一种计量标准器及其制备方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种计量标准器及其制备方法。


背景技术：

2.在半导体制造领域，每种产品从入料(fab in)到出货(fab out)需要经历上百步的工艺及量测步骤，其中包含至少上千个量测参数，而每一个量测数值的好坏，都会关系到产品的最终品质。因此半导体量测设备在半导体产业中扮演着重要角色。而半导体量测设备需要定期计量校准来维持其量测数值的准确性。
3.当前，各国计量机构已逐步开发出小尺寸芯片级纳米计量标准器(比如纳米级线宽、纳米级一维/二维周期栅格等)，但半导体工艺线量测设备均是全自动化设备。这种芯片级计量标准器无法直接用于集成电路产业里，造成纳米计量与产业脱节。如何将芯片级纳米计量标准器转移至大尺寸圆片载体上形成晶圆级纳米计量标准器以兼容全自动生产线来满足半导体行业在线快速计量校准需求，成为了计量行业一个难题。另一方面，如何在长期使用过程中，保证量值的准确性，成为现阶段亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种计量标准器。
5.为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：
6.根据本技术实施例提供了一种计量标准器，包括：
7.晶圆载体；校准用微纳尺度标准片；所述晶圆载体上设有凹槽结构；所述校准用微纳尺度标准片可拆卸地固定在所述凹槽结构内。
8.在本技术的一些示例性实施例中，所述凹槽结构底部设有至少一个导气通道，所述导气通道贯通所述凹槽结构与外部真空系统，所述外部真空系统用于对所述导气通道抽真空。
9.在本技术的一些示例性实施例中，所述晶圆载体包括叠置的第一晶圆和第二晶圆，所述凹槽结构贯穿所述第一晶圆，且所述凹槽结构的底面与所述第二晶圆的上表面齐平，其中，所述第二晶圆的上表面为所述第二晶圆的面向所述第一晶圆的表面。
10.在本技术的一些示例性实施例中，所述凹槽结构底部的粗糙度和/或所述校准用微纳尺度标准片的下表面的粗糙度小于或等于10nm，其中，所述校准用微纳尺度标准片的下表面为所述校准用微纳尺度标准片的面向所述凹槽结构底部的表面。
11.在本技术的一些示例性实施例中，所述计量标准器还包括：
12.助吸膜，所述助吸膜位于所述校准用微纳尺度标准片与所述凹槽结构的底部之间，且所述助吸膜的弹性模量大于所述校准用微纳尺寸标准片的弹性模量。
13.在本技术的一些示例性实施例中，所述导气通道垂直于所述晶圆载体，且所述导气通道贯通所述凹槽结构下方的所述晶圆载体。
14.在本技术的一些示例性实施例中，多个所述导气通道的顶端的开口尺寸相等，且多个所述导气通道等间隔排列。
15.在本技术的一些示例性实施例中，多个所述导气通道互相连通。
16.在本技术的一些示例性实施例中，所述导气通道的顶端开口数量大于底端开口数量。
17.在本技术的一些示例性实施例中，所述导气通道的顶端开口数量小于底端开口数量。
18.在本技术的一些示例性实施例中，所述导气通道为贯穿通孔，所述通孔靠近校准用微纳尺度标准片一侧的直径大于远离校准用微纳尺度标准片一侧的直径。
19.在本技术的一些示例性实施例中，所述凹槽结构的深度和所述校准用微纳尺度标准片的厚度相等。
20.本技术实施例还提供了一种计量标准器的制备方法，包括：
21.提供晶圆载体，在所述晶圆载体上形成凹槽结构；在所述凹槽结构底部形成至少一个导气通道，所述导气通道贯通所述凹槽结构与外部真空系统；通过所述外部真空系统对所述导气通道进行抽真空操作；提供校准用微纳尺度标准片，将校准用微纳尺度标准片贴装在所述凹槽结构内。
22.在本技术的一些示例性实施例中，所述在所述晶圆载体上形成凹槽结构，包括：
23.采用脉冲激光形成所述凹槽结构，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于100ns，所述脉冲激光的功率为10至300w，重复频率为10至100khz。
24.在本技术的一些示例性实施例中，所述提供晶圆载体，在所述晶圆载体上形成凹槽结构，包括：
25.提供第一晶圆；在所述第一晶圆上形成贯穿槽；提供第二晶圆；将第一晶圆和第二晶圆键合，由所述贯穿槽与所述第二晶圆表面形成凹槽结构。
26.在本技术的一些示例性实施例中，提供校准用微纳尺寸标准片之后，所述方法还包括：
