CN109346394B - 在用于原位测量的传感器晶片上的抗蚀涂层 - Google Patents

Abstract

一种传感器晶片可配置成在蚀刻过程期间原位测量参数。该传感器晶片可包括衬底、覆盖物以及位于衬底和覆盖物之间的一个或多个组件。抗蚀涂层被形成在覆盖物和/或衬底的一个或多个表面上。涂层被配置成抵抗因蚀刻过程，该蚀刻过程蚀刻覆盖物和/或衬底的时间比具有与保护涂层相同或更大厚度的标准薄膜材料更长。

Description

在用于原位测量的传感器晶片上的抗蚀涂层

本申请是PCT国际申请号为PCT/US2011/050272、国际申请日为2011年9月1日、中国国家申请号为201180046126.7、题为“在用于原位测量的传感器晶片上的抗蚀涂层”的申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施例总体涉及半导体晶片加工，更具体地涉及具有用于蚀刻腔的抗蚀涂层的传感器晶片。

发明背景

集成电路、显示器或盘存储器的制造通常采用很多加工步骤。必须仔细地监视每一处理步骤以提供可工作的设备。贯穿成像工艺、沉积与生长工艺、蚀刻与掩模工艺等等，关键的是例如在每一个步骤期间仔细地控制温度、气流、真空、压强、化学药品、气体或等离子组分以及曝露距离。仔细注意每一个步骤中所涉及的各加工条件是优化的半导体或薄膜工艺的要求。与最优加工条件的任何偏差可能导致随后的集成电路或设备以低于标准的等级工作，或更差地，完全故障。

在处理腔中，加工条件会发生变化。诸如温度、气体流速和/或气体组分之类的加工条件中的变化极大地影响集成电路的形成以及并因此影响其性能。使用具有与集成电路或其它设备相同或类似材料的衬底的传感器来测量加工条件提供了对条件的最准确的测量，因为该衬底的材料特性与将要被加工的实际电路相同。对于实际上所有加工条件而言，在整个腔中存在梯度和变化。这些梯度因此也存在于衬底的表面、以及在衬底之下和之上。为了精确地控制晶片处的加工条件，重要的是在晶片上进行测量并实时地供自动控制系统或操作者使用以容易地优化腔加工条件。加工条件包含用于控制半导体或其它设备制造的任何参数或制造者期望监测的任何条件。

一种原位监视加工条件的技术利用一种测量设备，这种测量设备具有纳入到与在腔内被加工的晶片相似的衬底上的传感器。美国公开No.20060174720披露了测量设备的一个例子，该测量设备包含带传感器的衬底，该传感器测量晶片在制造过程中可能经历的加工条件。该衬底可由机械手插入到处理腔中，且该测量设备可实时地传输这些条件或储存这些条件以供后续分析。该设备的敏感电子组件可疏远或隔离于最有害的加工条件，从而增加该设备的准确性、操作范围、及可靠性。

由于传感器晶片在监视腔内的加工条件期间受到侵蚀，因此在蚀刻过程(例如等离子蚀刻)期间使用传感器晶片原位监视蚀刻条件(例如温度)尤其成问题。不受保护的传感器晶片因此受到蚀刻环境中例如硅蚀刻化学制剂或等离子轰击的侵袭。当前传感器晶片使用硅覆盖物来保护传感器，且最好模拟被蚀刻的工件。然而，当硅覆盖物经受蚀刻加工时，会产生黑色或白色的硅杂质。黑色或白色的硅杂质可能导致微粒产生，这在加工腔内是不期望的。

基于硅晶片衬底的一些现有技术传感器晶片已使用诸如聚酰亚胺或氧化硅涂层之类的标准薄膜材料以保护传感器晶片在等离子蚀刻条件下的测量期间不受侵蚀。然而，聚酰亚胺和氧化硅涂层对于在多晶和通硅通路(TSV)蚀刻条件下的蚀刻具有有限的抗性。对于等离子蚀刻腔中使用的传感器晶片，期望使保护涂层坚持至少10小时。对这类经涂布的晶片的经验已表明SiO₂和聚酰亚胺涂层无法坚持这么久，除非它们非常厚，例如对SiO₂大约10μm厚而对聚酰亚胺至少100μm厚。遗憾的是，较厚的涂层在温度测量中可能导致假象并可能使晶片翘曲。因此，依然需要能够在等离子蚀刻环境下累计暴露10小时的传感器晶片。

