(高清版)GBT 42158-2023 微机电系统（MEMS）技术 微沟槽和棱锥式针结构的描述和测量方法

GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016微机电系统(MEMS)技术微沟槽和structures,IDT)国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T42158—2023/IEC62047-26:2016 Ⅲ 12规范性引用文件 13术语和定义 14微米尺度沟槽结构的描述 14.1概述 14.2符号和名称 24.3说明 3 3 35.2符号和名称 4 5 5附录A(资料性)微米尺度沟槽和棱锥式针结构的测量示例 6附录B(资料性)尺寸测量不确定度 ⅢGB/T42158—2023/IEC62047-26:2016本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件等同采用IEC62047-26:2016《半导体器件微机电器件第26部分：微沟槽和针结构的描本文件做了下列最小限度的编辑性改动：——纠正了IEC62047-26:2016原文的错误：为了清晰地显示样品的横截面，将A.2.1.2中“如4.2的表1所示”更改为“如图1所示”,4.2的表1并未给出样品横截面图。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336)提出并归口。特科技有限公司。1GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016微机电系统(MEMS)技术微沟槽和棱锥式针结构的描述和测量方法本文件描述了微米尺度沟槽结构和棱锥式针结构，并给出两种结构几何形状的测量示例。本文件本文件适用于MEMS结构设计和MEMS结构加工后的几何形状评估。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义在平面基底上一个由至少三个面组成的带有尖端的凸形结构，该凸形结构在平面基底的垂直面上具有对称平面。沟槽阵列wallandtrench两个或多个沟槽结构以有规律的间隔平行排列形成的结构。波纹结构scallop在硅的深反应离子刻蚀(DRIE)工艺中，由重复进行的多次沟槽内聚合物钝化保护和底部选择性刻蚀形成的侧壁不规则周期性起伏结构。4微米尺度沟槽结构的描述本文件给出表征微米尺度沟槽结构横截面几何形状的方法。图1为表征所需的横截面图。沟槽结构横截面的几何形状是从基底上表面观察，与沟槽结构垂直相交的直线处的截面形状，误差为±1°或更小。2GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016沟槽结构横截面尺寸的测量方法见第6章和附录A。图1微米尺度沟槽结构的示例示意图及横截面4.2符号和名称图2为典型沟槽结构的横截面，表1列出了用于表示沟槽结构横截面的符号、名称和单位。图2中用近似于平面基底上表面的直线表示横截面的水平基准线。与水平基准线垂直的线为垂直基准线。横截面中将沟槽侧壁简化为其近似直线。将沟槽底部简化为其近似直线或曲线。在沟槽结构的上表面，水平基准线上刻蚀区域称为沟槽，未刻蚀区域称为沟槽间隔。沟槽阵列的顶部宽度如图示。水平基准线与侧壁近似线之间的夹角为沟槽侧壁角，用水平基准线从沟槽间隔顶部顺时针转到侧壁的最短距离表示沟槽侧壁角的测量值，如图2所示。沟槽底部近似线与侧壁近似线交点之间的距离定义为沟槽阵列的底部宽度。沟槽深度为从沟槽中间的水平基准线到沟槽底表面的最短距离。H(M)H(M)W0锥形侧壁倒锥形侧壁WmWpp(M)图2微米尺度沟槽结构的横截面当硅通过DRIE工艺制造沟槽结构时，由于重复沉积钝化层和选择性刻蚀，沟槽侧壁呈现波纹状。图3给出采用DRIE刻蚀工艺制备具有倒锥形侧壁的沟槽结构横截面及几何形状的符号。3GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016WpoWpo(N)W------倒锥形侧壁θWn波纹结构WwnWwu图3通过重复沉积和刻蚀硅的DRIE工艺制造的微米尺度沟槽结构横截面表1微米尺度沟槽结构的符号和名称符号单位名称Wwu沟槽间隔顶部宽度W沟槽上开口宽度Wwb沟槽间隔底部宽度Wm沟槽底部宽度Wpu(N)N个节距沟槽阵列的顶部宽度Wm(N)N个节距沟槽阵列的底部宽度N沟槽数量D沟槽中心处深度0侧壁角度波纹结构的水平距离波纹结构的垂直距离沟槽结构应根据4.1和4.2,使用图2或图3确定尺寸，指示尺寸详见ISO129-1。5微米尺度棱锥式针结构的描述本文件给出表征微米尺度棱锥式针结构几何形状的方法。图4为典型棱锥式针结构外视图。本文件中定义的棱锥式针结构是在平面基底上形成的具有由三个或四个面组成尖端的突出结构，该结构在垂直平面中具有对称平面。图中的阴影面是对称面，棱锥式针结构的底面对应于平面基底的表面。4GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016棱锥式针结构几何形状的测量方法见第6章和附录A。对称平面对称平面mfmf图4典型棱锥式针结构示意图5.2符号和名称图5为典型棱锥式针结构的三视图。表2列出了表征棱锥式针结构几何尺寸的符号、名称和单位。将棱锥式针结构底面相对于水平面放置，中心处具有左右对称平面的位置称为棱锥式针结构的主视面。具有由三个面组成尖端的棱锥式针结构的主视面是两个面在前且中间为对称平面的位置。具有由四个面形成尖端的棱锥式针结构的主视面是面积最大的两个面在前且中间为对称平面的位置。棱锥式针结构的几何尺寸包括棱锥式针结构高度H、棱锥式针结构底面的宽度W₁和W₂以及距离D₁,如图5中俯视图或侧视图中显示的尺寸。俯视图主视图侧视图侧视图a)典型三棱锥式针结构b)典型四棱锥式针结构5GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016表2微米尺度棱锥式针结构的符号和名称符号单位名称W俯视图中棱锥式针结构的横向宽度W俯视图中棱锥式针结构的纵向宽度D棱锥式针结构尖端和前部顶点之间的距离H棱锥式针结构的高度棱锥式针结构应根据5.1和5.2,使用图5确定尺寸。指示尺寸详见ISO129-1。附录A为测量沟槽和棱锥式针结构几何形状的示例。所有测量所需的条件如下：a)记录每次测量的温度、湿度和必要的测量条件；b)每次在所用仪器的尺寸范围内进行测量；c)每次使用校准过的仪器进行测量；d)对于仪器的校准，如有必要咨询设备供应商；e)在仪器保证范围内，保持样品的水平度和垂直度；f)指定表示沟槽结构几何形状所需的直线近似和曲线近似的方法；g)测量结果宜见B.2的规定进行记录。6GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016(资料性)A.1概述附录A描述了测量微米尺度沟槽结构和棱锥式针结构几何形状的示例。A.2～A.6给出了测量原A.2沟槽深度的测量A.2.1场发射型扫描电子显微镜场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)是用电子束照射样品以生成其表面特征图像的设备。电子束源是一种硅或钨的尖端，能通过在尖端施加电场来发射电子。当用FE-SEM电子束照射样品时，样品表面也会发射二次电子。在样品表面上扫描高度聚焦的电子束过程中，检测到二次电子。将二次电子在用FE-SEM测量沟槽的深度时，有必要直接观察和测量样品的横截面。为了清晰地显示样品的A.2.1.3测量程序如4.2中所述，沟槽的深度是从沟槽中间的水平基准线到沟槽的底表面的最短距离。根据设备供应商规定的程序进行测量。宜遵守以下几点。a)将样品置于SEM样品室中，使得FE-SEM电子束的方向与样品截面的法向矢量相对应。样品的水平度宜保持在设备保证的范围内。b)设置放大倍率，使得整个沟槽在SEM图像内。d)根据设备供应商提供的长度测量功能测量相关尺寸。e)按推荐的次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值为测量值。测量结果的重复性详见附录B。A.2.1.4可测量范围本文件规定的尺寸范围内测量4.1中的沟槽结构。