[发明专利]利用高频无极石英晶体传感器监测刻蚀二氧化硅的系统

说明书

本发明公开了一种利用高频无极石英晶体传感器监测刻蚀二氧化硅的系统。本发明采用多频谐振激励高频无极石英晶体，使用基频为100MHz的或者基频为33MHz的石英晶体三倍频、五倍频的高频石英晶体制做成单面无极高频石英晶体作为高频无极QCM传感器的传感元件，可实现在线监测氢氟酸刻蚀二氧化硅的厚度。本发明采用单片机控制DDS信号源产生扫频信号，扫频信号施加到高频无极QCM传感检测池中石墨电极上，通过高频无极石英晶体上的金接收电极直接输出，经过信号调理电路后，被送入幅度和相位检测单元，经相敏检波器的信号采集，数据拟合等，测得的高频无极石英晶体频率值实时发送到PC端采集窗口，PC端对测量系统和参比系统的频率进行差值运算，并计算刻蚀速率。

技术领域

本发明属于仪器研发技术领域，具体涉及研发一种利用高频无极石英晶体传感器监测刻蚀二氧化硅的系统。

背景技术

随着芯片时代的到来，大型集成电路的发展使得晶圆的刻蚀控制显得极为重要。其中湿法刻蚀是制备半导体行业一个常用的工艺，以方便在涂有光刻胶的SiO₂表面模图，湿法刻蚀利用液态的化学腐蚀液对晶片进行腐蚀，在腐蚀液与接触的材料通过化学反应并将其逐步侵蚀溶掉。现有的对氧化硅刻蚀进行监测方法，无法实现氧化硅在线刻蚀的监测，因此需要一个便携式的装置对刻蚀的在线监测。基于以上需求，本发明采用自主设计的多频谐振激励式无极高频无极QCM传感系统，基于氢氟酸与二氧化硅的反应，可实现对氧化硅表面的刻蚀进行在线监测。氢氟酸与二氧化硅的反应：

SiO₂+6HF→H₂S_iF₆+2H₂O

通常在HF溶液中加入NH₄F作为缓冲剂可以保证刻蚀液浓度客观上的恒定，维持刻蚀反应平稳地进行，使获得的刻蚀表面平整光滑，减少表面缺陷的产生。

石英晶体是六角结晶体，其化学成分为SiO₂。从20多年前，AT-切型的晶体首次作为传感器使用，石英晶体微天平(QCM)成为广泛使用的分析方法。QCM有很多优势，首先，QCM传感器系统的核心部件，由于石英晶体的化学性质不活泼，稳定性好，故QCM可应用于很多场合下，大大提高了测量的应用范围。其次，QCM的结构相对简单，操作方便，降低了相关人员的使用难度。声学QCM传感器是通过其共振频率的变化来检测石英表面上的粘度和质量变化，常见的5–20MHz石英晶体被开发用于商业用途。传统的QCM是将金或者银电极镀在石英晶体的两侧，电极再通过引线连接到管脚上，从而得到一个谐振器。

QCM原理是由于石英晶体的压电效应，石英晶体微天平在交变电压场的作用下发生机械形变，振动模式是厚度剪切振动，从而产生机械波传播，成为厚度剪切型声波，当声波在晶体中传播并在晶体表面全部反射时，产生驻波。其产生驻波的条件是：晶体厚度(h_q)等于声波波长(λ)的n/2倍，其中n＝1，3，5，……，即

当n＝1时，即为石英晶体的工作谐振频率f₀，即晶片的厚度等于声波波长的一半。其谐振时产生的声波频率(即谐振频率)表示如下：

υ是声波在AT-切型石英晶体中的传播速率，μ_q是石英晶体的剪切模量，ρ_q为石英晶体的密度。则可以看出石英晶体的谐振频率与晶片的厚度呈反比例的关系，所在用石英晶体制作高频振荡器时，晶片必须很薄。由于金银的质量密度远大于石英晶体的质量密度，当金银电极镀在石英晶体表面上会降低QCM的检测灵敏度。当基本频率增加石英晶体厚度变小时，金银电极附着在其表面会影响其机械性能，甚者会影响晶体的起振。因此当下研究更多的则是无电极的QCM传感系统，无极石英晶体传感系统能显著提高检测灵敏度且无电极的SiO2传感表面更易于生物的修饰，生物相容性好，所以无极石英晶体的应用受到越来越多的人关注。