除抗蚀外，还期望使涂层相对薄、不含杂质并坚固地粘合至覆盖物和衬底材料。

在这样的背景下，提出了本发明的实施例。

发明内容

本发明一实施例提供了一种传感器晶片。该传感器晶片包括：衬底、附加于所述衬底的覆盖物、定位于所述覆盖物和所述衬底之间的多个组件、以及形成在所述覆盖物的一个或多个表面上以及所述衬底的一个或多个表面上的抗蚀涂层。其中所述覆盖物被布置在所述涂层的至少部分与所述衬底的至少部分之间，其中所述覆盖物不完全覆盖所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层形成于没有被所述覆盖物覆盖的所述衬底的所述顶表面的所有部分上，其中所述涂层经配置以抵抗蚀刻过程，所述蚀刻过程蚀刻所述覆盖物和/或衬底的时间比厚度与所述涂层相同或更大的标准薄膜材料更长，所述标准薄膜材料为二氧化硅、聚酰亚胺、氮化硅、旋涂式玻璃、光阻剂、氮化铝、或氮化钛，其中所述覆盖物附加于所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层不包含尺寸大于10微米的针孔，以及针孔浓度小于7针孔/平方厘米，其中所述多个组件包含一个或多个传感器以及除了所述一个或多个传感器以外的一个或多个电子组件，且其中所述一个或多个电子组件包含处理器、收发器、存储器、电池或其组合。

本发明另一实施例提供了一种用于制造传感器晶片的方法。该传感器晶片具有衬底和覆盖物。该方法包括：a)在所述覆盖物的一个或多个表面上以及所述衬底的一个或多个表面上形成抗蚀涂层，其中所述覆盖物被布置在所述涂层的至少部分与所述衬底的至少部分之间；b)在所述覆盖物和所述衬底之间形成多个组件；以及c)将所述覆盖物附连至所述衬底，其中所述覆盖物不完全覆盖所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层形成于没有被所述覆盖物覆盖的所述衬底的所述顶表面的所有部分上，其中所述涂层经配置以抵抗蚀刻过程，所述蚀刻过程蚀刻所述覆盖物和/或衬底的时间比厚度与所述涂层相同或更大的标准薄膜材料更长，所述标准薄膜材料为二氧化硅、聚酰亚胺、氮化硅、旋涂式玻璃、光阻剂、氮化铝、或氮化钛，其中所述覆盖物附加于所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层不包含尺寸大于10微米的针孔，以及针孔浓度小于7针孔/平方厘米，其中所述多个组件包含一个或多个传感器以及除了所述一个或多个传感器以外的一个或多个电子组件，且其中所述一个或多个电子组件包含处理器、收发器、存储器、电池或其组合。

附图说明

本发明的教导可通过结合附图考虑下面详细描述而得以理解，在附图中：

图1A是根据本发明实施例的具有抗蚀涂层的传感器晶片的截面图。

图1B是图1A中的传感器晶片的俯视图。

图1C是根据本发明一替代实施例的具有抗蚀涂层的传感器晶片的示意性截面图。

图1D是根据本发明另一替代实施例的具有抗蚀涂层的传感器晶片的示意性截面图。

图1E是根据本发明另一替代实施例的具有抗蚀涂层的传感器晶片的示意性截面图。

图2A是示出根据本发明另一实施例制造具有抗蚀涂层的传感器晶片的装置的示意图。

图2B是图1所述类型的传感器晶片的侧视图，其示出顶部斜角(bevel)和底部斜角。

图3是示出在晶片上制造抗蚀涂层的方法的流程图。

具体实施方式

尽管下述详细描述出于说明目的包含诸多特定细节，然而任何本领域普通技术人员将理解对于下述细节的许多变化和改变是落入本发明的范围内的。因此，以下描述的本发明的示例性实施例不丧失要求保护发明的任何一般性、也不对要求保护的发明强加限制。

引言

已考虑将许多不同的材料用作传感器晶片的保护涂层。发明人已确定稀土氧化物代表从中可制造出合适涂层的一类可能材料。已使用稀土氧化物涂布等离子蚀刻腔的各个部分以使它们抗蚀。典型地，Al、Al₂O₃或不锈钢被这类稀土氧化物涂布。专利号为6,776,873的美国专利披露了一种氧化钇(Y₂O₃，也称三氧化二钇)的高纯度涂层，该涂层被设置在阳极化的铝合金部分或高纯度铝衬底上以提高半导体集成电路(IC)处理真空腔的阳极化铝合金材料对抗氟和氧等离子侵袭的腔室材料性能。

