Роль компактного FE-SEM низкого напряжения в анализе МЭМС.

Руководство по применению

Введение

МЭМС (микроэлектромеханические системы) являются частью полупроводниковых микротехнологий.  МЭМС используются в качестве акселерометров в мобильных телефонах, КПК и контроллерах видеоигр. МЭМС сыграли огромную роль в развитии “сенсорного интеллекта” устройств повседневного применения, таких как стиральные машины, сушилки, системы раскрытия подушек безопасности в автомобиле, струйные принтеры и т.д. МЭМС изготавливаются с использованием ключевых приложений полупроводниковых технологий, а особенно литографии, травления, многоступенчатой металлизации, подготовки кристалла к сборке. МЭМС воплощают интеграцию вычислительных и коммуникационных технологий с технологией восприятия движущихся объектов. МЭМС также имеют важное значения для биомедицинских устройств и медицинских диагностик. Параметры МЭМС фокусируются на анализе и описании фотолитографии и целостности линий, анализе сбоев и дефектов готовых МЭМС и развитии современных приспособлений для создания новых наноструктур. Надежные и недорогие МЭМС, используемые в военной, аэрокосмической и автомобильной промышленностях, требуют применения современных инструментов на всех стадиях “жизни” изделия: от материалов и обработки до устранения проблем и анализа сбоев.

Анализ МЭМС обычно включает в себя анализ изображения, метрологию, металлизацию и характеристику поверхности. Типовой анализ заключается в следующих функциях (не лимитирован):

Изображения: Оптические, FE-SEM (в том числе ЭЦП),  а также изображения МЭМС, находящейся на пластине, полученные при помощи FE-AES

Поверхность: сбор информации при помощи FE-AES, отображение по x y координатам, параметры глубины и состава.

Химический анализ: FT-IR микроспектроскопический анализ, анализ ЭЦП, основанный на результатах СЭМ.

Структурный анализ: FE-SEM и TEM срез, X-Ray съемка

Электрические и механические характеристики 

Соотношение визуальных образов с операционной функцией или сбоем (электрической или механической)

Соотношение химического состава и электронных данных с операционной функцией 

Соотношение внутренней структуры или сбоя с дизайном, разработкой, производством и эксплуатацией.

Из множества научных приборов, используемых для описания МЭМС, самым распространенным является СЭМ. В связи с повсеместной необходимостью получения СЭМ изображений в анализе МЭМС, компактный или настольный СЭМ привлекает особое внимание. Эти небольшие СЭМ не заменят полный набор аналитических возможностей полноразмерных устройств, однако их простота в использовании и возможность быстрого получения изображений с высоким разрешением дает возможность пользователям расширить диапазон применения СЭМ. Компактный СЭМ повышает общую эффективность и уменьшает время анализа, что позволяет исследователям быстро получать изображения прибора МЭМС, когда только изображения необходимы для проведения дальнейшего анализа, что, в свою очередь позволит высококвалифицированным операторам полноразмерных SEM сосредоточиться на более сложных анализах. В компактном полевом эмиссионном сканирующем электронном микроскопе низкого напряжения Agilent 8500 применяется совершенно новый формат электростатических линз.  Эта инновационная конструкция позволяет получать изображения устройств МЭМС с высоким разрешением, которые обычно доступны лишь при покрытии их металлом. FE-SEM 8500 использовался для получения изображений трех типов МЭМС: консоли АМС, акселерометров в подушках безопасности, и резонаторов.

Акселерометры в подушках безопасности.

