CN106586940A - 硅基力值探针及其制作方法 - Google Patents

硅基力值探针及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106586940A
CN106586940A CN201510684215.4A CN201510684215A CN106586940A CN 106586940 A CN106586940 A CN 106586940A CN 201510684215 A CN201510684215 A CN 201510684215A CN 106586940 A CN106586940 A CN 106586940A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
silicon
probe
cantilever
needle point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510684215.4A
Other languages
English (en)
Inventor
李加东
苗斌
吴东岷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201510684215.4A priority Critical patent/CN106586940A/zh
Publication of CN106586940A publication Critical patent/CN106586940A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0094Constitution or structural means for improving or controlling physical properties not provided for in B81B3/0067 - B81B3/0091
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0015Cantilevers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency

Abstract

本发明公开了一种硅基力值探针及其制作方法,所述探针包括主体支撑结构、悬臂梁和针尖等。而所述的制作方法包括:提供双层顶层硅(100)型SOI硅片,所述硅片包括从上向下依次设置的第一层顶层硅、第一层二氧化硅埋层、第二层顶层硅、第二层二氧化硅埋层和底层硅,其中第一层、第二层顶层硅的厚度分别与所述探针的针尖高度及悬臂梁厚度相等;在所述硅片的第一层、第二层顶层硅上加工形成所述探针的针尖结构和悬臂梁结构;以及对所述硅片的底层硅进行加工,形成所述探针的主体支撑结构。本发明的硅基力值探针能实现准确定位,同时其制作方法简单易行,能够实现硅基力值探针的可控制备,且能有效提高力值标准件的成品率及性能。

