15h Evaluation de la fiabilité Evaluation.pdf · 2013. 3. 23. · Qualification d’un banc RGA • 1) «Calibration»du spectromètre 2) Qualification du banc: Sensibilité, Linéaritéet

1

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Evaluation de la fiabilité de l’encapsulation de

MEMS par analyse des gaz résiduels (RGA) de la

cavité.

PL. Charvet, P. Nicolas, D. Bloch

CEA, LETI, MINATEC, FRANCE

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Evaluation de la fiabilité de l’encapsulation de MEMS par analyse des gaz résiduels (RGA) de la cavité.… P-L Charvet| Mars 2013 | 2

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Plan

�Vide nécessaire aux composants MEMS encapsulés 1

�Outils développés pour le contrôle de l’atmosphère 1

� Applications des analyses RGA 2

� Banc RGA 1

� "Calibration" & qualification du Banc RGA 2

� Mode opératoire & traitement de données 2

� Analyse RGA : Quelques résultats 1

� Résumé 1

� Conclusions 1



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Vide nécessaire pour l’encapsulation de MEMS

• Un vide minimum est souvent requis pour les MEMS

(accéléromètres, gyromètres, µcommutateurs, µbolomètres)

* P ≤ 10 -2 to 10 -3 mb

* Gestion de l’amortissement, du collage, des pertes d’insertion, des effets

chimiques et de l’humidité….)

Assemblage

de wafers

(WLP)

Encapsulation

couche mince

(TFP)

Intégrationde getter

• 1) Etude du pompage/dégazage

et de la compatibilité des

matériaux en regard du procédé

de fabrication

• 2) Analyse des gaz résiduels

(RGA) piégés à l’intérieur des

cavités scellées

Des outils sont nécessaires au contrôle de l’atmosphère encapsulée

• 2 objectifs principaux



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Outils développés au LETI pour le contrôle de l’atmosphère

1) Etude du pompage/dégazage et de la compatibilité des matériaux en regard

du procédé de fabrication

2) RGA en chambre ultravide

• Matériau testé dans une atmosphère connue

(N2 , Ar, CO2 , CH4 , C2H6 ,…)

• Contrôle de la pression via un viscosimètre (SRG)

• Activation thermique pour l’étude du pompage ou du

dégazage

V=2.5 cm3, P=10 -3 mb

N_moles ~ 10-10

V=1 mm3, P=10 -3 mb

N_moles ~ 4 10-14

Spectromètre

Pompage

Outil de fracturation

10-10 mb



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RGA

Applications du RGA

MEMS WLP

Bulles de gaz interstitielles

Etudes de matériaux dans des ampoules scellées

Composants en boîtier

Encapsulation couche mince

Container pour prélèvement de gaz

Outillage de raclage sous

UHVOut

illag

e d’

ouve

rtur

e so

us U

HV



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Applications du RGA : exemple d’un WLP MEMS

Problématique : Identification des sources de dégazage dans un MEMS scellé.

moles CH4 N2 Ar C2H6 …

cavity ? ? ? ?

cap ? ? ? ?

Substrate ? ? ? ?

Parfois possible avec un

outillage UHV spécifique

Getter Joint de scellnt

Capot Getter Joint de scellnt

Capot



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Banc RGA

� Schéma du banc

Diffusion des gaz à

travers la µfuite

calibréeDiffusion N2 en régime moléculaire

Connaître les

pressions partielles à

l’intérieur d’une

cavité nécessite une

calibration et une

qualification du banc

Chambre

de

Casse

Jauge de pression

Chambre

d’analyse

Spectromètre

de masse

Pompe

Pompe

Vanne tiroirFermée lors des

mesures

Vanne tiroirOuverte lors des

mesures

µfuite calibrée

µfuite réglable pour calibration

Injection gaz

Echantillon

Traversée mécanique

Jauge de pression

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

m/q

uaBG MEMS

Allure de spectres acquis lors d’expériences RGA



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Calibration du banc RGA

1) Qualification du viscosimètre (SRG)

• 1) « Calibration » du

spectromètre

• 2) Qualification du banc:

Sensibilité, Linéarité et Résolution

2) Ratio de Pressions = P chambre de casse / P chambre d’analyse ?

