CN100344793C - 一种对等离子体刻蚀进行定量监测的方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对等离子体刻蚀进行定量监测的方法及监测结构，其是在被刻蚀的硅片上设置一包括可动电极和固定电极的监测结构，监测结构包括一可动电极和一固定电极，当需要对硅片的刻蚀进行控制时，通过多次刻蚀和测量所述监测结构两电极间的侧向吸合电压，就可以使监测结构的侧向吸合电压接近所需要的刻蚀量所对应的侧向吸合电压，达到可对被刻蚀硅片进行定量刻蚀的目的。本发明还同时提出了三种对过刻非常敏感的结构，即分别以悬臂梁、两端固支梁和折梁支承的刚性梁作为可动电极的电容器结构，还提出了宽梁窄间距或窄梁宽间距两个对过刻都十分敏感的优化方案，操作简单，完全满足等离子体过刻进行定量监测的需求。

Description

一种对等离子体刻蚀进行定量监测的方法及结构

技术领域

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)加工工艺的监测方法及结构，特别是在高深宽比微结构的加工中对等离子体刻蚀进行定量监测的方法及结构。

背景技术

MEMS作为跨学科的先进制造技术，对改善人们的生活质量、提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。在众多的MEMS加工技术中，硅工艺正在逐渐成为主流工艺。高深宽比硅刻蚀技术是硅MEMS技术的关键工艺之一，电感耦合等离子体(ICP)刻蚀系统采用了高密度等离子体进行刻蚀，可以制作出厚度高达数百微米的结构，在制作高深宽比MEMS器件(如加速度计、陀螺仪、谐振器等)中得到广泛的应用。

ICP刻蚀具有Lag效应和Footing效应，其中Lag效应是指宽槽的刻蚀速度比窄槽快，Footing效应是指硅结构刻透后，在硅/二氧化硅的界面处，硅结构的底部和侧面将被快速地过刻。当宽槽已经被刻透而窄槽还没有被刻透时，宽槽旁边的硅结构的底部和侧面将被快速过刻，从而导致宽槽旁边的结构的尺寸与版图尺寸存在比较大的差异。为了保证ICP刻蚀出的结构的力学特性的重复性，需要保证不同批次刻蚀的硅片的刻蚀量一致，目前是通过在显微镜下面直接观察的办法来定性地判断刻蚀情况，由于没有进行定量监测，难以保证刻蚀的重复性。为了确保不同批次刻蚀的重复性，开发易于操作、占用面积小、可定量的片上刻蚀监测结构是十分必要的。

麻省理工大学(MIT)的Gupta等采用两端固支梁与衬底之间的竖向吸合电压来判断刻蚀情况，但是监测结构对过刻并不敏感。本申请人认为过刻对梁的侧向弯曲刚度的影响远比对竖向弯曲刚度的影响大，对侧向静电力的影响也远大于对竖向静电力的影响，并对此进行了大量的研究实验。

发明内容

本发明目的是提供一种能够确保不同批次刻蚀的重复性，易于操作、占用面积小、可对等离子体刻蚀进行定量监测的方法及结构。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：一种对等离子体刻蚀进行定量监测的方法，其是在被刻蚀的硅片上设置一包括可动电极和固定电极的监测结构，任一给定的刻蚀量就对应所述监测结构的一侧向吸合电压，当需要对硅片的刻蚀进行控制时，通过多次刻蚀和测量所述监测结构两电极间的侧向吸合电压，就可以使监测结构的侧向吸合电压接近所需要的刻蚀量所对应的侧向吸合电压，达到可对被刻蚀硅片进行定量刻蚀的目的。

本发明还同时提出了三种对过刻非常敏感的结构作为刻蚀监测结构，分别是以悬臂梁、两端固支梁和折梁支承的刚性梁作为可动电极，以及与这些可动电极平行的电极作为固定电极的电容器结构。

