集成式石英微機械陀螺質量塊制作工藝研究

白順風,李貴龍,張 挺,謝佳維,董宏奎,王 櫪,胡 爽,曾慶海,李睿杰,簡小娟

(1.中國電子科技集團第二十六研究所,重慶 400060;2.重慶市固態慣性技術企業工程技術研究中心,重慶 401332;3.重慶市固態慣性技術工程實驗室,重慶 401332;4.重慶電子工程職業學院 智慧健康學院,重慶 401331)

0 引言

石英微機械陀螺是一種微型振動陀螺。采用石英晶體為敏感芯片材料,通過微機電系統(MEMS)工藝制造,其制造成本低,穩定性好,在導引頭、戰術彈、無人機、穩定平臺、單兵裝備等領域有著廣闊的應用前景。對于石英微機械陀螺而言,敏感器件的機械耦合誤差是主要誤差源,是影響陀螺綜合精度及環境適應性的關鍵因素[1]。

通過在設計中增加質量塊,采用質量修調方法抑制機械耦合誤差,是陀螺芯片制造必不可少的工藝[2]。其中,質量塊的制作是質量修調方法中的關鍵步驟之一,目前制作質量塊主要采用傳統的電鍍工藝[3],但電鍍工藝的厚度一致性較差,僅適用于制作較厚的質量塊[4]。集成式陀螺需將陀螺芯片和ASIC芯片封裝在同一外殼中,陀螺芯片體積通常較小,質量塊厚度要求在1～2 μm,電鍍工藝制作質量塊合格率太低,不滿足工藝要求。

本文研究了通過開發鍍膜工藝來替代電鍍工藝,通過設計系列夾具以及選擇合適的鍍膜參數來制作高精度質量塊,這將為進一步提升集成式石英微機械陀螺性能打下基礎。

1 機械耦合誤差產生機理

由于石英晶體具有的各向異性特征,在各個晶向的腐蝕速度也不相同。以Z切石英晶體為例,Z方向的腐蝕速度最快,X方向次之,Y方向最慢[5-6],其中正、負方向的腐蝕速度也略有差別。由于腐蝕速度各向異性而產生的殘留晶體會在敏感芯片結構的側壁面形成凸緣,造成敏感芯片結構的不對稱[7-8],進而產生了機械耦合誤差,劣化了陀螺的各項指標[9]。

陀螺芯片因晶體結構和工藝誤差而產生的結構上不對稱,可等效成為音叉叉指質量上的不對稱,故可通過質量平衡調節的方法減小機械耦合誤差。實現質量平衡調節的方法通常是在音叉端頭制作質量塊,然后對質量塊進行激光修調,在修調過程中監測零位數值變化,直至陀螺零位達到工藝要求。

針對集成式石英微機械陀螺芯片對質量塊的要求,本文制作的質量塊應滿足以下條件:

1) 具有較高的厚度均勻性。

2) 質量塊位于音叉端頭合適的位置。

3) 滿足膜層附著力要求。

質量塊的厚度均勻性影響著零位調節和頻率調節。質量塊對稱分布利于減小初始零位。好的膜層質量利于后續激光修調。本項目團隊已仿真確定了質量塊的位置和厚度,本文將針對質量塊的厚度精度控制、對準精度控制和膜層附著力進行討論。

2 質量塊制作工藝研究

本文的主要工作是開發鍍膜工藝代替電鍍工藝,即通過增加膜層厚度來制作質量塊。電子束鍍膜具有方向性好的特點,結合夾具掩膜所制作的質量塊具有厚度精度高、膜層質量好的優勢。電鍍工藝和鍍膜工藝優缺點對比如表1所示。

表1 兩種質量塊制作方式優缺點對比

2.1 厚度精度控制

電子束蒸發鍍膜是將蒸發材料放入水冷銅坩鍋中,直接利用電子束加熱,使蒸發材料氣化蒸發后凝結在基片表面形成膜,其中包含材料在高溫蒸發源上的蒸發和蒸發原子在低溫基片上凝聚的兩個過程。鍍膜設備示意圖如圖1所示。

圖1 電子束蒸發鍍膜設備示意圖

蒸發夾具一般位于以蒸發源為圓心,蒸發距離為半徑的圓面上。假設接受表面為球面,其中心處在蒸發源上方,則點源膜厚[10]為

(1)

式中:t為點源膜厚;m為蒸發材料總質量;r為蒸發距離;θ為鍍膜表面法線與r所構成的角度;μ為蒸發材料密度。

由式(1)可知,點源的膜厚均勻性僅與r、θ有關。基于上述理論推導,自主設計了一種鍍膜高度和鍍膜角度均可調的鍍膜夾具,夾具如圖2所示。

圖2 鍍膜夾具圖片

為使蒸發材料的原子在運動到基片的途中減小與真空腔室內的殘余氣體分子的碰撞率,通常要求氣體分子的平均自由程是蒸發源到基片距離的10倍以上。對于一般的蒸發鍍膜設備,蒸發源到基片的距離小于650 mm[11]。綜合考慮成本以及膜厚均勻性,鍍膜高度選擇范圍為300～450 mm。此外,除蒸發源正上方基片是垂直入射,左右兩側基片相對于蒸發源均有一定角度。經計算,左右兩側基片相對于中間基片傾斜角度為8°～10°,與蒸發源處于相對垂直位置。