Description

硅基力值探针及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明特别涉及一种硅基力值探针及其制作方法,所述硅基力值探针可应用于原子力显微镜悬臂梁技术进行力值计量,属于微纳机械传感器领域。
背景技术
[0002] 随着科学技术的不断进步,计量科学有了很大的发展。“计量”是将一个未知量与规定的标准同类型已知量相比较而加以测定的过程。力值计量是它的一个重要分支,其主要是利用各种装置、测量仪器和一些测量方法解决力值的加载和传递等计量问题。一般通过标准力源实现力值计量。世界上最早以国际砝码原器为标准力源。在20世纪70年代以前,主要采用精度很低的水银箱式测力仪或百分表。标准力源以相应的机械结构为载体,能产生出标准的力值。力标准机是一种用来检测负荷传感器精度的标准力源且精度最高。力标准机根据不同结构分为静重式力标准机、液压式力标准机、杠杆式力标准机和叠加式力标准机。我国现有的力值量传系统(JJG2045-1990《力值1MN)计量检定系统》)对于1N以下的力值尚未建立量传系统。一般称1N以下的力值为微小力值。目前最小的标准砝码为lmg(10 5N),更小质量的砝码由于制造因素会导致很大的不确定度。国际上对于10 5N以下的SI溯源进行了一些研究,但目前尚未对微小力值建立统一的计量方法。微小力值的计量目前广泛应用在医学、MEMS的力学分析以及微纳制造等领域。当力值溯源至标准砝码这一方式不易实现时,也可以通过电学方法进行溯源,例如可以采用电磁力或静电力复现力值且采用SI制中的基本物理量时能获得最低的不确定度。国内外对微小力值计量的研究已逐渐展开且不断深入,例如德国,韩国的相关的研究人员开展了有源微小力值标准件的研究,美国的相关研究人员开展了无源微小力值标准件的研究,但该标准件存在测量时定位困难的问题;国内方面亦有过以悬臂梁技术进行微力测量研究的报道,研究人员在硅材料上采用微电子工艺直接溅射康铜作为电阻应变片,制得测量范围0-31mN的微力传感器,但该悬臂梁存在悬臂梁厚度不可控的问题。
发明内容
[0003] 本发明的主要目的在于提供一种定位准确的硅基力值探针及其制作方法,从而克服现有技术的不足。
[0004] 为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
[0005] 在一些实施例中提供了一种硅基力值探针,其包括主体支撑结构、悬臂梁和针尖,所述悬臂梁一端部固定在所述主体支撑结构上,所述针尖固定于悬臂梁另一端部,所述针尖的高度为5〜50 μ m,所述悬臂梁的厚度为I〜10 μ m,长度为0.5mm〜1mm0
[0006] 进一步的,所述主体支撑结构、悬臂梁和针尖的材质均为硅,且所述主体支撑结构与悬臂梁之间及所述悬臂梁与针尖之间均分布有二氧化硅层。
[0007] 在一些实施例中提供了一种制作硅基力值探针的方法,其包括:
[0008] 提供双层顶层硅(100)型SOI硅片,所述硅片包括从上向下依次设置的第一层顶层硅、第一层二氧化硅埋层、第二层顶层硅、第二层二氧化硅埋层和底层硅,其中第一层、第二层顶层硅的厚度分别与所述探针的针尖高度及悬臂梁厚度相等;
[0009] 在所述硅片的第一层顶层硅、第二层顶层硅上加工形成所述探针的针尖结构和悬臂梁结构;
[0010] 以及,对所述硅片的底层硅进行加工,形成所述探针的主体支撑结构。
[0011] 进一步的,所述的制作方法包括:在所述硅片的第一层顶层硅上设置掩模层,之后采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺在第一层顶层硅上加工形成所述探针的针尖结构。
[0012] 在一些实施例中,所述掩模层采用厚度为I〜2 μ m的二氧化娃掩模层。
[0013] 其中,所述湿法刻蚀工艺包括KOH刻蚀和TMAH刻蚀中的任意一种,但不限于此。
[0014] 进一步的,所述的制作方法包括:在形成所述探针的针尖结构之后,除去暴露的第一层二氧化硅埋层,并通过光刻工艺和干法刻蚀工艺在所述第二层顶层硅上加工形成所述探针的悬臂梁结构。
[0015] 其中,所述干法刻蚀工艺包括ICP干法刻蚀,RIE干法刻蚀和DRIE干法刻蚀中的任意一种,但不限于此。
[0016] 进一步的,所述的制作方法包括:
[0017] 在加工形成所述探针的针尖结构和悬臂梁结构之后,在第二层顶层硅上设置光刻胶层,以保护所述探针的针尖结构及悬臂梁结构;
[0018] 采用光刻工艺和干法刻蚀工艺在所述硅片的底层硅上加工形成所述探针的主体支撑结构,并使所述硅片的第二层二氧化硅埋层暴露出;
[0019] 以及,除去所述硅片上的光刻胶,再除去暴露出的第二层二氧化硅埋层,形成所述硅基力值探针。
[0020] 在一些实施例中,所述的制作方法具体包括:在第二层顶层硅上涂覆厚度为15〜20 μ m的光刻胶层,以保护所述探针的针尖结构及悬臂梁结构。
[0021] 较为优选的,所述第一层顶层娃的厚度为5〜50 μ m。
[0022] 较为优选的,所述第二层顶层娃的厚度为I〜10 μ m。
[0023] 较为优选的,所述探针的悬臂梁长度为0.5mm〜1mm0
[0024] 在一些实施例中还提供了由前述制作方法制作的硅基力值探针。
[0025]与现有技术相比,本发明的优点包括:提供的硅基力值探针能实现准确定位,从而克服了现有无源悬臂式力值标准件存在的无法精确定位等缺陷,同时其制作方法简单易行,能够实现娃基力值探针的可控制备,且能有效提尚力值标准件的成品率及性能。
附图说明
[0026] 图1为本发明一典型实施例中一种硅基力值探针的结构示意图;
[0027] 图2为本发明一典型实施例中一种硅基力值探针的制作工艺流程图;
[0028] 图中各附图标记的含义如下:1〜第一层顶层硅,2〜第一层二氧化硅埋层,3〜第二层顶层硅,4〜第二层二氧化硅埋层,5〜底层硅,6〜二氧化硅保护层,7〜针尖掩模,8〜针尖,9〜光刻胶,悬臂梁〜10,主体支撑结构〜11。
具体实施方式
[0029] 如前所述,鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,特提出本发明的技术方案,并获得了出乎意料的良好技术效果。如下将结合实施例及附图对本发明的技术方案进行较为详细的解释说明。
[0030] 请参阅图1-2,其示出了本发明的一典型实施案例。
[0031] 进一步的,请参阅图1,该实施案例涉及一种硅基力值探针(硅基力值探针)包括主体支撑结构、悬臂梁和针尖等。
[0032] 而再请参阅图2,该硅基力值探针的制作工艺可以包括:
