CN112504546B - 晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法和系统，测试方法包括如下步骤：通过应力测量装置获取多个微小腔体内外气压差已知的晶圆级气密封装结构标定样品的盖帽表面应力，并获取应力值与气压差的关联模型；通过应力测量装置获取晶圆级气密封装结构待测样品盖帽表面的应力值；通过测得的待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。本发明对晶圆级气密封装结构的盖帽无透光性要求，可实现通过盖帽表面应力的测试表征，从而获取微小腔体内部气压变化的信息。本发明涉及半导体制造工艺技术领域。

Description

晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法和系统
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺技术领域，特别涉及晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法和系统。
背景技术
晶圆级封装的气密对于MEMS器件的性能及可靠性都有重要影响，这是因为良好的气密封装可以确保MEMS器件，特别是具有可动结构的MEMS器件工作在低阻尼的环境中。而外部气体的渗透或者是内部材料的释气都会导致MEMS晶圆级气密封装的微小腔体内气压的变化，从而导致器件性能的退化，如圆片级真空封装陀螺仪的品质因子会随着微小腔体内气压的上升而下降。
对于IC产品的气密性测试，通常是基于GJB 548B中的方法进行测试。然而，目前无论是理论或者是试验都已表明，对于晶圆级真空封装的MEMS器件，基于GJB 548B中的方法存在较大局限，这是因为该标准中涉及的最小体积是0.05cm3，而目前许多晶圆级真空封装MEMS器件的有效腔体体积远小于该值，因此，对于晶圆级真空封装MEMS器件的气密性测试，需要研究新的测试方法以满足MEMS器件微小腔体内气压的测试评价需求。
针对上述问题，目前已有多种技术研究以解决MEMS微小腔体内气压及气压变化的测试需求，如品质因子监测法、残余气体分析法、IR透射法以及拉曼光谱法等。其中，品质因子监测法需要在MEMS真空封装腔体内设计测试品质因子的专门的测试结构。残余气体分析法则为破坏性分析方法，通过扎破微小腔体，并对腔体内的气体进行取样然后用质谱仪进行分析，获取腔内气体的相关信息。但该方法首先是需要进行破坏性分析，其次是对于MEMS真空封装腔体，里面的气体分子较少，难以满足目前质谱仪分析的最低要求。
而IR透射法和拉曼光谱法都是需要封装结构的盖帽为光学透明的材料，以便光线能够进入腔体，并携带腔体内相关气体分子的信息反射出去，从而获取气体的构成成分及气体量的多少。IR透射法和拉曼光谱法都是通过测试腔体内部的气体成分及气体量的方法以获取腔内气体的相关信息，具有非破坏性的优点，对试验前后的MEMS真空封装腔体气压进行监测，可以获取试验前后腔体内的气体变化信息，有助于推断腔体气压下降的根源，如判断气压下降是来源于内部材料释气还是封装结构漏气。为了能够实现测试时光线能够进行微小腔体并反射回测试设备，要求晶圆级MEMS真空封装结构的封装盖帽必须为光学透明材料，否则难以满足透光要求。因此，对于许多封装盖帽不是光学透明的结构，无法使用这两种方法进行测试分析，因此，这两种方法的通用性较差，仅适用于透明盖帽的封装结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，对晶圆级气密封装结构的盖帽无透光性要求，可实现通过盖帽表面应力的测试表征，从而获取微小腔体内部气压变化的信息。
本发明的另一个目的在于提供了晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试系统。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，包括如下步骤：
通过应力测量装置获取多个微小腔体内外气压差已知的晶圆级气密封装结构标定样品的盖帽表面应力，并获取应力值与气压差的关联模型；
通过应力测量装置获取晶圆级气密封装结构待测样品盖帽表面的应力值；