27.在所述校准用微纳尺寸标准片的下表面上形成助吸膜，所述助吸膜的弹性模量大于所述校准用微纳尺寸标准片的弹性模量，其中，所述校准用微纳尺寸标准片的下表面为所述校准用微纳尺度标准片的待贴装于所述凹槽结构底部的表面。
28.在本技术的一些示例性实施例中，在所述凹槽结构底部形成至少一个导气通道，包括：
29.采用脉冲激光形成所述导气通道，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于 50ps，所述脉冲激光的功率为10至100w，重复频率为100至2000khz。
30.本技术实施例提供了一种计量标准器，包括：晶圆载体；校准用微纳尺度标准片；所述晶圆载体上设有凹槽结构；所述校准用微纳尺度标准片可拆卸地固定在所述凹槽结构内。本技术计量标准器中的校准用微纳尺度标准片可拆卸，满足周期性校准需求，可在长期使用中保证量值的准确性。
31.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
32.图1为相关技术的计量标准器的剖面示意图；
33.图2为本技术实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
34.图3为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
35.图4a为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
36.图4b为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
37.图5为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
38.图6为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
39.图7为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
40.图8为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
41.图9a-9b为本技术另一实施例提供的计量标准器的剖面示意图；
42.图10为本技术实施例提供的计量标准器的制备方法的流程图；
43.图11a至图11d为本技术实施例提供的计量标准器在制备过程中的器件结构示意图。
具体实施方式
44.下面将参照附图更详细地描述本技术公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本技术的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本技术，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本技术，并且能够将本技术公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
46.在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
47.应当明白，当元件或层被称为“在
……
上”、“与
……
相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在
……
上”、“与
……
直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本技术必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
48.空间关系术语例如“在
……
下”、“在
……
下面”、“下面的”、“在
……
之下”、“在
……
之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件
下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在
……
下面”和“在
……
下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
49.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本技术的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