氧化钇涂层一般通过等离子喷涂工艺来施加。在等离子喷涂工艺中，待沉积的材料(给料)被引入到从等离子喷枪中发出的等离子射流中。给料一般是粉末，有时是液体、悬浮物或线。在等离子射流中，其中温度为10000K量级，给料材料熔化并向衬底推进。这里，材料的熔化液滴展平，快速凝固并形成沉积物。一般，沉积物作为涂层保持附着于衬底。大量技术参数会影响微粒与等离子射流和衬底的相互作用，并因此影响沉积特性。这些参数包括给料类型、等离子气成分和流量、能量输入、喷枪偏移距离、衬底冷却等。

遗憾的是，由等离子喷涂产生的涂层过厚并且容易产生微粒，而无法用作晶片涂层。此外，在氧化钇涂布的硅晶片上没有杂质数据。另外，氧化钇涂布的部分一般不受蚀刻腔室内有意的等离子轰击的影响。一般，蚀刻腔内的等离子以下列方式受到约束，即在正常蚀刻过程中，只有晶片受来自等离子的离子轰击和化学侵袭。涂层被用来在腔室清洗过程中保护腔室免受侵袭。然而，腔室清洗不牵涉到对腔室部分的高能离子轰击，而是依赖于由等离子增强的反应化学性质。

为了克服现有技术的劣势，本发明的实施例包括一种传感器晶片，该传感器晶片具有衬底和覆盖物，在其上表面具有抗蚀稀土氧化物保护涂层。涂层被配置成抵抗因蚀刻过程造成的蚀刻，该蚀刻过程蚀刻覆盖物和/或衬底的时间比厚度与保护涂层相同或更大的标准薄膜材料更长。涂层可通过蒸镀沉积来形成，蒸镀沉积一般用于在SiO₂上制造光学涂层。替代地，抗蚀涂层可用其它方法来形成，例如物理气相沉积(PVD)、有机金属化学气相沉积(CVD)、等离子工艺、激光烧蚀或其它标准IC制造薄膜沉积工艺。

标准薄膜材料的示例包括氧化硅、聚酰亚胺、旋涂式聚酰亚胺、氮化硅、旋涂式玻璃、光阻剂、氮化铝、氮化钛等。

实施例

图1A是根据本发明实施例的传感器晶片100的截面图。传感器晶片100有时也称为工艺条件测量设备(PCMD)。用于PCMD的该传感器晶片、其制造方法以及处理系统在WayneGlenn Renken等人的美国专利7,135,852中被详细说明，其公开内容通过引用结合于此。

在图示例子中，传感器晶片100包括衬底102，例如在晶片上形成多个层的硅晶片。腔104被形成在衬底102的顶部。组件106可被嵌入到腔104中，如图1A所示。组件可包括传感器或电子组件，例如处理器、收发机、存储器、电池等。覆盖物108则附加于衬底102的顶部并覆盖组件106。覆盖物108优选地由半导体材料制成，该半导体材料与在蚀刻腔内经受蚀刻过程的标准产品晶片是相同的材料。借助示例而非限定，衬底102或覆盖物108或它们两者可由硅制成。抗蚀涂层110被形成在覆盖物108的顶部以防止晶片在用传感器晶片100测量蚀刻环境期间在该环境下受到侵蚀。该抗蚀涂层110优选地包括稀土氧化物膜，例如大约2微米厚或更薄的三氧化二钇(Y₂O₃)。替代地，可使用其它稀土元素(例如铪)的氧化物以形成抗蚀涂层110。对于硅抗蚀化学膜110的其它可能的候选包括氧化硅和氧化铝。

图1B示出嵌入到衬底102之内/之上的组件106的优选布局。作为示例，组件可包括一个或多个传感器106，这些传感器106被配置在表面上的不同区域或配置在衬底102中，从而测量衬底上的加工条件。如本文定义的，“加工条件”是指用于制造集成电路的各个加工参数。加工条件包括用来控制半导体制造的任何参数或制造者想要监视的任何条件，例如但不仅限于温度、蚀刻速率、衬底上层的厚度、加工腔压强、腔内的气体流量、腔内的气体化学成分、腔内的位置、电气等离子性质、光能密度以及腔室进或出的移动期间或腔室内的晶片或其它衬底的振动和加速度。随时间的推移，不可避免地研发出不同的工艺，因此加工条件会随时间变化。因此，不管条件是什么，可以预见所描述的实施例可测量这些条件。除了在半导体晶片加工期间测量这些条件外，也可应用本文描述的系统和技术来监视在加工其它类型衬底(例如晶片掩模)期间的类似条件。

