一种微悬梁臂探针及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种微悬梁臂探针及其制作方法，该方法包括以下步骤：提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的SOI衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上；图形化所述硬掩膜层，图形化后的所述硬掩膜层覆盖探针针尖所在区域；形成悬梁臂凹槽于所述顶层硅中，所述悬梁臂凹槽自所述顶层硅的顶面开口，并往所述绝缘层方向延伸，但未到达所述绝缘层；以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层，以同步得到悬梁臂及位于所述悬梁臂上方的探针。本发明专利技术同步形成悬梁臂及探针，并利用键合胶保护探针针尖结构在工艺过程中不被损坏，工艺更加稳定可控，可以批量稳定地制作高质量的微悬梁臂探针。探针。探针。

【技术实现步骤摘要】
一种微悬梁臂探针及其制作方法


[0001]本专利技术属于微电机系统(MEMS)传感器制造领域，涉及一种微悬梁臂探针及其制作方法。

技术介绍

[0002]原子力显微镜(AFM)是一种可以用来研究包括绝缘体在内的材料表面结构的分析仪器。典型的AFM探针通常包含两个部分：一端固定的微悬梁臂，以及附着于另一自由端的尖针探头。其工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬梁臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间范德瓦尔斯力作用，会使悬梁臂发生微小的偏转，再通过检测照射在悬梁臂背面的激光束偏转变化，就可以获得悬梁臂的运动轨迹，从而获得样品表面形貌的图像。
[0003]AFM探针作为原子力显微镜系统中的关键部件，它的结构和性能对原子力显微镜的性能、测量精度和图像质量有着极大的影响。在早期，AFM探针的制作主要依赖手工操作，如用金箔作为悬梁臂，在悬梁臂的自由端手工粘贴微小金刚石颗粒作为探针。此种制作方法难度很大、制作重复性差、探针质量无法保证、成品率低。另一方面，由于探针常常因损伤或者污染需要经常更换，故需要开发一种稳定合适的方法批量制作AFM探针。
[0004]2004年日本Takayuki Shibata提出采用倒模压印法制作金刚石材质压电微悬梁臂探针，耐磨性高。但是该方法制作的探针针尖形状受模具形状的影响，针尖锥度不好、质量差。在此之前也有研究人员尝试用MEMS微电机加工工艺制作微悬梁臂探针，但是先制作好的探针针尖容易在后续的光刻等工艺环节损坏，影响了针尖的锐度和成品率。此外，湿法腐蚀工艺制作探针针尖和背面空腔结构时需要选择合适的掩模材料，制作工艺繁杂，且湿法腐蚀工艺稳定性差，无法保证探针针尖的质量。
[0005]因此，如何提供一种微悬梁臂探针及其制作方法，以批量稳定地制作高质量的微悬梁臂探针，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种微悬梁臂探针及其制作方法，用于解决现有技术中微悬梁臂探针的针尖易损坏、工艺稳定性差的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种微悬梁臂探针的制作方法，包括以下步骤：
[0008]提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的SOI衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上；
[0009]图形化所述硬掩膜层，图形化后的所述硬掩膜层覆盖探针针尖所在区域；
[0010]形成悬梁臂凹槽于所述顶层硅中，所述悬梁臂凹槽自所述顶层硅的顶面开口，并往所述绝缘层方向延伸，但未到达所述绝缘层；
[0011]以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部
显露出所述绝缘层，以同步得到悬梁臂及位于所述悬梁臂上方的探针。
[0012]可选地，还包括以下步骤：
[0013]去除图形化后的所述硬掩膜层；
[0014]提供一临时基底，通过键合胶将所述临时基底与所述SOI衬底键合，其中，所述临时基底面向所述顶层硅，所述探针埋设于所述键合胶中；
[0015]形成在垂直方向上贯穿所述背衬底的空腔结构，并去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分以暴露出所述悬梁臂；
[0016]去除所述临时基底及所述键合胶。
[0017]可选地，采用干法刻蚀形成所述空腔结构。
[0018]可选地，采用干法刻蚀去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分。
[0019]可选地，还包括对所述SOI衬底进行热氧化处理以形成氧化层于所述探针及所述悬梁臂表面的步骤。
[0020]可选地，采用干法刻蚀形成所述悬梁臂凹槽，并采用干法刻蚀刻蚀所述顶层硅以同步得到所述悬梁臂及所述探针。
[0021]可选地，所述硬掩膜层的材质包括铝、氧化铝中的至少一种。
[0022]可选地，所述探针的侧壁倾斜。
[0023]可选地，所述临时基底包括硅晶圆及玻璃片中的一种。
[0024]本专利技术还提供一种微悬梁臂探针，所述微悬梁臂探针采用如上任意一项所述的微悬梁臂探针的制作方法制作得到。
