CN105988019A - 一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法 - Google Patents

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张扬熙
高成臣
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Abstract

本发明公开了一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，涉及一种带有弹性膜-质量块结构的硅微加速度计和硅膜制备工艺的腐蚀深度控制及结果检测。该硅微加速度计上的该弹性膜-质量块结构同时对外界加速度和压力敏感，在圆片级测试中，在加工有该硅微加速度计的圆片两侧施加气压差进行静态测试，即可通过该弹性膜-质量块结构对气压差的响应测得弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度的响应。本发明通过将加速度测试转为气压静态测试，克服了振动台和离心机难以用于大g值加速度计圆片级测试，而静电激励等其他圆片级测试方案需要过多附加结构和工艺步骤的缺点，降低了器件生产和测试的成本。

Description

一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法
技术领域
本发明涉及微电子机械加工领域中，对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，尤其涉及一种带有弹性膜-质量块结构的硅微加速度计和硅膜制备工艺的腐蚀深度控制及结果检测。
背景技术
MEMS(微电子机械系统)技术是近年来快速发展的一项高新技术之一，该技术采用半导体圆片生产流水线加工MEMS器件，从而达到低成本，大批量，微型化生产的目的。在微电子机械系统加工技术中，通常采用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵对硅基片进行深腐蚀体硅加工，从而得到深槽和对应的硅膜结构。该硅膜结构在MEMS领域中应用广泛，对硅膜厚度的精确控制和检测是MEMS器件实用化的关键技术之一。
对于以硅膜结构作为弹性元件的硅压力计，硅膜的厚度是关键的结构指标之一。直接控制腐蚀时间可以控制腐蚀深度和硅膜厚度，但该方法难以即时检测腐蚀速率，从而存在很大误差，同时也不易保证硅膜厚度在圆片间和圆片内的均匀性。
为了克服这一问题，发展了多次腐蚀技术，在腐蚀过程中进行多次腐蚀和测量，实时调整腐蚀条件，从而得到较精确的硅膜厚度。而为了解决腐蚀深度测量精度不足，测量结果难以直接反应器件最终电性能和测试过程烦琐的问题，在硅微压力计加工中又发展了硅膜厚度的圆片级测试方法，该方法通过在圆片上施加气压差使硅膜变形，检测圆片上各硅压力计在给定压力下的输出响应，具有能够直接检测器件电性能，便于自动化高速检测的特点，广泛用于硅微压力计的商业生产中。Afore与Cascade Microtech公司均有相应测试设备推出，商品名为圆片级加压测试台(Wafer Level Pressure Test Handler)与加压探针测试系统(Pressure Probe Systems)。
在现有的硅微加速度计生产中，由于硅微加速度计只对加速度信号有响应，需要依靠离心转台和振动台等带有运动部件的设备测试对加速度的输出响应，因而在圆片级测试上存在很大难度，难以设计出大g值运动状况下保持稳定接触的探针测试系统。已有的圆片级探针测试台如Afore公司的运动传感器测试台(Test Handler For Motion Sensors)测试范围仅限于正负1g的翻转测试，难以实现大g值。因此，在硅微加速度计生产中的硅膜厚度等结构参数测试仍沿用台阶仪、线宽仪等传统方式，存在测试结果不能直接反映器件力电转换性能、不利于自动化检测、检测过程烦冗等问题。采取其他方式(如静电激励)可实现片上检测，然而这些方式需要额外增加供检测用的电极结构和相关工艺，增加了流片复杂度和成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，以至少解决上述技术问题之一。
本发明中硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，包括以下步骤：
硅微加速度计加工步骤，加工带有弹性膜-质量块结构的硅微加速度计，该弹性膜-质量块结构同时对外界加速度和压力敏感；
气压测试步骤，在加工有该硅微加速度计的圆片两侧施加气压差进行静态测试；
数据处理步骤，通过该弹性膜-质量块结构对气压差的响应，测得弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度计的响应。
在所述硅微加速度计加工步骤中，所述硅微加速度计为以弹性膜-质量块结构作为弹性受力元件，感受惯性力作用的传感器。所述的弹性膜-质量块结构，在硅微加速度计圆片正面和背面间不存在通孔，在有气压差存在时不产生气流。在硅微加速度计圆片正面和背面间有气压差时，弹性膜两侧的压力差使所述弹性膜-质量块结构中产生应力。该应力也作用于设计上用于响应加速度(惯性力)作用的敏感元件，产生输出电信号。
