CN117751290A - 具有内置角度的计量探针及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种批量制造用于表面分析仪器(例如原子力显微镜(AFM))的探针装置的阵列的方法包括：提供晶圆；以及针对每个探针以光刻的方式形成基部和悬臂。该悬臂包括相对于基部的内置角度9，并且在探针装置被安装在表面分析仪器的探针保持器中时，基部基本上平行于样品保持器。
Description
技术领域
优选实施方式涉及一种用于计量仪器的探针装置及对应的制造方法，并且更具体地，涉及一种原子力显微镜(AFM)探针装置，该原子力显微镜探针装置包括具有内置角度的悬臂以适应AFM的光学偏转检测系统。
背景技术
诸如原子力显微镜(AFM)的扫描探针显微镜(SPM)是使用尖锐的末端和小的力来表征样品的表面直至原子尺寸的装置。通常，将SPM探针的末端引入样品表面以检测样品的特性。通过提供末端与样品之间的相对扫描运动，可以采集在样品的特定区域上的表面特征数据，并且可以生成样品的对应的图。
AFM通常采用平坦的或具有一些无意的小角度，具有从基部延伸的悬臂的探针，并且悬臂和基部的表面基本上在同一平面上，悬臂从基部延伸。末端驻留在悬臂的远端周围，并且通常从悬臂的平面正交地延伸。
AFM及其操作概述如下。典型的AFM系统如图1所示。AFM 10采用了探针装置12，探针装置12包括探针14，探针14具有悬臂15。扫描仪24在测量探针-样品相互作用的同时在探针14与样品22之间产生相对运动。以这种方式可以获取样品的图像或其他测量值。扫描仪24通常由一个或更多个致动器组成，这些致动器通常在三个正交方向(XYZ)上产生运动。通常，扫描仪24是单个集成的单元，该单元包括一个或更多个致动器以在所有三个轴上移动样品或探针，例如压电管致动器。替代性地，扫描仪可以是多个单独的致动器的组合件。一些AFM将扫描仪分成多个部件，例如移动样品的XY扫描仪和移动探针的单独的Z致动器。因此，该仪器能够在探针与样品之间产生相对运动，同时测量样品的形貌或一些其他表面特性，如在例如Hansma等人的美国专利第RE 34,489号、Eling等人的美国专利第5,266,801号、Eling等人的美国专利第5,412,980号中所描述的。
在常见配置中，探针14通常耦合到致动器或驱动器16，该致动器或驱动器16用于使探针14以悬臂15的谐振频率或接近悬臂15的谐振频率振荡。替代性的配置测量悬臂15的偏转、扭转或其他运动。探针14通常是具有集成的末端17的微加工悬臂。
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(或者替代性地扫描仪24)驱动探针14振荡。探针-样品相互作用通常经由通过控制器20的反馈来控制。值得注意的是，致动器16可以耦合到扫描仪24和探针14，但可以与探针14的悬臂15一体地形成，作为自致动悬臂/探测的一部分。
如上面所描述的，当通过检测所选择的探针14的振荡的一个或更多个特性的变化来监测样品特性时，通常探针14会振荡并与样品22接触。在这方面，偏转检测设备25通常用于将光束引导朝向探针14的背侧，然后该光束被反射朝向检测器26。当光束平移穿过检测器26时，在块28处对适当的信号进行处理以：例如，确定RMS偏转并将其传输到控制器20，控制器20对信号进行处理以确定探针14的振荡的变化。通常，控制器20生成控制信号以维持末端与样品之间相对恒定的相互作用(或杆状件15的偏转)，通常以维持探针14的振荡的设定点特性。更特别地，控制器20可以包括PI增益控制块32和高压放大器34，PI增益控制块32和高压放大器34对误差信号进行调节，该误差信号是通过利用电路30将与由末端-样品相互作用引起的探针偏转相对应的信号与设定点进行比较而获得的。例如，控制器20通常用于将振荡幅度维持在设定点值AS，以确保末端与样品之间的力大致恒定。替代性地，可以使用设定点相位或频率。
还在控制器20中以及/或者在所连接的或独立控制器的单独的控制器或系统中提供工作站40，工作站40从控制器接收收集的数据并对在扫描期间获得的数据进行操纵以执行点选择、曲线拟合，以及距离确定操作。
