复合型高深宽比沟槽标准样板及制备方法与流程

本发明属于纳米计量技术领域，更具体地说，是涉及一种复合型高深宽比沟槽标准样板及该标准样板的制备方法。

背景技术：

高深宽比硅基mems(微机电系统，microelectromechanicalsystems)器件可被用作压阻式压力和加速度传感器、高密度微型电容阵列、生化传感器、微小卫星传感器等，在惯性制导、高效储能、公共安全、深空探测等领域具有重要的战略价值。随着mems器件不断朝着高集成度和低功耗方向发展，高深宽比梳齿电容结构和硅通孔(tsv)结构的使用越来越广泛。高深宽比硅基mems器件制造和硅通孔(tsv)技术的工业化应用，都对高深宽比结构的快速无损测量技术及装备提出迫切需求。

硅基mems高深宽比微细结构深宽比一般在10:1到100:1之间，沟槽深度为几微米到几十微米。硅基mems器件制造过程中涉及大量高深宽比参数的测量问题，尤其是深宽比大于等于10:1的结构参数测量问题，是保证器件质量的重要手段。

国内外很多相关机构都在开展硅基mems高深宽比结构无损测量的研究工作，力求尽快研制出相应的测量系统。硅基mems高深宽比三维结构测量系统主要应用于硅基mems器件制造过程中各种高深宽比参数的测量，其测量结果的准确性十分重要。为了保证硅基mems高深宽比三维结构测量系统测量结果的准确，需要研制合适尺寸的复合型高深宽比沟槽(台阶)标准样板，使得硅基mems高深宽比三维结构测量系统在其应用领域的测量能力得到准确校准。

mems高深宽比三维结构测量系统主要用于测量高深宽比结构的器件结构，国外很多计量机构和标准样片公司都制作了很多相关尺寸的标准样板，但是这些标准样板都是沟槽线宽尺寸和台阶高度尺寸分离，单一宽度或者单一台阶高度的样板只能一次测量一个参数，而不能同时复现测量过程中两个参数结果之间存在的影响，并且尺寸不合适，没有集成在一起的深宽比大于等于10:1的复合型高深宽比沟槽或台阶标准样板，并且单片样板的价格也相当昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合型高深宽比沟槽标准样板，旨在提供一种沟槽的深宽比大于等于10:1的标准样板。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种复合型高深宽比沟槽标准样板，所述标准样板包括：具有深度和宽度尺寸的沟槽结构、正交扫描定位结构、切片定位结构、定位角结构以及沟槽定位结构；所述正交扫描定位结构、所述切片定位结构以及所述沟槽定位结构均分设于所述沟槽结构的长度方向的两侧，所述定位角结构设于所述标准样板的四角；所述沟槽的深宽比大于等于10:1。

作为本申请另一实施例，所述正交扫描定位结构包括多个对称设置于所述沟槽两侧的箭头标识，所述箭头标识的指向同一个方向，且该指向与所述沟槽结构的长度方向一致。

作为本申请另一实施例，所述切片定位结构包括多个对称设置于所述沟槽两侧的等腰三角形标识，所述等腰三角形标识的顶角的指向相同或相反，且该指向均与所述沟槽结构的长度方向一致。

作为本申请另一实施例，所述沟槽定位结构包括对称设置于所述沟槽两侧的线型标识，所述线型标识的长度方向与所述沟槽结构的长度方向平行。

作为本申请另一实施例，所述沟槽的深度尺寸为60μm-300μm，所述沟槽的线宽尺寸为2μm-30μm，所述沟槽的深度与线宽尺寸对应如下：线宽尺寸为2μm时，对应标准样板的沟槽深度尺寸为60μm，其深宽比为30:1；线宽尺寸为5μm时，对应标准样板的沟槽深度尺寸为150μm，其深宽比为30:1；线宽尺寸为10μm时，对应标准样板的沟槽深度尺寸为300μm，其深宽比为30:1；线宽尺寸为30μm时，对应标准样板的沟槽深度尺寸为300μm，其深宽比为10:1。

