CN101802588B - 用于计量仪器的探针装置和加工探针装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种生产用于例如AFM(10)的计量仪器的探针装置(12)的方法，该方法包括提供具有正面和背面的基板(50)，然后在基板的第一表面上形成探针头高度结构的阵列(52)，该结构具有对应于可选探针头高度的变化的深度。蚀刻基板的背面，直至基板的厚度基本上对应于所选探针头高度，优选通过从视觉上监测该蚀刻和/或监测蚀刻速率。相对于悬臂(15)的固定端从晶片(100)的正面形成探针头图案，然后采用各向异性蚀刻技术进行蚀刻。结果，具有尖探针头和短悬臂的探针装置表现出大于700KHz或更高的固有共振频率。

Description

用于计量仪器的探针装置和加工探针装置的方法

政府利益申明

本发明是在美国政府支持下由如下机构授权作出的：NIST/ATP(授权号#70NANB4H3055)。美国拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明涉及用于诸如原子力显微镜(AFMs)的计量仪器的探针装置，并且更具体地，涉及生产探针装置的方法，该探针装置允许对悬臂长度、探针头质量以及探针头高度的精密和可重复控制，从而使得能够快速扫描AFM操作。

背景技术

几个基于探针的计量仪器监测基于悬臂的探针和样品之间的相互作用，以获得关于样品的一个或多个特性的信息。例如，包括原子力显微镜(AFMs)的扫描探针显微镜(SPMs)通常通过监测样品和悬臂探针上的探针头之间的相互作用来表现小到原子尺寸样品表面的特征。通过在探针头和样品之间提供相对扫描移动，可获得样品的特定区域上的表面特征数据，并可产生样品的对应图谱。

典型AFM探针包括：具有自基部延伸的固定端部的小悬臂；以及附连于该臂的自由端(通常与基部相对)的尖探针头。如下面进一步讨论的那样，探针的物理性质大大地影响了可操作AFM的扫描速度。在操作中，使探针头非常靠近待检查的样品的表面或与所述表面相接触，并且悬臂响应于探针头与样品的相互作用的偏转可用例如光杠杆系统的偏转检测器测量，该光杠杆系统的示例在Hansma等人的美国专利No.RE34,489中由进行了描述。探针可使用作用在样品支撑装置和/或探针上的高分辨率三轴扫描器在表面上方进行扫描。因而，仪器能够在探针和样品之间产生相对移动，同时测量样品的形貌、弹性或一些其它表面性质，如例如在Hansma等人的美国专利No.RE34,489、Elings等人的美国专利No.5,266,801和Elings等人的关国专利No.5,412,980中所描述的。

AFMs可设计成以包括接触模式和振动模式的多种模式操作。在接触模式操作中，显微镜通常使探针头横越样品表面扫描，同时使探针头在样品表面上的力保持大体恒定。一些AFMs可至少选择性地以诸如TappingMode^TM(TappingMode是Veeco仪器公司的商标，轻敲模式)操作的振动操作模式进行操作。在TappingMode^TM操作中，探针头通常以或接近探针悬臂的共振频率振动。利用响应于探针头-样品的相互作用而产生的反馈信号使此振动的振幅和相位在扫描期间保持恒定。如接触模式中的那样，这些反馈信号然后被收集、存储并用作表现样品特征的数据。

不管它们的操作模式如何，AFMs都能够通过使用压电晶体扫描器、光杠杆偏转检测器和采用光蚀刻技术加工的非常小的悬臂而在空气、液体或真空中的多种多样的绝缘或导电面上获得小到原子级的分辨率。因为它们的分辨率和多功能性，AFMs在许多不同领域中是特别重要的测量装置，这些领域包括与本发明优选实施方式的半导体制造相关的特定应用。

例如原子力显微镜(AFM)的扫描探针显微镜通过在测量探针和样品之间提供相对的扫描移动同时测量样品的一种或多种性质而进行操作。典型的AFM系统在图1中示意性地示出。采用探针装置12的AFM10包括具有悬臂15的探针14。探针14通常是具有集成探头17的微型悬臂。扫描器24在探针14和样品22之间产生相对移动，同时测量探针-样品的相互作用。这样，可获得样品的图像或其他测量值。代表性地，扫描器24包括一个或多个通常在三个正交方向(XYZ向)产生移动的致动器。往往，扫描器24是单一集成单元，其包括一个或多个例如压电管致动器的致动器以沿所有三个轴移动样品或探针。可选择地，扫描器可以是多个分离致动器的组件。一些AFMs将扫描器分成多个部件，例如移动样品的XY向扫描器和移动探针的分离Z向致动器。

在普通构造中，探针14通常联接到用于以或接近悬臂15的共振频率驱动探针14的振动致动器或驱动器16。可选择配置测量悬臂15的偏转、扭转或其它移动。

通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电子信号以使致动器16(或替代性地扫描器24)驱动探针14振动。探针-样品相互作用通常由控制器20通过反馈控制。特别地，致动器16可联接到扫描器24和探针14，但是也可与探针14的悬臂15整体形成为自致动悬臂/探针的一部分。

通常，如上所述，当通过检测探针14的一个或多个振动特征上的变化来监测样品特征时，所选的探针14振动并与样品22接触。为此，通常采用偏转检测设备25来将光束导向探针14的背面，然后光束向诸如四象限光电检测器的检测器26反射。注意，设备25的感测光源通常是激光，优选地是可见或红外激光二极管。感测光束也可由诸如氦氖或其它激光源、超光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、光纤的其它光源或能够聚到一小点的任何其它光源产生。当光束平移通过检测器26时，适合的信号被传送到控制器20，该控制器20处理信号以便确定探针14振动中的变化。一般地，控制器20产生控制信号以使探针头和样品之间的相互作用(或臂15的偏转)保持相对恒定，通常保持探针14的设定点振动特征。例如，控制器20常用于使振幅保持在设定值As，以便确保探针头和样器之间存在大体恒定的力。可替代性地，可使用设定点相位和频率。

