CN106365107B - 一种提取梁刻蚀垂直度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提取梁刻蚀垂直度的方法及系统，基于静电驱动梁扭转的原理，利用新设计的片上检测结构、电学信号施加装置和垂直位移检测装置组成的系统，提取梁的刻蚀垂直度参数。此方法可用来进行刻蚀(腐蚀)工艺监测，也可用来预测器件的机械可靠性。方法简单，易于通用。

Description

一种提取梁刻蚀垂直度的方法及系统

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)工艺质量监控和器件性能测试领域，涉及提取体硅工艺制造微梁的刻蚀垂直度的方法及系统，特别应用在定量监控干法刻蚀工艺、以及预测器件工作性能与可靠性的领域。

背景技术

九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。如今MEMS已经广泛用于汽车、航空航天、信息控制、医学、生物学等领域。

硅MEMS工艺已经逐渐成为主流的MEMS工艺方法。其中，对于体硅MEMS工艺制造的MEMS器件，其机械可动结构大部分都是利用干法刻蚀(或湿法腐蚀)释放形成，例如梁、质量块等。由于刻蚀(腐蚀)工艺的不理想因素，导致这些结构的侧壁并非完全垂直，而是存在一定的倾角，使得该器件的性能及可靠性有相当大的偏移。所以提取这类结构的刻蚀倾角是非常必要的，一方面是监控刻蚀工艺的需要，另一方面可以用来预测器件性能及可靠性的偏移。

而现有的定量监控刻蚀工艺的方法，主要都是通过提取刻蚀后梁的断裂强度以及线宽损失量来反映刻蚀效果，相对缺乏对梁刻蚀垂直度的提取方法。故需要提出一种简易的、可复制的、稳定可行的提取梁刻蚀垂直度的方法。

发明内容

通过上面的分析可知，在缺少提取梁刻蚀垂直度方法的前提下，本发明的目的是提出一种简易的提取体硅工艺制造微梁刻蚀垂直度的方法及系统。本发明通过设计片上检测结构，搭配施加电学信号的装置(微电子工艺检测分析用探针台和电压源)和垂直位移检测装置(例如光学轮廓仪)，完成对梁刻蚀垂直度的间接测量。这种方法可用来进行刻蚀(腐蚀)工艺监控，也可用来预测器件的性能及可靠性，从而反过来优化器件设计。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种利用静电驱动梁扭转原理提取梁刻蚀垂直度的系统，包括片上检测结构、微电子工艺检测分析用探针台、电压源、垂直位移检测装置。所述片上检测结构包括被测梁、参考梁、细梁、锚腿、衬底。所述参考梁通过锚腿固支在衬底上。所述被测梁处于悬空状态，通过两端的细梁与固支锚腿连接在一起。在所述被测梁与参考梁之间施加电压时，两梁之间会出现静电引力，若梁的侧壁并非垂直(通常为倒梯形结构)，则梁上面部分与下面部分的静电引力的大小不一致，会导致被测梁出现一定程度的扭转。

一种利用静电驱动梁扭转原理提取体硅工艺制造的微梁刻蚀垂直度的方法，其步骤包括：

1)制作片上检测结构；

2)利用微电子工艺检测分析用探针台及电压源，在检测结构中的被测梁与参考梁之间施加一定量的电压；

3)利用垂直位移检测装置(如光学轮廓仪)检测被测梁的扭转情况；

4)根据上步所测量的扭转情况，间接计算梁的侧壁垂直度(如可借助有限元分析软件来计算)。

进一步地，步骤1)中通过键合深刻蚀释放标准工艺制作片上检测结构，所述的片上检测结构包括被测梁、参考梁、细梁、锚腿、衬底。

进一步地，步骤1)具体包括以下步骤：

(1)锚腿制造：在硅片上利用光刻和刻蚀技术，形成锚腿结构；

(2)将锚腿刚性固定在衬底上：利用阳极键合技术使带有锚腿的硅面键合在衬底玻璃片上；

(3)结构制作；在键合片背面(非锚腿面)进行光刻和深刻蚀技术，释放结构，完成片上检测结构的制作。此步中的深刻蚀即为被监控的刻蚀工艺。

进一步地，完成步骤2)、3)和4)，即可得到梁的刻蚀垂直度。

本发明为了提取体硅工艺制造微梁的刻蚀垂直度，设计了片上检测结构，并进一步提出了结合所述片上检测结构、微电子工艺检测分析用探针台、电压源、以及垂直位移检测装置来提取体硅工艺制造的微梁刻蚀垂直度的方法及系统。这种提取方法有如下优点：

