專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)械與納機(jī)械器件中的金屬薄膜壓阻傳感及其在自感測(cè)spm探針中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的壓阻傳感器。
背景技術(shù)：
壓阻位移檢測(cè)技術(shù)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS和NEMS)均具有較強(qiáng)的吸引力，因?yàn)榭梢詫⑺鼈兺耆肷鲜鱿到y(tǒng)，且這些技術(shù)易于使用。應(yīng)用的例子包括掃描探針顯微分析、力和壓力傳感器、流量傳感器、化學(xué)和生物傳感器以及諸如加速度計(jì)和運(yùn)動(dòng)換能器等慣性傳感器。大多數(shù)這些應(yīng)用均使用p型摻雜的硅層作為感測(cè)元件。摻雜后的硅具有相當(dāng)高的靈敏系數(shù)(20～100)，但也具有較高的薄層電阻(10千歐/平方)，因而具有相對(duì)較大的熱噪聲本底(noisefloor)。由于摻雜后的硅的載流子密度低，因而可預(yù)期在它之中存在高得多的1/f噪聲。另外，半導(dǎo)體壓敏電阻器的制造過(guò)程(如離子注入或分子束外延)既復(fù)雜又需付出高昂的成本。最后，半導(dǎo)體材料很容易遭到加工損壞。因此它們不適于某些納米級(jí)的應(yīng)用。
需要為微機(jī)電與納機(jī)電系統(tǒng)提供更為靈敏的、更易于制造的和更廉價(jià)的壓阻感測(cè)元件，然而，該需求尚未得到滿足。

發(fā)明內(nèi)容
一種微機(jī)械或納機(jī)械器件，包括可移動(dòng)元件和用于對(duì)該可移動(dòng)元件的移動(dòng)進(jìn)行壓阻感測(cè)的金屬膜。
一種制造SPM探針的方法，包括提供襯底；在所述的前側(cè)和后側(cè)形成掩膜層；在所述掩膜層上形成圖案；使用所述襯底的前側(cè)上的已形成圖案的掩膜層來(lái)形成所述襯底的所述前側(cè)中的SPM尖端；在所述襯底的所述前側(cè)上形成已形成圖案的金屬膜壓阻傳感器；以及從所述后側(cè)起穿過(guò)后側(cè)的掩模層中的開(kāi)口來(lái)蝕刻所述襯底，以形成支持所述SPM尖端和所述金屬膜的懸臂。
一種操作包括可移動(dòng)元件和壓阻膜的微機(jī)械或納機(jī)械器件的方法，該方法包括偏置所述壓阻膜和檢測(cè)所述膜的壓阻響應(yīng)來(lái)確定所述可移動(dòng)元件的移動(dòng)量。


圖1a和1b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性器件的SEM圖像。
圖2和圖3是圖1a中的器件的諧振響應(yīng)曲線。
圖4是圖1b中所示器件的熱機(jī)械噪聲頻譜密度。示出了前兩個(gè)模式。且數(shù)據(jù)被擬合為洛倫茲函數(shù)。
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的器件的三維示意圖。
圖5b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的AFM探針的SEM圖像。
圖7、14和15是用于測(cè)試本發(fā)明的器件的測(cè)試配置示意圖。
圖6和圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的器件的壓阻響應(yīng)曲線。
圖9是金屬薄膜壓敏電阻器的噪聲頻譜曲線。
圖10是壓阻探針的測(cè)力壓痕曲線。
圖11a是從直接輕敲模式中獲得的3維形貌圖。圖11b是從對(duì)金屬薄膜壓敏電阻器的鎖定測(cè)量中獲得的3維形貌圖。
圖12a-h是自感測(cè)非接觸/輕敲模式壓阻SPM探針的制造流程中的各個(gè)步驟的側(cè)截面圖。
圖13a-h是自感測(cè)接觸模式壓阻SPM探針的制造流程中的各個(gè)步驟的側(cè)截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)用作微機(jī)械和納機(jī)械系統(tǒng)中的壓阻自感測(cè)元件的金屬膜。這些系統(tǒng)最好包括微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)。
微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)所包括的器件具有的特點(diǎn)是至少在一個(gè)維度上，最好在兩個(gè)或三個(gè)維度上，它們的尺寸分別為1微米至100微米和1納米至小于1微米。這些特征最好包括可移動(dòng)特征或元件(如懸臂、振動(dòng)膜、固定梁、線等)。微機(jī)電和納機(jī)電系統(tǒng)包括(但不限于)掃描探針顯微鏡(″SPM″)，如原子力顯微鏡(″AFM″)、力和壓力傳感器、流量傳感器、化學(xué)和生物傳感器，以及諸如加速度計(jì)與運(yùn)動(dòng)換能器之類(lèi)的慣性傳感器。例如，化學(xué)和生物傳感器可包括一個(gè)或多個(gè)表面涂覆著能有選擇地結(jié)合化學(xué)或生物分析物(如包含或由所關(guān)心的化學(xué)或生物種群組成的氣體或液體分析物)的材料的懸臂。
術(shù)語(yǔ)“膜”包含厚度約為100納米至約10微米的相對(duì)較薄的金屬膜、厚度約為10納米至約100納米的薄金屬膜和厚度小于10納米的超薄金屬膜(如不連續(xù)金屬膜或島型金屬膜等)，以下將對(duì)此進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。術(shù)語(yǔ)“金屬”包括純金屬或基本上較純的金屬和金屬合金。
