CN111653467B - 一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法 - Google Patents

一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法，包括同时置于刻蚀机的刻蚀腔中的耦合梁式谐振器和温度补偿传感器，耦合梁式谐振器和温度补偿传感器的刻蚀信号数据采集分别通过一个闭环振荡电路完成，两个闭环振荡电路将刻蚀信号数据发送至上位机进行数据处理，并通过上位机进行图形化的显示，上位机与刻蚀机的刻蚀信号数据共享；耦合梁式谐振器包括连接杆，连接杆的两端分别和谐振梁中部内侧连接，谐振梁的上下两端均由锚点形成固支，每个谐振梁外侧连接有梳齿装置，梳齿装置外端由锚点形成固支；连接杆中部两侧悬挂有刻蚀方板，刻蚀方板用作刻蚀区域；本发明检测系统具有结构简单、成本低、检测精度高，能够精确控制硅、氧化硅等刻蚀深度等优点。

Description

一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)在线监测系统技术领域，具体涉及一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法。
背景技术
电感耦合等离子体刻蚀是一种重要的微纳加工技术，它的功能是利用高密度等离子体实现光刻胶图形到功能薄膜的转移。电感耦合等离子体刻蚀实现图形转移的一个重要参数就是高度精确的刻蚀深度，刻蚀深度不能满足设计要求将直接导致微纳加工流程的终止。传统的电感耦合等离子体刻蚀系统的缺点是没有刻蚀终点检测功能。刻蚀深度决定于刻蚀速率和刻蚀时间的乘积，它对设备速率的稳定性要求苛刻，但影响刻蚀速率的因素很多(功率、气压、气体流量、衬底温度)，任何因素的不稳定都将导致刻蚀速率的变化，所以高精度的刻蚀深度无法保证。
目前，国内外大多数的电感耦合等离子体刻蚀系统均配有终点检测系统提升系统的刻蚀深度检测，保障结构和器件不因深度刻蚀误差导致失败。常用的电感耦合等离子体刻蚀系统有两种终点检测系统：Optical emission spectroscopy(OES)或LaserInterferometer(LI)。
OES是检测等离子体发出辉光的波长，主要基于不同种类刻蚀副产物发射辉光的不同波长判断刻蚀目标深度，因此需要刻蚀停止层，所以主要用于多层薄膜中的单层薄膜刻蚀终点检测或者腔室清洗而不能用于单层材料刻蚀过程深度检测；因为等离子体辉光信号强度依赖于数量，而等离子体数量依赖于样品面积和刻蚀速率，所以小面样品刻蚀需要高刻蚀速率，而大面积样品刻蚀可以相对较低刻蚀速率。
LI是基于干涉光学的检测方法，利用d＝λ/2n测量刻蚀速率和刻蚀深度。因为商用的激光波长为670nm和950nm，所以检测的最小刻蚀深度大于335nm；此外，激光束斑大约50μm，因此要求刻蚀区域大于100μm*100μm。LI需要人工定位检测位置，无法实现批量刻蚀的自动定位检测。OES和LI终点检测系统共同的缺点是无法实现体材料刻蚀(＞100μm)。
中国专利(公开号：CN103824790A，名称为“离子束刻蚀深度检测方法”)先在石英晶振的电极上镀一层同等刻蚀材料，然后将石英晶振放入离子束刻蚀腔体与刻蚀样品同刻蚀，最后综合分析频率变化得到刻蚀深度。该方法的缺点：1、没有考虑刻蚀图形特征尺寸与刻蚀速率的影响。2、不具有普适性，因为不是所有的材料都能沉积在电极上。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统及方法，仅需通过检测耦合梁式谐振器的频率变化推算出刻蚀深度，实现刻蚀端点的监测；进行相应的温度补偿并完成信号采集，将测试数据发送至上位机进行数据处理；将信号采集系统的数据进行图形化的显示，并与刻蚀机的数据进行共享，方便对刻蚀过程进行有效的控制；检测系统具有结构简单、成本低、检测精度高，能够精确控制硅、氧化硅等刻蚀深度等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，包括耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2，耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2同时置于刻蚀机4的刻蚀腔中，耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2的刻蚀信号数据采集分别通过一个闭环振荡电路完成，两个闭环振荡电路将刻蚀信号数据发送至上位机3进行数据处理，并通过上位机3进行图形化的显示，上位机3与刻蚀机4的刻蚀信号数据共享。
所述的耦合梁式谐振器1包括连接杆5，连接杆5的两端分别和谐振梁6的中部内侧连接，谐振梁6的上下两端均由锚点10形成固支，每个谐振梁6的外侧连接有梳齿装置7，梳齿装置7的外端由锚点10形成固支；一侧的梳齿装置7提供谐振梁6振动所需的激振力，将其振动的位移传递至连接杆5另一端的谐振梁6，通过连接杆5另一侧的谐振梁6连接的梳齿装置7检测振动情况，连接杆5中部两侧悬挂有刻蚀方板8，刻蚀方板8用作刻蚀区域。
所述的耦合梁式谐振器1用盖帽9进行封装，对耦合梁式谐振器1的锚点10上的电极和电路进行保护；盖帽9上留有窗口，窗口位于连接杆5中部悬挂的两个刻蚀方板8的正上方，充当刻蚀方板8的硅结构掩膜。
所述的温度补偿传感器2结构与耦合梁式谐振器1相同，区别在于温度补偿传感器2上的盖帽为密闭式，使其不被刻蚀，只受温度变化而引起频率变化。
所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统的刻蚀深度检测范围为50nm～10μm，刻蚀深度分辨率10nm,环境气压1mTorr～40mTorr。
基于一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)设定刻蚀机4工艺参数；
2)将耦合梁式谐振器1与温度补偿传感器2置于刻蚀腔中，通入等离子体刻蚀气体进行刻蚀；
