器件的微裂縫和微孔中[14]。MEMS慣性器件梁結(jié)構(gòu)的粘附失效受濕度的影響也相對較大，封裝失效可能會導(dǎo)致水汽侵入，從而引起分布電容、電阻阻值等電參數(shù)的變化，并可能造成粘附、分層、電化學(xué)腐蝕、腐蝕疲勞等。

粘附是濕度環(huán)境下主要的失效模式之一。引起粘附的原因和前面提到的類似，主要是由于MEMS慣性器件結(jié)構(gòu)存在親水表面，當(dāng)兩個部件表面間距很小時，表面力如毛細黏性力、范德瓦爾斯力、靜電力和氫鍵產(chǎn)生的作用力等會造成結(jié)構(gòu)粘附。前面分析了在沖擊和振動應(yīng)力下的粘附失效機理，而在高濕度環(huán)境下更容易引起慣性器件的部件粘附。宋運康、趙坤帥等人在不同濕度下對MEMS加速度計進行測試證實，相對濕度與粘附比例成正比，當(dāng)相對濕度大于55 %時，粘附比例明顯上升[15]。

Van Spengen W M等人的研究表明,毛細黏性力和范德瓦爾斯力是影響 MEMS 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘連的主要原因[15,16]。圖6為高濕度下MEMS器件的幾種粘附情況，主要為梳齒間的側(cè)面粘附以及梳齒與基底粘附[3]。

圖6 MEMS器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘附情況

電化學(xué)腐蝕是MEMS慣性器件在濕度環(huán)境下的另一失效模式。空氣中的水汽是引起MEMS慣性器件電極發(fā)生電化學(xué)腐蝕的主要原因。當(dāng)器件直接暴露在空氣中時，一些封裝氣密性不好的MEMS器件可能會發(fā)生水汽滲入并附著在硅結(jié)構(gòu)表面上[17]，在電場作用下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成電化學(xué)腐蝕。

Hon M等人在高電場和高濕度對MEMS器件進行試驗發(fā)現(xiàn)，附著在MEMS器件中的表面水汽作為反應(yīng)的電解質(zhì)溶液，加速了電化學(xué)反應(yīng)的進程，僅2 h電極板就開始發(fā)生膨脹和分層、懸臂梁向上彎曲，結(jié)構(gòu)嚴重變形等[18,19]，如圖7所示。

圖7 微懸臂梁電化學(xué)腐蝕示意圖

圖8可更直觀地觀察到陽極板的變化[19]。實驗發(fā)現(xiàn)，由于陽極電板氧化使其產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致分層現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 陽極氧化現(xiàn)象

硅在潮濕環(huán)境下易形成氧化物，容易產(chǎn)生腐蝕應(yīng)力。氧化物積聚在硅表面，在周期應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，裂紋生長最終引起器件疲勞失效。對此，Pierron O N等人提出一種硅疲勞失效模式—反應(yīng)層疲勞，如圖9所示[20]。他們認為，硅的疲勞是由反應(yīng)層的疲勞引起的。首先，在循環(huán)應(yīng)力最大的點上，釋放后的氧化物變厚；接著，在濕氣的輔助下，該氧化物產(chǎn)生裂紋，引起亞臨界的裂紋生長。一旦暴露在裂縫尖端，在氧化作用下硅結(jié)構(gòu)會膨脹，進而導(dǎo)致了裂紋在每一次循環(huán)應(yīng)力下生長。

圖9 濕氣輔助下的裂紋生長機理

1.4 溫變環(huán)境下的失效模式與失效機理

溫度對MEMS慣性器件的影響不容忽視。MEMS慣性器件經(jīng)常工作在高低溫環(huán)境下，例如MEMS加速度計等傳感器在汽車的車廂中需承受-40～85 ℃的工作溫度，在引擎艙中將達到125 ℃的高溫[21]。溫變對MEMS慣性器件帶來的失效模式主要包括疲勞、分層和斷裂和電路失效等。

疲勞是熱應(yīng)力下MEMS慣性器件常出現(xiàn)的失效模式之一。MEMS器件在熱循環(huán)應(yīng)力下，可能會引起材料的疲勞損傷，而疲勞損傷的積聚將導(dǎo)致器件失效。在熱沖擊的作用下，材料的楊氏模量將發(fā)生改變，硅表面的氧化物薄膜將產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴散到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，最終造成器件材料的疲勞失效。

Chen B等人做了一個熱沖擊試驗[22]。他們先將器件加熱到125 ℃，直到表面薄膜鼓起至半球狀，然后迅速通入液氮降溫，使其經(jīng)歷一個300 K的急劇溫變。在這樣的熱沖擊之下，表面凸起部分的中心處出現(xiàn)裂紋，并且裂紋的寬度隨著冷卻時間的增長而變寬，如圖10所示。

圖10 熱沖擊下的裂紋萌生機理

雖然他們的試驗不是針對MEMS慣性器件來進行的，但由于MEMS慣性器件中經(jīng)常用到薄膜工藝，因此，在熱沖擊下薄膜裂紋萌生機理與該試驗呈現(xiàn)的結(jié)果類似。

熱沖擊下的疲勞裂紋生長最終也將導(dǎo)致MEMS器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷裂。

MEMS慣性器件常用硅—玻璃鍵合、或硅—硅鍵合工藝制作而成，在溫度循環(huán)下，由于不同材料之間熱膨脹系數(shù)失配，熱應(yīng)力下不同材料的膨脹程度不同，從而引起結(jié)構(gòu)形變、甚至分層失效。