2.2 對準精度控制

質量塊制作中,其掩膜方式主要分為兩種:光刻膠掩膜和金屬夾具掩膜。光刻膠掩膜的工藝難點主要在最后的剝離工序上,經過鍍膜后,常規的剝離工藝難以將覆蓋有金屬膜層的光刻膠剝離干凈,若加上超聲、高溫等條件,除了質量塊會有脫落的風險,陀螺芯片也易受到損壞。綜合考慮,金屬夾具掩膜是風險更小、成本更低的一種方式。但是,夾具掩膜的方式在對準精度上不如光刻的高。針對此問題,首先是在掩膜夾具上預留銷釘孔,進行銷釘粗定位,其次再利用晶圓調整夾具在顯微鏡下進行位置微調,從而滿足工藝要求。

2.3 膜層附著力控制

陀螺芯片后續需要經過激光修調,激光修調時會產生局部高溫,膜層質量不好則會出現翹起甚至脫落的情況,影響修調效果和器件可靠性,所以必須保證質量塊與基底有一定的附著力。

膜層附著力主要受鍍膜參數的影響,主要影響參數為鍍膜功率、鍍膜腔室內的真空度和溫度。鍍膜功率的大小影響膜層生長的速度,制備較厚薄膜時沉積速率一般很快,但過快的速度易導致生長應力太大,附著力變差[12]。Au膜化學性質穩定、密度大,故可作為制作質量塊的材料,但其化學活性差。Cr膜的作用主要是增加Au與基底材料之間的粘附力,材料Cr的化學活性強,在有氧氣存在的環境中易發生氧化,當腔體內真空度足夠高時才能進行Cr膜層的鍍制,且在Cr膜層鍍制完成后30 s內進行Au膜層的鍍制,防止Cr膜層因發生氧化而導致膜層附著力變差[13]。提高鍍膜時腔室內的基片溫度可提高膜層粘附力,但材料之間熱膨脹系數的區別導致溫度越高,膜層降溫后的內應力越大,粘附力也隨之降低,因此,鍍膜過程中的基片溫度必須適中[14]。

3 結果與討論

3.1 厚度

為了滿足頻率一致性要求和激光修調的需要,厚度均勻性是非常重要的指標。一方面,由于陀螺的工作頻率較高,質量塊厚度對頻率的影響很大,經仿真計算,質量塊厚度變化1 mm,頻率變化量約800 Hz。根據工藝要求,初始頻差范圍為(500±200) Hz,即厚度標準偏差需要小于0.16 μm才能滿足修調要求。另一方面,考慮到激光每次修調的深度為10 μm,則質量塊厚度極差要遠小于10 μm才可以保證修調效果。

通過專用夾具調整鍍膜距離和鍍膜角度,得到厚度均勻性較高的質量塊,在3片晶圓內均勻地選擇5個測量點,采用臺階儀對其進行厚度測量,結果如圖3所示。

圖3 不同測量位置的質量塊厚度

通過測量數據可知,3片晶圓的質量塊厚度極差為0.23 μm,平均值為2.06 μm,標準偏差均小于0.10 μm。其中厚度極差為0.23 μm,遠小于激光修調深度;平均值為2.06 μm,滿足質量塊厚度要求;標準偏差小于頻率一致性要求的0.16 μm。綜上所述,該質量塊的厚度均勻性滿足工藝要求。

3.2 對準精度

軸對稱質量平衡設計是減小敏感芯片零位誤差的關鍵因素,若掩膜夾具和晶圓之間有相對位移,則制作的質量塊會增加陀螺芯片的不對稱性,相對應的陀螺初始零位也會增加;另一方面,對準偏移會影響后續調平的初始位置校準。經測量及評估可知,如果對準誤差保持在20 μm內,則滿足陀螺芯片的工藝要求。

為了評估對準精度,在晶圓內均勻地選取5個測量點,取最大偏差作為該片的對準誤差。由表2可知,不同晶圓的對準誤差都能保持在20 μm內,達到工藝條件要求。

表2 晶圓對準誤差統計表

3.3 膜層附著力

為了測試膜層附著力,首先將鍍后的質量塊置于顯微鏡下進行觀察,如圖4所示,質量塊外觀完好,無起層、翹邊現象;其次用高溫膠帶反復黏連,膜層無變化,滿足膜層附著力要求。為了保證制作的質量塊與基底有一定的附著力,通過實驗確定了最佳鍍膜參數為:鍍膜功率為0.9～1.1 kW,真空度小于1×10-4Pa,基片溫度為36 ℃。

圖4 電鍍、鍍膜制作質量塊對比

3.4 激光修調實驗

為進一步評估修調對于機械耦合誤差的改善,對陀螺芯片進行激光修調實驗,對制作質量塊后的陀螺芯片接入電路進行修調和測試,修調前機械耦合誤差如圖5所示,其幅值為301.0 mV,修調后機械耦合誤差如圖6所示,其幅值為17.6 mV。經過激光修調后,機械耦合誤差已顯著減小。由此可見,在音叉端頭制作質量塊并進行激光修調可以有效地減小機械耦合誤差,從而提高陀螺的零位穩定性和環境適應性。

圖5 修調前機械耦合誤差信號

圖6 修調后機械耦合誤差信號

4 結束語

采用電子束鍍膜工藝在陀螺芯片音叉端部制作了厚約2 μm的金質量塊,厚度標準偏差為0.1 μm,對準誤差保持在20 μm內,膜層質量滿足工藝要求。此外,對制作的質量塊進行了激光修調實驗。經過激光修調后,陀螺誤差信號的幅值從初始的 301.0 mV減小為17.6 mV,提高了集成式石英微機械陀螺的整體性能。