通过测得的待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
进一步地，在不同气压环境P1，P2，……，PN下，分别封装N个不同微小腔体内部气压的晶圆级气密封装结构标定样品，分别测得N个标定样品的表面应力值，通过数据处理方法建立盖帽表面应力值与气压差的关联模型。
进一步地，所述应力测量装置是拉曼光谱仪或X射线应力测定仪。
进一步地，利用拉曼光谱仪测量标定样品盖帽表面应力包括如下步骤：
将盖帽表面内外压差为零的晶圆级气密封装结构设为标准样品，测量获得标准样品的拉曼光谱，并获取其拉曼谱峰ω0；
利用拉曼光谱仪对不同封装气压Pi的标定样品的盖帽表面进行扫描测试，获得盖帽表面的谱峰分布特征值ωi；
按照公式(1)计算拉曼漂移：
Δωi＝ωi-ω0 (1)
按照公式(2)计算盖帽表面应力值：
σi＝-435Δωi (2)
其中i＝1，2，……，N。
进一步地，所述谱峰分布特征值ωi为对盖帽表面的拉曼谱峰取最高值ωimax或均值ωiavg；当盖帽表面的拉曼谱峰有明显的区域变化趋势时，则取最高值ωimax；当盖帽表面的拉曼谱峰没有明显区域变化趋势时，则取均值ωiavg。
进一步地，标定样品微小腔体内部气压与外部环境气压的压差为ΔPi＝Pex-Pi，基于ΔPi、σi、Δωi的测试结果，通过拟合的方法建立关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi。
进一步地，准备进行可靠性试验的晶圆级气密封装结构待测样品，对其盖帽表面进行拉曼光谱的测试分析，获得盖帽表面的拉曼谱峰分布特征值；
通过每个时间Δt后，重复测试获取待测样品盖帽表面的拉曼谱峰分布特征值；
基于关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi，获得微小腔体内部气压值，建立ΔPi～t之间的特性曲线，获得在可靠性试验环境下，晶圆级气密封装结构内部气压随时间变化的特性；进一步，可以通过拟合的方法获得ΔPi～t之间的关系模型。
进一步地，所述可靠性试验为在高温环境、振动环境或长期贮存环境下进行的可靠性试验。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试系统，包括晶圆级气密封装结构、应力测量装置以及计算设备，所述晶圆级气密封装结构内设有微小腔体；所述应力测量装置用于测量标定样品及待测样品盖帽表面应力值，所述计算设备用于获得多个标定样品盖帽表面应力值与气压差的关联模型，并根据待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
进一步地，晶圆级气密封装结构包括盖帽、衬底层、键合界面；所述盖帽与衬底层之间为键合界面，键合界面与盖帽之间形成微小腔体；所述盖帽表面材料为透明材料或不透明材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明的微小腔体内部气压测试方法，针对晶圆级气密封装结构内部气压的测试表征问题，建立了晶圆级气密封装结构的盖帽表面应力的测试、进而标定表面应力的变化与微小腔内气压差之间的关联关系，从而可实现通过待测样品盖帽表面应力的测试表征，从而获取待测样品微小腔体内部气压变化的信息。
2.本发明可基于拉曼光谱仪获得晶圆级气密封装结构的盖帽表面应力，从而获得应力值与压力差的关联模型，从而获取待测样品微小腔体内部气压变化信息。
3.基于本发明所建立的测试方法，对晶圆级气密封装结构的盖帽无透光性要求，同时对于腔体的体积以及微小腔体内部气体含量的大小都没有要求，能够克服已有测试方法存在的问题，如GJB 548B中的相关测试方法，仅适用于0.05cm3及以上的腔体体积，而本发明所建立测试方法则可以适用0.05cm3以下体积的内部气压退化特性的测试分析要求。
4.本发明可实现对常见晶圆级气密封装MEMS器件内部气压的测试表征，具有较好通用性。
附图说明
图1是本发明实施例中微小腔体与外部环境的气压差导致盖帽出现形变的结构示意图；
图2是本发明实施例中盖帽未出现形变的结构示意图。