本发明采用侧向吸合电压对等离子体刻蚀进行定量监测，当存在过刻时，监测结构的悬臂梁或两端固支梁或折梁的等效宽度小于版图宽度，弯曲刚度降低，使吸合电压降低；另一方面，电极之间的等效宽度会增加，使吸合电压增加。对梁和间距的宽度进行设计，目的就是使吸合电压对过刻更加敏感。综合考虑刻蚀对梁等效宽度和两个电极的等效间距的影响，采用宽梁窄间距，或者窄梁宽间距的设计方案都可以得到灵敏度高的刻蚀监测结构。对于窄梁宽间距方案，过刻对梁的刚度影响较大，对两电极的间距的影响相对较小，因此过刻会使吸合电压显著减小，这时吸合电压对过刻很敏感。对于宽梁窄间距方案，过刻对梁的刚度的影响较小，对两电极间距的影响较大，过刻将使吸合电压显著增加，此时吸合电压对过刻也很敏感。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用静电吸合的方法进行监测，而静电吸合是一种典型的失稳现象，因此吸合电压测量具有很高的精度。2、本发明提出了窄槽宽间距和宽槽窄间距两种优化方案，并提出了分别以悬臂梁、两端固支梁、折梁支撑的刚性梁作为可动电极的三种监测结构，当所施加的电压的分辨率为0.5V时，本发明对过刻具有0.05μm以上的分辨率，完全满足ICP过刻监测的需求。3、本发明的监测结构简单，在被刻蚀的硅片上占用面积极小，因此具有很强的实用性。4、本发明在可动电极的另一侧设置了一辅助梁，可以有效地减小不同硅片上邻近结构对监测结构刻蚀量的影响，使刻蚀监测结构标准化。5、本发明方法需要的实验设备简单，只需一般的微电子工艺间都具有的探针台、CCD摄像机、视频监视器和直流电源即可进行操作，而且操作时仅需要一个人即可完成，省工省时，非常方便。本发明对过刻量的测量准确，它可以广泛用于高深宽比微结构的ICP刻蚀的监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是正面光刻形成光刻胶图形示意图

图2是KOH腐蚀后浅台阶示意图

图3是玻璃浅槽和溅射金属示意图

图4是采用剥离法在玻璃上制作电极

图5是硅/玻璃键合示意图

图6是KOH腐蚀减薄硅片示意图

图7是双面光刻结构释放示意图

图8是悬臂梁监测结构立体示意图

图9是悬臂梁监测结构俯视示意图

图10是两端固支梁监测结构俯视示意图

图11是折梁支承的平行板电容器监测结构俯视示意图

图12是实验设备连接示意图

图13是过刻后悬臂梁监测结构的横截面示意图

图14是窄间距悬臂梁吸合电压与过刻的关系

图15是宽间距悬臂梁吸合电压与过刻的关系

具体实施方式

下面以北大微电子所的键合深刻蚀释放工艺为例，说明制作本发明等离子体刻蚀监测结构的步骤：

1、在双面抛光的、中等掺杂的、电阻率为2～4Ω·cm的(100)硅片1上热氧化淀积SiO₂300nm，腐蚀背面SiO₂；

2、正面光刻，形成光刻胶2图形(如图1所示)；

3、BHF刻蚀SiO₂，去胶，KOH腐蚀浅台阶，去除SiO₂(如图2所示)；

4、清洗玻璃片3，光刻、BHF腐蚀玻璃120纳米，形成浅槽；

5、溅射电极金属Ti/Pt/Au160纳米(如图3所示)；

6、采用剥离法在玻璃上形成金属电极4(如图4所示)；

7、硅片1、玻璃3键合对准，硅/玻璃静电键合(如图5所示)；

8、硅片KOH腐蚀减薄(如图6所示)；

9、在硅片上溅射300nm的铝；

10、划片；

11、双面光刻(如图7所示)；

12、以铝为掩膜5，采用ICP刻蚀释放结构，得到高深宽比的结构。

如图8、图9所示，是采用上述工艺制作出的一种悬臂梁刻蚀监测结构10，其包括两固定块11、12，一可动电极13的一端连接在一固定块12上，另一端为悬臂；在可动电极13的一侧平行且留有一间隙设置一固定电极14，固定电极14的一端连接固定块11；为减小不同硅片上邻近结构对监测结构刻蚀量的影响，在可动电极的13的另一侧设置一辅助梁15，辅助梁15的一端连接固定块12，另一端为悬臂。