術(shù)語(yǔ)“自感測(cè)”表示金屬膜被用作壓阻元件，而不需要外部的移動(dòng)感測(cè)器件，如用于以射線照射懸臂或振動(dòng)膜的激光器和用于檢測(cè)反射的射線來(lái)確定懸臂或振動(dòng)膜的偏轉(zhuǎn)的光電檢測(cè)器。然而，如果需要，可以將外部的移動(dòng)感測(cè)器件與自感測(cè)金屬膜結(jié)合使用。而且，最好將金屬膜與電流源一起使用，該電流源在金屬膜的表面提供了電流，且檢測(cè)器檢測(cè)該金屬膜表面的電壓，以確定金屬膜和可移動(dòng)元件的移動(dòng)量(如幅值、頻率、方向和/或任何其他合適的性質(zhì))。
應(yīng)變靈敏系數(shù)(“靈敏系數(shù)”)常用于表示壓阻材料的電阻和應(yīng)變之間的關(guān)系，將其定義為dR/Rdε＝(1+2υ)+dρ/ρdε，其中υ為泊松比、ρ為電阻率、ε為應(yīng)變、R為電阻值。第一項(xiàng)僅源于幾何變形，第二項(xiàng)是因應(yīng)變的變化而引起的電阻率的物理變化，這種應(yīng)變的變化主要源于材料中的傳遞應(yīng)變的(strain mediated)平均自由程。
即使薄金屬膜具有比半導(dǎo)體壓敏電阻器小得多的靈敏系數(shù)，但是，它們也具有小得多的電阻值，并能夠承受高得多的電流密度，因此，能產(chǎn)生同等的信號(hào)強(qiáng)度。較低的電阻值產(chǎn)生較小的熱噪聲。由于金屬膜的載流子密度比半導(dǎo)體壓敏電阻器的載流子密度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而它們的1/f噪聲將比后者的1/f噪聲小很多。低得多的噪聲本底使得薄金屬膜可以獲得與硅器件相似的分辨率。
與半導(dǎo)體壓敏電阻器相比，金屬薄膜壓敏電阻器的造價(jià)低得多?？梢院?jiǎn)單地將厚度為10納米至10微米的金屬膜蒸發(fā)或?yàn)R射到Si、SiC、SiN、SiO2、玻璃甚至塑料材料等幾乎任何襯底上。對(duì)金屬膜的加工損壞也是最小的?？梢栽诮饘倌ど闲纬杉{米尺寸的圖案，并可將這些金屬膜批量制造到處于較大陣列中的各個(gè)器件上。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將金薄膜用作壓阻感測(cè)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以用其他純金屬或基本上較純的金屬(包括但不限于銀、鎳、鉑、鋁、鉻、鈀、鎢和康銅、卡瑪合金、恒彈性合金、尼赫羅姆合金V、鉑-鎢、鉑-鉻等合金)獲得相似結(jié)果。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用金屬膜覆蓋可移動(dòng)元件，如微米(即1到100微米)或納米(即小于1微米)尺寸的元件。可移動(dòng)元件可以是MEMS或NEMS中的任何可以移動(dòng)的元件?？梢苿?dòng)元件最好包括柔性的彈性元件(即“撓曲”)，如諧振器。
例如諧振器最好包括微米或納米尺寸的懸臂。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也可以與其他諧振器一起使用，這些諧振器包括但不限于兩端固定梁諧振器、扭轉(zhuǎn)諧振器和膜片式諧振器。在專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?0/826007的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)、專(zhuān)利號(hào)為6593731的美國(guó)專(zhuān)利、PCT/US03/14566的PCT申請(qǐng)(出版號(hào)WO/2004/041998)和其對(duì)應(yīng)的申請(qǐng)?zhí)枮?0/502641的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)了兩端固定梁諧振器、扭轉(zhuǎn)諧振器和膜片式諧振器的非限制性實(shí)例。此處通過(guò)引用將所有上述申請(qǐng)包含于本文之中。例如，兩端固定梁諧振器包括兩端均固定的梁，但是其中間部分是自由懸掛的，因此它可以垂直于其長(zhǎng)度發(fā)生彎曲或進(jìn)行移動(dòng)。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，扭轉(zhuǎn)諧振器可包括安裝在兩個(gè)錨點(diǎn)處的柔性的菱形或多邊形結(jié)構(gòu)，可通過(guò)圍繞上述錨點(diǎn)之間的軸扭轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)該結(jié)構(gòu)而移動(dòng)諧振器，如專(zhuān)利號(hào)為6593731的美國(guó)專(zhuān)利中說(shuō)明和描述的。膜片式諧振器可包括任何板狀的諧振器，該諧振器在一個(gè)或多個(gè)邊緣處進(jìn)行固定，而其中間部分是自由懸掛的，因而它可以在一個(gè)或多個(gè)方向上進(jìn)行移動(dòng)或發(fā)生彎曲。膜片式諧振器的一個(gè)實(shí)例是蹦床式諧振器。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，公開(kāi)了將薄金屬膜用作AFM探針中的傳感器的做法。給出了自感測(cè)非接觸/輕敲模式壓阻SPM探針和感測(cè)接觸模式壓阻SPM探針的制造流程。如上文指出的，金屬膜壓阻感應(yīng)元件也可用于其他MEMS或NEMS器件，如力和壓力傳感器、流量傳感器、化學(xué)和生物傳感器和諸如加速度計(jì)與運(yùn)動(dòng)換能器之類(lèi)的慣性傳感器。這些示范性的器件具有至少為1.6×10-6/納米的預(yù)計(jì)的位移靈敏度和至少為3.8fN/(Hz)1/2的力分辨率，該分辨率可以與摻雜后的硅的分辨率相比，且噪聲電平在1nV/(Hz)1/2以下。
