專利名稱：等離子體刻蝕模擬中最大離子邊界角的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)工藝過程模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及MEMS工藝中的深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)以及其他等離子體刻蝕工藝過程的模型建立及軟件實(shí)現(xiàn)過程中，用于“模型參數(shù)”數(shù)值確定的最大離子邊界角值的測量方法。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，制作出高深寬比可動結(jié)構(gòu)的器件成為MEMS器件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)之一。因而對于一定的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如刻蝕機(jī)的線圈功率，平板功率，氣體流量，腔體氣壓等)設(shè)置下，所能夠?qū)崿F(xiàn)的深反應(yīng)離子刻蝕的刻蝕形貌的準(zhǔn)確把握，成為 MEMS器件制作過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往多是通過進(jìn)行反復(fù)大量的摸索實(shí)驗(yàn)來不斷優(yōu)化刻蝕參數(shù)的設(shè)置，以得到更好的刻蝕形貌，但這樣的過程往往耗費(fèi)大量的人力財(cái)力和時(shí)間，而且具有很大的盲目性，最終甚至往往很難得到最優(yōu)化的結(jié)果，或是難以判斷結(jié)果的優(yōu)化程度。而基于對刻蝕原理深入分析所建立的深反應(yīng)離子刻蝕過程模擬模型及其軟件實(shí)現(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)者和設(shè)計(jì)者提供了很好的輔助和向?qū)Чぞ摺Ｒ环矫?，軟件模擬可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，以期得到更加理想化的刻蝕形貌；另一方面，軟件模擬可以被應(yīng)用于目前一些器件行為仿真的前端輸入，使得輸入的器件模型的形貌包含了實(shí)際制造因素，而不再是以往的理想形貌的輸入，這樣可以使得在一定的制造條件下制造出的器件的性能得到更加準(zhǔn)確的模擬。目前，針對硅的深反應(yīng)離子刻蝕——博世(Bosch)工藝，已經(jīng)有一些相對比較成熟的模擬模型和相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。但這些模型，抑或是一些十分復(fù)雜的模型，基于對多物理場的耦合分析，綜合考慮了深反應(yīng)離子刻蝕過程中的各種物理化學(xué)綜合作用的過程，建立模型的過程十分復(fù)雜，應(yīng)用時(shí)也需要相關(guān)的一些專業(yè)背景知識；抑或是基于了對離子角分布函數(shù)的假設(shè)，即假設(shè)離子角分布函數(shù)滿足高斯分布，這在很大程度上降低了模型的準(zhǔn)確程度。專利申請者之前的相關(guān)研究(Jia Hu et. al. , Determining the ion angular distribution of bulk titanium DRIE with overhang SU—8 mask, Proceedings of the 2011 6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, February 20-23，2011，Kaohsiung, Taiwan)中，仔細(xì)探究了以氯氣等離子體對鈦材料進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕的模型，采用了基于對等離子體物理行為分析建立的更加優(yōu)化的離子角分布函數(shù)，并從中提取出相關(guān)“模型參數(shù)”，對應(yīng)于不同刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的物理化學(xué)作用的耦合影響及作用結(jié)果。從而在輸入刻蝕的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，不必基于復(fù)雜的物理化學(xué)過程及理論的推導(dǎo)和計(jì)算來確定當(dāng)前刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置所對應(yīng)的具體刻蝕模型，而是可以通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測量來確定當(dāng)前刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置所對應(yīng)的“模型參數(shù)”的數(shù)值，進(jìn)而得到當(dāng)前刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置所對應(yīng)的具體刻蝕模型。這樣的模型更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，比起單純的理論分析也相對更加準(zhǔn)確。
上述文獻(xiàn)中，所建立的深反應(yīng)離子刻蝕模型如公式(1) (4)所示G: 一 I ix· V. 7 ][ V r tec C^xC^! - !j5v ^ nt > Λ/j c ^ ι] (1)( ri Λ. ；· = ι 2 ν 7 11 ψ —Γ uifR Ξ eVykTi (2)
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rriif = ( (- I “ g ι ti ι con θ \；； Hi > ·>
