專利名稱：一種對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法及結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝的監(jiān)測方法及結構，特別是在高深寬比微結構的加工中對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法及結構。
背景技術：
MEMS作為跨學科的先進制造技術，對改善人們的生活質(zhì)量、提高人們的生活水平以及增強國力起到了重要的作用。在眾多的MEMS加工技術中，硅工藝正在逐漸成為主流工藝。高深寬比硅刻蝕技術是硅MEMS技術的關鍵工藝之一，電感耦合等離子體(ICP)刻蝕系統(tǒng)采用了高密度等離子體進行刻蝕，可以制作出厚度高達數(shù)百微米的結構，在制作高深寬比MEMS器件(如加速度計、陀螺儀、諧振器等)中得到廣泛的應用。
ICP刻蝕具有Lag效應和Footing效應，其中Lag效應是指寬槽的刻蝕速度比窄槽快，F(xiàn)ooting效應是指硅結構刻透后，在硅/二氧化硅的界面處，硅結構的底部和側(cè)面將被快速地過刻。當寬槽已經(jīng)被刻透而窄槽還沒有被刻透時，寬槽旁邊的硅結構的底部和側(cè)面將被快速過刻，從而導致寬槽旁邊的結構的尺寸與版圖尺寸存在比較大的差異。為了保證ICP刻蝕出的結構的力學特性的重復性，需要保證不同批次刻蝕的硅片的刻蝕量一致，目前是通過在顯微鏡下面直接觀察的辦法來定性地判斷刻蝕情況，由于沒有進行定量監(jiān)測，難以保證刻蝕的重復性。為了確保不同批次刻蝕的重復性，開發(fā)易于操作、占用面積小、可定量的片上刻蝕監(jiān)測結構是十分必要的。
麻省理工大學(MIT)的Gupta等采用兩端固支梁與襯底之間的豎向吸合電壓來判斷刻蝕情況，但是監(jiān)測結構對過刻并不敏感。本申請人認為過刻對梁的側(cè)向彎曲剛度的影響遠比對豎向彎曲剛度的影響大，對側(cè)向靜電力的影響也遠大于對豎向靜電力的影響，并對此進行了大量的研究實驗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能夠確保不同批次刻蝕的重復性，易于操作、占用面積小、可對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法及結構。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法，其是在被刻蝕的硅片上設置一包括可動電極和固定電極的監(jiān)測結構，任一給定的刻蝕量就對應所述監(jiān)測結構的一側(cè)向吸合電壓，當需要對硅片的刻蝕進行控制時，通過多次刻蝕和測量所述監(jiān)測結構兩電極間的側(cè)向吸合電壓，就可以使監(jiān)測結構的側(cè)向吸合電壓接近所需要的刻蝕量所對應的側(cè)向吸合電壓，達到可對被刻蝕硅片進行定量刻蝕的目的。
本發(fā)明還同時提出了三種對過刻非常敏感的結構作為刻蝕監(jiān)測結構，分別是以懸臂梁、兩端固支梁和折梁支承的剛性梁作為可動電極，以及與這些可動電極平行的電極作為固定電極的電容器結構。
本發(fā)明采用側(cè)向吸合電壓對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測，當存在過刻時，監(jiān)測結構的懸臂梁或兩端固支梁或折梁的等效寬度小于版圖寬度，彎曲剛度降低，使吸合電壓降低；另一方面，電極之間的等效寬度會增加，使吸合電壓增加。對梁和間距的寬度進行設計，目的就是使吸合電壓對過刻更加敏感。綜合考慮刻蝕對梁等效寬度和兩個電極的等效間距的影響，采用寬梁窄間距，或者窄梁寬間距的設計方案都可以得到靈敏度高的刻蝕監(jiān)測結構。