（微电子学与固体电子学专业论文）mems几何学及电学pcm参数提取研究.pdf

摘要 微电子机械系统( m e m s ) 是近年来国际上兴起的一个新的研究领域，是新一轮技术产业革命。 目前，世界各国对m e m s 的投入力度在逐年增大，然而，m e m s 的应用却比预期的要慢，其中的重 要原因之一是m e m s 器件制造工艺的重复性及其监控技术还未达到大规模生产水平，除了为数不多 的m e m s 产品进入市场外，有相当一部分m e m s 器件依然停留在实验室阶段。 m e m s 表面微机械加工工艺开始于2 0 世纪8 0 年代，克服了体微机械加工工艺的诸多缺陷，基本 工艺相对成熟且易于与集成电路工艺兼容，成为当前最主要的m e m s 加工工艺之一。在线测试是监 控工艺质量，提高工艺重复性和生产效率的有效手段，因此，为m e m s 表面加工工艺建立一套在线 工艺控制监视( p c m ) 系统具有重要的研究意义。 一个完整的m e m s 表面加工工艺p c m 系统应当包括三个部分：电学参数提取、几何学参数提取 和材料特性参数提取。几何学参数是工艺参数的重要组成部分，本论文的重点是几何学参数的在线 测试结构模型建立和测试方法的研究。测试结构、模型以及测试方法的基本立足点是采用电激励和 电测量的完全电学方法，保持与材料电学参数测量方法的一致性，而电学参数的测试结构已经比较 成熟。 本文首先介绍m e m s 工艺参数在线测试技术，指出了进行m e m s 工艺参数在线提取研究的意 义，随后详细介绍了m e m s 表面加工工艺和需要测量的m e m s 器件图形的几何学参数以及为了测 量几何学参数需要知道的基本电学参数，并以典型的几何学参数测试结构为例说明了总体测试原则 与方法。 文中的几何学参数测试结构的研究分为两部分：横向几何学参数和纵向几何学参数。横向几何 学参数的研究主要集中在目前比较薄弱的m e m s 表面加工中的对准误差电学测试方法，论文对 m e m s 表面加工工艺中不同材料层之间的对准误差测试结构进行了研究并给出了具体的测试结构和 方法；而纵向几何学参数的研究主要是针对m e m s 表面加工工艺中的薄膜厚度，包括多晶硅结构层 厚度和牺牲层厚度，因为这是决定m e m s 器件性能的重要参数，直接决定了m e m s 器件的机构性 能和结构的纵向移动范围，因此对材料层厚度进行测试和工艺控制监视是极具意义的。论文中提出 了一种新颖的材料层厚度电提取测试结构，该结构具有结构简单，测量方便并且便于测试系统集成的 特点。 通过软件对测试结构和测试模型进行闭环验证，结果表明，模拟值与理论值有较好的一致性。 关键词：m e m s ；表面加工工艺；在线测试；几何学参数 a b s t r a c t m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i san e wa 脱w h i c hs p r i n gu par e s e a r c hu p s u r g ei nt h e i n t e r n a t i o n a l i t yi nr e c e n ty e a r s m e m si sa l s oat e c h n o l o g yr e v o l u t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ea p p l i c a t i o n o fm e m si ss l o w e rt h a nt h a te x p e c t e da l t h o u g ht h ei n v e s t m e n t so fe v e r yc o u n t r ya r ei n c r e a s i n ge v e r yy e a r o n eo ft h em a i nr e a s o n si st h a tt h er e p e a t a b i l i t yo fm e m sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yh a v e n tr e a c h e dt h el e v e lo fm a s sp r o d u c t i o n al o to fm e m sp r o d u c t sa 他n o ws t i l li nt h e l a b o r a t o r ye x c e p taf e wp r o d u c t sh a v eb e c o m em e r c h a n d i s e t h es u r f a c 宅m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fm e m ss t a r t e ；df r o m19 8 0 s n i sk i n do fp r o c e s sa v o i d sal o to f s h o r t c o m i n g so fb o d ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fm e m s i