最后，采用高靈敏度的電子縮混讀出模式從薄金屬膜中提取壓阻響應(yīng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這種檢測(cè)方案與合適的電路用于金屬的自感測(cè)壓阻探針(用于接觸模式和非接觸模式的AFM操作)。
薄金屬膜薄金屬膜具有相當(dāng)?shù)偷撵`敏系數(shù)(2～4)。因?yàn)樗鼈兙哂斜劝雽?dǎo)體壓敏電阻器小得多的電阻值并能承受大得多的電流密度，所以它們可以產(chǎn)生與半導(dǎo)體壓敏電阻器相匹的信號(hào)強(qiáng)度。較低的電阻值導(dǎo)致了較小的熱噪聲。因?yàn)榻饘倌さ妮d流子密度比半導(dǎo)體壓敏電阻器的載流子密度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而前者的1/f噪聲將遠(yuǎn)小于后者的1/f噪聲。當(dāng)器件工作于諧振頻率和進(jìn)行交流測(cè)量時(shí)，薄金屬膜的靈敏度很高。
可以以大幅降低的成本來(lái)制造金屬薄膜壓敏電阻器?？梢院?jiǎn)單地將金屬膜蒸發(fā)和濺射到幾乎任何襯底上。對(duì)金屬膜的加工損壞是最小的。且可以為金屬膜形成納米尺寸的圖案，并可將這些金屬膜制造到處于較大陣列中的各個(gè)器件上。
在所述的實(shí)施例中，金薄膜用于壓阻感測(cè)。對(duì)塊狀的金而言，υ為0.42，典型的靈敏系數(shù)為1～4?？梢愿鶕?jù)膜的厚度將薄金膜分成三個(gè)不同區(qū)域。厚度在100納米以上的膜更類(lèi)似于塊狀，厚度在10納米和100納米之間的膜具有連續(xù)膜區(qū)域，而厚度在10納米以下的膜通常是不連續(xù)的。由于金屬的島間隙的緣故，不連續(xù)膜具有大得多的應(yīng)變靈敏系數(shù)。在所述的實(shí)施例中，將屬于連續(xù)薄膜區(qū)域的30納米至50納米厚的金膜用作壓阻層。然而，應(yīng)當(dāng)理解，可以大幅改變金屬薄膜的尺寸。例如，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)從30納米起直至10微米的所有連續(xù)薄金膜而言，壓阻響應(yīng)處于相同的數(shù)量級(jí)。金屬膜可以具有任何適當(dāng)?shù)膶挾群烷L(zhǎng)度。例如金屬膜可以是窄線(如橫截面積約為100平方納米或更小的線)，或者，它可以覆蓋器件的可移動(dòng)元件的所有或一部分表面，并具有100納米直至10微米(如200納米至2微米)的寬度。
除金之外，也可以將許多純金屬或基本上較純的金屬(包括但不限于鎳、鉑、鈀、鎢，鋁等)用于壓阻感測(cè)。也可以將金屬合金(包括但不限于康銅、卡瑪合金、恒彈性合金、尼赫羅姆合金V、鉑-鎢，鉑-鉻等)用于壓阻感測(cè)。下表列出了一些示范性的金屬和這些金屬的靈敏系數(shù)。

諧振器如上所述，優(yōu)選的諧振器結(jié)構(gòu)包含懸臂，如懸臂式的NEMS或MEMS結(jié)構(gòu)。在圖1a和1b中示出了兩個(gè)示范性懸臂的SEM圖像。圖1a是10微米長(zhǎng)，2微米寬的懸臂的SEM圖像，圖1b是33微米長(zhǎng)，4微米寬的懸臂的SEM圖。這些器件具有150歐姆的最終電阻值。如圖1a和1b所示，懸臂1最好在包含接觸墊的懸臂基部5的附近具有開(kāi)口或凹槽3。圍繞凹槽3的懸臂1的部分稱(chēng)為“腿”7。最好至少在懸臂的腿7部分形成金膜9。如果需要，可以省略凹槽3。
最好使用與Y.T.Yang等人所公開(kāi)方法(Appl.Phys.Lett.78，162(2001))類(lèi)似的方法來(lái)制造圖1a和1b所示的懸臂式NEMS結(jié)構(gòu)，此處通過(guò)引用將該文獻(xiàn)包含于本文之中。以下將描述一種示范性方法。初始材料是硅襯底上的80納米厚的外延生長(zhǎng)的碳化硅。之所以選擇碳化硅，更多地是出于方便的考慮，而非必須如此。例如，也可使用硅和它的其他化合物(如氮化硅、二氧化硅等)。首先，用光刻法來(lái)定義金接觸墊，其次，通過(guò)電子束光刻形成由金屬互連圖案定義的應(yīng)變集中腿(如圖1a所示的腿7)。在位于碳化硅上的光刻膠圖案上熱蒸發(fā)1nm的鉻粘附層，然后，在該層上形成30納米的金層，隨后，剝離上述層，以提供所希望的圖案。在進(jìn)行電子束光刻后，在整個(gè)懸臂形成區(qū)域上，通過(guò)在50納米鉻層上形成圖案來(lái)使其成為蝕刻掩模。然后，使用1∶1的Ar∶NF3混合氣體，利用電子回旋共振(ECR)蝕刻機(jī)來(lái)蝕刻樣品。用250V的偏置電壓來(lái)各向異性地蝕刻碳化硅層。然后，將該偏置電壓降為100V，這使得蝕刻變?yōu)楦飨蛲缘?。蝕刻器件懸臂之下的硅層，并得到碳化硅結(jié)構(gòu)。當(dāng)難以對(duì)懸臂進(jìn)行底切時(shí)，停止蝕刻。通過(guò)濕蝕刻除去鉻掩膜，以減小懸臂上的應(yīng)力，該應(yīng)力可導(dǎo)致懸臂發(fā)生卷曲。最后，用持續(xù)時(shí)間非常短的ECR干蝕刻來(lái)完全得到懸臂。然后，將樣品粘貼到壓電陶瓷(PZT)致動(dòng)器上，并將整個(gè)器件安裝到芯片載體上，以及通過(guò)絲焊(wire bonding)來(lái)形成各個(gè)電連接。
然后，將樣品裝入真空罐，并在室溫下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)包括半直流橋、作為直流偏置源和交流-直流T形偏置的電池組。PZT致動(dòng)器由網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在經(jīng)過(guò)兩個(gè)增益為67dB、輸入輸出阻抗為50歐姆的前置放大器級(jí)后，信號(hào)的交流部分反饋回網(wǎng)絡(luò)分析儀之中。
