本發(fā)明涉及微型機電系統(tǒng)器件精密幾何量測量方法,特別涉及一種硅片陽極鍵合工藝變形的光學檢測評價方法。
背景技術:
鍵合技術是硅微器件加工工藝的關鍵技術之一,是將硅微器件中不同或相同材料的部件永久地連結為一體,用于器件的制作、組裝和封裝。硅-玻璃陽極鍵合是其中一種鍵合技術,即中間活動器件為單晶硅材料刻蝕成型,上下采用特制玻璃鍵合封裝。鍵合后的器件是類似“三明治”的3層結構:玻璃--硅片--玻璃,玻璃和硅片之間有幾微米到幾十微米左右的間隙。
鍵合過程是電場、高溫的作用,必定會有殘余應力存在,因而中間活動器件輪廓形貌會發(fā)生應力變形,而不同鍵合工藝因電場、溫度參數不同其應力變形情況也不盡相同。因鍵合間隙有限,如果變形過大活動器件會發(fā)生卡滯或卡死現象,影響器件的精度和成活率。故需要在封裝后對器件輪廓形貌的變形進行測量,來指導調整鍵合工藝參數,以期應力變形量盡可能小,同時控制鍵合封裝質量。目前沒有有效的判斷硅片陽極鍵合工藝變形的方法。
技術實現要素:
本發(fā)明的目的為:提供一種硅微器件陽極鍵合后,透明封裝玻璃內活動器件輪廓形貌變形的非接觸準確測量及評價方法。
本發(fā)明的技術方案為:一種硅片陽極鍵合工藝變形的光學檢測評價方法,其特征為:所述的方法包括如下步驟:
步驟一,掃描測量:使用光學輪廓儀,配合TTM物鏡,掃描獲取待檢測器件的外形輪廓數據;
步驟二,數據處理:在得到器件初始外形輪廓基礎上,進行去除邊緣效應和設置評價基準的處理,以獲得預期的器件的真實三維外形輪廓;
步驟三,評價判斷:以經過數據處理的輪廓為基礎,分別在X、Y方向上作該外形輪廓的二維截線,查看輪廓的傾斜和扭曲變形量,并根據設定的輪廓谷值和峰值參數,判斷外形輪廓的變形是否符合設計要求。
作為本技術方案的一種改進,在去除邊緣效應的影響時,剔除輪廓邊緣3%-4%的數據。
作為本技術方案的一種改進,當評價器件的局部變形時,還要進行評價基準設置的處理,即去除放置傾斜。
作為本技術方案的一種改進,使用光學輪廓儀及透過透明材料測量物鏡,獲取小封裝間隙待檢測器件的外形輪廓數據。
作為本技術方案的一種改進,當評價器件整體的工藝變形時,選擇器件外框作為基準面找平;當評價器件局部的工藝變形時,只需將被測區(qū)域對焦找平。
作為本技術方案的一種改進,將光學輪廓儀的參數做如下設置:測量模式為VSI或Z軸掃描范圍大于50μm,物鏡型號為TTM,掃描 長度為在所測表面輪廓峰谷值的基礎上增加10-20%,測量平均選3-8次,回掃長度為掃描長度的20%。
本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明用于微型機電系統(tǒng)(MEMS)器件制作工藝過程,屬于工藝檢測和控制范疇,解決了小封裝間隙硅-玻璃鍵合器件無法直觀準確檢測評價的問題,它的應用可提高鍵合工藝的一致性、重復性等質量。
本發(fā)明確定了以通過測量器件鍵合前后或不同鍵合參數的變形對比來反映硅片鍵合工藝殘余應力大小的評價方法,可直觀、準確地觀測封裝玻璃內中間活動器件的輪廓變形、損傷等。解決了目前不能直接觀測器件結構和評價鍵合應力的問題,對于鍵合工藝參數優(yōu)化,器件性能質量的提升具有非常重要的作用。
具體實施方式
下面對本技術方案做進一步詳細說明。
