專利名稱：Mems力學微探針及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝技術領域，特別是涉及一種體硅MEMS力學微探針及其制備方法。
背景技術：
微電子機械系統(tǒng)〔MEMS〕技術作為九十年代發(fā)展起來的一項跨學科新興技術，對提高生活品質(zhì)和綜合國力具有無法替代的作用，并且是許多傳統(tǒng)行業(yè)拓展其技術含量的一種重要手段。MEMS的跨學科特點，使其在發(fā)展過程中涉及的研究領域和加工技術種類繁多。在眾多的MEMS加工技術中，硅基加工工藝，由于加工手段效率高、成本低、可與集成電路工藝兼容等優(yōu)勢，成為科研人員普遍采用的MEMS加工工藝主流。
在MEMS的研究和應用中微力輸出的實現(xiàn)和微位移的檢測是一個充滿挑戰(zhàn)的領域。微力的輸出及微位移檢測主要由微力控制、微力傳感和微位移檢測構(gòu)成。由于受到傳統(tǒng)精密機械加工方法的局限，一直沒有一套操作簡便、成本低廉、行之有效的微力輸出及微位移檢測的解決方案，目前只有價格昂貴、操作較為復雜的納米壓痕儀或類似設備能夠完成這樣的測量。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于硅基MEMS加工工藝的力學微探針及其制備方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝易于實現(xiàn)，成品率高，使用便捷的特點。
一種MEMS力學微探針，包括探針體和襯底，探針體和襯底通過固定錨點固定連接，探針體包括T型探針頭、著力質(zhì)量塊、彈性梁及標尺結(jié)構(gòu)，T型探針頭與著力質(zhì)量塊通過彈性梁連接，形成探針可動結(jié)構(gòu)，探針可動結(jié)構(gòu)再通過一組彈性梁結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接，懸浮于襯底之上，標尺結(jié)構(gòu)分為定尺、動尺I和動尺II三個部分，動尺I與T型探針頭部相連，動尺II與著力質(zhì)量塊相連，定尺固定在襯底上。
彈性梁可為各種形狀的折疊梁和直梁。
T型探針頭可通過其兩側(cè)的2個對稱彈性梁結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接。
著力質(zhì)量塊可通過其兩側(cè)的4個對稱彈性梁結(jié)構(gòu)與其兩側(cè)的固定錨點相連接。
在動尺I和動尺II的兩側(cè)上可設有刻度凸臺，在定尺與動尺相鄰一側(cè)上設有刻度凸臺。
一種體硅MEMS力學微探針的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區(qū)制作在硅片上利用光刻和刻蝕技術制作臺階，該臺階即固定錨點和定尺；(2)硅片與襯底鍵合在硅片上制作完成固定錨點和定尺之后，上、下表面翻轉(zhuǎn)，將上表面已制作好的鍵合區(qū)與襯底進行陽極鍵合；(3)探針體結(jié)構(gòu)制作將硅片從背面減薄，然后光刻形成探針體結(jié)構(gòu)圖形，再利用電感耦合高密度等離子體刻蝕將硅片從背面刻蝕穿通，在刻蝕中被保留的部分就是探針體結(jié)構(gòu)。
步驟1進一步包括臺階高度為2-10um。
步驟2進一步包括鍵合電壓600-1000V，鍵合溫度350-360℃。
步驟3進一步包括硅片減薄余厚20-80微米。
