原子力顯微鏡探針裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測(cè)針和探針座，其中探測(cè)針包括微懸臂以及設(shè)于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對(duì)的表面上形成有臺(tái)階孔；探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測(cè)針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述臺(tái)階孔中并旋轉(zhuǎn)以與所述臺(tái)階孔的臺(tái)階面抵接。本發(fā)明的原子力顯微鏡探針裝置能夠提高換針效率。
【專利說(shuō)明】原子力顯微鏡探針裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種原子力顯微鏡的探針裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]如今,原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體樣品測(cè)試中，其工作原理是通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件(探測(cè)針)之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。如圖1所示，通常來(lái)說(shuō)，探測(cè)針11包括針尖以及微懸臂，將對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定于探針座12，微懸臂另一端的微小針尖接近樣品10，當(dāng)針尖與樣品接觸時(shí)(如圖2所示)，由于它們?cè)又g存在極微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描時(shí)控制這種作用力恒定，帶針尖的微懸臂將在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)(包括反射鏡13及物鏡14)對(duì)微懸臂的運(yùn)動(dòng)變化(偏轉(zhuǎn))進(jìn)行掃描，測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。
[0003]然而，由于不同類型的測(cè)試需要使用不同型號(hào)的探測(cè)針，所以原子力顯微鏡在使用過(guò)程中經(jīng)常需要更換探測(cè)針以完成相應(yīng)的測(cè)試需求。而在換針過(guò)程中，需要將想要調(diào)換的探測(cè)針取出，再將替換的探測(cè)針?lè)湃胩结樧?。由于探測(cè)針小而輕，給換針的過(guò)程增加了操作難度，換針過(guò)程中容易發(fā)生由于探測(cè)針錯(cuò)位或者中途跌落等原因使得探測(cè)針的換針失敗，此時(shí)就需要工作人員暫停機(jī)臺(tái)的運(yùn)行，檢測(cè)維護(hù)原子力顯微鏡機(jī)臺(tái)，額外增加了時(shí)間成本。
[0004]由以上可知，現(xiàn)有技術(shù)中，原子力顯微鏡換針的不確定性很可能耽誤測(cè)試進(jìn)程，也會(huì)增加不必要的人力負(fù)擔(dān)。因此，有必要提出一種能夠提高原子力顯微鏡換針效率的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的旨在提供一種能夠提高原子力顯微鏡換針效率的設(shè)計(jì)。
[0006]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測(cè)針和探針座，其中所述探測(cè)針包括微懸臂以及設(shè)于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對(duì)的表面上形成有臺(tái)階孔；探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測(cè)針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述臺(tái)階孔中并旋轉(zhuǎn)以與所述臺(tái)階孔的臺(tái)階面抵接。
[0007]優(yōu)選地，所述臺(tái)階孔為兩段式臺(tái)階孔，包括小孔段和大孔段。
[0008]優(yōu)選地,所述定位件包括相連的轉(zhuǎn)動(dòng)桿及轉(zhuǎn)動(dòng)條,其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的截面形狀與所述小孔段的截面形狀相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。
[0009]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的長(zhǎng)度與所述小孔段的深度相同；所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的長(zhǎng)度小于所述大孔段的深度。
[0010]優(yōu)選地，所述臺(tái)階孔為長(zhǎng)方形孔，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條為長(zhǎng)方形條。
[0011]本發(fā)明還提供了一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測(cè)針和探針座，其中所述探測(cè)針包括微懸臂以及設(shè)于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂中形成有貫穿所述微懸臂的通孔；所述探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測(cè)針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋轉(zhuǎn)以與所述微懸臂設(shè)有針尖的表面抵接。
