[发明专利]一种利用表面断裂强度检测刻蚀表面质量的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）工艺质量监测和可靠性测试领域，涉及对刻蚀表面进行检测和定量评价，采用的是对等强度梁进行弯曲断裂测试的方法，特别应用在定量评价刻蚀工艺水平和器件机械可靠性的领域。

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。

干法刻蚀工艺是MEMS制造领域非常重要的一项工艺，在各种不同的标准工艺里面都是必不可少的角色。而干法刻蚀工艺的刻蚀水平严重影响了器件的功能以及后续的可靠性，尤其是深刻蚀，因为深刻蚀通常会有例如footing效应、表面纵向螺纹、横向粗糙、微裂纹等非理想因素。一方面，为了缩短器件设计加工周期，避免不必要的返工操作，器件加工方必须向器件设计方提供该工艺的加工能力。对于刻蚀工艺，现有的检测和评价方法有刻蚀深宽比、垂直度参数，但仅仅这两项参数并不能完全代表刻蚀工艺的水平，需要另外的参数来定量评价刻蚀面的表面质量。利用表面粗糙是可行的一个方案，但由于测量表面粗糙通常需要很复杂的仪器系统，而且需要特殊制备样品才能观测到刻蚀侧壁的粗糙程度，非常不利于工艺的在线监测，故需要利用其他可行的参数来评价刻蚀表面质量。另一方面，作为器件设计方，必须知道所设计的器件的可靠性。而利用干法刻蚀工艺制造出来的器件，正如前文所描述的，由于粗糙、裂纹的存在，器件的机械参数（如断裂强度、疲劳等）已经不再是体硅材料的值。为了研究器件的可靠性，必须要提取此类非理想表面（刻蚀表面）的机械特性，而现有的方法，例如等截面梁的断裂测试，并不能完全反映整个刻蚀表面的机械特性，故需要设计更加合理的结构。

发明内容

通过上面的分析可知，作为器件加工方，需要向器件设计方提供干法刻蚀工艺的刻蚀水平，而现有的深宽比、垂直度等参数，不能反映刻蚀表面的粗糙、微裂纹水平，需要其他的参数来定量检测和评价刻蚀表面质量。本发明的目的是提出一种利用表面断裂强度来检测刻蚀表面质量的方法及装置，通过对等强度梁进行弯曲断裂测试，利用等强度梁的弯曲断裂强度参数来定量评价干法刻蚀工艺之后的刻蚀表面质量，此方法同样也可以用来研究刻蚀之后结构的机械可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用表面断裂强度检测刻蚀表面质量的方法，其步骤包括：

1）制作包含刻蚀表面的等强度梁；

2）利用探针台探针对所述等强度梁的刻蚀表面施加位移负载，直至所述等强度梁断裂；

3）测量所述等强度梁断裂时刻蚀表面受到的应力，得到表面断裂强度，利用该断裂强度判定刻蚀表面的质量。

进一步地，步骤1）所述等强度梁上任意位置的宽度h与其到受力位置的距离x的关系为：h(x)=kx.]]>

进一步地，步骤2）所述探针台探针通过片上多功能针头对所述等强度梁的刻蚀表面施加位移负载，所述片上多功能针头包括针尖，支撑针尖的弹性结构，以及测量所述针尖的位移的测力标尺。

进一步地，所述支撑针尖的弹性结构为与所述针尖固定连接的弹性梁或者弹簧。

进一步地，所述片上多功能针头还包括外围的框架结构与防撞块，用于减少探针台探针施加方向的偏差对测量准确度的影响。

进一步地，记录等强度梁断裂时片上多功能针尖的测力标尺的指数，或者实时记录整个过程中测力标尺的指数，然后通过ANSYS等有限元仿真工具得到等强度梁断裂时受到的力，再结合材料力学得到断裂时刻蚀表面所受到的应力。

一种采用上述方法检测刻蚀表面质量的装置，包括等强度梁和片上多功能针头；所述片上多功能针头包括针尖，支撑针尖的弹性结构，以及测量所述针尖的位移的测力标尺。