專利名稱：一種基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針芯片制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米加工領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于納米加工技術(shù)的集成微四點
探針芯片的制作方法。
背景技術(shù)：
通常，微四點探針是用于晶體表面的電輸運測量器件，由于其探針間距固定且探 針力學(xué)常數(shù)小，可以在微米尺度下實現(xiàn)對表面電阻、超薄薄片電阻的非破壞性測量。
目前在制作微四點探針的方法中，一般采用低壓氣相沉積法(LPCVD)生長的氮化 硅薄膜作為保護掩膜(參見C. L. Petersen, T. M. Hansen等人發(fā)表的Scanning microscopic four-point conductivity probes, Sensors and actuators A96 (2002) 53-58)，但由于氮 化硅本身致密度不夠，而且與硅的熱膨脹系數(shù)不一致，不僅無法抵抗長時間的堿腐蝕過程， 還容易造成芯片懸臂的彎曲以致折斷(見圖l)，從而導(dǎo)致成品率較低。還已知采用單一的 二氧化硅薄膜或者鉻膜做掩膜的方法(參見中國專利申請CN 101417890A "氮化硅濕法腐 蝕方法")，但是由于這種掩膜很難抵抗較長時間的腐蝕，容易對樣品產(chǎn)生額外的刻蝕。目前 還公開了一種采用復(fù)合膜的方法(參見中國專利申請CN101290362A"—種硅濕法腐蝕制作 多級微反射鏡的方法")，但因其制備工藝較復(fù)雜，并不適用于四點微探針的制作。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種可以使 探針芯片的懸臂平直、抗長時間腐蝕、且制作工藝簡單的集成微四點探針芯片的制作方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針制作方 法，包括以下步驟 a.在雙面氧化的硅片背面生長第一氮化硅層并制作第一光阻掩膜，然后按該掩膜 圖案刻蝕，暴露出硅； b.在硅片正面制作第二光阻掩膜，然后去除該硅片正面的未受該第二光阻掩膜覆 蓋的氧化硅層但至少保留一部分，經(jīng)去膠后在正面生長第二氮化硅層； c.將步驟b)所得樣品在KOH溶液中腐蝕后，去除正面的第二氮化硅層和氧化硅層 以暴露出硅，刻出底切結(jié)構(gòu)；
d.在正面生長導(dǎo)電層。 在上述技術(shù)方案中，在所述步驟b)中的所述氧化硅層的保留部分的厚度為 100-500納米。所述第二氮化硅層的厚度為100-500納米。 在上述技術(shù)方案中，在所述步驟c)中的所述K0H溶液濃度為30±5%，溫度為 60-100攝氏度。腐蝕時間為150分鐘至300分鐘。 在上述技術(shù)方案中，所述步驟c)中的導(dǎo)電層為厚度為50-500納米的金、鉬、鎢或
者鈦金合金。
3
在上述技術(shù)方案中，在所述步驟d)前還包括在所述正面生長緩沖層。所述緩沖層 是厚度為3-50納米的鉻。 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的基于納米加
工技術(shù)的集成微四點探針制作方法所制備的微四點探針。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是 1.解決了探針懸臂由于應(yīng)力積累發(fā)生彎曲的問題； 2.可以抵抗較長時間的腐蝕，提高了成品率； 3.工藝方法更簡單。


以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的微四探針圖； 圖2a至圖21示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片制作方法的工藝流 程圖； 圖3a為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的正面電極圖案底切 (undercut)結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖； 圖3b為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的掃描電子顯微鏡(SEM)局部 放大圖； 圖4a為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的俯視圖； 圖4b為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的探針懸臂的局部放大圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針制作方法， 