CN110127588A - 用于加工衬底材料的钝化层的探针 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于加工衬底材料的钝化层的探针。该探针包括：悬臂部分；尖端，所述尖端位于所述悬臂部分末端并从所述悬臂部分突出；所述悬臂部分的一端固定至支架并从所述支架水平延伸，且所述尖端设置在所述悬臂部分的远离所述支架的所述末端。使用根据本发明的探针，能够精确地进行竖直方向的调整，能够进行钝化层的无掩模图形化、高效快速、成本低、且工艺简化。

Description

用于加工衬底材料的钝化层的探针
技术领域
本发明涉及衬底材料的钝化层上的图形加工，具体是用于在衬底材料上钝化层上形成三维图形结构的探针。
本发明涉及衬底材料的钝化层上的图形加工，具体是用于加工衬底材料上钝化层的探针。
背景技术
随着微电子工艺的快速发展，器件的小型化发展的难度也日益增大。由于三维纳米结构的广泛应用，故三维器件的构造也成为提高器件集成度的一个重要途径。
目前，常见的制备三维结构的方法主要有双光子干涉曝光工艺、激光干涉曝光工艺、灰度曝光工艺、离子束刻蚀工艺及沉积工艺。但是，这些工艺均存在种种缺陷，比如，利用双光子干涉曝光工艺或激光干涉曝光工艺制备三维图形时，图形尺寸受光斑大小的影响很大，且制备得出的三维图形的最小尺寸都在微米或亚微米量级，很难达到纳米级的尺度精度。
因此本领域需要一种用于在衬底材料的钝化层上通过加热汽化钝化层材料而形成三维微纳米结构或图形的探针，取代传统的使用图形化掩膜版的光学光刻技术，从而实现高精度二维或者三维微纳结构图形直写和操纵，用以制备三维微纳米功能结构与器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在衬底材料的钝化层上制备三维图形结构的探针，通过对探针进行加热，并由精确的定位和运动控制，对图形化目标进行高精度的材料汽化。探针沿衬底平面运动或形成一定夹角运动从而形成三维立体结构，实现真正意义上三维结构的制备，为三维器件的加工提供新技术。此外，由于通过探针扫描对钝化材料进行汽化，探针运动阻力小，能够实现进行高精度的运动控制，从而能够通过该方法形成具有微纳米级别尺寸精度的三维立体结构。
为达到上述目的，本发明提供一种用于加工衬底材料的钝化层的探针，包括：
悬臂部分；
尖端，所述尖端位于所述悬臂部分末端并从所述悬臂部分突出；
所述悬臂部分的一端固定至支架并从所述支架水平延伸，且所述尖端设置在所述悬臂部分的远离所述支架的所述末端。
在一优选实施例中，所述悬臂部分包括悬臂支撑部和悬臂驱动部，所述尖端设置在所述悬臂驱动部的远离所述支架的末端；
所述悬臂驱动部和所述悬臂支撑臂的彼此相对的表面上分别设有电磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂部分包括悬臂支撑部和悬臂驱动部，所述尖端设置在所述悬臂驱动部的远离所述支架的末端；
所述悬臂驱动部和所述悬臂支撑臂的彼此相对的表面中的一个设有电磁片，另一个设有永磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分下方，在所述悬臂驱动部的上侧和所述悬臂支撑臂的下侧上彼此相对的位置分别设有电磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分下方，在所述悬臂驱动部的上侧和所述悬臂支撑臂的下侧上彼此相对的位置分别设有电磁片和永磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分上方，在所述悬臂驱动部的下侧和所述悬臂支撑臂的上侧上彼此相对的位置分别设有电磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分上方，在所述悬臂驱动部的下侧和所述悬臂支撑臂的上侧上彼此相对的位置分别设有电磁片和永磁片。
在一优选实施例中，所述悬臂部分包括沿长度方向设置的应变段，所述应变段由多层复合材料制成，所述多层复合材料的各层具有不同的热膨胀系数。
