CN114850792B - 一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法及调校方法 - Google Patents

一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法及调校方法 Download PDF

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Abstract

本申请适用于微电子计量领域，提供了一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，包括：确定探针系统的材质和图纸，探针系统包括针尖和底座，针尖的材质为钨钢，底座的材质为铝；采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备针尖；采用机械加工方式对铝制材料进行加工，制备底座；将针尖和底座组装为探针系统。本申请为触针式表面轮廓仪提供了一套材料选择、图形设计、电火花加工、机械加工以及位置调校系统化的方案，在一定程度上解决了探针系统磨损的问题，提高了台阶测量的准确度。

Description

一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法及调校方法
技术领域
本申请属于微电子计量领域，尤其涉及一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法及调校方法。
背景技术
在半导体技术领域，器件上包含大量的台阶结构，这些结构对器件的整体性能有着直接的影响，因此，对台阶结构的准确测量与监测是保证器件质量的重要手段。目前，在工艺线上主要使用触针式表面轮廓仪，属于接触式测量。触针式表面轮廓仪是晶圆表面台阶、刻蚀深度、表面粗糙度以及缺陷特征等参数的量测仪器。
触针式表面轮廓仪的关键部位就是探针系统，其直接决定了仪器的测量准确度。随着大量试验发现，测试过程中，探针系统的针尖会发生严重的磨损，造成探针系统的损坏，因此，研制一套触针式表面轮廓仪探针系统对提高仪器测量准确度，保证仪器正常运行十分关键。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请实施例提供了触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，能够在一定程度上解决探针系统磨损的问题，提高台阶测量的准确度。
本申请是通过如下技术方案实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，包括：确定探针系统的材质和图纸，所述探针系统包括针尖和底座，所述针尖的材质为钨钢，所述底座的材质为铝；采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备所述针尖；采用机械加工方式对铝制材料进行加工，制备所述底座；将所述针尖和所述底座组装为探针系统。
在一种可能的实现方式中，所述采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备所述针尖，包括：用电火花磨削加工出直径为0.5mm的第一柱状体；所述电火花磨削加工过程中保证所述钨钢材料与所述电火花磨削加工工具有相对的旋转运动，所述钨钢材料与所述电火花磨削加工工具在径向和轴向进给运动；
在所述第一柱状体上，用电火花线切割加工出长度为4.5mm的第二柱状体；所述电火花线切割工具电极为线状电极，所述电火花线切割工具与所述第二柱状体在两个水平方向上相对伺服进给运动；
在所述第二柱状体上，用电火花同步共轭回转加工出角度为45°的锥形面，形成所述针尖的尖端角度；所述电火花同步共轭回转加工工具和所述第二柱状体相对放电点做旋转运动，并具有切向相对运动速度；所述电火花同步共轭回转加工工具相对所述第二柱状体作纵向或横向进给运动，以同步回转、展成回转、倍角速度回转不同方式进行加工。
在一种可能的实现方式中，所述微细电火花加工方式采用微米级压电陶瓷驱动电路；所述微米级压电陶瓷驱动电路为电压放大器和功率放大器相结合的电路系统；所述电压放大器不失真放大低压信号，所述功率放大器跟随高压信号，并通过电压并联反馈网络实现微米级进给移动。
在一种可能的实现方式中，所述微细电火花加工过程中，脉冲电源的第一电极接工具，第二电极接工件；所述第一电极和第二电极需要在具有绝缘度的液体中；所述绝缘度根据实际加工过程确定。
在一种可能的实现方式中，所述针尖精度在0.010mm以内。
在一种可能的实现方式中，所述微细电火花加工方式采用分层次加工的方案，保证每一层的磨削厚度小于放电间隙；所述放电间隙通过工具电极由自动进给调节装置控制；所述自动进给调节装置控制所述工具电极的进给量dz为：
dz＝Δz+Le＝Δz(1+θSw/Se)
