JP5884469B2 - Film thickness inspection method - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁膜の膜厚を検査する膜厚検査方法に関するものである。 The present invention relates to a film thickness inspection method for inspecting the film thickness of an insulating film.
従来、例えば特許文献1に示されるように、シリコン基板と、このシリコン基板上に形成された絶縁膜及び導電パターンと、を備えるセンサデバイス構造体の検査方法が提案されている。この検査方法では、導電パターンとシリコン基板間の静電容量を測定し、この測定された静電容量値に基づいて絶縁膜の膜厚の良否を評価している。 Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, for example, a sensor device structure inspection method including a silicon substrate, and an insulating film and a conductive pattern formed on the silicon substrate has been proposed. In this inspection method, the capacitance between the conductive pattern and the silicon substrate is measured, and the quality of the insulating film is evaluated based on the measured capacitance value.
ところで、特許文献1に示される検査方法では、測定された静電容量値と、絶縁膜の膜厚を一定と仮定した場合に成立するコンデンサの静電容量値とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜の膜厚を評価している。しかしながら、絶縁膜の膜厚は、実際には一定でなく、ばらつきがある。そのため、測定した静電容量値には、上記したばらつきの影響が含まれることになる。その値は、膜厚が一定であると仮定した場合のコンデンサの静電容量とは異なるため、上記した等式に基づいて膜厚を検査する方法では、膜厚の検査精度が十分ではなかった。 By the way, in the inspection method disclosed in Patent Document 1, based on the equation that the measured capacitance value is equal to the capacitance value of the capacitor established when the film thickness of the insulating film is assumed to be constant. The film thickness of the insulating film is evaluated. However, the thickness of the insulating film is not actually constant and varies. Therefore, the measured capacitance value includes the influence of the above-described variation. Since the value is different from the capacitance of the capacitor when the film thickness is assumed to be constant, the method for inspecting the film thickness based on the above equation does not have sufficient film thickness inspection accuracy. .
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、絶縁膜の膜厚の検査精度が向上された膜厚検査方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a film thickness inspection method in which the inspection accuracy of the film thickness of an insulating film is improved.
上記した目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、第1半導体層(11)と第2半導体層(12)と両層の間に挟まれた絶縁膜(13)とを有する半導体基板(10)を備え、第2半導体層(12)と絶縁膜(13)とを所定形状にエッチングすることで形成された、第1半導体層(11)に対して可動な可動部(23)と、絶縁膜(13)を介して第1半導体層(11)に固定された固定部(22)と、可動部(23)及び固定部(22)を連結する梁(24)とが第2半導体層(12)に形成されたMEMSデバイス(100)の絶縁膜(13)の膜厚を検査する膜厚検査方法であって、梁(24)は、第1半導体層(11)と第2半導体層(12)との積層方向に可撓性を有しており、可動部(23)と第1半導体層(11)との間に働く静電気力が徐々に高くなるように、可動部(23)と第1半導体層(11)とに検査電圧を印加することで、可動部(23)を絶縁膜(13)に近づける第1電圧印加工程と、該第1電圧印加工程時にて、可動部(23)が絶縁膜(13)に接触した際の接触電圧を計測する第1電圧計測工程と、該第1電圧計測工程後、可動部(23)と第1半導体層(11)との間に働く静電気力が徐々に低くなるように検査電圧を下げることで、可動部(23)を絶縁膜(13)から離反させる第2電圧印加工程と、該第2電圧印加工程時にて、可動部(23)が絶縁膜(13)から離反する際の離反電圧を計測する第2電圧計測工程と、該第2電圧計測工程後、検査電圧が印加されていない場合における可動部(23)と絶縁膜(13)との間の平均間隔をd0、可動部(23)の下に位置する絶縁膜(13)の最大厚さをd1、固定部(22)の絶縁膜(13)の厚さをd2、空気誘電率をε、絶縁膜(13)の比誘電率をεr、可動部(23)における絶縁膜(13)及び第1半導体層(11)との対向面積をA、梁(24)における積層方向のバネ定数をk、接触電圧をV1、離反電圧をV2とすると、下記式