ti ι COJ 行一 I / · ,- / h其中待提取的“模型參數(shù)”是R(定義為“刻蝕參數(shù)”)和Ciic (定義為“設(shè)備參數(shù)”)。對應(yīng)于不同的待刻蝕襯底、不同的刻蝕氣體、不同的刻蝕設(shè)備、不同的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，R均會有不同的取值，需要通過實(shí)驗(yàn)來標(biāo)定。在對應(yīng)于某一臺刻蝕機(jī)，某一特定的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出R值后，通過測量刻蝕深度，結(jié)合刻蝕時(shí)間，可以得到刻蝕速率ERiic，進(jìn)而“設(shè)備參數(shù)” Ciic可以計(jì)算出來，進(jìn)行多組不同刻蝕參數(shù)的實(shí)驗(yàn)得到一系列Ciic的值后，取平均即可最終得到相對比較準(zhǔn)確的“設(shè)備參數(shù)”Ciic?！霸O(shè)備參數(shù)”Ciic僅僅與設(shè)備有關(guān)，一經(jīng)標(biāo)定，除非一段時(shí)間的使用造成機(jī)器磨損檢修或機(jī)器更換零部件造成的機(jī)器本身的變化導(dǎo)致需要重新標(biāo)定Ciic的值，一般情況下，這臺刻蝕機(jī)的“設(shè)備參數(shù)”Ciic值保持不變?！翱涛g參數(shù)” R值的標(biāo)定過程成為問題的關(guān)鍵與核心。根據(jù)已有的研究結(jié)果，負(fù)性光刻膠可以對很多材料的深刻蝕有比較有效的掩蔽效果，而SU-8光刻膠對于氯氣等離子體刻蝕鈦襯底具有非常好的掩蔽作用。目前對R的標(biāo)定是借助于雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的幾何關(guān)系，測量某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的實(shí)際的最大離子邊界角θ (如圖1 所示)，通過離子角分布函數(shù)來確定R值。圖1所示的雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)中，(a)對應(yīng)于上層光刻膠窗口線寬小于臨界線寬(注所述臨界線寬是指上層光刻膠窗口對入射離子的屏蔽作用剛好被消除時(shí)所對應(yīng)的窗口線寬，以圖1中所示的刻蝕形貌的中心點(diǎn)為例， 如果所有角度的入射離子都可以到達(dá)襯底上該點(diǎn)并對該點(diǎn)產(chǎn)生刻蝕作用，那么就認(rèn)為窗口對入射離子的屏蔽作用被消除)的情況，部分大角度入射的離子被光刻膠阻擋，測量得到的最大離子邊界角的值比實(shí)際最大離子邊界角的值要小，即Q3wC θ ； (b)對應(yīng)于上層光刻膠窗口線寬大于等于臨界線寬的情況，上層光刻膠的遮蔽效應(yīng)被完全消除，測量的最大離子邊界角的值與實(shí)際的最大離子邊界角的值相等，即Q3w= θ。通過測量一系列離子邊界角的值，取其平均可以得到相對比較準(zhǔn)確的最大離子邊界角的值。公式(1)中給出的離子角分布函數(shù)，當(dāng)R取不同值時(shí)，對應(yīng)離子角分布函數(shù)的曲線如圖2所示。從曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)可以讀出某一R取值下理論上的最大離子邊界角的值。從而，通過理論與實(shí)驗(yàn)的對照匹配，可以最終確定出某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下“刻蝕參數(shù)”R的取值。目前，用于R值標(biāo)定的雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示，首先在鈦基底上涂覆第一層SU-8光刻膠約5微米，然后曝光并短時(shí)間稍微顯影出對位標(biāo)記(如圖 3(a)所示)；接著濺射一層0. 2微米厚的鋁薄膜層(如圖3(b)所示)；然后再涂覆第二層 SU-8光刻膠約5微米，并光刻出上層窗口圖形(如圖3(c)所示)；最后腐蝕掉暴露出來的鋁薄膜層，并對下層未曝光的SU-8膠進(jìn)行完全顯影釋放，最終可以得到所需要的雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)(如圖3 (d)所示)。上述通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)標(biāo)定“刻蝕參數(shù)” R的方法尚存在如下缺點(diǎn)(1)實(shí)驗(yàn)的步驟及所需設(shè)備相對比較復(fù)雜，除了最基本的勻膠機(jī)、光刻機(jī)外，還需要進(jìn)行鋁薄膜濺射的相關(guān)設(shè)備，操作的流程相對比較復(fù)雜，耗時(shí)相對比較長。一方面對于模型建立者，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)標(biāo)定相關(guān)“模型參數(shù)”的代價(jià)和成本較大，耗時(shí)較長；另一方面，對于用戶使用者，進(jìn)行對應(yīng)于其使用的機(jī)器的“模型參數(shù)”標(biāo)定實(shí)驗(yàn)不夠方便易行，使得模型及相關(guān)軟件的實(shí)用性下降。(2)實(shí)際的刻蝕過程中，由于鋁薄膜層的存在，使得散熱效果進(jìn)一步變差，膠在經(jīng)受等離子體刻蝕轟擊過程中，耐受時(shí)間很短，短時(shí)間內(nèi)就會產(chǎn)生變糊甚至卷曲脫膠的現(xiàn)象， 遮蔽性能變差，無法實(shí)現(xiàn)大功率的深刻蝕實(shí)驗(yàn)。(3)在腐蝕暴露的鋁薄膜層的過程中，上層光刻膠遮蔽之下的暴露的鋁層很難被完全腐蝕干凈，因而在刻蝕過程中，會出現(xiàn)鋁淀積到基片表面的情況，在刻蝕的槽開口附近的基片表面上形成凸起的“小山丘”形貌，如圖4所示，影響了后續(xù)測量的準(zhǔn)確性。(4)由于無法準(zhǔn)確測量出上層光刻膠的厚度以及整體膠厚，因而需要借助于白光干涉的手段在去膠前后分別進(jìn)行進(jìn)行截面的形貌測量。一方面，白光干涉的儀器設(shè)備并不是很容易得到，且測試費(fèi)用比較昂貴，不適于大量實(shí)驗(yàn)的后續(xù)測量應(yīng)用；另一方面，白光干涉的測量結(jié)果并不足夠精確，在測量和數(shù)據(jù)對比分析中基于了一定的假設(shè)，也最終影響了模型的準(zhǔn)確程度。因而，要建立一個(gè)更加準(zhǔn)確的模型，并且使模型及軟件實(shí)現(xiàn)更方便的被用戶普遍的應(yīng)用于不同的刻蝕設(shè)備，就需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種簡單、精確并且低成本的測量最大離子邊界角的值的方法，本發(fā)明借助一種新的制備負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的方法，并增加輔助測量結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)“實(shí)時(shí)在線”測量，避免更多的假設(shè)被引入。