通过测量衬底的不同区域，可计算横衬底上的梯度，此外，可确定衬底上特定位置的条件。衬底102之内或之上的传感器数可根据正被测量的加工条件和衬底102的尺寸而改变。借助示例而非限定，200mm直径的衬底可具有55个用于测量温度的传感器，而300mm直径的衬底可具有65个传感器。传感器可被配置成检测各种加工条件并可根据公知的半导体换能器设计被安装在或被制造在衬底102中。在本发明的实施例中，传感器可被配置成在等离子蚀刻过程中检测蚀刻等离子的蚀刻参数。

对于测量温度，流行的换能器是RTD或热敏电阻，其包括具有已知电阻温度系数的薄膜电阻材料。也可使用磁阻材料来通过作用在衬底102上的磁通量来测量温度。电阻-电压转换器可在电阻敏感材料(热敏电阻或磁阻材料)的末端之间形成在衬底102内，以使电压能容易地关联于温度标度。另一种可能的温度传感器包括由平版印刷地形成在衬底102的层中的两个相异导体构成的热电偶。当导体之间的结被加热时，产生小的热电势，该热电势以某些已知的方式(例如将近线性地)随结温度而增加。温度传感器的另一示例包括二极管，该二极管产生随温度增加的电压降。通过将该二极管连接在正电源和负载电阻器之间，可从负载电阻器获得电流-电压转换。

另一可能类型的传感器是压电器件，例如由在晶体取向上切割的石英晶体构造成的石英音叉，该晶体取向表现出温度依赖的振荡频率。传感器的振荡频率可参照由例如石英音叉之类的压电器件形成的主振荡器，该石英音叉是由使频率随温度的变化最小的取向的晶体制成的。传感器和主振荡器之间的频率差将提供一种直接温度依赖的信号。压电传感器也可用来感测质量变化以测量沉积质量和速率或其它工艺条件。

传感器也可用来测量衬底102上的选择区域处的压强、力或应力，或者作为独立传感器或者作为一体地形成在衬底102的层中的传感器。存在许多类型的压强换能器，它们能够测量作用在晶片上的大气压强。合适的压强换能器包括膜片式换能器，其中膜片或弹性元件感测压强并产生相应的应变或偏斜，该应变或偏斜可由连接于膜片或膜片之后的腔的电桥电路读取。另一合适的压强换能器可包括设置在衬底102内的压阻材料。压阻材料可通过使掺杂复合物扩散入衬底102的选定部分而形成。作为结果的压阻材料产生与施加于其上的压强或应力量成比例的输出电流。

传感器也可用来测量跨衬底102的流量。另外，也可在衬底102上形成湿度和湿气传感器。一种用于测量流量的公知方法——热线风速计——可纳入到衬底102中。流体速度基于当流线性流体流冲击位于衬底102之上或之内的非流线性障碍物时的涡流产生频率。流体流的测量一般涉及在障碍物任一侧上形成特定的涡流。因此，交替的压力差出现在两侧之间。在一阈值(低于该阈值就没有涡流产生)之上，压力差的交替频率与流体速度成比例。在许多检测交替压力差的方法之中，可将热的热敏电阻设置在障碍物两侧之间的小通道内。通过经装配()的通道的交替流动方向周期地冷却自加热的热敏电阻，由此以两倍涡流频率产生AC信号和相应的电脉冲。因此，在热敏电阻之前从衬底102突出的障碍物可提供固态流量测量。热量可在设置成彼此毗邻的自加热热敏电阻之间传递。流体流在毗邻热敏电阻之间传递热能，造成与质量流成比例的热失衡。可排列两个或更多个毗邻的传感器以测量沿一矢量的流，或者也可感测多个流矢量。可检测热失衡以产生与质量流关联的DC信号。可比较沿多个方向的流以检测流矢量。

也可使用传感器来测量加在衬底102上的气体化学浓度。化学成分传感器利用一种薄膜，这种薄膜对待测量的特定离子是可渗透的。理想地，薄膜对于所有其它离子应当是完全不能渗透的。薄膜的导电率直接与已渗透过薄膜的选择离子的传输成比例。给定薄膜导电性的可变性，可采取直接地关联于衬底102周围环境中存在的化学离子量的测量。

对于平行板结构、收集板阵列以及支撑在收集板上方的控制栅格的收集板，也可使用传感器来测量离子电流密度和离子电流能量。在平行板之间流动或流至收集板阵列的电流将随着离子电流密度而增加。可通过在板上方的栅格上施加恒定或变化的DC电位来检测离子电流能量，这允许对能量分布进行表征。这有益于监视和调整沉积或蚀刻工艺。