优选地，在所述硅微加速度计加工步骤中，所述硅微加速度计采用压阻效应传感原理或电容传感原理；
优选地，在所述硅微加速度计加工步骤中，所述弹性膜-质量块结构采用梁岛膜结构，结构刚度由硅膜厚度和硅梁宽度控制；
优选地，在所述采用压阻效应传感原理的硅微加速度计加工步骤中，所述弹性膜-质量块结构带有利用压阻效应的力敏电阻条作为响应加速度(惯性力)作用的敏感元件，电阻条布置于弹性膜边缘应力集中区，连接成惠斯登电桥；
优选地，在所述采用电容传感原理的硅微加速度计加工步骤中，所述弹性膜-质量块结构带有金属电极，质量块运动时金属电极随弹性膜-质量块结构运动；
在所述气压测试步骤中，采用圆片两侧施加气压差进行静态测试的方法进行测试，测试时气压平衡后硅微加速度计中无运动部件。
优选地，在所述气压测试步骤中，采用自动探针台使探针与圆片上的压焊电极接触，引出电信号，并进行自动批量测试。
优选地，在所述气压测试步骤中，对所述采用压阻效应传感原理的硅微加速度计，采用恒流源对所述惠斯登电桥供电，检测桥臂结点的输出电压差。
优选地，在所述气压测试步骤中，对采用电容传感原理的硅微加速度计，采用电容-电压转换电路，测量所述金属电极与固定电极间的电容变化。
在所述数据处理步骤中，通过该弹性膜-质量块结构对气压差的响应，测得弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度的响应。
优选地，在所述数据处理步骤中，对所述弹性膜-质量块结构在不同腐蚀深度(硅膜厚度)的条件下对压力差和加速度的电信号响应的实测结果制成数据表，得到所述输出电压差(对所述采用压阻效应传感原理的硅微加速度计)或电容变化(对采用电容传感原理的硅微加速度计)之后，查表即可得出对应的硅膜厚度和对加速度的响应。
根据本发明的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法，通过无运动部件的静态气压测量，即可测得电信号形式的输出响应。通过该响应可以计算出弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度的响应。相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1.该测试方法通过无运动部件的静态气压测量，避开了大g值运动状况下保持探针稳定接触的难题，同现有限制在正负1g内的加速度计圆片级翻转测试台相比，可提供各种不同等效g值的测量功能，具有高度灵活性，尤其利于大g值加速度计测试。
2.该测试方法的测试结果为应力作用下的电信号输出，能直接体现加速度计的力-电转换性能，具有精确直接的优点，可避免采用线宽仪，台阶仪等仪器测量结构尺寸再换算输出响应中产生的误差。
3.该测试方法能够实现圆片级测试，有利于在加速度计生产中精确控制硅膜厚度，并在封装之前初步检测器件，从而达到提高工艺效率，简化测试流程的目的。
4.该测试方法能够通用压力计圆片级测试中的成熟技术和设备，可利用已有的自动化高速批量检测设备，节省设备成本。
附图说明：
图1是本发明中对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法的流程示意图。
图2是表示本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中硅微加速度计的截面图。
图3是本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中气压测试设备的示意图。
图4是本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中气压测试示意图。
图5是表示本发明实施方式之一的采用电容传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中硅微加速度计的截面图。
图6是本发明实施方式之一的采用电容传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中气压测试设备的示意图。
图7是本发明实施方式之一的采用电容传感原理的硅微加速度计结构尺寸的圆片级测试方法中气压测试示意图。
具体实施方式：
下面介绍的是本发明的多个实施方式中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定要保护的范围。凡在本专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明中硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，包括以下步骤：
硅微加速度计加工步骤101，加工带有弹性膜-质量块结构的硅微加速度计，该弹性膜-质量块结构同时对外界加速度和压力敏感；
气压测试步骤102，在加工有该硅微加速度计的圆片两侧施加气压差进行静态测试；
数据处理步骤103，通过该弹性膜-质量块结构对气压差的响应，测得弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度计的响应。