50.为了彻底理解本技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本技术的技术方案。本技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本技术还可以具有其他实施方式。
51.附图1为业内相关技术的计量标准器的剖面示意图，该计量标准器包括：晶圆载体101；校准用微纳尺度标准片105；所述晶圆载体101上设有凹槽结构103；所述校准用微纳尺度标准片105通过粘合材料107固定在凹槽结构 103中。该计量标准器采用点胶工艺将校准用微纳尺度标准片转移至晶圆凹槽处形成晶圆级计量标准器。这种粘贴固定方式，导致校准用微纳尺度标准片后期无法从圆片载体上取出，进而无法满足计量标准器的周期性校准需求。而该类型校准用微纳尺度标准片每年需校准一次，以保证量值的准确性。例如集成电路制造企业需要标准片(如纳米线宽标准器)来校准全自动扫描电子显微镜(sem)。为了保证半导体产业的工艺质量，必须采购换用新的已校准的标准片，一方面增加了生产成本，另一方面采购周期也会增加了企业的生产风险。且粘合材料的高度难以控制，进而无法准确的控制校准用微纳尺度标准片与晶圆载体表面的高度差，从而影响量测效果。综上所述，过往晶圆级计量标准器技术方案所制作的标准片均是一次性认证的，长期使用过程中，无法对标准片进行重新认证，无法保证量值的长期准确。
52.基于此，本技术实施例提供了一种计量标准器，附图2是本技术实施例提供的计量标准器的剖面示意图。参考附图2，所述计量标准器包括：晶圆载体101；校准用微纳尺度标准片105；所述晶圆载体101上设有凹槽结构103；所述校准用微纳尺度标准片105可拆卸地固定在所述凹槽结构103内。本技术计量标准器中的校准用微纳尺度标准片可拆卸，满足周期性校准需求，可在长期使用中保证量值的准确性。
53.在实际操作中，所述晶圆载体101可以是硅晶圆(si wafer)，玻璃晶圆 (glass wafer)，氮化镓晶圆(gan wafer)，碳化硅晶圆(sic wafer)，蓝宝石晶圆(sapphire wafer)，砷化镓晶圆(gaas wafer)等。所述晶圆载体的厚度例如可以为775
±
20μm。所述晶圆载体的尺寸例如可以为6寸、8寸、12寸。校准用微纳尺度标准片的纳米几何特征参量包括但不限于线宽、栅格、台阶、膜厚等。
54.在本技术的一些实施例中，所述凹槽结构103的深度和所述校准用微纳尺度标准片105的厚度相等。所述凹槽结构103的尺寸例如可以为20.05
×ꢀ
20.05
×
300μm(长
×
宽
×
高)，可以采用湿法或干法刻蚀工艺形成。所述校准用微纳尺度标准片105的尺寸例如可以为20
×
20
×
300um(长
×
宽
×
高)。如此，将校准用微纳尺度标准片镶嵌到凹槽内，减少了校准用微纳尺度标准片露出晶圆载体的表面的体积，增加了校准用微纳尺度标准片在晶圆载
体上的稳定性。
55.在本技术的一些实施例中，如附图2所示，所述凹槽结构103底部设有至少一个导气通道109，所述导气通道109贯通所述凹槽结构103与外部真空系统111，所述外部真空系统111用于对所述导气通道抽真空。需要使用计量标准器时，可通过外部真空系统利用真空吸附校准用微纳尺度标准片，使用完毕后，可将标准拆卸下来。长期使用后，需要对校准用微纳尺度标准片认证校准，可单独将拆卸下的校准用微纳尺度标准片进行校准，从而保证量值的准确，满足周期性校准需求。且当晶圆载体和校准用微纳尺度标准片一方出现损坏时，只需更换损坏的一方，制作新的计量标准器不仅成本较低，而且周期快，也降低了企业生产风险。
56.在实际操作中，所述导气通道可以通过刻蚀或激光开槽的工艺形成。
57.在本技术的一些实施例中，所述导气通道垂直于所述晶圆载体，且所述导气通道109贯通所述凹槽结构103下方的所述晶圆载体。如此，便于气体流动，提高外部真空系统抽真空效率。
58.在本技术的一些实施例中，如附图3所示，多个所述导气通道109的顶端的开口尺寸w1相等，且多个所述导气通道等间隔w2排列。在实际操作中，所述导气通道例如可以为圆柱形，开口尺寸w1可以为10～2000μm，多个导气通道的间隔w2可以为100～4000μm。多个导气通道均匀排布，外部真空系统抽真空时，可以提高吸附力的均匀性。
59.在本技术的一些实施例中，所述凹槽结构103底部的粗糙度和/或所述校准用微纳尺度标准片105的下表面的粗糙度小于或等于10nm，其中，所述校准用微纳尺度标准片的下表面为所述校准用微纳尺度标准片的面向所述凹槽结构底部的表面。如此，通过平整度的提高，进而减少气体泄漏，可提高外部真空系统的真空吸附效果。
