DE102006006890A1

DE102006006890A1 - Verfahren zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements und entsprechende Prüfstruktur

Info

Publication number: DE102006006890A1
Application number: DE200610006890
Authority: DE
Inventors: Klaus Schuette; Neil Davies; Andreas Duell; Gerhard Lammel; Matthias Neubauer; Volkmar Senz; Thomas Schnitzler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-16
Also published as: WO2007093497A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit einer Mehrzahl von diskreten Testmustern (T1-T4), wobei die Testmuster (T1-T4) durch Entwickeln (S3) strukturell unterschiedlich ausgelöst sind, so dass die strukturelle Auflösung eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ist, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die Erfindung schafft ebenfalls eine Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit einem kontinuierlichen Testmuster (T5), wobei das Testmuster (T5) durch Entwickeln (S3) strukturell sich kontinuierlich ändernd aufgelöst ist, so dass die strukturelle Auflösung des Testmusters (T5) an einer jeweiligen Position des Testmusters (T5) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der jeweiligen Position des Testmusters (T5) ist, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements und eine entsprechende Prüfstruktur.
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensoren erläutert.

Mit Hilfe von mikromechanischen Prozessschritten können Hohlräume in Halbleitersubstraten, wie z. B. Halbleiterwafern, erzeugt werden (siehe z. B. DE 100 32 579 A1 oder WO 02/02458). Derartige Hohlräume sind üblicherweise ein Bestandteil von einer Drucksensoreinrichtung oder ähnlichen mikromechanischen Bauelementen. Sind diese Hohlräume durch eine dünne Membran verschlossen, so biegt sich diese Membran durch, sofern der Druck im Hohlraum verschieden vom Umgebungsdruck ist. Die Größe der Durchbiegung ist dabei unter Anderem abhängig von der Druckdifferenz, der Dicke und der Größe des Membran-/Hohlraum-Systems sowie von den Materialeigenschaften der Membran. Ist die Dichtigkeit des Hohlraums bzw. die Durchbiegung der Membran wichtig für die Funktion des Bauelements, so muss diese in späteren Prozessschritten geprüft und sichergestellt werden.

Eine Möglichkeit ist, eine Prüfung durch eine optische Inspektion, z. B. durch ein Mikroskop mit Phaseninterferenzkontrast oder Infrarotspektroskopie. Auch vorstellbar ist eine Funktionsüberprüfung des fertigen Bauelements, z.B. durch. eine elektrische Messung von Drucksensoren bei verschiedenen Umgebungsdrücken.

Bauelemente werden in der Halbleitertechnologie üblicherweise über photolithographische Verfahrensschritte definiert, insbesondere Belacken eines Wafers, Belichten und Entwickeln des Photolacks. Beim Belichten eines Wafers wird die Waferoberfläche zur Fokusebene der abbildenden Optik ausgerichtet, wobei eine Genauigkeit von der Ausrichtung von typischerweise ca. 0,1 μm erreicht werden kann. Liegt der Wafer oder Teil des Wafers nicht exakt in der Fokusebene (Abweichung > 0,3 μm), treten Abbildungsfehler auf. Diese Abbildungsfehler führen dazu, dass sich die Strukturbreiten verringern bzw. Minimalstrukturen nicht mehr geöffnet werden können.