t sb a s i cp r o c e s ss t e p sa l em o r em a t u r ea n di t s e a s i e rt ob ei n t e g r a t e d 谢t l ii cm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，i tb e x , o m e so n eo ft h e m o s tp o p u l a rm e m s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s p r o c e s s - c o n t r o l - m o n i t o r ( p c m ) s y s t e mi st h em o s te f f e c t i v e m e a n 8t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t sa n dt h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c y , a n di ti sa l s oe f f e c t i v et om o n i t o r t h ep r o c e s sq u a l i t y s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oe s t a b l i s hap c ms y s t e mf o rm e m s 羽h 蕾凶m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s a ne n t i r ep c ms y s t e mo fm e m s8 u l f a o gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s ss h o u l di n c l u d et h r e ep a r t s ：e l e c t r o n i c p a r a m e t e r se x t r a c t i o n ，g e o m e t r i cp a r a m e t e r se x t r a c t i o na n dm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r se x t r a c t i o n g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n t so fp r o c e s sp a r a m e t e r s t l 他f o c u so ft h i sp a p e ri st h e r e s e a r c ho nt h eb u i l d i n go fo n - l i n et e s tm o d e l sa n dt e s tm o t h o d so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t l 坞b a s i c s t a n d p o i n to ft h et e s ts t r u c t u r e ，t e s tm o d e la n dt e s tm e t h o di su s i n ge l e c t r i cs t i m u l a t i n ga n de l e c t r i c m e a u r i n gt ok e e pp a c e 谢t l lt h et e s tm e t h o d so ft h em a t e r i a le l e c t r o n i cp a r a m e t e r s 、釉e 坞勰，t h et e s t s t r u c t u r e so fe l e c t r o n i cp a r a m e t e r sa l er e l a t i v e l ym a t u r e f i f s t t h es i g n i f i c a n c eo fm e m sp r o c e s sp a r a m e t e r se x t r a c t i o na n do n l i n et e s tt e c h n i q u ei si l l u s t r a t e d s e p a r a t e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n 啊1 es u r f a c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fm e m s t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s w h i c hn e e dt om e a s u l ea n dt h en e c e s s a r ye l e c t r o n