CN101738541A

CN101738541A - 一种基于纳米加工技术的集成微四点探针芯片制作方法

Info

Publication number: CN101738541A
Application number: CN200910241527A
Authority: CN
Inventors: 何杰辉; 吴克辉; 罗强; 顾长志; 郭建东
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: CN101738541B

Abstract

本发明公开了一种基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法，该方法包括以下步骤：a.在双面氧化的硅片背面生长第一氮化硅层并制作第一光阻掩膜，然后按该掩膜图案刻蚀，暴露出硅；b.在硅片正面制作第二光阻掩膜，然后去除该硅片正面的未受该第二光阻掩膜覆盖的氧化硅层但至少保留一部分，经去胶后在正面生长第二氮化硅层；c.将步骤b)所得样品在KOH溶液中腐蚀后，去除正面的第二氮化硅层和氧化硅层以暴露出硅，刻出底切结构，最后在正面生长导电层。本发明的优点是通过在硅片表面保留一层二氧化硅薄膜，再生长氮化硅薄膜实现双层掩膜，不仅使掩膜与硅的热膨胀系数一致，还简化制作工艺，提高了成品率。

Description

一种基于纳米加工技术的集成微四点探针芯片制作方法

技术领域

本发明属于纳米加工领域，更具体地，涉及一种基于纳米加工技术的集成微四点探针芯片的制作方法。

背景技术

通常，微四点探针是用于晶体表面的电输运测量器件，由于其探针间距固定且探针力学常数小，可以在微米尺度下实现对表面电阻、超薄薄片电阻的非破坏性测量。

目前在制作微四点探针的方法中，一般采用低压气相沉积法(LPCVD)生长的氮化硅薄膜作为保护掩膜(参见C.L.Petersen，T.M.Hansen等人发表的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够，而且与硅的热膨胀系数不一致，不仅无法抵抗长时间的碱腐蚀过程，还容易造成芯片悬臂的弯曲以致折断(见图1)，从而导致成品率较低。还已知采用单一的二氧化硅薄膜或者铬膜做掩膜的方法(参见中国专利申请CN 101417890A“氮化硅湿法腐蚀方法”)，但是由于这种掩膜很难抵抗较长时间的腐蚀，容易对样品产生额外的刻蚀。目前还公开了一种采用复合膜的方法(参见中国专利申请CN101290362A“一种硅湿法腐蚀制作多级微反射镜的方法”)，但因其制备工艺较复杂，并不适用于四点微探针的制作。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种可以使探针芯片的悬臂平直、抗长时间腐蚀、且制作工艺简单的集成微四点探针芯片的制作方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法，包括以下步骤：

a.在双面氧化的硅片背面生长第一氮化硅层并制作第一光阻掩膜，然后按该掩膜图案刻蚀，暴露出硅；

b.在硅片正面制作第二光阻掩膜，然后去除该硅片正面的未受该第二光阻掩膜覆盖的氧化硅层但至少保留一部分，经去胶后在正面生长第二氮化硅层；

c.将步骤b)所得样品在KOH溶液中腐蚀后，去除正面的第二氮化硅层和氧化硅层以暴露出硅，刻出底切结构；

d.在正面生长导电层。

在上述技术方案中，在所述步骤b)中的所述氧化硅层的保留部分的厚度为100-500纳米。所述第二氮化硅层的厚度为100-500纳米。

在上述技术方案中，在所述步骤c)中的所述KOH溶液浓度为30±5％，温度为60-100摄氏度。腐蚀时间为150分钟至300分钟。

在上述技术方案中，所述步骤c)中的导电层为厚度为50-500纳米的金、铂、钨或者钛金合金。

在上述技术方案中，在所述步骤d)前还包括在所述正面生长缓冲层。所述缓冲层是厚度为3-50纳米的铬。

根据本发明的另一个方面，提供一种根据权利要求1至8之一所述的基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法所制备的微四点探针。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.解决了探针悬臂由于应力积累发生弯曲的问题；

2.可以抵抗较长时间的腐蚀，提高了成品率；

3.工艺方法更简单。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为现有技术的微四探针图；

图2a至图21示出了根据本发明实施例的集成微四点探针芯片制作方法的工艺流程图；

图3a为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的正面电极图案底切(undercut)结构侧面示意图；

图3b为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的扫描电子显微镜(SEM)局部放大图；

图4a为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的俯视图；

图4b为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的探针悬臂的局部放大图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，提供基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤a)：在如图2a所示的双面抛光双面氧化的(001)硅片(晶向<110>/<001>，氧化硅层(SiO₂)厚度1.3±0.3微米)的一个表面(即背面)上，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积一层氮化硅(Si₃N₄)薄膜(见图2b)，即第一氮化硅层，其厚度为50-500nm；然后通过离心甩胶机在该第一氮化硅表面涂上一层S1813正光刻胶，利用紫外曝光技术对光刻胶曝光，定影显影，从而在硅片背面制作出第一光阻掩膜(见图2c)；通过反应离子刻蚀(RIE)，去除未受第一光阻掩膜保护的第一氮化硅层和第一氧化硅层(即硅片本身在其背面上具有的SiO₂层)，暴露出硅，以使掩膜图形传递到第一氮化硅层和第一氧化硅层(见图2d)；

