基于MEMS工艺的微机械失效分析研究进展

随着微电子机械系统(MEMS)消费市场的不断增长,微器件的可靠性问题将是未来数年MEMS研究面临的新挑战.针对国内外近年来在微机械失效方面的主要研究内容,综述了基于MEMS工艺微机械的主要失效形式、失效机理和失效预防措施的最新研究成果和主要研究方法,着重总结了微机械的断裂、疲劳、磨损、黏附和蠕变等失效形式,并分析了这些失效形式对微器件的功能和性能的影响以及对这些失效的预防措施,通过结构优化、器件设计和加工质量控制等措施可降低失效的发生,提高可靠性.最后总结了微机械失效分析中存在的主要问题和以后的发展方向,提出建立通用的失效预测模型、标准的可靠性测试方法是未来微机械失效分析的研究重点.     

多失效机理下基于FIDES的MEMS失效率预计研究

针对MEMS在工艺和结构上的新特点以及当前国内外尚未形成与MEMS相关的失效率预计模型的研究现状,基于失效物理方法和现有FIDES标准,提出了一种MEMS失效率预计方法。在MEMS工艺影响分析基础上,结合实验数据和失效物理方法,提出了MEMS在多失效机理下的总体失效分布函数计算方法;之后,基于FIDES基本失效率预计模型,提出了MEMS的失效率预计模型及其适用的参数取值方法;最后,完成了某型MEMS高g值微加速度计的失效率预计案例。结果表明,预计模型充分考虑了MEMS在工艺和结构上的新特点以及多失效机理的共同作用,可有效解决现有标准手册不能准确反映制造工艺发展现状和手册中失效数据不适用的问题。     

MEMS加速度计可靠性评价技术

MEMS加速度计是动作识别设备、姿态控制设备等电子设备的核心器件,其功能失效会严重影响设备的可靠性。而目前国内外还没有MEMS器件的可靠性实验标准,这在一定程度上制约了MEMS加速度计的应用与发展。针对该现状,深入研究了MEMS加速度计敏感部件的失效模式及失效机理,得到了典型环境应力与器件失效的关系,分析了加载环境应力可能导致器件失效的环境实验,并选取了相应的MEMS加速度计产品进行了可靠性实验验证,得出了MEMS加速度计可靠性评价的初步试行方案。     

一种基于退化数据的元器件可靠性定量检验方法研究

针对高可靠元器件可靠性鉴定中缺乏可靠性级别定量评价的问题,基于失效物理,分析了键合强度参数退化及失效判据,并给出了退化模型的数学表达和参数估计方法,研究基于退化量分布的可靠性定量检验方法,并采用AD厂家的AD524SD作为试验器件,进行了相应的试验分析和验证。结果表明,提出的高可靠性级别器件鉴定检验方法具有很好的工程适用性和应用价值。     

MEMS惯性传感器可靠性试验方法研究

MEMS惯性传感器在军事与商业应用中的一个主要问题便是可靠性试验方法尚未标准化,因而目前绝大多数MEMS惯性传感器器件的可靠性试验依据的是傲电子的试验标准。但是,这些标准对于这类器件的适用性却受到许多机构的质疑,国外关于该问题的研究也已起步。汇总了MEMS惯性传感器器件的结构和工作原理等信息,重点总结了该类器件的典型环境失效机理,并将典型的环境载荷情况与失效机理进行了对比分析：从现有的微电子可靠性试验标准中选取了针对不同环境失效机理的试验方法。并对其适用性问题进行了讨论。     

影响集成电路可靠性的工艺因素及改进措施

引言为了提高集成电路的可靠性,需要找到引起集成电路失效的物理机构,提出器件设计和制作工艺的改进措施,以利于提高器件的可靠性。为此,有许多制造厂家和使用单位都建立了专门的可靠性研究机构。协调制造厂和使用之者间的可靠性工作,并以合同方式确定经常的交换产品可靠性资料。在这里笔者不打算介绍国外可靠性的研究情况,仅就已研究过的集成电路失效模型、机理及改进方法作一些简要介绍。     