在控制器20中和/或在分离控制器或连接的或独立的控制器的系统中还设有工作站，该工作站从控制器接收所收集的数据并处理在扫描期间所获的数据以执行点选择、曲线拟合和距离确定操作。工作站能将结果信息存储在存储器中，将其用于其它计算，和/或将其显示在适合的监视器上，和/或以有线或无线方式将其传送到其它计算机或装置。存储器可包括任意计算机可读数据存储介质，示例包括但不限于计算机随机存储器(RAM)、硬盘、网络存储、闪存盘(flash drive)或只读光盘(CD ROM)。特别地，扫描器24通常包括用于在测量探针和样品表面之间产生相对移动的压电叠层或压电管。压电叠层是基于施加到设置在叠层上的电极的电压而在一个或多个方向上移动的装置。压电叠层通常与用来指导、限制和/或放大压电叠层的移动的机械挠曲装置组合使用。此外，挠曲装置用于增加一个或多个轴线上的致动器的刚度，如2007年3月16日提交的、名称为“Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same”的共同待决申请No.11/687,304中所描述的那样。致动器可联接到探针、样品或两者。更典型地，致动器组件设置成在水平平面或XY平面内驱动探针或样品的XY向致动器的形式，或者沿竖直方向或Z方向移动探针或样品的Z向致动器的形式。

目前，SPM的日益广泛的使用要求在更宽的应用范围内的更多的性能。例如，主要由于在能获得具有更高处理量的样品测量的自动AFM工具方面的最新进展，例如Veeco仪器公司所提供的AFMs的线，AFM计量法越来越多地使用在半导体加工设备中。这些工具能够提供各种纳米级以下的(sub-nanoscale)测量，从而使AFM成为例如用于测量诸如沟道和通道的装置特征的“临界尺寸”的可行工具。

无论哪种应用，对AFM性能的重要限制通常是AFM能扫描样品的速度。如前文所述，探针装置的构造明显影响扫描速度。探针装置对于快速扫描有利的两个主要特征是尖探针头和对悬臂尺寸的精确控制。已知用于生产带有尖探针头的探针的技术，但它们通常产量低并且往往仅提供对悬臂长度的有限控制，理想地，悬臂长度要保持在小于50微米。

更一般地，为了在扫描探针显微镜中实现快速扫描，必须对悬臂的共振频率及其弹簧常数保持控制，同时还必须考虑探针振动时的阻尼特性。这些因素主要由与探针相关联的几何因素来控制，其中包括悬臂长度、悬臂宽度、悬臂厚度和探针头高度。如上所述，为了保持高产量和高性能，应当保持对这些几何形状的精确控制。

就此而言，已知用于生产带有整体式尖探针头的氮化硅悬臂的技术。例如，在Quate等人的美国专利No.5,066,358中描述了一种用于生产氮化硅探针装置的技术。然而，根据Quate等人的技术，很难在对悬臂长度以及硅探针头的质量和高度精确控制的情况下按比例得到小悬臂。更特别地，在例如专利′358以及美国专利No.5,021,364号和5,811,017中所公开的那些方法中，电化学蚀刻止动装置(stop)必需与重掺杂硅或绝缘体上硅(silicon-on-insulator)晶片结合使用。这是因为当执行必要的电化学湿法蚀刻时(′358专利的图4)，在形成悬臂(′358专利中的36)时需要停止蚀刻的一些结构。掺杂硅提供了适合的结构，因而使硅能够在背面蚀刻的情况下保持完整无缺。

然而，使用重掺杂硅或绝缘体上硅晶片具有明显的缺点。现有技术领域的问题包括高成本、低产量、悬臂的应力弯曲以及妨碍光学杠杆技术成功使用的粗糙背面。许多现有技术还有与掩模对准，特别是正面与背面对准相关联的误差问题。这些问题通常引起悬臂长度和/或探针头位置大约±5μm的制造公差。这样的制造公差使得难于以足够的精度制造例如小于50μm或甚至小于10μm的小悬臂，而此精度与悬臂的弹簧常数、共振频率以及探针头与悬臂自由端的偏置量有关。

对于这些已知技术，探针头成形也不理想，从而表现为探针头高度和探针头锐度的不期望变型。因此，不存在通过并行处理在晶片规模(waferscale)上生产具有高产量的尖探针头(例如，探针头半径小于20纳米)和小于大约4微米的探针头高度的短悬臂的传统技术。

结果，原子力显微镜领域需要生产具有整体式探针头的AFM探针并提供对悬臂长度的精确控制的微加工方法，以生产具有长度小于50μm、和优选小于40微米、更优选地小于10微米的悬臂的探针装置。

发明内容

优选的实施方式涉及以高生产量生产用于高速AFM扫描的小悬臂且不受已知技术限制的方法。这些优选的技术避免使用电化学蚀刻来限定探针头高度，并因此不需要高掺杂硅或SOI晶片来生产探针装置。相比已知方法(例如，大约+/-5微米)，对悬臂长度的控制大大提高，本技术的精确度能够在大约+/-1微米的范围内。此外，对硅探针头质量和探针头高度也保持精确控制。因此，可更容易和更可靠地以高产率生产短悬臂。在这点上，通过提供形成图案的保持突片进一步提高产率，该保持突片使将所得的带薄臂的探针装置从基板意外移走的情况最少化。

根据优选实施方式的一个方面，用于探针显微镜的探针装置包括基部以及由氮化硅制成的悬臂。所述悬臂具有固定端和自由端，所述自由端支撑位于自由端大约5μm范围内的硅探针头。在这种情况下，悬臂的长度小于大约50μm，同时探针头的高度小于大约4μm，且有效探针头半径小于大约20nm，所述探针头是使用块状硅晶片形成的、并且不是使用电化学蚀刻形成的。

在本实施方式的另一方面，悬臂的固有共振频率大于大约500kHz。

在本实施方式的另一方面，当探针头与样品相互作用时，悬臂在空气中的质量因数Q小于大约100。

根据本实施方式的另一方面，基本上通过监测在晶片一侧上的蚀刻来确定所述探针头的高度。所述蚀刻显露出形成在所述晶片的与所述一侧相对的一侧上的一组厚度监测特征中的至少一个。

