CN111076671B - 一种悬空结构翘曲的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种悬空结构翘曲的检测方法，包括如下步骤：S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构；S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到微桥的长度CD1和宽度CD2；S03：若微桥的长度CD1小于非悬空结构中微桥的长度CD1’，或者微桥的宽度CD2小于非悬空结构中微桥的宽度CD2’，则表明微桥发生翘曲，进入步骤S04；S04：测量悬空结构中微桥不同位置的焦距，若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。本发明提供的一种悬空结构翘曲的检测方法，可以简单快捷地检测出悬空结构中悬梁臂和微桥的翘曲情况。

Description

一种悬空结构翘曲的检测方法
技术领域
本发明涉及集成电路悬空结构检测领域，具体涉及一种悬空结构翘曲的检测方法。
背景技术
MEMS/Sensor产品一般会涉及悬梁臂或者微桥等悬空结构，悬梁臂和微桥结构通常是在牺牲层上制备出悬梁臂或者微桥，之后通过释放牺牲层的方法形成悬梁臂和微桥下方的空隙。其中悬梁臂用于从两侧支撑微桥，从而使得微桥完全悬空在衬底上。在制备悬梁臂以及释放牺牲层过程中，悬空结构由于应力控制问题会导致向上或者向下翘曲，进而会导致MEMS/Sensor产品性能降低。
在设定制备工艺参数的时候，工艺人员也需要根据悬空结构发生翘曲的具体情况来不断调整工艺参数，因此，需要及时检测悬空结构的翘曲情况，为工艺参数的调整提供参考，也避免MEMS/Sensor产品中悬空结构的翘曲影响产品性能。由于悬空结构在MEMS/Sensor产品中所占比例较小，通常需要破坏MEMS/Sensor产品结构，才能准确判断悬空结构的翘曲情况，而这种检测方式不具有可持续性，对于产品造成了不可逆转的损坏。
因此，如何发明一种有效的量化翘曲程度的方案，来实现该结构涉及的薄膜应力控制和监控是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬空结构翘曲的检测方法，利用悬空结构翘曲后，其投影尺寸减小的特点，来分类识别悬空结构的翘曲情况，并通过悬空结构中不同位置焦距的对比，确定翘曲方向。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种悬空结构翘曲的检测方法，包括如下步骤：
S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构，其中，悬空结构和非悬空结构均包括微桥，位于微桥两侧的两个悬梁臂，以及位于微桥两侧的两个固定端，所述固定端固定在衬底上，所述悬梁臂的一端连接固定端，另一端连接所述微桥，所述悬空结构中微桥和悬梁臂处于悬空状态，所述非悬空结构中微桥和悬梁臂固定在衬底上；
S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2，以及非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’；
S03：若微桥的长度CD1和宽度CD2均等于非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’，则表明微桥未发生翘曲；
若微桥的长度CD1小于非悬空结构中微桥的长度CD1’，或者微桥的宽度CD2小于非悬空结构中微桥的宽度CD2’，则表明微桥发生翘曲，进入步骤S04；
S04：测量悬空结构中微桥不同位置的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
进一步地，所述成像图形中微桥表面为亮色，微桥周围的间隙部分为暗色。
进一步地，所述步骤S03中，当所述悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2均等于非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’时，判断成像图形中微桥表面的像素平均值，若所述微桥表面的像素平均值小于微桥像素值阈值，则表明微桥塌陷。
一种悬空结构翘曲的检测方法，包括如下步骤：
S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构，其中，悬空结构和非悬空结构均包括微桥，位于微桥两侧的两个悬梁臂，以及位于微桥两侧的两个固定端，所述固定端固定在衬底上，所述悬梁臂的一端连接固定端，另一端连接所述微桥，所述悬空结构中微桥和悬梁臂处于悬空状态，所述非悬空结构中微桥和悬梁臂固定在衬底上；
S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到所述悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4，以及非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’；
S03：若悬梁臂的长度CD3和宽度CD4均等于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’，则表明悬梁臂未发生翘曲；
