[发明专利]用于监测微结构蚀刻工艺的改进的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于制造微结构的方法和装置。通常，微结构为需要去除与基板或其它沉积材料有关的材料的微电机系统(MEMS)的形式。特别地，本发明涉及用于控制包含在这些微结构的制造中的气相蚀刻工艺的改进的方法和装置。

背景技术

本领域的技术人员公知，MEMS或半导体器件的制造涉及一种或多种材料的沉积或蚀刻从而形成各种结构。通常，在工艺处理室内加工基板(例如晶片或玻璃面板)，以制造集成电路、MEMS构件或平板显示器形式的这些器件。该加工可包括在基板上沉积材料层(例如，多晶硅、二氧化硅等)，随后选择性蚀刻所沉积的层。

为了制备用于蚀刻的层，通常用适当的光刻胶或硬掩模遮盖基板表面。在蚀刻过程中，采用适当源气体蚀刻，穿过未被掩模所保护的区域。一旦确定已完成目标材料的去除，就终止蚀刻。该蚀刻的终止通常被称为“蚀刻终点”。

特别根据MEMS的工艺，蚀刻工艺通常基于在构造过程中牺牲材料用于形成和支撑结构的牺牲蚀刻方法。完成该结构后，通过蚀刻去除牺牲材料。

随着蚀刻的进行，根据所采用的化学和/或物理反应，消耗蚀刻材料。在完全消耗完蚀刻材料的点蚀刻工艺结束，即上述蚀刻终点。一直以来采用了许多技术用于监测蚀刻工艺和确定蚀刻终点，主要基于光学技术、压力监测和气体分析。例如，许多用于监测蚀刻工艺的不同方法都已采用光学技术。一个例子包括用激光照射正在被蚀刻的一系列线，从而在反射内产生干涉图案。所得干涉图案依赖于包括通道的深度的结构，因此其可表示蚀刻进程。

在等离子体系统内，腔体内的原子被激活，当它们衰减时，产生光。发射光的波长主要依赖于存在于腔体内的气体的种类。对与作为蚀刻的副产品的适当气体相对应的设定的波长过滤发射光，使得蚀刻能够被监测。

某些蚀刻反应增加或降低腔体内的摩尔浓度，因此增加或降低腔体内的压强。可再一次确定表示蚀刻进程的任何改变并判定当腔体内压力不变(level out)时的蚀刻终点。

监测腔体内的气体种类也允许观测蚀刻工艺。该气体可通过使用例如剩余气体分析器(RGA)的仪器来确定。

在许多MEMS工艺过程中，采用二氟化氙(XeF₂)蚀刻牺牲硅，这作为释放过程的一部分。众所周知，XeF₂各向同性并且自发地气相蚀刻硅，而无需输入外部能量。该蚀刻的各向同性的性质带来了可钻蚀大结构的优点。使用XeF₂蚀刻牺牲硅具有附加优点，首先相对于铝、光刻胶和二氧化硅(SiO₂)，XeF₂对于硅具有高选择性。该选择率可高达1000∶1。此外，在室温下蚀刻速率高，当使用硅作为牺牲材料时，这使得该工艺对于释放MEMS结构是理想的。

在室温和大气压强下，XeF₂是白色晶态固体。晶体的尺寸由进行固化的条件所确定。在蒸汽压力(在25℃下-4Torr)下发生升华，并且气体蚀刻硅，其主要反应为：

2XeF₂+Si→2Xe+SiF₄

该反应是放热的；因此，当XeF₂蚀刻硅时，基板的温度将升高。

XeF₂的蚀刻速率不依赖于晶面或者硅杂质含量。因此，本发明的目的是提供一种可准确、可重复地监测和控制微结构制造所涉及的气相蚀刻工艺的装置和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种适用于蚀刻腔体的蚀刻监测装置，该蚀刻监测装置包括用于控制蚀刻气体的分压的压力控制器，用于设定蚀刻腔体的起始温度的温度控制器和用于监测在腔体内待蚀刻的微结构的表面温度的温度计。

微结构的温度依赖于腔体的起始温度，腔体的压强和在蚀刻剂和待蚀刻微结构的表面之间的放热蚀刻速率。通过在腔体内定义指定起始温度，并且保持腔体在恒定压强下，从而通过蚀刻工艺确定微结构的表面温度。因此，测量蚀刻表面温度的改变提供了用于检测蚀刻工艺的直接特征。温度改变依赖于蚀刻速率，温度改变越高，蚀刻速率越高。对于反应是放热的情况，在蚀刻表面温度减小到腔体起始温度之前，当达到蚀刻终点时，蚀刻表面温度开始时增加。

最优选地，该蚀刻监测装置还包括反馈回路，因此采用温度计调节压力控制器。优选该反馈回路还允许温度计调节温度控制器。该反馈回路用于响应蚀刻监测，使得可控制蚀刻速率以适应蚀刻所需特性。

优选压力控制器包括气流控制器，其中气流控制器提供用于调节蚀刻气流的装置。