60.在本技术的一些实施例中，如附图4a-4b所示，所述计量标准器还包括：助吸膜113，所述助吸膜113位于所述校准用微纳尺度标准片105与所述凹槽结构103的底部之间，且所述助吸膜113的弹性模量大于所述校准用微纳尺寸标准片105的弹性模量。在实际操作中，如附图4a所示，助吸膜113可以涂覆或贴装在校准用微纳尺度标准片105的下表面。或者，如附图4b所示，助吸膜113可以涂覆或贴装在凹槽结构103的底部。当凹槽底部或校准用微纳尺寸标准片较粗糙时，可采用真空助吸膜来减少气体泄漏，提高吸附效果。
61.在本技术的一些实施例中，如附图5所示，所述晶圆载体包括叠置的第一晶圆101-1和第二晶圆101-2，所述凹槽结构103贯穿所述第一晶圆101-1，且所述凹槽结构103的底面与所述第二晶圆101-2的上表面111齐平，其中，所述第二晶圆的上表面为所述第二晶圆的面向所述第一晶圆的表面。在实际操作中，所述第一晶圆101-1的厚度例如可以为300
±
10μm，所述第二晶圆 101-2的厚度例如可以为475
±
10μm。所述凹槽结构可以采用脉冲激光形成。当使用刻蚀工艺形成凹槽时，其凹槽底部表面粗糙度差，影响吸附效果，且刻蚀需要光罩，工艺成本高。本方案采用两个晶圆，分别在各自晶圆中采用脉冲激光形成凹槽结构和导气通道。利用第二晶圆的上表面作为凹槽结构的底面，可以达到较低的粗糙度，提高吸附效果。在实际操作中，第二晶圆的上表面的粗糙度可以通过研磨抛光工艺控制。另一方面，脉冲激光相比刻蚀开槽效率高，且无需光罩成本。
62.在本技术的一些实施例中，如附图6所示，多个所述导气通道109互相连通。在实际操作中，可以通过纵向刻蚀和侧向刻蚀实现，或者通过在多个晶圆中分别形成导气通道，再
将多个晶圆键合形成。多个导气通道连通，可以使得导气通道内的真空度保持一致，使得吸附力较均匀，同时也避免了存在多个导气通道堵塞引发吸附力下降的问题。
63.在本技术的一些实施例中，如附图7所示，所述导气通道的顶端开口109-1 数量大于底端开口109-2数量。导气通道的顶端开口越多，有效吸附面积大，吸附力越大且均匀。
64.在本技术的一些实施例中，如附图8所示，所述导气通道的顶端开口109-1 数量小于底端开口109-2数量。一般结构均存在不同程度的泄气，而导气通道的底端开口越多，气流量增加，即抽气速率提高，可提高真空度，进而增强或稳定吸附力。
65.在本技术的一些实施例中，如附图9a所示，所述导气通道109为贯穿通孔，所述通孔靠近校准用微纳尺度标准片一侧的直径w3大于远离校准用微纳尺度标准片一侧的直径w4。在实际操作中，所述导气通道例如可以为孔锥度小于0.2的圆台。如此，使得吸附力更加均匀，提高了校准用微纳尺度标准片在晶圆载体上的稳定性。另一方面，当使用刻蚀工艺形成导气通道，圆台形导气通道相较于垂直柱体，更易实现，成本更低。在一些其他实施例中，如附图9b，所述导气通道还可以为上下宽度不同的柱形通道，例如导气通道包括上部为宽度w5的柱形通道109-1和下部为宽度为w6的柱形通道109-2，其中，w5大于w6。在一些实施例中，所述导气通道包括上下宽度不同的柱形通道，位于上部的导气通道的宽度大于位于下部导气通道的宽度，且位于上部的导气通道为孔锥度小于0.2的圆台。
66.本技术实施例还提供了一种计量标准器的制备方法，具体请参见附图10，如图所示，所述方法包括：
67.步骤1001：提供晶圆载体，在所述晶圆载体上形成凹槽结构；
68.步骤1002：在所述凹槽结构底部形成至少一个导气通道，所述导气通道贯通所述凹槽结构与外部真空系统；
69.步骤1003：通过所述外部真空系统对所述导气通道进行抽真空操作；
70.步骤1004：提供校准用微纳尺度标准片，将校准用微纳尺度标准片贴装在所述凹槽结构内。
71.下面结合具体实施例对本技术实施例提供的计量标准器的制备方法再作进一步详细的说明。
72.图11a至图11d为本技术实施例提供的计量标准器在制备过程中的器件结构示意图。
73.首先，执行步骤1001，参见图11a，提供晶圆载体101，在所述晶圆载体 101上形成凹槽结构103。所述晶圆载体101可以是硅晶圆(si wafer)，玻璃晶圆(glass wafer)，氮化镓晶圆(gan wafer)，碳化硅晶圆(sic wafer)，蓝宝石晶圆(sapphire wafer)，砷化镓晶圆(gaas wafer)等。所述晶圆载体的厚度例如可以为775