，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種準(zhǔn)確測量某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的，等離子體刻蝕過程中的最大離子邊界角的值的方法。具體來說，由于根據(jù)已有研究結(jié)果，負(fù)性光刻膠可以對很多的材料的刻蝕有比較有效的掩蔽作用，并且負(fù)性光刻膠的曝光特性不同于正膠，光在負(fù)膠中從上至下穿透的過程中，光子能量會不斷被吸收減弱，而負(fù)膠被曝光并產(chǎn)生交聯(lián)需要一定水平之上的光的能量，因而通過一種更加簡單易操作、實(shí)驗(yàn)周期短、成本低的制備負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的方法，并同時(shí)制備輔助精確測量的粘附(Stiction)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)簡單、精確并且低成本的測量某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下等離子體刻蝕過程中的最大離子邊界角的值，進(jìn)而提高等離子體刻蝕模型及其軟件實(shí)現(xiàn)的普遍適用性。根據(jù)本發(fā)明，在等離子體刻蝕中，一定刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的最大離子邊界角的測量方法包括下述步驟1)在一塊襯底上同時(shí)制備一系列負(fù)性光刻膠的懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)，所述懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)與襯底相接觸起支撐固定作用的錨區(qū)，以及位于兩個(gè)錨區(qū)之間并與錨區(qū)連接的懸空梁，在兩個(gè)錨區(qū)之間的空間上方形成一個(gè)具有一定線寬的窗口，所述窗口的線寬小于兩個(gè)錨區(qū)之間的距離；所述粘附結(jié)構(gòu)包括一個(gè)錨區(qū)和與一個(gè)一端與該錨區(qū)連接的懸臂梁， 該懸臂梁在顯影釋放后與襯底粘連形成粘附結(jié)構(gòu)；
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可以采用如下方法制備懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)首先，在襯底上涂覆一層負(fù)性光刻膠，前烘后，利用第一掩膜版對負(fù)性光刻膠層進(jìn)行曝光，使懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)中與襯底相接觸起支撐固定作用的錨區(qū)完全曝光產(chǎn)生交聯(lián)，而其他區(qū)域的負(fù)性光刻膠不被曝光；接著，利用第二掩膜版對準(zhǔn)后進(jìn)行欠曝光，同時(shí)使懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁區(qū)域由上至下某一厚度的負(fù)性光刻膠曝光產(chǎn)生交聯(lián)，再往下的負(fù)性光刻膠則不產(chǎn)生交聯(lián)，而懸空結(jié)構(gòu)的窗口區(qū)域和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁外側(cè)區(qū)域的負(fù)性光刻膠不被曝光，其中懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁的長度小于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度，而粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的長度大于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度；最后顯影，釋放掉未產(chǎn)生交聯(lián)的負(fù)性光刻膠，同時(shí)形成負(fù)性光刻膠的懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)。根據(jù)光刻膠的種類及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光刻流程，對于某些負(fù)性光刻膠，在顯影之前需要進(jìn)行中烘操作，而對于要求進(jìn)行后烘的光刻膠在顯影之后進(jìn)行后烘操作。其中，懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁由于其設(shè)計(jì)長度小于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度，因而不會產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，而粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的長度超過產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度，所以在顯影操作的水洗步驟后懸臂梁從開放端(即不與錨區(qū)連接的一段)開始到接近錨區(qū)的固定端的懸臂梁結(jié)構(gòu)體粘附到襯底上，形成粘附結(jié)構(gòu)；2)在一定的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，以步驟1)所述懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)為掩膜進(jìn)行等離子體刻蝕，然后選取懸空結(jié)構(gòu)窗口線寬d大于臨界線寬的一系列懸空結(jié)構(gòu)刻蝕后的形貌進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并借助粘附結(jié)構(gòu)，根據(jù)下述公式I計(jì)算出一系列最大離子邊界角θ，取其平均值得到該刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的最大離子邊界角的值tan θ = [(D-d)-(L-I)]/2h 公式 I其中，D為刻蝕后在懸空結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的刻蝕開口線寬；d為刻蝕前懸空結(jié)構(gòu)的窗口線寬；L為刻蝕前粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁梁寬；1為刻蝕后粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的剩余梁寬， 體現(xiàn)了刻蝕后的膠厚以及膠線寬的變化情況；h為刻蝕前懸空結(jié)構(gòu)的懸空層距離襯底的距離，h = H-t，而H為刻蝕前負(fù)性光刻膠的整體厚度，t為刻蝕前粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的厚度。