关于MEMS可靠性的一些探析
摘要：随着MEMS技术的快速发展，其可靠性已成为迫切需要解决的关键问题。综述了国内外关于MEMS可靠性研
究的现状和方法，并分析了MEMS器件所出现的主要失效模式及其失效机理，研究了环境应力与失效模式之间的关系。在此基础上，提出了目前MEMS可靠性研究中所存在的一些问题。
关键词：MEMS；可靠性；失效模式；失效机理
0 引言
20世纪70年代末兴起的微电子机械系统（Micro-electro-mechanical system, MEMS），是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路为一体的微型系统[1]。
伴随着MEMS器件设计和制备的快速发展，MEMS研究中的可靠性问题，作为MEMS产品商品化过程中的必然要求，引起了越来越多的重视和研究兴趣，同时它的研究也是不可避免的[2]。其原因在于：一，多数已经进入应用领域的MEMS产品和正在研制的其它微机械器件将在其所应用的系统中占据着非常重要的角色，它们的失效造成的损失将是非常的巨大；二，作为一门全新的技术，对于MEMS失效机制的透彻、深刻的了解还不够；三，当前的MEMS技术仍处于飞速发展的阶段，不同的可靠性问题之间的相对作用将会不断发生变化；四，对于MEMS器件的设计和制备，必须考虑可靠性影响因素，以保证减小消耗、提高合格率。
1 MEMS可靠性分析
1.1 MEMS可靠性研究的现状及方法
对于MEMS器件来说，可靠性的研究还处于探索阶段，目前尚未形成有效、规范的分析方法和实验步骤。可靠性工作的核心在于确定失效模式和失效机制，这对于MEMS是十分重要的。图1给出了美国Sandia国家实验室关于MEMS可靠性的研究方法。首先设计测试结构进行可靠性试验，对出现的结果及现象进行统计、分析与总结以确定失效模式，在通过对这些失效模式科学理解的基础上提出可靠性预测模型。
确定失效模型开发可靠性测试结构研究可靠性预测模型统计分析 图1 Sandia国家实验室关于可靠性研究方法框图
Sandia国家试验室是研究MEMS可靠性的先驱。为对MEMS器件的可靠性进行全面、系统的分析研究，该实验室自行研制了一套MEMS器件可靠性测试系统ShiMMeR。该系统能对测试环境进行控制，一次可试验256个MEMS器件，每个MEMS器件都连着电缆，通过电缆发出的信号可启动器件，用高效能的光学显微镜和视频照相机观察和记录MEMS器件的状态，由此发现MEMS失效的原因和失效发生的时间及位置。
在1997~1999为期三年的可靠性研究工作中，Sandia实验室对微发动机系统装置的失效模式，特别是在不同环境条件（温度、湿度、冲击、振动和贮存）下的失效模式做了许多试验，并开发出了微机械摩擦表面磨损的可靠性预测模型。该模型公式考虑了强度、粘着磨损、临界体积、引脚半径、施加力、共振频率和质量因素，用这一模型推导出的结果与物理试验得出的实际结果很相近[3]。
另外，美国喷气推进实验室（JPL）1999年发布了《MEMS空间应用的可靠性保障指南》（MEMS Reliability Assurance Guidelines for Space Application），以便使工程师理解MEMS的可靠性知识并将之应用于MEMS的设计和制造过程中去。在该指南中，阐述了MEMS常用材料的性质及常见的失效模型及机理，MEMS在各种条件下的有限元仿真等[4]。日本的O.Tabata等人于2008年出版了《RELIBILITY OF MEMS》一书，主要论述了MEMS可靠性和机械特性之间的关系，并通过综述高可靠的MEMS商用产品，揭示了在产品研发阶段可靠性认证的重要性[5]。
在国内，随着MEMS技术的快速发展，其可靠性在近年来也引起了相关单位的重视。东南大学、天津大学、上海交大等单位对MEMS结构在机械环境下的可靠性进行了分析，并建立了相关的可靠性预测模型[6][7]。北京航空航天大学对MEMS器件的可靠性试验方法进行了一定的研究，其它单位如13所、电子产品可靠性与环境试验研究所等单位则对某些MEMS器件进行了相关的可靠性试验[8][9]。
1.2 MEMS的失效模式及失效机理分析
失效模式及其失效机理研究是MEMS可靠性研究的核心内容，下面对MEMS器件中常见的失效模式及其机理进行分析[10]。
（1）断裂和屈服
构件在载荷作用下，没有明显的破坏前兆而发生的突然破坏的现象称为断裂失效。当应力超过材料的强度极限时，结构将发生断裂或屈服失效，脆性材料硅、多晶硅制成的MEMS器件在冲击或振动作用下往往可能发生断裂失效。此外，疲劳也将导致结构断裂，构件在交变应力的作用下，即使其应力小于断裂强度，在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。
