硅半球深腔結構無損檢測技術

莊須葉，丁景兵，曹衛(wèi)達，吳夢茹

（華東光電集成器件研究所，蚌埠233030）

0 引言

隨著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術的進步，MEMS產(chǎn)品在日常生活中的應用越來越廣泛。其中，MEMS陀螺在汽車電子、消費電子類產(chǎn)品中獲得了大量的成功應用［1-2］。目前，市場上的MEMS陀螺多采用梳齒結構的振幅式陀螺。該陀螺的測量精度較低，僅能實現(xiàn)低級別的應用需求，難以滿足無人機、自動駕駛汽車等慣導系統(tǒng)對高精度MEMS陀螺的需求。硅基MEMS半球陀螺是一種新型的半球陀螺，具有精度高、可靠性好、體積小、易集成、抗過載和抗輻射能力強等優(yōu)點，是新一代MEMS陀螺的典型代表［3-4］。

硅半球諧振子的質(zhì)量是決定MEMS半球陀螺性能優(yōu)良與否的關鍵因素，而硅半球諧振子的質(zhì)量關鍵取決于硅半球深腔的質(zhì)量，這主要涉及了硅半球深腔的直徑、深度、表面粗糙度及形狀對稱性等參數(shù)［5］。在加工硅半球深腔的過程中，實時檢測硅半球深腔的形貌參數(shù)，并將檢測到的信息反饋至硅半球深腔的加工工藝過程中，以進行閉環(huán)改進，這是加工出符合硅基MEMS半球陀螺需要的硅半球深腔的有效手段。由于硅半球深腔的深度大，一般的顯微成像系統(tǒng)無法對其進行精確成像。目前，缺乏一種可靠的檢測技術方法，無法得到詳實、可靠、準確的硅半球深腔的尺寸特征數(shù)據(jù)，不能形成一個有效的反饋環(huán)節(jié)，進而制約了硅半球深腔加工質(zhì)量和加工工藝手段的提高。本文提出利用PDMS鑄模技術，將凹陷的硅半球深腔的結構尺寸和表面形貌轉移到PDMS凸起的半球模型上，通過檢測PDMS半球模型的尺寸結構和表面形貌，即可反推出硅半球深腔的尺寸特征和表面形貌，實現(xiàn)硅半球陀螺深腔的無損檢測。

1 硅半球深腔無損脫模檢測的工藝設計

為了使硅MEMS半球陀螺獲得足夠高的精度，要求半球諧振子的半徑大于500μm。反推至硅半球深腔，則要求半球腔的深度超過450μm，開口直徑大于900μm。目前，常用的深腔檢測設備主要包括臺階儀、掃描電鏡、輪廓儀和白光干涉儀等。臺階儀是一種探針式的高度差檢測設備。在檢測深度大于450μm的半球深腔時，腔深已經(jīng)超過了探針的下落極限，進而導致臺階儀無法完成檢測。掃描電鏡（SEM）通過收集被測物的二次電子，來放大被測物的尺寸形貌。為了使SEM能夠檢測出半球深腔的深度，需要將硅半球腔剖開，通過檢測半球腔的剖面結構來獲得半球深腔的深度參數(shù)。這個檢測過程是一個破壞過程，且很難保證劃片時可以從半球腔的圓心處劃開，測量誤差較大［6］。輪廓儀利用檢測光線逐層聚焦掃描，然后將掃描結果拼接在一起形成被測物的三維立體結構。但在測試半球深腔時，因半球腔形成了一個光學黑洞結構，檢測光線在深腔內(nèi)經(jīng)多次反射后無法返回探測器，進而可造成檢測信息丟失、檢測結果失真。白光干涉儀光源發(fā)出的光通過分束器進入顯微物鏡，物鏡中內(nèi)置一Mirau式干涉儀。分束器將光分為兩束，一束從樣品表面反射回來，另一束射到物鏡中的參考面上反射回來。兩束光在CCD上發(fā)生干涉，即可得到樣品帶干涉條紋的顯微成像，通過逐層掃描即可得到被測物的三維立體形貌［7］。在利用白光干涉儀檢測半球深腔時，同樣存在光線無法有效返回探測器進而造成檢測信息丟失、檢測結果失真的現(xiàn)象。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種性能特殊的彈性有機材料，其分子結構如圖1所示，具有加工便捷、熱穩(wěn)定性好、光學特性優(yōu)良、可生物兼容且柔軟性好等特點。PDMS能夠與粗糙表面很好地接觸，可有效復制復雜的微細結構，是一種優(yōu)良的澆鑄材料［8］。