[0033] 采用双层顶层硅(100)型SOI硅片为制备原料,其中第一层顶层硅厚度等于针尖高度,第二层顶层硅厚度等于悬臂梁厚度;
[0034] 首先在SOI硅片的第一层顶层硅上应用湿法刻蚀工艺形成探针的针尖结构,之后应用干法刻蚀工艺形成探针的悬臂梁结构,然后在光刻胶掩模的保护下,应用干法刻蚀工艺对SOI硅片的底层硅进行深硅刻蚀,直至完全露出SOI硅片的二氧化硅埋层,形成探针的主体支撑结构部分,即可得到目标产物。
[0035] 更为具体的,其中一种硅基力值探针的制作方法可以包括以下步骤:
[0036] 1、采用双层顶层硅(100)型SOI硅片为衬底,应用等离子体增强化学气相沉积工艺在第一层顶层硅表面沉积I〜2 μπι厚的二氧化硅掩模层;
[0037] I1、采用光刻工艺及湿法刻蚀工艺在第一层顶层硅表面形成探针的针尖;
[0038] II1、采用氢氟酸去除暴露的第一层二氧化硅埋层,通过光刻工艺及干法刻蚀工艺,在第二层顶层硅上制作出悬臂梁的结构;
[0039] IV、在第二层顶层硅表面涂覆厚度为15〜20 μ m的光刻胶,以保护针尖,并在SOI硅片的背面应用光刻工艺在底层硅上形成刻蚀窗口 ;
[0040] V、以光刻胶为掩模,应用干法刻蚀工艺刻蚀SOI硅片的底层硅,直至露出SOI硅片的第二层二氧化硅埋层,形成探针的主体支撑结构部分,然后清洗SOI硅片正反两面的光刻胶;
[0041] V1、采用氢氟酸去除第二层二氧化硅埋层,即可得到目标产物。
[0042] 前述的光刻工艺、湿法刻蚀工艺、干法刻蚀工艺均可选用业界已知的合适方式实施。
[0043] 例如,其中的湿法刻蚀工艺可以选用KOH刻蚀和TMAH刻蚀工艺中的任何一种。
[0044] 其中的干法刻蚀工艺可以选用ICP干法刻蚀,RIE干法刻蚀和DRIE干法刻蚀工艺中的任何一种。
[0045] 又及,较为优选的,所述第一层顶层娃的厚度可以为5〜50 μ m,第一层顶层娃厚度可以为I〜10 μπι。
[0046] 此外,较为优选的,所述悬臂梁的长度可以为0.5mm〜10mm。其中,通过采用双层顶层硅片作为原料,可保证悬臂梁厚度的一致性,从而提升该探针于应用时的探测精确度。
[0047] 藉由本发明的制作方法,可以克服现有无针尖无源力值探针无法精确定位的缺陷,实现了真正力值探针的可控制备,并能有效提高成品率。
[0048] 应当理解的是,本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此,无论从哪一点来看,本发明的上述实施例仅是对本发明的说明而不能限制本发明,权利要求书指出了本发明的范围,而上述的说明并未指出本发明的范围,因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变,都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种硅基力值探针,其特征在于包括主体支撑结构、悬臂梁和针尖,所述悬臂梁一端部固定在所述主体支撑结构上,所述针尖固定于悬臂梁另一端部,所述针尖的高度为5〜50 μ m,所述悬臂梁的厚度为I〜10 μ m,长度为0.5mm〜10mm。
2.根据权利要求1所述的硅基力值探针,其特征在于所述主体支撑结构、悬臂梁和针尖的材质均为硅,且所述主体支撑结构与悬臂梁之间及所述悬臂梁与针尖之间均分布有二氧化硅层。
3.—种硅基力值探针的制作方法,其特征在于包括: 提供双层顶层硅(100)型SOI硅片,所述硅片包括从上向下依次设置的第一层顶层硅、第一层二氧化硅埋层、第二层顶层硅、第二层二氧化硅埋层和底层硅,其中第一层、第二层顶层硅的厚度分别与所述探针的针尖高度及悬臂梁厚度相等; 在所述硅片的第一层顶层硅、第二层顶层硅上加工形成所述探针的针尖结构和悬臂梁结构; 以及,对所述硅片的底层硅进行加工,形成所述探针的主体支撑结构。
4.根据权利要求3所述的制作方法,其特征在于包括:在所述硅片的第一层顶层硅上设置掩模层,之后采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺在第一层顶层硅上加工形成所述探针的针尖结构。
5.根据权利要求4所述的制作方法,其特征在于所述掩模层采用厚度为I〜2 μ m的二氧化娃掩模层。
6.根据权利要求4所述的制作方法,其特征在于所述湿法刻蚀工艺包括KOH刻蚀和TMAH刻蚀中的任意一种。
7.根据权利要求3所述的制作方法,其特征在于包括:在形成所述探针的针尖结构之后,除去暴露的第一层二氧化硅埋层,并通过光刻工艺和干法刻蚀工艺在所述第二层顶层硅上加工形成所述探针的悬臂梁结构。
8.根据权利要求7所述的制作方法,其特征在于所述干法刻蚀工艺包括ICP干法刻蚀,RIE干法刻蚀和DRIE干法刻蚀中的任意一种。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的制作方法,其特征在于包括: 在加工形成所述探针的针尖结构和悬臂梁结构之后,在第二层顶层硅上设置光刻胶层,以保护所述探针的针尖结构及悬臂梁结构; 采用光刻工艺和干法刻蚀工艺在所述硅片的底层硅上加工形成所述探针的主体支撑结构,并使所述硅片的第二层二氧化硅埋层暴露出; 以及,除去所述硅片上的光刻胶,再除去暴露出的第二层二氧化硅埋层,形成所述硅基力值探针。
10.根据权利要求9所述的制作方法,其特征在于包括:在第二层顶层硅上涂覆厚度为15〜20 μπι的光刻胶层,以保护所述探针的针尖结构及悬臂梁结构。
11.根据权利要求3所述的制作方法,其特征在于:所述第一层顶层硅的厚度为5〜50 μπι;和/或,所述第二层顶层硅的厚度为I〜10 μπι;和/或,所述探针的悬臂梁长度为0.5mm 〜1mm0
12.由权利要求3-11中任一项所述方法制作的硅基力值探针。
CN201510684215.4A 2015-10-20 2015-10-20 硅基力值探针及其制作方法 Pending CN106586940A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510684215.4A CN106586940A (zh) 2015-10-20 2015-10-20 硅基力值探针及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510684215.4A CN106586940A (zh) 2015-10-20 2015-10-20 硅基力值探针及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106586940A true CN106586940A (zh) 2017-04-26