在一优选实施例中，所述悬臂支撑部分还包括沿长度方向设置的应变段，所述应变段由多层复合材料制成，所述多层复合材料的各层具有不同的热膨胀系数。
在一优选实施例中，所述应变段为沿长度彼此间隔开的多个应变段。
使用根据本发明的探针，能够精确地进行竖直方向的调整，能够进行钝化层的无掩模图形化、高效快速、成本低、且工艺简化；形成的结构尺寸精度可达到微纳米级；该探针不仅可用于形成二维结构，也可形成三维结构。
附图说明
图1为根据本发明的衬底材料的俯视示意图；
图2为图1所示的衬底材料的主视示意图；
图3为探针位于衬底材料的钝化层上方的示意图；
图4为通过探针在衬底材料的钝化层上形成二维图形的示意图；
图5为通过探针在衬底材料的钝化层上形成三维图形的示意图；
图6A为探针的示意图，而图6B为探针尖端的放大示意图；
图7为衬底材料的钝化层为氧化层的示意图；
图8为衬底材料的钝化层为氧化层上设有光刻胶的复合结构；
图9为探针的支撑臂的第一实施例的示意图；
图10为探针的支撑臂的第二实施例的示意图；
图11为探针的支撑臂的第三实施例的示意图；
图12为探针的支撑臂的第四实施例的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
本发明涉及一种在衬底材料的钝化层上形成三维图形结构的方法。参见图1，示出了可适用本发明方法的各种衬底材料例如衬底材料1和衬底材料2，它们放置在载物台3上。图1中所示衬底材料2呈方形和圆形，但应理解，衬底材料2也可呈矩形、椭圆形或其他不规则形状。衬底材料2可以是硅片、玻璃片或陶瓷片等。图2示出其侧视图。首先在例如衬底材料2的干净衬底材料上制备钝化层5。较佳地，在制备钝化层5之前，对衬底材料2进行清洗。具体的清洗方法和清洗步骤根据衬底材料2的材料来选择。例如，在衬底材料2是硅片的情况下，清洗步骤包括加热、煮沸、冲洗。去除衬底材料2上的表面杂质、氧化物或其他非衬底材质的杂质，以避免衬底材料2上的表面杂质、氧化物或其他非衬底材质的杂质影响钝化层5的形成以及形成的钝化层5的致密性、坚固性、耐腐蚀性和耐刻蚀性。在清洗完成之后制备钝化层5。钝化层5可以通过氧化、气相沉积、或者涂覆等来形成。钝化层5可以是单层，例如是光刻胶层，或者是氧化硅、氮化硅或金属层，也可以是复合层，例如在氧化硅、氮化硅或金属层上设有光刻胶的复合层。在使用上述复合层时，较佳地通过旋涂的方式将光刻胶涂覆在位于其下方的氧化硅、氮化硅或金属层上。该涂覆方法方便快捷，且涂覆形成的光刻胶层13的均匀性好。在具体实施时，可根据需要选择不同的钝化层。
接着，提供探针4，探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42，如图6所示。如图3所示，将用于扫描汽化的探针4置于衬底材料2的钝化层5上方，然后将探针4的尖端42靠近钝化层5。
然后加热探针4，具体是加热探针4的尖端42，将其加热至能将钝化层5汽化的温度。具体地，将尖端42加热至钝化层5上表面的材料能够汽化的温度。对于不同结构的钝化层，该加热温度也不相同，例如，在钝化层5为光刻胶层的情况下，加热温度为200℃-500℃，更通常是在300-400℃。而在钝化层5为金属层的情况下，加热温度可高达1000℃。
当探针4的尖端42被加热至使得钝化层5能够汽化的温度时，将探针4，具体是尖端42在钝化层5上方移动。尖端42在钝化层5上方移动的方式类似于扫描式移动，其移动根据预定的三维图形通过控制系统进行。控制系统能够接收图纸输入，并将其转换为相应的动作信号，从而引导探针进行扫描式移动。在尖端42扫描经过之处，钝化层5汽化，从而在钝化层5上形成三维图形。具体地，是的尖端42在钝化层5移动至预定的竖直位置，并在该竖直位置所在的水平平面内水平移动。在进行完一个竖直位置的水平平面内的扫描移动之后，尖端42移动至下一竖直位置，并在该下一竖直位置所在的水平平面内水平移动，如此重复，直至将预定的三维图形形成在钝化层5上。由于尖端42的移动几乎没有阻力，通过精确控制，尖端42从一个竖直位置到下一竖直位置之间的距离可达到1纳米。
