聚焦離子束（FIB）技術概述

聚焦離子束（FIB）技術是一種通過離子源產生的離子束，經過過濾和靜電磁場聚焦，形成直徑為納米級的高能離子束。這種技術用于對樣品表面進行精密加工，包括切割、拋光和刻蝕。FIB系統通常建立在掃描電子顯微鏡（SEM）的基礎上，結合聚焦離子束和能譜分析，能夠在微納米精度加工的同時進行實時觀察和能譜分析，廣泛應用于生命科學、材料科學和半導體制造等領域。

MEMS陀螺儀與加速度計原理

微電子機械系統（MEMS）陀螺儀利用科里奧利力原理，即旋轉物體在徑向運動時受到的切向力，來對直線運動進行反應。MEMS陀螺儀通常配備可移動的電容板，通過測量科里奧利運動引起的電容變化來計算角速度。

MEMS 陀螺儀簡化原理圖

MEMS加速度計的微機械結構由固定電極的定子和可移動電極的動子組成。可移動電極與懸浮質量塊相連，懸浮質量塊由彈簧懸掛。當加速度計接收到外界加速度時，由于慣性，懸浮塊和動子會產生相對運動，導致電容變化，從而計算出加速度的大小。金鑒實驗室作為科研與技術創新的堅實后盾，不斷引進先進的實驗設備，確保我們的服務能夠滿足最嚴苛的科研需求。

MEMS 加速度計基本原理圖

MEMS器件的制造與失效分析

通過CMOS微制造工藝，MEMS器件將機械、電磁、集成電路和傳感器集成于一塊微小的半導體硅材料上。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別。由于MEMS慣性傳感器的結構和工作原理差異，傳統的半導體分析方法已無法滿足其失效分析的需求。本研究通過FIB雙束系統對MEMS慣性傳感器進行一系列失效分析，探討FIB雙束系統在此過程中的重要性，以指導MEMS傳感器的失效分析流程。

FIB 切割后的焊線區域圖片

MEMS傳感器的失效模式

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

漏電流分析

對于電容式慣性傳感器，MEMS內部動子和定子引出的導線必須連接至ASIC進行信號處理，導線間的信號是對外界物理量感應到的交變弱小信號，因此對漏電流更為敏感。在實驗中，MEMS電測機測得產品漏電流達毫安級別。將MEMS芯片放入105℃的烤箱烘烤24小時后，進行第二次電測，漏電流現象消失。然而，當芯片在溫濕度（85℃，85%RH）環境中存儲后，漏電流再次出現。初步推斷失效模式為封裝模封體中存在空洞或裂縫，導致水汽在高溫高濕環境中進入并存儲，從而降低模封體的阻抗，出現漏電流。

懸浮塊移除

確認失效現象后，使用FIB-SEM-EDS雙束系統對模封體進行微納米定位切割，切割位置為出現漏電流的兩根導線的焊盤及其之間的區域。切割前，使用平行研磨機對模封體和晶粒進行減薄處理，晶粒剩余厚度約為30μm。切割后觀察焊線和焊盤，可以發現裂縫存在于模封體和焊盤之間的界面中，并貫穿于兩根導線之間。

結構損傷與顆粒分析

在MEMS器件中，當外界運動物理量過大時，懸浮塊和固定電極、錨點易發生機械碰撞，導致結構損壞。此外，微機電系統內部的固體顆粒或外物也會阻礙懸浮塊的正常運動，導致輸出異常。因此，在電性能輸出存在異常的MEMS器件進行失效分析時，MEMS晶粒將是重點分析對象。

梳齒電極間的顆粒

為了方便大家對材料進行深入的失效分析及研究，Dual Beam FIB-SEM業務，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雙束系統對靈敏度和零輸入偏差存在異常的MEMS器件進行失效分析，通過FIB對MEMS晶粒頂蓋進行切割移除，再使用SEM觀察內部微機電結構，最后使用EDS對可疑物質進行能譜分析，以找出失效模式。