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

表面粘连是微/纳器件失效的一种重要形式，引起粘连的表面力很多，最常见的几种力是毛细黏性力，范德华力，静电力和机械力等.在这几种表面力中，毛细黏性力和范德华力是导致微/纳器件失效的两种主要形式，在RF-MEMS器件和MEMS加速度计工作过程中，以及MEMS陀螺结构释放过程中比较常见［1］。MEMS加速度计和MEMS陀螺是两种常见的微型器件，具有尺寸小，重量轻、功耗低、抗冲击，能适用于恶劣环境等优点，由他们组成的微惯导系统在战术武器系统、微小型微型、惯性导航、机器人、汽车等方面具有十分广阔的应用前景［1］。随着MEMS惯性器件应用越来越普遍，由粘连引起的失效引起广泛关注和研究，因而减少粘连失效具有重要的意义。常用的减少粘连的方法主要有以下几类:①微机械结构支撑，例如利用凸点防粘连;②改进释放方法，例如用气体HF释放结构等;③减小表面张力处理，例如增加接触面粗糙度，表面沉积疏水氟化物薄膜等;④采用密封封装，减少水汽的侵入等，这些方法在针对不同MEMS结构都有显著的效果［3-4］。

本文以“三明治”摆式加速度计为研究对象，图1给出了一类摆式加速度计的示意图，该结构由三层组成:两侧的电极板和中间的中心质量块，质量块表面对称分布8个阻挡块，防止中心质量块与电极直接接触造成短路。阻挡块由SiO2制成，长、宽、高尺寸分别为30 μm，30 μm，2 μm。电容信号由电极孔引出(图中未标出)，该加速度计是一个开放式结构。

图1 电容摆式加速度计结构示意图

该类加速度计在测试和使用过程中，出现中心质量块与电极之间粘连的现象，即阻挡块与电极之间发生粘连。由于悬臂梁产生的回复力小于阻挡块与电极之间产生的黏性力，因此导致加速度计中心质量块无法回复到平衡位置，如图2“C-V测试曲线”中C2曲线所示:在加电压过程中，中心质量块与电极板发生吸合，在电压减少时，中心质量块无法回复到平衡位置，即阻挡块与电极之间发生粘连(其中C1曲线为正常测试曲线)，粘连引起的失效严重影响加速度计正常工作。

图2 加速度计芯片C-V测试曲线

本文以MEMS摆式加速计为模型，分析环境湿度对加速度计粘连的影响，通过理论分析建立了湿度影响粘连的模型。并采用不同的电极材料;改变电极表面粗糙度;表面疏水处理等方法有效减少加速度计粘连比例，提升该类器件的成活率。

1 理论分析

摆式电容加速度计测试过程中，出现加速度粘连比例随环境湿度变化的现象(试验共测试18个芯片)，如图3所示，当湿度小于50%时，粘连比例相对较小;当湿度大于55%，粘连比例明显增加。Van Spengen W M等人的研究表明毛细黏性力和范德华力是影响MEMS器件粘连的主要机理，在湿度较小的条件下(RH＜30%)，范德华力是粘连的主要因素;在湿度较大(RH＞30%)的条件下，毛细黏性力是导致粘连的主要因素，相比于毛细黏性力的影响，范德华力的影响要小的多［4］。因此要消除粘连问题，主要是减少毛细黏性力。

图3 湿度对加速度计芯片粘连比例的影响

在一定湿度的情况下，当两个物体间的距离很小时，两个界面之间会形成液桥，液桥对界面的相对运动产生毛细黏性力，毛细黏性力是由于液体的表面张力引起的［6］。Nieis Tas等人建立了毛细粘附力作用于两个界面的模型，通过理论分析给出了毛细粘附作用表面能量的大小［7］。王佩瑶等研究了悬臂梁在冲击作用下的粘连失效形式，冲击越大，失效比例增加;湿度越大，粘连比例增加［8］。Liang X J等人分析了湿度对MEMS陀螺失效的影响，并给出了梳齿结构毛细黏性力的计算公式［2］。结合二者的研究，可以得到两个平整界面间表面黏性力的计算公式，如式(1)所示:

σ为液体表面张力，θ1为液体与上级板之间的接触角，θ2为液体与下级板之间的接触角，l为间距，A为液体与板的接触面积。从该表达式可以看出，毛细黏性力与其作用距离的一次方成反比，与面积成正比，即

由以上分析可知，要想减小毛细黏性力，需要从增加界面间的距离、减少接触面积，以及增加表面接触角着手。由于毛细黏性力与作用距离的变化缓慢［3］，因此减少毛细黏性力作用面积、改变表面形貌和表面性质将会有效减少毛细黏性力。由于受阻挡块尺寸的限制，本文主要采用改变电极材料、增加电极表面粗糙度和界面疏水处理来减少毛细黏性力。

2 试验分析

2.1 材料性质和粗糙度对粘连的影响

2.1.1 不同金属薄膜电极表面性质

金属电极材料对粘连的影响表现为，电极表面接触角越大，毛细黏性力越小，粘连减少。粗糙度对粘连的影响一般表现为粗糙度增加，粘连减少:当固体表面粗糙度增加，液体浸润固体的能力减弱，即接触角增加，因而毛细黏性力减少［6］。有研究表明，当粗糙度(Ra)从1.6nm增加到10.3nm时，毛细黏性力减小约90%［9］。由于二氧化硅阻挡块的粗糙度(Ra=12.5à)和亲水性改变困难，因此本实验对金属电极表面进行重点研究。实验中选用钨(W)、铝铜(AlCu)(Cu含量0.4%)和铝(Al)3种材料进行对比，验证不同材料对毛细黏性力的影响，同时验证粗糙度对毛细黏性力的影响。