上述臨界線寬是指懸空結(jié)構(gòu)的窗口對入射離子的屏蔽作用剛好被消除時(shí)所對應(yīng)的窗口線寬?？梢酝ㄟ^如下方法確定臨界線寬在用于光刻的光刻版(即第二掩膜版)版圖中，設(shè)計(jì)一系列從小到大(如從5微米到100微米以上)依次增大的窗口線寬，從而獲得一系列不同窗口線寬的負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)，以這些懸空結(jié)構(gòu)為掩膜進(jìn)行等離子體刻蝕并去除負(fù)性光刻膠后，測量相應(yīng)的襯底上的刻蝕形貌，刻蝕形貌中心點(diǎn)的刻蝕深度會隨著窗口線寬的增大而不斷增大，當(dāng)對應(yīng)的窗口線寬增加到某一個(gè)值以后，刻蝕形貌中心點(diǎn)的刻蝕深度不再發(fā)生變化，如果設(shè)計(jì)的窗口線寬增大的梯度足夠小的話，可以近似認(rèn)為這一窗口線寬等于臨界線寬，并且，從這一線寬開始的以后各逐漸增大的窗口線寬均大于臨界線寬。上述各數(shù)據(jù)中，刻蝕前負(fù)性光刻膠的整體厚度H和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的厚度t可以借助臺階儀，由粘附結(jié)構(gòu)測得；刻蝕前懸空結(jié)構(gòu)的窗口線寬d和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁梁寬 L在版圖設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定；刻蝕后刻蝕開口線寬D在去除光刻膠掩膜后借助臺階儀測量獲得；刻蝕深度E是在去除光刻膠掩膜后，借助臺階儀測量獲得；刻蝕后的粘附結(jié)構(gòu)懸臂梁的剩余梁寬1是在刻蝕后去除光刻膠掩膜之前，借助臺階儀，由粘附結(jié)構(gòu)測得。上述懸空結(jié)構(gòu)的錨區(qū)可以是兩個(gè)相隔一定距離的分離的錨區(qū)；也可以是兩個(gè)彼此之間通過側(cè)墻連接起來的錨區(qū)。上述懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁可以是兩個(gè)分別由兩個(gè)錨區(qū)支撐的懸空梁，兩個(gè)懸空梁之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口 ；也可以是一個(gè)由兩個(gè)錨區(qū)共同支撐的整體結(jié)構(gòu)的懸空梁，在該懸空梁的中部開設(shè)有窗口。在圖8中顯示了三種懸空結(jié)構(gòu)的俯視圖，包括(一)如圖8(a)所示，該懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分離的錨區(qū)5-1，兩個(gè)錨區(qū)5-1之間懸有兩個(gè)分別與兩個(gè)錨區(qū)單端連接的懸空梁6-1，兩個(gè)懸空梁6-1之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口 ；(二)如圖8(b)所示，該懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分離的錨區(qū)5-2，兩個(gè)錨區(qū)5-2之間是一個(gè)兩端分別與兩個(gè)錨區(qū)連接的整體結(jié)構(gòu)的懸空梁6-2，在該懸空梁的中部開設(shè)有窗口 ；(三)如圖8(c)所示，該懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)彼此之間通過側(cè)墻5-3’連接的錨區(qū) 5-3，兩個(gè)錨區(qū)5-3和側(cè)墻5-3’圍成一個(gè)矩形空間，矩形空間的上方懸有兩個(gè)由錨區(qū)5-3和側(cè)墻5-3’支撐的懸空梁6-3，兩個(gè)懸空梁6-3之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口。制備懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)時(shí)，在襯底(可以使用任意材料的基片，常用硅片、鈦片等)上涂覆的負(fù)性光刻膠的膠層厚一些有助于結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，所述負(fù)性光刻膠的整體厚度可以是1 2000微米，利用第二掩膜版進(jìn)行欠曝光時(shí)，使由上至下占總體厚度20% 80%的負(fù)性光刻膠曝光產(chǎn)生交聯(lián)。在本發(fā)明的一些具體實(shí)施例中，采用SU-8負(fù)性光刻膠在硅片上進(jìn)行旋涂，獲得的厚度H約為50 60微米，采用不同型號的SU-8光刻膠可以做到不同厚度的厚膠層。第二次欠曝光采用2s的時(shí)間，得到的懸空結(jié)構(gòu)懸空梁及粘附結(jié)構(gòu)懸臂梁的膠體厚度約為30 40微米，懸臂梁的梁寬L為100微米左右。在某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)實(shí)際測得最大離子邊界角的值后，結(jié)合背景技術(shù)中所述的“刻蝕參數(shù)” R值的標(biāo)定理論，可以標(biāo)定出該蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的“刻蝕參數(shù)” R的值。而刻蝕速率Eriic根據(jù)下述公式II計(jì)算得到，進(jìn)而獲得刻蝕的“設(shè)備參數(shù)”Ciic。ERiic = Ε/Τ 公式 II其中，T為刻蝕時(shí)間，E為懸空結(jié)構(gòu)內(nèi)部的刻蝕深度。