下面结合本发明的两种典型实施方式，采用压阻效应传感原理的硅微加速度计和采用电容传感原理的硅微加速度计分别详细描述。
如图2所示，本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计由基座1，弹性膜2，质量块3，敏感电阻条4，引线5，压焊电极6，氧化层7构成。
如图3所示，本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计在圆片级测试中置于测试设备之内。测试设备由气压腔11，气压腔12，气密支持架13，探针14构成。带有加速度计的圆片10放置在气密支持架13上。
如图4所示，本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计在圆片级测试中，探针14与带有加速度计的圆片10上的压焊电极6接触。气压腔11和气压腔12内施加不同气压P1和P2，使弹性膜2发生变形，在敏感电阻条4位置产生应力。该应力使敏感电阻条4的阻值发生变化，并通过探针14引入的恒流源供电转化为电压信号。预先将弹性膜-质量块结构在不同腐蚀深度(硅膜厚度)的条件下对压力差和加速度的电信号响应的实测结果制成对照数据表，得到电压信号之后，查表即可得出对应的硅膜厚度和对加速度的响应。
如图5所示，本发明实施方式之一的采用电容传感原理的硅微加速度计由基座21，弹性膜22，质量块23，金属电极24，引线25，压焊电极26，玻璃参考极板27，玻璃参考极板上的固定金属电极28，氧化层29构成。
如图6所示，本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计在圆片级测试中置于测试设备之内。测试设备由气压腔31，气压腔32，气密支持架33，探针34构成。带有加速度计的圆片30放置在气密支持架33上。
如图7所示，本发明实施方式之一的采用压阻效应传感原理的硅微加速度计在圆片级测试中，探针34与带有加速度计的圆片30上的压焊电极26接触。气压腔31和气压腔32内施加不同气压P1和P2，使弹性膜22发生变形，金属电极24和固定金属电极28之间的间距发生变化。该间距变化使金属电极24和固定金属电极28之间的电容发生变化，并通过探针34引入的激励信号在电容-电压转换电路中转化为电压信号。预先将弹性膜-质量块结构在不同腐蚀深度(硅膜厚度)的条件下对压力差和加速度的电信号响应的实测结果制成对照数据表，得到电压信号之后，查表即可得出对应的硅膜厚度和对加速度的响应。
以上对本发明所提供的一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
硅微加速度计加工步骤：加工带有弹性膜-质量块结构的硅微加速度计，该弹性膜-质量块结构同时对外界加速度和压力敏感；
气压测试步骤：在加工有该硅微加速度计的圆片两侧施加气压差进行静态测试；
数据处理步骤：通过该弹性膜-质量块结构对气压差的响应，测得弹性膜-质量块结构的结构参数，并推算出该硅微加速度计对外界加速度的响应。
2.如权利要求1中所述的对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，其特征在于所述硅微加速度计加工步骤中，所述硅微加速度计具备弹性膜-质量块结构，弹性膜作为弹性受力元件和感受压力差的传感元件，质量块作为感受惯性力作用的传感元件。
3.如权利要求2中所述的弹性膜-质量块结构，其特征在于所述硅微加速度计圆片正面和背面间不存在通孔，在有气压差存在时不产生气流。
4.如权利要求2中所述的弹性膜-质量块结构，其特征在于所述硅微加速度计圆片正面和背面间有气压差时，弹性膜两侧的压力差使所述弹性膜-质量块结构产生应力和应变。
5.如权利要求2中所述的所述的弹性膜-质量块结构，其特征在于所述硅微加速度计圆片正面和背面气压差作用在弹性膜上时产生的应力，同时也作用于设计上用于响应加速度(惯性力)作用的敏感元件，产生输出电信号。
6.如权利要求1中所述的对硅微加速度计结构参数的圆片级测试方法，其特征在于所述气压测试步骤中，采用圆片两侧施加气压差进行静态测试的方法进行测试，测试时气压平衡后硅微加速度计中无运动部件。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114241619A (zh) * 2021-12-03 2022-03-25 中环领先半导体材料有限公司 一种抛光面型修正中心加压自动计算的方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1570651A (zh) * 2004-04-29 2005-01-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计
US7258019B2 (en) * 2004-10-18 2007-08-21 Silverbrook Research Pty Ltd Pressure sensor for high acceleration environments
US7540199B2 (en) * 2006-06-13 2009-06-02 Denso Corporation Physical quantity sensor