本发明的另一目的在于提供一种复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法，包括以下步骤；

根据预设图形制作掩膜版；

在衬底的表面生长二氧化硅层，与上层硅片键合后再对所述上层硅片进行研磨到所需尺寸，制备加工基片；

对所述加工基片进行清洗，然后干燥；

在所述加工基片的表面涂光刻胶；

利用投影光刻工艺将所述预设图形曝光在所述加工基片上；

显影，去除透光区的光刻胶，然后干燥所述加工基片；

在所述预设图形区域刻蚀沟槽结构，抽取多个位置对样片进行剖开测试，测试沟槽的深度尺寸与预设要求是否一致，当沟槽深度尺寸不能达到标准样片的预设尺寸要求时，进行二次曝光和刻蚀；

利用氧化工艺在所述沟槽的侧面生长二氧化硅层；

腐蚀，去掉侧面生长的二氧化硅层。

作为本申请另一实施例，所述对所述加工基片进行清洗，然后干燥，包括：

将所述加工基片放入1号清洗液中煮15min-20min，温度控制在80℃-90℃，用水冲洗至中性；

在氢氟酸中漂洗1min-3min，用水冲洗至中性；

在2号清洗液中，于80℃-90℃煮10min-15min，用水冲洗至中性；

清洗后的所述加工基片经过干燥过滤的氮气吹干即可。

作为本申请另一实施例，在所述加工基片的表面涂光刻胶中，所述光刻胶的厚度为400nm-500nm，所述光刻胶的厚度跟进沟槽深度不同进行选择，并在120℃-140℃温度下烘烤10min-20min。

作为本申请另一实施例，所述显影，去除透光区的光刻胶，然后干燥所述加工基片中：

在naoh溶液中显影，去除透光区的光刻胶，然后在120℃-140℃温度下烘烤10min-20min。

作为本申请另一实施例，所述在所述预设图形区域刻蚀沟槽，选取多个位置对样片进行剖开测试，测试沟槽的深度尺寸与预设要求是否一致，当不能达到样片的预设尺寸要求时，进行二次曝光和刻蚀中：

刻蚀气体为sf6或/和c4f8，刻蚀速率设定为15nm/min-20nm/min，刻蚀深度为沟槽的预设深度；使用丙酮溶液去除光刻胶，所述标准样板的初样加工完成。

本发明提供的复合型高深宽比沟槽标准样板及制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，集成高深宽比大于等于10:1的沟槽或台阶、以及具有定位作用的正交扫描标定结构、沟槽定位结构、定位角结构和切片定位结构，本发明在一个标准样板上制作沟槽或台阶，能够同时测量沟槽的宽度和深度，同时复现测量过程中两个参数结果之间存在的影响，提高测试数据的准确性，能够降低标准样板的成本；同时，采用键合的方式制备加工基片：在衬底的表面生长二氧化硅层，与另一硅片键合后再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，用做准确制作标准样板的衬片或衬底，制作的标准样板具有良好的均匀性和稳定性，满足作为标准样板的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的正交扫描标定结构测量结果示意图一；

图3为本发明实施例提供的正交扫描标定结构测量结果示意图二；

图4为本发明实施例提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的切片剖开后的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的加工工艺流程图。

图中：1、沟槽结构；2、定位角结构；3、标准样板；4、正交扫描定位结构；5、沟槽定位结构；6、切片定位结构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1、图4及图5，现对本发明提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法进行说明。所述复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法，包括具有深度和宽度尺寸的沟槽结构1、正交扫描定位结构4、切片定位结构6、定位角结构2以及沟槽定位结构5；正交扫描定位结构4、切片定位结构6以及沟槽定位结构5均分设于沟槽结构1的长度方向的两侧，定位角结构2设于标准样板3的四角；沟槽1的深宽比大于等于10:1。

本发明提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法，与现有技术相比，用于校准硅基mems高深宽比三维结构测量系统测量结果的准确性，集成具有一定深度和宽度尺寸的沟槽结构、以及具有定位作用的正交扫描标定结构4、沟槽定位结构5、定位角结构2和切片定位结构6，本发明在一个标准样板3上集成制作沟槽结构1，能够同时测量沟槽结构1的深度和宽度，同时复现测量过程中两个参数结果之间存在的影响，提高测试数据的准确性，能够降低标准样板3的制作成本；采用键合的方式制备加工基片：在衬底的表面生长二氧化硅层，与另一硅片键合后再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，通过研磨硅片保证其表面的平整度，用做准确制作标准样板的衬片或衬底，制作的标准样板具有良好的均匀性和稳定性，满足作为标准样板的要求。