[0012]優(yōu)選地,所述定位件包括相連的轉(zhuǎn)動(dòng)桿及轉(zhuǎn)動(dòng)條,其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的截面形狀與所述通孔的截面形狀相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。
[0013]優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的長(zhǎng)度與所述通孔的深度相同。
[0014]優(yōu)選地，所述通孔為長(zhǎng)方形孔，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條為長(zhǎng)方形條。
[0015]本發(fā)明在保證原子力顯微鏡(AFM)的檢測(cè)效果的前提下，通過(guò)改進(jìn)的探針裝置，在真空吸附探測(cè)針之前通過(guò)定位件將探測(cè)針定位于探針座，有效地避免了換針過(guò)程中由于探針小而輕造成的探針錯(cuò)位，跌落或位置不正等問(wèn)題，提高了不同探測(cè)針之間交換的成功率。進(jìn)一步的提高了 AFM機(jī)臺(tái)的換針效率，節(jié)省了因?yàn)閾Q針不成功而造成的人力和時(shí)間的損失，也提高了 AFM機(jī)臺(tái)的利用率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中原子力顯微鏡的探測(cè)針與樣品接觸的示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例原子力顯微鏡的探測(cè)針的側(cè)視圖和后視圖；
[0019]圖4a和圖4b為本發(fā)明一實(shí)施例原子力顯微鏡的探測(cè)針的局部后視圖和局部剖視圖；
[0020]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例原子力顯微鏡探針裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例原子力顯微鏡探針裝置中定位件的立體圖；
[0022]圖7a和圖7b為本發(fā)明另一實(shí)施例原子力顯微鏡的探測(cè)針的局部后視圖和局部剖視圖；
[0023]圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例原子力顯微鏡探針裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖9為本發(fā)明另一實(shí)施例原子力顯微鏡探針裝置中定位件的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0026]第一實(shí)施例
[0027]請(qǐng)參照?qǐng)D3至圖6，本實(shí)施例所提供的原子力顯微鏡探針裝置包括探測(cè)針和探針座。探測(cè)針包括固定于探針座的微懸臂Iio以及設(shè)于該微懸臂一端的針尖120。將微懸臂110設(shè)置針尖120的表面作為正面，則其與針尖120相對(duì)的表面為背面。本實(shí)施例中，微懸臂Iio通過(guò)真空吸附固定于探針座中。具體的，探針座包括吸附件210，該吸附件具有一吸附面S，吸附面S上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)氣槽220，導(dǎo)氣槽220與抽真空部件(圖未示)連通，利用抽真空部件產(chǎn)生負(fù)壓使得微懸臂110的背面緊密吸附于吸附面S，由此將微懸臂110固定于探針座。另一方面，為了避免在換針過(guò)程中探測(cè)針錯(cuò)位脫落等情況的發(fā)生，本發(fā)明的探針座還包括從吸附面S向下伸出的定位件230，同時(shí)探測(cè)針上也設(shè)置有對(duì)應(yīng)于定位件的臺(tái)階孔130，通過(guò)將定位件230從微懸臂的背面插入臺(tái)階孔130中并旋轉(zhuǎn)以使定位件230與臺(tái)階孔130的臺(tái)階面抵接，從而達(dá)到探測(cè)針定位的目的。
[0028]以下將對(duì)本實(shí)施例的探針裝置的定位方式加以詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]請(qǐng)參考圖3和圖4，微懸臂110的背面形成臺(tái)階孔130。本實(shí)施中臺(tái)階孔130為兩段式長(zhǎng)方形臺(tái)階孔，包括截面尺寸較小的小孔段130a和截面尺寸較大的大孔段130b。相對(duì)應(yīng)的，定位件230包括轉(zhuǎn)動(dòng)桿230a和轉(zhuǎn)動(dòng)條230b。轉(zhuǎn)動(dòng)桿230a的截面最大尺寸要小于小孔段130a的截面最小尺寸，如此可自由插入臺(tái)階孔中；而對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)條230b來(lái)說(shuō)，其可插入臺(tái)階孔的小孔段中，但轉(zhuǎn)動(dòng)條230b的截面最大尺寸要大于小孔段130a的截面最小尺寸且小于大孔段130b的截面最小尺寸，如此當(dāng)定位件230插入臺(tái)階孔130 —定深度之后，轉(zhuǎn)動(dòng)條230b全部位于大孔段130b中。轉(zhuǎn)動(dòng)條230b在大孔段130b中可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后其截面較大尺寸處會(huì)抵接在臺(tái)階孔130的臺(tái)階面上，使得定位件卡合于臺(tái)階孔中。較佳的，轉(zhuǎn)動(dòng)條230b的截面形狀與小孔段130a的截面形狀相配合，可更方便地插入到小孔段130a中。這里所說(shuō)的截面最大尺寸指的是截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，而截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。此外，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)條230b恰好能卡合于臺(tái)階孔的臺(tái)階面而不會(huì)發(fā)生位移，轉(zhuǎn)動(dòng)桿230a的長(zhǎng)度應(yīng)與小孔段130a的深度相同；而轉(zhuǎn)動(dòng)條230b的長(zhǎng)度則應(yīng)小于大孔段130b的深度。