其中，Δz为工件去除厚度，Sw为工件加工面积，Se为电极横截面积，θ为电极损耗率。
在一种可能的实现方式中，所述采用机械加工方式对铝材质的器件进行加工，制备所述底座，包括：通过车削工艺对铝制材料进行加工，得到长度为23.66mm，直径为1.262mm的第一阶圆柱；在所述第一阶圆柱上，车削出长度为19.3mm，直径为0.872mm的第二阶圆柱；在所述第二阶圆柱上，车削出长度为2.04mm，直径为0.692mm的第三阶圆柱；在所述第一阶圆柱上，铣削距离圆心0.503mm的平面；在所述第三阶圆柱上，钻出直径为0.5mm的圆孔；所述机械加工的精度在0.010mm以内。
在一种可能的实现方式中，所述将所述针尖和所述底座组装为探针系统，包括：采用胶水将所述针尖和所述底座粘结组装为所述探针系统。
在一种可能的实现方式中，所述图纸为探针外形尺寸；所述外形尺寸根据探针系统的重量要求，以及限位装置设计。
第二方面，本申请实施例提供了一种触针式表面轮廓仪探针系统的调校方法，包括：在将所述探针系统安装在触针式表面轮廓仪上后，对样品进行扫描过程中，获取所述探针系统实际扫描位置；将所述实际扫描位置与预设扫描位置比对；根据比对结果对所述探针系统进行调校；
所述调校过程包括：在上下位置调校方面：按照预设探针位置校正图形扫描，如果扫描位置未发生偏移，则扫描出的台阶或凹槽的宽度为测量宽度；如果扫描位置发生偏移，减少或增加软件参数设置，继续扫描；
在左右位置调校方面：按照预设探针位置校正图形扫描，如果扫描位置未发生偏移，则扫描出起始位置到三角形左侧位置的间距为测量间距；如果扫描位置发生偏移，减少或增加软件参数设置，继续扫描。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本申请实施例，为触针式表面轮廓仪提供了一套材料选择、图形设计、电火花加工、机械加工以及位置调校等系统化的方案。该方案在一定程度上解决了探针系统磨损的问题，提高了台阶测量的准确度，在半导体工艺参数测量领域具有一定的实用价值与推广性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
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是本申请一实施例提供的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法的流程图；
图2是本申请一实施例提供的针尖部分的设计图；
图3是本申请一实施例提供的底座部分的设计图；
图4是本申请一实施例提供的探针系统三维模型装配图；
图5是本申请一实施例提供的预设探针位置校正图形；
图6是本申请一实施例提供的探针系统扫描位置偏移示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“相对”是指机械运动中的位置相对。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，对该触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法的详述如下：
在步骤101中，确定探针系统的材质和图纸，探针系统包括针尖和底座，针尖的材质为钨钢，底座的材质为铝。
具体的，钨钢是一种硬质合金，是指至少含有金属碳化物组成的烧结复合材料，硬度可以达到(89～95)HRA，因此钨钢具有硬度高、耐磨性、强度和韧性较好、耐腐蚀等优点。特别是，它的高硬度和耐磨性。钨钢材料做成的产品具有不易磨损、坚硬不怕退火、质脆等优点，是作为探针系统针尖的绝佳材料；底座部分主要选择铝材料。铝材料主要是质地比较轻，比重是2.71，约为铁(比重7.87)和铜(比重8.93)的三分之一，选择铝材料作为底座的材料，能够大幅度降低探针系统的重量，进而提高与传感器连接部位的灵敏性。
具体的，图纸为探针外形尺寸；外形尺寸根据探针系统的重量要求，以及限位装置设计。
其中，探针系统是针对某型号触针式表面轮廓仪专门研制的可替代性部件，首先需要考虑探针系统的重量，探针系统太重，会直接造成压力传感器过载，太轻会造成压力传感器敏感性差，进而影响测量精度；其次，便于安装，为了使探针系统能够准确定位，能够消除6个自由度，探针需要安装在固定的卡槽里面，并有限位装置限定。
示例性的，设计过程中主要考虑针尖的角度问题。探针系统需要通过针尖接触凸台或凹槽，因此针尖的角度设计最为关键，根据实际使用和实验摸索选择针尖角度为45°。如图2针尖部分的设计图所示。底座部分设计过程中主要考虑底座的质量尽可能的轻。如图3底座部分的设计图所示。
在步骤102中，采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备针尖。
