CN112723297A - 一种微纳米级台阶高度样板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种微纳米级台阶高度样板及其制备方法，该微纳米级台阶高度样板包括基座、台阶结构和防护层；台阶结构设置于基座上；防护层包覆基座和台阶结构，本申请还提供该微纳米级台阶高度样板的制备方法：包括以下步骤：对待加工材料粗切割，形成待处理样板，待处理样板包括基座和台阶结构；对待处理样板进行热处理；对经过热处理的待处理样板进行高精度磨床加工；对经过高精度磨床加工后的待处理样板进行表面黑色磷化处理，得到该微纳米级台阶高度样板；其中，微纳米级台阶高度样板的表面包括防护层。如此，本申请提供的微纳米级台阶高度样板样板表面具有漫反射表面特征，满足激光非接触式和其他类型扫描形式测量仪器的校准需求。

Description

一种微纳米级台阶高度样板及其制备方法
技术领域
本申请涉及微纳米级高度(3D形貌)测量的技术领域，特别涉及一种微纳米级台阶高度样板及其制备方法。
背景技术
近年来，先进制造产业、半导体集成电路产业和纳米材料科学领域迅速发展，微纳几何尺寸的高精度测量需求越来越迫切，尺寸范围从纳米到数百微米。
为了满足这些需求，诸如锡膏测厚仪、白光干涉仪、激光共聚焦显微镜、全息显微镜、台阶仪等常用的非接触式或接触式表面形貌测量仪器得到广泛应用来获得样品的表面轮廓和高度。为了保证尺寸测量结果的准备可靠，需要对此类设备进行精确、可溯源的校准，提供计量保障。
上述表面形貌测量仪器由于测试原理不用，对标准器要求不同。如非接触式测量仪器锡膏测厚仪通过CCD获得激光束与线路板形成的断差从而计算得到锡膏高度与线路板底面形成的高度差，需要测量样品表面形成漫反射。而部分标准器选用金属量块，表面由于精密加工呈现镜面，导致CCD不能获得激光信号，无法成像。且由于测量仪器使用环境比较复杂，大多数的标准器由于是金属长期使用后表面难免生锈，影响测量结果的准确性。
发明内容
本申请要解决是现有技术中表面形貌测量仪器测量不够精准且标准器表面不能产生漫反射特征，无法成像的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种微纳米级台阶高度样板，包括基座、台阶结构和防护层；
台阶结构设置于基座上；
防护层包覆基座和台阶结构。
进一步地，台阶结构包括至少一个凸台。
进一步地，凸台的高度为500nm-400μm，凸台的测量面尺寸为1-5mm，基座的表面尺寸为10-50mm。
进一步地，基座和凸台的材质为Cr12钢材；防护层为磷化膜层。
本申请还提供一种微纳米级台阶高度样板的制备方法，包括以下步骤：
对待加工材料粗切割，形成待处理样板，待处理样板包括基座和台阶结构；
对待处理样板进行热处理；
对经过热处理的待处理样板进行高精度磨床加工；
对经过高精度磨床加工后的待处理样板进行表面黑色磷化处理，得到微纳米级台阶高度样板；其中，微纳米级台阶高度样板的表面包括防护层。
进一步地，对待处理样板进行热处理，包括：
对待处理样板进行高温淬火、低温淬火和回火；
其中，高温淬火的温度为1100-1150℃，低温淬火的温度为960-1050℃，回火的温度为550-650℃。
进一步地，对经过热处理的待处理样板进行高精度磨床加工，包括：
测量并调整待处理样板的测量面的表面粗糙度和平面度；待处理样板的测量面包括基座的测量面和台阶结构的测量面；
测量并调整基座的测量面与台阶结构的测量面之间的平行度；
对经过高精度磨床加工后的所述待处理样板进行表面黑色磷化处理，包括：
对待处理样板依次进行脱脂处理、水洗处理、酸洗处理、水洗处理、中和处理、水洗处理、表调处理、磷化处理、水洗处理、脱水处理和浸油处理，其中，磷化处理包括：将所述待处理样板依次在常温碱液和磷化剂溶液中加热设定时间。
进一步地，测量待处理样板的测量面的表面粗糙度，包括：
确定待处理样板的测量面测量位置集合；
确定测量位置集合中的每个测量位置的粗糙度集合；
基于粗糙度集合确定测量面粗糙度。
进一步地，测量待处理样板的测量面的平面度，包括：
基于平晶干涉法和打表测量法测量待处理样板的测量面的平面度。
进一步地，测量基座的测量面与台阶结构的测量面之间的平行度，包括：
基于偏摆仪、影像测量仪或三坐标测量机测量基座的测量面与台阶结构的测量面之间的平行度。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的微纳米级台阶高度样板包括防护层，此防护层利用黑色磷化工艺制备，使得微纳米级台阶高度样板表面具有漫反射表面特征，满足激光非接触式和其他类型扫描形式测量仪器的校准需求，另外，此防护层能够减少环境温湿度变化对微纳米级台阶高度样板的腐蚀，确保了校准测量结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例一种微纳米级台阶高度样板的结构示意图；