可動部(23)の下に位置する絶縁膜(13)、すなわち、エッチングされた絶縁膜(13)の表面には突起があり、突起形成部分において、絶縁膜(13)の厚さが最大となっている。これに対して、本発明では、絶縁膜(13)の最大厚さd1を除いた、絶縁膜(13)の平均厚さd3を求めている。これによれば、絶縁膜の表面に形成された突起(膜厚のばらつき)を含む静電容量と、絶縁膜の膜厚が一定とした場合の静電容量とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜(13)の膜厚d3を検査する方法と比べて、膜厚d3の検査精度が向上される。なお、上記した数1,2の成立する理由は、実施形態にて詳説する。 There are protrusions on the surface of the insulating film (13) located under the movable part (23), that is, the etched insulating film (13), and the thickness of the insulating film (13) is maximum at the protrusion forming portion. It has become. In contrast, in the present invention, excluding the maximum thickness d 1 of the insulating layer (13), and obtain the average thickness d 3 of the insulating film (13). According to this, based on the equation that the capacitance including protrusions (film thickness variation) formed on the surface of the insulating film is equal to the capacitance when the thickness of the insulating film is constant. , as compared to the method of inspecting the thickness d 3 of the insulating film (13), the inspection accuracy of the thickness d 3 is improved. The reason why the above formulas 1 and 2 are established will be described in detail in the embodiment.
請求項2に記載のように、第1電圧計測工程において、可動部(23)の変位量に基づいて、接触電圧を計測する構成が良い。 As described in claim 2, in the first voltage measurement step, the contact voltage is preferably measured based on the displacement amount of the movable portion (23).
第1電圧印加工程にて、可動部(23)と第1半導体層(11)とに検査電圧が印加された際、可動部(23)には、梁(24)の復元力と静電気力とが互いに逆向きに生じる。当初、可動部(23)は、上記した2つの力が釣り合った状態で、徐々に絶縁膜(13)に近づく。しかしながら、静電気力が復元力を上回ると、可動部(23)は瞬時に絶縁膜(13)に接触して、停止する。したがって、可動部(23)の変位における、急激な振る舞いの後に、停止した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。 When an inspection voltage is applied to the movable part (23) and the first semiconductor layer (11) in the first voltage application step, the restoring force and electrostatic force of the beam (24) are applied to the movable part (23). Occur in opposite directions. Initially, the movable part (23) gradually approaches the insulating film (13) in a state where the two forces described above are balanced. However, when the electrostatic force exceeds the restoring force, the movable portion (23) instantaneously contacts the insulating film (13) and stops. Therefore, the contact voltage can be measured by monitoring the inspection voltage at the moment of stopping after the sudden behavior in the displacement of the movable part (23).
請求項3に記載のように、第2電圧計測工程において、可動部(23)の変位量に基づいて、離反電圧を計測する構成が良い。 According to a third aspect of the present invention, in the second voltage measurement step, it is preferable to measure the separation voltage based on the displacement amount of the movable part (23).
第2電圧印加工程にて、可動部(23)と第1半導体層(11)とに印加している検査電圧を徐々に弱めた結果、復元力が静電気力を上回ると、可動部(23)は瞬時に絶縁膜(13)から離反する。したがって、可動部(23)の変位における、急激な振る舞いを示す瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。 If the restoring force exceeds the electrostatic force as a result of gradually weakening the inspection voltage applied to the movable part (23) and the first semiconductor layer (11) in the second voltage application step, the movable part (23) Instantly leaves the insulating film (13). Accordingly, the separation voltage can be measured by monitoring the test voltage at the moment when the displacement of the movable part (23) shows an abrupt behavior.