若悬梁臂的长度CD3小于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’，或者悬梁臂的宽度CD4小于非悬空结构中悬梁臂的宽度CD4’，则表明悬梁臂发生翘曲，进入步骤S04；
S04：测量悬空结构中悬梁臂不同位置的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
进一步地，所述成像图形中悬梁臂表面为亮色，悬梁臂周围的间隙部分为暗色。
进一步地，所述步骤S03中，当所述悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4均等于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’时，判断成像图形中悬梁臂表面的像素平均值，若所述悬梁臂表面的像素平均值小于悬梁臂像素阈值，则表明悬梁臂塌陷。
进一步地，所述悬梁臂为蛇形，且所述悬梁臂中包含M个拐点，所述悬梁臂的宽度为悬梁臂中节点A与所述微桥表面之间的距离；所述悬梁臂的长度为相邻的悬梁臂拐点B和悬梁臂拐点C之间的距离；所述悬空结构和非悬空结构中节点A、拐点B和拐点C的位置相同，M为大于0的正整数。
进一步地，所述拐点包含悬梁臂的起点、终点和转折点。
进一步地，所述悬梁臂的长度方向和宽度方向不重合。
本发明的有益效果为：本发明利用悬空结构翘曲后，其投影尺寸减小的特点，来分类识别悬空结构的翘曲情况，并实现量化判断悬空结构的翘曲程度。同时由于图形翘曲包括向上弯曲和向下弯曲，本发明通过光学CD测量焦距，通过对比参考位置和测量位置聚焦的焦距差异，来判断微桥或悬梁臂是向上或者向下弯曲。整个检测方法简单快捷，可广泛适用于悬空结构的翘曲判断中。
附图说明
附图1为实施例1中的悬空结构；
附图2为实施例1中的悬梁臂翘曲示意图。
图中：1悬梁臂，2微桥，3固定端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
一种悬空结构翘曲的检测方法，包括如下步骤：
S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构，其中，悬空结构和非悬空结构均包括微桥，位于微桥两侧的两个悬梁臂，以及位于微桥两侧的两个固定端，固定端固定在衬底上，悬梁臂的一端连接固定端，另一端连接微桥，悬空结构中微桥和悬梁臂处于悬空状态，非悬空结构中微桥和悬梁臂固定在衬底上。
本发明对于悬空结构的具体形状不做限定，只需确保悬空结构和非悬空结构在结构及尺寸上均相同即可，二者的区别仅在于悬空结构中悬梁臂和微桥处于悬空状态，固定端固定在衬底上；而非悬空结构中悬梁臂、微桥以及固定端均固定在衬底上。在后续检测过程中，以非悬空结构中尺寸作为参考。具体到MEMS/Sensor产品中，可以在产品的同一区域同时形成悬空结构和非悬空结构，非悬空结构中各器件的尺寸固定，并作为后续对比值。
实际应用中，悬梁臂俯视图为蛇形分布，且悬梁臂中包含M个拐点，其中，拐点包含悬梁臂的起点、终点和转折点，悬梁臂的宽度为悬梁臂中节点A与微桥表面之间的距离；悬梁臂的长度为相邻的悬梁臂拐点B和悬梁臂拐点C之间的距离；悬空结构和非悬空结构中节点A、拐点B和拐点C的位置相同，M为大于0的正整数。其中，当A节点为第M-1个拐点，且第M-1个拐点与蛇形悬梁臂的终点形成的悬梁臂部分垂直于微桥表面时，若再定义悬梁臂的长度为第M-1个拐点与第M个拐点(终点)之间的距离，则会出现悬梁臂的长度和宽度重合的现象，本发明优选地排除这种情况，从而对悬梁臂进行二维尺寸上的判断。其中，第一个拐点指的是蛇形悬梁臂的起点，第2个拐点指的是蛇形悬梁臂起点之后的第一个转折点，第M个拐点指的是蛇形悬梁臂的终点，第M-1个拐点指的是邻近蛇形悬梁臂终点的转折点。
S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2，以及非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’；根据成像图形得到悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4，以及非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’。
注意：本发明中成像图形是俯视成像的，在悬空结构的成像图形中，悬梁臂和微桥表面图形为亮色，悬梁臂和微桥周围的间隙部分对应的衬底与成像设备之间的距离大于微桥或悬梁臂与成像装置之间的距离，因此，间隙部分对成像光线的反射较弱，即间隙部分相对悬梁臂和微桥为暗色。注意：这里的间隙部分是指悬空结构之外的部分，本发明中悬空结构可以位于悬空阵列中，也可以为单独的悬空结构。悬空阵列中的悬空结构之间的空隙即为间隙部分。
因此，在成像图形中通过像素值的亮暗程度可以识别出微桥和悬梁臂的位置，具体可以设置一个亮度阈值，成像图形中大于该亮度阈值的像素被标记为亮色，小于等于该亮度阈值的像素被标记为暗色，进而识别出亮色暗色边界，通过该边界测量出微桥的长度CD1和宽度CD2，以及悬梁臂的的长度CD3和宽度CD4。同时，本发明中非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’，以及非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’也可以通过上述方法在成像图形中进行测量，悬梁臂表面与衬底表面对光线的反射程度不同。根据成像图形通过算法计算图形尺寸可以采用现有技术中的任意计算方法进行。