在本实施方式的另一方面，当所述晶片的厚度基本对应于所选探针头高度的膜厚度时，所述蚀刻终止。在这种情况下，通过从视觉上监测所述蚀刻来终止所述蚀刻。

根据本优选实施方式的另一方面，基于与所述蚀刻相关联的蚀刻速率来终止所述蚀刻。

根据本实施方式的另一方面，在加工过程中，通过测量探针头图案与所述固定端之间的距离来定位所述探针头。所述悬臂的固定端通常由用于显露探针头高度监测特征的背面蚀刻所形成。重要地是，所述悬臂的固定端是从晶片的相反侧(正面)可视的，因此允许测量探针头图案和固定端之间的间距。

在本实施方式的另一方面，探针装置由硅晶片构成。特别地，硅晶片可以是块状单晶硅晶片。

在该优选实施方式的另一方面，悬臂的厚度小于大约2微米，公差为大约0.1微米。

根据本实施方式的另一方面，所述厚度小于大约1微米。此外，所述厚度基本上是均一的，并且可在多个探针装置中保持所述公差。另外，所述多个探针装置可包括由不同晶片形成的探针装置。

根据另一个优选实施方式，用于探针显微镜的探针装置包括基部以及由氮化硅制成的悬臂。所述悬臂具有固定端和自由端，并支撑位于所述自由端的大约5μm范围内的硅探针头，所述探针头是使用块状硅晶片形成的、并且不是使用电化学蚀刻形成的。在此实施方式中，悬臂高度小于大约4μm，有效探针头半径小于大约20nm，并且悬臂的固有共振频率大于大约500kHz。理想地，当所述探针的探针头与样品相互作用时所述悬臂在空气中的质量因数Q小于大约100。

根据本优选实施方式的另一方面，所述共振频率大于大约700kHz。

在优选实施方式的又一方面中，所述共振频率大于大约5MHz。

根据优选实施方式的另一方面，所述悬臂的长度小于大约50μm，并且精度小于大约+/-5μm。

在优选实施方式的又一方面中，所述悬臂长度小于大约50μm，并且精度小于大约+/-1μm。

根据优选实施方式的另一方面，基本上通过监测在晶片一侧上的显露蚀刻来确定所述探针头高度，并且其中，所述蚀刻显露出形成在所述晶片的与所述一侧相对的一相对侧上的一组探针头高度监测特征中的至少一个，所述探针头高度监测特征是通过在所述相对侧上形成宽度不同的一组窗口的图案并进行各向异性蚀刻以产生一组V型沟槽而形成的。此处，当所述硅晶片的厚度基本对应于所选探针头高度时，所述显露蚀刻终止。

在优选实施方式的又一方面，用于加工探针显微镜用的探针的方法包括：提供块状单晶硅晶片，在不使用电化学蚀刻的情况下将所述硅晶片的一区域蚀刻至期望厚度以形成硅探针头膜，然后在所蚀刻的硅区域的背面上沉积氮化硅，以提供用于形成臂的材料。之后，由所述硅探针头膜形成探针头的图案并蚀刻所述探针头，然后由所述氮化硅形成悬臂的图案并蚀刻所述悬臂。所述悬臂的长度可小于大约150μm，并且所述探针头可定位在所述悬臂的自由端的大约5μm的范围内。所得到的探针头是尖的，其有效半径小于大约20nm。

根据优选实施方式的另一方面，探针头的高度小于大约4μm。

在优选实施方式的另一方面中，形成有探针头高度监测特征以控制所述蚀刻步骤。

根据该优选实施方式的另一方面，通过监测所述晶片的背面蚀刻来控制所述探针头高度。

根据优选实施方式的另一方面，所述监测步骤包括监测蚀刻速率和从视觉上地检查所述晶片中的至少一个。

在本实施方式的另一方面，在加工过程中，通过测量探针头图案与所述固定端之间的距离来定位所述探针头。

在优选实施方式的另一方面，所述探针装置是由所述基板加工而成的探针装置的阵列中的一个，并且其产率大于大约90％。

根据该优选实施方式的另一方面，所述氮化硅由薄膜支撑。该薄膜可以是氧化物。

在优选实施方式的另一方面，所述氮化硅的厚度小于大约2微米，且公差为大约0.1微米。

根据本优选实施方式的另一方面，探针装置产率保持大于大约90％。

在优选实施方式的另一方面，所述探针头是氧化法锐化的。

根据本优选实施方式的另一方面，所述探针头是棱锥形的。

在优选实施方式的又一方面，探针装置包括由块状硅基板/晶片蚀刻而成的基部和由氮化硅制成的悬臂。所述悬臂具有固定端和自由端，探针头基本由所述自由端支撑。在这些实施方式中，所述悬臂的长度小于大约50微米，可以生产出这样的悬臂同时保持小于大约+/-5微米且甚至小于+/-1微米的精度。

在优选实施方式的另一方面中，加工用于计量仪器的探针装置的方法包括由不同基板生产至少三个探针装置，并且每一个所述探针装置的长度均小于大约50微米，其中，所述长度的标准偏差小于大约0.5微米。

在优选实施方式的再一方面中，用于扫描探针显微镜的探针装置包括基部和从所述基部延伸的悬臂，所述基部位于基本固定的端部处。该悬臂还具有自由端，而探针头基本垂直于所述自由端延伸。理想地，所述探针头可保持在所述基本固定的端部的大约50微米的范围内，并公差为大约+/-2微米。

从以下详细描述和附图中，本发明的这些和其它特征和优点对本领域技术人员将变得清楚明白。然而，应当了解的是，尽管示出了本发明的优选实施方式，但是这些详细描述和具体示例是作为说明而非限制给出的。在不脱离本发明精神的情况下，在本发明的范围内可作出许多修改和改型，并且本发明包括所有这种改型。

附图说明

图1是现有技术AFM的示意图，适当地标为“现有技术”；

图2是用于生产根据本发明的可在计量仪器中操作的探针装置的阵列的半导体晶片的俯视平面图，其示出了在晶片正面上于晶片圆周的相对端部上形成图案的一组监测特征或探针头高度特征；