請求項4に記載のように、ドップラー効果型レーザー干渉計によって、可動部(23)の変位量を計測する構成を採用することができる。これによれば、非接触で可動部(23)の変位量を計測することができる。 As described in claim 4, it is possible to employ a configuration in which the displacement of the movable portion (23) is measured by a Doppler effect type laser interferometer. According to this, the displacement amount of the movable part (23) can be measured without contact.
請求項5に記載のように、第1電圧計測工程において、可動部(23)と第1半導体層(11)との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、接触電圧を計測する構成が良い。 As described in claim 5, in the first voltage measurement step, the contact voltage is measured based on the capacitance of the capacitor formed between the movable part (23) and the first semiconductor layer (11). Good configuration.
第1電圧印加工程にて、可動部(23)が、復元力と静電気力とが釣り合った状態で、徐々に絶縁膜(13)に近づいている場合、可動部(23)と第1半導体層(11)との間に構成されるコンデンサの静電容量は、徐々に変化する。しかしながら、静電気力が復元力を上回り、可動部(23)が絶縁膜(13)に接触すると、コンデンサの静電容量が瞬時に上昇する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に上昇した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。 When the movable part (23) gradually approaches the insulating film (13) in a state where the restoring force and the electrostatic force are balanced in the first voltage application step, the movable part (23) and the first semiconductor layer The capacitance of the capacitor formed between (11) gradually changes. However, when the electrostatic force exceeds the restoring force and the movable part (23) contacts the insulating film (13), the capacitance of the capacitor increases instantaneously. Therefore, the contact voltage can be measured by monitoring the instantaneous inspection voltage in the capacitance of the capacitor.
請求項6に記載のように、第2電圧計測工程において、可動部(23)と第1半導体層(11)との間に形成されるコンデンサの静電容量に基づいて、離反電圧を計測する構成が良い。 According to a sixth aspect of the present invention, in the second voltage measurement step, the separation voltage is measured based on the capacitance of the capacitor formed between the movable part (23) and the first semiconductor layer (11). Good configuration.
第2電圧印加工程にて、復元力が静電気力を上回ると、可動部(23)は瞬時に絶縁膜(13)から離反し、コンデンサの静電容量が瞬時に下降する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に下降した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。 When the restoring force exceeds the electrostatic force in the second voltage application step, the movable part (23) is instantaneously separated from the insulating film (13), and the capacitance of the capacitor is instantaneously lowered. Therefore, the separation voltage can be measured by monitoring the inspection voltage at the moment when the capacitance of the capacitor decreases instantaneously.
請求項7に記載のように、MEMSデバイス(100)としては、加速度センサや角速度センサを採用することができる。 As described in claim 7, an acceleration sensor or an angular velocity sensor can be adopted as the MEMS device (100).
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1〜図6に基づいて、本実施形態に係る膜厚検査方法を説明する。なお、以下においては、互いに直交の関係にある方向をx方向及びy方向、これら2つの方向に直交する方向をz方向と示す。なお、z方向が、特許請求の範囲に記載の積層方向に相当する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A film thickness inspection method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the following, directions that are orthogonal to each other are referred to as an x direction and ay direction, and a direction orthogonal to these two directions is referred to as a z direction. The z direction corresponds to the stacking direction described in the claims.
