一种mems器件残余应力温度特性的测量方法
【技术领域】
[00011本发明属于MEMS器件残余应力测试技术，特别是一种MEMS器件残余应力温度特性 的测量方法。
【背景技术】
[0002] MEMS(Micr〇-Electr〇-Mechanical_System，微机电系统)器件的机械结构(为敏感 元件)在加工和封装过程中，会产生残余应力，残余应力包括了加工应力和封装应力。残余 应力会影响MEMS器件输出信号，特别是残余应力有变化时，如残余应力随温度的变化或应 力的蠕变都将会通过机械结构以电信号的形式反应到输出信号上，从而使MEMS器件的输出 发生偏移，降低了MEMS器件性能。因此，残余应力控制以及残余应力的温度特性都是MEMS器 件加工与封装必须考虑的因素之一。而在应力控制之前，首先要精确地进行残余应力温度 特性(包括加工应力的温度特性和封装应力的温度特性。）的测量。
[0003] 目前，MEMS器件残余应力测量通常采用光学设备测试芯片的翘曲度，如云纹干涉 法(Moire Interference Method)、激光全息干涉法和激光散斑干涉法等，再根据翘曲度估 算残余应力（（1)马斌，任继文，张鸿海等.键合技术中键合胶残余应力检测的实验研究.机 械科学与技术，2005，24(6): 736-739. (2)邱宇，雷振坤，亢一澜等.微拉曼光谱技术及其在 微结构残余应力检测中的应用，机械强度，2004，26(4): 389-392。）。首先，该测试方法需要 昂贵的光学设备;其次，通过该方法可以得到晶圆的整体应力水平，无法获悉局部的应力分 布情况;第三，对晶圆进行划片得到单个MEMS芯片，由于MEMS芯片尺寸在毫米量级，与晶圆 相比，MEMS芯片的弯曲挠度大大减小，此时采用光学方法进行残余应力的测量时存在较大 的测量误差，甚至当弯曲挠度近似为零时，无法得到应力测量结果;第四，封装好的MEMS器 件需要测量残余应力时，必须拆开封装结构，破坏了封装结构，且易造成MEMS结构损坏，从 而影响残余应力的正确测量。残余应力温度特性的测量时，同样存在上述技术问题，而且需 要的测试设备则更为复杂。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术缺陷，本发明目的在于提供一种方便、高灵敏度、高精度的MEMS器件 残余应力温度特性的测量方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方 法，步骤如下：
[0006] 步骤一，将双端固支音叉谐振器和机械结构集成在一起形成MEMS芯片，在每个 MEMS芯片内，至少四个双端固支音叉谐振器均匀布置在机械结构四周，且呈对称布置的两 个双端固支音叉谐振器互相垂直布置；
[0007] 步骤二，微机械加工工艺结束后，在晶圆上形成成百上千个MEMS芯片，将晶圆安装 在温控探针台上，在晶圆上不同的区域选取多个MEMS芯片进行测试:首先通过扫描电子显 微镜，测试所挑选MEMS芯片上的双端固支音叉谐振器的梁宽和梁长;然后利用探针及其引 线与双端固支音叉谐振器的驱动电极、检测电极和测控电路相连，构成闭环测控回路，根据 温控探针台可调节的温度范围设置试验温度范围，利用探针、测控电路和测频电路测试所 述双端固支音叉谐振器在不同温度下的频率fndT)，将fmU)代入公式
，计算不同温度下的加工应力σ〇,Μ(Τ)， 再采用最小二乘法进行加工应力〇〇,k,i(T)和温度Τ的多项式拟合，得到加工应力的温度函 数：
[0008] 〇〇,k,i(T) = 〇Q,k,i(0)+ao,iT+a(),2T2+...+a(),nTn
[0009]式中，〇Q,k,i(0)为0°C时加工应力的拟合值，8(),1、3(),2、3(), 11分别为加工应力的一阶、 二阶和η阶温度系数;式中，k=l ,2,…，1，k表示MEMS芯片的标号；i = l ,2,…，m，m2 4，i表示 同一个MEMS芯片上双端固支音叉谐振器的标号;E为MEMS结构材料的杨氏模量，h为MEMS结 构厚度，w、L分别为双端固支音叉谐振器的梁宽和梁长，Μ为双端固支音叉谐振器的等效质 量；
[0010]步骤三，采用划片工艺将晶圆上的MEMS芯片进行分离，得到单个MEMS芯片，将划片 后的MEMS芯片安装在温控探针台上，调节温控探针台温度，利用探针、测控电路和测频电路 测试这些双端固支音叉谐振器在不同温度下的频率^^^^沁将^^^彡代入公式
，计算出划片工艺产生的应力在不同温度下的值 σι,Μ(Τ)，再采用最小二乘法进行残余应力〇1,k,i⑴和温度T的多项式拟合，得到〇1,k,i⑴的 温度函数：
[0011] 〇i)k)i(T) = 〇i)k;i(0)+ai)iT+ai)2T2+---+ai )nTn
