IDENTIFICACIÓN DE MODOS DE FALLA EN DISPOSITIVOS MEMS

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1 IDENTIFICACIÓN DE MODOS DE FALLA EN DISPOSITIVOS MEMS Teresa del Rocío Estrada López 1, Dr. Luz Antonio Aguilera Cortés 2 1 División Ingenierías CIS, tdr.estradalopez@ugto.mx, 2 División Ingenierías CIS, aguilera@ugto.mx RESUMEN En el presente trabajo se realizó un estado del arte del análisis de fallas de los Sistemas MicroElectro Mecánicos (MEMS), para conocer su confiabilidad. Estudiando el material usado para la fabricación de dispositivos MEMS, siendo un punto clave para el diseño y fabricación de dichos dispositivos. Los procesos de fabricación más usados actualmente son: Micromaquinado en volumen, Micromaquinado Superficial y LIGA. Otro punto importante para determinar la confiabilidad de los dispositivos MEMS es conocer los tipos de fallas; 1) Fallas mecánicas, 2) fallas del empaquetamiento y 3) problemas derivados del empaquetamiento. Siendo las más comunes: contaminación por partículas externas, desgaste, adherencia, creep, entre otras. Las técnicas usadas actualmente para la detección de fallas son: Microscopía óptica, Microscopía láser, Microscopio Electrónico de Barrido (SEM), por mencionar algunas. Concluyendo que es de suma importancia conocer y mejorar la confiabilidad de los dispositivos, siendo un punto clave para el desarrollo de esta tecnología. PALABRAS CLAVES MEMS, confiabilidad, empaquetamiento, falla. INTRODUCCIÓN La confiabilidad se define como la probabilidad de que un artículo realizará una función requerida bajo las condiciones establecidas para un período determinado de tiempo. En MEMS (por sus siglas en inglés), esta definición inherentemente implica que las especificaciones de la confiabilidad dependen en gran medida de la aplicación del dispositivo. A fin de comprender la confiabilidad de cualquier sistema, es obligatorio conocer su comportamiento de falla, y los factores que llevan a este fracaso [1]. La confiabilidad de MEMS depende del proceso de fabricación y por supuesto de su diseño. En general, cada dispositivo tiene sus propios mecanismos y modos de fallas [2], [3]. La confiabilidad de un sistema MEMS debe ser analizada en tres niveles. 1) Fallas mecánicas; el dispositivo puede fallar, por ejemplo por fractura a causa de fatiga, por efectos de fluencia o de fricción estática; 2) fallas del empaquetamiento, como el agrietamiento del tapón de cierre y/o hermeticidad insuficiente, y 3) problemas derivados del empaquetamiento. El empaquetamiento interfiere con el funcionamiento y confiabilidad de MEMS, los factores que provocan este tipo se fallas son: la desgasificación, la tensión mecánica inducida por el mismo empaquetado y el efecto de los gases y la presión dentro de la cavidad de los dispositivos MEMS [2], [4]. En el desarrollo de este trabajo se presenta un análisis de las fallas y causas de las mismas en los dispositivos MEMS. El estudio de los materiales usados en la actualidad para la fabricación de los dispositivos, que son principalmente el silicio en sus formas monocristalino y policristalino. Se revisan los diferentes procesos de fabricación más usados como el de tecnología de depósito de capas y micromecanizado superficial y en volumen [2],[5]. Se puso especial atención en los modos de falla más comunes, las cuales son: adherencia, creep, fatiga, fractura, desgaste y contaminación. Las principales causas de falla se deben a las fuerzas generadas por contacto o roce de las superficies de los dispositivos, (por ejemplo, la fuerza capilar, las fuerzas electrostáticas de Van der Walls debido a la carga atrapada entre las superficies) [2], [5]. Los métodos que actualmente se usan para detectar las fallas están basados en observar ópticamente de forma minuciosa la superficie de los dispositivos

2 y capturar imágenes. Algunos de estos métodos son: Microscopía óptica, Microscopía láser, Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) [8]. MATERIALES Y MÉTODOS Para hacer posible esta investigación, el principal recurso fueron artículos de revistas sobre el tema, así como libros, guías y consultas de páginas de internet. La gama de los materiales actualmente disponibles para micromáquinas es bastante limitado en comparación con la gama de los materiales convencionales. En MEMS, el silicio (Si) se encuentra en dos formas, monocristalino y policristalino [6]. Después de varias décadas de investigación en los diversos posibles conjuntos de materiales, el enfoque que aparece más práctico para la mayoría de aplicaciones MEMS es utilizar silicio policristalino ('polisilicio') como el material