[0025]如上所述，本专利技术的微悬梁臂探针及其制作方法，具有以下有益效果：
[0026](1)本专利技术通过两次光刻、刻蚀分别定义出基于探针针尖图形的图形化硬掩膜层和部分刻蚀深度的悬梁臂凹槽，然后以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，可同步得到悬梁臂及探针，避免了分步刻蚀探针结构和悬梁臂凹槽结构工艺流程中由于图形高度差导致光刻胶涂覆效果差、光刻胶厚度均匀性不好的问题；
[0027](2)采用了键合胶临时键合工艺，在制作探针背面空腔结构时，键合的临时基底作为承载基底，键合胶可保护探针针尖结构在工艺过程中不被损坏；
[0028](3)采用干法刻蚀工艺制作探针、悬梁臂及背面空腔结构，相比湿法刻蚀工艺，可省去所需特殊掩模的沉积和去除步骤，且工艺更加稳定可控。
附图说明
[0029]图1显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法的工艺流程图。
[0030]图2显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的SOI衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上的示意图。
[0031]图3显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法形成第一光刻胶层于所述硬掩膜层上，并图形化所述第一光刻胶层的示意图。
[0032]图4显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述第一光刻胶层为掩膜干法刻蚀所述硬掩膜层，并停止于所述顶层硅表面的示意图。
[0033]图5显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法形成第二光刻胶层于所述顶层硅上，并图形化所述第二光刻胶层，得到悬梁臂图形的示意图。
[0034]图6显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述第二光刻胶层为掩膜干法刻蚀所述顶层硅，得到悬梁臂凹槽的示意图。
[0035]图7显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层的示意图。
[0036]图8显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法去除图形化后的所述硬掩膜层的示意图。
[0037]图9显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法供一临时基底，通过键合胶将所述临时基底与所述SOI衬底键合的示意图。
[0038]图10显示为本专利技术的微悬梁臂探针的制作方法形成在垂直方向上贯穿所述背衬底的空腔结构，并去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分以暴露出所述悬梁臂的示意图。
[0039]图11显示为本专利技术的微悬梁臂探针的正向截面图。
[0040]图12显示为本专利技术的微悬梁臂探针的侧向截面图。
[0041]元件标号说明
[0042]S1～S4
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步骤
[0043]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
SOI衬底
[0044]101
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微悬梁臂探针的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的SOI衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上；图形化所述硬掩膜层，图形化后的所述硬掩膜层覆盖探针针尖所在区域；形成悬梁臂凹槽于所述顶层硅中，所述悬梁臂凹槽自所述顶层硅的顶面开口，并往所述绝缘层方向延伸，但未到达所述绝缘层；以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层，以同步得到悬梁臂及位于所述悬梁臂上方的探针。2.根据权利要求1所述的微悬梁臂探针的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：去除图形化后的所述硬掩膜层；提供一临时基底，通过键合胶将所述临时基底与所述SOI衬底键合，其中，所述临时基底面向所述顶层硅，所述探针埋设于所述键合胶中；形成在垂直方向上贯穿所述背衬底的空腔结构，并去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分以暴露出所述悬梁臂；去除所述临时基底及所述键合胶。3.根据权利要求2所述的微悬梁臂探针的制作方法，其特征在于：采用干法刻蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘强，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：