在圖2和圖3中，示出了具有50mV的恒定直流偏置的、處于不同的激勵(lì)電平的圖1a中的器件的諧振信號(hào)。該懸臂具有兩條5微米長(zhǎng)、500納米寬的腿和5微米長(zhǎng)、2微米寬的墊(pad)。它具有處于1.5MHz處的基本模式與處于14.8MHz處的第二諧振模式。圖2示出了基本模式的諧振曲線，圖3示出了第二諧振模式的諧振曲線。圖2和圖3中的插圖示出了作為激勵(lì)電平或幅值的函數(shù)的峰值振幅。在線性響應(yīng)區(qū)內(nèi)，諧振時(shí)的幅值與施加到壓電致動(dòng)器的交流信號(hào)幅值成比例。在基本模式下，懸臂在真空中的品質(zhì)因數(shù)為1000。在空氣中工作時(shí)，懸臂具有為90的較低品質(zhì)因數(shù)，如圖2中的虛線所示。在第二諧振模式下，懸臂具有約為700的品質(zhì)因數(shù)。
這些壓阻懸臂的靈敏度足以使它們感測(cè)到它們自身的熱機(jī)械噪聲。圖4顯示了圖1b中所示器件的噪聲頻譜，該頻譜具有52kHz的基礎(chǔ)諧振頻率和638KHz處的第二諧振模式。從噪聲頻譜密度中，使用計(jì)算的彈簧常數(shù)，可以校準(zhǔn)懸臂的靈敏度。為懸臂勢(shì)能應(yīng)用均分原理K<z2>＝kbT，并定義靜止?fàn)顟B(tài)下的靈敏度為Cs＝ΔR/RΔZ，其中K為彈簧常數(shù)、kb為波爾茲曼常數(shù)、T為絕對(duì)溫度、<z2>為懸臂的均方位移波動(dòng)、ΔR/R為壓敏電阻器的電阻值變化比率、Δz為懸臂的靜止位移?？赏ㄟ^(guò)對(duì)噪聲頻譜密度曲線進(jìn)行積分得到<v2>＝Cs2<z2>(其中<v2>是均方電壓波動(dòng))來(lái)進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)器件的幾何形狀、碳化硅和金的彈性，我們計(jì)算彈簧常數(shù)為K≈0.0024N/m，確定靈敏度為Cs＝1.6×10-7/。測(cè)量受到約翰遜噪聲和放大器噪聲的限制，在52KHz時(shí)，噪聲本底為3nv/(Hz)1/2，638KHz時(shí)，噪聲本底為1.4nv/(Hz)1/2。懸臂在500KHz處具有3.8fN/(Hz)1/2的力分辨率。顯然，盡管器件的靈敏度相對(duì)較低，但由于噪聲本底較低的緣故，它仍具有足夠的分辨率。
可以改變圖1b中所示器件的幾何形狀，以進(jìn)一步提高力分辨率或位移分辨率。在圖1b的器件中，應(yīng)變感測(cè)元件9僅占懸臂長(zhǎng)度的十分之一。對(duì)于給定的彈簧常數(shù)，力靈敏度與1/t2成比例，從而導(dǎo)致懸臂更細(xì)、更短，而這將提高力靈敏度。應(yīng)當(dāng)注意，摻雜后的硅器件也遭受了較大的1/f噪聲。胡戈定理(Hooge′s law)認(rèn)為1/f噪聲與載流子總數(shù)成反比，從而使得越小的懸臂其噪聲性能越差。然而對(duì)于金屬膜，其載流子數(shù)目(～1022/cm3)比普通的經(jīng)過(guò)摻雜的半導(dǎo)體的載流子數(shù)目(～1018/cm3)大四個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得1/f噪聲不再是一個(gè)限制性因素。
除懸臂以外，也可以將薄金屬膜用于其他幾何形狀之中。從而，可以將金屬膜壓阻傳感器與其他諧振器(包括但不限于兩端固定梁諧振器、扭轉(zhuǎn)諧振器和膜片式諧振器)一起使用。
器件應(yīng)用實(shí)例圖5a和圖5b示出了在用于原子力顯微鏡的自感測(cè)懸臂探針中使用金屬膜的實(shí)例。圖5a是示意圖，圖5b是經(jīng)過(guò)顯微機(jī)械加工的懸臂(即探針)11的SEM圖像，探針11具有如下微觀尺寸150微米長(zhǎng)×30微米寬×4微米厚。探針11包含懸臂1、凹槽3、基部5、腿7、金屬膜9和銳利的AFM尖端13。金屬膜9和尖端13最好(但不是必須的)在懸臂的同一側(cè)形成。圖5中所示的具體探針11是為輕敲模式的AFM設(shè)計(jì)的。也可以設(shè)計(jì)用于接觸模式的AFM的探針，但是該探針將具有小得多的彈簧常數(shù)，以下將對(duì)此進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。
圖12和圖13分別示出了非接觸模式探針11和接觸模式探針21的制造過(guò)程。如圖12a-h所示，制造具有薄金屬膜9的非接觸/輕敲模式壓阻SPM探針11包括以下步驟首先，如圖12a所示，提供了初始的襯底101。該襯底可以是任何合適的SOI(絕緣硅)襯底，如SIMOX(即注入氧的)或UNIBOND(即鍵合的)SOI襯底。該襯底可以為400至900微米(如550微米)厚，并在兩個(gè)硅部分105、107之間具有0.5至5微米厚的氧化層103。
然后，如圖12b所示，在襯底101的兩側(cè)淀積掩膜層109和111(可以由任何可用作硅蝕刻的掩膜的材料制成)。例如，層109和111可具有400至2000埃(如550埃)厚度的、用LPCVD方法淀積的氮化硅層。也可使用氮氧化硅或氧化鋁等其他材料。
然后，如圖12c所示，使用光刻在掩膜層111上形成圖案(即將光刻膠淀積/旋涂在掩模層上、烘焙光刻膠、有選擇地曝光光刻膠、在光刻膠上形成圖案和有選擇地蝕刻掩模層)。具體來(lái)說(shuō)，在層111中提供了晶軸曝光坑113和懸臂區(qū)域開(kāi)口115，且上述坑和開(kāi)口延伸進(jìn)入襯底101的硅部分107。坑113通過(guò)KOH坑蝕刻形成，而開(kāi)口115通過(guò)使用光刻膠掩膜對(duì)層111進(jìn)行活性離子蝕刻而形成。
然后，如圖12d所示，形成了尖端掩膜。最好通過(guò)在掩膜層109上用光刻形成圖案而留下尖端掩膜117來(lái)形成尖端掩膜117。例如，可以用活性離子蝕刻對(duì)未被形成圖案的光刻膠覆蓋的層109部分進(jìn)行處理，以形成掩膜117。最好(但不是必須的)在尖端蝕刻步驟之前除去這個(gè)步驟中使用的光刻膠。