本發(fā)明提供了一種用于等離子體刻蝕模擬的最大離子邊界角測量方法，該方法設(shè)計(jì)了一種新的負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)制備方法，并同時(shí)制備輔助精確測量的粘附(Stiction) 結(jié)構(gòu)，從而可以在某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，簡單、精確、低成本地“實(shí)時(shí)在線”測量等離子體刻蝕過程中的最大離子邊界角的值，以用于后續(xù)的刻蝕模型參數(shù)的標(biāo)定。具體的，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在(1)制造負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)操作過程簡單易行，僅僅需要勻膠機(jī)、熱板和可以單面套刻的光刻機(jī)即可制造出，實(shí)驗(yàn)周期短，制造成本低；(2)制造的過程僅涉及一次勻膠和兩次曝光，工藝流程耗時(shí)時(shí)間短，效率高；(3)巧妙地利用了普通MEMS工藝中盡量避免的粘附效應(yīng)(Stiction Effect)，將其與懸空結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)片上在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)制備出來，可以實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)在線”的精確測量，一方面降低了對于每次操作重復(fù)性的要求，增加了成品率，另一方面，由于每一次工藝操作過程都會存在厚度以及線寬上不可避免并且不可預(yù)測不可控的偏差，采用本方法可以對每一個(gè)刻蝕參數(shù)設(shè)置下的實(shí)驗(yàn)片上的各個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，而避免 “不同實(shí)驗(yàn)片在相同實(shí)驗(yàn)條件和操作下，所實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的線寬相同”的假設(shè)，有效地避免了不同批次實(shí)驗(yàn)片的操作等誤差的引入；(4)簡單易行的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，及準(zhǔn)確簡便的測量方法，使得通過實(shí)驗(yàn)來標(biāo)定“模型參數(shù)”簡單易行，準(zhǔn)確度高，可以方便模型開發(fā)人員進(jìn)行更多次的實(shí)驗(yàn)來提高模型的準(zhǔn)確程度，也可以方便用戶進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)來對其使用的機(jī)器的“模型參數(shù)”值進(jìn)行標(biāo)定， 從而使得模型及其軟件實(shí)現(xiàn)的普遍適用性大大提高，推廣的可能性也大大提高。


圖1是等離子體刻蝕模型中最大離子邊界角測量原理的示意圖。圖2是等離子體刻蝕模型中不同R取值對應(yīng)的離子角分布函數(shù)曲線圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)中用于等離子體刻蝕模型最大離子邊界角測量的雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)步驟圖。圖4顯示了在現(xiàn)有技術(shù)的雙層SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)中，鋁淀積到基片表面并在槽開口邊緣基片表面形成山丘狀凸起的情形。圖5顯示了本發(fā)明負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的制備過程。圖6顯示了本發(fā)明負(fù)性光刻膠粘附結(jié)構(gòu)的制備過程。圖7顯示了刻蝕前后在負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)中需要獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)。圖8是三種不同的懸空結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖9顯示了應(yīng)用本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕模型確定的過程。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行描述，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
一、SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)如圖5(d)所示，該結(jié)構(gòu)便于非垂直入射的離子的刻蝕作用的無阻礙發(fā)揮，以及最后通過形貌測量來比較準(zhǔn)確的測量出最大離子邊界角，從而用于非常關(guān)鍵的“刻蝕參數(shù)” R的值的標(biāo)定。該SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)利用了 SU-8光刻膠的如下特性SU_8光刻膠曝光時(shí)，吸收一定劑量的紫外光后會產(chǎn)生交聯(lián)，在顯影中會被保留下來；光在SU-8光刻膠中傳播，從上到下，能量會被不斷吸收而減弱，因而當(dāng)曝光劑量較小時(shí)，會出現(xiàn)下層的SU-8光刻膠由于接收到的光的劑量達(dá)不到使其產(chǎn)生交聯(lián)的劑量，而不會產(chǎn)生交聯(lián)，將來在顯影中會被顯影液橫向鉆蝕釋放掉。曝光光強(qiáng)一般同一臺光刻機(jī)在同一次曝光中是恒定的，因而曝光劑量主要通過控制曝光時(shí)間，可以得到很好的控制。如圖5所示，先在基片1(如硅片)上涂覆一層SU-8厚膠2(約50微米)；然后利用第一掩膜版(圖5(a)中所示為第一掩膜版在懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域的圖案31)進(jìn)行足夠劑量的曝光，將懸空結(jié)構(gòu)中與襯底接觸起支撐固定作用的錨區(qū)5完全曝光，即，使錨區(qū)5的SU-8膠從上到下均產(chǎn)生交聯(lián)；再利用第二掩膜版(圖5(b)中所示為第二掩膜版在懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域的圖案41)進(jìn)行欠曝光(曝光時(shí)間k)，使得懸空結(jié)構(gòu)中不與襯底接觸的懸空梁6區(qū)域的上層至某一深度(約40微米)的SU-8光刻膠產(chǎn)生交聯(lián)，而再往下面的光刻膠不產(chǎn)生交聯(lián)(見圖