S03：分别判断悬空结构中微桥和悬梁臂的翘曲情况：
针对微桥，若悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2均等于非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’，则表明微桥未发生翘曲。此时还需要进一步判断成像图形中微桥表面的像素平均值，具体可以设定一个微桥像素阈值，若微桥表面的像素平均值小于微桥像素值阈值，说明成像图形中微桥距离成像装置的距离较正常位置的微桥要远，表明微桥整体塌陷，即整体塌陷在衬底上。
若悬空结构中微桥的长度CD1小于非悬空结构中微桥的长度CD1’，或者微桥的宽度CD2小于非悬空结构中微桥的宽度CD2’，则表明微桥发生翘曲，进入步骤S04。此时还可以根据微桥的长度CD1与非悬空结构中微桥的长度CD1’之间的差值△CD1，以及微桥的宽度CD2与非悬空结构中微桥的宽度CD2’之间的差值△CD2来判断微桥翘曲程度；例如，可以将微桥翘曲情况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三等，当△CD1＜M1时，则微桥在长度方向上的翘曲程度为Ⅰ，当M1＜△CD1＜M2时，则微桥在长度方向上的翘曲程度为Ⅱ，当M2＜△CD1时，则微桥在长度方向上的翘曲程度为Ⅲ，其中，M1小于M2，可以手动设置。当△CD2＜N1时，则微桥在宽度方向上的翘曲程度为Ⅰ，当N1＜△CD2＜N2时，则微桥在宽度方向上的翘曲程度为Ⅱ，当N2＜△CD2时，则微桥在宽度方向上的翘曲程度为Ⅲ；其中，N1小于N2，可以手动设置。
值得说明的是，本发明中微桥长度和宽度可以根据经验值进行设定，对于特定结构的悬空结构，可以根据经验值设定微桥容易发生翘曲部位，并在该部位上设定微桥的长度和宽度，并与非悬空结构中对应位置的长度和宽度进行对比。
针对悬梁臂，若悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4均等于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’，则表明悬梁臂未发生翘曲。此时还需要进一步判断成像图形中悬梁臂表面的像素平均值，具体可以设定一个悬梁臂像素阈值，若悬梁臂表面的像素平均值小于悬梁臂像素阈值，说明成像图形中悬梁臂距离成像装置的距离较正常位置的悬梁臂要远，表明悬梁臂整体塌陷，即整体塌陷在衬底上。
若悬空结构中悬梁臂的长度CD3小于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’，或者悬梁臂的宽度CD4小于非悬空结构中悬梁臂的宽度CD4’，则表明悬梁臂发生翘曲，进入步骤S04。此时还可以根据悬梁臂的长度CD3与非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’之间的差值△CD3，以及悬梁臂的宽度CD4与非悬空结构中悬梁臂的宽度CD4’之间的差值△CD4来判断悬梁臂翘曲程度；例如，可以将悬梁臂翘曲情况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三等，当△CD3＜L1时，则悬梁臂在长度方向上的翘曲程度为Ⅰ，当L1＜△CD3＜L2时，则悬梁臂在长度方向上的翘曲程度为Ⅱ，当L2＜△CD3时，则悬梁臂在长度方向上的翘曲程度为Ⅲ，其中，L1小于L2，可以手动设置。当△CD4＜K1时，则悬梁臂在宽度方向上的翘曲程度为Ⅰ，当K1＜△CD4＜K2时，则悬梁臂在宽度方向上的翘曲程度为Ⅱ，当K2＜△CD4时，则悬梁臂在宽度方向上的翘曲程度为Ⅲ；其中，K1小于K2，可以手动设置。
值得说明的是，本发明中悬梁臂长度和宽度可以根据经验值进行设定，对于特定结构的悬空结构，可以根据经验值设定悬梁臂容易发生翘曲部位，并在该部位上设定悬梁臂的长度和宽度，并与非悬空结构中对应位置的长度和宽度进行对比。
S04：测量悬空结构中微桥各处的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
测量悬空结构中微桥各处的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
本发明中针对悬梁臂和微桥的判断可以同时进行，也可以根据需要仅对微桥或者悬梁臂进行判断。
如附图1所示，为其中一种悬空结构的示意图，该实例中，固定端3固定在衬底上，悬梁臂1为L型结构，其中，微桥2的俯视图为长方形。本实施例中定义微桥的长度为水平方向桑的长度，微桥的宽度为竖直方向上的宽度，悬梁臂的长度为固定端与L型悬梁臂拐点之间的距离，悬梁臂的宽度为节点A与微桥表面之间的距离。本发明中针对悬梁臂和微桥的翘曲情况是分别进行判断的，因此，并不限定悬梁臂的长度等于微桥的长度。
如附图2所示，本实施例中悬空结构中悬梁臂在宽度方向上发生翘曲，悬梁臂的宽度，即节点A与微桥之间的距离CD4相比非悬空结构中悬梁臂的宽度CD4’变小了，即悬梁臂在宽度方向上发生翘曲。
本发明中焦距测量和图像尺寸测量在工艺上是同时进行的，可以利用光学CD(critical dimension，关键尺寸)的方法进行光学成像和焦距测量，测量原理为：先通过自动/手动对焦进行光学成像，然后通过算法计算图形尺寸。事实上，任何光学成像设备都需要/也能够进行光学聚焦，聚焦成像后其焦距也就已知了。即光学成像设备是用来成像的，成像时本身会需要聚焦，也就是得到了图形待测位置的焦距。本发明可以在成像过程中，同时计算图形尺寸并记录各处焦距。