estructural y SiO 2 como el material de sacrificio. El ácido fluorhídrico (HF) es un reactivo de ataque con el que se retira el material de sacrificio (SiO 2 ), sin afectar el material estructural (Si). Los materiales son térmicamente compatibles, y puede ser llevados a temperaturas superiores a 1000 C sin que las películas sufran de deformaciones, agrietamiento o delaminación. En circuitos integrados (CI) actualmente se puede utilizar tanto SiO 2 y polisilicio, Los fabricantes de CI no se preocupan por la ejecución de estos materiales en sus líneas de producción [7]. La mayoría de las técnicas utilizadas en fabricación de MEMS proceden directamente de los procesos de fabricación empleados en los circuitos integrados (CI), que tienen una larga historia con el procesamiento de silicio [5]. Los principales procesos para la fabricación de MEMS son el micromaquinado en volumen, el micromaquinado en superficie y el proceso de LIGA (proviene del alemán y es una abreviación de litografía, galvanización y conformado ) [8-10]. El micromaquinado de volumen consiste en definir la estructura mediante el grabado parcial del grosor del material usado como sustrato. En este proceso de fabricación se pueden utilizar grabado seco o húmedo. La ventaja de utilizar grabado húmedo comparado con el grabado seco es que proporciona una mayor selectividad y es mucho más rápido de grabar. La razón de grabado puede alcanzar pocas decenas de micras para grabado isotrópico y es reducida debajo de 1μm/min para grabado anisotrópico. La principal desventaja del grabado húmedo es que cualquier modificación del tipo de grabado húmedo, concentración y/o temperatura puede cambiar selectivamente respecto a la orientación cristalográfica y concentración del dopaje del silicio [8], [10]. Las Figuras 1 y 2 muestran el flujo de los procesos de micromaquinado de volumen anisotrópico e isotrópico, respectivamente. Estos procesos empiezan con el depósito y colocación de patrones en un nivel de máscara como se muestra en las Figuras 1(a) y 2(a). El material de la máscara depende de la profundidad de grabado. Capas gruesas de dióxido de silicio (SiO 2 ) son utilizadas como una máscara durante el grabado isotrópico poco profundo. Para grabados más profundos, se requieren las máscaras no grabables de nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) u oro (Au). Después de realizar el patrón de la máscara, la oblea es colocada en la solución del grabado. Los grabados isotrópicos graban en todas las direcciones cristalográficas con la misma razón y generalmente se utilizan ácidos tales como el ácido hidrofluorhídrico (HF), ácido nítrico (HNO 3 ) y el ácido acético (CH 3 COOH). Figura 1. Flujo del proceso de fabricación micromaquinado en volumen con grabado isotrópico [8].

3 Los grabados anisotrópicos son usualmente soluciones acuosas alcalinas de hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de sodio (NAOH), hidróxido de litio (LiOH), hidróxido de cesio (CsOH) e hidróxido de amonio (H 4 OH), entre otras. Después de completar el grabado, la máscara es removida, como se muestra en la Figura 1(c) y 2(c). Figura 2. Flujo del proceso de fabricación micromaquinado en volumen con grabado anisotrópico [8]. En el proceso de micromaquinado superficial las estructuras son construidas capa por capa sobre la superficie de un substrato. Las formas geométricas de la estructuras en el plano xy son definidas por litografía seguida por grabado seco. Un proceso de fabricación común de micromaquinado de superficie se muestra en la Figura 3. Primero, en la parte superior del sustrato se deposita una capa de sacrificio. Después los puntos de anclaje del dispositivo son definidos. A continuación se deposita el patrón de la capa estructural del MEMS. Finalmente, la capa de sacrificio es grabada y es obtenida una estructura suspendida. Ésta es la parte más crítica del proceso de fabricación porque la tensión superficial puede deformar la estructura suspendida y adherir la estructura con la superficie del sustrato [8], [10]. Figura 3. Flujo de proceso de micromaquinado superficial [8]. El proceso LIGA comienza con la elaboración de microestructuras en polímeros como p. ej. PMMA (mejor conocido como plexiglás ). Mediante un proceso de galvanización se pueden copiar las estructuras a un material metálico, como p. ej. oro, níquel, aleaciones magnéticas de hierro-níquel o cobre. También se pueden hacer copias en cerámicas. La posterior producción en serie se puede lograr con un molde de níquel mediante estampado o inyección [9]. A continuación en la Figura 4 se muestra paso a paso el proceso de LIGA.