Концепция дизайна проста – центральный блок управления контролирует ряд связанных датчиков внутри транспортного средства, таких как акселерометры, датчики столкновения, датчики скорости вращения колес, тормозные датчики и датчики занятости мест. При достижении необходимого порога активации, блок управления подушками безопасности спровоцирует газовый генератор, заставляющий топливо быстро надуть подушку. Как только пассажир транспортного средства сталкивается с подушкой и сжимает ее, газ, в управляемом режиме, уходит через маленькие вентиляционные отверстия.  Датчик подушки безопасности является акселерометром МЭМС, который представляет собой небольшую интегральную схему со встроенными микромеханическими элементами. Микроскопический механический элемент приходит в движение в ответ на быстрое торможение, чем вызывает изменение в емкостном сопротивлении, которое определяется электроникой на чипе и, затем, посылается в виде сигнала развертки в подушку безопасности. Как для анализа сбоя, так и для оценки производительности устройства, акселерометры МЭМС должны быть вскрыты для выявления активных устройств, с которых можно снять характеристики.  На изображениях 1-8 находятся снимки вскрытого акселерометра МЭМС, полученные при помощи FE-SEM низкого напряжения.

Консоли АСМ

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) стал мощным инструментом для исследования поверхностей. АСМ состоит из острия, расположенного на конце кантилевера, производящего высокоточное растровое сканирование поверхности. Взаимодействие между зондом и образцом приводит к отклонению кантилевера, которое, путем оптической передачи, позволяет воспроизвести топографическую карту поверхности. С момента изобретения, АСМ использовался не только для обзора поверхности, но и для исследования электрических, магнитных, Ван-дер-Ваальса, адгезии и химических воздействующих сил между зондом и поверхностью. Острота кончика зонда часто является основным параметром, влияющим на качество. В контактном режиме работы, область контакта  повышается с увеличением радиуса изгиба острия. Консоли АСМ были изготовлены с использованием стандартной МЭМС. Таким образом, снятие характеристик консолей АСМ может быть выполнено с тем же набором анализов, используемых для МЭМС. На изображениях 9-11, полученных при помощи FE-SEM низкого напряжения, можно увидеть три различных типа консолей АСМ, используемых в электрических измерениях.

Резонаторы

С момента появления промышленных МЭМС, компании пытаются заменить кварцевые генераторы на кремниевые (на основе МЭМС). Развитие технологий производства полупроводниковых приборов, компоновки и сборки схем, позволило резонаторам МЭМС достичь прогресса. Эти резонаторы являются по сути генераторами развертки, или источниками опорного сигнала. Отдельный электрический генератор обеспечивает входящий сигнал, заставляющий устройство вибрировать на определенной частоте. Эти вибрации захватываются и выводятся, усиленные буфером. Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) захватывает и распространяет опорный сигнал, генерируемый резонатором и генератором. Одной из самых ценных особенностей резонатора на основе МЭМС является перспектива компоновки временных схем. Кремниевые резонаторы, изготовленные путем травления, могут быть привязаны к генераторным схемам и ФАПЧ на кремниевой подложке. Это позволило бы тактовым генераторам, в соединении с резонаторами, быть построенными в виде единого низкопрофильного полупроводникового прибора. Данный прибор впоследствии может стать частью более объемного устройства. Таким образом, комбинации кремниевых генераторов МЭМС могут заменять отдельные кристаллические генераторы в компьютерах, средствах связи и бытовой технике. Для проверки данных резонаторов на наличие дефектов использовался FE-SEM низкого напряжения. Примеры неполного удаления фоторезиста и проблемы с металлизацией и адгезией показаны на изображениях 12-25.

Заключение

Компактный LV FE-SEM не только легок в использовании, но и обеспечивает передовой метод получения изображений структур МЭМС в высоком разрешении без необходимости в покрытии их инертным металлом для уменьшения накопления заряда. Несмотря на то, что исследование МЭМС имеет множество сложностей ввиду широкого диапазона материалов, дизайна и обработки, их морфологические особенности и дефекты можно легко исследовать с помощью Agilent 8500 FE-SEM.

Наноизмерительные системы Agilent Technologies

Agilent Technologies является лидирующей компанией в измерительных технологиях. Она предлагает высокоточные нанотехнологии для исследований в области науки и промышленности. Опытные сотрудники обеспечивают техническую поддержку оборудования по всему миру. Ведущие лаборатории Agilent гарантируют постоянное и своевременное внедрение и оптимизацию инновационных, легких в использовании технологий наноизмерительных систем.