95(c)),進(jìn)而在顯影液中下層光刻膠被橫向鉆蝕釋放掉，形成最終的懸空結(jié)構(gòu)，見圖5 (d)。其中，如圖5(c)所示，懸空梁6的長度W1小于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度。二、粘附結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)粘附(Stiction)結(jié)構(gòu)如圖6(d)所示，用于“實(shí)時(shí)在線”準(zhǔn)確測量出該基片上的 SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)的上下層厚度以及總體膠厚，以及光刻膠在刻蝕前后線寬及形貌的變化，為后續(xù)測量計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)。粘附(Stiction)結(jié)構(gòu)的制備過程如圖6所示，首先利用第一掩膜版(圖6 (a)中所示為第一掩膜版在粘附結(jié)構(gòu)區(qū)域的圖案32)進(jìn)行足夠劑量的曝光，將SU-8懸臂梁結(jié)構(gòu)中與襯底接觸起支撐固定作用的錨區(qū)7完全曝光，即，使錨區(qū)7的SU-8膠從上到下均產(chǎn)生交聯(lián)；然后利用第二掩膜版(圖6(b)中所示為第二掩膜版在粘附結(jié)構(gòu)區(qū)域的圖案4 進(jìn)行欠曝光(曝光時(shí)間k)，使得SU-8懸臂梁結(jié)構(gòu)中不與襯底接觸的懸臂梁8區(qū)域的上層至某一深度(約40微米)的SU-8光刻膠產(chǎn)生交聯(lián)，而再往下面的光刻膠不產(chǎn)生交聯(lián)，進(jìn)而在顯影液中下層光刻膠被橫向鉆蝕釋放掉(參見圖6(c))，形成SU-8懸臂梁結(jié)構(gòu)。在某一梁厚及梁的下表面距離襯底高度條件下，當(dāng)懸臂梁8的長度W2大于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度時(shí)， SU-8的懸臂梁結(jié)構(gòu)在最終的去離子水清洗后產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，如圖6(d)所示。利用該粘附結(jié)構(gòu)進(jìn)可以方便的測量出該基片在某一欠曝光條件下，所形成的膠總體厚度、梁部分的厚度及距離襯底的距離，即實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)在線”測量。三、基片上SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)區(qū)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)利用第二掩膜版進(jìn)行欠曝光時(shí)掩膜線寬(對應(yīng)于懸空結(jié)構(gòu)的窗口線寬)從5 微米到30微米依次加1微米遞增，從30微米到190微米依次加10微米遞增，使得設(shè)置不同的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，在上層光刻膠掩膜窗口產(chǎn)生屏蔽作用的臨界線寬之上和之下均有測試結(jié)構(gòu)存在，從而可以得到存在掩膜窗口屏蔽作用和不存在掩膜窗口屏蔽作用的多組刻蝕結(jié)構(gòu)結(jié)果。多組窗口線寬的設(shè)計(jì)，有助于確定出從某一線寬開始掩膜屏蔽效應(yīng)被消除，進(jìn)而可以選取從這一線寬開始，上層光刻膠窗口比這一線寬大的多組結(jié)構(gòu)的刻蝕形貌進(jìn)行測量，最后取平均得到相對比較準(zhǔn)確的最大離子邊界角。四、基片上粘附結(jié)構(gòu)區(qū)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)利用第二掩膜版進(jìn)行欠曝光時(shí)掩膜版的梁長度從100微米到1050微米依次加50微米遞增，梁寬固定為100微米，根據(jù)粘附效應(yīng)的相關(guān)理論計(jì)算可得到SU-8懸臂梁結(jié)構(gòu)在各種梁厚及距離襯底高度的情況下，發(fā)生粘附的臨界梁長度約在400到600微米的范圍內(nèi)，因而上述設(shè)計(jì)會產(chǎn)生粘附和不粘附兩種結(jié)果的SU-8懸臂梁結(jié)構(gòu)，用于對照；另設(shè)計(jì)兩組固定梁的長度(分別固定為500微米和800微米)，梁的寬度依次為 10微米、25微米、50微米、100微米、150微米、200微米，用于對照對于粘附效應(yīng)的產(chǎn)生影響相對較小的梁寬因素是否也會對粘附結(jié)構(gòu)的獲得有一些相應(yīng)的影響。五、數(shù)據(jù)測量刻蝕前>膠的整體厚度H ；——借助臺階儀，對粘附結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，如圖7(b)所示；>上層膠的厚度t ；——借助臺階儀，對粘附結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，如圖7(b)所示；>膠懸空層(上層膠)距離襯底的距離h;——h = H_t;如圖7(a)和(b)所示；
