白順風(fēng),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(tuán)第二十六研究所,重慶 400060;2.重慶市固態(tài)慣性技術(shù)企業(yè)工程技術(shù)研究中心,重慶 401332;3.重慶市固態(tài)慣性技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,重慶 401332;4.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智慧健康學(xué)院,重慶 401331)

0 引言

石英微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝制造,其制造成本低,穩(wěn)定性好,在導(dǎo)引頭、戰(zhàn)術(shù)彈、無人機(jī)、穩(wěn)定平臺、單兵裝備等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。對于石英微機(jī)械陀螺而言,敏感器件的機(jī)械耦合誤差是主要誤差源,是影響陀螺綜合精度及環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵因素[1]。

通過在設(shè)計(jì)中增加質(zhì)量塊,采用質(zhì)量修調(diào)方法抑制機(jī)械耦合誤差,是陀螺芯片制造必不可少的工藝[2]。其中,質(zhì)量塊的制作是質(zhì)量修調(diào)方法中的關(guān)鍵步驟之一,目前制作質(zhì)量塊主要采用傳統(tǒng)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(zhì)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(zhì)量塊厚度要求在1～2 μm,電鍍工藝制作質(zhì)量塊合格率太低,不滿足工藝要求。

本文研究了通過開發(fā)鍍膜工藝來替代電鍍工藝,通過設(shè)計(jì)系列夾具以及選擇合適的鍍膜參數(shù)來制作高精度質(zhì)量塊,這將為進(jìn)一步提升集成式石英微機(jī)械陀螺性能打下基礎(chǔ)。

1 機(jī)械耦合誤差產(chǎn)生機(jī)理

由于石英晶體具有的各向異性特征,在各個(gè)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(fù)方向的腐蝕速度也略有差別。由于腐蝕速度各向異性而產(chǎn)生的殘留晶體會在敏感芯片結(jié)構(gòu)的側(cè)壁面形成凸緣,造成敏感芯片結(jié)構(gòu)的不對稱[7-8],進(jìn)而產(chǎn)生了機(jī)械耦合誤差,劣化了陀螺的各項(xiàng)指標(biāo)[9]。

陀螺芯片因晶體結(jié)構(gòu)和工藝誤差而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上不對稱,可等效成為音叉叉指質(zhì)量上的不對稱,故可通過質(zhì)量平衡調(diào)節(jié)的方法減小機(jī)械耦合誤差。實(shí)現(xiàn)質(zhì)量平衡調(diào)節(jié)的方法通常是在音叉端頭制作質(zhì)量塊,然后對質(zhì)量塊進(jìn)行激光修調(diào),在修調(diào)過程中監(jiān)測零位數(shù)值變化,直至陀螺零位達(dá)到工藝要求。

針對集成式石英微機(jī)械陀螺芯片對質(zhì)量塊的要求,本文制作的質(zhì)量塊應(yīng)滿足以下條件:

1) 具有較高的厚度均勻性。

2) 質(zhì)量塊位于音叉端頭合適的位置。

3) 滿足膜層附著力要求。

質(zhì)量塊的厚度均勻性影響著零位調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)。質(zhì)量塊對稱分布利于減小初始零位。好的膜層質(zhì)量利于后續(xù)激光修調(diào)。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已仿真確定了質(zhì)量塊的位置和厚度,本文將針對質(zhì)量塊的厚度精度控制、對準(zhǔn)精度控制和膜層附著力進(jìn)行討論。

2 質(zhì)量塊制作工藝研究

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

表1 兩種質(zhì)量塊制作方式優(yōu)缺點(diǎn)對比

2.1 厚度精度控制

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

圖1 電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖

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

(1)

式中:t為點(diǎn)源膜厚;m為蒸發(fā)材料總質(zhì)量;r為蒸發(fā)距離;θ為鍍膜表面法線與r所構(gòu)成的角度;μ為蒸發(fā)材料密度。

由式(1)可知,點(diǎn)源的膜厚均勻性僅與r、θ有關(guān)?；谏鲜隼碚撏茖?dǎo),自主設(shè)計(jì)了一種鍍膜高度和鍍膜角度均可調(diào)的鍍膜夾具,夾具如圖2所示。

圖2 鍍膜夾具圖片

為使蒸發(fā)材料的原子在運(yùn)動到基片的途中減小與真空腔室內(nèi)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(fā)源到基片距離的10倍以上。對于一般的蒸發(fā)鍍膜設(shè)備,蒸發(fā)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(fā)源正上方基片是垂直入射,左右兩側(cè)基片相對于蒸發(fā)源均有一定角度。經(jīng)計(jì)算,左右兩側(cè)基片相對于中間基片傾斜角度為8°～10°,與蒸發(fā)源處于相對垂直位置。

2.2 對準(zhǔn)精度控制

質(zhì)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(diǎn)主要在最后的剝離工序上,經(jīng)過鍍膜后,常規(guī)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(zhì)量塊會有脫落的風(fēng)險(xiǎn),陀螺芯片也易受到損壞。綜合考慮,金屬夾具掩膜是風(fēng)險(xiǎn)更小、成本更低的一種方式。但是,夾具掩膜的方式在對準(zhǔn)精度上不如光刻的高。針對此問題,首先是在掩膜夾具上預(yù)留銷釘孔,進(jìn)行銷釘粗定位,其次再利用晶圓調(diào)整夾具在顯微鏡下進(jìn)行位置微調(diào),從而滿足工藝要求。