i cp a r a m e t e r sw en e e dt ok n o wi no r d e rt om e a s u t et h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r sh a v e b e e nd e s c r i b e di nd e t a i l t h et y p i c a lo n - l i n eg e o m e t r i cp a r a m e t e r st e s t s t r u c t u r e sa r el i s t e dt oa c c o u n tf o rt h eg e n e r a lp r i n c i p l ea n dm e t h o d ，n l er e s e a r c ho fg e o m e t r i cp a r a m e t e r st e s ts t r u c t u r e sc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：h o r i z o n t a l g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dl o n g i t u d i n a lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h er e s e a r c ho ft h ef o r m e ri sm a i n l ya b o u t t h ee l e c t r i c a lt e s tm e t h o d so fr e g i s t r a f i o ne r r o ri nm e m ss u r f a c ep r o c e s s i n g ，w h i c hi sr e l a t i v e l yw e a ka t p r e s e n t r e g i s t r a t i o ne i t o rt e s ts t r u c t u r e sa n ds p e c i f i ct e s tm e t h o d sb e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a ll a y e r si n m e m ss u r f a c em a n u f a c t u r i n ga r ei n v e s t i g a t e di 1 1t h i sp a p e r f i l ml a y e rt h i c k n e s si so n eo ft h es i g n i f i c a n t l o n g i t u d i n a lp a r a m e t e r so fm e m ss u r f a c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s b e c a u s et h em e m sd e v i c e sa r ev e r y s e n s i t i v et ot h ef i l mt h i c k n e s s ，s u c ha st h et h i c k n e s so f p o l y s i l i c o nl a y e ra n ds a c r i f i c i a ll a y e r , w h i c hd i r e c t l y d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c ea n dl o n g i t u d i n a lm o b i l er a n g eo fm e m sd e v i c e s i t sm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s c o n t r o li sv e r yi m p o r t a n t 。aq u i c ka n de f f e c t i v et e s ts t r u c t u r eo fm a t e r i a ll a y e rt h i c k n e s si sh i g h l y m e a n i n g f u l i nt h ep a p e r , an o v e le l e c t r i c a lt e s ts t r u c t u r ei sd e v e l o p e dt om e a s u r et h em a t e r i a ll a y e r t h i c k n e s s r e a l i z i n gt h ee l e c t r i c a lm e a s u r e m e n tr a p i d l y t h i sm e t h o di ss i m p l ea n dc e l e r i t y , a n dc a nb e i n t e g r a