>上層膠窗口線寬d ；——版圖設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，可參考版圖相關(guān)信息確定，參見圖 7(a)；>光刻膠懸臂梁結(jié)構(gòu)梁寬L ；——版圖設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，可參考版圖相關(guān)信息確定，參見圖7 (C)，所示為粘附結(jié)構(gòu)懸臂梁的寬度；刻蝕后首先不去除光刻膠掩膜進(jìn)行測量，之后以發(fā)煙硝酸去除刻蝕后的SU-8光刻膠掩膜再進(jìn)行后續(xù)測量。>刻蝕后的剩余的光刻膠懸臂梁結(jié)構(gòu)梁寬1 ；——去除光刻膠掩膜之前，借助臺階儀，對粘附結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，如圖7(d)所示；>刻蝕開口線寬D ；——去除光刻膠掩膜后，借助臺階儀，對SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行測量，參見圖7(a)；>刻蝕深度E ；——去除光刻膠掩膜后，借助臺階儀，對SU-8光刻膠懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行測量，參見圖7(a)；六、計(jì)算1.對于最大離子邊界角θ的計(jì)算(選取懸空結(jié)構(gòu)的窗口線寬大于臨界線寬的一系列結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量)tan θ = [ (D_d) - (L_l) ]/2h則θ的數(shù)值即為某一刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，實(shí)驗(yàn)所實(shí)際測得的最大離子邊界角的值。從一系列懸空結(jié)構(gòu)可以得到一系列的θ值，取其平均，獲得相對準(zhǔn)確的最大離子邊界角的數(shù)值。再結(jié)合背景技術(shù)中所述的“刻蝕參數(shù)”R值的標(biāo)定理論，可以標(biāo)定出該蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的“刻蝕參數(shù)”R的值。2.刻蝕速率 ERiic:ERiic = Ε/Τ其中，T為刻蝕的時(shí)間。七、應(yīng)用根據(jù)上述方法，通過設(shè)置一系列刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量，得到相應(yīng)的最大離子邊界角θ的值，進(jìn)而對應(yīng)得到R的值，并分別計(jì)算出各組刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的刻蝕速率ERiic的值。如圖9所示，分別將各組刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，所測量計(jì)算得到的R值和刻蝕速率 ERiic的值帶入公式G)，可得到相應(yīng)的一個(gè)“設(shè)備參數(shù)” Ciic的值。將多組刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)下所得到的“設(shè)備參數(shù)” Ciic的值取平均，即可最終得到對應(yīng)于這臺刻蝕設(shè)備的 “設(shè)備參數(shù)” Ciic，也即，最終用于刻蝕速率模擬的模型(公式(3))被最終的建立。如圖9所示，可以得到一系列的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與相應(yīng)的R值的對應(yīng)關(guān)系，借助背景技術(shù)中所述的“響應(yīng)面法”及“最小二乘法”實(shí)現(xiàn)多變量輸入對應(yīng)單變量輸出的比較準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系，從而最終實(shí)現(xiàn)由用戶輸入任意設(shè)置的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)(包括線圈功率、平板功率、氣體流量、腔體氣壓)值，可以較為準(zhǔn)確的自動對應(yīng)出“刻蝕參數(shù)”R的值，進(jìn)而帶入到公式(3)中實(shí)現(xiàn)出該刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的較為準(zhǔn)確的等離子體刻蝕過程的模擬結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種等離子體刻蝕模擬中最大離子邊界角的測量方法，包括以下步驟1)在一塊襯底上同時(shí)制備一系列負(fù)性光刻膠的懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)，所述懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)與襯底相接觸起支撐固定作用的錨區(qū)，以及位于兩個(gè)錨區(qū)之間并與錨區(qū)連接的懸空梁，在兩個(gè)錨區(qū)之間的空間上方形成一個(gè)具有一定線寬的窗口，所述窗口的線寬小于兩個(gè)錨區(qū)之間的距離；所述粘附結(jié)構(gòu)包括一個(gè)錨區(qū)和與一個(gè)一端與該錨區(qū)連接的懸臂梁，該懸臂梁在顯影釋放后與襯底粘連形成粘附結(jié)構(gòu)；2)在一定的刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下，以步驟1)制備的懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)為掩膜進(jìn)行等離子體刻蝕，然后針對一系列懸空結(jié)構(gòu)，借助粘附結(jié)構(gòu)，根據(jù)下述公式I計(jì)算出一系列最大離子邊界角θ，取其平均值得到該刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的最大離子邊界角的值tan θ = [(D-d)-(L-I) ]/2h 公式 I公式I中，D為刻蝕后在懸空結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的刻蝕開口線寬；d為刻蝕前懸空結(jié)構(gòu)的窗口線寬，d大于臨界線寬，其中所述臨界線寬是指懸空結(jié)構(gòu)的窗口對入射離子的屏蔽作用剛好被消除時(shí)所對應(yīng)的窗口線寬；L為刻蝕前粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁梁寬；1為刻蝕后粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的剩余梁寬；h為刻蝕前懸空結(jié)構(gòu)的懸空層距離襯底的距離，h = H-t，其中H為刻蝕前負(fù)性光刻膠的整體厚度，t為刻蝕前粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述懸空結(jié)構(gòu)的錨區(qū)是兩個(gè)相隔一定距離的分離的錨區(qū)，或者是兩個(gè)彼此之間通過側(cè)墻連接起來的錨區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁是兩個(gè)分別由兩個(gè)錨區(qū)支撐的懸空梁，兩個(gè)懸空梁之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口 ；或者所述懸空梁是一個(gè)由兩個(gè)錨區(qū)共同支撐的整體結(jié)構(gòu)的懸空梁，在該懸空梁的中部開設(shè)有窗口。