AFM工具的光学感测/检测系统使用激光从探针的悬臂上反弹并且反弹到传感器上，传感器对例如亚纳米级位移进行检测。激光源和传感器彼此相距一定距离，这使得激光必须以已知角度偏离悬臂才能被传感器检测到。传统的方法是将已知的角度机加工到探针的安装夹具(即探针保持器)中。图2示意性地说明了这一点。
图2示出了安装在AFM头部/探针保持器52中的探针装置50。探针装置50包括基部54，其中探针56从基部54延伸，探针56与基部54的底部表面69成一条线。探针56包括悬臂58，悬臂58具有支撑末端62的远端60，末端62在AFM操作期间与由样品保持器67支撑的样品64的表面65相互作用。如所指出的，AFM头部52或其一部分(例如，探针保持器)被配置成容纳探针装置50，使得该装置以一定角度从探针保持器52延伸，从而定位探针56的末端62，使得其大致正交于样品表面65延伸。探针组件50利用例如弹簧加载夹状件66保持在头部52中。
如上面所描述的，AFM工具的感测系统使用激光，该激光被引导向探针的悬臂并从探针的悬臂反弹，然后到达对微小位移进行检测的传感器。激光源和传感器在AFM头部中以彼此相距一定距离而定位，这使得激光必须使悬臂以一定角度偏转才能被传感器检测到。传统的方法是将已知的角度机加工到探针的安装夹具中。这种传统方法的缺点是安装件中探针的任何XY偏移都会直接转化成探针末端与样品之间的Z方向的偏移。另外，成角度的安装件中探针的力/质量平衡并不理想，并且导致捕获次优图像。这种图像质量的下降最容易在因追踪样品形貌而导致的探针的高速z驱动中观察到，或者在亚共振成像模式(例如峰值力轻敲)下探针的竖直驱动中最容易观察到，其中末端质量相对于Z方向的不对称性在成角度的末端安装件上会激发在z扫描仪中不希望的寄生运动。此外，AFM使用者必须考虑末端位置，以确保其在末端-样品接合处基本上正交于样品表面而延伸。
鉴于上述情况，原子力显微镜领域需要一种能够克服上述与适当探针位置相关的缺点的探针用来保持末端-样品关系的完整性。更特别地，被设计成避免依赖探针安装件来适应适当的探针位置的探针将是理想的。还需要一种批量制造此类探针的方法。
注意，“SPM”和特定类型的SPM的首字母缩略词在本文中可以用于指代显微镜设备或相关技术，例如“原子力显微镜”。
发明内容
优选的实施方式通过提供具有内置角度的探针以及对应的制造方法来克服现有解决方案的缺点，该制造方法提供了可重复性很高且探针之间一致的用户体验。另外，使用此处引用的公开设计，末端质量的大部分分布在与Z运动正交的平面中，从而减少寄生运动的影响，有助于保持图像质量。如本文讨论的设计的悬臂角度的制造可以应用于几乎所有AFM探针产品。由于该工艺允许批量制造，因此制造成本与现有产品的成本非常相似，并且产量很高。
根据优选的实施方式的第一方面，一种批量制造用于表面分析仪器的探针装置的方法包括：提供晶圆；以及针对每个探针以光刻的方式形成基部和悬臂。悬臂包括相对于基部的内置角度θ。在探针被安装在表面分析仪器的探针保持器中时，基部基本上平行于样品保持器。
在另一方面，所提供的所述提供步骤包括：将离轴晶圆(111)与基板晶圆接合。该方法接下来包括：通过研磨和抛光来减小离轴晶圆的厚度。
在该实施方式的另一方面，该方法包括：对离轴晶圆进行蚀刻，以留下所述离轴晶圆的具有针对每个探针而言相对于所述基板晶圆成角度的表面的部分，并且该角度θ为8°至15°。优选地，该角度为约12°。所述蚀刻步骤使用KOH蚀刻达选定的时间量。
根据该优选的实施方式的又一方面，该方法包括：在晶圆上沉积氮化硅层；以及以光刻的方式对晶圆的背侧进行图案化。利用KOH蚀刻对晶圆的背侧进行蚀刻以释放该背侧，并且然后该方法包括对氮化硅层进行剥离。
根据另一实施方式，一种用于包括探针保持器的表面分析仪器的探针装置包括基部和悬臂。当探针组件以基部与表面分析仪器的探针保持器之间的角度β安装在表面分析仪器中时，角度β为0°。
探针组件还包括末端。悬臂从基部以角度θ延伸至末端，使得在引入到样品时，所述末端在基本上正交于样品的表面的方向上延伸。角度θ为8°至15°，更优选地为约12°。
在另一探针实施方式中，AFM探针通过包括下述步骤的工艺而被微制造：提供晶圆；以及针对每个探针以光刻的方式形成基部和悬臂。作为此工艺的结果是，悬臂包括相对于基部的内置角度θ。
在该实施方式的另一方面中，当探针安装在AFM的探针保持器中时，基部基本上平行于样品保持器，并且其中，角度θ为8°至15°。此外，该工艺的所述提供步骤包括：将离轴晶圆与基板晶圆接合。
