集成式石英微机械陀螺质量块制作工艺研究

白顺风,李贵龙,张 挺,谢佳维,董宏奎,王 枥,胡 爽,曾庆海,李睿杰,简小娟

(1.中国电子科技集团第二十六研究所,重庆 400060;2.重庆市固态惯性技术企业工程技术研究中心,重庆 401332;3.重庆市固态惯性技术工程实验室,重庆 401332;4.重庆电子工程职业学院 智慧健康学院,重庆 401331)

0 引言

石英微机械陀螺是一种微型振动陀螺。采用石英晶体为敏感芯片材料,通过微机电系统(MEMS)工艺制造,其制造成本低,稳定性好,在导引头、战术弹、无人机、稳定平台、单兵装备等领域有着广阔的应用前景。对于石英微机械陀螺而言,敏感器件的机械耦合误差是主要误差源,是影响陀螺综合精度及环境适应性的关键因素[1]。

通过在设计中增加质量块,采用质量修调方法抑制机械耦合误差,是陀螺芯片制造必不可少的工艺[2]。其中,质量块的制作是质量修调方法中的关键步骤之一,目前制作质量块主要采用传统的电镀工艺[3],但电镀工艺的厚度一致性较差,仅适用于制作较厚的质量块[4]。集成式陀螺需将陀螺芯片和ASIC芯片封装在同一外壳中,陀螺芯片体积通常较小,质量块厚度要求在1～2 μm,电镀工艺制作质量块合格率太低,不满足工艺要求。

本文研究了通过开发镀膜工艺来替代电镀工艺,通过设计系列夹具以及选择合适的镀膜参数来制作高精度质量块,这将为进一步提升集成式石英微机械陀螺性能打下基础。

1 机械耦合误差产生机理

由于石英晶体具有的各向异性特征,在各个晶向的腐蚀速度也不相同。以Z切石英晶体为例,Z方向的腐蚀速度最快,X方向次之,Y方向最慢[5-6],其中正、负方向的腐蚀速度也略有差别。由于腐蚀速度各向异性而产生的残留晶体会在敏感芯片结构的侧壁面形成凸缘,造成敏感芯片结构的不对称[7-8],进而产生了机械耦合误差,劣化了陀螺的各项指标[9]。

陀螺芯片因晶体结构和工艺误差而产生的结构上不对称,可等效成为音叉叉指质量上的不对称,故可通过质量平衡调节的方法减小机械耦合误差。实现质量平衡调节的方法通常是在音叉端头制作质量块,然后对质量块进行激光修调,在修调过程中监测零位数值变化,直至陀螺零位达到工艺要求。

针对集成式石英微机械陀螺芯片对质量块的要求,本文制作的质量块应满足以下条件:

1) 具有较高的厚度均匀性。

2) 质量块位于音叉端头合适的位置。

3) 满足膜层附着力要求。

质量块的厚度均匀性影响着零位调节和频率调节。质量块对称分布利于减小初始零位。好的膜层质量利于后续激光修调。本项目团队已仿真确定了质量块的位置和厚度,本文将针对质量块的厚度精度控制、对准精度控制和膜层附着力进行讨论。

2 质量块制作工艺研究

本文的主要工作是开发镀膜工艺代替电镀工艺,即通过增加膜层厚度来制作质量块。电子束镀膜具有方向性好的特点,结合夹具掩膜所制作的质量块具有厚度精度高、膜层质量好的优势。电镀工艺和镀膜工艺优缺点对比如表1所示。

表1 两种质量块制作方式优缺点对比

2.1 厚度精度控制

电子束蒸发镀膜是将蒸发材料放入水冷铜坩锅中,直接利用电子束加热,使蒸发材料气化蒸发后凝结在基片表面形成膜,其中包含材料在高温蒸发源上的蒸发和蒸发原子在低温基片上凝聚的两个过程。镀膜设备示意图如图1所示。

图1 电子束蒸发镀膜设备示意图

蒸发夹具一般位于以蒸发源为圆心,蒸发距离为半径的圆面上。假设接受表面为球面,其中心处在蒸发源上方,则点源膜厚[10]为

(1)

式中:t为点源膜厚;m为蒸发材料总质量;r为蒸发距离;θ为镀膜表面法线与r所构成的角度;μ为蒸发材料密度。

由式(1)可知,点源的膜厚均匀性仅与r、θ有关。基于上述理论推导,自主设计了一种镀膜高度和镀膜角度均可调的镀膜夹具,夹具如图2所示。

图2 镀膜夹具图片

为使蒸发材料的原子在运动到基片的途中减小与真空腔室内的残余气体分子的碰撞率,通常要求气体分子的平均自由程是蒸发源到基片距离的10倍以上。对于一般的蒸发镀膜设备,蒸发源到基片的距离小于650 mm[11]。综合考虑成本以及膜厚均匀性,镀膜高度选择范围为300～450 mm。此外,除蒸发源正上方基片是垂直入射,左右两侧基片相对于蒸发源均有一定角度。经计算,左右两侧基片相对于中间基片倾斜角度为8°～10°,与蒸发源处于相对垂直位置。