t e dw i t ht h em e m sm e a s u r e m e n ts y s t e m t ov a l i d a t et h en e wt e s ts t r u c t u r e sa n ds t r u c t u r em o d e l s ，t h es o f t w a r ei su s e dt oc a r r yt h r o u g ht h e c l o s e d l o o pv e r i f i c a t i o n 1 1 1 er e s u l t ss h o wag o o da g r e e m e n tb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l r e s u l t s k e yw o r d s ：m e m s ；s u r f a c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；o n l i n et e s t ；g e o m e t r i cp a r a m e t e r s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 垒壶虫 e l期：缝：垒灶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：垒鱼虫导师签 第一章绪论 第一章绪论 1 1m e m s 工艺参数在线测试技术 微机电系统( m e m s ) 自1 9 8 8 年迄今，已从初期的探索、研究与创新，转向生产、实用及开辟 新应用领域的阶段。m e m s 一般是专指那种外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半 导体元器件尺寸在微米一纳米量级( 1 旷米一1 0 母米) 以内，可对声、光、热、磁、运动等自然信 息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它是正在飞速发展的微米纳米技术的一项十分重 要的成果f l 】 【2 1 。 m e m s 加工工艺是m e m s 的核心技术，也是m e m s 研究领域中最为活跃的部分。硅基m e m s 加 工技术主要涉及体加工和表面加工两种，体加工往往是单晶硅，性质受工艺影响较小，而表面微机 械加工技术是一种主要的m e m s 加工手段，与集成电路技术最为相似，其主要特点是在薄膜+ 淀积的 基础上，利用光刻、腐蚀等i c 常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获 得可动结构。最成功的表面牺牲层技术目前采用多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材 料，该工艺为薄膜工艺，最大的优点是容易将机械结构与处理电路批量集成制造【3 】。 研究m e m s 工艺参数的在线测试主要有两方面的意义：一方面，为加工线提供检测方法，从而 监控制造工艺过程；另一方面，为设计者提供工艺参数，从而为m e m s 器件设计提供依据。在线测 试是指：测试结构或样品的制备与标准的m e m s 器件制造工艺完全相同，该测试结构或样品与m e m s 器件承受相同的工艺条件和流程，即不为测试结构或样品制备提供附加的工艺或流程：另一方面， 在线测试要求多参数同时快速测试，且要求测试简单。 薄膜是m e m s 器件的核心，在设计和制造m e m s 器件例如微传感器和微执行器等器件时，薄膜 是很重要的构件。因此m e m s 薄膜的工艺参数测试一直受到人们的重视，过去人们主要研究多晶硅 薄膜参数的检测。多晶硅薄膜参数主要包括几何结构参数、电学参数、力学参数、热学参数及耦合 参数等，其中电学参数主要是电导率；力学参数主要包括杨氏模量、泊松比、残余应变、断裂强度 和疲劳等；热学参数包括热导率、热扩散率等；耦合参数包括电阻温度系数、热膨胀系数、压阻系 数等。过去人们的研究主要集中在力学和热学参数的测试方法，并且这种研究只局限于一种或两种 参数的测试，而且大多数并没有考虑在线测试i 引。 从目前来看，虽然国内外对m e m s 材料工艺参数测试已进行了大量研究，但由于m e m s 材料和 构件尺寸很小( 一般在微米量级) ，其理学特性的测量理论和方法尚不成熟，还存在不少问题，还没 形成统一的试验标准和规范。我国在这方面的研究工作也正在逐渐展开，但同其它国家相比还显得 远远不够，这主要是受测试设备价格昂贵和技术水平的限制。 1 2m e m s 几何学参数测试的研究和发展现状 m e m s 材料包括用于敏感元件和致动元件的功能材料、结构材料和智能材料。目前，在m e m s 结构中所使用的材料有硅及其化合物、陶瓷、形状记忆合金、玻璃、金属及高分子材料如聚酰亚胺 等。典型构件主要有薄膜、梁、轴承、梳齿结构和螺旋结构，其中以硅及其化合物薄膜材料为主， 有单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅薄膜，这些薄膜厚度一般在亚微米级到微米级。 