根据以下详细描述和附图，本发明的这些和其他目的、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。然而，应当理解的是，详细描述和具体示例在指示了本发明的优选的实施方式时，以说明而非限制的方式给出。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内做出许多改变和修改，并且本发明包括所有这样的修改。
附图说明
本发明的优选的示例性实施方式在附图中示出，其中相同的附图标记始终表示类似的部件，并且在附图中：
图1是现有技术的表面分析仪器诸如原子力显微镜(AFM)的示意图；
图2是现有技术的以常规方式制造的、安装在探针保持器中的探针的示意性侧视图，该探针保持器被制造成具有一定角度，以便允许探针的末端在AFM操作期间正交于样品表面而延伸；
图3是安装在AFM头部中并且根据优选的实施方式制造的探针的示意性侧视图，该探针具有以已知角度从探针的基部延伸的悬臂，以适应相对于样品以正交的方式定位探针末端；
图4是示出制造具有如图3所示的成角度悬臂的探针的方法的流程图；
图5A至图5L是根据优选的实施方式的根据图4的方法微制造的AFM探针的示意性侧视图，以便具有相对于探针基部成角度的悬臂。
图6是根据图4和图5A至图5L所示的方法制造的探针的示意性侧视图；以及
图7是根据优选的实施方式的根据图4和图5A至图5L所示的方法制造的探针的图像。
具体实施方式
再次参照图2，用于诸如原子力显微镜(AFM)的表面分析仪器的并且以传统方式制造的探针装置50必须以探针装置的基部54的底部表面69与AFM/探针保持器的底部表面68之间的角度β安装在AFM头部/探针保持器52中。以这种方式，探针末端基本上正交于样品保持器67的支撑具有待成像表面65的样品64的平面。这通常是利用适当机加工的探针保持器来完成的，然后将探针保持器安装在AFM头部中。这种布置的缺点已经在前面讨论过，包括探针的XY位置变化，当采用成角度安装时，探针的XY位置变化直接影响末端的Z位置。
转向图3，探针装置70包括探针71，探针71具有悬臂72，悬臂72从装置70的基部74延伸，基部74从基板形成(例如，以光刻的方式在硅晶圆上图案化)，探针装置70包括自由端76，自由端76支撑末端78。探针装置70的末端78包括远端80(即，顶点)以及圆锥形或金字塔形的基部或主体，远端80可以具有不同半径的半球形形状。值得注意的是，与现有技术的探针装置50(图2)的探针56的悬臂不同(探针56的悬臂从该悬臂与基部的界面线性延伸至该悬臂的远端，该悬臂的远端支撑该悬臂的末端62)，悬臂72从基部74以设定角度θ延伸。下面进一步讨论具有内置角度θ的探针装置70的制造。结合图2和图3一起考虑可以说明操作差异。
对于图2中已知的探针56，AFM头部或探针保持器52必须配置有角度β，使得当探针装置50安装在头部中时，从悬臂的背侧偏离的激光被引导至光学偏转检测装置的传感器。在该设计中，当末端62与样品表面65接触时，末端62基本上正交于样品表面65而延伸。弹簧加载的夹状件66将探针装置50保持在探针保持器52中，使得探针末端62与样品64之间的这种关系得以维持。相比之下，在优选的实施方式中，AFM头部/探针保持器82不必配置有用于允许末端78与由样品保持器92支撑的样品90之间的这种正交关系的角度。在这种情况下，探针保持器82的底部表面77与探针装置70的基部74的底部表面75的角度为零(β＝0°)，并且探针装置70本身设计有必要的角度(θ)以适应偏转检测设备。值得注意的是，对于不同的探针设计和不同的样品，角度θ可能需要不同，用以维持正交的末端-样品关系并适应光学偏转检测方案。在探针设计中纳入角度为仪器设计提供了灵活性。也就是说，当探针被制造成具有内置角度时，单个AFM头部/探针保持器设计82可以用于具有不同类型的探针和待成像的样品的不同应用中。