對于窄梁寬間距方案，過刻對梁的剛度影響較大，對兩電極的間距的影響相對較小，因此過刻會使吸合電壓顯著減小，這時吸合電壓對過刻很敏感。對于寬梁窄間距方案，過刻對梁的剛度的影響較小，對兩電極間距的影響較大，過刻將使吸合電壓顯著增加，此時吸合電壓對過刻也很敏感。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明采用靜電吸合的方法進行監(jiān)測，而靜電吸合是一種典型的失穩(wěn)現(xiàn)象，因此吸合電壓測量具有很高的精度。2、本發(fā)明提出了窄槽寬間距和寬槽窄間距兩種優(yōu)化方案，并提出了分別以懸臂梁、兩端固支梁、折梁支撐的剛性梁作為可動電極的三種監(jiān)測結構，當所施加的電壓的分辨率為0.5V時，本發(fā)明對過刻具有0.05μm以上的分辨率，完全滿足ICP過刻監(jiān)測的需求。3、本發(fā)明的監(jiān)測結構簡單，在被刻蝕的硅片上占用面積極小，因此具有很強的實用性。4、本發(fā)明在可動電極的另一側(cè)設置了一輔助梁，可以有效地減小不同硅片上鄰近結構對監(jiān)測結構刻蝕量的影響，使刻蝕監(jiān)測結構標準化。5、本發(fā)明方法需要的實驗設備簡單，只需一般的微電子工藝間都具有的探針臺、CCD攝像機、視頻監(jiān)視器和直流電源即可進行操作，而且操作時僅需要一個人即可完成，省工省時，非常方便。本發(fā)明對過刻量的測量準確，它可以廣泛用于高深寬比微結構的ICP刻蝕的監(jiān)測。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是正面光刻形成光刻膠圖形示意2是KOH腐蝕后淺臺階示意3是玻璃淺槽和濺射金屬示意4是采用剝離法在玻璃上制作電極圖5是硅/玻璃鍵合示意6是KOH腐蝕減薄硅片示意7是雙面光刻結構釋放示意8是懸臂梁監(jiān)測結構立體示意9是懸臂梁監(jiān)測結構俯視示意10是兩端固支梁監(jiān)測結構俯視示意11是折梁支承的平行板電容器監(jiān)測結構俯視示意12是實驗設備連接示意13是過刻后懸臂梁監(jiān)測結構的橫截面示意14是窄間距懸臂梁吸合電壓與過刻的關系圖15是寬間距懸臂梁吸合電壓與過刻的關系具體實施方式
下面以北大微電子所的鍵合深刻蝕釋放工藝為例，說明制作本發(fā)明等離子體刻蝕監(jiān)測結構的步驟1、在雙面拋光的、中等摻雜的、電阻率為2～4Ω·cm的(100)硅片1上熱氧化淀積SiO2300nm，腐蝕背面SiO2；2、正面光刻，形成光刻膠2圖形(如圖1所示)；3、BHF刻蝕SiO2，去膠，KOH腐蝕淺臺階，去除SiO2(如圖2所示)；4、清洗玻璃片3，光刻、BHF腐蝕玻璃120納米，形成淺槽；5、濺射電極金屬Ti/Pt/Au160納米(如圖3所示)；6、采用剝離法在玻璃上形成金屬電極4(如圖4所示)；7、硅片1、玻璃3鍵合對準，硅/玻璃靜電鍵合(如圖5所示)；8、硅片KOH腐蝕減薄(如圖6所示)；9、在硅片上濺射300nm的鋁；10、劃片；11、雙面光刻(如圖7所示)；12、以鋁為掩膜5，采用ICP刻蝕釋放結構，得到高深寬比的結構。
如圖8、圖9所示，是采用上述工藝制作出的一種懸臂梁刻蝕監(jiān)測結構10，其包括兩固定塊11、12，一可動電極13的一端連接在一固定塊12上，另一端為懸臂；在可動電極13的一側(cè)平行且留有一間隙設置一固定電極14，固定電極14的一端連接固定塊11；為減小不同硅片上鄰近結構對監(jiān)測結構刻蝕量的影響，在可動電極的13的另一側(cè)設置一輔助梁15，輔助梁15的一端連接固定塊12，另一端為懸臂。
如圖10所示，是采取上述工藝制作的兩端固支梁刻蝕監(jiān)測結構10，其與懸臂梁結構的區(qū)別是將可動電極16的一端連接固定塊12，另一端連接輔助梁15。