3)利用两个闭环振荡电路实现耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2的闭环振荡，输出稳定的振荡频率信号；两个闭环振荡电路进行温度补偿并完成刻蚀信号数据采集，将刻蚀信号数据发送至上位机3进行数据处理，进行实时的深度检测；
4)上位机3将处理后的刻蚀信号数据进行图形化的显示，上位机3与刻蚀机4的刻蚀信号数据共享，方便对刻蚀过程进行控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明用耦合梁式谐振器1作为敏感器件，耦合梁式谐振器1随着刻蚀深度的变化，模态质量和模态刚度受到刻蚀区域的变化而发生改变，从而改变谐振频率的漂移，利用刻蚀参数与频率之间的线性关系实现刻蚀深度检测。通过耦合梁式谐振器1的拓扑结构设计来进行解耦，可实现质量与刚度的解耦，耦合梁式谐振器1的刻蚀方板8质量改变时只会引起谐振梁6谐振频率的改变，不会造成谐振梁6刚度的改变，确保刻蚀深度与频率漂移的线性关系。同时，进行在线温度补偿，确保测量结果的准确性和降低测量噪声。本发明提出的利用耦合梁式谐振器1来检测刻蚀深度的终点检测系统，与现有的技术相比，不受刻蚀面积、层内和层间限制，既能样品刻蚀深度检测又能腔室清洗终点检测；用于微纳加工实验室的电感耦合等离子体刻蚀系统，提高刻蚀精度，延长设备寿命。本发明检测系统具有结构简单、成本低、检测精度高，能够精确控制硅、氧化硅等刻蚀深度等优点。
附图说明
图1为本发明基于谐振器的刻蚀终点检测系统的示意图。
图2为本发明耦合梁式谐振器的结构示意图。
图3本发明耦合梁式谐振器的结构封装示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构和工作原理做详细说明。
参照图1，一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，包括耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2，耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2同时置于刻蚀机4的刻蚀腔中，耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2的刻蚀信号数据采集分别通过一个闭环振荡电路完成，两个闭环振荡电路将刻蚀信号数据发送至上位机3进行数据处理，并通过上位机3进行图形化的显示，上位机3与刻蚀机4的刻蚀信号数据共享，方便对刻蚀过程进行有效的控制。
参照图2，所述的耦合梁式谐振器1包括连接杆5，连接杆5的两端分别和谐振梁6的中部内侧连接，谐振梁6的上下两端均由锚点10形成固支，每个谐振梁6的外侧连接有梳齿装置7，梳齿装置7的外端由锚点10形成固支；一侧的梳齿装置7提供谐振梁6振动所需的激振力，将其振动的位移传递至连接杆5另一端的谐振梁6，通过连接杆5另一侧的谐振梁6连接的梳齿装置7检测振动情况，连接杆5中部两侧悬挂有刻蚀方板8，刻蚀方板8用作刻蚀区域。
参照图3，所述的耦合梁式谐振器1用盖帽9进行封装，对耦合梁式谐振器1的锚点10上的电极和电路进行保护；盖帽9上留有窗口，窗口位于连接杆5中部悬挂的两个刻蚀方板8的正上方，充当刻蚀方板8的硅结构掩膜；将耦合梁式谐振器1的刻蚀方板8裸露在等离子体刻蚀气体中，刻蚀实现刻蚀方板8的局部质量变化，局部质量变化影响左侧和右侧的谐振梁6的谐振频率的变化；鉴于刻蚀机4在工作过程中的真空度约为1～10mTorr,满足耦合梁式谐振器1对真空工作环境的需求，因此不需要进行单独的真空密封封装。
所述的温度补偿传感器2结构与耦合梁式谐振器1相同，区别在于温度补偿传感器2上的盖帽为密闭式，使其不被刻蚀，只受温度变化而引起频率变化。
基于一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)设定刻蚀机4工艺参数，如功率、气体及流量、气压、温度、时间等；
2)将耦合梁式谐振器1与温度补偿传感器2置于刻蚀腔中，通入等离子体刻蚀气体进行刻蚀；
3)利用两个闭环振荡电路(自动增益控制或锁相环回路)实现耦合梁式谐振器1和温度补偿传感器2的闭环振荡，输出稳定的振荡频率信号；两个闭环振荡电路进行温度补偿并完成刻蚀信号数据采集，将刻蚀信号数据发送至上位机3进行数据处理，进行实时的深度检测；
4)上位机3将处理后的刻蚀信号数据进行图形化的显示，上位机3与刻蚀机4的刻蚀信号数据共享，方便对刻蚀过程进行有效的控制。
本发明的工作原理为：
耦合梁式谐振器1的频率主要由其模态质量和模态刚度决定。在刻蚀过程中，耦合梁式谐振器1随着刻蚀深度的变化，模态质量和模态刚度受到刻蚀区域的变化而发生改变，从而改变谐振频率的漂移，因此刻蚀参数与频率之间的线性关系是基于频率跟踪的刻蚀深度检测的基本原理。通过耦合梁式谐振器1的拓扑结构设计来进行解耦，耦合梁式谐振器1的刻蚀方板8质量改变时只会引起谐振梁6谐振频率的改变，不会造成谐振梁6刚度的改变，确保刻蚀深度与频率漂移的线性关系。同时，开展耦合梁式谐振器1进行在线温度补偿，确保测量结果的准确性和降低测量噪声。
对上述原理进行理论分析，并进行理论计算和仿真。
假设盖帽9上掩膜窗口的宽为Δw,在刻蚀方板上刻蚀的深度为Δh,则刻蚀方板8的质量变化为：
Δm＝ρ×Δw×Δh
ρ为刻蚀方板的密度；
则刻蚀过程中，耦合梁式谐振器1随着刻蚀深度变化而引起的频率变化可表示为：
Figure GDA0002897412720000081
其中，ω0为谐振梁6的本征频率，k为谐振器刚度，m为耦合梁式谐振器1质量，此耦合结构可实现质量与刚度的解耦，刻蚀方板8质量Δm改变时只会引起谐振梁6谐振频率Δω0的改变，不会造成谐振梁6刚度Δk的改变。通过标定耦合梁式谐振器1的频率变化和被刻蚀深度之间的关系，即可以利用频率偏移来追踪刻蚀的深度。频率和深度的关系，将通过接口电路传送到上位机3，进行图形化显示。
本发明利用SOI加工工艺，耦合梁式谐振器1结构简单，加工简单，检测系统具有低成本、体积小，精度高等特点。

