CN101922008B

CN101922008B - 硅的腐蚀深度实时监控方法

Info

Publication number: CN101922008B
Application number: CN2010102326411A
Authority: CN
Inventors: 严远; 张大成; 王玮; 杨芳; 李婷; 王颖; 罗葵; 田大宇
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: CN101922008A

Abstract

本发明公开了一种硅的腐蚀深度实时监控方法，属于微电子机械系统加工工艺技术领域。本发明方法在相同条件下对硅腐蚀片和用于监控硅腐蚀片的腐蚀深度的硅陪片同时进行腐蚀，所述硅陪片包括位于硅陪片表面的腐蚀凹槽，位于腐蚀凹槽底面的腐蚀面，和位于腐蚀凹槽侧面的监控面，所述腐蚀面和监控面的晶向相同，所述腐蚀凹槽中盛放腐蚀液，腐蚀液浸没所述腐蚀面，所述监控面，以及所述监控面和所述表面相交的监控线，在腐蚀过程中或腐蚀过程后，通过所述监控线的位移确定所述腐蚀深度。本发明可用于微电子机械系统加工工艺。

Description

硅的腐蚀深度实时监控方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，涉及硅的各向异性湿法腐蚀深度监控，特别是涉及一种采用预图形化陪片来进行实时监控的方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术作为九十年代发展起来的一项跨学科新兴先进技术，对提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。MEMS的跨学科特点，使其在发展过程中涉及的研究领域和加工技术种类繁多。近年来，随着MEMS器件不断向新颖性和多样化发展，器件的集成度和复杂性不断提高，器件的设计和加工已不再拘泥于二维尺度，而是进一步向三维拓展。硅的各向异性湿法腐蚀可以用于制备大尺寸的三维结构。

硅的各向异性湿法腐蚀工艺的使用已经非常普遍。但是这种湿法腐蚀的速率较快，受局部反应物浓度以及温度的影响较大，即腐蚀速率的波动可能较大，这就为腐蚀深度的控制带来了困难。

一般而言，对腐蚀深度进行控制有两种主要的方式：第一种方式是利用不同掺杂类型和掺杂浓度的硅的腐蚀速率不同这一特点进行自停止的腐蚀，这种方法能够精确地控制腐蚀深度，但是增加了工艺和设备的复杂度，对材料性质的改变可能造成与其他工艺步骤的不兼容，或者引入其他的不利因素(如应力)；第二种方式是采用控制反应时间的方法，在腐蚀过程中，需要多次将腐蚀片取出，并使用台阶仪等工具进行腐蚀深度的测量，使用这种方式时，腐蚀片和空气接触，会形成厚度为1nm左右的自然氧化层，而KOH等各向异性湿法腐蚀剂腐蚀硅和氧化硅的速率相差极大，这层不均匀的自然氧化层不仅会带来腐蚀均匀性的偏差，还会严重影响腐蚀速率的检测精度，而且每次硅片的腐蚀深度测量都必须经过多个步骤，效率很低。

发明内容

通过上面的分析可知：在对硅的腐蚀深度进行监控时，希望降低工艺和设备的复杂度，尽可能减少引入的其他因素以及对腐蚀片造成的影响；同时对深度测量的方法进行简化，减小外部环境对腐蚀片带来的影响。

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出符合上述预期的硅的腐蚀深度实时监控方法。

为了实现这一目的，本发明使用预图形化的陪片进行实时的深度监控。采用陪片可以使得对腐蚀片的影响达到最小，而预图形化可以将纵向的腐蚀深度转换为横向的线位移进行检测，这样只需要使用显微镜即可进行精确度较高的监控，大大缩短了检测所需要的时间。

下面结合图1具体说明本发明采用的技术方案：

一种硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，在相同条件下对硅腐蚀片和用于监控硅腐蚀片的腐蚀深度的硅陪片同时进行腐蚀，所述硅陪片包括位于硅陪片表面1的腐蚀凹槽2，位于腐蚀凹槽2底面的腐蚀面3，和位于腐蚀凹槽2侧面的监控面4，所述腐蚀面3和监控面4的晶向相同，所述腐蚀凹槽2中盛放腐蚀液，腐蚀液浸没所述腐蚀面3，所述监控面4，以及所述监控面4和所述表面1相交的监控线5，在腐蚀过程中或腐蚀过程后，通过所述监控线5的位移d确定所述腐蚀深度h。