本技術方案所述的方法,是使用光學輪廓儀,選取TTM(透過透明材料測量)物鏡,設置特定的測量參數檢測,然后采用二維截線最大變形量判定方法,并設置特定評定參數和指標進行最大變形量的評價,以判斷鍵合后硅片微器件變形是否滿足設計要求。
以使用Contour GT光學輪廓儀測量硅玻璃鍵合的硅微器件為例,說明在完成該方法時的詳細步驟:
步驟一,掃描測量:使用光學輪廓儀,配合TTM物鏡,掃描獲取待檢測器件的外形輪廓數據。首先,選取與鍵合封裝玻璃同樣材質的玻璃,厚度必須一致,制作光路補償片,并放入TTM物鏡的特定 位置。然后,將裝有補償片的TTM物鏡安裝到儀器物鏡坐上,按如下設置測量參數:測量模式(Measurement Type)為VSI,物鏡型號(Objective)為2×TTM,視場目鏡(Multiplier)當進行器件整體測量時選0.55×,當進行器件局部測量時選2×(選取原則:與物鏡配合使用,視場內應包含所測樣品區(qū)域,并盡量充滿視場),掃描長度(Length)當進行器件整體測量時為25μm,當進行器件局部測量時為8μm(選取原則:在所測表面輪廓峰谷值的基礎上增加10-20%),測量平均(Averaging)選3-8次,選取原則:根據測量要求的精度,精度要求高設置值大測量次數多,反之值小測量次數少。系統(tǒng)誤差標定時通常設置為8,回掃長度(Backscan)當進行器件整體測量時為5μm,當進行器件局部測量時為2μm,選取原則:為掃描長度的20%,調制信號閾值(Threshold)為5%。測量參數設置好后對儀器進行系統(tǒng)誤差標定、存儲,并在測量時選擇剔除系統(tǒng)誤差。最后,保持測量參數不變,將被測器件置于樣品臺,并聚焦到被測區(qū)域,選擇測量基準面,當進行器件整體測量時,選擇器件外框作為基準面找平;當進行器件局部測量時,只需將被測區(qū)域對焦找平,進行測量。
步驟二,數據處理:在得到器件初始外形輪廓基礎上,進行去除邊緣效應和設置評價基準的處理,以獲得預期的器件的真實三維外形輪廓。邊緣效應是指軟件在測量區(qū)域邊界處作相位去包裹操作時發(fā)生錯誤所導致的數據跳變現象,此時呈現的測量結果不真實。為保證測量結果真實可靠必須在測量結束后去除邊緣效應的影響,具體操作是利用儀器軟件的Mask(遮蔽框)功能,剔除輪廓邊緣3%-4%的數據, 即選則矩形或其它合適的圖形框,保留輪廓內部97%-96%面積的數據,做Mask處理。設置評價基準的操作在選擇測量基準面的基礎上做處理,利用儀器軟件的項目移除(Terms Removal)功能,僅當進行器件局部測量評價時做去除放置傾斜(Tilt only)的處理,以消除測量時器件放置不平對結果的影響。
步驟三,評價判斷:以經過數據處理的輪廓為基礎,分別在X、Y方向上作該外形輪廓的二維截線,查看輪廓傾斜變形和扭曲變形的大小,并根據設定的輪廓谷值和峰值參數,判斷輪廓外形的變形是否符合設計要求。評價判斷是以鍵合前后或不同鍵合參數下硅微器件的中間活動部分輪廓的變形、翹曲量的對比作為評價標準,變形要求盡可能小。此時,X、Y方向上二維截線微米尺度的起伏,分別代表了輪廓的傾斜變形和扭曲變形,查看X、Y兩個方向上的最大變形量(或為谷值、或為峰值),即為器件輪廓的傾斜變形和扭曲變形的大小,還可以提供變形的方向。從而實現了硅片陽極鍵合工藝后封裝材料內部的微器件輪廓變形的測量評價。