如图10所示，是采取上述工艺制作的两端固支梁刻蚀监测结构10，其与悬臂梁结构的区别是将可动电极16的一端连接固定块12，另一端连接辅助梁15。

如图11所示，是采取上述工艺制作的以折梁支承的刚性梁作为可动电极的平行板电容器式刻蚀监测结构10，可动电极是由一折梁17支承的刚性梁18组成，折梁17的两端分别连接在两固定块11、12上；辅助梁15平行设置在折梁17的另一侧，其两端分别固定在固定块11、12上；固定电极19是一与刚性梁18平行且相隔一间距的固定块。

如图12所示，利用本发明监测结构10进行测量时，首先将监测结构10放置在探针台20上，将两根探针21分别与直流电压源22的正、负极相连，其中的一根探针21与直流电压源22之间串联一个大电阻23，以确保在静电吸合时，电路内的电流比较小，不会损坏电压源22，两探针21之间的电压采用一个电压表24来测量。测量吸合电压时，两根探针21分别连接监测结构10的两个电极，再使电压源的电压由零慢慢增加，通过一个与探针台20上的CCD摄像机25相连的监视器26来观察监测结构的吸合过程，吸合时电压表24上的电压就是吸合电压。

如图9、图10所示，在悬臂梁和两端固支梁刻蚀监测结构10中，两根探针分别扎在固定块11和固定块12上，在监视器26上观察可动电极13(或16)与固定电极14之间的吸合，记下相应的吸合电压。其中辅助梁15是为了保证可动电极13(或16)的过刻量基本上不会受到硅片上其它结构的影响，因此这个监测结构10就可以作为标准的刻蚀监测结构被放到不同的硅片上去。

如图11所示，以折梁支承的刚性梁作为可动电极的平行板电容器式监测结构10中，将一根探针21扎在固定块11或固定块12上，另一根探针21扎在作为固定电极19的固定块上，再使电压源22的电压由零慢慢增加，在监视器26上观察可动电极的刚性梁18与可动电极19之间的静电吸合，即可动电极的刚性梁18被突然吸到固定电极19上时所对应的电压即为吸合电压。辅助梁15的作用与前面悬臂梁的辅助梁15是相同的。

本发明的监测结构10及在ICP过刻监测中的应用包括：

1、首先设计实验片，测出不同长窄槽刻透时对应的标准监测结构10的吸合电压；

2、设计需要制作的微结构的版图，并把标准的对过刻敏感的监测结构10也置于版图中，并根据需要刻开的最窄的长槽宽度确定标准监测结构10的期望侧向吸合电压；

3、采用ICP刻蚀机释放结构，直到观察到很宽的槽被刻透；

4、在探针台20上用探针21给监测结构10的两个电极施加电压，缓慢地增加电压，观察在接近期望的吸合电压时，监测结构10是否产生吸合，若监测结构10的吸合电压大于期望吸合电压加上一个给定偏差，则将硅片放入ICP刻蚀机，继续刻蚀适当的时间；

5、重复上一步的测量与刻蚀，直到标准监测结构10的吸合电压落在给定的范围，则停止刻蚀。

这样，就可以使整个硅片的过刻量与期望值很接近，保证ICP刻蚀的重复性。

关于梁的宽度与电极间距的设计：前面已经分析过，当且仅当采用窄梁宽间距或宽梁窄间距的优化方案时，监测结构10的吸合电压才对过刻十分敏感。下面以悬臂梁为例来说明监测结构的设计方法。

在下面的推导中，假设梁的横截面仍可以采用矩形截面来模拟，两个电极之间的间隔也采用矩形间距来模拟。并假设梁结构和固定电极的线宽损失相同，下面分析吸合电压与过刻量的关系。

如图13所示，设悬臂梁的版图宽度为w_d，两电极之间的设计宽度为g_d，梁顶部、底部的过刻量分别为l_t、l_b，梁的高度为t，梁的长度为L。由此得两电极的等效宽度为

