袁錦科，黃彩清

（深圳賽意法微電子有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

聚焦離子束（Focus Ion Beam，F(xiàn)IB）是由離子源激發(fā)出來(lái)的離子束經(jīng)過(guò)光闌過(guò)濾，靜電磁場(chǎng)聚焦成直徑為納米級(jí)別的高能離子束并對(duì)樣品表面進(jìn)行轟擊，從而達(dá)到對(duì)樣品表面進(jìn)行切割拋光、刻蝕等可選擇性的微納米精度加工的目的。配合氣體注入系統(tǒng)，F(xiàn)IB 還可在樣品表面進(jìn)行沉積噴鍍?nèi)鏟t、W、SiO2等物質(zhì)，對(duì)樣品表面進(jìn)行處理、保護(hù)或修飾[1]。FIB 系統(tǒng)是在普通的掃描電子顯微鏡的基礎(chǔ)上加裝了聚焦離子束和能譜分析組成的雙束系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)樣品進(jìn)行微納米精度加工的同時(shí)，使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，并對(duì)可疑物質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行能譜分析，是十分高效的加工、觀察、分析系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體制造等行業(yè)[2]。

MEMS 陀螺儀利用科里奧利力-旋轉(zhuǎn)中的物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的切向力，旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對(duì)各種直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生各種反應(yīng)[3]。慣性陀螺儀的原理見(jiàn)圖1，MEMS 陀螺儀通常安裝有2 個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，徑向的電容板加振蕩電壓迫使物體做徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化。這樣，MEMS 陀螺儀的懸浮塊在驅(qū)動(dòng)的作用下不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來(lái)回的運(yùn)動(dòng)，并可在橫向作與驅(qū)動(dòng)力相差90°的微小振蕩，這樣科里奧利力好比角速度，由電容的變化量便可以計(jì)算出MEMS 陀螺儀的角速度[4]。

圖1 MEMS 陀螺儀簡(jiǎn)化原理圖Fig.1 Principle diagram of MEMS gyroscope

同理，MEMS 加速度計(jì)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)則由固定電極的定子和可移動(dòng)電極的動(dòng)子組成，可移動(dòng)電極與懸浮質(zhì)量塊相連，懸浮質(zhì)量塊由彈簧懸掛著（圖2）。當(dāng)加速度計(jì)接收到外界的加速度時(shí)，由于慣性懸浮塊和動(dòng)子會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子和定子之間的距離發(fā)生改變從而使電容的變化量發(fā)生變化，由此可計(jì)算出加速度大小[5]。

圖2 MEMS 加速度計(jì)基本原理圖Fig.2 Principle diagram of MEMS accelerometer

通過(guò)CMOS 微制造工藝MEMS 器件得以集機(jī)械、電磁，集成電路、傳感器于一塊微小的半導(dǎo)體硅材料上[6]。MEMS 芯片由尺寸為1～1000 μm的各種組件組成，封裝尺寸介于微米到毫米級(jí)別之間。由于MEMS 慣性傳感器結(jié)構(gòu)的不同和工作原理的差異，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體分析方法已不能滿足MEMS 慣性傳感器失效分析的需求[7]，本研究通過(guò)FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)MEMS 慣性傳感器展開(kāi)一系列失效分析，討論FIB 雙束系統(tǒng)在此失效分析過(guò)程中的重要性，對(duì)MEMS 傳感器失效分析流程有一定的指導(dǎo)性。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

在制造、運(yùn)輸、安裝或應(yīng)用過(guò)程中，MEMS 傳感器主要失效模式有由外界沖擊應(yīng)力或振動(dòng)應(yīng)力引起的懸梁臂斷裂、梳齒電極斷裂、錨點(diǎn)破損、凸點(diǎn)破損、碎片阻塞懸浮塊和碎片導(dǎo)致電極間短路等[8]。當(dāng)對(duì)一個(gè)MEMS 傳感器進(jìn)行失效分析時(shí)，在紅外顯微鏡無(wú)法找到失效模式的情況下，則需要使用更精密的設(shè)備對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)某些特定部件進(jìn)行微納米精度的可選擇性切割移除，從而進(jìn)行更深層次的分析。FIB 雙束系統(tǒng)正好滿足MEMS器件失效分析的高精度和局部可選擇性加工要求。使用FIB 雙束系統(tǒng)，可以高效快速地對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行高精度局部切割，從而達(dá)到移除相應(yīng)的微部件的同時(shí)，保留其余微部件的完整性。本研究主要論述FIB 雙束系統(tǒng)在MEMS 慣性傳感器存在漏電流、靈敏度異常、零輸入偏差異常等失效下的應(yīng)用。