图2为本申请实施例一种微纳米级台阶高度样板的剖面示意图；
以下对附图作补充说明：
1-基座；2-台阶结构；3-防护层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种微纳米级台阶高度样板的结构示意图，图1中的微纳米级台阶高度样板包括基座1、台阶结构2和防护层3；
台阶结构2设置于基座1上；
图2为本申请实施例一种微纳米级台阶高度样板的剖面示意图，如图2所示，防护层3包覆基座1和台阶结构2。其中，基座1和台阶结构2是通过粗切割和磨床精加工一体成型，防护层3的材质为磷化膜，防护层3呈现漫反射特征的形貌。
本申请实施例中，的基座1上表面的形状可以为圆形，其直径可以为10-50mm，基座1基座1上表面的形状也可以为正方形、长方形等，边长尺寸均可以为10-50mm。
本申请实施例中，台阶结构2包括至少一个凸台，凸台的高度为500nm-400μm，包含了先进制造和半导体集成电路产业常用的台阶高度，满足大部分表面形貌测量仪器的计量校准需求其中，凸台的测量面即上表面的形状可以为圆形，其直径可以为1-5mm，凸台的测量面的形状也可以为正方形、长方形等，边长尺寸均可以为1-5mm。
本申请实施例中，基座1和凸台的材质为Cr12钢材；选择Cr12钢作为基座1和台阶结构2的加工材料是因为该材料是一种合金工具钢，具有较好的淬透性和良好的耐磨性，硬度60HRC，便于加工，被广泛应用于计量校准标准器的制作中。接触式表面形貌测量仪器在用微纳米级台阶高度样板的过程中，探针会对台阶结构2产生作用力，造成测量面的损伤，多次使用以后会导致标准台阶尺寸测量出现错误。所以需选取硬度较大的材料形成台阶高度校准样板，且在微纳米级台阶高度样板表面增加防护层3，能够减少台阶结构2的变形，同时避免环境温湿度影响造成样板表面的锈蚀，提高了台阶高度测试结果的精确度。
本申请还提供一种微纳米级台阶高度样板的制备方法，包括以下步骤：
对待加工材料粗切割，形成待处理样板，待处理样板包括基座1和台阶结构2；
对待处理样板进行热处理；
对经过热处理的待处理样板进行高精度磨床加工；
对经过高精度磨床加工后的待处理样板进行表面黑色磷化处理，得到微纳米级台阶高度样板；其中，微纳米级台阶高度样板的表面包括防护层3，防护层3为一层致密均匀的黑灰色磷化膜。
本申请实施例中，对待处理样板进行热处理，包括：
对待处理样板进行高温淬火、低温淬火和回火；
其中，高温淬火的温度为1100-1150℃，低温淬火的温度为960-1050℃，回火的温度为550-650℃。
本申请实施例中，对经过热处理的待处理样板进行高精度磨床加工，包括：
测量并调整待处理样板的测量面的表面粗糙度和平面度；待处理样板的测量面包括基座1的测量面和台阶结构2的测量面；
测量并调整基座1的测量面与台阶结构2的测量面之间的平行度。
经过机械加工后的标准台阶快的轮廓表面在加工过程中受到工件表面与刀刃的摩擦、塑性变形等因素的影响，留下了许多微小的凹凸不平的痕迹，这些痕迹很大程度上影响了台阶高度的评价。因此微纳米级台阶高度样板的微观表面粗糙度评价时十分重要的。本申请实施例中，测量待处理样板的测量面的表面粗糙度，包括：
确定待处理样板的测量面测量位置集合；
确定测量位置集合中的每个测量位置的粗糙度集合；
基于粗糙度集合确定测量面粗糙度。
可选的，可用表面粗糙度轮廓仪或干涉显微镜在待处理样板的测量面取不少于3个测量位置测量其表面粗糙度，每个位置测量10次，计算其平均值为表面粗糙度Ra，待处理样板的测量面粗糙度Ra≤0.3μm。
本申请实施例中，测量待处理样板的测量面的平面度，包括：
基于平晶干涉法和打表测量法测量待处理样板的测量面的平面度。
平面度是测量面宏观凹凸高度相对理想平面的偏差。可用平晶干涉法、打表测量法等测量，然后通过三远点法、对角线法、最小二乘法、最小区域法这四种对平面度误差进行评定。加工时保证每个台阶的测量面平面度≤0.6μm，避免对台阶结构2高度的影响。
本申请实施例中，测量基座1的测量面与台阶结构2的测量面之间的平行度，包括：
基于偏摆仪、影像测量仪或三坐标测量机测量基座1的测量面与台阶结构2的测量面之间的平行度。
平行度是指两个平面或直线平行的程度，以基座1的测量面为基准，台阶的测量面相对基准在同一方向上允许的变动全量。可用偏摆仪、影响测量仪、三坐标测量机等仪器在微纳米级台阶高度样板取不少于3个测量位置，然后基于最小二乘法、基于遗传算法对平行度误差进行评定，台阶与基座1测量面的平行度≤0.6μm，确保不同位置台阶高度的均匀性。