Die Prüfung auf Abbildungsfehler erfolgt in der Halbleiterfertigung unter Anderem mit Hilfe von Auflösungsstrukturen. Werden diese Auflösungsstrukturen oder Teile davon auf durchgebogenen bzw. gewölbten Bereichen des Wafers platziert, so werden in Abhängigkeit vom Abstand zur Fokusebene einzelne Teile der Auflösungsstrukturen nicht mehr abgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements nach Anspruch 1 bzw. 3 und die entsprechende Prüfstruktur nach Anspruch 8 bzw. 10 weisen den Vorteil auf, dass sie eine einfache und zuverlässige Möglichkeit zur Überprüfung der Durchbiegung einer mikromechanischen Membran schaffen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Erstellung einer photolithographischen Teststruktur bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements, die nach Belichtung und Entwicklung automatisch ein Maß für die Größe der Durchbiegung ergibt. In einem typischen mikromechanischen Herstellungsprozess erfolgen zur Strukturierung bei einzelnen Schichten Belichtungs- und Entwicklungsschritte von Lackschichten (sogenannte Lithographie-Prozessschritte). Da die Strukturbreite bzw. die Auflösung empfindlich von der Fokusebene der Belichtungseinrichtung relativ zur Wafer- bzw. Substrat-Oberfläche abhängt, werden kritische Strukturen auf durchgebogenen Gebieten, die außerhalb der Fokusebene liegen, unscharf bzw. gar nicht mehr abgebildet. Mit anderen Worten wird eine Teststruktur geschaffen, deren Belichtungsqualität abhängig von der Größe der Durchbiegung und der Größe der Teststrukturelemente ist. Werden derartige optische Teststrukturen auf einer zu inspizierenden durchgebogenen Membran platziert, so kann anhand dieser Struktur nach Belichtung und Entwicklung auf einfache Weise bewertet werden, ob bzw. in welchem Maß eine Durchbiegung vorliegt. Analog kann eine widerstandsartige elektrische Teststruktur realisiert werden, deren Wert durch die lithographische Auflösung aufgrund der Durchbiegung beeinflusst ist.

Im Falle von optisch auszuwertenden Teststrukturen kann durch die Teststruktur die Bewertung der Durchbiegung einfacher und sicherer erfolgen bzw. eine Bilderkennung automatisiert werden, was Kostenersparnis und Qualitätsverbesserung mit sich bringt. Werden elektrische Teststrukturen implementiert, so können optische Verfahren durch elektrische Messungen ersetzt werden, welche schneller und sicherer zu bewerten sind. Werden diese elektrischen Teststrukturen mit in eine Auswerteschaltung einbezogen, so können ganze Arbeitsschritte entfallen. Beide Verfahren haben den Vorteil, dass Ausschussteile in früheren Prozessschritten erkannt werden können, was ebenfalls eine Kostenersparnis mit sich bringt.

Dadurch kann die optische Bewertung vereinfacht werden bzw. eine optische Bewertung durch eine einfache elektrische Bewertung ersetzt werden. Die Bewertung kann im Wesentlichen ohne Zusatzaufwand erfolgen, wenn sie optisch erfolgt, und mit geringem Zusatzaufwand realisiert werden, wenn sie elektrisch erfolgt.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfassen die entwickelten Testmuster einen Photolackbereich, in den photolackfreier leiterartiger Bereich mit einer Mehrzahl von photolackfreien Leitersprossen eingebettet ist, wobei die Anzahl photolackfreier Leitersprossen das Maß für Durchbiegung der Membran an der Position eines jeweiligen Testmusters ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das entwickelte Testmuster einen Photolackbereich, in den streifenartiger Bereich eingebettet ist, wobei die Breite des streifenartigen Bereichs das Maß für Durchbiegung der Membran an der Position an der jeweiligen Position des Testmusters ist.

ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a, b eine schematische Querschnittsansicht bzw. Draufsicht einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss der ersten und einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3a, b zwei schematische Draufsichten einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1a, b sind eine schematische Querschnittsansicht bzw. Draufsicht einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat aus Silizium. Vorgesehen im Halbleitersubstrat 1 ist ein Hohlraum 2. Der Hohlraum 2 ist überspannt von einer Membran 3, welche aufgrund von einer Druckdifferenz im Hohlraum 2 gegenüber der Umgebung eine Durchbiegung der Höhe Δh von 1 μm aufweist. An verschiedenen Orten der Membran 3 sowie an einem Ort auf der umgebenden Oberfläche O des Substrats 1 sind diskrete Testmuster T1-T4 vorgesehen, welche unterschiedliche Positionen bezüglich der maximalen Durchbiegung Δh der Membran 3 einnehmen.
Belichtet worden sind diese Testmuster T1-T4 mittels einer Belichtungsvorrichtung, wobei für die optische Fokusebene OFP der Belichtungsvorrichtung die Oberfläche O des umgebenden Substrats gewählt worden ist. Danach erfolgte eine übliche Entwicklung zum Entfernen des belichteten Positiv-Photolacks (bzw. des unbelichteten Photolacks im Falle von Negativ-Photolack).
Wie aus 1b ersichtlich, umfassen die entwickelten Testmuster T1-T4 einen nach dem Photolackbereich U, in den ein photolackfreier Bereich B1, B2, S1-S4 mit einer Mehrzahl von photolackfreien Leitersprossen S1-S4 eingebettet ist. Die Leitersprossen S1-S4 weisen eine kritische Dimension auf, wohingegen die Leiterholme B1, B2 eine wesentlich größere Dimension aufweisen. Aufgrund der variablen Position der verschiedenen Testmuster bezüglich der optischen Fokusebene OFP sind die Testmuster T1-T4 beim Entwickeln strukturell unterschiedlich aufgelöst worden, sodass die strukturelle Auflösung eines jeweiligen Testmusters ein Maß für die Durchbiegung der Membran 3 an der jeweiligen Position eines jeweiligen Testmusters ist.
Insbesondere ist die Anzahl photolackfreier Leitersprossen das Maß für die Durchbiegung der Membran 3 an der Position eines jeweiligen Testmusters. Beim Testmuster T4, das auf der Oberfläche O des zugehörigen Substrats 1 liegt, welche mit der optischen Fokusebene OFP zusammenfällt, sind sämtliche Leitersprossen S1-S5 aufgelöst. Beim Testmuster T3 sind es nur noch die Sprossen S1-S4, beim Testmuster T2 nur noch die Sprossen S1-S3 und beim Testmuster T1 nur noch die Sprossen S1 und S2. Mit steigender Abweichung der lokalen Höhe eines jeweiligen Testmusters von der optischen Fokusebene OFP nimmt also die Anzahl der entwickelten Leitersprossen im wesentlichen kontinuierlich ab.
2 ist ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss der ersten und einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Schritt S1 gemäß 2 erfolgt das Vorsehen einer Photolackschicht auf der Membran 3 und der umgebenden Oberfläche O des Substrats 1. Im Schritt S2 wird die Photolackschicht mit der Prüfstruktur mit der Mehrzahl von diskreten Testmustern T1-T4, welche, wie in 1a dargestellt, unterschiedliche Positionen bezüglich der Durchbiegung der Membran 3 und bezüglich der optischen Fokusebene OFP beim Belichten annehmen, über eine Maske belichtet.
Weiter mit Bezug auf Schritt S3, erfolgt das Entwickeln der Photolackschicht mit der Mehrzahl von belichteten Testmustern T1-T4, was in die strukturell unterschiedlich aufgelösten Testmuster T1-T4 gemäß 1b resultiert.
Die so hergestellte erste Ausführungsform einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines Drucksensors kann auf optische Weise (Variante a) in 2) ausgewertet werden. Insbesondere erfolgt mit Bezug auf Schritt S4a eine optische Inspektion, bei der einfach die Anzahl der verbleibenden Sprossen in den jeweiligen Testmustern T1-T4 gezählt wird. Das Testmuster T4 dient dabei lediglich als Referenz.