1.1 產(chǎn)品存在漏電流時(shí)對(duì)模封體的分析

對(duì)于電容式慣性傳感器，由MEMS 內(nèi)部動(dòng)子和定子引出的2 根導(dǎo)線必須連接至ASIC 進(jìn)行信號(hào)處理，2 根導(dǎo)線之間的信號(hào)正是對(duì)外界物理量感應(yīng)到的交變?nèi)跣⌒盘?hào)，因此其對(duì)漏電流更加敏感[9]。

本實(shí)驗(yàn)中由MEMS 電測(cè)機(jī)測(cè)得產(chǎn)品漏電流達(dá)毫安級(jí)別。將MEMS 芯片放進(jìn)105 ℃的烤箱烘烤24 h，然后進(jìn)行第二次電測(cè)，漏電流現(xiàn)象消失。再將芯片進(jìn)行溫濕度（85 ℃，85%RH）存儲(chǔ)后進(jìn)行第3 次電測(cè)，漏電流再次出現(xiàn)。由于該失效中漏電流受溫濕度影響嚴(yán)重；因此，初步推斷失效模式為封裝模封體中存在空洞或者裂縫，當(dāng)將芯片放置于高溫高濕環(huán)境中時(shí)，水汽通過(guò)模封體進(jìn)入并存儲(chǔ)于空洞和裂縫中導(dǎo)致模封體阻抗變小從而出現(xiàn)漏電流[10]。確認(rèn)失效現(xiàn)象后，使用FIB-SEMEDS 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2 根導(dǎo)線的焊盤和兩者之間的區(qū)域。使用FIB 切割之前使用平行研磨機(jī)對(duì)模封體和晶粒進(jìn)行減薄處理，晶粒剩余厚度約為30 μm。圖3 為使用FIB-SEM 對(duì)晶粒焊盤和模封體進(jìn)行微切割加工之后的橫截面圖片。對(duì)切割區(qū)域中的焊線和焊盤進(jìn)行放大觀察，可以觀察到裂縫存在于模封體和焊盤之間的界面中并貫穿于2 根導(dǎo)線之間（圖3b），對(duì)裂縫某一區(qū)域進(jìn)行再次放大后可測(cè)得裂縫寬度約為800 nm（圖3c）。

圖3 FIB 切割后的焊線區(qū)域圖片F(xiàn)ig.3 Image of welding area after FIB cutting

使用SEM 對(duì)2 個(gè)焊盤之間區(qū)域進(jìn)行放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)模封體自身也已出現(xiàn)細(xì)小裂縫（圖4），此裂縫是由于2 個(gè)焊盤之間長(zhǎng)期存在漏電流而加劇形成的。最起初的裂縫只存在于焊盤和模封體兩者之間的界面中，濕氣存儲(chǔ)于此裂縫中導(dǎo)致2 根導(dǎo)線之間存在微小漏電流，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，電流經(jīng)過(guò)的模封體也開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小裂縫并加劇失效，電流進(jìn)一步增大最終導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。

圖4 模封體出現(xiàn)分層Fig.4 Delamination in die seal body

1.2 對(duì)MEMS 芯片進(jìn)行開(kāi)蓋和表層結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于MEMS 器件，當(dāng)外界運(yùn)動(dòng)物理量過(guò)大時(shí)，MEMS 晶粒中的懸浮塊和固定電極、錨點(diǎn)極易發(fā)生機(jī)械碰撞從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。另一方面，當(dāng)微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部存在固體顆?；蛘咄馕飼r(shí)也會(huì)阻礙懸浮塊正常運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致輸出異常[11]；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 晶粒將是分析的重點(diǎn)對(duì)象。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(guò)FIB 對(duì)MEMS晶粒頂蓋進(jìn)行切割移除，再使用SEM 對(duì)內(nèi)部微機(jī)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析最后使用EDS 對(duì)可疑物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，從根本上找出失效模式。