1)检测结构简单，不需要特殊的制作工艺；

2)整个测量方法简单，易于通用；

3)提取梁的刻蚀垂直度参数更能让设计人员预测器件性能及可靠性。

附图说明

图1是片上检测结构的俯视图(a)和侧视图(b)；1为衬底，2为参考梁，3为被测梁，4为细梁，5为锚腿，6为梁(被测梁和细梁)，7为衬底。

图2是电学信号施加示意图；8为探针台探针。

图3是片上检测结构在加电前(a)和加电后(b)的横截面变形情况；9为被测梁，10为参考梁。

图4是键合深刻蚀释放标准工艺的步骤。

具体实施方式

本发明提出了一种利用静电驱动梁扭转原理提取体硅工艺制造的微梁刻蚀垂直度的方法。下面就结合北京大学的键合深刻蚀释放标准工艺，描述如何利用此方法来提取深刻蚀工艺制造的微梁的刻蚀垂直度，主要的步骤如下：

(1)工艺流片。采用的工艺为键合深刻蚀释放标准工艺，主要包括(如图4所示)：

(a)ASE硅片，4μm，刻出锚腿台阶；

(b)玻璃片备片；

(c)硅片和玻璃片阳极键合；

(d)KOH减薄硅面，余厚75±5μm；

(e)深刻蚀技术刻蚀硅片，结构释放，得到如图1中描述的片上检测结构。

(2)加电测试。如图2所示，利用探针台探针及电压源，在被测梁与参考结构之间施加电压，通过垂直位移检测装置检测被测梁的扭转情况，再通过有限元仿真工具(如ANSYS)，计算被测梁侧壁的垂直度，此次测量结果平均为1°。

以上通过一个实施例描述了本发明方法的一个应用，即提取键合深刻蚀释放标准工艺制造的微梁的刻蚀垂直度。但需要说明的是，本发明方法适合经过其他体硅加工工艺制造的微梁的刻蚀垂直度的提取。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利实质的范围内，保持本专利中利用静电驱动梁扭转原理提取梁刻蚀垂直度特征外，可对结构做一定的变化和修改，其工艺制备方法也不限于本实施例中的键合深刻蚀释放标准工艺。本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (3)

1.一种定量提取体硅工艺制造的梁刻蚀垂直度的系统，利用静电驱动梁扭转原理，即通过检测在静电驱动下梁的扭转情况来间接计算梁的刻蚀垂直度；所述系统包括片上检测结构、微电子工艺检测分析用探针台、电压源、垂直位移检测装置；所述片上检测结构包括被测梁、参考梁、细梁、锚腿、衬底；所述参考梁通过锚腿固支在衬底上；所述被测梁处于悬空状态，通过两端的细梁与固支锚腿连接在一起；所述微电子工艺检测分析用探针台及电压源在检测结构中的被测梁与参考梁之间施加一定量的电压，驱使被测梁发生一定程度的扭转；所述垂直位移检测装置检测被测梁在静电驱动下的扭转情况。

2.采用权利要求1所述的系统提取梁刻蚀垂直度的方法，其特征在于利用静电驱动梁扭转原理，即通过检测在静电驱动下梁的扭转情况来间接计算梁的刻蚀垂直度；所述提取梁刻蚀垂直度的方法，其具体步骤包括：

1)制作片上检测结构；

2)利用微电子工艺检测分析用探针台及电压源，在检测结构中的被测梁与参考梁之间施加一定量的电压；

3)利用垂直位移检测装置检测被测梁的扭转情况；

4)根据上步所测量的扭转情况，间接计算梁的侧壁垂直度。

3.如权利要求2所述的提取梁刻蚀垂直度的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

i)在硅片上利用光刻和刻蚀技术，形成锚腿结构；

ii)利用阳极键合技术使带有锚腿的硅面键合在衬底玻璃片上；

iii)利用非锚腿面的减薄、光刻和深刻蚀技术，释放结构，制成片上检测机结构。

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