压电换能器/传感器也可被集成在衬底102中，以测量层的谐振频率并因此确定层的质量或厚度。

另外，传感器也可用来检测物体距离衬底102的位置或位移的变化。示例性位移换能器包括可测量光子能(或强度)并将光子能转换成电场或电压的光电器件。相对公知的光电器件包括发光二极管、光电二极管、光电晶体管等，它们可形成在半导体衬底上或嵌入到衬底之中或设置在表面之上。位移传感器用来提供关于蚀刻腔或沉积腔内的电极间距的准确信息，并可提供晶片和相应的掩模和/或辐射源之间的间距信息。

传感器晶片100可针对IC制造中的硅蚀刻应用而配置。这些硅蚀刻应用的示例包括多晶蚀刻(poly etch)、STI蚀刻、TSV蚀刻。传感器晶片的目的是在等离子蚀刻期间原位测量温度。这种传感器晶片配置的关键要求是在硅蚀刻环境下至少10小时的寿命、在蚀刻过程期间并贯穿膜寿命维持晶片平整和温度稳定性以及如OEM/fab转移测试测得的可接受的颗粒杂质水平。在这种情形下，覆盖物108和衬底102可由硅制成。

图1A中描述的实施例的许多变化是可能的。例如，如图1C中的分解图所示，一些组件106可作为薄膜105的一部分直接形成在覆盖物的背侧或衬底的顶表面，该薄膜105可以附加至或形成在衬底102和覆盖物108之间。借助示例而非限定，薄膜105可包括粘结剂或粘合剂，它将覆盖物108结合到衬底102的上表面。在一些情形下，组件106可形成在覆盖物108中的腔内，如图1D所示。在一些实施例中，衬底102可由例如硅之类的半导体材料制成，而盖108不完全地覆盖衬底102的顶表面，例如图1E所示那样。在这种情形下，抗蚀涂层110可覆盖衬底102顶表面未被覆盖物108覆盖的一部分。要注意，尽管图1E中示出单个覆盖物108，但可具有一个以上的覆盖物，其中每个覆盖物覆盖衬底102的顶表面的不同部分。

理想地，涂层110是不含杂质的。例如，某些膜，诸如氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)和氮化钛(TiN)，可能会导致杂质。优选地，涂层110不包含杂质金属。在这里使用的术语“杂质金属”包括对于半导体加工清洁原因而不可接受的金属。杂质金属的示例包括铜、铝、钠、钙、钾、钛、金、铜、铂和过渡金属。

根据本发明的一个实施例，保护涂层110可以是稀土氧化物膜，例如沉积在可由硅制成的覆盖物108顶部上的Y₂O₃膜。一般要求保护涂层110足够薄，使其在加工和使用过程中不会断裂。一般同样理想地，涂层110是没有热干扰的。如这里使用的，术语“没有热干扰”意味着晶片的温度相对于不存在涂层的情况不偏离较大的量。这主要是膜110厚度的函数。借助示例，保护涂层110的厚度可大约为2微米或更小，优选地是1.5微米或更小，更优选地是1.2微米或更小。膜也可覆盖传感器晶片100的侧边缘以及后表面的一部分，例如在边缘的几毫米之内。膜可通过电子束蒸镀来沉积，其中从室温至250℃的范围内的温度下对表面进行涂覆。

图2A是示出用于在传感器晶片的覆盖层顶部上形成抗蚀涂层的装置的示意图。形成抗蚀涂层的工艺在真空腔202内执行。真空腔可通过适当的真空系统(未示出)被抽空。

如图2A所示，稀土氧化物材料206——例如Y₂O₃——被沉积在坩埚204中。稀土氧化物材料可以是粉末形式。坩埚204优选地由具有比稀土氧化物材料的沸点更高的熔点的材料制成。图1A所示类型的部分或完全制造的传感器晶片208(它没有抗蚀涂层110)被悬置在坩埚204之上，其前表面210面向坩埚204中的稀土氧化物材料206。电子束213轰击稀土氧化物材料206，将稀土氧化物材料206加热至足以使其蒸发的高度。电子束213可通过电子枪215产生。电子枪可通过冷阴极发射器或通过用电流加热灯丝而产生电子。通过在电子枪215和坩埚204之间施加高电压差(例如千伏或更高)，电子束朝向稀土氧化物加速。可使用磁场使电子朝向稀土氧化物材料206偏转。电子束通过电子枪215的聚焦和通过磁场的偏转使得电子束以高功率密度、高度聚焦到材料206上。电子束的高功率密度造成稀土氧化物材料206的局部加热。如果需要，当稀土氧化物由电子束局部加热时，坩埚204可例如通过运送水的冷却管线被冷却。局部加热使稀土氧化物材料206蒸发，由此在传感器晶片208周围形成蒸发烟柱212并使稀土氧化物涂层沉积在传感器晶片208的前表面210、垂直侧、顶部斜角和底部斜角以及背面边缘处以形成抗蚀涂层214。