然后，如圖12e所示，在尖端蝕刻步驟中使用尖端掩膜117。通過(guò)使用尖端掩膜117蝕刻硅部分105形成了尖端13。例如，可使用KOH對(duì)硅105進(jìn)行各向同性蝕刻，并對(duì)硅105進(jìn)行氧化/HF蝕刻循環(huán)處理，以形成尖端13。在這個(gè)步驟中，將襯底101的硅部分105變薄，使得它的厚度約等于所希望的懸臂1的厚度。
然后，如圖12f所示，形成了金屬墊和金屬壓阻膜9。最好在尖端13附近的硅部分105上形成諸如30至70納米厚的金屬膜(如50納米厚的金層)(即最好在襯底的前側(cè)或尖端側(cè)上形成該金屬)?？梢杂霉饪虒⒔饘賶|和膜9形成所希望的形狀。另外，可以通過(guò)剝離方法在金屬墊上形成圖案(在光刻膠圖案上淀積金屬，然后剝離光刻膠圖案，以在襯底101的硅部分105上留下形成圖案的金屬膜)。
然后，如圖12g所示，使用光刻形成了懸臂1。例如，可以使用RIE或濕蝕刻在襯底的硅部分105上形成圖案。
然后，如圖12h所示，蝕刻襯底101的后側(cè)，以得到懸臂1。這是通過(guò)經(jīng)掩膜層111的開(kāi)口115對(duì)襯底的后側(cè)的硅部分107進(jìn)行KOH蝕刻、然后用HF蝕刻除去懸臂1下面的氧化物103實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)當(dāng)懂得，也可以使用其他材料和蝕刻方法/介質(zhì)。另外，可以在蝕刻步驟之后立即除去光刻膠層或在此之后除去該層。例如，可以在形成開(kāi)口115之后立即除去用于形成開(kāi)口115的光刻膠，或是在圖12h所示的步驟完成后除去該光刻膠。
圖13a-h示出了形成接觸模式壓阻SPM探針21的方法。在圖13a-h中，示出探針的前側(cè)為探針的底部而非其頂部。當(dāng)然“頂部”和“底部”是相對(duì)的，它取決于探針的放置方式，在這里僅用來(lái)描述圖中的元件。
首先，如圖13a所示，提供了初始襯底101。該襯底可以是任何合適的半導(dǎo)體或絕緣襯底(如硅晶圓)。從而，在這種方法中不必使用SOI襯底。上述晶圓可以具有與圖12a的SOI襯底相同的厚度。
然后，如圖13b所示，將掩膜層109和111(可以由任何適于用作硅蝕刻的掩膜的材料制成)淀積在襯底101的兩側(cè)。例如，層109和111可包括低應(yīng)力的800至1500埃(如1000埃)厚的用LPCVD方法淀積的氮化硅層。也可以使用氮氧化硅或氧化鋁之類(lèi)的其他材料。
然后，如圖13c所示，使用光刻在后側(cè)的掩膜層111上形成圖案，以形成延伸進(jìn)入襯底101的后側(cè)的定位孔114。可以通過(guò)使用光刻膠掩膜對(duì)層111進(jìn)行活性離子蝕刻和隨后使用形成圖案的層111或光刻膠掩膜(如果尚未除去)對(duì)襯底101進(jìn)行KOH蝕刻來(lái)形成孔114。在60攝氏度時(shí)，KOH蝕刻包括使用30％的KOH溶液。
然后，如圖13d所示，在層111中定義薄膜掩膜。具體來(lái)說(shuō)，使用光刻在層111中形成了延伸進(jìn)入襯底之中的膜開(kāi)口116?？梢酝ㄟ^(guò)使用光刻膠掩膜對(duì)層111進(jìn)行活性離子蝕刻和隨后使用形成圖案的層111或光刻膠掩膜(如果尚未除去)對(duì)襯底101進(jìn)行KOH蝕刻來(lái)形成開(kāi)口116。對(duì)襯底進(jìn)行的KOH蝕刻增加了孔114的深度，直到它們延伸到前側(cè)的掩膜層109為止。
然后，如圖13e所示，形成了尖端掩膜。最好通過(guò)光刻在掩膜層109上形成圖案而留下尖端掩膜117來(lái)形成尖端掩膜117。例如，可以對(duì)層109的未被形成圖案的光刻膠層覆蓋的部分進(jìn)行活性離子蝕刻，以形成掩膜117。最好(但不是必須的)在尖端蝕刻步驟之前除去本步驟中使用的光刻膠。在本步驟中，也可以形成電子束光刻定位標(biāo)志。
然后，如圖13f所示，在尖端蝕刻步驟中使用了尖端掩膜117。通過(guò)使用尖端掩膜117對(duì)襯底的前側(cè)進(jìn)行蝕刻形成了尖端13。例如，可使用KOH對(duì)硅襯底101進(jìn)行各向同性蝕刻，然后，最好除去剩余的掩膜層111。
然后，如圖13g所示，在襯底101的前側(cè)和尖端13上形成了任選的低壓氮化硅層118，使得尖端的表面覆蓋氮化硅。也可以使用其他合適的覆蓋材料。然后，最好在襯底101的前側(cè)上的層118上直接形成金屬墊和金屬壓阻膜9。金屬膜9可以與圖12f所示的膜9相同?？梢允褂萌魏魏线m方法(如電子束光刻)在膜9上形成圖案。
然后，如圖13h所示，對(duì)襯底101的后側(cè)進(jìn)行蝕刻，以得到懸臂1。這可以經(jīng)掩膜層111中的開(kāi)口116對(duì)襯底的后側(cè)進(jìn)行KOH蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)當(dāng)注意，也可以使用其他材料和蝕刻方法/介質(zhì)。另外，可以在蝕刻步驟完成后立即除去光刻膠層或在此之后除去光刻膠層。
從而，一種制造探針11和21的一般方法包括提供襯底；在所述襯底的前側(cè)和后側(cè)形成掩膜層；在所述掩膜層上形成圖案；使用所述襯底的前側(cè)上的已形成圖案的掩膜層來(lái)形成所述襯底的所述前側(cè)中的SPM尖端；在所述襯底的前側(cè)上形成帶有圖案的金屬膜壓阻傳感器；以及從所述后側(cè)起穿過(guò)后側(cè)的掩模層中的開(kāi)口來(lái)蝕刻所述襯底，以形成支持所述SPM尖端和所述金屬膜的懸臂。