±
20μm。所述晶圆载体的尺寸例如可以为6寸、8寸、12 寸。
74.在本技术的一些实施例中，所述在所述晶圆载体上形成凹槽结构，包括：采用脉冲激光形成所述凹槽结构，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于100ns，所述脉冲激光的功率为10至300w，重复频率为10至100khz。
75.接着，参见图11b，执行步骤1002，在所述凹槽结构101底部形成至少一个导气通道109，所述导气通道贯通所述凹槽结构与外部真空系统。在实际操作中，所述导气通道可以通过刻蚀或激光开槽的工艺形成。
76.在本技术的一些实施例中，所述提供晶圆载体，在所述晶圆载体上形成凹槽结构，包括：提供第一晶圆；在所述第一晶圆上形成贯穿槽；提供第二晶圆；将第一晶圆和第二晶圆键合，由所述贯穿槽与所述第二晶圆表面形成凹槽结构。在实际操作中，所述第一晶圆的厚度例如可以为300
±
10μm，所述第二晶圆的厚度例如可以为475
±
10μm。
77.在本技术的一些实施例中，在所述凹槽结构底部形成至少一个导气通道，包括：采用脉冲激光形成所述导气通道，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于50ps，所述脉冲激光的功率为10至100w，重复频率为100至2000khz。
78.在本技术的一些实施例中，所述导气通道垂直于所述晶圆载体，且所述导气通道109贯通所述凹槽结构103下方的所述晶圆载体。
79.在本技术的一些实施例中，多个所述导气通道109的顶端的开口尺寸相等，且多个所述导气通道等间隔排列。在实际操作中，所述导气通道例如可以为圆柱形，开口尺寸w1可以为10～2000μm，多个导气通道的间隔w2可以为100～4000μm。
80.在本技术的一些实施例中，多个所述导气通道109互相连通。
81.在本技术的一些实施例中，所述导气通道的顶端开口数量大于底端开口数量。
82.在本技术的一些实施例中，所述导气通道的顶端开口数量小于底端开口数量。
83.在本技术的一些实施例中，所述导气通道109为贯穿通孔，所述通孔靠近校准用微纳尺度标准片一侧的直径大于远离校准用微纳尺度标准片一侧的直径。在一些其他实施例中，所述导气通道还可以为上下宽度不同的柱形通道。在一些实施例中，所述导气通道包括上下宽度不同的柱形通道，位于上部的导气通道的宽度大于位于下部导气通道的宽度，且位于上部的导气通道为孔锥度小于0.2的圆台。
84.然后，参见图11c，执行步骤1003，通过所述外部真空系统111对所述导气通道进行抽真空操作；
85.最后，参见11d，执行步骤1104，提供校准用微纳尺度标准片105，将校准用微纳尺度标准片105贴装在所述凹槽结构103内。
86.在本技术的一些实施例中，所述凹槽结构103的深度和所述校准用微纳尺度标准片105的厚度相等。所述凹槽结构103的尺寸例如可以为20.05
×
20.05
×
300μm(长
×
宽
×
高)，可以采用湿法或干法刻蚀工艺形成。所述校准用微纳尺度标准片105的尺寸例如可以为20
×
20
×
300μm(长
×
宽
×
高)。校准用微纳尺度标准片的纳米几何特征参量包括但不限于线宽、栅格、台阶、膜厚等。
87.在本技术的一些实施例中，所述凹槽结构103底部的粗糙度和/或所述校准用微纳尺度标准片105的下表面的粗糙度小于或等于10nm，其中，所述校准用微纳尺度标准片的下表面为所述校准用微纳尺度标准片的面向所述凹槽结构底部的表面。
88.在本技术的一些实施例中，提供校准用微纳尺寸标准片之后，所述方法还包括：在所述校准用微纳尺寸标准片的下表面上形成助吸膜，所述助吸膜的弹性模量大于所述校准用微纳尺寸标准片的弹性模量，其中，所述校准用微纳尺寸标准片的下表面为所述校准用微纳尺度标准片的待贴装于所述凹槽结构底部的表面。
89.综上所述，本技术计量标准器中的校准用微纳尺度标准片可拆卸，满足周期性校准需求，可在长期使用中保证量值的准确性。
90.需要说明的是，本技术实施例提供的计量标准器及其制备方法可以应用于任何晶
圆级半导体生产线高精密测量仪器的在线校准，例如扫描电子显微镜、原子力显微镜、全自动光学显微镜等。各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
91.以上所述，仅为本技术的较佳实施例而已，并非用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。