图2B是传感器晶片208的侧视图，该传感器晶片208包括衬底201以及覆盖物203，并具有顶部斜角218和底部斜角220、前表面210、后表面209以及垂直侧216。涂层214被形成在传感器晶片208的前表面210、垂直侧216以及顶部斜角218和底部斜角220上。通过使边缘暴露于蒸发烟柱，涂层214可涂布在顶部覆盖物203和衬底201的边缘并包裹在衬底底表面周围距边缘大约3mm至5mm的距离g内。涂层214的厚度优选地大约为2微米或更小。

为了形成均匀的涂层214，传感器晶片可绕Y轴转动。传感器晶片208在转动时也可以关于X轴充分倾斜一角度，以允许涂层214形成在后表面的垂直侧、顶部和底部斜角和边缘处。

传感器晶片的侧边缘和背侧的保护是可任选的。在一些情形下，如果传感器晶片略微地突出将晶片固定在蚀刻腔内的卡盘的边缘，则传感器晶片在边缘附近的背侧可能受到侵蚀。在边缘几毫米内的背侧保护涂层可能是有益的，例如在背侧的侵蚀会干扰传感器晶片的处理的情况下。

实验

已对具有硅覆盖物的传感器晶片进行了实验。覆盖物被涂布以不同类型的保护膜。膜包括稀土氧化物(Y₂O₃)和一些标准膜，例如氧化硅(比如SiO₂)、Kapton和旋涂式聚酰亚胺。Kapton指具有化学式聚(4,4'-氧二亚苯基-苯四甲酰亚胺)的聚合物。Kapton是特拉华的威尔明顿的E.I.Du Pont De Nemours公司的商标。针对蚀刻速率、晶片翘曲、膜对晶片温度范围和准确性的影响以及金属杂质来研究膜。涂层在同一蚀刻条件下相对于晶片翘曲、膜对晶片温度范围和准确性的影响以及金属杂质具有相似的性能。然而，在蚀刻速率方面具有显著的差别。通过将测得的蚀刻速率除以测得的膜厚来估计每个膜的寿命。唯一具有大于10小时的估计寿命的膜是Y₂O₃膜，它在1.5微米厚度下也是测试中最薄的膜。对于该膜的蚀刻速率是不可检测的，这也暗示着明显高于10小时并且明显高于任何其它膜的寿命。次优的膜(2微米厚的SiO₂)被估计为坚持5小时以下。50微米厚的Kapton膜被估计为坚持大约3小时，而2微米厚的旋涂式聚酰亚胺被估计为坚持15分钟以下。

具有1.5微米厚Y₂O₃涂膜的传感器晶片被用于具有HBr化学制剂的常见多晶蚀刻反应器中的原型测试。原型测试在典型HBr多晶蚀刻处方下执行。

测试结果表明，具有Y₂O₃涂膜和不具有Y₂O₃涂膜的硅传感器晶片之间的腔室温度差异落在测量噪声之内。因此，涂层的存在对由传感器测得的温度没有显著影响，并且涂层可被认为是非热干扰性的。观察到的Y₂O₃涂膜的蚀刻速率是最小至零的。在具有和不具有Y₂O₃涂膜的传感器晶片中不存在显著的传感器-传感器温度差异ΔT。此外，传感器-传感器晶片温度在启用等离子时的测试过程中是稳定的，在不同的等离子蚀刻过程下没有检测到Y₂O₃膜劣化或腐蚀的迹象。这些测试结果类似于使用六氟化硫(SF₆)蚀刻化学制剂的典型STI(浅沟槽隔离)蚀刻反应器中的原型测试。