如圖11所示，是采取上述工藝制作的以折梁支承的剛性梁作為可動電極的平行板電容器式刻蝕監(jiān)測結構10，可動電極是由一折梁17支承的剛性梁18組成，折梁17的兩端分別連接在兩固定塊11、12上；輔助梁15平行設置在折梁17的另一側(cè)，其兩端分別固定在固定塊11、12上；固定電極19是一與剛性梁18平行且相隔一間距的固定塊。
如圖12所示，利用本發(fā)明監(jiān)測結構10進行測量時，首先將監(jiān)測結構10放置在探針臺20上，將兩根探針21分別與直流電壓源22的正、負極相連，其中的一根探針21與直流電壓源22之間串聯(lián)一個大電阻23，以確保在靜電吸合時，電路內(nèi)的電流比較小，不會損壞電壓源22，兩探針21之間的電壓采用一個電壓表24來測量。測量吸合電壓時，兩根探針21分別連接監(jiān)測結構10的兩個電極，再使電壓源的電壓由零慢慢增加，通過一個與探針臺20上的CCD攝像機25相連的監(jiān)視器26來觀察監(jiān)測結構的吸合過程，吸合時電壓表24上的電壓就是吸合電壓。
如圖9、圖10所示，在懸臂梁和兩端固支梁刻蝕監(jiān)測結構10中，兩根探針分別扎在固定塊11和固定塊12上，在監(jiān)視器26上觀察可動電極13(或16)與固定電極14之間的吸合，記下相應的吸合電壓。其中輔助梁15是為了保證可動電極13(或16)的過刻量基本上不會受到硅片上其它結構的影響，因此這個監(jiān)測結構10就可以作為標準的刻蝕監(jiān)測結構被放到不同的硅片上去。
如圖11所示，以折梁支承的剛性梁作為可動電極的平行板電容器式監(jiān)測結構10中，將一根探針21扎在固定塊11或固定塊12上，另一根探針21扎在作為固定電極19的固定塊上，再使電壓源22的電壓由零慢慢增加，在監(jiān)視器26上觀察可動電極的剛性梁18與可動電極19之間的靜電吸合，即可動電極的剛性梁18被突然吸到固定電極19上時所對應的電壓即為吸合電壓。輔助梁15的作用與前面懸臂梁的輔助梁15是相同的。
本發(fā)明的監(jiān)測結構10及在ICP過刻監(jiān)測中的應用包括1、首先設計實驗片，測出不同長窄槽刻透時對應的標準監(jiān)測結構10的吸合電壓；2、設計需要制作的微結構的版圖，并把標準的對過刻敏感的監(jiān)測結構10也置于版圖中，并根據(jù)需要刻開的最窄的長槽寬度確定標準監(jiān)測結構10的期望側(cè)向吸合電壓；3、采用ICP刻蝕機釋放結構，直到觀察到很寬的槽被刻透；4、在探針臺20上用探針21給監(jiān)測結構10的兩個電極施加電壓，緩慢地增加電壓，觀察在接近期望的吸合電壓時，監(jiān)測結構10是否產(chǎn)生吸合，若監(jiān)測結構10的吸合電壓大于期望吸合電壓加上一個給定偏差，則將硅片放入ICP刻蝕機，繼續(xù)刻蝕適當?shù)臅r間；5、重復上一步的測量與刻蝕，直到標準監(jiān)測結構10的吸合電壓落在給定的范圍，則停止刻蝕。
這樣，就可以使整個硅片的過刻量與期望值很接近，保證ICP刻蝕的重復性。
關于梁的寬度與電極間距的設計前面已經(jīng)分析過，當且僅當采用窄梁寬間距或?qū)捔赫g距的優(yōu)化方案時，監(jiān)測結構10的吸合電壓才對過刻十分敏感。下面以懸臂梁為例來說明監(jiān)測結構的設計方法。
在下面的推導中，假設梁的橫截面仍可以采用矩形截面來模擬，兩個電極之間的間隔也采用矩形間距來模擬。并假設梁結構和固定電極的線寬損失相同，下面分析吸合電壓與過刻量的關系。