图A.1和表A.1显示了使用FE-SEM以2500倍放7GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016jumjumumμm232.A=40.3173.k=40.3964.T=90.04°表A.1沟槽深度的测量数据示例编号123456789沟槽深度D/pmA.2.2.1测量原理相干扫描干涉仪(CSI)是一种由等光程干涉仪组成的物镜通过扫描样品的垂直表面来测量表面轮廓的系统。图A.2a)显示了CSI显微镜的基本配置。样品整体表面在高度h上呈不规则性。CSI显微镜通过执行器在Z轴扫描方向上平滑、连续地移动干涉仪物镜。在扫描样品表面期间，计算机依次记录每帧每个CCD像素的干涉亮度信号。图A.2b)显示了从样品表面高度垂直差h(图中的A点和B点)处获得的两个干涉强度信号。通过比较与两个点对应的CCD像素的干扰强度信号来确定样品表面高度。通过处理视场中的每个像素，得到与对比度最大的干涉信号所对应的扫描位置(等光程位置)。8GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016标引序号说明：a)CSI显微镜的基本特征图A.2包含等光程干涉仪的CSI显微镜示意图9GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016不用切割样品。A.2.2.3测量程序如4.2中所述，沟槽深度是从沟槽中间的水平基准线到沟槽底表面的最短距离。根据设备供应商物镜。测量沟槽阵列尺寸建议选择不取决于沟槽深度的放大倍率。表A.2列出了测量不同沟槽阵列尺寸的放大倍数示例。b)设置样品，使显微镜的光轴与样品表面的法隔宽。f)按推荐的次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值为测量值。测量结果的重复性见附表A.2用于测量所有沟槽的CSI放大倍数(物镜/成像透镜)沟槽阵列(标称尺寸)干涉物镜的放大倍数成像镜头的放大倍数20am沟槽间隔宽和10pm沟槽宽30pm沟槽间隔宽和20μm沟槽宽A.2.2.4可测量范围本文件规定的尺寸范围内测量4.1中的沟槽结构。A.2.3接触式表面轮廓仪A.2.3.1测量原理接触式表面轮廓仪是一种通过尖头触针扫描样品表面来测量表面粗糙度和波纹度的仪器。触针为具有球形针尖的圆锥形状，用针尖半径和圆锥角度进行表征。测量仪器通过施加指定测量力将触针压在样品上，并精确测量触针的垂直位移。机器通过水平单向扫描测量轮廓(全部轮廓)。触针测量位移的分辨率通常为0.1nm。测量形貌受限于触针的形状。不用切割样品。GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016A.2.3.3测量程序根据设备供应商规定的程序进行测量。测量仪器的特性见ISO3274A.2.3.4可测量范围当触针针尖不能到达沟槽底表面时，无法测量沟槽深度。图A.3给出了如何使用针尖半径为2pm且锥度为60°的触针测量沟槽深度的示例。可测量的边界大致与几何接触临界线相对应(见图A.3中由沟槽上开口宽度Wru和沟槽深度D确定的实线),该准则也取决于触针针尖的形状。另沟槽宽度Wn沟槽宽度Wn/μm沟槽深度D/μmGB/T42158—2023/IEC62047-26:2016A.2.4共聚焦激光扫描显微镜A.2.4.1测量原理共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)是一种使用高分辨率激光束扫描观察样品表面形貌的仪器。聚焦激光束在样品表面进行二维扫描，通过光电探测器捕获样品表面的反射光，获得样品表面信息。此处，由于共聚焦显微镜的图像传感器仅能检测到来自焦点位置的反射光，因此能够得到高清晰度图像。通过移动焦点位置的高度，采集对应的2D(X-Y平面)图像，能得到精确的3D图像。CLSM的分辨率取决于激光波长、透镜的NA(数值孔径)等因素。不用切割样品。A.2.4.3测量程序根据设备供应商规定的程序进行测量。宜遵守以下几点。a)对准垂直于光轴(Z轴)的观测样品表面。即对准平行于X-Y平面的曲面。b)设置放大倍数，使待测量的沟槽与测量区域相适应。宜使用适合检测图形的最大放大倍数。