圖1 聚二甲基硅氧烷（PDMS）的分子結構Fig.1 Molecular structure of polydimethylsiloxane（PDMS）

利用PDMS在硅半球深腔內(nèi)鑄模，將硅半球深腔的尺寸特征和表面形貌轉移到PDMS凸起的半球模型上，可避免半球深腔對光線的調(diào)制作用。通過檢測PDMS半球模型的結構尺寸和表面形貌，即可反推出半球深腔的深度、直徑、表面粗糙度等特征信息，快速、方便地實現(xiàn)對半球深腔的形貌檢測。

PDMS脫模檢測的工藝流程設計如圖2所示，詳述如下：

步驟1：將待檢測的硅半球深腔進行表面改性；

步驟2：將配制好的PDMS預聚物澆注在硅半球深腔內(nèi)，完成加熱成形；

步驟3：將PDMS脫模，將硅半球深腔的表面特征和尺寸參數(shù)轉化為凸起的PDMS半球模型的表面特征和尺寸參數(shù)；

步驟4：用顯微成像系統(tǒng)測試PDMS的表面特征和尺寸參數(shù)；

步驟5：計算分析，反推出硅半球深腔的表面特征和尺寸參數(shù)。

圖2 硅半球形深腔PDMS脫模檢測工藝流程示意圖Fig.2 Process flowchart of PDMS demoulding detection for Silicon hemispherical deep cavity

2 硅半球深腔PDMS檢測工藝流程

（1）硅基片表面改性處理

用濃硫酸、雙氧水的混合液清洗加工有半球深腔的硅基片，再用去離子水沖洗干凈，用氮氣吹干。在120W的功率下，用SF6等離子體轟擊帶有圖形一面的硅基片1min。

（2）配制 PDMS 預聚物

將PDMS基質(zhì)與固化劑按質(zhì)量比10∶1進行混合，均勻攪拌后放置在真空室中反復脫氣處理5～8次，之后在真空中靜置20min，除掉PDMS預聚物中的氣泡。

（3）鑄模

將經(jīng)過表面處理的硅基片放置在水平的玻璃板上，將配制好的PDMS預聚物由硅片中心向四周螺旋倒入，靜置10min，讓PDMS在硅片上自流平。之后，將涂有PDMS預聚物的硅基片水平端起并放入真空室中反復脫氣5～8次，隨后靜置15min，讓深腔內(nèi)殘留的氣體充分釋放干凈，PDMS預聚物將完全填滿硅半球深腔。

（4）成模

將澆鑄好PDMS預聚物的硅基片放入熱板，先托起靜置5min，之后在120℃的溫度條件下烘烤10min。

（5）脫模

將成模后的PDMS硅基片從熱板上取出并靜置，在硅基片處于室溫狀態(tài)時將PDMS薄膜從硅基片上輕輕脫下。

至此，硅半球深腔的PDMS鑄模過程完成，4寸基片的硅半球深腔的PDMS模型如圖3所示。

圖3 硅半球深腔PDMS模型Fig.3 PDMS models of Silicon hemispherical deep cavity

3 PDMS模型檢測分析

圖4是單個硅半球深腔的PDMS半球模型，用SEM可以方便地獲得PDMS半球模型的三維立體結構，測得PDMS半球模型的直徑大小和對稱性。圖4的半球模型的直徑為1.12mm。

利用SEM測量PDMS半球模型的高度，即可獲得硅半球深腔的深度。如圖5（a）所示，用手術刀將PDMS半球模型從中間剖開，用SEM觀察PDMS半球模型的剖面，即可得到半球模型的高度信息；圖5（b）是硅半球深腔的剖面圖。比較圖5（a）和圖5（b）可知，當劃片偏離中心位置時，硅半球深腔剖面結構因實體硅的阻擋而無法得到半球深腔的準確深度，而PDMS半球模型則可避免此種不足。硅半球深腔的最低點對應的是PDMS半球模型的最高點。在測量過程中，最高點不會被其他部位阻擋，即使PDMS半球模型的劃片位置偏離了中心點，仍可以準確地獲得PDMS半球模型的高度信息，進而準確地得到硅半球深腔的腐蝕深度。圖5所示的半球模型的高度為460.9μm，直徑為1.28mm。即使不進行切片而將PDMS半球模型沿著高度方向水平放置，同樣可以方便地獲得半球模型的高度和直徑信息，如圖6所示。采用PDMS脫模檢測技術，通過檢測PDMS半球模型，即可方便、快速、準確地得到硅半球深腔的形貌信息。