4 Figura 4. Diagrama de un proceso de fabricación LIGA: a) Depósito de capa protectora a rayos X; b) máscara para rayos X; c) exposición de alta energía con rayos X; d) revelado de la capa protectora por rayos X; e) electrodeposición y f) liberación de la capa protectora [8]. Un modo de falla se define como el aparente fracaso de un sistema, y el fracaso del mecanismo como la causa física (mecánica, química o térmica) [3]. A continuación se mencionan algunas de las fallas más comunes en dispositivos MEMS y sus causas: Adherencia. Es provocada por fuerzas superficiales que dominan a las fuerzas de restauración. Las fuerzas estructurales más influyentes en MEMS son la fuerza de capilaridad, la fuerza molecular de Van Der Waals y la fuerza electrostática. La rugosidad de las superficies de los dispositivos influye en el fenómeno de adherencia [11]. Creep y fatiga. Creep (pequeño movimiento de átomos bajo esfuerzo mecánico), limitará el tiempo de vida de todas las partes estructurales a flexión fabricadas de metales de bajo punto de fusión sujeta a cualquier esfuerzo mecánico significativo; en metales con mayor punto de fusión generalmente presentan bajo efecto de creep. El fenómeno de fatiga en un metal es causado por esfuerzos mecánicos cíclicos que disminuyen su resistencia mecánica [11]. Fractura frágil. La fractura en materiales frágiles como el silicio puede ser provocada por el mecanismo SCC (Stress Corrosion Cracking) en ambientes húmedos en niveles de esfuerzos considerablemente menores al esfuerzo de ruptura [11]. Fricción y desgaste. La fricción y desgaste en dispositivos MEMS es causado por el movimiento de contacto entre dos superficies, lo cual causa desprendimiento de material. Los principales procesos que originan desgastes en dispositivos MEMS son la adhesión, abrasión y corrosión [11]. La contaminación por partículas externas. Se puede esperar que de forma natural las partículas tengan un efecto perjudicial en la parte mecánica o eléctrica de los dispositivos en especial donde existen pequeños huecos entre las superficies de apoyo o elementos con grandes diferencias de potencial. Las técnicas que actualmente se usan para detectar las fallas están basadas en observar ópticamente de forma minuciosa la superficie de los dispositivos y capturar imágenes. En seguida se enlistan las diferentes técnicas ópticas usadas para la detección de fallas [12]. Microscopía Óptica. Permite la observación de lo obvio, es decir que los elementos estén funcionando correctamente además de la verificación de los fracasos, puede proporcionar una rápida visión inicial de los pequeños defectos. Las características que se pueden observar ópticamente incluyen texturas, manchas, residuos, fracturas y desplazamientos anormales [12].