图3是图2中示出的探针头高度特征的俯视平面图，还以虚影示出了垂直于正面监测特征形成图案的背面显示特征；

图4A是图3的晶片沿线4A-4A截取的横截面视图，其示出了形成V型沟槽的监测特征的各向异性蚀刻；

图4B是图3的晶片沿线4B-4B截取的横截面视图，示出了各向异性背面蚀刻；

图5A-5D是加工成根据本发明的探针的晶片的局部剖视侧视图；

图6是根据图5A-5E示出的步骤生产的探针装置的俯视平面图；

图7A是根据本发明生产的探针装置的等角图；

图7B是图7A的探针装置的侧视图；

图8是示出了根据本发明的生产探针装置的方法流程图；

图9是用于形成探针装置的背面的示意性俯视平面图，其中探针装置带有足以将薄悬臂探针装置支撑在晶片中的保持突片；

图10A是加工成带有如图9所示的保持突片的探针装置的正面图；

图10B是类似于图10A的背面图，其示出了采用各向异性蚀刻形成的保持突片。

具体实施方式

优选实施方式针对微加工技术，其中，探针装置由诸如硅晶片、理想地块状(bulk)单晶硅片的基板以微影形成图案并进行蚀刻。只要此方法生产出具有高纵横比探针头和短悬臂进而具有大共振频率的探针，那么得到的探针装置对于高速计量应用、特别是使用AFM的应用特别有用。根据本发明，可通过以下方式相对于已知方法大大地提高可用探针装置的产量：保持与可用来产生探针装置的基板(例如，该基板可以是轻掺杂或无掺杂的块状硅)的类型有关的挠性，以及提供在不移动晶片的情况下从晶片正面将探针装置的探针头与悬臂的固定端对准的方案，从而使得能够对悬臂长度精确控制。能够重复且可靠地、甚至横跨多个晶片生产悬臂长度小于50微米并且更理想地小于10微米的探针装置，同时悬臂长度的标准偏置小于0.5微米。同样，采用用于控制探针头长度的方案来生产纵横比在大约1比3的范围内并且探针头高度小于4微米且有效探针头半径小于20nm的探针头。结果，可以生产固有共振频率大于大约500kHz并且甚至大于5MHz的探针。为了促使产量最大化，根据本文所描述的技术生产的相对较薄的探针装置通过形成图案并蚀刻而成的保持突片保持在晶片内，该保持突片允许容易地移除探针，但是基本上防止探针装置与晶片意外分离。

先参见图2，示出了硅基板50的俯视图，可由该基板50加工出可用于高速扫描探针显微镜的探针装置的阵列。在基板的至少一部分(在此例中为两端)上形成探针头高度或膜厚度监测窗口54的组或阵列52的图案，从而不仅提供一种如下进一步描述的监测和大体限定出所选探针头高度的方法，而且提供了一种在加工过程中对准晶片的正面和背面的方法。这些监测窗口被示出位于晶片50的圆周的两侧上，基于下面描述的膜蚀刻方法的均一性需要或多或少的窗口。明显地，控制探针头高度有利于实现大的固有共振频率，并允许探针装置制造商在SPM操作过程中运用探针头和样品之间的压膜阻尼。

下一步参考图3，图2所示的监测窗口54的阵列52用于以下述方式大体限定探针头高度。阵列52包括宽度不同(在此例中，从左到右增大)的监测窗口54，这些监测窗口的图案形成在晶片上，用于后续在那些位置处对晶片进行蚀刻。为此，由于这些特征是蚀刻而成(优选地采用各向异性蚀刻)，因此在硅基板中形成成组的呈V型沟槽形状的基板或膜厚度监测特征或探针头高度结构，其中如下面即将说明的，V型沟槽达到一定深度，该深度取决于形成图案的监测特征的宽度。由于硅的晶格结构而形成V型沟槽。更具体地，各向异性蚀刻终止于硅的特定平面，在此例中为(111)平面。一旦形成图案的特征的对应端点(宽度方式)到达(111)平面，蚀刻终止并且特征(也就是V型沟槽)的深度被限定。然后，进行背面蚀刻以露出所选择的一个V型沟槽，从而产生随后用于加工具有期望高度的探针头的晶片膜，如下即将结合图4A和4B进一步描述的。

参考图4A，使用常规薄膜沉积和微影(lithography)技术，将膜厚度监测窗口的图案形成在晶片上。在一个实施方式中，自诸如硅晶片的基板开始，在晶片两面上沉积一层氧化物60(例如SiO₂)，然后在氧化物上沉积一层氮化硅62。该氧化物和氮化物充当以下的加工步骤用的蚀刻掩模。下一步，将光阻旋涂到氧化物和氮化物层上，并且使用适合的光罩(未示出)将监测特征的图案形成在晶片上。更具体地，如图3所示的窗口54的阵列52的图案被形成于基板的顶面上。之后，经由窗口54的阵列52对硅进行各向异性蚀刻，使得当蚀刻终止于与图3中的特征的宽度“w”的端点相关联的硅晶体的(111)平面上时，形成呈V型沟槽形状的膜厚度监测特征64-78。再者，V型沟槽具有与探针头高度特征的宽度直接相关的已知深度。

下一步，将与一个或多个阵列52相对应的大窗口56(图3)的图案形成在晶片的背面上。这些窗口的边缘80、82在图4A中被示意地示出。通过标准的对准特征和标准的正反面对准装备，例如，出自Karl Suss公司的采用正面-背面对准器的对准装置，使背面上的大窗口与一个或多个膜厚度监测装置阵列52相应地对准。特别地，窗口56的主轴线定位成大体上垂直于正面窗口54的主轴线。此对准完成后，于是窗口56接受穿过晶片直至膜厚度监测装置阵列52下方的蚀刻，如图4B所示。

更具体地，在加工中，通常采用来自正面或背面的照明，从正面视觉上监测背面蚀刻。当深度对应于所选择的监测膜73的期望厚度d(其与探针头高度直接相关)的V型沟槽穿透到晶片的背面时，该蚀刻停止，如图4B所示。可替代地，较深的V型沟槽(例如，V型沟槽68之于期望的V型沟槽72)穿透的正时可用来预测停止蚀刻的适合时间，也就是说，可基于对V型沟槽穿透的视觉监测来确定蚀刻速率，并利用这些信息来确定大约何时终止蚀刻。