本發(fā)明的原理外加推力作用于著力質(zhì)量塊上，著力質(zhì)量塊向前運動，并使連接探針T型探針頭和著力質(zhì)量塊產(chǎn)生相對位移，并使連接T型探針頭和著力質(zhì)量塊的彈性連接梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變。該相對位移可以通過標尺的動尺I和動尺II的差值讀出。根據(jù)胡克定律，由該相對位移及彈性連接梁結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)，可以得到彈性連接梁結(jié)構(gòu)的應變應力F1的大小。T型探針頭在F1的作用下向前運動，并使吊起T型探針頭的彈性懸掛梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變。T型探針頭的位移可以通過標尺的定尺和動尺I的差值讀出。根據(jù)胡克定律，由T型探針頭的位移及懸掛梁結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)可以得到懸掛梁結(jié)構(gòu)的應變應力F2的大小。因此探針針尖作用在待測樣品上的作用力F3等于F1減去F2。
本發(fā)明的優(yōu)點與技術效果1、外加推力驅(qū)動型力學微探針可以將一個較大的輸入力通過梁結(jié)構(gòu)的緩沖轉(zhuǎn)化為較小的輸出力，操作更簡單、快捷，其二者有著不同的適用情況；2、外加推力驅(qū)動型力學微探針使用雙層標尺結(jié)構(gòu)，可以在顯微鏡的同一視場中讀出施加力的值，方便快捷；3、這種探針結(jié)構(gòu)還可以利用標尺進行簡單的微位移的測量，測量精度和標尺結(jié)構(gòu)的刻度相關。
4、由于使用了體硅MEMS工藝，可以將微探針與被測樣品(體硅MEMS成品例如梁、微加速度計、微陀螺等)集成在同一管芯內(nèi)，利于制造過程中的在線檢測、監(jiān)測，以及對于產(chǎn)成品的參數(shù)提??；5、可以將探針頭部放置于芯片以外，由于在芯片劃開時是從襯底(玻璃)面向結(jié)構(gòu)(單晶硅)面劃片，因此可以在不傷及硅結(jié)構(gòu)(探針頭部)的情況下將探針頭部設計為可伸出所在管芯的形式，便于向片外的測試樣品加載力以及對片外待測力和微小位移量的測量。
綜上所述，本發(fā)明利用彈性折梁受力形變與所受外力成正比的原理，將被測樣品所受力的大小通過微探針上的標尺讀出，具有讀數(shù)簡單，不需要借助大型、復雜設備的優(yōu)點。這種微探針適用于微米/納米尺度下微結(jié)構(gòu)的力學特性檢測、微小位移量測量、對硅基MEMS器件加工制造過程中的在線工藝參數(shù)監(jiān)控，以及對硅基MEMS器件產(chǎn)成品的參數(shù)提取等領域，應用前景十分廣泛。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做出詳細描述圖1.1為外加推力驅(qū)動型力學微探針固定錨點圖形俯視圖；圖1.2為外加推力驅(qū)動型力學微探針俯視圖；圖1.3為外加推力驅(qū)動型力學微探針標尺放大圖；圖1.4為外加推力驅(qū)動型力學微探針完成圖；圖2.1為腐蝕探針結(jié)構(gòu)板，形成固定錨點臺階后的截面示意圖；圖2.2為在襯底上形成金屬電極后截面示意圖；圖2.3為鍵合后截面示意圖；圖2.4為在探針結(jié)構(gòu)板上形成鋁掩模圖形后截面示意圖；圖2.5為深槽刻蝕探針結(jié)構(gòu)板釋放并形成探針體各部分后截面示意圖。
其中1-固定錨點；2-單晶硅結(jié)構(gòu)板；3-襯底；4-保護電極結(jié)構(gòu)；5-T型探針頭；6-著力質(zhì)量塊；7-彈性懸掛梁；8-彈性連接梁；9-標尺結(jié)構(gòu)；10-定尺；11-動尺I；12-動尺II；13-鋁掩模。
具體實施例方式
探針本體結(jié)構(gòu)
參考圖1.2、圖1.3、圖1.4以及圖2.4本發(fā)明微探針結(jié)構(gòu)總的分為上部單晶硅結(jié)構(gòu)探針體以及下部玻璃結(jié)構(gòu)襯底3，上部單晶硅結(jié)構(gòu)探針體部分包括T型探針頭5、著力質(zhì)量塊6、彈性梁及標尺結(jié)構(gòu)9，T型探針頭5與著力質(zhì)量塊6通過彈性梁8連接，形成探針可動結(jié)構(gòu)，探針可動結(jié)構(gòu)再通過6個彈性梁結(jié)構(gòu)7與固定錨點相連接，懸浮于襯底之上，標尺結(jié)構(gòu)9分為定尺10、動尺I11和動尺II12三個部分，動尺I11與T型探針頭5相連，動尺II與著力質(zhì)量塊6相連，定尺10固定在襯底上。