其中：1：微小腔体，2：盖帽，3：键合界面，4：衬底层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，晶圆级气密封装结构主要包括几个部分：微小腔体1、盖帽2、键合界面3和衬底层4。令微小腔体1内的气压为Pin，令外部环境气压为Pex，则气密真空封装之后，有Pex>Pin。因此，此时盖帽2内外表面受到的气体压力不相等，且外表面受到的气体压力大于内表面的气体压力，在这种情况下，盖帽将会在内外压力差的作用下出现下拉弯曲形变，从而在表面产生拉应力σ，且该拉应力的大小与腔体内外气压差成一定的关系，腔体内外气压差ΔP＝Pex-Pin。
如图2所示，如果晶圆级气密封装结构由于漏气或者腔体内部材料释气导致了内部气压上升，也就是Pin增大，则会导致ΔP下降，从而使得盖帽上表面的拉应力下降，盖帽的下拉形变量也会变小，甚至当Pin＝Pex，盖帽未出现形变。
基于上述原理，本发明提出的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，包括如下步骤：
S1：通过应力测量装置获取多个微小腔体内外气压差已知的晶圆级气密封装结构标定样品的盖帽表面应力，并获取应力值与气压差的关联模型；
S2：通过应力测量装置获取晶圆级气密封装结构待测样品盖帽表面的应力值；
S3：通过测得的待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
应力测量装置可以是拉曼光谱仪或X射线应力测定仪。如果使用拉曼光谱仪测量晶圆级气密封装结构盖帽表面应力并获得表面应力与气压差的关联模型，则包括如下步骤：
S1：在不同的气压环境P1，P2，……，PN下，分别封装N个不同微小腔体内部气压的晶圆级气密封装结构标定样品；
S2：确定晶圆级气密封装结构的盖帽材料，将盖帽表面内外压差为零的晶圆级气密封装结构设为标准样品，测量获得标准样品的拉曼光谱，并获取其拉曼谱峰ω0；
S3：标定样品及后续待测样品的盖帽材料与标准样品一致。利用拉曼光谱仪对不同封装气压Pi的标定样品的盖帽表面进行扫描测试，获得盖帽表面的谱峰分布特征值ωi。谱峰分布特征值ωi为对盖帽表面的拉曼谱峰取最高值ωimax或均值ωiavg。当盖帽表面的拉曼谱峰有明显的区域变化趋势时，则取最高值ωimax；当盖帽表面的拉曼谱峰没有明显区域变化趋势时，则取均值ωiavg。
S4：按照公式(1)计算拉曼漂移：
Δωi＝ωi-ω0 (1)
按照公式(2)计算盖帽表面应力值：
σi＝-435Δωi (2)
其中i＝1，2，……，N。
S5：标定样品微小腔体内部气压与外部环境气压的压差为ΔPi＝Pex-Pi，基于ΔPi与σi的测试结果，通过拟合的方法建立两者之间的关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi。
在实际可靠性试验中，通常需要分析晶圆级气密封装结构在不同环境下的真空度退化特性，如高温环境、振动环境以及长期贮存环境等。以贮存环境为例，在贮存环境下，微小腔体可能会由于封装界面的漏气而导致腔内气压上升，而气压上升会影响器件的性能和可靠性，因此，监测晶圆级气密封装结构内部气压在贮存环境下的退化情况具有重要意义。针对长期贮存环境下，测试微小腔体内部气压的方法包括如下步骤：
S1：准备进行贮存试验的待测样品，对其盖帽表面进行拉曼光谱的测试分析，获得盖帽表面的拉曼谱峰分布特征值；
S2：通过一段时间Δt的贮存试验后，测试获取盖帽表面拉曼谱峰分布特征值；
S3：按照试验要求，在贮存试验期间，经过每个时间Δt后，不断重复测试获取盖帽表面拉曼谱峰分布特征值；
S4：基于关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi，获得微小腔体内部气压值，建立ΔPi～t之间的特性曲线。获得在贮存环境下，晶圆级气密封装结构内部气压随时间变化的特性。通过拟合的方法，还可以进一步获得ΔPi～t之间的关系模型。
本发明晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试系统包括晶圆级气密封装结构、应力测量装置以及计算设备。晶圆级气密封装结构包括盖帽、衬底层、键合界面；盖帽与衬底层之间为键合界面，键合界面与盖帽之间形成微小腔体。盖帽表面材料可以是硅、玻璃或其他透明或不透明材质。应力测量装置用于测量标定样品及待测样品盖帽表面应力值，可以是拉曼光谱仪或X射线应力测定仪等其他设备。计算设备用于获得多个标定样品盖帽表面应力值与气压差的关联模型，并根据待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过应力测量装置获取多个微小腔体内外气压差已知的晶圆级气密封装结构标定样品的盖帽表面应力，并获取应力值与气压差的关联模型；