2.3 膜層附著力控制

陀螺芯片后續(xù)需要經(jīng)過激光修調(diào),激光修調(diào)時(shí)會產(chǎn)生局部高溫,膜層質(zhì)量不好則會出現(xiàn)翹起甚至脫落的情況,影響修調(diào)效果和器件可靠性,所以必須保證質(zhì)量塊與基底有一定的附著力。

膜層附著力主要受鍍膜參數(shù)的影響,主要影響參數(shù)為鍍膜功率、鍍膜腔室內(nèi)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(shí)沉積速率一般很快,但過快的速度易導(dǎo)致生長應(yīng)力太大,附著力變差[12]。Au膜化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度大,故可作為制作質(zhì)量塊的材料,但其化學(xué)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(xué)活性強(qiáng),在有氧氣存在的環(huán)境中易發(fā)生氧化,當(dāng)腔體內(nèi)真空度足夠高時(shí)才能進(jìn)行Cr膜層的鍍制,且在Cr膜層鍍制完成后30 s內(nèi)進(jìn)行Au膜層的鍍制,防止Cr膜層因發(fā)生氧化而導(dǎo)致膜層附著力變差[13]。提高鍍膜時(shí)腔室內(nèi)的基片溫度可提高膜層粘附力,但材料之間熱膨脹系數(shù)的區(qū)別導(dǎo)致溫度越高,膜層降溫后的內(nèi)應(yīng)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(jié)果與討論

3.1 厚度

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

通過專用夾具調(diào)整鍍膜距離和鍍膜角度,得到厚度均勻性較高的質(zhì)量塊,在3片晶圓內(nèi)均勻地選擇5個(gè)測量點(diǎn),采用臺階儀對其進(jìn)行厚度測量,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同測量位置的質(zhì)量塊厚度

通過測量數(shù)據(jù)可知,3片晶圓的質(zhì)量塊厚度極差為0.23 μm,平均值為2.06 μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.10 μm。其中厚度極差為0.23 μm,遠(yuǎn)小于激光修調(diào)深度;平均值為2.06 μm,滿足質(zhì)量塊厚度要求;標(biāo)準(zhǔn)偏差小于頻率一致性要求的0.16 μm。綜上所述,該質(zhì)量塊的厚度均勻性滿足工藝要求。

3.2 對準(zhǔn)精度

軸對稱質(zhì)量平衡設(shè)計(jì)是減小敏感芯片零位誤差的關(guān)鍵因素,若掩膜夾具和晶圓之間有相對位移,則制作的質(zhì)量塊會增加陀螺芯片的不對稱性,相對應(yīng)的陀螺初始零位也會增加;另一方面,對準(zhǔn)偏移會影響后續(xù)調(diào)平的初始位置校準(zhǔn)。經(jīng)測量及評估可知,如果對準(zhǔn)誤差保持在20 μm內(nèi),則滿足陀螺芯片的工藝要求。

為了評估對準(zhǔn)精度,在晶圓內(nèi)均勻地選取5個(gè)測量點(diǎn),取最大偏差作為該片的對準(zhǔn)誤差。由表2可知,不同晶圓的對準(zhǔn)誤差都能保持在20 μm內(nèi),達(dá)到工藝條件要求。

表2 晶圓對準(zhǔn)誤差統(tǒng)計(jì)表

3.3 膜層附著力

為了測試膜層附著力,首先將鍍后的質(zhì)量塊置于顯微鏡下進(jìn)行觀察,如圖4所示,質(zhì)量塊外觀完好,無起層、翹邊現(xiàn)象;其次用高溫膠帶反復(fù)黏連,膜層無變化,滿足膜層附著力要求。為了保證制作的質(zhì)量塊與基底有一定的附著力,通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳鍍膜參數(shù)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(zhì)量塊對比

3.4 激光修調(diào)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步評估修調(diào)對于機(jī)械耦合誤差的改善,對陀螺芯片進(jìn)行激光修調(diào)實(shí)驗(yàn),對制作質(zhì)量塊后的陀螺芯片接入電路進(jìn)行修調(diào)和測試,修調(diào)前機(jī)械耦合誤差如圖5所示,其幅值為301.0 mV,修調(diào)后機(jī)械耦合誤差如圖6所示,其幅值為17.6 mV。經(jīng)過激光修調(diào)后,機(jī)械耦合誤差已顯著減小。由此可見,在音叉端頭制作質(zhì)量塊并進(jìn)行激光修調(diào)可以有效地減小機(jī)械耦合誤差,從而提高陀螺的零位穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

圖5 修調(diào)前機(jī)械耦合誤差信號

圖6 修調(diào)后機(jī)械耦合誤差信號

4 結(jié)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(zhì)量塊,厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1 μm,對準(zhǔn)誤差保持在20 μm內(nèi),膜層質(zhì)量滿足工藝要求。此外,對制作的質(zhì)量塊進(jìn)行了激光修調(diào)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過激光修調(diào)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(jī)械陀螺的整體性能。