涂有Y₂O₃的传感器晶片的性能超出了预期。没有膜腐蚀的迹象。然而已观察到，如果在保护涂层中具有针孔则传感器晶片受到腐蚀。针孔的存在被认为是由于晶片表面缺乏清洁的缘故。这些缺陷被认为包括颗粒、刮痕以及可能阻止膜成核并导致非均匀涂层的杂质区域。可以认为，缺陷的尺寸决定了后继涂层中针孔的尺寸。可通过下列步骤来减少或可能消除针孔缺陷：在涂布之前清洗晶片并随后检查晶片以确定晶片表面上是否存在大于一些可接受最大尺寸或以大于可接受的浓度存在的任何缺陷。例如，为寻找缺陷可使用标准晶片检查工具来扫描晶片表面。针孔的可接受最大尺寸和浓度可根据蚀刻工艺而改变。作为示例，对于受六氟化硫(SF₆)侵入性蚀刻的大约1.2μm厚的Y₂O₃膜来说，对于针孔来说可接受的最大尺寸可以是10μm而最大可接受浓度可以是45个针孔/25mm×25mm平方(大约7个针孔/平方厘米)。一个用SF₆的侵入性蚀刻的示例是在具有500V偏压的大约600W TCP功率、200毫托压强以及对于氯气(Cl₂)125SCCM、对于氧气(O₂)15SCCM、对于SF₆15 SCCM和对于氦气(He)50SCCM的气体流量下的等离子蚀刻。

为了减小针孔的尺寸和浓度(尤其是在边缘附近)，可在形成抗蚀涂层前专门地清洗和处理传感器晶片覆盖物以去除尘粒和/或有机杂质。

图3是示出制造传感器晶片的方法300的流程图。如301所示，形成衬底，并如302所示，形成覆盖物。具体地说，标准硅晶片可被磨削至要求的厚度以形成衬底。覆盖物可类似地由被磨削至要求的厚度的标准硅晶片形成。触点可被安置在覆盖物的一侧内。覆盖物可经受腐蚀性湿清洗，例如在氢氧化钾(KOH)中，从两侧被磨削至要求的厚度并被抛光。传感器(和任选地其它电子器件，例如处理器、收发器、存储器、电池等)可被附加于衬底，如303所示。例如，可在晶片的上表面形成腔，而传感器和其它组件可固定在腔内的适当位置。在一些实施例中，传感器和其它组件可在与衬底上表面内腔的位置对应的位置处附加于衬底覆盖物的背侧。在其它实施例中，腔可形成在晶片覆盖物中，而传感器和其它组件可在与腔位置对应的位置处直接附加于传感器晶片的上表面。

如304所示，覆盖物的上表面被预清洗以减少针孔浓度和针孔尺寸。借助示例，可使用任何用来去除有机杂质和/或颗粒的标准技术来清洗覆盖物的上表面。在预清洗之后，可用等离子或快速中性束主动地清洗覆盖物的上表面，如306所示。一旦被清洗，覆盖物的上表面可涂布保护涂层，如308所示。具体地说，上表面可通过蒸镀或物理气相沉积涂布稀土氧化物，例如Y₂O₃。涂层可以大约1.15μm厚，例如在1.1μm厚和1.2μm厚之间。实验已表明这一涂层厚度足够薄以避免裂纹形成。

在覆盖物被清洗之后，晶片覆盖物可附加于衬底的上表面，如310所示。可使用任何适宜的晶片结合工艺将覆盖物固定在衬底上的合适位置，其中传感器在衬底上表面和覆盖物之间。覆盖物的经涂布上表面形成所得到的传感器晶片的上表面。为了减少制造过程中的针孔形成，在制造过程中可仅在边缘处理覆盖物，并在将覆盖物附加至衬底期间和其它加工期间可避免与覆盖物表面接触。

衬底和覆盖物的严格制造顺序不是特别重要，只要传感器在覆盖物附加至衬底之前就位即可。可选择衬底和覆盖物的厚度以使完工后的传感器晶片大致具有与标准制造的晶片相同的厚度，标准制造的晶片在用传感器晶片来监视的蚀刻腔内被加工。在一些实施例中，覆盖物可在附加至晶片之后被涂布。这允许侧边缘和背侧边缘排除区连同晶片覆盖物的前表面一起被涂布。

如前所述那样制造的传感器晶片可被用来表征用于蚀刻硅的等离子蚀刻腔内的工艺。本文描述的传感器晶片可替代地用于多晶蚀刻腔工艺表征或湿法蚀刻(例如KOH)表征中。

虽然上文是本发明的优选实施例的完整说明，但可使用各种替代、修改及等效方案。因此，本发明的范围不应参考上述描述来确定，而是应参考随附权利要求连同其等效方案的全部范围来确定。描述的任何特征，无论其优选与否，均可与本文描述的任何其它特征组合，不管其优选与否。在接下来的权利要求中，除非另有直接说明，否则不定冠词“一”或“一个”是指跟随该冠词的项的一个或多个。随附权利要求不被解释为包括手段加功能(means-plus-function)的限制，除非在使用短语“用于…的装置”的给定权利要求中明显使用了这样的限制。