壓阻響應(yīng)實(shí)例圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)例的、與圖5b中的響應(yīng)類(lèi)似的、懸臂上的金屬膜的壓阻響應(yīng)。該懸臂為125微米長(zhǎng)、40微米寬、4微米厚，并具有常規(guī)的尖端。該懸臂適用于為輕敲模式的AFM應(yīng)用設(shè)計(jì)的自感測(cè)探針11(這是不同于圖1a所示的NEMS器件的較大的MEMS器件)。金薄膜覆蓋該懸臂的兩個(gè)腿，并形成了電流環(huán)。如圖6所示，觀測(cè)到了很強(qiáng)的壓阻響應(yīng)。從原始數(shù)據(jù)中減去了非諧振背景信號(hào)。該特定懸臂的品質(zhì)因數(shù)在空氣中約為220。在真空情況下，其壓阻響應(yīng)更強(qiáng)，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)超過(guò)360。將真空的數(shù)據(jù)移到右側(cè)，以讓人進(jìn)行更好的觀察。
該試驗(yàn)的測(cè)量電路電路設(shè)置如圖14和圖15所示。圖14示出了當(dāng)探針用于接觸模式的AFM時(shí)測(cè)量SPM探針的壓阻響應(yīng)的方案。在圖14所示的實(shí)施例中，交流偏置電流通過(guò)壓敏電阻器，且測(cè)量了交流電壓，以提高測(cè)量靈敏度。圖14中的方案提供了簡(jiǎn)單的橋電阻值測(cè)量。另外，可直接用直流測(cè)量來(lái)檢測(cè)懸臂的彎曲?？梢杂霉潭l率(如20kHz)處的鎖定來(lái)提高測(cè)量靈敏度。
圖15示出了當(dāng)探針用于輕敲/非接觸/交流模式的AFM時(shí)測(cè)量SPM探針的壓阻響應(yīng)的方法。將通過(guò)壓敏電阻器的偏置電流在一個(gè)頻率處進(jìn)行調(diào)制，而懸臂則在另一個(gè)不同頻率處被驅(qū)動(dòng)。懸臂的機(jī)械響應(yīng)可以在它們的差頻率或和頻率處檢測(cè)到。
從而，如圖15所示，通過(guò)基部5中的壓電驅(qū)動(dòng)源，用交流驅(qū)動(dòng)源來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂1。將驅(qū)動(dòng)源與交流偏置源進(jìn)行同步，并將偏置源和交流驅(qū)動(dòng)源的輸出提供給混頻器的不同輸入。將該混頻器的輸出作為參考信號(hào)通過(guò)低通濾波器(LPF)提供給鎖定放大器。交流偏置源用于偏置金屬膜9，而金屬膜9的輸出也通過(guò)另一LPF與放大器提供給鎖定放大器。在圖15的方案中，可以用交流驅(qū)動(dòng)源在諧振頻率(如240kHz)處驅(qū)動(dòng)懸臂。可以用直接鎖定測(cè)量來(lái)檢測(cè)振蕩的幅值。為消除由串?dāng)_引起的電氣背景噪聲(electrical background)，上述實(shí)例采用了縮混檢測(cè)方案，下面將對(duì)此作更為詳細(xì)的描述?？梢栽诒闰?qū)動(dòng)頻率高10到50kHz(如20kHz)的諧振頻率處施加樣品偏置電流(例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為240kHz時(shí)，諧振頻率為260kHz)。在20kHz或500kHz處進(jìn)行鎖定測(cè)量(參考序列號(hào)為60/562652的臨時(shí)申請(qǐng)，此處通過(guò)引用將該申請(qǐng)包含于本文之中，以給出額外的細(xì)節(jié))。
然后，使用商用AFM系統(tǒng)(DI公司的dimension 3100系統(tǒng))來(lái)測(cè)試探針11，該系統(tǒng)配有用于訪問(wèn)和控制外部信號(hào)的信號(hào)訪問(wèn)模塊。測(cè)量設(shè)置如圖7所示。修改了標(biāo)準(zhǔn)的DI探針支架，以方便對(duì)金屬壓阻探針進(jìn)行測(cè)試。首先，斷開(kāi)了從芯片座(chip holder)至AFM探頭的連接。其次，將31、33、35、37這四根線焊到芯片座上，以形成至探針11下方的壓電致動(dòng)器5以及至自感測(cè)探針上的兩個(gè)電接觸墊39、41的電連接。通過(guò)外部的信號(hào)發(fā)生器43(斯坦福研究系統(tǒng)DS345)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到壓電致動(dòng)器5。在懸臂1的兩條腿7間施加直流偏置電壓。將電阻值與懸臂的電阻值類(lèi)似的電阻器43用作平衡電阻器(20.3歐姆)，以提取諧振交流信號(hào)。通過(guò)低噪聲電壓放大器45(斯坦福研究系統(tǒng)SR560)將探針11上的電壓變化進(jìn)一步放大。然后，將該振蕩的交流電壓饋入鎖定放大器47(斯坦福研究系統(tǒng)SR830)。并將上述測(cè)量值鎖定到由函數(shù)發(fā)生器提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中。通過(guò)相位擴(kuò)展器(phase extender)盒之后的信號(hào)訪問(wèn)模塊，將鎖定放大器的x輸出提供給納米顯微鏡控制器的一個(gè)輸入通道。
首先，獲得了源于電氣測(cè)量的諧振曲線。圖8顯示了同一懸臂的三條諧振曲線。跡線1(底部曲線)是AFM內(nèi)置激光器偏轉(zhuǎn)測(cè)量的結(jié)果。跡線2(中間曲線)是使用直流偏置電流的懸臂的直流鎖定測(cè)量的結(jié)果。跡線3(頂部曲線)是使用交流偏置電流的改進(jìn)測(cè)量結(jié)果(上述的縮混方案)。在所有三條曲線中觀測(cè)到了同等的信號(hào)強(qiáng)度。在光學(xué)數(shù)據(jù)中，由非撓曲諧振引起的邊帶很明顯。而在電氣測(cè)量曲線中，不存在這些邊帶。顯然，電學(xué)測(cè)量不受光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)中顯示的剪力運(yùn)動(dòng)的影響。跡線2和跡線3之間的比較表明，縮混方案可以有效地消除在這種測(cè)量中通常不可避免的串?dāng)_信號(hào)。