在制作加工基片时，在衬底的表面生长二氧化硅层，采用键合的方式将其与另一硅片连在一起，键合后选用减薄机再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，并使用cmp(chemicalmechanicalpolish-化学机械研磨)研磨硅片保证其表面的平整度，用于准确制作标准样板的衬片或衬底，均匀性、稳定性良好，满足作为标准样板的要求。

本发明中，沟槽的深度也即台阶的高度，因此，也可以说是台阶的高度和宽度比。

作为本发明提供的复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图1及图4，正交扫描定位结构4包括多个对称设置于沟槽结构1两侧的箭头标识，箭头标识的指向同一个方向，且该指向与沟槽结构1或台阶的长度方向一致。正交扫描定位结构4用于判定定标过程中标准样板3宽度尺寸扫描方向的准确性，如果定标过程中，探针测量水平一致，则扫描的图形示意图应如图2所示，标准沟槽左右的台阶尺寸一致，如果发生歪扭，那么扫描的图形可能出现如图3所示的结果，标准沟槽左右的台阶尺寸不一致，并且标准沟槽1的宽度尺寸也是变大的，基于此调整样板的测量方向，正交扫描定位结构能进一步保证样板宽度尺寸的测量结果准确性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图4，切片定位结构6包括多个对称设置于沟槽结构1两侧的等腰三角形标识，等腰三角形标识的顶角的指向相同或相反，且该指向均与沟槽结构1或台阶的长度方向一致。标准样板3制作完成后，要切片剖开，方便样片的考核及定标，切片定位结构6用于确定制作的标准样板3的切片位置，提高切片的精度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1及图4，沟槽定位结构5包括对称设置于沟槽结构1两侧的线型标识，线型标识的长度方向与沟槽结构1或台阶的长度方向平行。沟槽定位结构5是为了方便定标以及测量过程中测量位置的一致性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图4，定位角结构2为等腰三角形标识，每个等腰三角形标识的顶角均指向标准样板3对应的顶角。定位角结构2可以帮助快速确定样片所在位置方向。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，沟槽高度尺寸均为60μm-300μm，沟槽的线宽尺寸为2μm-30μm。

本实施例中，标准样板3上沟槽结构1的加工尺寸共四种，分别设计为：

(1)深度尺寸为300μm、宽度尺寸为30μm、深宽比为10:1；(2)深度尺寸为300μm、宽度尺寸为10μm、深宽比为30:1；(3)深度尺寸为150μm、宽度尺寸为5μm、深宽比为30:1；(4)深度尺寸为60μm、宽度尺寸为2μm、深宽比为30:1。标准样板3整体的长宽尺寸为10mm×10mm。

本发明还提供一种的复合型高深宽比沟槽标准样板的制备方法，参见图6，包括以下步骤；

s101，根据预设图形制作掩膜版；

s102，在衬底的表面生长二氧化硅层，与上层硅片键合后再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，制备加工基片；其中，在衬底表面生长二氧化硅层，再与另一硅片进行键合制备加工基片，二氧化硅的作用是为了保证刻蚀深度的准确性；上层硅片的厚度根据依据标准样板3需要加工的沟槽结构1的深度而定；本实施例中硅片的厚度尺寸包括：300μm、150μm、60μm、10μm四种。

s103，对所述加工基片进行清洗，然后干燥；

s104，在所述加工基片的表面涂光刻胶；

s105，投影光刻：利用投影光刻技术将所述预设图形制作在所述加工基片上；其中掩模版为正版，预设图形区域为非透光区；

s106，显影，去除透光区的光刻胶，然后干燥所述加工基片；

s107，在所述预设图形区域刻蚀沟槽或台阶，抽取其中五个位置的样片进行剖开测试，测试沟槽的深度尺寸与要求是否一致，当沟槽深度不能达到样片的预设尺寸要求时，需要进行二次曝光和刻蚀，以保证深度达到要求；

s108，利用氧化工艺在所述沟槽结构1或台阶的侧面生长二氧化硅层；

s109，腐蚀，去掉侧面生长的二氧化硅层。

其中，s101中的掩膜版在s105光刻之前制作完成即可，本实施例仅仅是为了便于展示，给出了一个具体实施的顺序，不特定指制备方法的第一步。

本实施例中，s108步骤和s109的作用是：由于标准样板3的高深宽比参数大于等于10:1，首次刻蚀后的样板，沟槽侧壁会存在很多毛刺，侧壁的粗糙度较大会给测量造成很大误差；采用氧化工艺对其表面生长一层比较薄的二氧化硅，然后再进行二次腐蚀，将二氧化硅层去除，可以大大的提高样板沟槽侧面的平整度。