[0012] 式中，σι,Μ(〇)为〇°C时划片工艺产生残余应力的拟合值，已^通^通^分别为划片 工艺产生残余应力的一阶、二阶和η阶温度系数；
[0013]步骤四，采用贴片工艺将步骤三得到的MEMS芯片粘接到管壳内，将贴片后的MEMS 芯片安装在温控探针台上，调节温控探针台温度，利用探针、测控电路和测频电路测试这些 双端固支音叉谐振器在不同温度下的频率f 2,k;1(T)，将f2,k>1(T)代入公式
，计算出贴片工艺产生的应力在不同温度下的值〇2,k ;1 (T)，再采用最小二乘法进行残余应力〇2,k>1(T)和温度T的多项式拟合，得到 〇2,k>1(T)的温度 函数：
[0014] 〇2,k,i(T) = 〇2,k,i(〇)+a2,iT+a2,2T2+---+a2,nTn
[0015] 式中，〇2,k,i(0)为0°C时贴片工艺产生残余应力的拟合值，a2,i、a2,2、a2,n分另ll为贴片 工艺产生残余应力的一阶、二阶和η阶温度系数；
[0016] 步骤五，采用引线键合工艺，利用金属引线实现MEMS芯片与管壳之间的电互连，采 用无应力安装方式将管壳安装固定，利用金丝焊接管壳上的金属引脚和测控电路上对应的 金属引脚，将引线键合后的MEMS芯片安装在卡具上，卡具固定在温控箱内，采用测控电路和 测频电路测试引线键合工艺后双端固支音叉谐振器频率f^k.KT)，将f 3,k>1(T)代入公式
，计算出引线键合工艺产生的应力在不同温度下 的值σ3,?^(Τ)，再采用最小二乘法进行残余应力σ3,Μ(Τ)和温度T的多项式拟合，得到 〇3,k>1 (T)的温度函数：
[0017] 〇3,k,i(T) = 〇3,k,i(〇)+a3,iT+a3,2T2+---+a3,nTn
[0018]式中，〇3,k,i(〇)为〇°C时引线键合工艺产生残余应力的拟合值，33,1、33,2、33,11分别为 引线键合工艺产生残余应力的一阶、二阶和η阶温度系数；
[0019] 步骤六，采用封帽工艺，将盖板与管壳键合在一起，采用无应力安装方式将管壳安 装固定，利用金丝焊接管壳上的金属引脚和测控电路上对应的金属引脚，将封帽后的MEMS 芯片，安装在温控箱内，改变温控箱内的温度，采用采用双端固支谐振器测控电路和测频电 路，测试双端固支音叉谐振器频率f 4 , k , i ( Τ )，将f 4 , k , i ( Τ )代入公式
，计算出封帽工艺产生的应力在不同温度下的值 〇4,15,#)，再采用最小二乘法进行残余应力〇4,1{,#)和1'进行多项式拟合，得到 〇4,1{,1(1')的温 度函数：
[0020] 〇4;k>i(T) = 〇4>k>i(〇)+a4>iT+a4>2T 2+---+a4>nTn (10)
[0021] 式中，σ4,Μ(0)为0°c时封帽工艺产生残余应力的拟合值，&4, 1、84,2、84,11分别为封帽 工艺产生残余应力的一阶、二阶和η阶温度系数。
[0022]本发明还可以测量MEMS器件加工工艺步骤的每个步骤所产生的残余应力温度特 性，即是上述步骤一、二;步骤一、二、三;步骤一、二、三、四以及步骤一、二、三、四、五分别形 成每个加工步骤测试残余应力温度特性的技术方案。
[0023]本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)测试方法简单，可实现MEMS工艺产生的 残余应力温度特性的测量。（2)可实现封装每道工艺所产生的残余应力温度特性的测量。 (3)残余应力温度特性测量过程中，不需要拆开封装结构，不会对MEMS器件造成损伤。（4)可 直接利用双端固支音叉谐振器，测量每道封装工艺产生的封装应力温度特性，作为封装工 艺优化的依据。（5)可以实时和在线进行测量。
[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明MEMS器件残余应力测量方法中的MEMS芯片第一种结构示意图。
[0026] 图2是本发明MEMS器件残余应力测量方法中的MEMS芯片第二种结构示意图。
[0027]图3是本发明的应力测试流程图。
【具体实施方式】
[0028]由于MEMS器件的机械结构厚度一般为2~3微米或几十微米，远小于平面尺寸，因 此可以忽略厚度方向上残余应力梯度。一种利用双端固支音叉谐振器频率与其梁上的轴向 应力具有相关性，通过相互垂直布置的双端固支音叉谐振器的温度特性，从而获得MEMS器 件平面内残余应力温度特性。
[0029]本发明可以通过MEMS器件残余应力温度特性的测量系统对其进行测量，该系统包 括双端固支音叉谐振器3、温控探针台、探针、测试电路，该测试电路包括了双端固支音叉谐 振器3的测控电路和测频电路，所述的双端固支音叉谐振器3和MEMS器件的机械结构2集成 在一起形成MEMS芯片