2.2 对准精度控制

质量块制作中,其掩膜方式主要分为两种:光刻胶掩膜和金属夹具掩膜。光刻胶掩膜的工艺难点主要在最后的剥离工序上,经过镀膜后,常规的剥离工艺难以将覆盖有金属膜层的光刻胶剥离干净,若加上超声、高温等条件,除了质量块会有脱落的风险,陀螺芯片也易受到损坏。综合考虑,金属夹具掩膜是风险更小、成本更低的一种方式。但是,夹具掩膜的方式在对准精度上不如光刻的高。针对此问题,首先是在掩膜夹具上预留销钉孔,进行销钉粗定位,其次再利用晶圆调整夹具在显微镜下进行位置微调,从而满足工艺要求。

2.3 膜层附着力控制

陀螺芯片后续需要经过激光修调,激光修调时会产生局部高温,膜层质量不好则会出现翘起甚至脱落的情况,影响修调效果和器件可靠性,所以必须保证质量块与基底有一定的附着力。

膜层附着力主要受镀膜参数的影响,主要影响参数为镀膜功率、镀膜腔室内的真空度和温度。镀膜功率的大小影响膜层生长的速度,制备较厚薄膜时沉积速率一般很快,但过快的速度易导致生长应力太大,附着力变差[12]。Au膜化学性质稳定、密度大,故可作为制作质量块的材料,但其化学活性差。Cr膜的作用主要是增加Au与基底材料之间的粘附力,材料Cr的化学活性强,在有氧气存在的环境中易发生氧化,当腔体内真空度足够高时才能进行Cr膜层的镀制,且在Cr膜层镀制完成后30 s内进行Au膜层的镀制,防止Cr膜层因发生氧化而导致膜层附着力变差[13]。提高镀膜时腔室内的基片温度可提高膜层粘附力,但材料之间热膨胀系数的区别导致温度越高,膜层降温后的内应力越大,粘附力也随之降低,因此,镀膜过程中的基片温度必须适中[14]。

3 结果与讨论

3.1 厚度

为了满足频率一致性要求和激光修调的需要,厚度均匀性是非常重要的指标。一方面,由于陀螺的工作频率较高,质量块厚度对频率的影响很大,经仿真计算,质量块厚度变化1 mm,频率变化量约800 Hz。根据工艺要求,初始频差范围为(500±200) Hz,即厚度标准偏差需要小于0.16 μm才能满足修调要求。另一方面,考虑到激光每次修调的深度为10 μm,则质量块厚度极差要远小于10 μm才可以保证修调效果。

通过专用夹具调整镀膜距离和镀膜角度,得到厚度均匀性较高的质量块,在3片晶圆内均匀地选择5个测量点,采用台阶仪对其进行厚度测量,结果如图3所示。

图3 不同测量位置的质量块厚度

通过测量数据可知,3片晶圆的质量块厚度极差为0.23 μm,平均值为2.06 μm,标准偏差均小于0.10 μm。其中厚度极差为0.23 μm,远小于激光修调深度;平均值为2.06 μm,满足质量块厚度要求;标准偏差小于频率一致性要求的0.16 μm。综上所述,该质量块的厚度均匀性满足工艺要求。

3.2 对准精度

轴对称质量平衡设计是减小敏感芯片零位误差的关键因素,若掩膜夹具和晶圆之间有相对位移,则制作的质量块会增加陀螺芯片的不对称性,相对应的陀螺初始零位也会增加;另一方面,对准偏移会影响后续调平的初始位置校准。经测量及评估可知,如果对准误差保持在20 μm内,则满足陀螺芯片的工艺要求。

为了评估对准精度,在晶圆内均匀地选取5个测量点,取最大偏差作为该片的对准误差。由表2可知,不同晶圆的对准误差都能保持在20 μm内,达到工艺条件要求。

表2 晶圆对准误差统计表

3.3 膜层附着力

为了测试膜层附着力,首先将镀后的质量块置于显微镜下进行观察,如图4所示,质量块外观完好,无起层、翘边现象;其次用高温胶带反复黏连,膜层无变化,满足膜层附着力要求。为了保证制作的质量块与基底有一定的附着力,通过实验确定了最佳镀膜参数为:镀膜功率为0.9～1.1 kW,真空度小于1×10-4Pa,基片温度为36 ℃。

图4 电镀、镀膜制作质量块对比

3.4 激光修调实验

为进一步评估修调对于机械耦合误差的改善,对陀螺芯片进行激光修调实验,对制作质量块后的陀螺芯片接入电路进行修调和测试,修调前机械耦合误差如图5所示,其幅值为301.0 mV,修调后机械耦合误差如图6所示,其幅值为17.6 mV。经过激光修调后,机械耦合误差已显著减小。由此可见,在音叉端头制作质量块并进行激光修调可以有效地减小机械耦合误差,从而提高陀螺的零位稳定性和环境适应性。

图5 修调前机械耦合误差信号

图6 修调后机械耦合误差信号

4 结束语

采用电子束镀膜工艺在陀螺芯片音叉端部制作了厚约2 μm的金质量块,厚度标准偏差为0.1 μm,对准误差保持在20 μm内,膜层质量满足工艺要求。此外,对制作的质量块进行了激光修调实验。经过激光修调后,陀螺误差信号的幅值从初始的 301.0 mV减小为17.6 mV,提高了集成式石英微机械陀螺的整体性能。