与此同时形成监测膜73，以与监测膜73的厚度“d”大体相同的厚度对正在加工的探针阵列的探针装置膜115(在图5A中示出)进行蚀刻。再者，正是通过该装置膜115的厚度来控制AFM探针头高度。

探针装置的这种成形得到进一步详细的描述并在图5A-5D中示意性地示出。首先参考图5A，当监测膜73被形成为期望厚度d时，二氧化硅层102和氮化硅层104保持在晶片100上、正面反面都有。在生产带有背侧蚀刻的膜73时，结构112也产生。结构112形成探针装置的基部，下文作进一步的描述，该基部还大体限定最终成为各个探针装置的悬臂的固定端116的位置。

此时，将一层氮化硅122沉积在硅基板的正面101和背面103上，氮化物122最后被加工形成悬臂。氮化物层122的形成很重要，因为该层的厚度决定了悬臂厚度，如先前指出的，悬臂厚度是决定探针装置的包括其固有共振频率的性能特征的因素。通过控制氮化物沉积的厚度，可将悬臂制得更薄，以有利于探针装置的共振频率更优化，从而使探针进而整体上AFM能够以较快的速度操作。可以使用任何薄膜测量工具、例如包括椭偏仪或诸如测量反射率的光学工具等其它类似工具监测氮化物厚度。可替代地，可采用傅里叶变换光谱(FTIR)，其采用红外干涉测量法来测量薄膜的厚度。

为了沉积氮化物122，可以使用低压化学气相沉积(LPCVD)。LPCVD有利地提供低应力氮化层122，因此使现有的例如加工成带有高应力硅臂的SPM探针所固有的负面影响最小化。高应力硅臂往往最需要应力补偿(例如，以调节臂弯曲)，从而进一步增加设计的复杂性，并最终限制性能。

对于本发明所考虑的应用，基本上即使是厚度也优选保持在取决于臂长和理想固有共振频率的范围内。对于本发明的氮化硅臂，期望臂的厚度小于2微米，而且小于1微米的厚度也是可能的，并且具有大约6％或0.1微米的相应公差。这种对臂厚度的精确控制进一步促进产量，并且本发明实施方式能够在整个晶片上以及晶片之间在所述公差范围内保持均一的悬臂厚度。

在氮化硅层122沉积之后，作为选择，可以沉积有支撑膜或支撑层121(例如，二氧化硅、金属、聚合物)。支撑膜121(例如，金属或聚合物)可沉积在氮化物122后以便使膜115更具结构完整性(或减少氮化物沉积的应力)和/或提供用于悬臂成形的蚀刻停止。通过以这种方式加强探针装置，探针头的图案形成(其在图5B所示的下一个步骤中发生)可以重进行而不有损装置膜115的整体性。如果确定初始对准不会产生具有期望长度的悬臂，可进行此图案形成或重新图案形成。下文进一步描述包括相对于已知技术获得提高的精确性的形成图案的探针头的理想定位。

然后，将探针头特征131的图案形成在如图5B所示的基板正面上，在此例中使用全局对准标记(global alignment marks)。然后，如图5C所示，在正面采用各向异性蚀刻以形成大体棱锥形的探针头。在这种情况下，探针头基部的宽度基本上由成像于正面的氮化硅122(以及其下面的二氧化硅102和氮化物104)上的图案的宽度来限制。

更具体地，当以这种方式进行正面蚀刻时，产生的探针头结构的几何形状通常包括两个尖对尖彼此叠置的棱锥形结构132、133。一旦蚀刻完成，顶部棱锥133从底部棱锥132断开，从而也去除氧化物层102、氮化物层104和氮化物层122。这就得到高度小于膜厚度d的高纵横比探针头132。这种通过各向异性蚀刻从而在基板结构(也就是，晶体结构)的晶粒晶面(particle facets)上终止蚀刻的探针头成形有利于生产锐度高于已知技术的探针头，已知技术通常通过采用常规微影技术(例如，如′358专利中所描述的)形成探针头表面的图案而产生带有圆形远端的探针头。

当形成探针头图案时，特别是对于本发明考虑的高速AFM应用，这种图案形成的位置对于建立整个装置的几何形状、最主要地建立悬臂的长度lc而言很重要。探针头相对于臂的固定端的位置基本上限定了臂(除下面讨论的伸出部之外)的有效长度，因而影响探针装置的性能特征(例如，共振频率)。为此，使用者首先基于与生产探针装置的阵列相关的全局光罩调整而形成探针头图案。然而，刻画完成的时候，形成图案的探针头特征131和悬臂固定端116之间的距离可以小于用于实现优选实施方式目标的理想距离。幸好，臂的固定端一般是从正面101可视的。悬臂的固定端、即背面上的位点116也是可视的，因为通过相对较薄的硅膜，沉积的氮化硅膜基本上是透明的，这不同于那些用于生产具有硅臂的探针的方法。特别地，为了进一步促进这种观察，通常使用照明(正面或背面)。

在点116已知的情况下，固定端116和形成图案的探针头之间的间距可以从正面相对精确地测量。因此有利地，可以在蚀刻硅以形成探针头之前基本上确定悬臂长度。在这种情况下，探针头特征131和固定端116之间的对准是不可接受的，当试图使探针头和臂固定端之间具有期望间隔时，探针装置加工者可从正面剥去探针头特征131，作适当的位置调整并重新刻画特征。如果需要这个过程可重复多次以获得形成图案的探针头的期望位置。然而如上所述，多个剥去和重画步骤会有损装置膜的整体性，因而有损氮化硅臂的整体性。因此如前文也指出的，可以用氧化物层(或金属或其它合适的膜)来加强臂，以防加工期间膜破裂。