在上述技术方案中，假设腐蚀开始时，腐蚀面3位于S1处，监控面4位于S2处，腐蚀进行一段时间或者腐蚀完成后，腐蚀面3位于S1’处，监控面4位于S2’处，由于腐蚀面3和监控面4的晶向相同，因此它们在浸没于腐蚀液时的腐蚀速度相同，则S1和S1’之间的间距h必然等于S2和S2’之间的间距d，也就是表面1上的监控线5的位移。通过这一技术方案，本发明巧妙地将腐蚀深度h的测量转变为表面上的线位移，大大降低了测量难度。

在本发明的方法中，所述硅腐蚀片经过腐蚀后将用于其他用途，腐蚀仅仅是众多处理步骤中的一个步骤；而硅陪片则仅用于对其腐蚀深度进行监控，不作其他用途；所述“同时进行腐蚀”指的是硅腐蚀片和硅陪片在完全相同的条件下进行腐蚀(如图3所示)，腐蚀条件包括硅片的成分、腐蚀剂、腐蚀温度、腐蚀时间等等；同时进行腐蚀意在保证硅腐蚀片和硅陪片的腐蚀深度相同。

在本发明方法中，硅陪片可以包括多个所述腐蚀凹槽；每个腐蚀凹槽可以包括多个监控面。如图2所示，表面1上包括左右两个腐蚀凹槽3，左侧的腐蚀凹槽3包括一个监控面(在图2中体现为监控线5)，而右侧的腐蚀凹槽3则包括两个监控面。多个腐蚀凹槽或者多个监控面有利于进行平行测量，消除不同测量之间存在的误差。此外，由图2可见，腐蚀凹槽的形状(在图2中体现为腐蚀面3的轮廓，当然腐蚀凹槽除监控面之外的侧面未必一定竖直)没有特定要求。一个较大的腐蚀凹槽也可以理解为两个较小的腐蚀凹槽互相连通的结果。一个较大的监控面也可以理解为两个较小的监控面相互连接的结果。

一般情况下，表面1、腐蚀面3和水平面平行，监控面4和水平面垂直。可见，腐蚀面3和监控面4互相垂直，这也是腐蚀面3的晶向和监控面4的晶向相同的必然结果。一般情况下，腐蚀面3和监控面4均为(100)晶向。

当然，表面1、腐蚀面3未必一定和水平面平行，监控面4也未必一定和水平面垂直，只要满足腐蚀面3和监控面4的腐蚀速率相等，可以将大致沿竖直方向的腐蚀深度转化为大致横向的监控线位移即可。

在上述方案的基础上，通过位移测量设备测定所述监控线的位移d，就可以确定腐蚀深度h，因为h＝d。此处所述的位移测量设备可以是显微镜，比如电子显微镜。当然显微镜的精度需要符合测量要求。

除此之外，本发明还提供另一种测量方式，即通过一些列宽度固定的凸缘来直观表示腐蚀的进度。

如图4所示，在本发明方法中，所述腐蚀凹槽2可包括多个凸缘61、62、63、64，所述凸缘包括两个互相平行的监控面641，642，各个凸缘的宽度(即所述两个互相平行的监控面之间的距离)按设定的级差增大(比如按照1微米的级差等比例增大。当然级差也可以不同，比如先按1微米增大，增大至一定数值后按2微米增大等)，在腐蚀过程中或腐蚀过程后，确定最接近于消失的凸缘63和宽度与之相邻的已经消失的凸缘62，则腐蚀深度在所述两个凸缘62，63的宽度的一半的范围内。例如，凸缘62的宽度为W62，凸缘63的宽度为W63，则腐蚀深度h必定在(W62/2，W63/2)的范围内。至于具体的数值，可以灵活掌握，比如取该范围的端值或者中间值等等。

这一测量方式的意义在于无需精确的腐蚀深度测量装置，仅用低成本的显微镜观察凸缘宽度缩小、消失的现象即可大致掌握腐蚀深度的进展情况。

所述凸缘的排列方式没有特殊要求，可以采用图4所示的齿状排列，也可以采用本发明实施例部分所采用的排列方式。

陪片的制备采用常用的化学气相淀积和反应离子刻蚀的加工方法，淀积材料为氧化硅和氮化硅，作为各向异性湿法腐蚀的掩模材料。具体的腐蚀面3，监控线5，凸缘的形状可通过刻蚀时采用的掩模的图案设定。