微探針結(jié)構(gòu)的下部分為襯底部分3，襯底可以是玻璃或單晶硅，在襯底結(jié)構(gòu)上可以制作在探針制作過程中提高刻蝕成品率的保護電極結(jié)構(gòu)4。將單晶硅結(jié)構(gòu)板和玻璃襯底上、下鍵合，形成微探針結(jié)構(gòu)。
探針的使用方法參考圖1.4，將探針針尖頂在待測樣品上。外加推力作用于著力質(zhì)量塊上6，著力質(zhì)量塊向前(圖左側(cè))運動，并使連接探針T型探針頭5和著力質(zhì)量塊產(chǎn)生相對位移，并使連接T型探針頭和著力質(zhì)量塊的彈性連接梁結(jié)構(gòu)8產(chǎn)生形變，T型探針頭5和著力質(zhì)量塊的剛性遠大于彈性梁。該相對位移可以通過標尺9的動尺I 11和動尺II 12的差值讀出。根據(jù)胡克定律，由該相對位移及彈性連接梁結(jié)構(gòu)8的彈性系數(shù)，可以得到彈性連接梁結(jié)構(gòu)8的應變應力F1的大小。T型探針頭5在F1的作用下向前(圖左側(cè))運動，并使吊起T型探針頭5的彈性懸掛梁結(jié)構(gòu)7產(chǎn)生形變。T型探針頭的位移可以通過標尺9的定尺10和動尺I 11的差值讀出。根據(jù)胡克定律，由T型探針頭的位移及懸掛梁結(jié)構(gòu)7的彈性系數(shù)可以得到懸掛梁結(jié)構(gòu)7的應變應力F2的大小。因此探針針尖作用在待測樣品上的作用力F3等于F1減去F2。以現(xiàn)有測量手段及工藝參數(shù)微探針輸出的可測量的微小力的精度可以達到1.5微牛(假設探針體硅結(jié)構(gòu)厚80微米，連接“T”型探針頭和著力質(zhì)量塊的彈性梁為折疊梁，寬7微米、長300微米、折數(shù)12折；將“T”型探針頭與其兩側(cè)的固定連接的彈性梁為折疊梁，寬7微米、長350微米、折數(shù)10折。)。
探針的制備工藝參考圖2.1至圖2.5，本實施例制備工藝為體硅MEMS工藝(硅-玻璃陽極鍵合、硅ICP深刻蝕)。該方法對于將微探針進-步與被測樣品(體硅MEMS成品結(jié)構(gòu))以及電路集成方面，也具有幫助。為保證鍵合質(zhì)量，在硅-玻璃鍵合時硅鍵合尺寸(長、寬)都要比玻璃上定義的尺寸大5-10微米，具體設計參數(shù)硅-玻璃之間的間距為4-10微米；濺射鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)電極的厚度別為鈦100-600埃，鉑300-500埃，金800-1200埃，寬度10-100微米；濺射鋁600-800埃；梁寬度8-20微米；微探針本身結(jié)構(gòu)200-1500微米。
制造工藝步驟如下1.硅片正面氧化3000埃；2.光刻1#版，定義固定錨點，參考圖1.1，圖2.1；3.BHF溶液腐蝕SiO2；4.硅片正面去膠；5.KOH腐蝕硅片正面4微米深，形成固定錨點，在管芯外圍還應有一圈寬300-500微米的鍵合區(qū)，用做定義劃片槽以及KOH減薄(步驟12)和裂片(步驟19)時的保護；6.BHF溶液腐蝕硅片正、反兩面，去掉全部SiO2；7.硅片正面注入、退火，形成歐姆接觸區(qū)，n型硅片摻磷(P)，p型硅片摻硼(B)，注入劑量5E15，能量80KeV；
8.光刻2#版，在玻璃襯底上制作提高刻蝕成品率的保護電極圖形，圖2.2；9.濺射金屬Ti/Pt/Au，分別為400埃、300埃、900埃；10.剝離金屬復合膜，形成提高刻蝕成品率的保護電極，圖2.2；11.陽極鍵合單晶硅片和玻璃，參考圖2.3；12.KOH減薄單晶硅片，硅片剩余厚度70-80微米；13.硅片背面濺射鋁800埃；14.光刻3#版，形成探針體結(jié)構(gòu)圖形，參考圖1.2，圖2.4；15.磷酸腐蝕鋁，形成金屬掩膜；16.去膠；17.硅片背面涂光刻膠保護；18.劃片，劃片槽寬300-500微米，從襯底(玻璃)面向結(jié)構(gòu)(單晶硅)面劃片，余厚(單晶硅厚)120-150微米；19.硅片背面去膠；20.ICP深槽刻蝕(刻穿)結(jié)構(gòu)釋放，參考圖1.4；21.裂片。