金属电极制备采用DENTON磁控溅射设备;粗糙度测量使用VeeCo台阶仪，型号:DEKTAK-8;接触角的测量采用参考文献［10］的测试方法;测试环境湿度为65%。

试验表明3种电极材料具有不同的表面性质:其中W和AlCu粗糙度接近，但是由于材料性质差异较大，W接触角比AlCu小，表现更强的亲水性;AlCu和Al粗糙度差异较大，但是由于材料具有相近的材料性质，因此接触角接近，具体试验结果见表1。由以上的分析可知，Al电极材料表面接触角大、表面粗糙度大，用Al材料做电极，会减少粘连比例。

表13 种电极材料性能的对比

2.1.2 不同材料和粗糙度对粘连的影响

利用3种材料做电极制备加速度计芯片，采用阳极键合(温度360℃)进行封装。实验发现W、AlCu电极的粗糙度变化不明显，接触角略有减小，分析可能是电极表面被氧化所致。Al电极材料，在经历高温退火后，表面粗糙度增加，接触角增加。W、AlCu和Al 3种电极接触角依次增加，因此对应芯片成活率逐渐减小。其中Al对应粘连比例最小，表明Al电极具有很好的防粘连效果，试验结果见表2。

表2 键合后电极材料性能

HengYu wang等人对Al薄膜进行不同的退火试验，发现退火时间越久，Al膜层晶粒越大，表面粗糙度越大，表面黏性力大幅减少［11］。Al电极在经过高温之后，表面会出现凸起，即所谓的合金化点，会显著增加Al电极的表面粗糙度［12］。

通过上面的研究表明，选用接触角大的材料;适当增加电极的粗糙度，都可以有效减少毛细黏性力为主导的粘连。

2.2 表面疏水剂的影响

表面覆盖疏水单分子层具有很好的防粘连效果，这种方法早在1950年，由Bowden F P和Tabor D在防止金球的冷焊粘连中得到应用，并取得很好的效果［13］。常用的防粘连薄膜有OTS(CH3(CH3)17SiCl3)和FDTS(CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3)该类物质中的烷基与—OH发生反应，形式Si—O—R键，这样形成的薄膜具有很强的疏水性［14］。本试验中利用HMDS疏水剂，分子式(CH3)3SiNHSi(CH3)3，对芯片内表面(粘连明显的W电极表面)进行处理。HMDS与阻挡块(SiO2)表面的硅羟基发生化学反应，将表面的羟基替换为机官能团，使SiO2表面由亲水表面变为疏水表面，示意图如图4所示［15］。利用这种方式可以增加表面接触角，减少表面毛细黏性力。

图4HMDS表面改性示意图

具体试验过程:(1)将芯片在烘箱中加热至200℃，保温1 h;(2)将芯片在HMDS的蒸汽中放置30 min。通过对处理之后的表头进行测试，发现加速度计粘连失效比例从78%，减少到28%(一共测试18只表头)。这些处理后的加速度计芯片在后端测试中没有表现出与合格表头的差异。表明HMDS处理，是有效减少加速度计芯片粘连的方法。

3 总结

本为以摆式MEMS加速度计为模型，分析了湿度对加速度计粘连失效的影响，主要是毛细黏性力的影响，并对毛细黏性力形成机理进行深入分析。通过选用W、AlCu和Al 3种电极材料进行对比分析，发现Al电极接触角和粗糙度都很大，因而粘连比例较少。除此之外，利用疏水剂HMDS对芯片内表面进行处理，有效减少粘连。研究表明选用接触角大的电极材料、增加电极表面粗糙度、表面疏水处理都能有效减少毛细黏性力为主导的粘连失效，该类方法在芯片后端测试中得到验证，具有显著效果。本研究具有很强的借鉴意义，对提升其他类型MEMS器件粘连失效有重要的指导意义。

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宋运康(1986-)，硕士，陕西汉中人。现工作于西安飞行自动控制研究所，工艺工程师。主要研究方向为MEMS加工工艺和惯性MEMS器件的失效分析，syk618@163.com;

闫鑫(1982-)，男，博士，新疆哈密人。2011年毕业于厦门大学微电子与固体电子专业，现工作于西安飞行自动控制研究所，高级工艺工程师。主要研究对象为MEMS加工工艺和惯性MEMS传感器的设计，steven.yanx@ gmail.com。

湿度对微型加速度计粘连失效的影响*

宋运康*，赵坤帅，闫鑫，李川
(西安飞行自动控制研究所，西安710065)

粘连是微/纳器件的一种典型失效模式，由于湿度引起的粘连失效占很大比例。以MEMS摆式加速度计为模型，分析了湿度引起粘连失效的机理，主要是毛细黏性力的影响。为了研究材料性质和粗糙度对粘连的影响，对比钨(W)、铝铜(Al-Cu)和铝(Al)3种不同电极材料，发现Al电极材料表面接触角和表面粗糙度都很大，对应芯片的粘连比例较少。利用HMDS对粘连芯片内表面进行疏水处理，有效减少了粘连比例。研究表明选用接触角大的电极材料、增加电极表面粗糙度和表面疏水处理均能有效减少毛细黏性力为主导的粘连。

MEMS;粘连;毛细黏性力;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

项目来源:863预研课题项目(2011AA110102);国家国际科技合作项目专项项目(2011DFA72370)