CN1866407A - Mems力学微探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS力学微探针及其制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域。该探针包括探针体、衬底和若干个固定锚点，探针体包括：T型探针头、弹性梁、两个梳齿电容及标尺结构，T型探针头通过与固定锚点连接的弹性梁悬浮于衬底之上，梳齿电容分别设置在T型探针头的肩部，梳齿电容的正/负极板与固定锚点相连，另一负/正极板与T型探针头相连，标尺结构包括：动尺和定尺两部分，动尺与T型探针头连接，定尺与固定锚点相连，探针体和衬底通过上述固定锚点固定连接。本发明利用弹性折梁受力形变与所受外力成正比，以及梳齿间静电力与梳齿间电压的平方成正比的原理，读出被测样品所受力的大小，具有读数简单、工艺易于实现的特点。

Description

MEMS力学微探针及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，特别是涉及一种MEMS力学微探针及其制备方法。

背景技术

微电子机械系统〔MEMS〕技术作为九十年代发展起来的一项跨学科新兴技术，对提高生活品质和综合国力具有无法替代的作用，并且是许多传统行业拓展其技术含量的一种重要手段。MEMS的跨学科特点，使其在发展过程中涉及的研究领域和加工技术种类繁多。在众多的MEMS加工技术中，硅基加工工艺，由于加工手段效率高、成本低、可与集成电路工艺兼容等优势，成为科研人员普遍采用的MEMS加工工艺主流。

在MEMS的研究和应用中微力输出的实现和微位移的检测是一个充满挑战的领域。微力的输出及微位移检测主要由微力控制、微力传感和微位移检测构成。由于受到传统精密机械加工方法的局限，一直没有一套操作简便、成本低廉、行之有效的微力输出及微位移检测的解决方案，目前只有价格昂贵、操作较为复杂的纳米压痕仪或类似设备能够完成这样的测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于硅基MEMS加工工艺的力学微探针及其制备方法，具有结构简单，工艺易于实现，成品率高，使用便捷的特点。

一种MEMS力学微探针，包括：探针体、衬底和若干个固定锚点，探针体包括：T型探针头、弹性梁、两个梳齿电容及标尺结构，T型探针头通过与固定锚点连接的弹性梁悬浮于衬底之上，梳齿电容分别设置在T型探针头的肩部，梳齿电容的正/负极板与固定锚点相连，另一负/正极板与T型探针头相连，正负极板间存在电势差，标尺结构包括：动尺和定尺两部分，动尺与T型探针头连接，定尺与固定锚点相连，探针体和衬底通过上述固定锚点固定连接。

衬底上设有金属电极和金属引线，金属电极通过和固定锚点电学接触的金属引线与探针体实现电学连接。

弹性梁可为各种形状的折叠梁或直梁。

梳齿电容极板宽4-8微米，极板间距2-6微米。

一种微探针的制备方法，其步骤包括：

(1)键合区制作：在硅片上利用光刻和刻蚀技术制作台阶，该台阶即固定锚点；

(2)金属电极和引线结构制作：在衬底上利用光刻和物理气相淀积或化学气相淀积技术制作出金属电极和金属引线结构；

(3)硅片与衬底键合：在硅片上制作完成固定锚点之后，上、下表面翻转，将上表面已制作好的键合区与已经制作完金属电极和金属引线的衬底进行阳极键合；

(4)探针体结构制备：将硅片从背面减薄，然后光刻形成探针体结构图形，再利用电感耦合高密度等离子体刻蚀将硅片从背面刻蚀穿通，在刻蚀中被保留的部分就是探针体结构。

步骤1进一步包括：台阶高度为2-10um。

步骤2进一步包括：浅槽深1000-1200埃，淀积的金属层厚度为1500到2000埃。

步骤3进一步包括：键合电压600-1000V，键合温度350-360℃。

步骤4进一步包括：硅片减薄余厚20-80微米。

本发明的原理：

外加电压于衬底的金属电极上，电压通过金属电极加在梳齿电容的极板上，在电势差的作用下，梳齿电容上将产生静电驱动力F₁。在F₁的作用下T型探针头将向前(图左侧)运动，并使弹性悬挂梁结构产生形变，梁结构由于形变将产生应变应力F₂。T型探针头的位移可以通过标尺的动尺和定尺的差值读出，根据胡克定律，由T型探针头的位移及弹性悬挂梁结构的弹性系数可以得到F₂的大小。探针针尖作用在待测样品上的作用力F₃等于F₁减去F₂。

同时，检测微小位移时，可以将待测物体轻顶在探针针尖处，当待测物体发生位移或形变时推动针尖发生位移，T型探针头的位移将改变梳齿电容的极板正对面积，由此改变梳齿电容的大小。通过对电容值变化量的测量可以得到T型探针头的位移值，同时得到待测物体的位移或形变。测量位移的精度与测量电容的仪器精度以及取样电容的大小等参数密切相关。

本发明的优点与技术效果

1、静电驱动型力学微探针利用梳齿间的静电作用力，将外加电压转换为驱动力。由于对输入电压大小的调控方便、简单，因此扩大了微探针能够输出的力的范围。而通过改变梳齿结构(数量、间距)设计，也可以达到调控最终输出力的范围；