然后，如圖9所示，在金屬薄膜探針上進(jìn)行噪聲頻譜測(cè)量?？梢杂^測(cè)到非常低的噪聲頻譜。對(duì)于頻率大于1000Hz的情況，噪聲電平小于1nV/(Hz)1/2，這比50歐姆電阻器在室溫時(shí)產(chǎn)生的約翰遜噪聲小。一般來(lái)說(shuō)，在相同的頻率范圍內(nèi)，p+硅的噪聲電平約為30nV/(Hz)1/2。金屬壓敏電阻器的噪聲性能至少30倍優(yōu)于半導(dǎo)體硅材料的噪聲性能。
對(duì)于接觸模式的AFM，懸臂不在諧振狀態(tài)下工作，而是跟隨樣本表面的形貌。對(duì)接觸模式操作而言，最關(guān)心懸臂的直流或準(zhǔn)直流響應(yīng)。在這種情況下，當(dāng)懸臂與樣品表面接觸后，用AFM的測(cè)力壓痕性質(zhì)來(lái)調(diào)制某個(gè)范圍處的壓電探針的z運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)地，在調(diào)制頻率處彎曲懸臂。調(diào)制后的壓阻信號(hào)由寬帶直流放大器進(jìn)行拾取，并由示波器進(jìn)行測(cè)量。探針的測(cè)力壓痕數(shù)據(jù)如圖10所示(右軸)。為進(jìn)行比較，也示出了施加到壓電管的z分量的電壓(左軸)。該電壓調(diào)制對(duì)應(yīng)300nm的彎曲幅值。在壓阻探針上觀測(cè)到了55μV的信號(hào)幅值。在進(jìn)行2000倍的電壓放大后，這對(duì)應(yīng)于0.88mV/nm。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)AFM探測(cè)，響應(yīng)為約20mV/nm。因?yàn)槭痉缎詨好綦娮杵髦械脑肼晿O低的緣故，在同等的噪聲本底情況下，可以使用增益為原來(lái)增益30倍的放大器，此時(shí)信號(hào)響應(yīng)為26.4mV/nm，這便與光懸臂的性能相匹配。
使用標(biāo)準(zhǔn)的SPM校準(zhǔn)光柵來(lái)展示示范性的金屬薄膜探針的成像性能。該光柵是由硅晶圓上的間距為3微米的長(zhǎng)方形SiO2梯級(jí)組成的一維陣列。梯級(jí)高度為20nm±1nm。圖11中所示的形貌圖像是當(dāng)AFM工作于“抬起模式”時(shí)從監(jiān)視鎖定放大器的輸出獲得的。在圖11a中，為進(jìn)行比較，示出了光學(xué)輕敲模式的AFM圖像。即使不存在信號(hào)調(diào)節(jié)，金屬薄膜壓敏電阻器也能產(chǎn)生非常大的信噪比。圖像質(zhì)量可以與光學(xué)測(cè)量結(jié)果相比。從而，根據(jù)金屬膜9的壓阻響應(yīng)，用SPM(如AFM)來(lái)確定由AFM探針11、21檢查的表面的特性和/或?qū)⑦@些特性進(jìn)行成像。換言之，如使用ATM所實(shí)現(xiàn)的，可以用AFM探針將圖11b中所示的材料表面進(jìn)行成像，或是使用它來(lái)確定該材料表面的一個(gè)或多個(gè)特性。另外，盡管在圖中未示出，但是，也使用了數(shù)據(jù)處理設(shè)備(如計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚砥鞯?來(lái)處理來(lái)自AFM探針和相關(guān)器件(如鎖定放大器)的信號(hào)，以創(chuàng)建、存儲(chǔ)和/或顯示與表面特性對(duì)應(yīng)的圖像和/或數(shù)據(jù)。在以上描述中，將金屬膜用作優(yōu)選的壓阻膜。然而，也可以使用其他壓阻材料膜。例如，可以在諧振器表面上形成摻雜后的硅膜(例如經(jīng)過(guò)p型摻雜的硅膜)之類(lèi)的壓阻半導(dǎo)體膜，用于檢測(cè)諧振器的運(yùn)動(dòng)。
為進(jìn)行說(shuō)明和描述的目的，公開(kāi)了對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的前述描述。這種描述不是窮舉式的，或者，也不應(yīng)認(rèn)為它將本發(fā)明限于公開(kāi)的精確形式，相反，根據(jù)上述教導(dǎo)(或是從本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中得知)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變更。選定本說(shuō)明書(shū)中的這些內(nèi)容，以便對(duì)本發(fā)明的原理和其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行解釋。本意上，本發(fā)明的范圍由附錄的權(quán)利要求以及它們的等同物來(lái)進(jìn)行定義。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械或納機(jī)械器件，包括可移動(dòng)元件和用于對(duì)所述可移動(dòng)元件的移動(dòng)進(jìn)行壓阻感測(cè)的金屬膜。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述可移動(dòng)元件包括諧振器。
3.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述諧振器包括懸臂。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述懸臂包括半導(dǎo)體材料。