在腐蚀深度监控的过程中，也可以使用多个陪片进行分阶段的监控，减小腐蚀速率的变化带来的不利影响。

和现有技术相比，本发明的技术效果在于：

本发明提出使用预图形化的陪片进行硅的各向异性湿法腐蚀深度监控的方法，可以对腐蚀深度进行实时的、精度较高的监控，而且对工艺复杂度的影响以及对腐蚀片的影响都很小，观测使用的工具和操作步骤也得到了很大的简化。

附图说明

图1是硅陪片的示例性透视图；

图2是硅陪片的示例性俯视图；

图3是腐蚀片(左)和陪片(右)的示例性俯视图；

图4是凸缘在腐蚀前后的示意图，(a)表示腐蚀前，(b)表示腐蚀后；

图5是实施例的硅陪片俯视图；

其中：1-表面；2-腐蚀凹槽；3-腐蚀面；4-监控面；5-监控线；6-凸缘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

本发明实施例采用预图形化的陪片进行硅的KOH腐蚀深度的监控，包括以下步骤：

1、在衬底硅基片上生长一定厚度的氧化硅层和氮化硅层，然后进行反应离子刻蚀，得到所需的腐蚀深度监控图形如图5所示。一个陪片在其表面1上包括四个腐蚀凹槽2，每个腐蚀凹槽2包括四个凸缘6，每个凸缘6各自包括两个监控面4，因此每个腐蚀凹槽2包括八条监控线5。通过设计掩模的图案，将图5显示的总共16个凸缘制成下列宽度(单位：微米)：100，110，...，250。

陪片使用的衬底与所监控的腐蚀片的衬底一致，陪片生长氧化硅和氮化硅的方式、条件和厚度也和所监控的腐蚀片一致。陪片的边长为9300微米。

2、在腐蚀开始时，将三个陪片与一个腐蚀片同时放入腐蚀液中。

3、初步预计腐蚀所需的时间，根据预计的时间决定第一次观测的时刻，取出第一块陪片进行观测。

在显微镜下观测陪片中每个监控单元的腐蚀情况，找到正好在宽度数值上相邻的已完成腐蚀和最接近于完成腐蚀的两个凸缘6，则腐蚀深度在这两者对应的宽度的一半之间。

4、根据第3步的观测结果计算腐蚀速率，对预计的时间进行调整，决定第二次观测的时刻，取出第二块陪片进行观测。

5、根据第4步的观测结果计算腐蚀速率，对预计的时间进行进一步调整。

6、在预计得到所需的腐蚀深度时停止腐蚀，通过第三块陪片计算实际的腐蚀深度。

以上通过实施例描述了本发明方法的一个应用实例。需要说明的是，本发明同样适用于TMAH等硅的各向异性湿法腐蚀过程的深度监控。腐蚀的掩模材料也不局限于氧化硅和氮化硅。此外，通过改变陪片中的凸缘的数目和宽度，可以改变监控深度的范围；通过减小陪片宽度的级差，可以提高监控的精度；增加使用的陪片的数目，可以得到更精确的腐蚀速率。

Claims

1.硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，在相同条件下对硅腐蚀片和用于监控硅腐蚀片的腐蚀深度的硅陪片同时进行腐蚀，

所述硅陪片包括位于硅陪片表面的腐蚀凹槽，位于腐蚀凹槽底面的腐蚀面，和位于腐蚀凹槽侧面的监控面，所述腐蚀面和监控面的晶向相同，所述腐蚀凹槽中盛放腐蚀液，腐蚀液浸没所述腐蚀面，所述监控面，以及所述监控面和所述表面相交的监控线，

在腐蚀过程中或腐蚀过程后，通过所述监控线的位移确定所述腐蚀深度。

2.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，所述硅陪片包括多个所述腐蚀凹槽。

3.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，所述腐蚀凹槽包括多个监控面。

4.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，所述表面、所述腐蚀面和水平面平行，所述监控面和水平面垂直。

5.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，所述腐蚀面和监控面均为(100)晶向。

6.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，通过位移测量设备测定所述监控线的位移，以所述位移作为所述腐蚀深度。

7.如权利要求1所述的硅的腐蚀深度实时监控方法，其特征在于，所述腐蚀凹槽包括多个凸缘，所述凸缘包括两个互相平行的监控面，各个凸缘的宽度按设定的级差增大，在腐蚀过程中或腐蚀过程后，确定最接近于消失的凸缘和宽度与之相邻的已经消失的凸缘，则腐蚀深度在所述两个凸缘的宽度的一半的范围内。