図1に示すように、MEMSデバイス100は、半導体基板10と、半導体基板10に形成された微細構造体20と、を有する。半導体基板10は、第1半導体層11と第2半導体層12との間に絶縁膜13が挟まれて成るSOI基板であり、第1半導体層11の主面11aは、x方向とy方向とによって規定されるx−y平面に沿っている。なお、半導体基板10の厚さ、及び、構成材料は設計時に決定されるため、絶縁膜13の厚さ、及び、誘電率などは既知となっている。
As shown in FIG. 1, the
微細構造体20は、周知の露光技術を用いて、第2半導体層12と絶縁膜13とを所定形状にエッチングすることで形成されたものである。微細構造体20は、絶縁膜13を介さずに、第1半導体層11に対して第2半導体層12が浮いた浮遊部21と、絶縁膜13を介して、第1半導体層11に第2半導体層12が固定された固定部22と、を有する。浮遊部21は、可動部23と、該可動部23と固定部22とを連結する、z方向に可撓性を有する梁24と、を有する。これら可動部23と梁24の形状は、設計時に決定される。そのため、可動部23における絶縁膜13及び第1半導体層11との対向面積と、梁24のz方向のバネ定数などは既知となっている。
The
なお、上記した微細構造体20を形成する際、第2半導体層12の不要部位はウエットエッチングなどによって除去される。しかしながら、可動部23の下にエッチング液が侵入し難いため、可動部23の下に意図しない突起13aが生じ、その部位だけ局所的に厚みを増している。
Note that when forming the
次に、図2〜図5に基づいて、絶縁膜13の膜厚検査方法を説明する。図2に示すように、第1半導体層11と第2半導体層12とに検査電圧を印加する。こうすることで、第1半導体層11と第2半導体層12とに静電気力を発生させ、図3に示すように、可動部23を絶縁膜13側に引き寄せる。この可動部23のz方向への変位は、可動部23の変位によって生じるレーザーのドップラー効果によって測定される。本実施形態では、可動部23の変位測定手段30として、ドップラー効果型レーザー干渉計を用いている。
Next, a film thickness inspection method for the insulating
図5に示すように、可動部23に働く静電気力が徐々に高くなるよう、検査電圧を徐々に高める。こうすることで、可動部23は絶縁膜13の方へと徐々に変位させる。この際、可動部23には、梁24の復元力と静電気力とが互いに逆向きに生じる。可動部23は、これら2つの力が釣り合った状態で、徐々に絶縁膜13に近づく。以上が、第1電圧印加工程である。
As shown in FIG. 5, the inspection voltage is gradually increased so that the electrostatic force acting on the
検査電圧の上昇に伴って、可動部23に生じる復元力と静電気力は徐々に高まる。そして、静電気力が復元力を上回ると、図4及び図5に示すように、可動部23は瞬時に絶縁膜13(突起13a)に接触して、停止する。この瞬間の検査電圧が、特許請求の範囲に記載の接触電圧に相当する。この接触電圧を計測しておく。以上が、第1電圧計測工程である。
As the inspection voltage increases, the restoring force and electrostatic force generated in the
第1電圧計測工程後、今度は、可動部23に働く静電気力が徐々に低くなるよう、検査電圧を徐々に低める。以上が、第2電圧印加工程である。
After the first voltage measurement process, the inspection voltage is gradually lowered so that the electrostatic force acting on the
検査電圧の低下に伴って、可動部23に生じる静電気力が徐々に低まる。復元力が静電気力を上回ると、図5に示すように、可動部23は瞬時に絶縁膜13(突起13a)から離反する。この瞬間の検査電圧が、特許請求の範囲に記載の離反電圧に相当する。この離反電圧を計測しておく。以上が、第2電圧計測工程である。
As the inspection voltage decreases, the electrostatic force generated in the
第2電圧計測工程後、計測した接触電圧V1、離反電圧V2、既知である、固定部22を構成する絶縁膜13の厚さd2、空気誘電率ε、絶縁膜13の比誘電率εr、可動部23における絶縁膜13及び第1半導体層11との対向面積A、梁24におけるz方向のバネ定数k、及び、後述する演算式に基づいて、検査電圧が印加されていない場合における可動部23と絶縁膜13との間の平均間隔d0、可動部23の下に位置する絶縁膜13の最大厚さ、すなわち、突起13aの主面11aからの長さd1を求める。その後、d2−d0より、可動部23の下に位置する絶縁膜13の平均厚さd3を演算する。以上が、演算工程である。
After the second voltage measurement step, the measured contact voltage V 1 , separation voltage V 2 , known thickness d 2 of the insulating
上記した各工程を経ることで、可動部23の下に位置する絶縁膜13の平均厚さd3が求められる。これにより、可動部23を構成する第1半導体層11と、可動部23の下に位置する第2半導体層12との絶縁性が確保される程度に、絶縁膜13の膜厚が確保されているか否かが判断される。また、図示しないが、可動部23に形成された櫛歯電極間の隙間から、可動部23と絶縁膜13との間に異物が入り込んだとしても、可動部23と異物との接触が抑制される程度に絶縁膜13が除去されているか否かが判断される。