4.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述懸空結(jié)構(gòu)是下列三種結(jié)構(gòu)之一A.所述懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分離的錨區(qū)，兩個(gè)錨區(qū)之間懸有兩個(gè)分別與兩個(gè)錨區(qū)單端連接的懸空梁，兩個(gè)懸空梁之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口 ；B.所述懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分離的錨區(qū)，兩個(gè)錨區(qū)之間是一個(gè)兩端分別與兩個(gè)錨區(qū)連接的整體結(jié)構(gòu)的懸空梁，在該懸空梁的中部開設(shè)有窗口 ；C.所述懸空結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)彼此之間通過側(cè)墻連接的錨區(qū)，兩個(gè)錨區(qū)和側(cè)墻圍成一個(gè)矩形空間，矩形空間的上方懸有兩個(gè)由錨區(qū)和側(cè)墻支撐的懸空梁，兩個(gè)懸空梁之間的間隙即為懸空結(jié)構(gòu)的窗口。
5.如權(quán)利要求1 4任一所述的測量方法，其特征在于，步驟1)所述懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)通過下述方法制備la)在襯底上涂覆一層負(fù)性光刻膠，前烘后，利用第一掩膜版對負(fù)性光刻膠層進(jìn)行曝光，同時(shí)使懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)中的錨區(qū)完全曝光產(chǎn)生交聯(lián)，而其他區(qū)域的負(fù)性光刻膠不被曝光；lb)利用第二掩膜版對準(zhǔn)后對負(fù)性光刻膠層進(jìn)行欠曝光，同時(shí)使懸空結(jié)構(gòu)的懸空梁和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁區(qū)域由上至下某一厚度的負(fù)性光刻膠曝光產(chǎn)生交聯(lián)，再往下的負(fù)性光刻膠則不產(chǎn)生交聯(lián)，而懸空結(jié)構(gòu)的窗口區(qū)域和粘附結(jié)構(gòu)的懸臂梁外側(cè)區(qū)域的負(fù)性光刻膠不被曝光，其中所述懸空梁的長度小于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度，而所述懸臂梁的長度大于產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的臨界長度；Ic)顯影，釋放掉未產(chǎn)生交聯(lián)的負(fù)性光刻膠，同時(shí)形成懸空結(jié)構(gòu)和粘附結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，步驟la)涂覆的負(fù)性光刻膠的整體厚度為1 2000微米。
7.如權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于，步驟lb)利用第二掩膜版進(jìn)行欠曝光時(shí)，使由上至下占整體厚度20% 80%的負(fù)性光刻膠曝光產(chǎn)生交聯(lián)。
8.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述臨界線寬通過下述方法確定制備一系列窗口線寬從小到大依次增大的負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)，以懸空結(jié)構(gòu)為掩膜進(jìn)行等離子體刻蝕并去除負(fù)性光刻膠后，測量相應(yīng)的襯底上的刻蝕形貌，刻蝕形貌中心點(diǎn)的刻蝕深度隨著窗口線寬由小變大而逐漸增大，當(dāng)窗口線寬增大到某一個(gè)值以后，對應(yīng)的刻蝕形貌中心點(diǎn)的刻蝕深度不再發(fā)生變化，則認(rèn)為該窗口線寬值為臨界線寬。
9.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述負(fù)性光刻膠為SU-8光刻膠。
10.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕是深反應(yīng)離子刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體刻蝕模擬中最大離子邊界角的測量方法，經(jīng)一次勻膠和兩次曝光操作制作負(fù)性光刻膠懸空結(jié)構(gòu)，以此懸空結(jié)構(gòu)作為掩膜進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行形貌分析，并借助于在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)片上同時(shí)制作的負(fù)性光刻膠粘附結(jié)構(gòu)對各種結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的精確測量，獲得一定刻蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置下的最大離子邊界角，用于實(shí)現(xiàn)等離子體刻蝕模型中“模型參數(shù)”的標(biāo)定。該方法簡單異性，準(zhǔn)確度高，且實(shí)驗(yàn)流程周期短、成本低，提高了等離子體刻蝕模型及其軟件實(shí)現(xiàn)的普遍適用性。
文檔編號G01B21/22GK102320563SQ20111019622
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者胡佳, 陳兢 申請人:北京大學(xué)