使用接触式干涉仪、纳米坐标测量机测量微纳米级台阶高度样板，对不同高度的凸台进行量值标定。上述测量仪器的探针从凸台的一侧移动到相应的另一侧，利用台阶结构测量面的高度与所在基座面的高度之间的差值，实现对台阶高度量值的精确标定。凸台高度的量值分别是微纳米台阶高度样板的公称台阶高度；再用标定过的微纳米级台阶高度样板校准表面形貌测量仪器，确保其量值可溯源。
本申请实施例中，黑色磷化处理的工艺流程主要包括脱脂、水洗、酸洗、水洗、中和、水洗、表调、磷化、水洗、脱水和浸油，微纳米级台阶高度样板分别在碱液(常温)和磷化剂溶液中加热数分钟后，在微纳米级台阶高度样板表面形成一层致密连续的磷化膜，能有效阻止内部微纳米级台阶高度样板的氧化。微纳米级台阶高度样板经过表面黑色磷化处理后，微纳米级台阶高度样板表面更加接近实测的锡膏等样品表面凹凸不平的表面形貌，形成漫反射特征，使得CCD(电荷耦合器件)捕捉到更多的激光信号成像。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微纳米级台阶高度样板，其特征在于，包括基座(1)、台阶结构(2)和防护层(3)；
所述台阶结构(2)设置于所述基座(1)上；
所述防护层(3)包覆所述基座(1)和所述台阶结构(2)。
2.根据权利要求1所述的微纳米级台阶高度样板，其特征在于，所述台阶结构(2)包括至少一个凸台。
3.根据权利要求2所述的微纳米级台阶高度样板，其特征在于，所述凸台的高度为500nm-400μm，所述凸台的测量面尺寸为1-5mm，所述基座的表面尺寸为10-50mm。
4.根据权利要求3所述的微纳米级台阶高度样板，其特征在于，所述基座(1)和所述凸台的材质为Cr12钢材；所述防护层(3)为磷化膜层。
5.一种微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待加工材料粗切割，形成待处理样板，所述待处理样板包括基座(1)和台阶结构(2)；
对所述待处理样板进行热处理；
对经过热处理的所述待处理样板进行高精度磨床加工；
对经过高精度磨床加工后的所述待处理样板进行表面黑色磷化处理，得到微纳米级台阶高度样板；其中，所述微纳米级台阶高度样板的表面包括防护层(3)。
6.根据权利要求5所述的微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，所述对所述待处理样板进行热处理，包括：
对所述待处理样板进行高温淬火、低温淬火和回火；
其中，所述高温淬火的温度为1100-1150℃，所述低温淬火的温度为960-1050℃，所述回火的温度为550-650℃。
7.根据权利要求6所述的微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，所述对经过热处理的所述待处理样板进行高精度磨床加工，包括：
测量并调整所述待处理样板的测量面的表面粗糙度和平面度；所述待处理样板的测量面包括所述基座(1)的测量面和所述台阶结构(2)的测量面；测量并调整所述基座(1)的测量面与所述台阶结构(2)的测量面之间的平行度；
所述对经过高精度磨床加工后的所述待处理样板进行表面黑色磷化处理，包括：
对所述待处理样板依次进行脱脂处理、水洗处理、酸洗处理、水洗处理、中和处理、水洗处理、表调处理、磷化处理、水洗处理、脱水处理和浸油处理，其中，所述磷化处理包括：将所述待处理样板依次在常温碱液和磷化剂溶液中加热设定时间。
8.根据权利要求7所述的微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，所述测量所述待处理样板的测量面的表面粗糙度，包括：
确定所述待处理样板的测量面测量位置集合；
确定所述测量位置集合中的每个所述测量位置的粗糙度集合；
基于所述粗糙度集合确定所述测量面粗糙度。
9.根据权利要求8所述的微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，所述测量所述待处理样板的测量面的平面度，包括：
基于平晶干涉法和打表测量法测量所述待处理样板的测量面的平面度。
10.根据权利要求9所述的微纳米级台阶高度样板的制备方法，其特征在于，所述测量所述基座(1)的测量面与台阶结构(2)的测量面之间的平行度，包括：
基于偏摆仪、影像测量仪或三坐标测量机测量所述基座(1)的测量面与台阶结构(2)的测量面之间的平行度。
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