步骤b)：清洁步骤b))所得到的样品，然后利用离心甩胶机在硅片的另一表面(即正面)涂上一层S1813正光刻胶，使用紫外曝光技术对光阻层曝光，然后定影显影，实现样品正面第二光阻掩膜的制作(见图2e)；通过RIE去除正面的未受第二光阻掩膜保护的第二氧化硅层(即硅片本身在其正面上具有的SiO₂层)的至少一部分，即不完全刻透，保留100-500纳米厚的第二氧化硅层，实现正面电路图样的制作(见图2f)；然后通过微波除胶机去除残胶(见图2g)后，对样品进行清洗，然后在该样品正面通过PECVD方法沉积300纳米氮化硅薄膜(即第二氮化硅层)(见图2h)，从而获得具有第二氧化硅层和第二氮化硅层的双层掩膜；

步骤c)：将步骤b)所得到的样品放入85摄氏度的30％KOH溶液中腐蚀大约150-300分钟(见图2i)；然后清洁样品，使用RIE去除正面残余的第二氮化硅层以及在步骤b)中剩余的第二氧化硅层，暴露出硅(见图2j)，刻出底切结构(undercut structure)(见图2k)；

步骤d)：在该样品的正面通过电子束蒸发生长5纳米铬及100纳米金(见图2l)。

图3a为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的正面电极图案底切(undercut)结构侧面示意图，图3b为根据本发明实施例的集成微四点探针芯片的扫描电子显微镜(SEM)局部放大图。从图3b中可以看出，由于这种底切结构是通过各向异性的反应离子刻蚀来实现的，使得硅片与其上层二氧化硅的连接部位向内凹陷。这种底切结构可实现四个电极之间的两两绝缘，以使四个导电悬臂与四个单独的电极分别连接而不发生短路，实现四点法电输运测量的目的。

图4a为本发明的实施例的集成微四点探针芯片的俯视图，图4b为图4a中所示芯片的探针悬臂的局部放大图。所得到的微四点探针芯片具有四个彼此分离的、表面有导电层的二氧化硅探针悬臂，并且从这两幅图中可以看出，该芯片探针悬臂自然平直，这主要由于根据本发明方法所得到的双层掩膜能够抵御碱溶液腐蚀，而且氮化硅膜与氧化硅之间应力积累很小。

对于本领域的普通技术人员来说可以理解，上述方案仅为示例性的，在本发明的其他实施例中，上述步骤b)中的剩余部分的第二氧化硅层也可以为其他厚度，而以上所说的在100-500纳米之间，主要出于制作成本的考虑，因为成品中悬臂的厚度＝初始氧化硅层厚度-步骤b)保留的厚度，而初始氧化硅层越厚，制作成本越高。例如对上述实施例的初始氧化硅层厚度为1.5微米的基片来说，要保证悬臂厚度至少为1微米，优选地应保留的氧化硅层厚度为100-500纳米；所述第二氮化硅层的厚度也可以在100-500纳米之间。上述步骤c)中的腐蚀过程也可以在其他温度下进行，但优选为60-100摄氏度，所述KOH溶液的浓度范围可以为30±5％；腐蚀时间通常由硅基片厚度、KOH溶液浓度与腐蚀温度共同决定，优选地为150分钟至300分钟，以便保证把硅片刻透使悬臂完全自由悬空。另外，在步骤c)中还可以将厚度为50-500纳米的金、铂、钨或者钛金合金作为导电层，使导电层具有一定厚度又不至于过于刚性。在上述步骤d)中也可以生长厚度为3-50纳米的铬作为缓冲层，这是由于铬是用来增加金与硅之间的粘附力，然而这仅是一种优选方案，实际上也可以不生长诸如铬的缓冲层，同样可以实现本发明目的。在上述技术方案中，氮化硅薄膜可以采用任意一种现有公知技术制备，例如溅射、激光镀膜等，本实施例仅采用了工艺简单成本较低的PECVD薄膜生长方式作为示例。导电层和缓冲层也可以采用除电子束蒸发外的本领域的常规制膜方法。

本发明的方法在硅片表面保留一层二氧化硅薄膜，再生长氮化硅薄膜实现双层掩膜，由于复合掩膜的一部分与四点探针悬臂为相同材料，使掩膜与硅的热膨胀系数一致，这样做的另一个好处是，不再需要额外的生长工艺，也就是说，替代现有技术的两步法生长，本发明的复合掩膜通过对悬臂材料即氧化硅层的两步刻蚀获得，制作工艺得到简化，且可靠性得到提高。另外，由于所制备出的双层掩膜能长时间(可长达5小时)抵御强碱溶液的腐蚀，而普通掩膜最多能承受不到一小时的碱腐蚀，因此具备良好的抗腐蚀和耐高温特性。这一方面解决了碱腐蚀过程对样品额外刻蚀的问题，另一方面解决了探针悬臂由于应力积累发生弯曲的问题，提高了成品率。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims

1.一种基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法，包括以下步骤：

d.在正面生长导电层。

2.根据权利要求1所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，在所述步骤b)中的所述氧化硅层的保留部分的厚度为100-500纳米。

3.根据权利要求2所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，在所述步骤b)中的所述第二氮化硅层的厚度为100-500纳米。

4.根据权利要求1所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，在所述步骤c)中的所述KOH溶液浓度为30±5％，温度为60-100摄氏度。

5.根据权利要求4所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，在所述步骤c)中腐蚀时间为150分钟至300分钟。

6.根据权利要求1所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，所述步骤c)中的导电层为厚度为50-500纳米的金、铂、钨或者钛金合金。

7.根据权利要求1所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，在所述步骤d)前还包括在所述正面生长缓冲层。

8.根据权利要求7所述的基于纳米加工技术的微四点探针制作方法，其特征在于，所述缓冲层是厚度为3-50纳米的铬。

9.一种根据权利要求1至8之一所述的基于纳米加工技术的集成微四点探针制作方法所制备的微四点探针。