CN101520385A (zh) * 2008-02-27 2009-09-02 中国科学院半导体研究所 微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法和装置
CN101786593A (zh) * 2010-01-18 2010-07-28 北京大学 差分式高精度加速度计的加工方法
CN102495234A (zh) * 2011-11-23 2012-06-13 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法
CN102749570A (zh) * 2012-07-26 2012-10-24 上海宏力半导体制造有限公司 探针台晶圆测试设备以及晶圆测试方法
CN102778586A (zh) * 2012-08-13 2012-11-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种差分电容微加速度传感器及其制作方法
CN103018651A (zh) * 2012-12-06 2013-04-03 中国电子科技集团公司第十三研究所 用于mems器件的在片测试系统及其测试方法
CN103353539A (zh) * 2013-06-25 2013-10-16 上海华力微电子有限公司 用于晶片测试的保护装置
CN103434998A (zh) * 2013-08-29 2013-12-11 上海宏力半导体制造有限公司 晶圆级气密性的测试结构及测试方法
CN104058361A (zh) * 2013-03-20 2014-09-24 北京大学 一种基于预制空腔soi基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1570651A (zh) * 2004-04-29 2005-01-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计
US7258019B2 (en) * 2004-10-18 2007-08-21 Silverbrook Research Pty Ltd Pressure sensor for high acceleration environments
US7540199B2 (en) * 2006-06-13 2009-06-02 Denso Corporation Physical quantity sensor
CN101520385A (zh) * 2008-02-27 2009-09-02 中国科学院半导体研究所 微机电系统薄膜材料力学性能与可靠性测试方法和装置
CN101786593A (zh) * 2010-01-18 2010-07-28 北京大学 差分式高精度加速度计的加工方法
CN102495234A (zh) * 2011-11-23 2012-06-13 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法
CN102749570A (zh) * 2012-07-26 2012-10-24 上海宏力半导体制造有限公司 探针台晶圆测试设备以及晶圆测试方法
CN102778586A (zh) * 2012-08-13 2012-11-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种差分电容微加速度传感器及其制作方法
CN103018651A (zh) * 2012-12-06 2013-04-03 中国电子科技集团公司第十三研究所 用于mems器件的在片测试系统及其测试方法
CN104058361A (zh) * 2013-03-20 2014-09-24 北京大学 一种基于预制空腔soi基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法
CN103353539A (zh) * 2013-06-25 2013-10-16 上海华力微电子有限公司 用于晶片测试的保护装置
CN103434998A (zh) * 2013-08-29 2013-12-11 上海宏力半导体制造有限公司 晶圆级气密性的测试结构及测试方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李振波等: "《基于单片机的数字微加速度计静态测试平台设计》", 《传感器与微系统》 *
赵琦等: "《一种石墨烯热电器件的圆片级制备工艺》", 《微纳电子技术》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114241619A (zh) * 2021-12-03 2022-03-25 中环领先半导体材料有限公司 一种抛光面型修正中心加压自动计算的方法
CN114241619B (zh) * 2021-12-03 2024-01-09 中环领先半导体材料有限公司 一种抛光面型修正中心加压自动计算的方法

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