本實(shí)驗(yàn)使用濃硝酸對(duì)器件進(jìn)行模封體化學(xué)腐蝕后得到MEMS 裸晶粒。MEMS 晶粒由集成有微機(jī)電系統(tǒng)的硅襯底和起到封裝保護(hù)作用的硅頂蓋黏合而成。在使用紅外顯微鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察后無(wú)異常發(fā)現(xiàn)的前提下，則需要進(jìn)一步使用FIB 對(duì)硅頂蓋進(jìn)行切割移除。本實(shí)驗(yàn)在其可疑失效部位正上方的硅頂蓋上使用FIB 進(jìn)行穿透性切割。聚焦離子束圍繞可疑失效部位四周進(jìn)行切割，使中間部分面積和晶粒分離，再使用工具將中間的硅頂蓋進(jìn)行移除（圖5a），圖5b為部分硅頂蓋進(jìn)行移除后，使用SEM 觀察的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖5 FIB 移除硅頂蓋Fig.5 Remove the silicon cover by FIB

移除MEMS 硅頂蓋后，將SEM 高倍放大進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)中的懸梁臂發(fā)生斷裂現(xiàn)象（圖6）。懸梁臂起到懸掛懸浮塊的作用，當(dāng)懸梁臂出現(xiàn)斷裂的情況下，懸浮塊便喪失運(yùn)動(dòng)功能，因此相應(yīng)的靈敏度也將嚴(yán)重出現(xiàn)偏差。

圖6 懸梁臂出現(xiàn)裂縫Fig.6 Cracking of suspension arm

微機(jī)電系統(tǒng)梳齒驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間存在可移動(dòng)顆粒，此顆粒會(huì)使梳齒電極在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到阻塞，從而導(dǎo)致器件的偏差量輸出異常（圖7）。使用FIB-SEM-EDS 雙束系統(tǒng)，還可對(duì)顆粒進(jìn)一步做能譜分析從而判斷顆粒主要成分。由于此顆粒位于兩梳齒電極之間，如果該顆粒為導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，則還會(huì)造成電極之間出現(xiàn)短路或者漏電流。

圖7 梳齒電極間的顆粒Fig.7 Particle between comb tooth electrodes

1.3 對(duì)懸浮質(zhì)量塊進(jìn)行移除分析和底層結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于上述中靈敏度和零輸入偏差存在異常的MEMS 器件，機(jī)械損傷部位或者顆粒更多的是隱藏在微機(jī)械結(jié)構(gòu)底層，因此在使用FIB 對(duì)硅頂蓋進(jìn)行移除之后，并無(wú)法直接通過(guò)SEM 在微機(jī)電系統(tǒng)表層找到失效點(diǎn)。此種情況下，則需要使用FIB 對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的懸浮塊進(jìn)行切割，將懸浮塊和硅襯底分離并將懸浮塊移除，從而可以進(jìn)一步對(duì)微機(jī)械系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖8 為使用FIB 將微機(jī)電結(jié)構(gòu)中的懸梁臂進(jìn)行切割加工后的效果圖。懸梁臂起到連接懸浮塊和硅襯底的作用[12]，通過(guò)切斷懸梁臂可以將懸浮塊和硅襯底分離。本實(shí)驗(yàn)使用FIB 中的梯形切割功能，利用1 nA 小電流對(duì)懸梁臂進(jìn)行成像、聚焦、精準(zhǔn)切割，將所有懸梁臂切斷從而達(dá)到分離懸浮塊的目的。