[0030]接下來(lái)將對(duì)本實(shí)施例的原子力顯微鏡探針裝置的換針過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。
[0031]本實(shí)施例中，臺(tái)階孔130為長(zhǎng)方形臺(tái)階孔，轉(zhuǎn)動(dòng)條230b為和小孔段形狀配合的略小的長(zhǎng)方形條，轉(zhuǎn)動(dòng)桿230a的截面為方形。首先將探測(cè)針移動(dòng)至探針座定位件230的位置，將定位件230插入臺(tái)階孔130中，此時(shí)探針座與微懸臂110之間也呈一定夾角。之后，將定位件230 (探針座)相對(duì)于微懸臂110轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使探針座的導(dǎo)氣槽220對(duì)準(zhǔn)微懸臂110的背面，同時(shí)使得轉(zhuǎn)動(dòng)條230b的長(zhǎng)邊與長(zhǎng)方形小孔段130a的長(zhǎng)邊交叉而使轉(zhuǎn)動(dòng)條230b抵接在臺(tái)階面上。此時(shí)，探測(cè)針與探針座的定位完成，接下來(lái)利用抽真空部件通過(guò)導(dǎo)氣槽施加負(fù)壓使微懸臂的背面緊密貼合于吸附面。
[0032]第二實(shí)施例
[0033]請(qǐng)參照?qǐng)D7a, 7b及圖8和圖9,其所不為本發(fā)明另一實(shí)施例的原子力顯微鏡探針裝置。該探針裝置包括探測(cè)針和探針座。探測(cè)針包括固定于探針座的微懸臂110以及設(shè)于該微懸臂一端的針尖120。將微懸臂110設(shè)置針尖120的表面作為正面，則其與針尖120相對(duì)的表面為背面。微懸臂110通過(guò)真空吸附固定于探針座中。探針座包括吸附件210，該吸附件具有一吸附面S，吸附面S上開(kāi)設(shè)有導(dǎo)氣槽220，導(dǎo)氣槽220與抽真空部件(圖未示)連通，利用抽真空部件產(chǎn)生負(fù)壓使得微懸臂110的背面緊密吸附于吸附面S，由此將微懸臂110固定于探針座。另一方面，為了避免在換針過(guò)程中探測(cè)針錯(cuò)位脫落等情況的發(fā)生，本發(fā)明的探針座還包括從吸附面S向下伸出的定位件230’，同時(shí)探測(cè)針的微懸臂110上也設(shè)置有對(duì)應(yīng)于定位件的貫穿微懸臂的通孔130’，通過(guò)將定位件230’從微懸臂的背面插入通孔130’中并旋轉(zhuǎn)以使定位件230’與微懸臂110的正面抵接，從而達(dá)到定位探測(cè)針的目的。
[0034]以下將對(duì)本實(shí)施例的探針裝置的定位方式加以詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]請(qǐng)參考圖7a和圖7b，微懸臂110中形成貫穿的通孔130’。相對(duì)應(yīng)的，定位件230’包括轉(zhuǎn)動(dòng)桿230’ a和轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b。轉(zhuǎn)動(dòng)桿230’ a的截面最大尺寸要小于通孔的截面最小尺寸，如此可自由插入臺(tái)階孔中；而對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)條230’b來(lái)說(shuō)，其可插入通孔130’中，但其截面最大尺寸要大于通孔130’的截面最小尺寸，如此當(dāng)定位件230’插入通孔130’ 一定深度之后，轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b全部位于微懸臂110外部，轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b和轉(zhuǎn)動(dòng)桿230’ a均可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后轉(zhuǎn)動(dòng)條230’b截面較大尺寸處會(huì)抵接在微懸臂110正面，使得定位件230’卡合于微懸臂110。較佳的，轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b的截面形狀與通孔130’的截面形狀相配合，可更方便地插入其中。這里所說(shuō)的截面最大尺寸指的是截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，而截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。此外，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b恰好能卡合于微懸臂110的正面而不會(huì)發(fā)生位移，轉(zhuǎn)動(dòng)桿230’ a的長(zhǎng)度應(yīng)與通孔130’的深度相同。