By going through the steps described above, the average thickness d 3 of the insulating
次に、電圧V1,V2と、平均間隔d0、突起13aの長さd1の関係式の導出を図6に基づいて説明する。梁24の機能としては、可動部23を壁に連結し、z方向にバネ定数kのバネ性を有することである。そのため、図6では、梁24に相当する、z方向のバネ定数がkであるバネによって、可動部23が壁に連結された絵になっている。図6(b)に示すように、検査電圧Vの印加によって、可動部23が絶縁膜13へ変位し、可動部23と絶縁膜13の表面との間の距離がxに変位したとする。この場合、可動部23に生じる静電気力Feは、可動部23と該可動部23と対向する第1半導体層11とによってコンデンサが構成されているので、下記式で表される。
また、可動部23に生じる復元力Fkは、下記式で表される。
第1電圧印加工程において、静電気力Feと復元力Fkとが釣り合っている場合、数3、数4から、下記式が成立する。
上記したように、検査電圧が上昇して、静電気力が復元力を上回ると、可動部23は絶縁膜13(突起13a)に接触して停止する。これは、数6で言うと、∂V/∂x=0を意味している。したがって、下記式が成立する。
以上により、数8をxについて解き、それを数6に代入すると、接触電圧V1が下記式で表される。
また、離反する際のxは、下記式を満たす。
数9、数11は、d0,d1を変数とする関係式なので、これら2式より、d0,d1が求められる。なお、数9,11は、特許請求の範囲に記載の数1,2に相当する。
Since
次に、本発明に係る膜厚検査方法の作用効果について説明する。上記したように、本検査方法では、意図せずして形成された突起13aを除いた、絶縁膜13の平均厚さd3を求めている。これによれば、絶縁膜の表面に形成された突起(膜厚のばらつき)を含む静電容量と、絶縁膜の膜厚が一定とした場合の静電容量とが等しいという等式に基づいて、絶縁膜13の膜厚を検査する方法と比べて、絶縁膜13の膜厚の検査精度が向上される。
Next, the effect of the film thickness inspection method according to the present invention will be described. As described above, in this inspection method, except for the
ドップラー効果型レーザー干渉計によって、可動部23の変位量を計測している。これによれば、非接触で可動部23の変位量を計測することができる。
The displacement amount of the
上記したように、第1電圧印加工程にて、当初、可動部23は、静電気力と復元力とが釣り合った状態で、徐々に絶縁膜13に近づく。しかしながら、静電気力が復元力を上回ると、可動部23は瞬時に絶縁膜13に接触して、停止する。この可動部23の振る舞いをドップラー効果型レーザー干渉計によって観測し、可動部23の変位における、急激な振る舞いの後に停止した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧を計測することができる。
As described above, in the first voltage application step, initially, the
上記したように、第2電圧印加工程にて、可動部23と第1半導体層11とに印加している検査電圧を徐々に弱めた結果、復元力が静電気力を上回ると、可動部23は瞬時に絶縁膜13から離反する。この可動部23の振る舞いをドップラー効果型レーザー干渉計によって観測し、可動部23の変位における、急激な振る舞いを示す瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧を計測することができる。
As described above, when the restoring force exceeds the electrostatic force as a result of gradually weakening the inspection voltage applied to the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本実施形態では、可動部23の変位測定手段30として、ドップラー効果型レーザー干渉計を用いた例を示した。しかしながら、可動部23の変位測定手段30としては、上記例に限定されず、例えば、図7に示すように、静電容量計を採用することもできる。第1電圧印加工程にて、静電気力が復元力を上回り、可動部23が絶縁膜13に接触すると、可動部23と対向する第1半導体層11とによって構成されたコンデンサの静電容量が瞬時に上昇する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に上昇した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、接触電圧V1を計測することができる。また、第2電圧印加工程にて、復元力が静電気力を上回ると、可動部23は瞬時に絶縁膜13から離反し、コンデンサの静電容量が瞬時に下降する。したがって、コンデンサの静電容量における、瞬時に下降した瞬間の検査電圧をモニタリングすれば、離反電圧V2を計測することができる。図7は、変位測定手段の変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, an example in which a Doppler effect type laser interferometer is used as the displacement measuring means 30 of the
なお、本実施形態では、特に、MEMSデバイス100の用途を限定していなかったが、MEMSデバイス100としては、加速度センサや角速度センサを採用することができる。
In the present embodiment, the use of the