m e m s 材料与宏观材料不仅仅是尺寸上的不同，更主要的是性能上的差异。当材料的尺寸d , n 定程度进入微观后，材料本身的理学、物理性质发生显著变化，呈现出与宏观材料不同的特性。 另外，m e m s 材料与宏观材料在性能上的差异还与材料的制作过程和加工工艺密切相关。因此，对 m e m s 制造工艺中的各种参数如电学参数、几何学参数以及材料特性参数进行测试监视显得非常重 要。其中电学参数的检测方法相对比较成熟，而m e m s 构件的几何学参数测量是m e m s 测量中最基 1 东南大学硕士学位论文 础的，尤其是m e m s 构件三维尺寸的检测。通过三维尺寸精密检测可以获得m e m s 构件的形貌尺寸 和制作误差，因此在m e m s 研究中具有重要意义。如何界定m e m s 尺寸范围目前没有统一的认识， 一般认为范围在亚微米n 1 0 m m 之问。微几何量测量具有以下特点：测量力引起的误差较大；定位误 差往往较大；温度引起的误差小；被测件轮廓影像易受异物的影响；衍射效应的影响大【5 1 。 目前对亚微米级的微机械量和几何量的检测手段有：扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描探针显微镜 ( s p m ) 、干涉显微镜、高精度轮廓仪和光电坐标测量仪( c m m - o p t ) 等。其中，s e m 和s p m 的测 量范围分布在几纳米到2 0 0 岫；白光干涉显微镜测量范围分布在0 0 5 9 i n - - 0 6 1 i i i t i ：轮廓仪测量范围 分布在0 1 9 m - - 5 m m ；采用光探针( o p t i c a lp r o b e ) c m m 测量范围分布在l u m 1 0 0 0 m m ；具有机械 式测头( m e c h a n i c a lp r o b e ) 的c m m 对微机械量和几何量检测与计量相对较困难；扫描隧道显微镜 ( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 的测量精度和范围属于纳米级。m e m s 尺寸范围分布在亚微米到 1 0 m m 之间，在这个测量区域中，微视觉测量方法辅助以精密的机械移动可以覆盖亚微米到1 0 m m 的 区间，几乎可以覆盖整个微几何量测量区间，如图1 1 所示，是该领域中最有前景的计量测试方法之 一1 6 j 。但是，微视觉测量系统要解决自身的精密成像问题，它的测量区间才能有效地覆盖亚微米的 微观物理空间。 横向测量范围( “m 图1 1 微几何量分布与不同测量方法的测量范围示意图 上世纪8 0 年代发明的扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 使人们能够直接对原子 进行操作，利用探针与测量物质间不同效应如分子力、摩擦力、磁力、静电力等又开发出了一系列 显微镜，统称为扫描探针显微镜( s p m ) ，其基本原理都是通过探针对被测表面进行扫描，由探针 和被测表面之间的相互作用确定它们之间的位置关系，从而获得微观结构的表面形貌。s p m 具有纳 米级空间分辨率，以s t m 为例，它的横向分辨率达0 1 n m ，纵向分辨率可达0 0 1 n m ，同时可以适应不 同的测量环境。s p m 最初作为图象观察仪器而发明，虽然它具有亚纳米级分辨率，但是不能达到同 等量级的测量精度，作为计量仪器，要求进一步提高它的精度。限f l 列s p m 精度的两个主要因素是探 针一样品相互作用引起的误差和压电陶瓷扫描器的自身特性误差【7 引。 干涉法用于微观形貌测量主要有三种方式：( 1 ) 相移干涉测量法( p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y ) ， 简称p s i ，使用单色光，通过计量相干光干涉产生的干涉条纹的变形程度和方向来获取被测件表面轮 廓的三维信息。特点是精度高，测量速度快，垂直方向分辨率可以达到亚纳米级，但是如果被测表 面不连续，有垂直梯度变化较大的结构如阶梯、洞、岛时，得不到有效的干涉图，这就限制了它的 测量范围。一般垂直方向测量范围限n 在, i 4 ( a 是所用的单色激光波长) ，约1 5 0 1 1 m f 9 , 1 0 。( 2 ) 垂 直扫描干涉测量法( v e r t i c a ls c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r y ) ，简称v s i ，也称为白光干涉法，使用白光作 为光源。这种方法并不需要对干涉条纹的具体形状进行分析，它根据的是白光干涉原理。白光干涉 2 第一章绪论 条纹基本上要在等光程差位置才能够观察到，而且条纹数目少，干涉条纹在零光程差附近对比度最 大，通过观察白光干涉零级条纹就可确定零光程差位置，通过微调参考镜的位置，对被测件进行垂 直方向的扫描，记录下每一点零光程差的位置，即可获得被测件表面三维信息。这种测量方法适合 于对垂直梯度较大的不连续表面进行测量，测量精度可以达到纳米级，测量时间相对p s i 较长，垂直 方向测量范围可以达到几个毫米【1 1 1 2 j 。