圖7是用白光干涉儀測量PDMS半球模型得到的結果。用白光干涉儀對PDMS半球模型進行檢測，可以準確獲得PDMS半球模型的表面粗糙度信息，包括整個測量區(qū)域的面粗糙度和圖形某一截面的線粗糙度。圖7（a）是PDMS半球模型頂部表面的粗糙度測試圖，因PDMS半球模型的側壁與白光干涉儀的測量光線基本平行，無法形成干涉條紋，故模型側壁存在無法直接檢測的不足。將PDMS半球模型放倒，將模型要檢測粗糙度的側壁正對著白光干涉儀，即可獲得模型側壁被測區(qū)域的表面信息，如圖7（b）所示。

圖4 單個硅半球深腔的PDMS半球模型Fig.4 PDMS hemispherical model of single Silicon hemispherical deep cavity

圖5 PDMS半球模型和硅半球深腔剖面圖Fig.5 Cutaway drawing of Silicon hemispherical deep cavity and PDMS hemispherical model

圖6 沿高度方向水平放置的PDMS半球模型Fig.6 PDMS hemispherical model laying along its axial direction

圖7 PDMS半球模型的白光干涉儀測量圖Fig.7 White-light interferometer measurements of PDMS hemispherical model

4 誤差分析

為驗證該檢測方法的準確性，測量硅晶圓不同位置處的28個PDMS模型及其對應的、脫模用的硅深腔結構的直徑信息，利用所得的測量數(shù)據(jù)對該檢測方法進行誤差分析。為消除測量過程中系統(tǒng)誤差的影響，將每個測量對象在相互正交的方向上測量2次，并取2次測量結果的算數(shù)平均值作為該測量對象的直徑測量值，測量數(shù)據(jù)如表1所示（見下頁）。在表1中，PDMS模型1和PDMS模型2分別是指在PDMS模型的2個相互正交方向上得到的測量數(shù)據(jù)，硅深腔1和硅深腔2分別是指在硅半球深腔的2個相互正交的方向上得到的直徑測量數(shù)據(jù)，PDMS模型是PDMS模型1和PDMS模型2的測量數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，硅深腔是硅深腔1和硅深腔2的測量數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，測量誤差是PDMS模型直徑的測量數(shù)據(jù)與硅深腔直徑的測量數(shù)據(jù)的代數(shù)差。

測量誤差的直方圖如圖8所示。由圖8可知，測量誤差為標準的正態(tài)分布，說明測量過程中的誤差主要是隨機誤差。經(jīng)計算可得，測量誤差的平均值為-0.00426mm，標準差為0.01997mm，單次測量的誤差為0.00384mm，測量結果的不確定度小于5‰，證明該檢測方法的準確性高。測量誤差在其正態(tài)分布的1δ置信區(qū)間的分布情況如圖9所示。圖9顯示，75%的數(shù)據(jù)都集中位于測量誤差的1δ可信區(qū)間內(nèi)，說明該檢測方法的精確度好、可信度高。

圖8 測量誤差的直方圖Fig.8 Histogram of measurement errors

圖9 測量誤差1δ置信區(qū)間分布Fig.9 Confidence interval 1δdistribution of measurement errors

5 結論

采用PDMS鑄模方法有效地將硅半球深腔的尺寸結構和表面形貌轉移到了PDMS半球模型上，解決了硅半球深腔深度、表面形貌難以檢測的問題，測量結果的不確定度小于5‰，精確度好、可靠性高，可方便地獲得硅半球深腔的表面形貌，有利于及時將半球深腔的檢測信息反饋至硅半球深腔的加工工藝過程中，可為研制符合MEMS半球陀螺需求的硅半球深腔提供有用的反饋信息，有助于硅半球深腔曲面加工工藝的發(fā)展。

表1 PDMS模型與硅模具的直徑測量數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of diameter measurement data between PDMS model and Silicon mould