該方法包括以下步驟 步驟a):在如圖2a所示的雙面拋光雙面氧化的(001)硅片(晶向〈110>/〈001>， 氧化硅層(Si02)厚度1.3士0.3微米)的一個表面(即背面)上，通過等離子體增強化學(xué) 氣相沉積(PECVD)沉積一層氮化硅(Si3N4)薄膜(見圖2b)，即第一氮化硅層，其厚度為 50-500nm ;然后通過離心甩膠機在該第一氮化硅表面涂上一層S1813正光刻膠，利用紫外 曝光技術(shù)對光刻膠曝光，定影顯影，從而在硅片背面制作出第一光阻掩膜(見圖2c);通過 反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，去除未受第一光阻掩膜保護的第一氮化硅層和第一氧化硅層(即硅 片本身在其背面上具有的Si02層)，暴露出硅，以使掩膜圖形傳遞到第一氮化硅層和第一氧 化硅層(見圖2d); 步驟b):清潔步驟b))所得到的樣品，然后利用離心甩膠機在硅片的另一表面 (即正面)涂上一層S1813正光刻膠，使用紫外曝光技術(shù)對光阻層曝光，然后定影顯影，實現(xiàn) 樣品正面第二光阻掩膜的制作(見圖2e);通過RIE去除正面的未受第二光阻掩膜保護的 第二氧化硅層(即硅片本身在其正面上具有的Si(^層)的至少一部分，即不完全刻透，保 留100-500納米厚的第二氧化硅層，實現(xiàn)正面電路圖樣的制作(見圖2f);然后通過微波除 膠機去除殘膠(見圖2g)后，對樣品進行清洗，然后在該樣品正面通過PECVD方法沉積300 納米氮化硅薄膜(即第二氮化硅層)(見圖2h)，從而獲得具有第二氧化硅層和第二氮化硅層的雙層掩膜； 步驟c):將步驟b)所得到的樣品放入85攝氏度的30% KOH溶液中腐蝕大約 150-300分鐘(見圖2i);然后清潔樣品，使用RIE去除正面殘余的第二氮化硅層以及在步 驟b)中剩余的第二氧化硅層，暴露出硅(見圖2j)，刻出底切結(jié)構(gòu)(undercut structure) (見圖2k); 步驟d):在該樣品的正面通過電子束蒸發(fā)生長5納米鉻及100納米金(見圖21)。
圖3a為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的正面電極圖案底切 (undercut)結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖，圖3b為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成微四點探針芯片的掃描電 子顯微鏡(SEM)局部放大圖。從圖3b中可以看出，由于這種底切結(jié)構(gòu)是通過各向異性的反 應(yīng)離子刻蝕來實現(xiàn)的，使得硅片與其上層二氧化硅的連接部位向內(nèi)凹陷。這種底切結(jié)構(gòu)可 實現(xiàn)四個電極之間的兩兩絕緣，以使四個導(dǎo)電懸臂與四個單獨的電極分別連接而不發(fā)生短 路，實現(xiàn)四點法電輸運測量的目的。 圖4a為本發(fā)明的實施例的集成微四點探針芯片的俯視圖，圖4b為圖4a中所示芯 片的探針懸臂的局部放大圖。所得到的微四點探針芯片具有四個彼此分離的、表面有導(dǎo)電 層的二氧化硅探針懸臂，并且從這兩幅圖中可以看出，該芯片探針懸臂自然平直，這主要由 于根據(jù)本發(fā)明方法所得到的雙層掩膜能夠抵御堿溶液腐蝕，而且氮化硅膜與氧化硅之間應(yīng) 力積累很小。 對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說可以理解，上述方案僅為示例性的，在本發(fā)明的 其他實施例中，上述步驟b)中的剩余部分的第二氧化硅層也可以為其他厚度，而以上所說 的在100-500納米之間，主要出于制作成本的考慮，因為成品中懸臂的厚度=初始氧化硅 層厚度-步驟b)保留的厚度，而初始氧化硅層越厚，制作成本越高。例如對上述實施例的 初始氧化硅層厚度為1. 5微米的基片來說，要保證懸臂厚度至少為l微米，優(yōu)選地應(yīng)保留的 氧化硅層厚度為100-500納米；所述第二氮化硅層的厚度也可以在100-500納米之間。上 述步驟c)中的腐蝕過程也可以在其他溫度下進行，但優(yōu)選為60-100攝氏度，所述KOH溶液 的濃度范圍可以為30±5% ;腐蝕時間通常由硅基片厚度、KOH溶液濃度與腐蝕溫度共同決 定，優(yōu)選地為150分鐘至300分鐘，以便保證把硅片刻透使懸臂完全自由懸空。另外，在步 驟c)中還可以將厚度為50-500納米的金、鉬、鎢或者鈦金合金作為導(dǎo)電層，使導(dǎo)電層具有 一定厚度又不至于過于剛性。