5 Microscopía láser (SLM). La microscopía de barrido láser ha sido utilizada principalmente para obtener imágenes de microscopía confocal. Una imagen confocal es una imagen con una profundidad muy limitada de campo (profundidad de foco) creada mediante la inserción de una abertura en la trayectoria óptica. Al tomar una serie de imágenes de microscopía confocal en diferentes planos focales, se puede construir una gran profundidad de foco de la imagen. La profundidad extendida de foco de la imagen es particularmente útil en la solución de elementos que tienen desplazamientos verticales anormales [12]. Microscopio Electrónico de Barrido (SEM). Ha sido útil para detectar defectos mediante imágenes a gran aumento, así como la determinación de la continuidad eléctrica en dispositivos MEMS (por ejemplo en micromotores ya sea estáticos o en funcionamiento). Para trabajar con un SEM se introduce una muestra en una cámara, la cual normalmente se puede girar, inclinar, o moverse en las direcciones x, y, o z. El propio microscopio está alojado en una columna que detiene a la cámara de la muestra [6]. Microscopia acústica. La Microscopía acústica se ha empleado en micromotores estacionarios en un intento por resolver el contacto entre los engranes atascados, los enlaces y el sustrato. Esta técnica es más destructiva respecto a las demás debido a la introducción de agua como fluido de acoplamiento. La señal acústica no se puede traducir en pruebas de adherencia, sin embargo ha ayudado a determinar las características morfológicas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se presenta un estudio preliminar del arte del estado de la confiabilidad de los dispositivos MEMS, se estudió desde el material de los dispositivos, que por sus propiedades de semiconductor es el Silicio, hasta los procesos de fabricación que actualmente se usan. Los tres principales son; micromaquinado en volumen, micromaquinado superficial y el proceso de LIGA, en este último se obtienen mejores resultados como paredes de casi 90º. En cuanto a los modos de falla, la principal causa es debido a las fuerzas generadas por contacto o roce de las superficies; las cuales suelen ser las fuerzas de adhesión (por ejemplo la fuerza capilar, las fuerzas electrostáticas de Van der Walls debido a carga atrapada entre superficies). Las técnicas usadas actualmente para detectar las fallas son básicamente observar las superficies de los dispositivos MEMS. CONCLUSIONES En conclusión la confiabilidad de las estructuras usadas en MEMS es un punto clave para el desarrollo de esta tecnología. Para lograr una mejora en la confiabilidad, se deben de tomar en cuenta los aspectos mencionados en este trabajo, que van desde el material, procesos de diseño y fabricación, hasta las causas que provocan las fallas en los dispositivos. AGRADECIMIENTOS Agradezco a la Universidad de Guanajuato por haberme permitido participar en el 18º verano de la Investigación Científica a través de la DAIP. REFERENCIAS [1] Microelectronics Realibility 43 (2003) MEMS reliability. Microelectronics Reliability 47 (2007) [2] Daniel J. Fonseca, Miguel Sequera. On MEMS Reliability and Failure Mechanisms. International Journal of Quality, Statistics, and Reliability; Volume 2011, Article ID , 7 pages; doi: /2011/ [3] D. M. Tanner, T.B. Parson, A.D. Corwin, J.A. Walraven, J.W. Wittwer, B.L. Boyce, S.R. Winzer. Science-based MEMS reliability methodology. Microelectronics Reliability 47 (2007)

6 [4] W.D. van Driel, D.G. Yang, C.A. Yuan, M. van Kleef, G.Q. Zhang. Mechanical reliability challenges for MEMS packages: Capping. Microelectronics Reliability 47 (2007) [5] D. M. Tanner. MEMS reliability: Where are we now? Sandia National Laboratories, NM 87185, USA. Microelectronics Reliability 49 (2009) [6] Danny Banks (2006); Microengineering, MEMS, and interfacing: A practical guide; Ed. Taylor & Francis Group., pp [7] A.D. Romig, Jr,*, Michael T. Dugger, Paul J. McWhorter; Materials issues in microelectromechanical devices: science, engineering, manufacturability and reliability; a Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM , USA; b MEMX, Inc., 5600 Wyoming NE, Suite 20, Albuquerque, NM 87109, USA. [8] Carlos Soler. Diseño y modelado de un microsensor de campo magnético resonante con detección piezorresistiva. Tesis Maestría Universidad Veracruzana [9] X-Ray-Optics < article&id=84&ite mid=52> [Consulta: 13 de Junio 2012] [10] Jesús Acevedo Mijangos. Diseño y modelado de un sensor en tecnología MEMS para la detección de campos magnéticos en 2D. Tesis Maestría Universidad Veracruzana [11] Herrera-May, A.L.; Propiedades mecánicas y mecanismos de falla en dispositivos MEMS. Comunicación personal, [12] Electrical&Computer Engineetieng [Consulta: 15 de Junio 2012] [13] Ivanka Stanimirovic, Zdravko Stanimirovic, (December 2009). Reliability of MEMS. IRITEL A.D. Republic of Serbia.