引言

微機電系統(MEMS：Micro-Electro-mechanical System)是基于微電子技術和超精密機械加工技術而發展起來的，將傳感器、執行器、機械機構、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，其內部結構一般在微米甚至納米量級。與傳統的器件相比，其具有可大批量生產、成本低、功耗少和集成化程度高等顯著的特點。常用的MEMS器件包括加速度、壓力、化學、流體傳感器，以及微鏡、陀螺儀等，廣泛地應用于消費電子、通信、航空、汽車、生物醫療、家電和環境等領域。然而，隨著應用領域的日益廣泛，MEMS器件需在各種惡劣的環境下完成傳感、執行等功能，因此其可靠性問題變得越來越突出，已經成為了制約MEMS產業進一步發展的重要因素。

MEMS典型的失效機理

通用的MEMS器件中的部件主要有結構梁、結構薄膜、平層、鉸鏈、空腔和齒輪裝置等。雖然MEMS器件的應用非常廣泛，但在特定的環境條件下，其部件經常會經歷相同的退化或失效模式。本文詳細地討論了MEMS器件中常見的失效模式及其失效機理，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中最常見且無法避免的問題之一。MEMS的尺寸微小，其可動結構部件由微米級的薄膜加工而成，比表面積大大地增加。根據比例定律，當表面力占主導作用時，會使得結構部件表面在接觸時很容易發生粘附而導致器件失效(如圖1所示)。MEMS中主要的表面力是毛細力、分子范德華力和靜電力。

圖1 梳齒驅動器的粘附失效SEM圖

在濕度環境中，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，水汽會因毛細凝聚作用自發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，梁上下表面出現應力差，導致懸臂梁發生彎曲。當梁面與其他表面接觸時，水彎月面產生的毛細力使接觸面相互吸引(如圖2所示)，而曲面又使得表面毛細力增強，最終導致界面粘附失效。MEMS結構表面的粗糙度越大，就意味著可凝聚的水汽越多，表面之間發生粘附的幾率也就越大。因毛細效應引起的粘附問題可以通過一些技術手段來避免，包括疏水涂層、超臨界CO2干燥或冷凍干燥技術，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現。

靜電力是另一種可能引起粘附的作用力。在靜電驅動或摩擦的作用下，殘余電荷會集聚在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，在發生接觸時，若電荷之間不能相互抵消，則可能會發生短暫的粘附失效。

圖2 水彎月面產生的毛細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運動而造成的，是機械裝置失效的主要原因之一。硅MEMS器件的主要磨損機理是粘著磨損。在粘著磨損中，相互接觸的粗糙表面會在凸起點粘著在一起，表面的相對滑行造成凸起點磨損或斷裂，產生碎屑或顆粒。傳統的潤滑劑由于粘度過大，并不適用于微機械系統，只能利用濕度環境中水汽的毛細凝聚作用來提供一定的潤滑作用。

一項試驗表明：微型電動機在-50%RH的濕度環境下運行，幾乎沒有磨損現象，而在0.1%RH的干燥環境下，機械構件的磨損現象嚴重。此外，在器件的設計中盡量地減少部件相對滑行的接觸面積或提高運動部件的匹配度，也可以有效地降低磨損。

3. 金屬蠕變

對于金屬材料而言，其微米級薄膜結構的力學特性往往與其宏觀結構的大不相同。與其宏觀結構相比，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。金屬構件在高溫環境下受應力長期作用會產生連續應變，并由此引起蠕變，經過一段時間后，蠕變可能因斷裂而結束，造成器件斷裂失效。所以，在金屬MEMS器件中，蠕變問題不能被忽略。

通常情況下，當應力不大而溫度又低于材料熔點的1/3時，材料不會發生明顯的蠕變現象。而當溫度達到材料熔點的1/3～1/2時，材料的蠕變速率會快速地上升。此時，即使應力在屈服極限以下，材料也很容易因蠕變而發生斷裂。所以，一些低熔點的金屬材料在室溫下也會發生蠕變。因此，采用高熔點的材料或采取對結構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

在較大的循環應力的作用下，雖然微米級的金屬薄膜不易產生疲勞失效，但脆性材料卻有可能在濕潤環境中產生脆性斷裂，或被稱為應力腐蝕斷裂。在MEMS器件中，硅(單晶硅和多晶硅)常被用來作為結構部件材料，以承受工作環境中的較大應力。硅本身并不會因為水汽而產生應力腐蝕，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，在高電場環境下，氧化薄層會與表面的水分子膜發生水解作用。若此時薄層上出現了細小的裂紋，裂紋會在水解和外界高拉伸應力的共同作用下生長。裂紋的生長會加快硅的氧化，促使過程不斷地進行，并最終導致斷裂失效(如圖3所示)。對于硅材料薄膜，裂紋的起源、生長和最終過載失效均發生在本身的氧化層中。

圖3 硅材料的應力腐蝕開裂的失效機理

5. 分層

MEMS器件中的基底具有多層結構，是器件的重要組成部分。由于多層材料的物理性質失配或工藝不同等，使得多層結構中有較高的殘余應力。同時，外界溫度的變化引起熱應力變化，材料的熱膨脹系數不匹配使得層間界面處產生拉、壓應力。高溫和低溫應力的循環反復作用，使得界面因疲勞而產生裂紋并不斷地擴展，最終造成分層失效，或引起封裝氣密失效。同時，作為電連接和機械連接的焊點也可能會因熱疲勞而發生斷裂，導致整個封裝的失效。

研究表明，裂紋疲勞擴展速率隨溫度變化幅值的增大而呈指數關系升高。除溫度應力外，化學腐蝕也可能會使界面之間的裂紋擴展并造成分層，原因在于化學物質可以依靠毛細作用不斷地向裂紋深處滲透。所以，高純度、無污染的工藝過程是保持多層結構可靠性的必要條件。

6. 碎屑污染

MEMS制造工藝復雜并且非標準化，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的標準封裝工藝并不適用于MEMS器件。MEMS器件封裝過程中一些環節如晶圓切片、芯片鍵合等，容易產生碎屑。此外，器件微結構斷裂，層間界面分層也會產生碎屑或微粒。Sandia國家實驗室在對MEMS進行沖擊試驗時發現，當沖擊大于4000 g時，在芯片邊緣等處的碎屑會發生明顯的移動，導致執行器短路，并有可能堵塞聯動裝置，阻礙器件機械部件的運動。

結束語

本文介紹了MEMS的典型失效模式和失效機理，以期對相關技術人員在開展失效分析和可靠性設計工作時有所幫助。技術人員可通過光學、掃描電子、聲學顯微鏡和紅外等分析技術，對MEMS器件的失效現象進行觀測分析和特性分析，并以此為依據，在材料、結構等方面優化產品設計，達到提高MEMS器件的可靠性的目的。