通过应力测量装置获取晶圆级气密封装结构待测样品盖帽表面的应力值；
通过测得的待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
2.根据权利要求1所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，在不同的气压环境P1，P2，……，PN下，分别封装N个不同微小腔体内部气压的晶圆级气密封装结构标定样品，分别测得N个标定样品的表面应力值，通过数据处理方法建立盖帽表面应力值与气压差的关联模型。
3.根据权利要求2所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，所述应力测量装置是拉曼光谱仪或X射线应力测定仪。
4.根据权利要求3所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，利用拉曼光谱仪测量标定样品盖帽表面应力包括如下步骤：
将盖帽表面内外压差为零的晶圆级气密封装结构设为标准样品，获得标准样品的拉曼光谱，并获取其拉曼谱峰ω0；
利用拉曼光谱仪对不同封装气压Pi的标定样品的盖帽表面进行扫描测试，获得盖帽表面的谱峰分布特征值ωi；
按照公式(1)计算拉曼漂移：
Δωi＝ωi-ω0 (1)
按照公式(2)计算盖帽表面应力值：
σi＝-435Δωi (2)
其中i＝1，2，……，N。
5.根据权利要求4所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，所述谱峰分布特征值ωi为对盖帽表面的拉曼谱峰取最高值ωimax或均值ωiavg；当盖帽表面的拉曼谱峰有明显的区域变化趋势时，则取最高值ωimax；当盖帽表面的拉曼谱峰没有明显区域变化趋势时，则取均值ωiavg。
6.根据权利要求4所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，标定样品微小腔体内部气压与外部环境气压的压差为ΔPi＝Pex-Pi，基于ΔPi、σi、Δωi的测试结果，通过拟合的方法建立关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi。
7.根据权利要求6所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，
准备进行可靠性试验的晶圆级气密封装结构待测样品，对其盖帽表面进行拉曼光谱的测试分析，获得盖帽表面的拉曼谱峰分布特征值；
通过每个时间Δt后，重复测试获取待测样品盖帽表面的拉曼谱峰分布特征值；
基于关联模型ΔPi～σi(Pi)～Δωi，获得微小腔体内部气压值，建立ΔPi～t之间的特性曲线，获得在可靠性试验环境下，晶圆级气密封装结构内部气压随时间变化的特性；进一步，可以通过拟合的方法获得ΔPi～t之间的关系模型。
8.根据权利要求7所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试方法，其特征在于，所述可靠性试验为在高温环境、振动环境或长期贮存环境下进行的可靠性试验。
9.晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试系统，其特征在于，包括晶圆级气密封装结构、应力测量装置以及计算设备；所述晶圆级气密封装结构内设有微小腔体；所述应力测量装置用于测量标定样品及待测样品盖帽表面应力值；所述计算设备用于获得多个标定样品盖帽表面应力值与气压差的关联模型，并根据待测样品表面应力值及应力值与气压差的关联模型获取待测样品微小腔体的内部气压。
10.根据权利要求9所述的晶圆级气密封装的微小腔体内部气压测试系统，其特征在于，晶圆级气密封装结构包括盖帽、衬底层、键合界面；所述盖帽与衬底层之间为键合界面，键合界面与盖帽之间形成微小腔体；所述盖帽表面材料为透明材料或不透明材料。
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