( 3 ) 增强型的v s i ( e n h a n c e dv s i ) ，简称e v s i ，也称为白光 相移干涉测量法，结合了白光干涉和相移干涉的优点，具有垂直方向测量范围大、精度高的特点。 干涉仪的水平方向的分辨率取决于光学系统和所用光波的波长，一般可以达至l j 3 0 0 n m t l 3 , 1 4 。 由于m e m s 所用材料的特殊性及其结构的特殊性，在对m e m s 研究过程中研制出了许多有针对 性的微观几何量检测方法，如：( 1 ) 基于机器视觉的硅片厚度测量硅晶片是m e m s 的常用基体材料， 许多微结构都是在硅晶片上通过刻蚀等方法获得的，对硅晶片厚度公差( t h i c k n e s st o l e r a n c e ) 进行 控制对m e m s 制造十分重要，因此对作为基片( s u b s t r a t e ) 的硅晶片厚度进行测量具有重要意义【l 引。 美国v n 公司研制了一种基于计算机视觉的硅片厚度测量仪器o m m s ( o p t i c a lm i c r o m e t e rf o rm i c r o - m a c h i n e ds u b s t r a t 懿) ，能够对厚度范围在1 0 - - 一2 0 0 1 u n 的硅晶片进行非接触自动测量，分辨率可以达 到0 1 l a m 。o m m s 的基本原理是：硅晶片对单色激光的吸收，激光透过硅晶片在面阵c c d 上成像，通 过对获得的图象进行分析( 过滤噪声、与标准硅片成像进行对比) 得到被测晶片厚度 1 6 1 。( 2 ) m e m s 器件蚀刻深度实时检测深反应性离子蚀刻( d i u e ) 是一种实现大深宽比加工的m e m s 微成形技术， 在d r i e 过程中要求对蚀刻深度进行实时检测从而达到对蚀刻深度的控制，这种实时监测往往是比较 困难的【1 7 1 。最近，美国研究人员研制出了一种通过探测、分析从蚀刻结构上反射的红外光来实现蚀 刻深度控制的方法，蚀刻深度达到了1 5 0 1 a m ，与s e m 观测的结果对比后表明这种方法是有效、准确 的。一般的光学检测方法要求待测件有一定的面积( 如大于3 0 0 “m 2 ) 且难以实时检测，这种方法可 用于狭小m e m s 结构的在线测量( 宽度小于1 0 0 0 r e ) ，使用波长为2 1 0 1 u n 的红外光，深度蚀刻精度 可达到0 0 5 - 0 5 i t m 1 s 1 。 可见，传统的薄膜厚度测量都是采用光学或机械学的方法，这些方法最显著的缺点是设备昂贵 且测量速度慢。而m e m s 构件的几何学参数测量具有测量范围小，精度要求高的特点，所以发展和 改进传统的几何量检测方法，研制针对m e m s 结构、材质特点的新的在线检测技术是实现m e m s 中 几何量检测的有效途径，且对于m e m s 表面加工工艺p c m 系统的研究具有重要的意义。 1 3 本课题研究的意义及论文纲要 对于m e m s 系统设计来说，与结构的材料特性参数一样，几何学参数对系统性能有着很重要的 影响。虽然在i c 工业中有相对比较成熟的几何学参数测试结构，但由于m e m s 表面加工工艺的特殊 性，这些结构有的并不适用。如作为m e m s 表面加工工艺中特有的牺牲层，是决定m e m s 器件纵向 移动范围的关键参数，而由于牺牲层是绝缘层，普通的导电层厚度测试结构是不实用的，光机械的 测试方法又比较复杂、测试时间长、设备昂贵且很难集成到一个p c m 系统中。因此，对于m e m s 表 面加工来说，易于集成和便于测试的测试结构不仅可以检测出所需的几何学参数供设计者使用，同 时对监控工艺的稳定性也具有重要意义。另一方面，在考虑对m e m s 器件自动进行模型与参数提取 时，几何尺寸的自动馈给能提高模型的精度。 然而，目前的m e m s 表面加工工艺并没有建立起一个完善而有效的在线p c m 系统，对很多参数 还需要通过光学和机械学等方法来进行测量，这不仅增加了测试成本和测试时间，还很难做到测试 系统的集成。硅集成电路经过近5 0 年的飞速发展，已经形成了比较完整有效的p c m 系统。对某些电 学和几何学p c m 参数提出了很多有效的在线测试结构l l 引，但由于m e m s 表面加工工艺的特殊性，很 多测试结构并不能直接用于表面加工工艺中。此外，还有些参数虽然也有比较成熟的测试方法， 如扫描隧道显微测量、光切法、投影光栅法和显微干涉法拉o j ，但这些测试方法都很复杂，并且测试 设备比较昂贵。本文正是在这种背景下进行了一些尝试，针对m e m s 表面加工工艺中的几何学p c m 参数的电提取做了一些研究工作。目的是提出相应的电测量、适合在线提取及易于集成的电测试结 3 东南人学硕士学位论文 构，只要求有限的器件面积，易于集成且便于测试。 本论文的主要任务是设计出能够实现m e m s 表面加工中几何学参数和电学参数的在线测试结 构，建立与测试结构相对应的测试模型并进行相关的模型验证。由于i c 中对于电学参数已具有相对 较成熟的测试结构，并且可以直接应用于m e m s 表面工艺中的电学参数在线提取，文中主要是对表 面工艺中的主要几何学参数( 如厚度和误差) 等进行了电测试结构的模型建立及方法研究。 本论文具体工作如下：( 1 ) 对集成电路中已有的几何学参数在线电测试结构和方法进行综述， 说明了几何学参数在线电测试的总体测量原则与方法。