$g_{\mathrm{eff}}=\sqrt{(g_d+{2l}_t)(g_d+{2l}_b)}---\left(1\right)$

在计算悬臂梁的吸合电压时，需要用到弯曲参数 $B=\tilde{E}{w}_{\mathrm{eff}}^3{g}_{\mathrm{eff}}^3,$ 这里

为等效模量。w_eff为梁的等效宽度，可以根据梁的弯曲刚度得到。当梁两侧的过刻相同时，采用等腰梯形来近似其横截面，通过下面的积分可以得到的截面惯性矩

$I_y=\frac{t}{48}(w_t+w_b)(w_t^2+w_b^2)---\left(2\right)$

由此得梁的有效宽度为

$w_{\mathrm{eff}}={\left[\frac{(w_t+w_b)({w_t}^2+{w_b}^2)}{4}\right]}^{1/3}---\left(3\right)$

其中w_t＝w_d-2l_t，w_b＝w_d-2l_b                    (4)

假设悬臂梁在吸合过程中的变形符合梁理论，即主要是横向弯曲变形，由于采用这套标准体硅工艺制作的结构的残余应力基本可以忽略不计，所以可以采用如下包括边缘场效应的悬臂梁吸合电压公式(无初应力)

$V_{\mathrm{PI}}=\sqrt{\frac{0.28\tilde{E}{w}_{\mathrm{eff}}^3{g}_{\mathrm{eff}}^3}{{\mathrm{\ϵ}}_0{L}^4[1+0.42\frac{g_{\mathrm{eff}}}{t}]}}---\left(5\right)$

式中，ε₀为空气的介电常数。将(1)、(3)和(4)带入(5)得

$V_{\mathrm{PI}}=\sqrt{\frac{0.28\tilde{E}(w_d-l_t-l_b)({w_d}^2+2{l_t}^2+{{2l}_b}^2-2w_d{l}_t-2w_d{l}_b){(g_d+{2l}_t)}^{3/2}{(g_d+{2l}_b)}^{3/2}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{L}^4[1+0.42\frac{{(g_d+{2l}_t)}^{1/2}{(g_d+{2l}_b)}^{1/2}}{t}]}}---\left(6\right)$

由上式就可以得到吸合电压随过刻量的变化关系，从而得出所设计结构的吸合电压对过刻的敏感性。假设l_t＝0，对于窄间距和宽间距的悬臂梁，吸合电压与梁底部过刻量的关系曲线分别如图14、图15所示。由图14和图15可知，对窄梁宽间距和宽梁窄间距的悬臂梁，当底部过刻量的变化为0.05μm时，吸合电压的变化大于0.5V，可以明显地检测出来，因此这种方法对过刻具有0.05μm的灵敏度，完全满足ICP过刻监测的要求。

对于两端固支梁和折梁支承的刚性梁监测结构10，侧向吸合电压随过刻量的变化关系是与上面的悬臂梁完全相似的，这里不再重复。

实施例：

下面采用窄梁宽间距的悬臂梁监测结构对不同批次硅片的ICP刻蚀进行定量监测，使不同硅片上对过刻敏感的相同监测结构的吸合电压接近，测量出两个硅片上其它相同的验证结构的吸合电压，以判断这些验证结构的过刻是否接近。由于吸合电压的变化主要由梁的弯曲刚度和电极间有效间距的变化决定，而梁的弯曲刚度和有效间距的变化主要由过刻量决定，所以吸合电压的变化就反应了过刻量的不同。当不同硅片上的相同的刻蚀监测结构的侧向吸合电压很接近时，若其它的验证结构的吸合电压也很接近，就说明它们在不同硅片具有很接近的过刻量，就说明采用相应的刻蚀监测结构确实可以对过刻进行准确监测。以版图宽度w_d为4μm，长度L为600μm，间距g_d为10μm的窄梁宽间距悬臂梁作为ICP过刻监测结构，在表1中的编号为1。其它六个结构作为刻蚀验证结构，其中一根设计宽度w_d为6μm，长度L为800μm，间距g_d为10μm的悬臂梁为结构二，其它五个由折梁支承的刚性梁作为可动电极的平行板电容器(如图11所示)也被作为验证结构，这些刚性梁的几何参数已经列在表1中。其中n表示一根折梁所包含的长横梁的根数，L是长梁的长度，L_e为可动电极的长度，长横梁之间的间距都是10μm，两个电极之间的版图间距g_d都是5μm。