10・・・半導体基板
11・・・第1半導体層
12・・・第2半導体層
13・・・絶縁膜
23・・・可動部
24・・・梁
30・・・変位測定手段
100・・・MEMSデバイス
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記梁(24)は、前記第1半導体層(11)と前記第2半導体層(12)との積層方向に可撓性を有しており、
前記可動部(23)と前記第1半導体層(11)との間に働く静電気力が徐々に高くなるように、前記可動部(23)と前記第1半導体層(11)とに検査電圧を印加することで、前記可動部(23)を前記絶縁膜(13)に近づける第1電圧印加工程と、
該第1電圧印加工程時にて、前記可動部(23)が前記絶縁膜(13)に接触した際の接触電圧を計測する第1電圧計測工程と、
該第1電圧計測工程後、前記可動部(23)と前記第1半導体層(11)との間に働く静電気力が徐々に低くなるように前記検査電圧を下げることで、前記可動部(23)を前記絶縁膜(13)から離反させる第2電圧印加工程と、
該第2電圧印加工程時にて、前記可動部(23)が前記絶縁膜(13)から離反する際の離反電圧を計測する第2電圧計測工程と、
該第2電圧計測工程後、前記検査電圧が印加されていない場合における前記可動部(23)と前記絶縁膜(13)との間の平均間隔をd0、前記可動部(23)の下に位置する絶縁膜(13)の最大厚さをd1、前記固定部(22)の絶縁膜(13)の厚さをd2、空気誘電率をε、前記絶縁膜(13)の比誘電率をεr、前記可動部(23)における前記絶縁膜(13)及び前記第1半導体層(11)との対向面積をA、前記梁(24)における積層方向のバネ定数をk、前記接触電圧をV1、前記離反電圧をV2とすると、下記式
The beam (24) has flexibility in the stacking direction of the first semiconductor layer (11) and the second semiconductor layer (12),
An inspection voltage is applied to the movable part (23) and the first semiconductor layer (11) so that the electrostatic force acting between the movable part (23) and the first semiconductor layer (11) is gradually increased. A first voltage applying step of bringing the movable part (23) closer to the insulating film (13) by applying;
A first voltage measuring step of measuring a contact voltage when the movable part (23) contacts the insulating film (13) during the first voltage applying step;
After the first voltage measurement step, the test voltage is lowered so that the electrostatic force acting between the movable part (23) and the first semiconductor layer (11) gradually decreases, so that the movable part (23 ) From the insulating film (13), a second voltage application step,
A second voltage measuring step of measuring a separation voltage when the movable portion (23) separates from the insulating film (13) during the second voltage applying step;
After the second voltage measurement step, an average interval between the movable part (23) and the insulating film (13) when the inspection voltage is not applied is d 0 , below the movable part (23). The maximum thickness of the insulating film (13) positioned is d 1 , the thickness of the insulating film (13) of the fixed portion (22) is d 2 , the air dielectric constant is ε, and the relative dielectric constant of the insulating film (13). Ε r , A is a facing area of the movable part (23) facing the insulating film (13) and the first semiconductor layer (11), a spring constant in the stacking direction of the beam (24) is k, and the contact voltage is Is V 1 and the separation voltage is V 2 ,
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