2、静电驱动型力学微探针将电压输入和标尺读出相结合，使对输出力的检测更为准确；

3、利用静电驱动型探针还可以实现微小位移的测量，当探针针尖发生位移，其驱动电容将发生变化，通过检测电容的变化值可以计算出位移的大小；

4、由于使用了体硅MEMS工艺，可以将微探针与被测样品(体硅MEMS成品：例如梁、微加速度计、微陀螺等)集成在同一管芯内，利于制造过程中的在线检测、监测，以及对于产成品的参数提取；

5、将探针头部放置于芯片以外，由于在芯片划开时是从衬底(玻璃)面向结构(单晶硅)面划片，因此可以在不伤及探针头部的情况下将探针头部设计为可伸出所在管芯的形式，便于向片外的测试样品加载力以及对片外待测力和微小位移量的测量。

综上所述，本发明利用弹性折梁受力形变与所受外力成正比，以及梳齿间静电力与梳齿间电压的平方成正比的原理，将被测样品所受力的大小通过微探针上的标尺读出，具有读数简单，不需要借助大型、复杂设备的优点。这种微探针适用于微米/纳米尺度下微结构的力学特性检测、微小位移量测量、对硅基MEMS器件加工制造过程中的在线工艺参数监控，以及对硅基MEMS器件产成品的参数提取等领域，应用前景十分广泛。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述：

图1.1为静电驱动型力学微探针固定锚点图形俯视图；

图1.2为静电驱动型力学微探针金属电极俯视图；

图1.3为静电驱动型力学微探针俯视图；

图1.4为静电驱动型力学微探针标尺的放大图；

图1.5为静电驱动型力学微探针具体实施例完成图；

图2.1为腐蚀探针结构板，形成固定锚点台阶后的截面示意图；

图2.2为在衬底上形成金属电极后截面示意图；

图2.3为键合后截面示意图；

图2.4为在探针结构板上形成铝掩模图形后截面示意图；

图2.5为深槽刻蚀探针结构释放并形成探针体各部分后截面示意图。

其中：1-固定锚点；2-单晶硅结构板；3-衬底，4-金属电极，5-金属引线，6-T型探针头，7-弹性悬挂梁，8-电容，9-标尺；10-动尺，11-定尺；12-保护电极结构；13-铝掩模。

具体实施方式

微探针结构：

参考图1.3、图1.4、图1.5以及图2.4，本发明微探针结构总的分为上部单晶硅结构探针体以及下部玻璃结构衬底3，上部单晶硅结构探针体部分包括：固定锚点(anchor)1、T型探针头6、弹性梁结构7、梳齿电容8和读出标尺9。T型探针头6通过与固定锚点1连接的弹性梁7悬浮于衬底之上，两个梳齿电容8分别设置在T型探针头6的肩部，梳齿电容8的一侧极板与固定锚点1相连，梳齿电容8的另一侧极板与T型探针头6相连，标尺结构包括：动尺10和定尺11两部分，动尺10与T型探针头6连接，定尺11与固定锚点1相连。

微探针结构的下部分为衬底3。衬底可以是玻璃或单晶硅，在衬底结构上有为梳齿工作提供驱动电压或传输取样信号用的金属电极4，还可以制作在探针制作过程中提高刻蚀成品率的保护电极结构13。将单晶硅结构板2和玻璃衬底3上、下键合，通过固定锚点连接。

探针的使用方法：

参考图2.5，使用时将探针针尖顶在待测样品上。外加电压加在金属电极4上，电压通过金属电极加在梳齿电容8的极板上。在电势差的作用下，梳齿电容上将产生静电驱动力F₁。在F₁的作用下T型探针头6将向前(图左侧)运动，并使弹性悬挂梁结构7产生形变，T型探针头的刚性远大于弹性梁。弹性悬挂梁结构由于形变将产生应变应力F₂。T型探针头6的位移可以通过标尺9的动尺10和定尺11的差值读出，根据胡克定律，由“T”探针头部6的位移及弹性悬挂梁结构7的弹性系数可以得到F₂的大小。探针针尖作用在待测样品上的作用力F₃等于F₁减去F₂。以现有测量手段及工艺参数微探针输出的可测量的微小力的精度可以达到1.5微牛(假设探针体硅结构厚80微米，弹性梁为折叠梁，宽7微米、长400微米、折数12折，微探针的微位移取样梳齿电容为30对，梳齿间距5微米)。

对于利用微探针检测微小位移时可以将待测物体轻顶在探针针尖处，当待测物体发生位移或形变时推动针尖发生位移，T型探针头6的位移将改变取样电容8的极板正对面积，由此改变取样电容8的大小。通过对取样电容8的电容值变化量的测量就可以得到T型探针头6的位移值，同时得到待测物体的位移或形变。测量位移的精度与测量电容的仪器精度、梳齿的个数、梳齿间距等参数密切相关，以现有测量手段及工艺参数测量微位移的精度可以达到2埃(假设测量电容的分辨率为0.001皮法，探针体硅结构厚80微米，微探针的微位移取样梳齿电容为30对，梳齿间距5微米。)。