如圖13所示，設懸臂梁的版圖寬度為wd，兩電極之間的設計寬度為gd，梁頂部、底部的過刻量分別為lt、lb，梁的高度為t，梁的長度為L。由此得兩電極的等效寬度為geff=(gd+2lt)(gd+2lb)...(1)]]>在計算懸臂梁的吸合電壓時，需要用到彎曲參數(shù)B=E~weff3geff3,]]>這里 為等效模量。weff為梁的等效寬度，可以根據(jù)梁的彎曲剛度得到。當梁兩側(cè)的過刻相同時，采用等腰梯形來近似其橫截面，通過下面的積分可以得到的截面慣性矩Iy=t48(wt+wb)(wt2+wb2)...(2)]]>由此得梁的有效寬度為weff=[(wt+wb)(wt2+wb2)4]1/3...(3)]]>其中wt＝wd-2lt，wb＝wd-2lb(4)假設懸臂梁在吸合過程中的變形符合梁理論，即主要是橫向彎曲變形，由于采用這套標準體硅工藝制作的結構的殘余應力基本可以忽略不計，所以可以采用如下包括邊緣場效應的懸臂梁吸合電壓公式(無初應力)
VPI=0.28E~weff3geff3ϵ0L4[1+0.42gefft]...(5)]]>式中，ε0為空氣的介電常數(shù)。將(1)、(3)和(4)帶入(5)得VPI=0.28E~(wd-lt-lb)(wd2+2lt2+2lb2-2wdlt-2wdlb)(gd+2lt)3/2(gd+2lb)3/2ϵ0L4[1+0.42(gd+2lt)1/2(gd+2lb)1/2t]...(6)]]>由上式就可以得到吸合電壓隨過刻量的變化關系，從而得出所設計結構的吸合電壓對過刻的敏感性。假設lt＝0，對于窄間距和寬間距的懸臂梁，吸合電壓與梁底部過刻量的關系曲線分別如圖14、圖15所示。由圖14和圖15可知，對窄梁寬間距和寬梁窄間距的懸臂梁，當?shù)撞窟^刻量的變化為0.05μm時，吸合電壓的變化大于0.5V，可以明顯地檢測出來，因此這種方法對過刻具有0.05μm的靈敏度，完全滿足ICP過刻監(jiān)測的要求。
對于兩端固支梁和折梁支承的剛性梁監(jiān)測結構10，側(cè)向吸合電壓隨過刻量的變化關系是與上面的懸臂梁完全相似的，這里不再重復。
實施例下面采用窄梁寬間距的懸臂梁監(jiān)測結構對不同批次硅片的ICP刻蝕進行定量監(jiān)測，使不同硅片上對過刻敏感的相同監(jiān)測結構的吸合電壓接近，測量出兩個硅片上其它相同的驗證結構的吸合電壓，以判斷這些驗證結構的過刻是否接近。由于吸合電壓的變化主要由梁的彎曲剛度和電極間有效間距的變化決定，而梁的彎曲剛度和有效間距的變化主要由過刻量決定，所以吸合電壓的變化就反應了過刻量的不同。當不同硅片上的相同的刻蝕監(jiān)測結構的側(cè)向吸合電壓很接近時，若其它的驗證結構的吸合電壓也很接近，就說明它們在不同硅片具有很接近的過刻量，就說明采用相應的刻蝕監(jiān)測結構確實可以對過刻進行準確監(jiān)測。以版圖寬度wd為4μm，長度L為600μm，間距gd為10μm的窄梁寬間距懸臂梁作為ICP過刻監(jiān)測結構，在表1中的編號為1。其它六個結構作為刻蝕驗證結構，其中一根設計寬度wd為6μm，長度L為800μm，間距gd為10μm的懸臂梁為結構二，其它五個由折梁支承的剛性梁作為可動電極的平行板電容器(如圖11所示)也被作為驗證結構，這些剛性梁的幾何參數(shù)已經(jīng)列在表1中。其中n表示一根折梁所包含的長橫梁的根數(shù)，L是長梁的長度，Le為可動電極的長度，長橫梁之間的間距都是10μm，兩個電極之間的版圖間距gd都是5μm。
首先刻蝕第一個硅片，當5μm間距的長槽刻透后，測得監(jiān)測結構10的吸合電壓為30.3V。大約一個月之后，又制作了第二個硅片，并進行ICP刻蝕，當很寬的長槽刻透后，測得第二個硅片某單元的結構一的吸合電壓大于32V，發(fā)現(xiàn)此時版圖寬度為6μm的長槽還沒有刻透。然后又分別刻蝕了3分鐘、2分鐘、2分鐘和2分鐘，直到這個單元上的懸臂梁一的吸合電壓最終為30.0V才停止刻蝕。測得的兩個硅片的相應單元上其它的驗證結構的側(cè)向吸合電壓也列于表1中。
表1刻蝕監(jiān)測、驗證結構的幾何尺寸和側(cè)向吸合電壓