( 2 ) 针对m e m s 表面加工工艺中的不同材料 层设计了m e m s 器件图形的横向几何学参数( 对准误差) 的测试结构，建立相关的数学模型并进行 版图设计，主要研究了两种对准误差的在线测试结构，即根据集成电路中的锥形梳状游标结构改进 而来的锥形梳齿结构以及针对m e m s 表面加工工艺中不同材料层之间的对准偏差而提出的梯形平面 结构，后者可用于m e m s 表面加工工艺中不同材料层图形之间的对准误差在线测试，且相比前者结 构更为简单。( 3 ) 设计m e m s 表面加工工艺中的纵向几何学参数( 多晶硅结构层厚度、牺牲层厚度) 的测试结构，建立相关的数学模型并进行版图设计，在考虑了工艺刻蚀倾角的情况下，材料层厚度 测试结构由三组简单的台阶电阻组成，通过测量这三组台阶电阻的阻值可以同时方便地得到m e m s 表面加工中多晶硅结构层厚度和牺牲层厚度的值。( 4 ) 对材料层厚度测试结构进行模型验证，证明 模型的可行性和正确性。 本论文的纲要：第一章介绍了m e m s 的学科背景及跟本论文相关的一些背景知识。第二章给出 m e m s 表面加工工艺流程，并列出需要检测的一些关键几何学参数，以一些典型的集成电路工艺中 几何学参数在线电测试结构为例说明了几何学参数在线电测试的总体测量原则与方法。第三章设计 m e m s 表面加工中的横向几何学参数( 对准误差) 的测试结构，建立相关的数学模型并进行版图设 计。第四章设计m e m s 表面加工中的纵向几何学参数( 多晶硅结构层厚度、牺牲层厚度) 的测试结 构，建立相关的数学模型并进行版图设计。第五章对测试结构进行相关的验证。第六章总结全文， 提出本文不足之处及对后续工作提出展望。 4 第二章m e m s 表面工艺及几何学参数在线测试方法 第二章m e m s 表面工艺及几何学和电学参数在线测试方法 2 1 典型m e m s 表面加工工艺流程 m e m s 表面微加工技术一般是采用光刻等手段，使得硅片表面淀积或生长而成的多层薄膜分别 具有一定的图形，然后去除某些不需要的薄膜层，从而形成三维结构。由于主要是对表面的一些薄 膜进行加工，而且形状控制主要采用平面二维方法，因此被称为表面微加工技术。 m e m s 表面微加工中，采用低压化学气相淀积( l p c v d ) 这一类方法来获得作为结构单元的薄 膜。表面微加工工艺采用若干淀积层来制作结构，然后释放部件，允许它们做横向和纵向的运动， 从而形成m e m s 器件。最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层，仅保留其余薄膜所形成的结构过程有 时也称为结构释放。最常见的表面微机械结构材料是l p v c d 淀积的多晶硅，多晶硅性能稳定且各向 同性，通过仔细控制淀积工艺可以很好的控制薄膜应力。表面微加工工艺的特点是很容易与i c t 艺 集成，且集成度较甜。 北大微电子所已开发成功的两层多晶硅表面牺牲层技术工艺可以获得具有一定成品率的可动微 机械单元，两层多晶硅结构中一层是结构材料，另一层为下电极材料。下面结合北大微系统所m e m s 标准工艺，以一个m e m s 中最主要的结构双端固支梁为例介绍一下的具体的工艺流程【2 1 。 = 氯化硅 ( a ) 备片：采用单面抛光的( 1 0 0 ) n 型硅 氮化硅 ( b ) 氢氧合成3 0 0 0 a ，温度：1 0 0 0 c 多晶硅1 ( c ) l p c v ds i 3 n 41 8 0 0，温度：7 8 0 c ( d ) l p c v d p o l y - s i3 0 0 0a ，p + 离子注入，退火，光刻 ( e ) l p c v dp s g2 p m 气氛：t e o s 磷烷，温度：6 8 0 ( 2 铝压焊块多晶硅2 铝压焊块 i士l ( f ) l p c v dp o l y - s i2 p m ，p + 离子注入，退火，光刻 ( g ) 溅射a l ，l s o o oa ，光刻，腐蚀铝( 磷酸)( h ) 充分置换升华法，腐蚀p s g 释放结构 至此，我们利用m e m s 表面加工工艺完成了一个双端固支梁的制作。这个工艺流程中共有四块 掩膜版，分别是： 1 p o l y l ，用的是阳版，形成的多晶l 层图形用来提供机械层的电学连接，地极板或屏蔽电极； 5 东南大学硕十学位论文 2a n c h o r ，用的是| j i j 版在牺牲层上刻 l ，形成机械层在衬底上的支柱井提供电学连接； 3 p o l y 2 甩的是阳版，坩来形成多晶2 层机械结构； 4 m e t a l ，用的是阳版，用采形成电连接或测试接触。 ( a ) p o l y i 版( 1 。掩模版，阳版)p s g 版( 2 。掩模版阴版 ( c ) p o l y 2 版( 3 ”掩模版，阳版)( d ) 川版( 3 “掩模版阳版) 2 2m e m s 表面工艺检测参数项目 根据21 中介绍的积端固支粱表面加工工艺可以看山对于| 古1 支粱来说比较关键的横向儿何学 参数为粱的线宽和不同材料层之间的对准误差这里的对准误差是指在双端澍支梁的表面加t 中不 同材料版鲫层之间的误差，如p s o 版和p o l y i 版之间的对准误差。