对于塑性材料，随着载荷的增加，应力增大到某一数值时，应变有着非常明显的增加，而应力围绕该数值上下微小波动。这种应力基本不变而应变显著增加的现象称为屈服。
（2）蠕变
对于金属MEMS而言，蠕变是一个很重要的可靠性问题。TI（Texas Instruments）发现由Al制成的薄膜微加工结构比起体结构金属来更容易发生的是蠕变而非疲劳。这种蠕变极大地限制了一些低熔点金属的寿命。蠕变是当应力大到一定数值，或者温度大于材料熔点的0.3倍时，其应变将显著地增加。蠕变不仅仅是由所施加的应力决定，还依赖于应力作用的时间和温度，即随着温度和时间的增加而变得显著。蠕变现象可能持续很长一段时间，形变的积累最终将导致器件失效。
（3）粘附
表面粘附是微电机系统中有关可靠性的一个大问题，是指两个光滑表面相接触时，它们依靠范德瓦尔斯力而彼此粘附在一起的现象。由于微机械系统的机械构件通常仅有极小的质量，而具有较大的表面体积比，惯性的作用往往可以忽略，而各种表面作用力和表面效应就占据了主导地位。表面粘附常常导致器件彻底失效，使本该释放的结构达到难以分开的地步。在微机械的体硅溶片工艺和各种表面工艺中，当水或其他液体烘干挥发时，会因为表面张力的作用使两个相邻的表面有彼此靠近接触的趋势，因此微机械工艺中的结构释放是重点和难点工艺之一。
（4）磨损
磨损是由于互相接触的表面相对运动造成的，是指由机械作用造成的固体表面的材料缺失现象。磨损通常是微机械器件所不希望的效应，主要有粘蚀、冲蚀、浸蚀、表面疲劳等几种。对许多种微机械执行器而言，磨损会使器件的驱动电压增加。这是因为磨损造成了接触表面的抛光，抛光使粘附力增大，进而使驱动电压上升。
（5）电介质退化
含有介电层的MEMS器件有一个重要的问题是表面电荷积累，这些寄生电荷可能会改变驱动电压或器件的动态特性。表面电荷的一个重要来源是离子（核）辐射，因此，在空间应用中要着重考虑这个问题。介电层的另一个重要问题是在高电场强度下，电流传导不再由欧姆定律确定而是类似于Schottky和Poole-Frenkel传导形式。这种情况将导致介电层漏电，最终导致电击穿。
（6）分层
分层是指多层结构由于层间界面的粘附键断裂造成的层和层分离的现象，设计时要采取措施提高层间的粘附，如采用过渡层等。光刻对位误差、工艺中的微粒、热膨胀系数失配等都可能导致分层。
（7）粒子污染
在MEMS制造过程中，尘埃等颗粒的污染对MEMS往往是致命的，可能导致器件的完全失效。因此，MEMS制造必须在达到一定标准的超净间里进行。单纯的IC器件封装完以后在使用的过程中一般不存在粒子污染，而MEMS器件在使用过程中仍然存在被污染的可能，例如齿轮和梳状静电驱动器，在冲击和碰撞过程中容易产生碎片和微粒，从而导致器件失效或短路等。另外，像传感器和执行器，如利用悬臂梁的谐振特性来检测某些化学气体的传感器，由于工作需要，器件必须裸露在工作环境中，这也可能导致器件失效。
（8）材料应力、寄生电容、阻尼效应及材料疲劳
材料应力是指没有外力作用时材料内部的应力，包括热应力和残留应力。材料应力对薄膜器件结构尤其具有特别大的影响，小的应力会导致传感器的噪声，大的应力会造成结构的变形甚至断裂。高温退火等技术虽然能降低应力，但是有时和具体的微机械工艺却不兼容。
寄生电容本身不是失效模式，但会对各种微机械器件的失效方式带来影响，所以应该设法减小。
阻尼效应会使各种微机械器件的谐振频率越来越偏离其自然谐振频率，会造成驱动电压的上升，对结构的机械性能和长期可靠性有明显影响。
材料疲劳是由反复性的低于屈服或断裂强度的结构负载所造成的，它会逐步增加微裂纹和塑性材料的变形。疲劳使断裂强度下降、杨氏模量漂移、电阻增加，最后导致失效。 1.3 环境与失效模式之间的关系
在MEMS制造、贮存和使用过程中，所经历的环境因素主要有振动、冲击、潮湿、微粒、温度变化、静电放电等。振动可能导致粘附、断裂和疲劳等；冲击区别于振动的是它是单一性的机械作用而不是反复循环性的机械作用，冲击会导致粘附和断裂以及半导体器件中常见的键合引线脱离等失效。潮湿是微机械重点考虑的问题之一，它会造成微裂、孔道、粘附等。微粒会导致短路、粘附、分层等，在工艺中和封装时要隔绝微粒，设计时要留有一定的微粒允许度。温度变化会引起应力变化，造成杨氏模量的变化而引起机械性能的变化，致使热匹配不良的器件和封装发生失效。静电放电对半导体器件和电路是敏感的破坏因素，对微机械也是必须给予重视的因素，有可能会烧毁结构的介质材料。环境应力与MEMS失效模式的关联矩阵，如表1所示。
表1 环境应力与MEMS失效模式的关联矩阵 环境应力 振动 失效模式 断裂 蠕变 粘附 磨损 电介质退化 分层 粒子污染 疲劳等 √ √ √ √ √ √ √
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