聚焦离子束双束系统在微机电系统失效分析中的应用

聚焦离子束（FIB）技术概述

聚焦离子束（FIB）技术是一种通过离子源产生的离子束，经过过滤和静电磁场聚焦，形成直径为纳米级的高能离子束。这种技术用于对样品表面进行精密加工，包括切割、抛光和刻蚀。FIB系统通常建立在扫描电子显微镜（SEM）的基础上，结合聚焦离子束和能谱分析，能够在微纳米精度加工的同时进行实时观察和能谱分析，广泛应用于生命科学、材料科学和半导体制造等领域。

MEMS陀螺仪与加速度计原理

微电子机械系统（MEMS）陀螺仪利用科里奥利力原理，即旋转物体在径向运动时受到的切向力，来对直线运动进行反应。MEMS陀螺仪通常配备可移动的电容板，通过测量科里奥利运动引起的电容变化来计算角速度。

MEMS 陀螺仪简化原理图

MEMS加速度计的微机械结构由固定电极的定子和可移动电极的动子组成。可移动电极与悬浮质量块相连，悬浮质量块由弹簧悬挂。当加速度计接收到外界加速度时，由于惯性，悬浮块和动子会产生相对运动，导致电容变化，从而计算出加速度的大小。金鉴实验室作为科研与技术创新的坚实后盾，不断引进先进的实验设备，确保我们的服务能够满足最严苛的科研需求。

MEMS 加速度计基本原理图

MEMS器件的制造与失效分析

通过CMOS微制造工艺，MEMS器件将机械、电磁、集成电路和传感器集成于一块微小的半导体硅材料上。MEMS芯片的组件尺寸通常在1~1000μm之间，封装尺寸介于微米到毫米级别。由于MEMS惯性传感器的结构和工作原理差异，传统的半导体分析方法已无法满足其失效分析的需求。本研究通过FIB双束系统对MEMS惯性传感器进行一系列失效分析，探讨FIB双束系统在此过程中的重要性，以指导MEMS传感器的失效分析流程。

FIB 切割后的焊线区域图片

MEMS传感器的失效模式

在制造、运输、安装或应用过程中，MEMS传感器的主要失效模式包括悬梁臂断裂、梳齿电极断裂、锚点破损、凸点破损、碎片阻塞悬浮块以及电极间短路等。当红外显微镜无法找到失效模式时，需要使用更精密的设备对微机电系统特定部件进行微纳米精度的切割移除，以进行深入分析。FIB双束系统能够满足MEMS器件失效分析的高精度和局部可选择性加工要求，快速高效地进行高精度局部切割，移除相应微部件，同时保留其他微部件的完整性。

漏电流分析

对于电容式惯性传感器，MEMS内部动子和定子引出的导线必须连接至ASIC进行信号处理，导线间的信号是对外界物理量感应到的交变弱小信号，因此对漏电流更为敏感。在实验中，MEMS电测机测得产品漏电流达毫安级别。将MEMS芯片放入105℃的烤箱烘烤24小时后，进行第二次电测，漏电流现象消失。然而，当芯片在温湿度（85℃，85%RH）环境中存储后，漏电流再次出现。初步推断失效模式为封装模封体中存在空洞或裂缝，导致水汽在高温高湿环境中进入并存储，从而降低模封体的阻抗，出现漏电流。

悬浮块移除

确认失效现象后，使用FIB-SEM-EDS双束系统对模封体进行微纳米定位切割，切割位置为出现漏电流的两根导线的焊盘及其之间的区域。切割前，使用平行研磨机对模封体和晶粒进行减薄处理，晶粒剩余厚度约为30μm。切割后观察焊线和焊盘，可以发现裂缝存在于模封体和焊盘之间的界面中，并贯穿于两根导线之间。

结构损伤与颗粒分析

在MEMS器件中，当外界运动物理量过大时，悬浮块和固定电极、锚点易发生机械碰撞，导致结构损坏。此外，微机电系统内部的固体颗粒或外物也会阻碍悬浮块的正常运动，导致输出异常。因此，在电性能输出存在异常的MEMS器件进行失效分析时，MEMS晶粒将是重点分析对象。

梳齿电极间的颗粒

为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。使用FIB双束系统对灵敏度和零输入偏差存在异常的MEMS器件进行失效分析，通过FIB对MEMS晶粒顶盖进行切割移除，再使用SEM观察内部微机电结构，最后使用EDS对可疑物质进行能谱分析，以找出失效模式。