梳齿式MEMS加速度计在冲击下的失效分析

对Si基梳齿式MEMS加速度计在冲击下进行了失效分析,验证了其主要失效模式,分析了其失效机理。通过机械冲击实验并采用扫描电镜(SEM)、X射线透视系统、扫描声学显微镜(SAM)观察及电性能测试等分析技术,研究了梳齿式MEMS加速度计在冲击载荷下的结构与封装失效,运用材料力学理论加以分析论证,发现悬臂梁断裂是较为主要的失效模式,且此类器件的封装失效主要表现为气密性失效和装配工艺失效,为MEMS器件的可靠性设计提供了重要依据。     

MEMS器件在冲击下的可靠性

MEMS器件在制造、运输和使用过程中不可避免地受到不同程度的冲击作用,分析和认识MEMS器件在冲击下的响应和失效模式,对提高器件的耐冲击和可靠性具有一定的指导意义。本文综述了MEMS器件的冲击测试和理论分析方法,对MEMS器件的可靠性设计具有一定参考价值。     

MEMS惯性传感器技术的误差补偿及可靠性研究

文章基于MEMS惯性传感器中加速度计与陀螺仪的基本工作原理,采用建立误差模型的方法,对MEMS惯性待感器的系统误差和随机误差进行误差补偿方法的相关研究;根据涵盖了绝大部分针对环境失效机理的可靠性试验项目MIL-STD-883进行MEMS惯性传感器的可靠性研究,同时总结相应的可靠性试验研究方法,并对未来的发展趋势提出几点浅见。     

集成电路失效机理分析及其PHM技术实现

集成电路的可靠性问题随着制造工艺尺寸的缩小与集成度的增加而变得越来越重要,开展针对集成电路的失效物理为基础的故障预测与健康管理技术,用于预测和评估集成电路产品在实际环境中的可靠性,已成为当今研究的热点。通过阐述集成电路的失效机理,介绍了集成电路目前故障预测与健康管理的基本方法。针对关键失效机理的基于预警单元法的PHM技术方案,提出了对电迁移失效的监控原理、监控方法,通过设计电迁移预警电路,验证了该PHM技术的可行性。     

基于MEMS的无阀泵研究进展

微流体控制系统是微机电集成系统(MEMS)一个主要分支,微泵作为微流体控制系统的重要组成部分,根据其有无阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵.无阀型微泵由于其结构相对简单、制造工艺要求不高,因而有着独特的发展优势.主要介绍了基于MEMS的扩张管/收缩管型无阀泵几年来在结构设计、制作工艺等方面的研究成果、现状和发展前景.     

基于SOI衬底的一种新型磁敏晶体管研究

设计了一种基于SOI衬底且由新型磁敏晶体管组成的磁敏测量电路。理论分析了n^＋-π-n^＋晶体管基区长度大于载流子有效扩散长度Leff时的磁灵敏度。该磁敏晶体管可应用于磁场的测量，实验结果表明在磁场B=0．1T时，这种新型结构给出高的磁灵敏度即△Ic/Ic≈20%，并且有很好的电控制特性。该磁敏晶体管的槽形复合区采用MEMS技术制造。     

基于MEMS的高Q值核磁共振平面微线圈

为了提高核磁共振波谱检测信号的信噪比,实现对纳升级样品的检测,以及与微流控芯片集成,介绍了一种高品质因数(p值)平面微线圈及其制作工艺.基于对信噪比的仿真计算,利用SU.8厚胶掩模光刻与直流铜电镀工艺,在玻璃衬底上得到几种几何参数优化的圆形与方形线圈.自行设计了一种直流铜电镀工艺,铜层生长速度约1.2μm/min.平面微线圈几何参数如下:内半径200 μm～1000 μm,线宽/线间距20μm～80μm,圈数l～9圈,线圈厚度约12μm.利用Agilent4294阻抗分析仪,测得85 MHz/2Tesla下内半径l000/μm线圈的射频参数如下:RAc=7.25Ω,L=285 nH,Q=21.测得的Q值-频率曲线与仿真设计一致,即80 MHz附近p值达到最大.与国内外其他测量结果相比,所得线圈品质因数较高.相对于双层铜电镀方案,本制作工艺操作简单,经一次电镀线圈即可成形,微米量级下更容易采用MEMS工艺制作平面线圈.另外,平面微线圈的开发可以将核磁共振(NMR)检测技术集成到微全分析系统中.     