d)按推荐的次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值为测量值。测量结果的重复性见附录B。A.2.4.4可测量范围本文件规定的尺寸范围内测量4.1中的沟槽结构。A.2.5原子力显微镜A.2.5.1测量原理原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率的扫描探针显微镜，利用AFM探针表面原子间相互作用力获得样品表面形貌。在保持原子间相互作用力不变的情况下，用探针尖端在样品表面(X-Y平面)进行二维扫描，通过测量与各X-Y位置对应的探针高度(Z轴位置),实现样品表面高度轮廓的三维测量。AFM有多种测量模式，包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。在接触模式(静态测量模式)下，探针与样品表面轻微接触，扫描样品表面，探针尖端与样品表面之间保持固定排斥力。在非接触模式(动态模式)下，轻微振动探针扫描样品表面，探针尖端和样品表面之间保持固定的吸引幅度。在轻敲模式下，振动探针扫描样品表面，连续地轻敲样品表面。AFM的分辨率取决于探针尖端半径的精度、测量模式和扫描仪。A.2.5.3测量程序根据设备供应商规定的程序进行测量。宜遵守以下几点。a)设置样品，使其表面(待观察表面)垂直于Z轴方向，并使样品表面沟槽壁的边缘线垂直于水平(X-Y)扫描方向。b)选择形状能到达沟槽底部的AFM探针(见附录A的图A.4)。c)按推荐的次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值为测量值。测量结果的重复性见附录B。GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016图A.4AFM探针尖端形状与沟槽结构的关系A.2.5.4可测量范围沟槽深度D宜在AFMZ轴扫描仪的最大扫描范围内。A.3.1场发射型扫描电子显微镜GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016见A.2.1.2。A.3.1.3测量程序见A.2.1.3a)～e)项。沟槽阵列顶部宽度也可以从样品的表面进行测量。A.3.1.4可测量范围见A.2.1.4。A.3.2相干扫描干涉仪A.3.2.1测量原理见A.2.2.1。A.3.2.2样品的制备见A.2.2.2A.3.2.3测量程序见A.2.2.3a)～f)项。A.3.2.4可测量范围见A.2.2.4。A.3.3接触式表面轮廓仪A.3.3.1测量原理单向形状轮廓的测量原理符合A.2.3.1的要求。在沟槽上开口边缘处，探针尖端的球形部分与样品边缘接触，生成全部轮廓，该轮廓由体现探针尖端形状的弧线两侧分别连接对应直线构成。假定探针尖端形状，能够通过该轮廓估计边缘位置。通过沟槽两侧的两个边缘位置值和相邻沟槽的边缘位置值能够计算沟槽宽度Wru和Wwu。A.3.3.2测量原理见A.2.3.2。A.3.3.3测量程序见A.2.3.3a)～f)项。A.3.3.4可测量范围本文件规定的尺寸范围内测量4.1中的沟槽结构。A.3.4共聚焦激光扫描显微镜A.3.4.1测量原理见A.2.4.1。GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016见A.2.4.2。A.3.4.3测量程序见A.2.4.3。A.3.4.4可测量范围见A.2.4.4。采用该测量方法时，如果侧壁角度θ小于90°,则不能测量沟槽底部宽度Wm和沟槽间隔底部宽度WwbA.3.5光学显微镜A.3.5.1测量原理该方法采用反射光显微镜(金相显微镜)测量沟槽结构边缘之间的间隔，通过比较尺寸与校准尺度，测量沟槽结构中沟槽阵列的宽度。当使用可见光时，分辨率约为200nm。测量结果由所用物镜的放大倍数决定。A.3.5.2样品的制备不用切割样品。A.3.5.3测量程序根据设备供应商规定的程序进行测量。宜遵守以下几点。a)对于长度校准，在测量沟槽间隔时使用的放大倍数下，拍摄一张千分尺的光学显微镜照片，或使用图像拾取设备捕获图像并校准长度。