总而言之，在探针装置加工期间，可以放置探针头光罩来形成探针头图案，之后可以对其进行测量，从而确定探针头相对于相应臂的固定端的位置。因此，本技术可用来重复地和可靠地生产50微米以下的探针装置悬臂134(图5D和图6)。理想地，可在整个晶片上重复地生产具有长度小于大约50微米和甚至小于10微米的悬臂的探针装置。此外，可用本发明的探针装置实现大于700kHz、或大于1MHz、或甚至大于5MHz的固有共振频率，并且当探针头与样品相互作用时在空气中的品质因数Q小于100。

参见图5D，然后，从正面形成悬臂图案并蚀刻，从而产生例如图6中示意性地示出的结构。更具体地参考图5D，在探针头132形成的情况下，从正面形成臂的尺寸和形状图案。用适当的光罩形成将变成臂134的部分的自由端或远端135的图案并限定伸出部或探针头偏置量l_t，该偏置量定义为末端135和通过探针头尖端并大体垂直于臂的轴线之间的距离。类似于本文讨论的其它探针装置几何形状，探针头偏置量对基本上表现探针装置特征的总体性能是重要的，并如果制得太大会明显限制SPM可以可靠地形成样品图像的速度。使用本技术，探针头偏置量l_t至少可保持在所加工臂的自由端132的大约5μm以内。特别地，探针头是棱锥形状，并且棱锥基部的外缘可基本上与臂的自由端的外缘处于一条直线上。如现有技术中所了解的那样，对于最佳的AFM操作，仅探针装置的顶尖与样品相互作用，因此，通过保持探针头偏置量l_t小于大约5微米，相对于现有技术，可明显地减少在AFM操作期间探针装置的自由端135与样品相互作用的机会，现有技术通常生产带有大得多且不能可靠控制的伸出部的探针装置。

理想地，在探针加工期间控制伸出的量。特别地，使用带有具有至少100nm的位置精确度的正面对准工具的分节器来可靠地控制探针头偏置量。然而，这种装备昂贵。因此，可使用其它常规对准技术。根据一个替代方案，用于形成臂图案的光阻可以负向光阻，当给臂形成图案时其产生透明掩模。这样一来，在探针头132可视的情况下，可定位掩模而精确地放置远端135，从而能够精细地控制偏置量l_t。

根据优选实施方式生产的悬臂的图案在图7A中示出，其中，得到30微米以下的悬臂长度，以及小于大约10微米的探针头高度。图7B从侧面示出了图7A的探针装置。总的来说，通过使用本技术，可精确地和重复地控制悬臂的大小和形状以高产量地生产适合于高速AFM操作的臂。此外，甚至可以在多个晶片之间保持悬臂长度低于50微米的探针装置l_t，并且标准偏差小于大约0.5微米。

参见图8，示出了生产这些探针装置的方法200。开始，在框202，提供基板。如前面所强调的那样，基板通常是硅基板，然而，优选实施方式相对于已知技术的一个优点是晶片可以是块状硅晶片，也就是说，它不一定是掺杂硅或昂贵的绝缘体上硅(SOI)晶片，这是因为背面硅蚀刻由特殊的监测技术控制。再者，由于该方法足够强从而能够使用无掺杂硅基板，实现几个优点。也就是说，可对探针头进行正面对准，从而重复地生产悬臂在50微米以下的探针装置。并且，假如用各向异性蚀刻来形成四侧探针头结构，可实现具有尖锐末端的高纵横比探针头。

最后，可在去除可选的支撑层之后，在氮化硅臂的背面使用附加的高反射涂层，以在AFM操作期间使设在臂表面上的光具有充足的反射率。由于未使用特别的掺杂，该方法在产生硅膜时得到光滑的硅表面。这样使得反射层可沉积在光滑的氮化硅表面，这与重掺杂硅蚀刻停止方法相反，重掺杂硅蚀刻停止方法在蚀刻后具有粗糙表面，因而得到反射膜要沉积在其上的粗糙表面。

再回到方法200，在框204，然后将氧化硅和氮化硅沉积在晶片的两个侧面上。下一步，将膜厚度监测窗口阵列的图案形成到氮化物/氧化物上，并在框206处从正面进行蚀刻从而暴露那些区域中的硅。在框208，将大背面对准显露窗口的图案形成到大体与正面的阵列相对(例如，与正面监测阵列成大约90度)的氮化物上，然后进行蚀刻以暴露晶片背面的硅，进而产生与正面窗口的阵列对准的显露窗口，如上所述。

此时，在框210，蚀刻出与阵列的形成图案的窗口对应的正面或顶侧监测装置，使得形成具有特定深度的V型沟槽，并露出晶片的硅晶面。同时在框212，蚀刻背面的硅以露出大的显露窗口。此外，因为矩形显露开口垂直于顶侧上成组的形成图案的V型沟槽或探针头高度特征而对准，当背面硅的蚀刻到达形成在正面上的V型沟槽的底部时，产生顺序的通孔。通过监测通孔的产生(以及例如，硅蚀刻速率，如前所述)，可停止框212处的各向异性背面蚀刻步骤，以控制硅膜厚度。结果，形成监测膜(图4B中的73)。更具体地，通过观测蚀刻进度并识别显露出哪一个膜厚度监测特征(也就是，V型沟槽)(图4B)，可终止蚀刻。再者，加工者可通过直接识别与期望探针头高度直接相关的膜厚度监测特征和/或通过监测蚀刻速率并确定预期得到期望硅膜厚度(也就是，显露与期望探针头高度直接相关的V型沟槽)的蚀刻持续时间来停止蚀刻。通常，采用从视觉上检查V型沟槽穿透和监测蚀刻速率的某种结合来精确地控制基板厚度。一旦终止蚀刻，就产生了厚度足以形成探针头图案并蚀刻探针头的硅膜。

特别地，与监测膜(其再次限定探针头高度)的形成同时发生地，在生产的探针装置阵列的各个探针装置的支撑部或基部形成。此外，装置膜(图5A中的115)也形成。

下一步，在框214，将氮化硅沉积在整个晶片之上。然后在氮化物沉积后可在晶片上形成可选的支撑层(例如，二氧化硅)，以充当臂用的蚀刻停止装置和/或为氮化物提供支撑，但这不是必需的。方法200包括在框216处形成探针装置的探针头图案。然后在框218蚀刻形成图案的硅以如上所述形成探针头，相应探针头呈棱锥形(4面的)并且高度小于硅膜厚度，这是因为各向异性蚀刻在硅的(111)晶面上终止。