MEMS开关辐照实验研究

进行了MEMS开关的辐照试验,并对结果进行了分析。所述的MEMS开关采用单晶硅悬臂梁结构实现金属电极接触,工作电压小于50V,最大工作频率大于10kHz。进行了中子辐照和γ辐照实验,其中中子注量为2.73×1013cm-2,γ总剂量为50krad(Si)。并通过对MEMS开关辐照前后性能的测试,获得了辐照对MEMS开关性能影响的实验数据。结果表明,在辐照剂量大于10krad(Si)时MEMS开关性能有明显变化。借鉴国外的相关研究成果,对MEMS器件的辐照失效机理进行了初步分析。     

Pyrex7740玻璃深刻蚀研究

研究了以TiW/Au为掩膜,在氢氟酸以及氢氟酸加硝酸溶液中Pyrex7740玻璃的湿法深刻蚀现象。实验发现,在氢氟酸中玻璃的刻蚀速率随溶液温度及浓度的升高而升高,室温下纵/横向侧蚀比最小。在氢氟酸中加入少量硝酸后可以提高其刻蚀速率,当硝酸含量为10%时,刻蚀速率可以提高两倍左右。利用上述结果,实现了用一层TiW/Au掩膜制作多种不同深度的玻璃坑槽结构,为玻璃上不同深度沟道制作提供了一种新的方法。     

双端固支微机电变截面梁二维效应的研究

双端固支微机电变截面梁因为抗弹性扭曲作用,不能再简化为一维双端固支梁进行建模与分析,必须考虑梁结构在运动时因二维形变效应[1]对可变电容、光开关、RF MEMS开关等器件性能的影响.计算了由于二维形变效应所产生的误差,对主要参数变化所产生的影响进行了分析,又在分析的基础上进行了总结,分析与结论 为设计者选取结构尺寸提供了参考.     

基于湿法刻蚀的MEMS压印模版制作

介绍了一种基于玻璃湿法刻蚀低成本的MEMS压印模版制作工艺,工艺中以单层光刻胶作为刻蚀掩模,重点研究了改善刻蚀图形几何轮廓和提高表面质量的方法。在对钻蚀形成机理进行分析的基础上,通过对比偶联剂不同涂敷方式及不同蒸镀时间对刻蚀结果的影响,优化了硅烷偶联剂的涂敷工艺,使钻蚀率降低到0.6,图形几何形状得到改善。分析了刻蚀生成物的溶解度,采用HCl作为刻蚀液添加剂对刻蚀产生的难溶物进行分解,提高了表面质量。对刻蚀表面缺陷的形成原因进行了分析,采用厚胶层工艺消除了表面缺陷。利用该工艺制作了图形特征尺寸为100μm的MEMS压印模版,并进行了初步压印实验,得到了很高的复型精度。     

基于MEMS工艺微悬臂梁阵列光学读出红外成像研究现状

非制冷红外成像技术由于其成本低可考性好而倍受关注。一种基于MEMS双材料梁阵列的新概念光学读出红外成像系统也于今年来被提出来。介绍了这种系统成像原理,影响参数及其研究现状,最后展望了其发展前景。     

RF MEMS工艺中牺牲层的去除方法研究

研究了MEMS开关聚酰亚胺牺牲层的去除，通过添加少许碳粉，能够减少刻蚀时间。讨论了在这种刻蚀情况下刻蚀温度和刻蚀时间之间的关系。此研究应用在表面微细加工工艺中，对MEMS加工具有重要的参考价值。该研究还可应用于RF MEMS开关、可调电容、高Q值悬臂电感、MOSFET等制造工艺中。     

基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外成像系统

报道了一种利用MEMs技术制备，基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外焦平面阵列(FPA)并配有可见光读出部分的红外成像系统，可以在8～14μm光谱区得到成像。基于该结构的非制冷红外成像系统利用的是光力学效应原理。我们采用MEMS表面硅工艺制备FPA，深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理，工艺制备难点和响应结果。