5.如權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述金屬膜覆蓋在所述懸臂的表面。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，其中，所述懸臂包括凹槽和包圍該凹槽的腿部，且所述金屬膜至少位于所述懸臂的腿部。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中，所述凹槽包括通孔，所述通孔經(jīng)與其相鄰的所述懸臂到達(dá)所述懸臂的基部。
8.如權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述器件包括AFM探針，該探針包含處于所述懸臂的第一表面上的AFM尖端。
9.如權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述薄金屬膜位于所述懸臂的第一表面上。
10.如權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述薄金屬膜位于所述懸臂的第二表面上，且該第二表面與所述懸臂的所述第一表面相對(duì)。
11.如權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述AFM探針包括接觸型探針。
12.如權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述AFM探針包括非接觸型探針。
13.如權(quán)利要求8所述的器件，還包括適于偏置所述薄金屬膜的偏置源和適于檢測(cè)由所述薄金屬膜提供的信號(hào)的檢測(cè)器。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述偏置源包括交流偏置源，且所述檢測(cè)器包括相敏檢測(cè)器。
15.如權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述檢測(cè)器包括鎖定放大器。
16.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述諧振器選自由扭轉(zhuǎn)諧振器、兩端固定梁諧振器和膜片式諧振器組成的組。
17.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述金屬膜包括厚度處于10納米和10微米之間的自感測(cè)膜，且所述可移動(dòng)元件在至少一個(gè)維度上的尺寸為100微米或更小。
18.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述金屬膜選自由金、鉑、鎢、鋁、鎳、銅、鉻、銀、鈀、鉑-鉻、鎳-銅、鎳-鉻、鉑-鎢、恒彈性合金、卡瑪合金、鎳-銀、Armour D合金所組成的組。
19.如權(quán)利要求18所述的器件，其中，所述金屬膜包括厚度處于10納米和100納米之間的金、鉑、鎢或鋁膜。
20.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述器件包括選自由SPM探針、力傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器和慣性傳感器所組成的組的MEMS或NEMS。
21.一種制造SPM探針的方法，包括提供襯底；在所述襯底的前側(cè)和后側(cè)形成掩膜層；在所述掩膜層上形成圖案；使用所述襯底的前側(cè)上的已形成圖案的掩膜層來(lái)形成所述襯底的所述前側(cè)中的SPM尖端；在所述襯底的所述前側(cè)上形成帶有圖案的金屬膜壓阻傳感器；以及從所述后側(cè)起穿過(guò)后側(cè)的掩模層中的開(kāi)口來(lái)蝕刻所述襯底，以形成支持所述SPM尖端和所述金屬膜的懸臂。
22.一種操作包括可移動(dòng)元件和壓阻膜的微機(jī)械或納機(jī)械器件的方法，該方法包括偏置所述壓阻膜和檢測(cè)所述膜的壓阻響應(yīng)來(lái)確定所述可移動(dòng)元件的移動(dòng)量。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述膜包括金屬膜。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述膜包括半導(dǎo)體膜。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述器件包括AFM探針。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括根據(jù)所述金屬膜的所述壓阻響應(yīng)確定由所述AFM探針檢查的表面的特性和/或?qū)⑺鎏匦猿上瘛?br> 27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述AFM探針用于接觸模式，且檢測(cè)所述金屬膜的壓阻響應(yīng)的所述步驟包括以交流電偏置所述金屬膜和測(cè)量所述交流電壓。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述AFM探針用于非接觸模式，且檢測(cè)所述金屬膜的壓阻響應(yīng)的所述步驟包含在第一頻率處以交流電偏置所述金屬膜，在不同于所述第一頻率的第二頻率處驅(qū)動(dòng)所述AFM探針，以及在所述第一頻率與第二頻率的差頻率或和頻率處檢測(cè)所述探針的機(jī)械響應(yīng)。
全文摘要
將薄金屬膜用作微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)中的壓阻自感測(cè)元件。公開(kāi)了該薄金屬膜在AFM探針中的具體應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01L1/18GK101072986SQ200580019147
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者唐紅星, 李墨, M·L·魯克斯 申請(qǐng)人:加州理工學(xué)院