圖8 FIB 切斷的懸梁臂Fig.8 Suspension arm cut off by FIB

懸浮塊移除后微機(jī)電系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9a，可以看到底部的垂直方向的感應(yīng)電極和溝槽，在SEM 低倍數(shù)下可看到溝槽某一位置存在異常，對(duì)此位置進(jìn)行放大后觀察，可以發(fā)現(xiàn)，電極的邊緣位置已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷且碰撞出了大量的碎屑顆粒（圖9b）。對(duì)懸浮塊底面進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)懸浮塊底面相應(yīng)位置的凸點(diǎn)也存在許多微小顆粒和凹坑（圖9c）。在微機(jī)電系統(tǒng)中，此種現(xiàn)象為常見(jiàn)的機(jī)械碰撞所造成的。

圖9 懸浮塊移除Fig.9 Suspension block has been removed

2 分析與討論

本研究使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)MEMS 器件3 種常見(jiàn)的電性能失效進(jìn)行失效分析。

1）使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)模封體進(jìn)行切割。對(duì)存在漏電流的MEMS 器件進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)及失效驗(yàn)證，在確認(rèn)產(chǎn)品漏電流存在的前提下，使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的焊線區(qū)域進(jìn)行納米級(jí)別精準(zhǔn)切割，當(dāng)切割位置達(dá)到焊球中心位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)2 個(gè)焊盤及其之間的模封體存在寬度約為800 nm 的分層。當(dāng)器件存放于高濕高溫環(huán)境中時(shí)，水汽極易聚集于該界面分層，導(dǎo)致2 根焊線之間的阻抗降低而產(chǎn)生漏電流。界面分層是半導(dǎo)體器件中最常見(jiàn)的導(dǎo)致器件無(wú)法穩(wěn)定工作的典型失效模式。

2）使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)硅頂蓋進(jìn)行移除。對(duì)于MEMS 器件，產(chǎn)品對(duì)外界運(yùn)動(dòng)量感應(yīng)的靈敏度是衡量產(chǎn)品性能的主要判定標(biāo)準(zhǔn)之一，其靈敏度與微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密相連，通常MEMS 晶粒中的微機(jī)電結(jié)構(gòu)都由一層硅頂蓋封裝保護(hù)起來(lái)。該實(shí)驗(yàn)中使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)靈敏度存在異常的MEMS器件進(jìn)行硅頂蓋精準(zhǔn)開(kāi)窗移除，加工過(guò)程中既要保證硅頂蓋徹底分離，又要保證不傷及內(nèi)部的微機(jī)電結(jié)構(gòu)。硅頂蓋移除后對(duì)內(nèi)部微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)軸中的懸梁臂存在裂縫。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是由于微機(jī)電結(jié)構(gòu)損壞從而導(dǎo)致器件靈敏度異常。該失效模式通常是由于器件收到外界的過(guò)機(jī)械應(yīng)力沖擊而導(dǎo)致的。

3）使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)懸浮塊進(jìn)行移除。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)表層進(jìn)行觀察無(wú)異常發(fā)現(xiàn)時(shí)，一般需要使用FIB 對(duì)微機(jī)電結(jié)構(gòu)中的懸浮塊進(jìn)一步加工移除。使用小束流對(duì)懸浮塊中的懸梁臂進(jìn)行切斷，再利用工具對(duì)懸浮塊進(jìn)行異常，即可分析觀察微機(jī)電結(jié)構(gòu)底層形貌。該實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)懸浮塊底層的凸點(diǎn)和平面電極之間存在輕微碰撞，碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)小顆?？勺璧K懸浮塊正常運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致MEMS 器件靈敏度和零輸入偏差異常。

3 結(jié)論

1）使用FIB 雙束系統(tǒng)對(duì)MEMS 器件的模封體進(jìn)行切割分析，可避免機(jī)械研磨時(shí)引入的外物以及材料延展等問(wèn)題，從而使模封體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持原始形貌，得到最真實(shí)的分析結(jié)果。

2）由于FIB 超高精度以及可選擇性的局部切割功能，使得FIB 在對(duì)MEMS 芯片硅頂蓋以及對(duì)微米級(jí)別的懸浮塊進(jìn)行精準(zhǔn)移除的同時(shí)，可保證目標(biāo)分析區(qū)域的安全性和結(jié)構(gòu)的完整性，極大地提高分析的有效性。