然后，方法200包括在框220的从正面形成氮化硅悬臂的图案并蚀刻氮化硅悬臂。一旦以这种方式形成探针装置，探针头可于在框224从晶片中去除之前在框222锐化。氧化锐化可提高探针头的锐度和有效纵横比，从而提高它们的性能，但这不是必要的。再者，具有较尖锐的探针头，AFM会具有更强的分辨率(对纳米以下特征的成像能力提高)，并且获得例如半导体装置沟道等较深样品特征的图像的能力提高。不依赖探针头是否锐化，所得探针装置的相应性能特征(共振频率等)得到保持，并且探针头尖端的有效探针头半径小于大约200纳米，并且理想地小于大约10纳米。特别地，在框216中，当形成探针头图案时，可基于相对于臂的固定端部对探针头的正面测量，选择探针头的位置，即基于硅基本上是半透明的事实能够从正面识别的区域/点。如前文所述的那样，该在何处刻划探针头的正面定位允许对悬臂几何形状的成形进行精确控制。如果在探针头定位后设备加工者判定探针头与固定端的距离不理想，则可以重新刻划探针头。最后，如上所述，在框223，在臂的背面上设置反射金属涂层，以有利于由AFM光学检测配置引导在臂处的光束的有效反射，如背景技术中所描述的那样。最终，甚至在整个晶片上都能够重复地和可靠地生产具有50微米以下的臂的探针装置。

以这种方式生产的探针装置的相应固有共振频率保持在大于750KHz并且理想地大于1MHz的范围内，固有振动频率能够大于5MHz。而且，悬臂在自由空气中的相应质量因数Q保持为当探针头与样品相互作用时在自由空气中小于100。出于本申请的目的，“与样品相互作用”通常指探针离样品足够近从而至少能够感测到来自样品的长程力(long rangeforces)的情况。在实践中，这可以是当探针头的尖端在样品表面约100nm范围内的时候。

更具体地，在优选实施方式中，悬臂具有从大约700kHz到大于5MHz的共振频率。取决于期望的探针头-样品的相互作用力和悬臂的共振频率，悬臂通常长5-50μm、宽3-20μm、厚1-5μm。例如，长度为10μm、宽度为5μm、厚度为0.5μm和探针头高2μm的悬臂将具有大约6MHz的共振频率和大约20N/m的弹簧常数。大约35μm长、15μm宽且0.8μm厚的悬臂具有大约800kHz的共振频率，并且弹簧常数大约6N/m。在一个实施方式中，申请人已经构造出悬臂长度为35μm、基部宽度为40μm、逐渐变细成端部宽度为7μm、厚度为0.6μm且探针头高3μm的梯形悬臂。这些探针涂覆有5nm的钛和40nm的金(Au)以形成反射涂层。这些探针的共振频率为750kHz且弹簧常数为大约8N/m。

高带宽悬臂探针的形状可以为矩形、三角形、梯形或其它任意形状，以达到期望的共振频率和弹簧常数。尺寸和形状可以例如通过包括文献中可用的公式的计算和/或通过计算流体力学方法和/或实验进行优化，用于共振频率、弹簧常数和质量因数Q的特定结合。质量因数Q不仅仅取决于臂的粘性阻尼，而且取决于探针头和悬臂接近样品表面时的“压膜”效果。这种效果可通过控制悬臂的形状和探针头的高度来优化。较高的探针头使悬臂体离样品表面较远并减少压膜效果，得到高Q值悬臂。在一些情况下，期望制成较短的探针头以降低Q值，从而减少悬臂的响应时间。使用大约1μm高的短探针头，申请人已经制出高频悬臂，在探针头接近样品表面的情况下其在空气中的Q值小于50。

再者，悬臂一般加工有尖锐的探针头。在这点上，对于最高分辨率的成像应用，期望探针头的末端半径＜20nm。然而，对于一些应用，特别是在柔软样品上的力测量，优选较钝的探针头。

参见图9和10，由于根据本发明生产的硅膜非常薄(在几微米数量级上)，有利地，在加工过程中设置附加结构以将探针装置支撑在晶片内，从而防止探针装置与晶片中意外脱离或另外地损坏。因为这些高速AFM探针装置是高成本部件，对探针装置加工者而言，保持探针装置的高产率是主要的。本发明采用蚀刻停止V型沟槽保持突片，该保持突片不仅通过基本确保探针装置保持在晶片中直至加工者希望移走它们而确保高产率，而且还提供了机械弱点以将探针模从晶片框架断开。这样，产率可保持在高于90％。

更具体地参考图9，示出了用于生产保持突片的后背硅蚀刻用的掩模设计300。对应于保持突片的V型沟槽形成在掩模的区域302、304中，同时探针装置位于掩模的掩模区域306中。图10A自晶片的正面示出了探针装置312的俯视图像310，包括具有氮化硅臂314的探针，一旦保持突片316、318形成，保持突片316、318提供足够的结构以确保探针模不会从晶片脱离。

参考图9和10B，为了使得能够容易地移走探针装置而无损保持突片316、318的整体性，通过背面各向异性蚀刻在区域302、304处形成V型沟槽，类似于前面描述的探针头高度厚度监测特征的形成。一旦形成，如图10B所示，V型沟槽320(在图10A的突片316、318的区域上带有屈折点322)使得能够沿V型沟槽选择性地断开突片316、318，从而允许从基板324移走探针装置。

更特别地，当用背面蚀刻形成时，V型沟槽320的深度明显大于在探针装置形成的位置处的硅膜的厚度。这样，保持突片316、318足以将得到的探针装置紧固于晶片309，但同时又在V型沟槽断开部322处提供弱点，以使得能够从晶片324移走探针装置。特别地，尽管在图中示出了两个保持突片，但是可仅需要一个。

尽管上文公开了发明人所想的实现本发明的最佳模式，但本发明的实施不限于此。显然，在不偏离根本发明概念的精神和范围的情况下，可对本发明的特征作出不同添加、修改和重新布置。