其中，由于针尖部分的材料是钨钢，属于硬质合金。针尖部分的直径为0.5mm，针尖尖端为45°，常规机械加工的车刀也是硬质合金材料，不适合加工针尖部分。由于钨钢材料的针尖较难制备，决定采用微细电火花加工的方案。
具体的，采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备针尖，包括：用电火花磨削加工出直径为0.5mm的第一柱状体；电火花磨削加工过程中保证钨钢材料与电火花磨削加工工具有相对的旋转运动，钨钢材料与电火花磨削加工工具在径向和轴向进给运动。
在第一柱状体上，用电火花线切割加工出长度为4.5mm的第二柱状体；电火花线切割工具电极为线状电极，电火花线切割工具与第二柱状体在两个水平方向上相对伺服进给运动。
在第二柱状体上，用电火花同步共轭回转加工出角度为45°的锥形面，形成针尖的尖端角度；电火花同步共轭回转加工工具和第二柱状体相对放电点做旋转运动，并具有切向相对运动速度；电火花同步共轭回转加工工具相对第二柱状体作纵向或横向进给运动，以同步回转、展成回转、倍角速度回转不同方式进行加工。
具体的，微细电火花加工方式采用微米级压电陶瓷驱动电路；微米级压电陶瓷驱动电路为电压放大器和功率放大器相结合的电路系统；电压放大器不失真放大低压信号，功率放大器跟随高压信号，并通过电压并联反馈网络实现微米级进给移动。
具体的，微细电火花加工过程中，脉冲电源的第一电极接工具，第二电极接工件；第一电极和第二电极需要在具有绝缘度的液体中；绝缘度根据实际加工过程确定。
示例性的，由于针尖部分精度要求比较高，通过供液方式、电极的材料以及脉冲等环节要尽量减少电极损耗对加工精度的影响，并且合理规划电极运动轨迹，进而提高针尖部分的尖端角度的精度以及减小针尖表面粗糙度。
具体的，针尖精度在0.010mm以内。
具体的，微细电火花加工方式采用分层次加工的方案，保证每一层的磨削厚度小于放电间隙；所述放电间隙通过工具电极由自动进给调节装置控制；所述自动进给调节装置控制所述工具电极的进给量dz为：
dz＝Δz+Le＝Δz(1+θSw/Se) (1)
其中，Δz为工件去除厚度，Sw为工件加工面积，Se为电极横截面积，θ为电极损耗率。通过公式(1)可以看出：工件去除厚度Δz、电极横截面积Se以及电极损耗率θ一定时，通过计算工件加工面积Sw，设置电极的进给量dz。通过工具电极与工件间周而复始的脉冲放电，工具电极不断地向工件进给，进行加工出需要的形状。
示例性的，上述针尖部分的尖端表面为粗糙度小、精度高、高对称度的锥形面。
在步骤103中，采用机械加工方式对铝制材料进行加工，制备底座。
具体的，采用机械加工方式对铝材质的器件进行加工，制备底座，包括：通过车削工艺对铝制材料进行加工，得到长度为23.66mm，直径为1.262mm的第一阶圆柱；在第一阶圆柱上，车削出长度为19.3mm，直径为0.872mm的第二阶圆柱，剩余的第一阶圆柱长度为4.36mm，直径为1.262mm；在第二阶圆柱上，车削出长度为2.04mm，直径为0.692mm的第三阶圆柱，剩余的第二阶圆柱长度为17.26mm，直径为0.872mm；在第一阶圆柱上，铣削距离圆心0.503mm的平面；在第三阶圆柱上，钻出直径为0.5mm的圆孔；机械加工的精度在0.010mm以内。
在步骤104中，将针尖和底座组装为探针系统，如图4探针系统三维模型装配图所示。
具体的，采用胶水将针尖和底座粘结组装为探针系统。
示例性的，考虑到触针式表面轮廓仪的系统具有自我保护功能，上述胶水选择粘度不太高的液体胶水。
对应上述触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法制备的探针系统，对该探针系统进行调校。一种触针式表面轮廓仪探针系统的调校方法，包括：在将所述探针系统安装在触针式表面轮廓仪上后，对样品进行扫描过程中，获取所述探针系统实际扫描位置；将所述实际扫描位置与预设扫描位置比对；根据比对结果对所述探针系统进行调校。
所述调校过程包括：在上下位置调校方面：按照预设探针位置校正图形扫描，如果扫描位置未发生偏移，则扫描出的台阶或凹槽的宽度为测量宽度；如果扫描位置发生偏移，减少或增加软件参数设置，继续扫描；
在左右位置调校方面：按照预设探针位置校正图形扫描，如果扫描位置未发生偏移，则扫描出起始位置到三角形左侧位置的间距为测量间距；如果扫描位置发生偏移，减少或增加软件参数设置，继续扫描。如图5预设探针位置校正图形所示，探针实际扫描位置为图5中虚线，预设扫描位置为图5中实线。
示例性的，对样品进行扫描过程中，探针实际扫描位置与设定扫描位置不一致，需要进行位置调校。位置调校主要采用二分法的原理。
示例性的，采用研制的位置调校标准进行位置调校，调校主要分为两个步骤：
1)上下位置调校。按照图5扫描方向A开始扫描，如果扫描位置没有发生偏移，则扫描出的台阶或凹槽的宽度应为150μm。如果扫描出台阶台阶或凹槽的宽度应为200μm，则说明探针向上偏了50μm，因此需要在软件参数设置时减少50μm。相反，如果扫描出台阶台阶或凹槽的宽度应为100μm，则说明探针向下偏了50μm，因此需要在软件参数设置时向增加50μm。