本发明利用悬空结构翘曲后，其投影尺寸减小的特点，来分类识别悬空结构的翘曲情况，并实现量化判断悬空结构的翘曲程度。同时由于图形翘曲包括向上弯曲和向下弯曲，本发明通过光学CD测量焦距，通过对比参考位置和测量位置聚焦的焦距差异，来判断微桥或悬梁臂是向上或者向下弯曲。整个检测方法简单快捷，可广泛适用于悬空结构的翘曲判断中。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构，其中，悬空结构和非悬空结构均包括微桥，位于微桥两侧的两个悬梁臂，以及位于微桥两侧的两个固定端，所述固定端固定在衬底上，所述悬梁臂的一端连接固定端，另一端连接所述微桥，所述悬空结构中微桥和悬梁臂处于悬空状态，所述非悬空结构中微桥和悬梁臂固定在衬底上；
S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2，以及非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’；
S03：若微桥的长度CD1和宽度CD2均等于非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’，则表明微桥未发生翘曲；具体的，当所述悬空结构中微桥的长度CD1和宽度CD2均等于非悬空结构中微桥的长度CD1’和宽度CD2’时，判断成像图形中微桥表面的像素平均值，若所述微桥表面的像素平均值小于微桥像素值阈值，则表明微桥塌陷；
若微桥的长度CD1小于非悬空结构中微桥的长度CD1’，或者微桥的宽度CD2小于非悬空结构中微桥的宽度CD2’，则表明微桥发生翘曲，进入步骤S04；
S04：测量悬空结构中微桥不同位置的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
2.根据权利要求1所述的一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，所述成像图形中微桥表面为亮色，微桥周围的间隙部分为暗色。
3.一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在衬底上设置结构相同的悬空结构和非悬空结构，其中，悬空结构和非悬空结构均包括微桥，位于微桥两侧的两个悬梁臂，以及位于微桥两侧的两个固定端，所述固定端固定在衬底上，所述悬梁臂的一端连接固定端，另一端连接所述微桥，所述悬空结构中微桥和悬梁臂处于悬空状态，所述非悬空结构中微桥和悬梁臂固定在衬底上；
S02：在悬空结构的正上方对悬空结构和非悬空结构进行俯视成像，根据成像图形得到所述悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4，以及非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’；
S03：若悬梁臂的长度CD3和宽度CD4均等于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’，则表明悬梁臂未发生翘曲；具体的，当所述悬空结构中悬梁臂的长度CD3和宽度CD4均等于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’和宽度CD4’时，判断成像图形中悬梁臂表面的像素平均值，若所述悬梁臂表面的像素平均值小于悬梁臂像素阈值，则表明悬梁臂塌陷；
若悬梁臂的长度CD3小于非悬空结构中悬梁臂的长度CD3’，或者悬梁臂的宽度CD4小于非悬空结构中悬梁臂的宽度CD4’，则表明悬梁臂发生翘曲，进入步骤S04；
S04：测量悬空结构中悬梁臂不同位置的焦距，若焦距等于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置未发生翘曲；若焦距大于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向下的翘曲；若焦距小于非悬空结构中对应位置的焦距，则该位置发生向上的翘曲。
4.根据权利要求3所述的一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，所述成像图形中悬梁臂表面为亮色，悬梁臂周围的间隙部分为暗色。
5.根据权利要求3所述的一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，所述悬梁臂为蛇形，且所述悬梁臂中包含M个拐点，所述悬梁臂的宽度为悬梁臂中节点A与所述微桥表面之间的距离；所述悬梁臂的长度为相邻的悬梁臂拐点B和悬梁臂拐点C之间的距离；所述悬空结构和非悬空结构中节点A、拐点B和拐点C的位置相同，M为大于0的正整数。
6.根据权利要求5所述的一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，所述拐点包含悬梁臂的起点、终点和转折点。
7.根据权利要求6所述的一种悬空结构翘曲的检测方法，其特征在于，所述悬梁臂的长度方向和宽度方向不重合。
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