在图4的流程图中阐述了用于制造具有该内置角度的探针的微制造工艺，并且将连同图5A至图5L中制造探针的每个步骤的图示一起进行描述。在图4中，图4中示出了制造具有内置角度的AFM探针的方法100。最初，在步骤102中，优选地，将具有裸露表面的离轴晶圆200热熔接合至基板晶圆202(例如，具有氧化表面的标准<100>取向硅晶圆)，在离轴晶圆200与基板晶圆202之间留下氧化物层204(图5A)。离轴晶圆的晶体结构最终产生探针悬臂的角度，如下文进一步所描述的。离轴晶圆可以由以下限定：<111>取向，朝向<100>晶体方向加工θ度。图5A所示的接合的晶圆具有前侧201和背侧203。接下来，方法100包括：在步骤104中，通常通过研磨和/或抛光来减小离轴晶圆200的厚度，从而留下晶圆200的厚度t(图5B)。该厚度t在约20微米至40微米的范围内，并且优选地该厚度t为约30微米，并且有助于探针的悬臂的长度，如下文进一步所示和描述的。
然后，方法100包括：在步骤106中，生长氧化物层，如图5C所示，在前侧201上留下层206，并且在背侧203上留下较厚的氧化物层208(由于标准晶圆的被氧化的表面而较厚)。
在步骤108中，使用包括掩膜的标准光刻技术对前侧氧化物层206进行图案化，从而留下氧化物层206的氧化物210的部分，如图5D所示。
转向图5E，在步骤110中，执行对离轴晶圆的蚀刻。控制蚀刻的时间和材料以产生期望的杆状件角度。优选地，采用KOH蚀刻。更特别地，控制各向异性KOH蚀刻的参数以沿着离轴晶圆的晶面蚀刻，从而产生角度θ。对于角度θ的典型范围为8°至15°，并且更优选地为10°至12°，或者11°至13°，其中优选的为约12°。
接下来，在步骤112中，在键合晶圆上生长氮化硅Si3N4，作为层212(图5F)，并且然后沉积适当的掩膜并且对氮化物进行图案化，如所示。背侧光刻步骤(步骤114)将最终限定正在制造的探针装置的场域的每个基部。背侧图案化的氮化物在相对于产生角度θ(图5E)的前侧光刻的策略位置214(图5F)处使晶圆202暴露。就此而言，在步骤116中，执行背侧蚀刻(优选地，KOH)(产生探针装置基部的成角度的表面216，见图5G)。标准晶圆的所暴露的表面位置214被策略性地放置，因此当执行背侧KOH步骤时，杆状件开始成角度的点靠近基部的边缘(如下讨论并示出的)。
然后，在步骤118中，对氮化物进行剥离(图5H)。然后，在步骤120中，生长悬臂材料，例如选定厚度的氮化硅(图5I中的218)。前侧表面和背侧表面包括氮化硅层，如图5I所示。在步骤122中，使用另一光刻步骤对键合晶圆的前侧上的杆状件的区域进行图案化。如图5J所示，杆状件包括氮化物218的沿着基板的表面延伸的部分220以及成角度的并且将成为悬臂的操作部分的部分222。接下来，在步骤124中，执行对氮化物的背侧剥离(图5K)。最后，在步骤126中，执行另一KOH蚀刻，以从基板释放探针并且从晶圆剥离氧化物。结果，方法100产生多个探针装置/组件300，探针装置/组件300具有从基部304延伸的相应的悬臂302，如图5L所示。
图6和图7更具体地示出了使用图4和图5的方法100的所得产品。在图6的示意图中，探针装置300包括从基部304延伸的悬臂302。杆状件302与基部304形成角度θ，角度θ同样优选地为约12°。在杆状件的远端处，支撑末端306。末端306可以被胶合(DLC末端)或使用诸如电子束沉积(EBD SEM)的已知技术形成，并且可以相对于基部以任何角度定向。总体而言，利用优选的实施方式实现了严格控制末端相对于悬臂的自由端的位置。图7中示出了所得的探针组件的图像。通过以这种方式形成探针装置，其中悬臂302具有内置角度θ，因此无需调整AFM头部或探针保持器的角度，就能提供从悬臂背侧反射的激光束。另外，当末端306和样品表面被引入时，末端306将基本上正交于样品表面而延伸。不需要AFM仪器提供适应光学偏转检测设备的角度，并且实现了这种基本上正交的关系，AFM性能将得到改善。例如，使用者受益于安装件与探针之间更好的质量平衡，从而在某些类型应用中产生改善的成像，诸如在AFM成像的峰值力轻敲(PFT)模式中。
此外，当进行如本文所描述的批量制造时，用户体验可重复性很高且探针之间是一致的。另外，使可能会直接影响末端的Z位置的具有成角度的安装件的探针的任何XY位置变化最小化。将角度从安装件转移到悬臂的内置角度可以消除由于XY探针定位在安装件上而产生的任何Z效应。将角度从安装件转移到内置角度悬臂的另一好处是将悬臂的大部分质量分布在与Z运动正交的平面上。这样做，可以通过减少与末端质量从成角度的末端安装件沿Z方向倾斜相关而引起的寄生运动来提高扫描组件的动态稳定性。总之，优选的探针设计和制造技术的应用涵盖了广泛的现有AFM、探针及其相关应用。另外，这些成角度的悬臂上的末端通常为类金刚石碳，并且因此，探针装置的使用寿命得到了延长。
