聚焦離子束雙束系統(tǒng)在微機(jī)電系統(tǒng)失效分析中的應(yīng)用

聚焦離子束（FIB）技術(shù)概述

聚焦離子束（FIB）技術(shù)是一種通過離子源產(chǎn)生的離子束，經(jīng)過過濾和靜電磁場(chǎng)聚焦，形成直徑為納米級(jí)的高能離子束。這種技術(shù)用于對(duì)樣品表面進(jìn)行精密加工，包括切割、拋光和刻蝕。FIB系統(tǒng)通常建立在掃描電子顯微鏡（SEM）的基礎(chǔ)上，結(jié)合聚焦離子束和能譜分析，能夠在微納米精度加工的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和能譜分析，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、材料科學(xué)和半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。

MEMS陀螺儀與加速度計(jì)原理

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀利用科里奧利力原理，即旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的切向力，來對(duì)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反應(yīng)。MEMS陀螺儀通常配備可移動(dòng)的電容板，通過測(cè)量科里奧利運(yùn)動(dòng)引起的電容變化來計(jì)算角速度。

MEMS 陀螺儀簡化原理圖

MEMS加速度計(jì)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)由固定電極的定子和可移動(dòng)電極的動(dòng)子組成?？梢苿?dòng)電極與懸浮質(zhì)量塊相連，懸浮質(zhì)量塊由彈簧懸掛。當(dāng)加速度計(jì)接收到外界加速度時(shí)，由于慣性，懸浮塊和動(dòng)子會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電容變化，從而計(jì)算出加速度的大小。金鑒實(shí)驗(yàn)室作為科研與技術(shù)創(chuàng)新的堅(jiān)實(shí)后盾，不斷引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，確保我們的服務(wù)能夠滿足最嚴(yán)苛的科研需求。

MEMS 加速度計(jì)基本原理圖

MEMS器件的制造與失效分析

通過CMOS微制造工藝，MEMS器件將機(jī)械、電磁、集成電路和傳感器集成于一塊微小的半導(dǎo)體硅材料上。MEMS芯片的組件尺寸通常在1~1000μm之間，封裝尺寸介于微米到毫米級(jí)別。由于MEMS慣性傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理差異，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體分析方法已無法滿足其失效分析的需求。本研究通過FIB雙束系統(tǒng)對(duì)MEMS慣性傳感器進(jìn)行一系列失效分析，探討FIB雙束系統(tǒng)在此過程中的重要性，以指導(dǎo)MEMS傳感器的失效分析流程。

FIB 切割后的焊線區(qū)域圖片

MEMS傳感器的失效模式

在制造、運(yùn)輸、安裝或應(yīng)用過程中，MEMS傳感器的主要失效模式包括懸梁臂斷裂、梳齒電極斷裂、錨點(diǎn)破損、凸點(diǎn)破損、碎片阻塞懸浮塊以及電極間短路等。當(dāng)紅外顯微鏡無法找到失效模式時(shí)，需要使用更精密的設(shè)備對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)特定部件進(jìn)行微納米精度的切割移除，以進(jìn)行深入分析。FIB雙束系統(tǒng)能夠滿足MEMS器件失效分析的高精度和局部可選擇性加工要求，快速高效地進(jìn)行高精度局部切割，移除相應(yīng)微部件，同時(shí)保留其他微部件的完整性。

漏電流分析

對(duì)于電容式慣性傳感器，MEMS內(nèi)部動(dòng)子和定子引出的導(dǎo)線必須連接至ASIC進(jìn)行信號(hào)處理，導(dǎo)線間的信號(hào)是對(duì)外界物理量感應(yīng)到的交變?nèi)跣⌒盘?hào)，因此對(duì)漏電流更為敏感。在實(shí)驗(yàn)中，MEMS電測(cè)機(jī)測(cè)得產(chǎn)品漏電流達(dá)毫安級(jí)別。將MEMS芯片放入105℃的烤箱烘烤24小時(shí)后，進(jìn)行第二次電測(cè)，漏電流現(xiàn)象消失。然而，當(dāng)芯片在溫濕度（85℃，85%RH）環(huán)境中存儲(chǔ)后，漏電流再次出現(xiàn)。初步推斷失效模式為封裝模封體中存在空洞或裂縫，導(dǎo)致水汽在高溫高濕環(huán)境中進(jìn)入并存儲(chǔ)，從而降低模封體的阻抗，出現(xiàn)漏電流。

懸浮塊移除

確認(rèn)失效現(xiàn)象后，使用FIB-SEM-EDS雙束系統(tǒng)對(duì)模封體進(jìn)行微納米定位切割，切割位置為出現(xiàn)漏電流的兩根導(dǎo)線的焊盤及其之間的區(qū)域。切割前，使用平行研磨機(jī)對(duì)模封體和晶粒進(jìn)行減薄處理，晶粒剩余厚度約為30μm。切割后觀察焊線和焊盤，可以發(fā)現(xiàn)裂縫存在于模封體和焊盤之間的界面中，并貫穿于兩根導(dǎo)線之間。

結(jié)構(gòu)損傷與顆粒分析

在MEMS器件中，當(dāng)外界運(yùn)動(dòng)物理量過大時(shí)，懸浮塊和固定電極、錨點(diǎn)易發(fā)生機(jī)械碰撞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。此外，微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部的固體顆?；蛲馕镆矔?huì)阻礙懸浮塊的正常運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致輸出異常。因此，在電性能輸出存在異常的MEMS器件進(jìn)行失效分析時(shí)，MEMS晶粒將是重點(diǎn)分析對(duì)象。

梳齒電極間的顆粒

為了方便大家對(duì)材料進(jìn)行深入的失效分析及研究，Dual Beam FIB-SEM業(yè)務(wù)，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。使用FIB雙束系統(tǒng)對(duì)靈敏度和零輸入偏差存在異常的MEMS器件進(jìn)行失效分析，通過FIB對(duì)MEMS晶粒頂蓋進(jìn)行切割移除，再使用SEM觀察內(nèi)部微機(jī)電結(jié)構(gòu)，最后使用EDS對(duì)可疑物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，以找出失效模式。