劉加凱等人的研究指出，多層結(jié)構(gòu)在受到溫度應(yīng)力時，層間界面處會產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，如圖11所示[23]。當(dāng)溫度變化時，雙層結(jié)構(gòu)的界面上會同時產(chǎn)生正應(yīng)力和剪應(yīng)力。盡管作用在界面上的應(yīng)力小于界面的結(jié)合強度，但當(dāng)高溫和低溫的交變應(yīng)力循環(huán)作用在界面時，界面會由于疲勞而產(chǎn)生裂紋并沿著界面進行疲勞裂紋擴展，最終導(dǎo)致界面分層失效。

圖11 雙層結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力下的受力示意圖

溫變環(huán)境下的失效還包括MEMS慣性器件的性能溫漂。劉鳳麗等人在對梳狀微加速度計的研究中指出，硅基微加速度計中廣泛存在熱敏材料，環(huán)境溫度的變化會使加速度計結(jié)構(gòu)形變，從而導(dǎo)致電極極板間的間距或重疊面積發(fā)生改變，引起電容檢測誤差[24]。

1.5 輻照應(yīng)力下的失效模式與失效機理

MEMS慣性器件在航空領(lǐng)域應(yīng)用時，難免受到輻射的影響。因此，輻照環(huán)境下MEMS慣性器件的失效模式及其失效機理也是值得重視的，輻照環(huán)境下的失效模式主要是疲勞和電路失效。

Shea H R的研究中指出了輻照對MEMS器件影響[25]，在輻照環(huán)境下，高能光子和粒子將能量轉(zhuǎn)移到它們所穿透的材料中進而造成材料的損傷，損傷的類型主要為原子位移和電離兩種。長期被輻射的器件容易發(fā)生材料脆化，在交變應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞失效。

Wang L等人對MEMS器件進行了伽馬射線輻射，發(fā)現(xiàn)多晶硅電阻增大[26]。主要原因是輻照在多晶硅晶粒中造成的位移損傷產(chǎn)生的點缺陷會造成多晶硅晶粒電阻的提高，從而使基于壓阻原理的MEMS器件性能發(fā)生改變。

此外，輻照對MEMS器件的檢測電路影響較大，特別是數(shù)字電路，高能粒子會造成電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)、改變存儲器的數(shù)據(jù)，從而引起性能漂移、甚至失效。Knudson A R等人對ADI公司的商用加速度計進行的輻照試驗表明[27]，加速度計對電介質(zhì)中的靜電荷非常敏感，輻照引起的輸出電壓漂移是由于檢測質(zhì)量下面的電介質(zhì)充電引起的。介電層中的電荷堆積引起了加速度計檢測電容周圍電場的變化，從而改變了輸出電壓[28]。

1.6 靜電放電應(yīng)力下的失效模式與失效機理

靜電放電(ESD)是指兩個物體之間電荷的迅速轉(zhuǎn)移，這樣的事件經(jīng)常發(fā)生在MEMS器件和人或設(shè)備之間。例如干燥的冬天操作者的身上可能會帶有比較高的靜電電荷，操作過程中一旦接觸到電子器件的管腳，就會通過器件放電，造成器件損傷[29]。

ESD可能會導(dǎo)致MEMS慣性器件電損傷和機械損傷。電損傷是指器件檢測電路的電子元器件或芯片被電擊穿而發(fā)生失效。機械損傷主要是器件結(jié)構(gòu)粘附失效，如懸臂梁、梳齒粘附等。器件結(jié)構(gòu)電容極板之間可能由于瞬間增大的靜電力而相互碰撞，從而引起粘附或者電擊穿失效。

Walraven A J A等人的研究發(fā)現(xiàn)[30]，較大ESD脈沖引起梳齒的運動，導(dǎo)致其與基底發(fā)生粘附失效，同時也造成了短路失效。此外，在梳齒的尖端還發(fā)現(xiàn)了熔化或者“點焊”現(xiàn)象。

2 結(jié) 論

本文綜述了MEMS慣性器件在沖擊、振動、濕度、溫變、輻照和靜電放電等環(huán)境應(yīng)力下的主要失效模式，并剖析了它們的主要失效機理。可見單一應(yīng)力可能造成多種失效模式，而復(fù)合應(yīng)力作用下失效模式將交叉融合出現(xiàn)，失效機理也將更加復(fù)雜。

隨著MEMS慣性器件的廣泛應(yīng)用，其可靠性問題越來越突出，成為制約應(yīng)用拓展和國防安全的關(guān)鍵。因此，本文對MEMS慣性器件在典型應(yīng)用環(huán)境下的主要失效模式和失效機理進行分析和總結(jié)，有利于指導(dǎo)未來MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設(shè)計，具有較高的參考價值。

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Study of main failure modes and failure mechanisms of MEMS inertial devices

CHEN Jun-guang1,2, GU Zhuan-yuan1,3, HE Chun-hua1, HUANG Qin-wen1, LAI Ping1, EN Yun-fei1

(1.Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory,The Fifth Electronic Research Institute of the Ministry of Industry and Information TechnologyGuangzhou 510610,China; 2.Faculty of Automation, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China； 3.School of Electrical and Information,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Reliability of MEMS inertial devices seriously affects the defense security and restricts the application.Aiming at typical application environments,such as shock,vibration,humidity,temperature,radiation and electrostatic discharge(ESD),typical failure modes and mechanisms of MEMS inertial devices are detailed analyzed and summed up and research results will benefit failure analysis and reliability design of MEMS inertial devices.

MEMS inertial device; reliability; failure mode; failure mechanism

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0001—05

2016—04—14

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0001—05

陳俊光(1993-)，男，本科生，研究方向為MEMS可靠性。

何春華(1988-)，男，通訊作者,工程師，從事MEMS可靠性研究工作，E-mail：hechunhua@pku.edu.cn。