本实施例中，由于沟槽的深度深，但宽度窄，保证沟槽的深度尺寸和沟槽侧面的平整度很重要，本发明步骤s107中的二次曝光和刻蚀，能够保证本发明提供的沟槽的深度，s108和s109对于深沟槽的侧面的平整度起到重要的作用。

本实施例的附图6中，s101对应图6中的图形设计，s102对应图6中的清洗及氧化，s103至s106对应图6中的接触光刻，s107对应图6中的刻蚀，s108至s109对应图6中的再次清洗、氧化剂腐蚀，是在刻蚀后及侧壁氧化之间进行，也即在沟槽侧面氧化之前，需要对刻蚀后的加工基片进行清洗。

本发明中的步骤s101，根据预设图形制作掩膜版，预设图形包括具有深度、宽度尺寸的深槽结构1或台阶、正交扫描定位结构4、切片定位结构6、定位角结构2以及沟槽定位结构5。

步骤s102中的加工基片的制备，在衬底的表面生长二氧化硅层，采用键合的方式将其与另一硅片连在一起，键合后选用减薄机再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，并使用cmp(chemicalmechanicalpolish-化学机械研磨)研磨硅片保证其表面的平整度，用于准确制作标准样板的衬片或衬底，均匀性、稳定性良好，满足作为标准样板的要求。

本实施例的步骤s102，采用双面抛光的硅晶圆片作为衬底，硅晶圆片的晶相为100。对硅晶圆片进行清洗、干燥，在硅晶圆片上生长一层二氧化硅，厚度约为1000nm，再选择一片硅片作为上层硅片，将上层硅片与生长了二氧化硅层的硅晶圆片进行键合，用于制备加工基片，二氧化硅的作用是为了保证刻蚀深度的准确性。键合后选用减薄机再对上层硅片进行研磨到所需尺寸，并使用cmp(chemicalmechanicalpolish-化学机械研磨)研磨硅片保证其表面的平整度。

本实施例步骤s103，所述对所述加工基片进行清洗，然后干燥，包括：

将所述加工基片放入1号清洗液中煮15min-20min，温度控制在80℃-90℃，用水冲洗至中性；

在氢氟酸中漂洗2min，用水冲洗至中性；

在2号清洗液中，于80℃-90℃煮10min-15min，用水冲洗至中性；

清洗后的所述加工基片经过干燥过滤的氮气吹干即可。

本实施例中，清洗液配比如下：

1号清洗液：水：氨水：过氧化氢＝5:1:1(体积比)

2号清洗液：水：盐酸：过氧化氢＝5:1:1(体积比)。

本实施例步骤s104，在所述加工基片的表面涂光刻胶中，所述光刻胶的厚度为400nm-500nm，所述光刻胶的厚度根据沟槽深度不同进行选择，并在120℃-140℃温度下烘烤10min-20min。例如，在130℃温度下烘烤15min，采用接触光刻技术完成所有尺寸的加工，其中掩模版为正版，图形区域为非透光区。其中光刻胶的厚度与沟槽的深度成正比例关系。

本发明步骤s106，所述显影，去除透光区的光刻胶，然后干燥所述加工基片中：在naoh溶液中显影，去除透光区的光刻胶，然后在120℃-140℃温度下烘烤10min-20min。例如，在130℃温度下烘烤15min。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，步骤s107中，在所述预设图形区域刻蚀沟槽或台阶，抽取其中五个位置的样片进行剖开测试，测试沟槽的深度尺寸与要求是否一致，当沟槽深度不能达到样片的预设尺寸要求时，需要进行二次曝光和刻蚀，以保证深度达到要求：使用干法刻蚀技术进行刻蚀，对没有光刻胶掩蔽的图形区域的硅片进行刻蚀，刻蚀气体为sf6或/和c4f8，主要起到刻蚀的作用，刻蚀速率设定为15nm/min-20nm/min，刻蚀深度为沟槽的预设深度；使用丙酮溶液去除光刻胶，标准样板的初样加工完成。

本实施例中，标准样板的有效区域中共有4个有效的沟槽或台阶，其中上面两个结构需要切片剖开，并选取五个位置进行剖开测试，方便样片的考核及定标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。