2)左右位置调校。按照图5扫描方向A开始扫描，如果扫描位置没有发生偏移，则扫描出起始位置到三角形左侧位置的间距为150μm。如果扫描出起始位置到三角形左侧位置的间距为200μm，则说明探针向左偏了50μm，因此需要在软件参数设置时减少50μm。如果扫描出起始位置到三角形左侧位置的间距为100μm，则说明探针向右偏了50μm，因此需要在软件参数设置时增加50μm。如图6探针系统扫描位置偏移示意图所示。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
示例性的，步骤101、步骤102和步骤103之间的执行顺序不分先后，步骤101、步骤102和步骤103可以同时执行，或者步骤101、步骤102和步骤103可以先后分别执行，对此不予限定。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，包括：
确定探针系统的材质和图纸，所述探针系统包括针尖和底座，所述针尖的材质为钨钢，所述底座的材质为铝；
采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备所述针尖；
采用机械加工方式对铝制材料进行加工，制备所述底座；
将所述针尖和所述底座组装为探针系统；
所述采用微细电火花加工方式对钨钢材料进行加工，制备所述针尖，包括：
用电火花磨削加工出直径为0.5mm的第一柱状体；所述电火花磨削加工过程中保证所述钨钢材料与所述电火花磨削加工工具有相对的旋转运动，所述钨钢材料与所述电火花磨削加工工具在径向和轴向进给运动；
在所述第一柱状体上，用电火花线切割加工出长度为4.5mm的第二柱状体；所述电火花线切割工具电极为线状电极，所述电火花线切割工具与所述第二柱状体在两个水平方向上相对伺服进给运动；
在所述第二柱状体上，用电火花同步共轭回转加工出角度为45°的锥形面，形成所述针尖的尖端角度；所述电火花同步共轭回转加工工具和所述第二柱状体相对放电点做旋转运动，并具有切向相对运动速度；所述电火花同步共轭回转加工工具相对所述第二柱状体作纵向或横向进给运动，以同步回转、展成回转、倍角速度回转不同方式进行加工。
2.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述微细电火花加工方式采用微米级压电陶瓷驱动电路；
所述微米级压电陶瓷驱动电路为电压放大器和功率放大器相结合的电路系统；所述电压放大器不失真放大低压信号，所述功率放大器跟随高压信号，并通过电压并联反馈网络实现微米级进给移动。
3.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述微细电火花加工过程中，脉冲电源的第一电极接工具，第二电极接工件；所述第一电极和所述第二电极需要在具有绝缘度的液体中；所述绝缘度根据实际加工过程确定。
4.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述针尖精度在0.010mm以内。
5.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述微细电火花加工方式采用分层次加工的方案，保证每一层的磨削厚度小于放电间隙；所述放电间隙通过工具电极由自动进给调节装置控制；所述自动进给调节装置控制所述工具电极的进给量dz为：
dz＝Δz+Le＝Δz(1+θSwSe)
其中，Δz为工件去除厚度，Sw为工件加工面积，Se为电极横截面积，θ为电极损耗率。
6.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述采用机械加工方式对铝材质的器件进行加工，制备所述底座，包括：
通过车削工艺对铝制材料进行加工，得到长度为23.66mm，直径为1.262mm的第一阶圆柱；
在所述第一阶圆柱上，车削出长度为19.3mm，直径为0.872mm的第二阶圆柱；
在所述第二阶圆柱上，车削出长度为2.04mm，直径为0.692mm的第三阶圆柱；
在所述第一阶圆柱上，铣削距离圆心0.503mm的平面；
在所述第三阶圆柱上，钻出直径为0.5mm的圆孔；
所述机械加工的精度在0.010mm以内。
7.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述将所述针尖和所述底座组装为探针系统，包括：
采用胶水将所述针尖和所述底座粘结组装为所述探针系统。
8.如权利要求1所述的触针式表面轮廓仪探针系统的制备方法，其特征在于，所述图纸为探针外形尺寸；
所述外形尺寸根据探针系统的重量要求，以及限位装置设计。
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