首先刻蚀第一个硅片，当5μm间距的长槽刻透后，测得监测结构10的吸合电压为30.3V。大约一个月之后，又制作了第二个硅片，并进行ICP刻蚀，当很宽的长槽刻透后，测得第二个硅片某单元的结构一的吸合电压大于32V，发现此时版图宽度为6μm的长槽还没有刻透。然后又分别刻蚀了3分钟、2分钟、2分钟和2分钟，直到这个单元上的悬臂梁一的吸合电压最终为30.0V才停止刻蚀。测得的两个硅片的相应单元上其它的验证结构的侧向吸合电压也列于表1中。

                   表1  刻蚀监测、验证结构的几何尺寸和侧向吸合电压

编号	结构类型	wd(μm)	gd(μm)	L(μm)	n	Le(μm)	硅片一VPI(V)	硅片二VPI(V)	|er|
										1	I	4	10	600	-	-	30.3	30.0	1.0％
2	I	6	10	800	-	-	40.5	39.7	2.0％
										3	II	4	5	250	5	552	24.8	24.2	2.4％
4	II	6	5	400	3	850	34.6	33.6	2.9％
										5	II	7	5	400	3	850	46.4	45.4	2.2％
6	II	14	5	800	3	1691	38.7	38.3	1.0％
										7	II	16	5	800	3	1691	47.7	48.4	1.5％

由表可见，对于不同批次的硅片，当采用一个对过刻敏感的监测结构(这里是版图宽度4μm，间距宽度10μm的窄梁宽间距悬臂梁)来监测过刻时，当监测结构1的吸合电压的相对误差|e_r|很小时(这里为1.0％)，则其它验证结构的吸合电压的相对误差也很小(这里小于3.0％)。由于吸合电压的变化反应了过刻量的变化，这些验证结构的吸合电压的相对误差很小就说明这两个硅片上的相同验证结构的过刻量的差异很小，说明只要将吸合电压对过刻很敏感的监测结构的吸合电压控制准确了，硅片上其它结构的过刻量也就控制准确了。

比较上面的结果可知，对于不同批次的硅片，当同一个刻蚀监测结构的吸合电压很相近时，这两次制作的硅片上的其它相同结构的吸合电压也相近，说明这两次制作的硅片的过刻情况必然是相近的。这就验证了本发明提出的两种对过刻敏感的优化方案都可以被用来对过刻进行准确监测。

Claims (6)

1、一种对等离子体刻蚀进行定量监测的方法，其是在被刻蚀的硅片上设置一包括可动电极和固定电极的监测结构，任一给定的刻蚀量就对应所述监测结构的一侧向吸合电压，当需要对硅片的刻蚀进行控制时，通过多次刻蚀和测量所述监测结构两电极间的侧向吸合电压，就可以使监测结构的侧向吸合电压接近所需要的刻蚀量所对应的侧向吸合电压，达到可对被刻蚀硅片进行定量刻蚀的目的。

2、如权利要求1所述的对等离子体刻蚀进行定量监测的方法，其特征在于：所述可动电极为一悬臂梁、一两端固支梁或一由折梁支承的刚性梁。

3、如权利要求2所述的对等离子体刻蚀进行定量监测的方法，其特征在于：所述悬臂梁、两端固支梁或折梁为宽梁时，所述固定电极与可动电极之间的间距采用窄间距。

4、如权利要求2所述的对等离子体刻蚀进行定量监测的方法，其特征在于：当所述悬臂梁、两端固支梁或折梁为窄梁时，所述固定电极与可动电极之间的间距采用宽间距。

5、用于实施权利要求1所述的对等离子体刻蚀进行定量监测的方法的对等离子体刻蚀进行定量监测的结构，其特征在于：它包括一设置在被刻蚀硅片上的可动电极，在所述可动电极的一侧平行且相隔一间距设置一固定电极。

6、如权利要求5所述的对等离子体刻蚀进行定量监测的结构，其特征在于：在所述可动电极的另一侧设置一固定不动的辅助梁。

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