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MEMS传感器测试:光学显微镜之外的八大工艺问题

字号+ 作者:winsensor 来源:winsen传感王 2016-02-15 11:42 我要评论( )

本篇编译自瑞士FemtoTools测试设备公司首席执行官Felix Beyeler博士文章。 Femto Tools是瑞士一家专门生产微纳测量和加工仪器的公司,主要的产品有压力传感器探针、纳米移动平台和定位系统、数据采集和控制系统等。


 
       如果您致力于学术研究,那么MEMS传感器研发领域会相当地令人兴奋,但与此同时也面临着很大压力。因为根据工艺的复杂性和创新性,您将需要几个星期、几个月甚至几年的时间去得到为数不多的好芯片。
 
       您可能会问自己这样一个问题:怎样才能使MEMS传感器工艺研发进度更加高效呢?个人建议,花点时间和精力去仔细检查所有工艺步骤。听起来似乎很简单,但往往检查部分是被忽略的。在某些情况下,即使在所有结构都是错误的情况下人们还在继续处理晶圆。同样,您可能认为已经制造出能工作的器件,但是经过切片、胶合、键合后,发现没有一个芯片能正常工作。
 
       在一台光学显微镜下,许多制造步骤都可以简单地被观察,通常只需要几分钟来帮助确定MEMS传感器制造问题。然而,最难的是显微镜也不能帮助确定的问题。以下所列举的是光学显微镜镜头之外的八大问题,针对每个问题,给出针对性的检查方法。
 
 
       1.  不精确的MEMS传感器结构层厚
        
 
       许多工艺方法(如物理气相沉积法、化学气相沉积法或电镀法)都会依赖沉积材料来构建机械结构或电子元件,而光学显微镜看不到的材料层的厚度对于性能影响相当重要。
 
       常见的检查方法/设备:
 
       轮廓仪
 
       椭圆仪
 
       切割晶圆,通过扫描电子显微镜观察(破坏性的测试)
 
       基于探针的微机械测试
 
 
 
       2.  边墙形貌(sidewall profile)不佳 
        
 
       微结构的边墙对器件性能有很大程度上的影响。通过光学显微镜看结构,所看到的边墙不是很好。特别是,刻蚀不足和沟槽通常是看不见的。然而,这些几何形变会明显改变弹簧和柔性板的机械性能。
 
 
       常见的检查方法/设备:
 
      切割晶圆,通过扫描电子显微镜观察(破坏性的测试)
 
      基于探针的微机械测试
 
 
       3.   粘附力问题
        
 
       MEMS传感器结构内层与层之间的粘附力可能很微小,光学显微镜也许会看到分层迹象,但微小的粘结层是观察不到的。
 
       常见的检查方法/设备:
 
       声学显微镜
 
      基于探针的微机械测试(破坏性的测试)
 
 
       4.   内应力和应力梯度
        
 
       内部应力是使用薄膜常见的问题。在生产过程中产生的应力会导致器件良率和性能降低,以及淀积膜的分层和开裂。
 
 
       常见的检查方法/设备:
 
      光学晶圆曲面测量
 
      结合显微镜或白光干涉测厚仪测试晶圆结构
 
      基于探针的微机械测试晶圆结构
 
 
       5. 裂纹
        
 
       大多数裂纹都可以在光学显微镜下看到,但是,在某些情况下,由于分辨率的局限性,细的“发际线”裂缝是不可见的。
 
 
       常见的检查方法/设备:
 
      探针台电性测试
 
      声学显微镜
 
      基于探针的微机械测试
 
 
       6. 失败的释放工艺
        
       所谓释放工艺,通常是为了形成MEMS器件中可动的机械部分,通过对连接机械部分到基底的材料进行不完全刻蚀来实现。当释放失败时,重要的是找到大部分释放结构释放成功而锚点没有释放好的区域。
 
 
       常见的检查方法/设备:
 
      单芯片器件层或结构测试(破坏性测试)(Break-off device layer of a single chip or a test structure)
 
      基于探针的微机械测试
 
 
       7. 粘滞作用
        
 
       像悬臂梁、薄膜、梭形阀这些机械结构可能由于结构的释放会和底层基板粘连,导致器件永久性失效。如果MEMS传感器结构和衬底之间的距离非常小,那么通过显微镜观察曲率是不可见的。如果您想要好芯片,恐怕只有在封测环节来挑选了。
 
 
       检查方法/设备:
 
       探针台电性测试(如电容传感器)
 
       基于探针的微机械测试

 
       8. 不精确的材料特性
        
 
       新型材料在MEMS传感器器件已经显示其巨大的潜力。但是,薄膜材料比本体材料更能展示出不同的特性。尤其使用聚合物时,如杨氏模量、线性度、磁滞现象等机械性能严重依赖于工艺参数。不精确或者是不理想的材料特性可能会降低器件性能,甚至导致器件失效。
 
       常见的检查方法/设备:
 
       探针台(针对电性能)
 
      X射线探测器(化学计量分析)
 
      基于探针的微机械测试(针对机械性能)
 

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