Claims (6)

1.一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，其特征在于：包括耦合梁式谐振器(1)和温度补偿传感器(2)，耦合梁式谐振器(1)和温度补偿传感器(2)同时置于刻蚀机(4)的刻蚀腔中，耦合梁式谐振器(1)和温度补偿传感器(2)的刻蚀信号数据采集分别通过一个闭环振荡电路完成，两个闭环振荡电路将刻蚀信号数据发送至上位机(3)进行数据处理，并通过上位机(3)进行图形化的显示，上位机(3)与刻蚀机(4)的刻蚀信号数据共享。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，其特征在于：所述的耦合梁式谐振器(1)包括连接杆(5)，连接杆(5)的两端分别和谐振梁(6)的中部内侧连接，谐振梁(6)的上下两端均由锚点(10)形成固支，每个谐振梁(6)的外侧连接有梳齿装置(7)，梳齿装置(7)的外端由锚点(10)形成固支；一侧的梳齿装置(7)提供谐振梁(6)振动所需的激振力，将其振动的位移传递至连接杆(5)另一端的谐振梁(6)，通过连接杆(5)另一侧的谐振梁(6)连接的梳齿装置(7)检测振动情况，连接杆(5)中部两侧悬挂有刻蚀方板(8)，刻蚀方板(8)用作刻蚀区域。
3.根据权利要求2所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，其特征在于：所述的耦合梁式谐振器(1)用盖帽(9)进行封装，对耦合梁式谐振器(1)的锚点(10)上的电极和电路进行保护；盖帽(9)上留有窗口，窗口位于连接杆(5)中部悬挂的两个刻蚀方板(8)的正上方，充当刻蚀方板(8)的硅结构掩膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，其特征在于：所述的温度补偿传感器(2)结构与耦合梁式谐振器(1)相同，区别在于温度补偿传感器(2)上的盖帽为密闭式，使其不被刻蚀，只受温度变化而引起频率变化。
5.根据权利要求1所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统，其特征在于：检测范围为50nm～10μm，刻蚀深度分辨率10nm,环境气压1mTorr～40mTorr。
6.基于权利要求1所述的一种基于谐振器的刻蚀终点检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设定刻蚀机(4)工艺参数；
2)将耦合梁式谐振器(1)与温度补偿传感器(2)置于刻蚀腔中，通入等离子体刻蚀气体进行刻蚀；
3)利用两个闭环振荡电路实现耦合梁式谐振器(1)和温度补偿传感器(2)的闭环振荡，输出稳定的振荡频率信号；两个闭环振荡电路进行温度补偿并完成刻蚀信号数据采集，将刻蚀信号数据发送至上位机(3)进行数据处理，进行实时的深度检测；
4)上位机(3)将处理后的刻蚀信号数据进行图形化的显示，上位机(3)与刻蚀机(4)的刻蚀信号数据共享，方便对刻蚀过程进行控制。
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