綜上所述，本發(fā)明公開了一種體硅MEMS力學微探針及其制備方法。上面描述的應用場景和實施例，并非用于限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
權利要求
1.一種MEMS力學微探針，包括探針體和襯底，探針體和襯底通過固定錨點固定連接，探針體包括T型探針頭、著力質(zhì)量塊、彈性梁及標尺結(jié)構(gòu)，T型探針頭與著力質(zhì)量塊通過彈性梁連接，形成探針可動結(jié)構(gòu)，探針可動結(jié)構(gòu)再通過一組彈性梁結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接，懸浮于襯底之上，標尺結(jié)構(gòu)分為定尺、動尺I和動尺II三個部分，動尺I與T型探針頭部相連，動尺II與著力質(zhì)量塊相連，定尺固定在襯底上。
2.如權利要求1所述的MEMS力學微探針，其特征在于彈性梁為各種形狀的折疊梁和直梁。
3.如權利要求1或2所述的MEMS力學微探針，其特征在于T型探針頭和著力質(zhì)量塊分別通過兩側(cè)對稱的彈性梁結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接。
4.如權利要求1或2所述的MEMS力學微探針，其特征在于在動尺I和動尺II的兩側(cè)上設有刻度凸臺，在定尺與動尺相鄰一側(cè)上設有刻度凸臺。
5.一種MEMS力學微探針的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區(qū)制作在硅片上利用光刻和刻蝕技術制作臺階，該臺階即固定錨點和定尺；(2)硅片與襯底鍵合在硅片上制作完成固定錨點和定尺之后，上、下表面翻轉(zhuǎn)，將上表面已制作好的鍵合區(qū)與襯底進行陽極鍵合；(3)探針體結(jié)構(gòu)制作將硅片從背面減薄，然后光刻形成探針體結(jié)構(gòu)圖形，再利用電感耦合高密度等離子體刻蝕將硅片從背面刻蝕穿通，在刻蝕中被保留的部分就是探針體結(jié)構(gòu)。
6.如權利要求5所述的MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟1進一步包括臺階高度為2-10um。
7.如權利要求5所述的體硅MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟2進一步包括鍵合電壓600-1000V，鍵合溫度350-360℃。
8.如權利要求5所述的體硅MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟3進一步包括硅片減薄余厚20-80微米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種MEMS力學微探針及其制備方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加工技術領域。該探針包括探針體和襯底，探針體和襯底通過固定錨點固定連接，探針體包括T型探針頭、著力質(zhì)量塊、彈性梁及標尺結(jié)構(gòu)，T型探針頭與著力質(zhì)量塊通過彈性梁連接，形成探針可動結(jié)構(gòu)，探針可動結(jié)構(gòu)再通過一組彈性梁結(jié)構(gòu)與固定錨點相連接，懸浮于襯底之上，標尺結(jié)構(gòu)分為定尺、動尺I和動尺II三個部分，動尺I與T型探針頭部相連，動尺II與著力質(zhì)量塊相連，定尺固定在襯底上。本發(fā)明利用彈性梁受力形變與所受外力成正比的原理，讀出被測樣品所受力的大小，具有讀數(shù)簡單、工藝易于實現(xiàn)的特點。
文檔編號G01L1/04GK1877275SQ200610083449
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權日2006年5月31日
發(fā)明者劉冬寧, 張大成, 賀學峰, 李婷, 楊芳, 王穎, 張美麗 申請人:北京大學