探针的制备工艺：

参考图2.1至图2.5，本实施例制备工艺为：体硅MEMS工艺(硅-玻璃阳极键合、硅ICP深刻蚀)。该方法对于将微探针进一步与被测样品(体硅MEMS成品结构)以及电路集成方面，也具有帮助。为保证键合质量，在硅-玻璃键合时硅键合尺寸(长、宽)都要比玻璃上定义的尺寸大5-10微米，具体设计参数：硅-玻璃之间的间距为4-10微米；溅射钛/铂/金(Ti/Pt/Au)电极的厚度别为钛100-600埃，铂300-500埃，金800-1200埃，宽度10-100微米；溅射铝600-800埃；梁宽度8-20微米；微探针本身结构200-1500微米。

制造工艺步骤如下：

1.硅片正面氧化3000埃；

2.光刻1#版，定义固定锚点，参考图1.1，图2.1；

3.BHF溶液腐蚀SiO₂；

4.硅片正面去胶；

5.KOH腐蚀硅片正面4微米深，形成固定锚点，在管芯外围还应有一圈宽300-500微米的键合区，用做定义划片槽以及KOH减薄(步骤12)和裂片(步骤19)时的保护；

6.BHF溶液腐蚀硅片正、反两面，去掉全部SiO₂；

7.硅片正面注入、退火，形成欧姆接触区，n型硅片掺磷(P)，p型硅片掺硼(B)，注入剂量5E15，能量80KeV；

8.光刻2#版，在玻璃衬底上形成金属电极及引线图形，参考图1.2，图2.2；

9.溅射金属Ti/Pt/Au，分别为400埃、300埃、900埃；

10.剥离金属复合膜，形成金属电极及引线参考图1.2，图2.2；

11.阳极键合单晶硅片和玻璃，参考图2.3；

12.KOH减薄单晶硅片，硅片剩余厚度70-80微米；

13.硅片背面溅射铝800埃；

14.光刻3#版，形成探针体结构图形，参考图1.3，图2.4；

15.磷酸腐蚀铝，形成金属掩膜；

16.去胶；

17.硅片背面涂光刻胶保护；

18.划片，划片槽宽300-500微米，从衬底(玻璃)面向结构(单晶硅)面划片，余厚(单晶硅厚)120-150微米；

19.硅片背面去胶；

20.ICP深槽刻蚀(刻穿)结构释放，参考图1.5；

21.裂片。

综上所述，本发明公开了一种体硅MEMS力学微探针及其制备方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (10)

1、一种MEMS力学微探针，包括：探针体、衬底和若干个固定锚点，探针体包括：T型探针头、弹性梁、两个梳齿电容及标尺结构，T型探针头通过与固定锚点连接的弹性梁悬浮于衬底之上，梳齿电容分别设置在T型探针头的肩部，梳齿电容的正/负极板与固定锚点相连，另一负/正极板与T型探针头相连，正负极板间存在电势差，标尺结构包括：动尺和定尺两部分，动尺与T型探针头连接，定尺与固定锚点相连，探针体和衬底通过上述固定锚点固定连接。

2、如权利要求1所述的MEMS力学微探针，其特征在于：衬底上设有金属电极和金属引线，金属电极通过和固定锚点电学接触的金属引线与探针体实现电学连接。

3、如权利要求1或2所述的MEMS力学微探针，其特征在于：弹性梁为各种形状的折叠梁或直梁。

4、如权利要求1或2所述的MEMS力学微探针，其特征在于：在定尺和动尺上位于两者相邻一侧上分别设有刻度凸台。

5、如权利要求1或2所述的MEMS力学微探针，其特征在于：梳齿电容极板宽4-8微米，极板间距2-6微米。

6、一种MEMS力学微探针的制备方法，其步骤包括：

(1)键合区制作：在硅片上利用光刻和刻蚀技术制作台阶，该台阶即固定锚点；

(2)金属电极和引线结构制作：在衬底上利用光刻和物理气相淀积或化学气相淀积技术制作出金属电极和金属引线结构；

(3)硅片与衬底键合：在硅片上制作完成固定锚点之后，上、下表面翻转，将上表面已制作好的键合区与已经制作完金属电极和金属引线的衬底进行阳极键合；

(4)探针体结构制备：将硅片从背面减薄，然后光刻形成探针体结构图形，再利用电感耦合高密度等离子体刻蚀将硅片从背面刻蚀穿通，在刻蚀中被保留的部分就是探针体结构。

7、如权利要求6所述的MEMS力学微探针的制备方法，其特征在于：步骤1进一步包括：台阶高度为2-10um。

8、如权利要求6所述的体硅MEMS力学微探针的制备方法，其特征在于：步骤2进一步包括：浅槽深1000-1200埃，淀积的金属层厚度为1500到2000埃。

9、如权利要求6所述的体硅MEMS力学微探针的制备方法，其特征在于：步骤3进一步包括：键合电压600-1000V，键合温度350-360℃。

10、如权利要求6所述的体硅MEMS力学微探针的制备方法，其特征在于：步骤4进一步包括：硅片减薄余厚20-80微米。

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