3a, b sind zwei schematische Draufsichten einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements gemäss der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 3a bezeichnet Bezugszeichen T5 ein kontinuierliches Testmuster, das einen streifenartigen photolackfreien Bereich WS mit einer Breite b0 aufweist, der von einem ersten Eck E1 zu einem zweiten diagonal gegenüberliegenden Eck E2 über die Membran geführt ist. Die restliche Oberfläche O ist Photolackbereich U'.
In 3a dargestellt, ist der Fall einer fehlenden Durchbiegung der Membran 3. In diesem Fall ändert sich die Breite b0 des streifenartigen Bereichs WS über der Membran 3 nicht. Mit anderen Worten lagen bei der Belichtung sämtliche Punkte des streifenartigen photolackfreien Bereichs WS innerhalb der optischen Fokusebene OFP, die mit der Oberseite O des umliegenden Substrats 1 zusammenfiel, sodass die strukturelle Auflösung überall gleich ist.
Weiter mit Bezug auf 3b, ist die Membran 3 analog zur Darstellung in 1a durchgebogen um die maximale Höhendifferenz Δh, so dass das entwickelte Testmuster T5 strukturell sich kontinuierlich ändernd aufgelöst ist. Dabei ist die strukturell veränderliche Auflösung des Testmusters T5 an einer jeweiligen Position des Testmusters T5 ein Maß für die Durchbiegung der Membran 3 an der jeweiligen Position des Testmusters T5. Mit anderen Worten variiert die Breite des streifenartigen photolackfreien Bereichs WS' von der maximalen Breite b1 an den Enden E1 bzw. E2 zur minimalen Breite b0 in der Mitte der Membran 3, d. h. dem am höchstliegenden Bereich.
Eine derartige Struktur ist prinzipiell auch gemäß 2 (Variante a), Schritt S4a) optisch auswertbar, jedoch bietet sich bei einer derartigen kontinuierlichen Prüfstruktur auch eine elektrische Auswertung an. In diesem Fall erfolgt gemäß Variante b) in 2 in Schritt S4b eine elektrische Dotierung der Membran 3 mittels Fremdionen im streifenartigen Bereich WS' sowie die Herstellung von elektrischen Kontakten an den Enden E1, E2 des streifenförmigen Bereichs WS'. Je nach Durchbiegung der Membran wird der an den Enden E1, E2 gemessene Widerstandswert unterschiedlich sein. Im Falle einer fehlenden Durchbiegung gemäß 3a wird der elektrische Widerstand am geringsten sein, und im Falle einer gewünschten Durchbiegung gemäß 3b am höchsten. Die aktuelle Durchbiegung kann dabei entweder durch eine Kalibrierung oder durch einen Vergleich mit einem in der Oberfläche O eingebrachten ebenen Widerstandsstreifen (analog 3a) ermittelt werden. Integriert man einen derartigen Widerstand direkt in eine Auswerteschaltung, kann die Durchbiegung ohne weiteren Aufwand beim Testen des betreffenden mikromechanischen Bauelements geprüft wer den. Die elektrische Auswertung derartiger Widerstände kann auch mittels komplexerer Auswerteschaltungen durchgeführt werden, beispielsweise, wenn zusätzlich eine Van-der-Pauw-Struktur implementiert wird. Dotierungsschwankungen der Widerstände können so eliminiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung anhand eines mikromechanischen Drucksensors mit einer durch eine Membran verdeckelten Hohlraum beschrieben worden, jedoch ist sie selbstverständlich auf beliebige Strukturen mit gewölbten Membranen anwendbar. So könnte beispielsweise die Membran eine offene zeltartige Gestalt annehmen. Auch ist die gezeigte Geometrie der diskreten Testmuster gemäss 1a, b bzw. der kontinuierlichen Testmuster gemäss 3a, b nur beispielhaft und beliebig variierbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit den Schritten: Vorsehen (S1) einer Photolackschicht auf der Membran (3) und einer umgebenden Oberfläche (O) eines zugehörigen Substrats (1); Belichten (S2) der Photolackschicht mit einer Prüfstruktur mit einer Mehrzahl von diskreten Testmustern (T1-T4), welche unterschiedliche Positionen bezüglich der Durchbiegung der Membran (3) und bezüglich einer optischen Fokusebene (OFP) beim Belichten (S2) annehmen; Entwickeln (S3) der Photolackschicht mit der Mehrzahl von belichteten