[0036]接下來(lái)將對(duì)本實(shí)施例的原子力顯微鏡探針裝置的換針過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施例中，通孔130’為長(zhǎng)方形孔，轉(zhuǎn)動(dòng)條230’ b為和通孔段形狀配合的略小的長(zhǎng)方形條，轉(zhuǎn)動(dòng)桿230’ a的截面為方形。首先將探測(cè)針移動(dòng)至探針座定位件230’的位置，將定位件230’插入通孔130’中，此時(shí)探針座與微懸臂110之間也呈一定夾角。之后，將定位件230’(探針座)相對(duì)于微懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使探針座的導(dǎo)氣槽220對(duì)準(zhǔn)微懸臂110的背面，同時(shí)使得轉(zhuǎn)動(dòng)條230’b的長(zhǎng)邊與長(zhǎng)方形通孔130’的長(zhǎng)邊交叉且抵接在微懸臂110的正面。此時(shí)，探測(cè)針與探針座的定位完成，接下來(lái)利用抽真空部件通過(guò)導(dǎo)氣槽施加負(fù)壓使微懸臂的背面緊密貼合于吸附面。
[0037]綜上所述，本發(fā)明所提出的探針裝置，在保證原子力顯微鏡檢測(cè)效果的前提下，通過(guò)在探針座上設(shè)置定位件以及在探測(cè)針上設(shè)置相應(yīng)的臺(tái)階孔或通孔，確保在探針座真空吸附探測(cè)針之前可將探測(cè)針定位于探針座，如此可避免換針過(guò)程中由于探針小而輕造成的探針錯(cuò)位，跌落或位置不正等問(wèn)題，提高了不同探測(cè)針之間交換的成功率。進(jìn)一步的提高了AFM機(jī)臺(tái)的換針效率，節(jié)省了因?yàn)閾Q針不成功而造成的人力和時(shí)間的損失，也提高了 AFM機(jī)臺(tái)的利用率。
[0038]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然所述諸多實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動(dòng)與潤(rùn)飾，本發(fā)明所主張的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書(shū)所述為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，包括: 探測(cè)針，包括微懸臂以及設(shè)于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對(duì)的表面上形成有臺(tái)階孔； 探針座，包括: 吸附件，其具有吸附面，所述吸附面上開(kāi)設(shè)有與抽真空部件連通的導(dǎo)氣槽，用于使所述探測(cè)針吸附于所述吸附面；以及 定位件，從所述吸附面向下伸出插入所述臺(tái)階孔中并旋轉(zhuǎn)以與所述臺(tái)階孔的臺(tái)階面抵接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述臺(tái)階孔為兩段式臺(tái)階孔，包括小孔段和大孔段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述定位件包括相連的轉(zhuǎn)動(dòng)桿及轉(zhuǎn)動(dòng)條，其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的截面形狀與所述小孔段的截面形狀相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的長(zhǎng)度與所述小孔段的深度相同；所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的長(zhǎng)度小于所述大孔段的深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述臺(tái)階孔為長(zhǎng)方形孔，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條為長(zhǎng)方形條。
6.一種原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，包括: 探測(cè)針，包括微懸臂以及設(shè)于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂中形成有貫穿所述微懸臂的通孔； 探針座，包括: 吸附件，其包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測(cè)針吸附于所述吸附面；以及 定位件，從所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋轉(zhuǎn)以與所述微懸臂設(shè)有針尖的表面抵接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述定位件包括相連的轉(zhuǎn)動(dòng)桿及轉(zhuǎn)動(dòng)條，其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條的截面形狀與所述通孔的截面形狀相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的長(zhǎng)度與所述通孔的深度相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述通孔為長(zhǎng)方形孔，所述轉(zhuǎn)動(dòng)條為長(zhǎng)方形條。
【文檔編號(hào)】G01Q60/38GK103869103SQ201410118215
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】白英英, 張守龍, 王偉 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司