根据测量放大倍数选择合适的千分尺间隔进行校准；b)将样品置于物镜下并以校准时的放大倍数拍摄沟槽结构的照片，或者使用图像拾取设备捕获图像，并测量所需的沟槽结构的间隔；c)使用a)中获得的校准值，计算沟槽间隔顶部宽度Wwu和沟槽上开口宽度WTu;d)按推荐的次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值作为测量值。测量结果的重复性见附录B。本文件规定的尺寸范围内测量4.1中的沟槽结构。A.4用场发射型扫描电子显微镜测量沟槽侧壁角A.4.1测量原理见A.2.1.1。A.4.2样品的制备见A,2.1.2。A.4.3测量程序GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016所示。A.4.4可测量范围A.5用场发射型扫描电子显微镜测量沟槽阵列底部宽度A.6棱锥式针结构几何形状的测量A.6.1场发射型扫描电子显微镜A.6.1.2样品的制备不应测量受损的棱锥式针结构。测量遵守以下几点。a)将样品放置在SEM样品室的样品台上，使FE-SEM电子束的方向与棱锥式针结构底面的法向矢量相对应。样品的水平度宜保持在设备保证的范围内。b)设置放大倍数，使整个棱锥式针结构在扫描电镜图像内。c)根据设备供应商规定的程序调整焦距、对比度等。d)根据设备供应商提供的长度测量功能，测量相关尺寸W₁、W。和D₁。e)将样品台在棱锥式针结构的对称平面上倾斜30°,如图A.5a)所示，并根据设备供应商提供的长度测量功能测量图A.5a)中所示的D₂。f)根据图5和图A.5a)中所示的几何条件，通过以下公式计算棱锥式针结构高度H。…………(A.1)和…………(A.2)GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016……………………(A.3)(A.4)……(A.5)将公式(A.1)代入到公式(A.5)中时H=2D₂-√3D₁…………(A.6)g)按推荐的测量迭代次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值作为测量值。测量结果的重复性见附录B。俯视图主视图a)具有三个面的典型棱锥式针结构b)具有四个面的典型棱锥式针结构图A.5典型棱锥式针结构向后倾斜30°的三视图本文件规定的尺寸范围内测量5.1中的棱锥式针结构。A.6.2.1测量原理见A.2.5.1。A.6.2.3测量程序根据设备供应商规定的程序，测量棱锥式针结构的尺寸。宜遵守以下几点。a)放置和调整棱锥式针结构底面(或基底表面),使其垂直于AFM的Z轴扫描方向。b)为测量棱锥式针结构的侧面高度轮廓，选择形状能接触棱锥式针结构侧面和底面的AFM探GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016针尖端(见图A.6a)和A.6b)]。c)按推荐的测量迭代次数测量同一位置(见B.2),取测量结果的平均值作为测量值。测量结果的重复性见附录B。a)选用不适当的AFM探针b)选用适当的AFM探针图A.6AFM探针尖端和棱锥式针结构之间的关系A.6.2.4可测量范围采用该测量方法时，能够测量的棱锥式针结构受限于AFM的测量能力。宜注意以下几点：a)棱锥式针结构的横向宽度W₁和纵向宽度W₂宜小于AFMX-Y扫描仪的扫描范围，扫描范围具有足够的裕度；b)棱锥式针结构的高度H宜在AFMZ轴扫描仪的最大扫描范围内。GB/T42158—2023/IEC62047-26:2016(资料性)不确定度的定义和表达遵循由JCGM(计量指南联合委员会)发布的ISO/IECGUIDE98-3测量不确定B.2基本概念用最佳估计值X表示通过重复测量n次计算得到的测量值(报告值)。推荐的测量迭代次数n取4～10。简要描述测量原理和方法以及所使用的设备和程序。描述了测量设备和分析程序(数据处理)对FE-SEM实际测量结果进行不确定度分析，如表B.1所示。被测变量为4.2中定义的“沟槽深表B.1沟槽深度的测量数据示例测量次数123456789B.3.2不确定度来源下3个不确定因素：b)测量设备分辨率u(R):用于测量的FE-SEM最小分辨率(数值在400);c)测量设备校准的不确定度u(C):F