尽管上面公开了发明人设想的实施本发明的最佳方式，但是本发明的实践不限于此。显然，在不背离本发明构思的精神和范围的情况下，可以对本发明的特征进行各种添加、修改和重新布置。
Claims (20)
1.一种批量制造用于表面分析仪器的探针装置的阵列的方法，所述方法包括：
提供晶圆；
针对每个探针装置以光刻的方式形成基部和悬臂；以及
其中，所述悬臂包括相对于所述基部的内置角度θ。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述探针被安装在所述表面分析仪器的探针保持器中时，所述基部基本上平行于样品保持器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提供步骤包括：将离轴晶圆(111)与基板晶圆接合。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括：通过研磨和抛光中的至少一者来减小所述离轴晶圆的厚度。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括：在所述晶圆上生长氧化物以及对所述阵列进行图案化。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：对所述离轴晶圆进行蚀刻，以留下所述离轴晶圆的具有针对每个探针而言相对于所述基板晶圆成角度的表面的部分，并且其中，所述角度θ为8°至15°。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述蚀刻步骤使用KOH蚀刻达选定的时间量。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
在所述晶圆上沉积氮化硅层；
以光刻的方式对所述晶圆的背侧进行图案化；以及
利用KOH蚀刻对所述晶圆的所述背侧进行蚀刻以释放所述背侧，以及对所述氮化硅层进行剥离。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：在所述晶圆上沉积氮化硅的第二层，并且然后对所述探针装置的所述悬臂进行图案化。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基板是具有被氧化的表面的硅晶圆。
11.一种探针装置，所述探针装置用于表面分析仪器，所述表面分析仪器包括探针保持器，所述探针装置包括：
基部；
悬臂；
其中，所述探针装置以所述基部与所述表面分析仪器的所述探针保持器的表面之间的角度β安装在所述表面分析仪器中，所述探针保持器的表面基本上平行于所述表面分析仪器的样品保持器的安装表面，并且其中，β为0°。
12.根据权利要求11所述的探针装置，所述探针装置还包括：
末端；以及
其中，所述悬臂从所述基部以角度θ延伸至所述末端，使得在引入到样品时，所述末端在基本上正交于所述样品的表面的方向上延伸。
13.根据权利要求12所述的探针装置，其中，所述角度θ为8°至15°。
14.根据权利要求13所述的探针装置，其中，所述角度θ为约12°。
15.根据权利要求11所述的探针装置，其中，所述悬臂由氮化硅(Si3N4)制成。
16.根据权利要求12所述的探针装置，其中，所述末端为类金刚石碳(DLC)末端。
17.根据权利要求11所述的探针装置，其中，所述表面分析仪器为AFM。
18.一种AFM探针装置，所述AFM探针装置通过包括下述步骤的工艺而被微制造：
提供晶圆；
针对每个探针装置以光刻的方式形成基部和悬臂；以及
其中，所述悬臂包括相对于所述基部的内置角度θ。
19.根据权利要求18所述的探针装置，其中，在所述探针装置被安装在所述AFM的探针保持器中时，所述基部基本上平行于样品保持器，并且其中，所述角度θ为8°至15°。
20.根据权利要求18所述的探针装置，其中，所述提供步骤包括：将离轴晶圆(111)与基板晶圆接合。
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