比较关键的纵向几何学参数为 材料层的厚度如多品硅结构层厚度和牺牲层厚度。这些几何学参数是下艺师和设计人员极想得到 的，因此对这些参数进行提取是必须的，也是重要的。 表2 一i 列出了m e m s 表面工艺中需要检测的一些关键儿何学参数以及一些已有的电测试结构从 袁中可以看出对于儿何学参数已有的电测试结构并不多而且一些现有的测试结构也不够完善如用 f 测试对准误尊的电位计型测试结构只适削于导电层和导电层之问的误差9 量，而对于m e m s 表面 加上上艺中特有的牺牲层米说该测试结构井不适用；台阶电阻法虽然可以用来在线测量牺牲层厚度， 但因为模型不够完善，所带来的删情误差比较大”1 ；又如在i c 中用丁测试导电层厚度的顶部接触测 试结构在m e m s 表面加工中并不能做到严格的点接触，因此不能州来在线测试m e m s 表面加下中导 电层的厚度如埘米形成结构层的多品硅层的厚度。 表2 - 1m e m s 表面r 艺需检测的主要儿何学p c m 参数 几何学p c m 参数已有电铷l 试结构光学验证方法 p o l y i 导线宽度 p o l y 2 导线宽度 十字桥结构 m e t a l 导线宽度 横 p 0 n l - - p o l y 2 向 对导一导 电位计型w 4 试结构 参 准 p o l y l - - p s g 屡 数 误 导一绝 p o 【y 2 一p s g 层无 著 m e t a l p s g 层 绝一绝p s gs i 3 n 4 层无 p o l y i 层厚度 纵导电层 p o l y 2 层厚度顺部接触测试结构 向 m e t a l 屠j 早度薄膜厚度仪 参 p s g 层厚度台阶电阻法频率法 数绝缘层 s i 0 2 层厚度无 s i 3 n 4 层厚度无 第二章m e m s 表面工艺及几何学参数在线测试方法 2 3m e m s 表面工艺典型几何学和电学参数在线测试结构和方法 几何学参数在线测试结构是一种专门用于测试m e m s 表面工艺中几何学参数的微机械结构，它 的设计要求是：制造测试结构不需要添加额外的工艺步骤，能够嵌入到由表面牺牲层加工工艺制造 的其他m e m s 功能器件版图中。通过对测试结构施加测试驱动信号，测量其反馈电信号，文中所涉 及的电学信号为电压和电流信号，将反馈信号代入测试模型中计算，即可获得该工艺条件下待测几 何参数。通过不同的测试结构可以测量出m e m s 表面工艺中不同的几何参数。 在测试模型中会涉及到一些基本的电学参数，如薄层电阻值风就是m e m s 表面加工工艺中一 个非常重要的电学参数，它除了提供导电层阻值外，还可作为很多其它测试结构的已知参数。 2 3 1 薄层电阻测试结构原理和测试方法 设有一任意形状的平板薄层样品，如图2 1 所示，厚度均匀，表面无孤立空洞，周围有四个接触 点a 、b 、c 、d 。 当电流从a 点注入，b 点流出，测得c 点和d 点之间的电位差为( 一) ，定义j 弘r c d 之值为： 火彻。c d v d ，- v c , 肚 ( 2 1 ) 若电流改由b 点注入，c 点流出，测得d 、a 两点之间的电位差为( 玖) ，同样定灿b c d a 为： 删：兰兽 1 b c ( 2 2 ) 若样品厚度为职其电阻率为p ，则下列关系式成立【4 ，5 】： e x p ( 一斌4 矗，c o w p ) + e x p ( 一艘粥，n a w ip )=1(2-3) 将p 写成下列形式： p 2 篙生产文恶j 。2 4 ， 这里，是修正因子，是r b c d r b c d a 的函数。将( 2 - 4 ) 式带入( 2 3 ) 式可以解得： 闩一( r a b c d - - r b c , d a l 2 了l n 2 一( r a s c o - r s c , n a ) 4 降一警) 亿5 ， 7 东南大学硕上学位论文 1 0 wr a n ，c d + r 8 c ，阻椰v i n22 i n 2i 相应的薄层电瞰s 为： r 。：旦：三兰：4 5 3 2 v ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在m e m s 表面加工工艺中，完全可以做到使欺b , c d 和尺b c d a 接近相等，且a 、b 、c 、d 四个接触 点对称，不需附加任何工艺条件即可在四个接触点实现欧姆接触，测试即可用式( 2 7 ) 来计算该区 的薄层电阻，利用这种结构测得的薄层电阻值比较准确可靠，用来诊断工艺的稳定性和均匀性也十 分有效。 薄层电阻测试结构的测试一般用两方位测试法，即根据v d p ( 范德堡) 原理在a 、b 两相邻接触点 通以电流厶在c 、d 两触点测量电压”称此位置为o o 位置。为消除测量系统中存在的补偿电压，将 电流反向再测一次，则有： r o ( + ，) = y 矗( + j ) j 仰( + ，) 民( d = y k ( 一j ) ，朋( 一j ) 换b 、c 为电流端，a 、d 为电压端，称之为9 0 0 位置，相应的电阻为： r 9 0 ( + ，) = ( + ，) i b c ( + ，) r 9 0 ( 一j ) = ，肋( 一，) j 四c ( 一j ) 测量中发：值必须保持不变。 对正反向电流的结果取平均值，最后再将平均值凡