通过上述方法既能够在钝化层5上形成二维图形(见图4)也能在钝化层5上形成三维图形(见图5)。这里，二维图形是指形成的图形在不同的竖直位置截面相同，而三维图形是指形成的图形在不同的竖直位置截面不同。
在钝化层5上形成三维图形之后，将带有图形化的钝化层5的衬底材料2放入可腐蚀钝化层5的化学溶液中，去除钝化层5。在钝化层5是光刻胶和氧化硅、氮化硅或金属层形成的复合层的情况下，首先去除光刻胶层，再去除氧化硅、氮化硅或金属层。再之后利用后续工艺，比如扩散工艺、薄膜工艺、牺牲层工艺、互连工艺、湿法腐蚀工艺、干法刻蚀工艺、蒸镀工艺以及溅射工艺等对衬底材料进行加工，即可在衬底材料上形成三维纳米结构或图形。
如上文所述，探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42。图6中还示出了尖端42的放大图。其中尖端42包括底座421，该底座421与悬臂部分41一体形成或固定连接至悬臂部分41。在该底座421内设有多个电极425。各支撑臂423从底座421延伸并在远离底座421的端部连接至针尖部422。支撑臂422由耐高温材料制成，在支撑臂422内部可设置导线，用于连接针尖部422与底座421内的电极。较佳地，支撑臂422呈弯曲形状，从而防止支撑臂422由于触碰或高温而折断。多个电极425包括多个加热电极以及至少一个感温电极。尖端42通过各加热电极加热到所需的预定温度。感温电极用于感测尖端42的温度。感测电极可以是例如热电偶，通过测量随温度变化的电阻来确定感测电极的温度。
尖端42的温度控制通过PID控制(比例-积分-微分控制)来实现。为探针4提供控制器，通过感测电极测得尖端42的温度，并由控制器将测得的温度与预定温度比较，当测得的温度与预定温度之差达到一定数值时，则通过增加或减少工作的加热电极的数量、增大或降低加热电极的功率、以及启动或者停止各加热电极的工作来调节尖端42的温度。在各个加热电极功率不同的情况下，还可根据需要选择不同的加热电极组合来减少或增加正在运行的所述加热电极的总功率以调节尖端42的温度。
图9-12中示出了对探针2进行精确定位的结构。具体地，如图9所示，探针4由支架6支撑。支架6可构造成能够对探针4的悬臂部分进行支撑的任何结构。在图示实施例中，支架6为大致竖直延伸的支撑杆。悬臂部分的一端固定至支架6并从支架6水平延伸，尖端42设置在悬臂部分的远离支架6的一端。在该实施例中，悬臂部分包括悬臂支撑部412和悬臂驱动部413。悬臂驱动部413的远离支架6的末端设有尖端42。悬臂驱动部413与悬臂支撑部412沿竖直方向彼此紧邻并间隔开。如图7所示，在悬臂支撑部412的下侧设有电磁片416，而在悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412下方且在其上侧与电磁片416相应的位置设有电磁片71。在需要将悬臂支撑部412下移从而将尖端42下移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相反，通过电磁片416与71之间的吸引力而使悬臂支撑部412下移，从而带动尖端42下移。在需要将悬臂支撑部412上移从而将尖端42上移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相同，通过电磁片416与71之间的排斥力而使悬臂支撑部412上移，从而带动尖端42上移。在所示实施例中，悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的下方，但应理解，也可将悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的上方。在该情况下，则在悬臂支撑部412的上侧和悬臂驱动部413的下侧的彼此相对位置设置电磁片416和71。
此外，可在悬臂支撑部412和悬臂驱动部413上设置一组以上的电磁片。例如在图10中所示的，在悬臂支撑部412上侧和悬臂驱动部413的下侧各设置有三组电磁片。
此外，还应理解，也可将每组电磁片416和71中的一个设置为永磁体片，而另一个为电磁片。