Claims (27)

1.一种传感器晶片，包括：

衬底；

附加于所述衬底的覆盖物；

定位于所述覆盖物和所述衬底之间的多个组件；以及

形成在所述覆盖物的一个或多个表面上以及所述衬底的一个或多个表面上的抗蚀涂层，其中所述覆盖物被布置在所述涂层的至少部分与所述衬底的至少部分之间，其中所述覆盖物不完全覆盖所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层形成于没有被所述覆盖物覆盖的所述衬底的所述顶表面的所有部分上，其中所述涂层经配置以抵抗蚀刻过程，所述蚀刻过程蚀刻所述覆盖物和/或衬底的时间比厚度与所述涂层相同或更大的标准薄膜材料更长，所述标准薄膜材料为二氧化硅、聚酰亚胺、氮化硅、旋涂式玻璃、光阻剂、氮化铝、或氮化钛，其中所述覆盖物附加于所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层不包含尺寸大于10微米的针孔，以及针孔浓度小于7针孔/平方厘米，其中所述多个组件包含一个或多个传感器以及除了所述一个或多个传感器以外的一个或多个电子组件，且其中所述一个或多个电子组件包含处理器、收发器、存储器、电池或其组合。

2.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层具有2微米或更小的厚度。

3.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层包括稀土氧化物层。

4.如权利要求3所述的传感器晶片，其特征在于，所述稀土氧化物包括氧化钇(Y₂0₃)。

5.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层不包含裂纹。

6.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层的寿命为至少10小时。

7.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层覆盖所述覆盖物的边缘和所述衬底的边缘。

8.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述覆盖物由半导体材料制成。

9.如权利要求8所述的传感器晶片，其特征在于，所述覆盖物由硅制成。

10.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述衬底由半导体材料制成。

11.如权利要求10所述的传感器晶片，其特征在于，所述衬底由硅制成。

12.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述一个或多个传感器包含温度传感器，且其中所述抗蚀涂层在蚀刻过程中以及所述抗蚀涂层的整个寿命期间是没有热干扰的。

13.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层不包含杂质金属。

14.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述一个或多个传感器包含RTD、热敏电阻、热电偶、压电传感器、压强换能器、流量传感器、湿度传感器、湿气传感器、化学成分传感器、离子电流密度传感器、位移传感器、或其组合。

15.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述衬底是整片未切割的晶片衬底。

16.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述抗蚀涂层涂覆所述覆盖物的上表面。

17.如权利要求1所述的传感器晶片，其特征在于，所述聚酰亚胺为旋涂式聚酰亚胺。

18.一种用于制造传感器晶片的方法，所述传感器晶片具有衬底和覆盖物，所述方法包括：

a)在所述覆盖物的一个或多个表面上以及所述衬底的一个或多个表面上形成抗蚀涂层，其中所述覆盖物被布置在所述涂层的至少部分与所述衬底的至少部分之间；

b)在所述覆盖物和所述衬底之间形成多个组件；以及

c)将所述覆盖物附连至所述衬底，

其中所述覆盖物不完全覆盖所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层形成于没有被所述覆盖物覆盖的所述衬底的所述顶表面的所有部分上，其中所述涂层经配置以抵抗蚀刻过程，所述蚀刻过程蚀刻所述覆盖物和/或衬底的时间比厚度与所述涂层相同或更大的标准薄膜材料更长，所述标准薄膜材料为二氧化硅、聚酰亚胺、氮化硅、旋涂式玻璃、光阻剂、氮化铝、或氮化钛，其中所述覆盖物附加于所述衬底的顶表面，其中所述抗蚀涂层不包含尺寸大于10微米的针孔，以及针孔浓度小于7针孔/平方厘米，其中所述多个组件包含一个或多个传感器以及除了所述一个或多个传感器以外的一个或多个电子组件，且其中所述一个或多个电子组件包含处理器、收发器、存储器、电池或其组合。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，a)在b)和c)之后执行。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述抗蚀涂层是稀土氧化物层。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物包括氧化钇(Y₂0₃)。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述抗蚀涂层包括所述稀土氧化物的电子束蒸镀或其它物理气相沉积。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物涂层具有2微米或更小的厚度。

24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，b)包括形成衬底，其中所述衬底包括在所述衬底顶部内的多个腔，并将多个组件嵌入到所述多个腔内以使每个组件位于每个腔内。

25.如权利要求18所述的方法，其特征在于，a)包括在沉积所述涂层前清洗所述表面。

26.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述抗蚀涂层不包含杂质金属。

27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺为旋涂式聚酰亚胺。

Images