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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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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.
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2007200720072007 Merci pour votre
attention