采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，能够通过精确调整通往电磁片的电流来调整悬臂支撑部412与悬臂驱动部413之间吸引力或排斥力的大小，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米。
图11示出了另一实施例。在该实施例中，在悬臂部分上设有沿其长度布置的一个应变段417。该应变段417由多层复合材料制成。多层复合材料中的各层具有不同的热膨胀系数，当温度变化时，各层材料发生不同程度的膨胀或收缩变形。例如，应变段417可由两种不同材料层复合而成。通过控制应变段417的温度，使得应变段417发生向上或向下的弯曲，由此带动悬臂部分整体上移或下移，进而带动实现尖端42上移或下移。此外，可在悬臂部分上设置一个以上的应变段417。例如在图12中示出的，悬臂部分上设置有三个应变段417。
通过采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，可通过控精确制应变段417的温度变化来控制应变段417的弯曲，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米。
上述实施例中示出了采用电磁片和应变段来实现悬臂部分上的尖端42沿竖直方向移动的实施例。但应理解，也可在悬臂部分上组合采用电磁片和应变段来实现悬臂部分的上移和下移。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种用于加工衬底材料的钝化层的探针，包括：
悬臂部分；
尖端，所述尖端位于所述悬臂部分末端并从所述悬臂部分突出；
所述悬臂部分的一端固定至支架并从所述支架水平延伸，且所述尖端设置在所述悬臂部分的远离所述支架的所述末端。
2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，
所述悬臂部分包括悬臂支撑部和悬臂驱动部，所述尖端设置在所述悬臂驱动部的远离所述支架的末端；
所述悬臂驱动部和所述悬臂支撑臂的彼此相对的表面上分别设有电磁片。
3.根据权利要求2所述的探针，其特征在于，
所述悬臂部分包括悬臂支撑部和悬臂驱动部，所述尖端设置在所述悬臂驱动部的远离所述支架的末端；
所述悬臂驱动部和所述悬臂支撑臂的彼此相对的表面中的一个设有电磁片，另一个设有永磁片。
4.根据权利要求2所述的探针，其特征在于，
所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分下方，在所述悬臂驱动部的上侧和所述悬臂支撑臂的下侧上彼此相对的位置分别设有电磁片。
5.根据权利要求3所述的探针，其特征在于，
所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分下方，在所述悬臂驱动部的上侧和所述悬臂支撑臂的下侧上彼此相对的位置分别设有电磁片和永磁片。
6.根据权利要求2所述的探针，其特征在于，
所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分上方，在所述悬臂驱动部的下侧和所述悬臂支撑臂的上侧上彼此相对的位置分别设有电磁片。
7.根据权利要求3所述的探针，其特征在于，
所述悬臂驱动部设置在所述悬臂部分上方，在所述悬臂驱动部的下侧和所述悬臂支撑臂的上侧上彼此相对的位置分别设有电磁片和永磁片。
8.根据权利要求4所述的探针，其特征在于，
所述悬臂部分包括沿长度方向设置的应变段，所述应变段由多层复合材料制成，所述多层复合材料的各层具有不同的热膨胀系数。
9.根据权利要求5所述的探针，其特征在于，
所述悬臂支撑部分还包括沿长度方向设置的应变段，所述应变段由多层复合材料制成，所述多层复合材料的各层具有不同的热膨胀系数。
10.根据权利要求8或9所述的探针，其特征在于，
所述应变段为沿长度彼此间隔开的多个应变段。
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