Family

ID=58555160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510684215.4A Pending CN106586940A (zh) 2015-10-20 2015-10-20 硅基力值探针及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106586940A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111198313A (zh) * 2018-10-31 2020-05-26 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司 微元件的检测装置及其制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7913544B1 (en) * 2006-11-15 2011-03-29 Applied Nanostructures, Inc. Scanning probe devices and methods for fabricating same
CN102012439A (zh) * 2010-10-12 2011-04-13 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 硅基自锐式afm探针的制备方法
CN102139855A (zh) * 2010-02-03 2011-08-03 中国科学院物理研究所 用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法
CN104755942A (zh) * 2012-08-31 2015-07-01 布鲁克纳米公司 用于扫描探针显微镜的微型悬臂梁探针及其制造方法
CN104749400A (zh) * 2015-03-23 2015-07-01 中国科学院半导体研究所 一种扫描探针及其制作方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7913544B1 (en) * 2006-11-15 2011-03-29 Applied Nanostructures, Inc. Scanning probe devices and methods for fabricating same
CN102139855A (zh) * 2010-02-03 2011-08-03 中国科学院物理研究所 用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法
CN102012439A (zh) * 2010-10-12 2011-04-13 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 硅基自锐式afm探针的制备方法
CN104755942A (zh) * 2012-08-31 2015-07-01 布鲁克纳米公司 用于扫描探针显微镜的微型悬臂梁探针及其制造方法
CN104749400A (zh) * 2015-03-23 2015-07-01 中国科学院半导体研究所 一种扫描探针及其制作方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111198313A (zh) * 2018-10-31 2020-05-26 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司 微元件的检测装置及其制造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Monolithic integration of pressure plus acceleration composite TPMS sensors with a single-sided micromachining technology
CN103303862B (zh) 基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法
Zou et al. New methods for measuring mechanical properties of thin films in micromachining: beam pull-in voltage (VPI) method and long beam deflection (LBD) method
CN103777037B (zh) 一种多梁式双质量块加速度传感器芯片及其制备方法
CN103439248B (zh) 测量tsv铜柱中残余应力的方法
CN104729784A (zh) 一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法
CN107796955B (zh) 多梁式单质量块面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法
CN103777038B (zh) 一种多梁式超高g值加速度传感器芯片及其制备方法
CN105372449B (zh) 高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构及其制造方法
CN107817364B (zh) 一种mems直拉直压式两轴加速度计芯片及其制备方法
CN108120858B (zh) 自激励自检测探针及其制作方法
CN106586940A (zh) 硅基力值探针及其制作方法
Rangelow et al. Plasma etching for micromechanical sensor applications
CN104931741B (zh) 微探针及其制备方法
CN103995022B (zh) 硅材料顶层硅杨氏模量和残余应力的测试结构及测试方法
CN106093471B (zh) 一种含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器及其制造方法
Zheng et al. Deposition of low stress silicon nitride thin film and its application in surface micromachining device structures
Ferreira et al. Reducing the probe ball diameters of 3D silicon-based microprobes for dimensional metrology
Murakami et al. Development of measurement system for microstructures using an optical fiber probe: improvement of measurable region and depth
Kohyama et al. Mems force and displacement sensor for measuring spring constant of hydrogel microparticles
CN106338618B (zh) 一种基于巨磁电阻效应的单轴mems加速度计
CN205374509U (zh) 一种高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构
Borenstein et al. Characterization of membrane curvature in micromachined silicon accelerometers and gyroscopes using optical interferometry
CN100447542C (zh) Mems力学微探针及其制备方法
Ma et al. A MEMS surface fence for wall shear stress measurement with high sensitivity

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170426