在上述步驟d)中也可以生長厚度為3-50納米的鉻作為緩沖 層，這是由于鉻是用來增加金與硅之間的粘附力，然而這僅是一種優(yōu)選方案，實際上也可以 不生長諸如鉻的緩沖層，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明目的。在上述技術(shù)方案中，氮化硅薄膜可以采 用任意一種現(xiàn)有公知技術(shù)制備，例如濺射、激光鍍膜等，本實施例僅采用了工藝簡單成本較 低的PECVD薄膜生長方式作為示例。導(dǎo)電層和緩沖層也可以采用除電子束蒸發(fā)外的本領(lǐng)域 的常規(guī)制膜方法。 本發(fā)明的方法在硅片表面保留一層二氧化硅薄膜，再生長氮化硅薄膜實現(xiàn)雙層掩 膜，由于復(fù)合掩膜的一部分與四點探針懸臂為相同材料，使掩膜與硅的熱膨脹系數(shù)一致，這 樣做的另一個好處是，不再需要額外的生長工藝，也就是說，替代現(xiàn)有技術(shù)的兩步法生長， 本發(fā)明的復(fù)合掩膜通過對懸臂材料即氧化硅層的兩步刻蝕獲得，制作工藝得到簡化，且可 靠性得到提高。另外，由于所制備出的雙層掩膜能長時間(可長達5小時)抵御強堿溶液的 腐蝕，而普通掩膜最多能承受不到一小時的堿腐蝕，因此具備良好的抗腐蝕和耐高溫特性。
5這一方面解決了堿腐蝕過程對樣品額外刻蝕的問題，另一方面解決了探針懸臂由于應(yīng)力積 累發(fā)生彎曲的問題，提高了成品率。 盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進行修 改或改進，這些修改和改進都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針制作方法，包括以下步驟a.在雙面氧化的硅片背面生長第一氮化硅層并制作第一光阻掩膜，然后按該掩膜圖案刻蝕，暴露出硅；b.在硅片正面制作第二光阻掩膜，然后去除該硅片正面的未受該第二光阻掩膜覆蓋的氧化硅層但至少保留一部分，經(jīng)去膠后在正面生長第二氮化硅層；c.將步驟b)所得樣品在KOH溶液中腐蝕后，去除正面的第二氮化硅層和氧化硅層以暴露出硅，刻出底切結(jié)構(gòu)；d.在正面生長導(dǎo)電層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，在 所述步驟b)中的所述氧化硅層的保留部分的厚度為100-500納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，在 所述步驟b)中的所述第二氮化硅層的厚度為100-500納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，在 所述步驟c)中的所述KOH溶液濃度為30±5% ，溫度為60-100攝氏度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，在 所述步驟c)中腐蝕時間為150分鐘至300分鐘。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，所 述步驟c)中的導(dǎo)電層為厚度為50-500納米的金、鉬、鎢或者鈦金合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，在 所述步驟d)前還包括在所述正面生長緩沖層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于納米加工技術(shù)的微四點探針制作方法，其特征在于，所 述緩沖層是厚度為3-50納米的鉻。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針制作方法 所制備的微四點探針。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于納米加工技術(shù)的集成微四點探針制作方法，該方法包括以下步驟a.在雙面氧化的硅片背面生長第一氮化硅層并制作第一光阻掩膜，然后按該掩膜圖案刻蝕，暴露出硅；b.在硅片正面制作第二光阻掩膜，然后去除該硅片正面的未受該第二光阻掩膜覆蓋的氧化硅層但至少保留一部分，經(jīng)去膠后在正面生長第二氮化硅層；c.將步驟b)所得樣品在KOH溶液中腐蝕后，去除正面的第二氮化硅層和氧化硅層以暴露出硅，刻出底切結(jié)構(gòu)，最后在正面生長導(dǎo)電層。本發(fā)明的優(yōu)點是通過在硅片表面保留一層二氧化硅薄膜，再生長氮化硅薄膜實現(xiàn)雙層掩膜，不僅使掩膜與硅的熱膨脹系數(shù)一致，還簡化制作工藝，提高了成品率。
文檔編號G01R27/02GK101738541SQ20091024152
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者何杰輝, 吳克輝, 羅強, 郭建東, 顧長志 申請人:中國科學(xué)院物理研究所