SRG qualifiéavec N2

+

P_ratio_N2

Spectromètre calibré N2

�Sur Faraday cup

� sur 3 multiplieurs d’électrons secondaires

(SEM)

Ratio de Pressions contrôlé sur une large gamme de pression

Dilution V1 dans V1+V2 ( Volumes

mesurés par pesée d’alcool )



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Qualification d’un banc RGA

• 1) « Calibration » du

spectromètre

2) Qualification du banc:

Sensibilité, Linéarité et Résolution

1) Sensibilité théorique

S TH = 10.4 mb/mole

3)Resolution = Nb_moles au bruit = σ σ σ σ / S_measured = 4 10-13 moles pour N 2 , 4 10-14 pour Ar

V chambre de casse

Ratio de Pressions

2) Validation de la sensibilité et de la linéarité (RGA)

SpectroDs la

chambre de casse

S MES = 10.5 mb/mole

3 SEM ranges Faraday cup range

Linéaritévalid

ée sur 7 décades

Une fois la jauge SRG qualifiée, les dilutions volumiques à partir de V1 et V2 permettent d’évaluer V chambre de casse

Loi de Gay

Lussac

L’utilisation de la jauge SRG et la dilution de petits volumes permettent de valider la linéarité du banc pour N 2

dans la gamme des 10 -12 moles



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Acquisition RGA et traitement des données 1/2

a) Spectre à l’origine du temps de casse – spectre de background (BG).

b) Correction à partir des temps de diffusion à travers le diaphragme (M 1/2).

c) Calcul du bruit σσσσ sur chaque amu sur 50 spectres de BG.

d) Sélection des pics pour lesquels le rapport S/B > 3

e) Spectre corrigé à l’origine du temps de casse.

L’utilisation d’un outil de

déconvolution du spectre est

nécessaire pour convertir les

amplitudes des m/q en espèces

gazeuses car plusieurs gaz

participent à chaque amplitude

m/q.

Ex: m/q=28 �� N2 , CO , CO2 , C2H6



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Acquisition RGA et traitement des données 2/2

Equilibrage du spectre mesuré en utilisant les

tables de cracking de # gaz.(on obtient les fractions moléculaires des # gaz)

Correction par la section efficace

d’ionisation de chaque gaz obtenu.

Facteurs d’ionisation

Utilisation de la sensibilité & du

volume de la cavitépour obtenir la

pression des gaz encapsulés



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Analyse RGA : Quelques résultats

Des outils UHV micrométriques spécifiques sont

développés pour ouvrir les MEMS.

Réflexion optique du capot

10-12

molesCH4 N2 Ar C2H6 Sum

cavité 6.9 5.5 0.4 0.2 13

capot 0.1 0 0.1 0 0.2

Substrat 0 0.3 1.4 0 1.7

Capot de faible épaisseurGetter Joint de

scellntCapot Getter Joint de

scellntCapot



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Résumé

Banc RGA et outils disponibles au LETI(résolution : 1 mm3, 10-2 to 10-3 mb)

analyse des pressions partielles

dans la cavité scellée d’un MEMS

Compatibilité des matériaux avec

l’empilement technologique

Future developments

MEMS

Glass bulbs



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Conclusions

� Un banc RGA calibré et qualifié est accessible au LETI pour

évaluer la fiabilité des MEMS pour de faibles gammes de

pressions et volumes (mm3, 10-3 mb ranges)

� Les outils RGA sont très utiles pour étudier et vérifier la

compatibilité des matériaux utilisés dans la réalisation des

MEMS et pour le contrôle de l’atmosphère encapsulée à

l’intérieur des composants…

� Les futurs développements s’attacheront à la réalisation d’un

nouveau banc avec une résolution améliorée.



2007200720072007 Merci pour votre

attention

[email protected]

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15h Evaluation de la fiabilité Evaluation.pdf · 2013. 3. 23. · Qualification d’un banc RGA • 1) «Calibration»du spectromètre 2) Qualification du banc: Sensibilité, Linéaritéet