由表可見，對于不同批次的硅片，當采用一個對過刻敏感的監(jiān)測結構(這里是版圖寬度4μm，間距寬度10μm的窄梁寬間距懸臂梁)來監(jiān)測過刻時，當監(jiān)測結構1的吸合電壓的相對誤差|er|很小時(這里為1.0％)，則其它驗證結構的吸合電壓的相對誤差也很小(這里小于3.0％)。由于吸合電壓的變化反應了過刻量的變化，這些驗證結構的吸合電壓的相對誤差很小就說明這兩個硅片上的相同驗證結構的過刻量的差異很小，說明只要將吸合電壓對過刻很敏感的監(jiān)測結構的吸合電壓控制準確了，硅片上其它結構的過刻量也就控制準確了。
比較上面的結果可知，對于不同批次的硅片，當同一個刻蝕監(jiān)測結構的吸合電壓很相近時，這兩次制作的硅片上的其它相同結構的吸合電壓也相近，說明這兩次制作的硅片的過刻情況必然是相近的。這就驗證了本發(fā)明提出的兩種對過刻敏感的優(yōu)化方案都可以被用來對過刻進行準確監(jiān)測。
權利要求
1.一種對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法，其是在被刻蝕的硅片上設置一包括可動電極和固定電極的監(jiān)測結構，任一給定的刻蝕量就對應所述監(jiān)測結構的一側(cè)向吸合電壓，當需要對硅片的刻蝕進行控制時，通過多次刻蝕和測量所述監(jiān)測結構兩電極間的側(cè)向吸合電壓，就可以使監(jiān)測結構的側(cè)向吸合電壓接近所需要的刻蝕量所對應的側(cè)向吸合電壓，達到可對被刻蝕硅片進行定量刻蝕的目的。
2.如權利要求1所述的對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法，其特征在于所述可動電極為一懸臂梁或一兩端固支梁或一由折梁支承的剛性梁。
3.如權利要求2所述的對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法，其特征在于所述懸臂梁或兩端固支梁或折梁為寬梁時，所述固定電極與可動電極之間的間距采用窄間距。
4.如權利要求2所述的對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法，其特征在于當所述懸臂梁或兩端固支梁或折梁為窄梁時，所述固定電極與可動電極之間的間距采用寬間距。
5.一種對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的結構，其特征在于它包括一設置在被刻蝕硅片上的可動電極，在所述可動電極的一側(cè)平行且相隔一間距設置一固定電極。
6.如權利要求5所述的對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的結構，其特征在于在所述可動電極的另一側(cè)設置一固定不動的輔助梁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對等離子體刻蝕進行定量監(jiān)測的方法及監(jiān)測結構，其是在被刻蝕的硅片上設置一包括可動電極和固定電極的監(jiān)測結構，監(jiān)測結構包括一可動電極和一固定電極，當需要對硅片的刻蝕進行控制時，通過多次刻蝕和測量所述監(jiān)測結構兩電極間的側(cè)向吸合電壓，就可以使監(jiān)測結構的側(cè)向吸合電壓接近所需要的刻蝕量所對應的側(cè)向吸合電壓，達到可對被刻蝕硅片進行定量刻蝕的目的。本發(fā)明還同時提出了三種對過刻非常敏感的結構，即分別以懸臂梁、兩端固支梁和折梁支承的剛性梁作為可動電極的電容器結構，還提出了寬梁窄間距或窄梁寬間距兩個對過刻都十分敏感的優(yōu)化方案，操作簡單，完全滿足等離子體過刻進行定量監(jiān)測的需求。
文檔編號H01L21/02GK1752288SQ20051011734
公開日2006年3月29日 申請日期2005年11月2日 優(yōu)先權日2005年11月2日
發(fā)明者賀學鋒, 張大成, 方競, 張鈺, 李婷, 楊芳, 王緯 申請人:北京大學