Claims (30)

1.一种用于探针显微镜的探针装置，所述探针装置包括：

基部；

悬臂，其由氮化硅制成并具有固定端和自由端；以及

硅探针头，其定位在所述自由端的5μm的范围内，

并且其中，所述悬臂的长度小于150μm，所述探针头的高度小于15μm，并且有效探针头半径小于20nm，所述探针头是使用块状硅晶片形成的、并且不是采用电化学蚀刻形成的。

2.如权利要求1所述的探针装置，其中，所述悬臂的固有共振频率大于700kHz。

3.如权利要求1所述的探针装置，其中，当所述探针头与样品相互作用时，所述悬臂在空气中的质量因数Q小于100。

4.如权利要求1所述的探针装置，其中，所述长度的精确度等于小于+/-5μm。

5.如权利要求1所述的探针装置，其中，通过监测在晶片一侧上的蚀刻来确定所述探针头的高度，并且其中，所述蚀刻显露出形成在所述晶片的与所述一侧相对的一侧上的一组厚度监测特征中的至少一个。

6.如权利要求5所述的探针装置，其中，当所蚀刻的晶片的厚度对应于确定用于所选探针头高度的膜厚度时，所述蚀刻终止。

7.如权利要求1所述的探针装置，其中，所述探针头高度小于2μm。

8.如权利要求1所述的探针装置，其中，所述探针头高度小于1μm。

9.如权利要求5所述的探针装置，其中，在加工过程中，通过测量探针头图案与所述固定端之间的距离来定位所述探针头。

10.如权利要求9所述的探针装置，其中，所述悬臂的所述固定端由在所述晶片的所述一侧上的蚀刻形成，所述固定端是从所述晶片的所述相对侧可视的，从而能够测量所述距离。

11.如权利要求5所述的探针装置，其中，所述探针装置由硅晶片形成。

12.如权利要求1所述的探针装置，其中，所述悬臂的厚度小于2微米，并且公差为0.1微米。

13.如权利要求12所述的探针装置，其中，所述厚度小于1微米。

14.如权利要求12所述的探针装置，其中，所述厚度是均一的，并且可在多个探针装置中保持所述公差。

15.如权利要求14所述的探针装置，其中，所述多个探针装置包括由不同晶片形成的探针装置。

16.一种用于探针显微镜的探针装置，所述探针包括：

基部；

悬臂，其由氮化硅制成并具有固定端和自由端；以及

硅探针头，其定位在所述自由端的5μm的范围内，其中，所述探针头是使用块状硅晶片形成的、并且不是采用电化学蚀刻形成的，并且

其中，探针头高度小于15μm、有效探针头半径小于20nm，并且所述悬臂的固有共振频率大于500kHz，且当所述探针的探针头与样品相互作用时所述悬臂在空气中的质量因数Q小于100。

17.如权利要求16所述的探针装置，其中，所述共振频率大于700kHz或大于5MHz。

18.如权利要求16所述的探针装置，其中，所述悬臂的长度小于50μm，并且精确度等于小于+/-5μm或等于小于+/-1μm。

19.如权利要求16所述的探针装置，其中，通过监测在晶片一侧上的显露蚀刻来确定所述探针头高度，并且其中，所述蚀刻显露出形成在所述晶片的与所述一侧相对的一相对侧上的一组探针头高度监测特征中的至少一个，所述探针头高度监测特征是通过在所述相对侧上形成宽度不同的一组窗口的图案并进行各向异性蚀刻以产生一组V型沟槽而形成的，其中，当所述硅晶片的厚度对应于所选探针头高度时，所述显露蚀刻终止。

20.一种用于加工探针显微镜用的探针装置的方法，包括如下步骤：

提供块状单晶硅晶片；

在不使用电化学蚀刻的情况下将所述硅晶片的一区域蚀刻至期望厚度，以形成硅探针头膜；

在所蚀刻的硅区域的背面上沉积氮化硅；

由所述硅探针头膜形成探针头的图案并蚀刻所述探针头；以及

由所述氮化硅形成悬臂的图案并蚀刻所述悬臂，并且

其中，所述悬臂的长度为小于150μm且具有固定端和自由端，并且其中，所述探针头定位在所述悬臂的自由端的5μm的范围内，并且所述探针头的有效半径小于20nm。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述探针头的高度小于15μm。

22.如权利要求21所述的方法，其中，形成有探针头高度监视特征以控制所述蚀刻步骤。

23.如权利要求21所述的方法，其中，通过监测所述晶片的背面蚀刻来控制所述探针头高度。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述监测步骤包括如下中的至少一个：

a)监测与所述背面蚀刻相关联的蚀刻速率；以及

b)在所述背面蚀刻期间从视觉上检查所述晶片。

25.如权利要求21所述的方法，其中，在加工过程中，通过测量探针头图案与所述固定端之间的距离来定位所述探针头。

26.如权利要求21所述的方法，其中，所述探针装置是由基板加工而成的探针装置的阵列中的一个，并且其产率大于90％。

27.如权利要求22所述的方法，其中，所述氮化硅的厚度为0.5μm到0.8μm，并且所述氮化硅由薄膜支撑，所述薄膜为氧化物和金属中的一种。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述氮化硅的厚度小于2微米，且公差为0.1微米。

29.如权利要求28所述的方法，其中，探针装置产率保持大于90％。

30.一种用于加工探针显微镜用的探针装置的方法，包括如下步骤：

提供块状单晶硅晶片；

在不使用电化学蚀刻的情况下将所述硅晶片的一区域蚀刻至期望厚度，以形成硅探针头膜；

在所蚀刻的硅区域的背面上沉积氮化硅；

由所述硅探针头膜形成探针头的图案并蚀刻所述探针头；以及

由所述氮化硅形成悬臂的图案并蚀刻所述悬臂，并且

其中，通过监测在晶片一侧上的蚀刻来确定探针头高度，并且其中，所述蚀刻显露出形成在所述晶片的与所述一侧相对的一侧上的一组探针头高度监测特征中的至少一个，其中，当所述硅晶片的厚度对应于所选探针头高度时，所述蚀刻终止。

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