Testmustern (T1-T4), wobei sich die Testmuster (T1-T4) beim Entwickeln (S3) strukturell unterschiedlich aufgelöst werden, so dass die strukturelle Auflösung eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entwickelten Testmuster (T1-T4) einen Photolackbereich (U) umfassen, in den photolackfreier Bereich (B1, B2, S1-S5) mit einer Mehrzahl von photolackfreien Leitersprossen (S1-S4) eingebettet ist, wobei die Anzahl photolackfreier Leitersprossen (S1-S4) das Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit den Schritten: Vorsehen (S1) einer Photolackschicht auf der Membran (3) und einer umgebenden Oberfläche (O) eines zugehörigen Substrats (1); Belichten (S2) der Photolackschicht mit einer Prüfstruktur mit einem kontinuierlichen Testmuster (T5), welche eine sich kontinuierlich ändernde Position bezüglich der Durchbiegung der Membran (3) und bezüglich einer optischen Fokusebene (OFP) beim Belichten (S2) annimmt; Entwickeln (S3) der Photolackschicht mit dem kontinuierlichen Testmuster (T5), wobei das Testmuster (T5) beim Entwickeln (S3) strukturell sich kontinuierlich ändernd aufgelöst wird, so dass die strukturelle Auflösung des Testmusters (T5) an einer jeweiligen Position des Testmusters (T5) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der jeweiligen Position des Testmusters (T5) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das entwickelte Testmuster (T5) einen Photolackbereich (U') umfasst, in den ein streifenartiger Bereich (WS') eingebettet ist, wobei die Breite (b1, b2) des streifenartigen Bereichs (WS') das Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position an der jeweiligen Position des Testmusters (T5) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im streifenartigen Bereich (WS') sich ändernderen Breite (b1, b2) Fremdionen zur elektrischen Dotierung in die Membran (3) eingebracht werden und der dotierte streifenartige Bereich (WS') für eine Widerstandsmessung im Bereich seiner Enden (E1, E2) kontaktierbar gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Fokusebene (OFP) mit der umgebenden Oberfläche (O) des zugehörigen Substrats (1) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran einen im Substrat (1) vorgesehenen Hohlraum (2) verdeckelt.
Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit einer Mehrzahl von diskreten Testmustern (T1-T4), wobei die Testmuster (T1-T4) durch Entwickeln (S3) strukturell unterschiedlich aufgelöst sind, so dass die strukturelle Auflösung eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ist.
Prüfstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die entwickelten Testmuster (T1-T4) einen Photolackbereich (U) umfassen, in den photolackfreier Bereich (B1, B2, S1-S5) mit einer Mehrzahl von photolackfreien Leitersprossen (S1-S4) eingebettet ist, wobei die Anzahl photolackfreier Leitersprossen (S1-S4) das Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position eines jeweiligen Testmusters (T1-T4) ist.
Prüfstruktur zur Prüfung der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Bauelements (10) mit einem kontinuierlichen Testmuster (T5), wobei das Testmuster (T5) durch Entwickeln (S3) strukturell sich kontinuierlich ändernd aufgelöst ist, so dass die strukturelle Auflösung des Testmusters (T5) an einer jeweiligen Position des Testmusters (T5) ein Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der jeweiligen Position des Testmusters (T5) ist.
Prüfstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das entwickelte Testmuster (T5) einen Photolackbereich (U') umfasst, in den ein streifenartiger Bereich (WS') eingebettet ist, wobei die Breite (b1, b2) des streifenartigen Bereichs (WS') das Maß für Durchbiegung der Membran (3) an der Position an der jeweiligen Position des Testmusters (T5) ist.
Verwendung einer Prüfstruktur nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zum optischen und/oder elektrischen Prüfen der Durchbiegung einer Membran (3) eines mikromechanischen Drucksensors.