CN1877275A - 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：探针体和衬底，探针体和衬底通过固定锚点固定连接，探针体包括：T型探针头、着力质量块、弹性梁及标尺结构，T型探针头与着力质量块通过弹性梁连接，形成探针可动结构，探针可动结构再通过一组弹性梁结构与固定锚点相连接，悬浮于衬底之上，标尺结构分为定尺、动尺I和动尺II三个部分，动尺I与T型探针头部相连，动尺II与着力质量块相连，定尺固定在衬底上。本发明利用弹性梁受力形变与所受外力成正比的原理，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，特别是涉及一种体硅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：探针体和衬底，探针体和衬底通过固定锚点固定连接，探针体包括：T型探针头、着力质量块、弹性梁及标尺结构，T型探针头与着力质量块通过弹性梁连接，形成探针可动结构，探针可动结构再通过一组弹性梁结构与固定锚点相连接，悬浮于衬底之上，标尺结构分为定尺、动尺I和动尺II三个部分，动尺I与T型探针头部相连，动尺II与着力质量块相连，定尺固定在衬底上。

弹性梁可为各种形状的折叠梁和直梁。

T型探针头可通过其两侧的2个对称弹性梁结构与固定锚点相连接。

着力质量块可通过其两侧的4个对称弹性梁结构与其两侧的固定锚点相连接。

在动尺I和动尺II的两侧上可设有刻度凸台，在定尺与动尺相邻一侧上设有刻度凸台。

一种体硅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，该台阶即固定锚点和定尺；

(2)硅片与衬底键合：在硅片上制作完成固定锚点和定尺之后，上、下表面翻转，将上表面已制作好的键合区与衬底进行阳极键合；

(3)探针体结构制作：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：键合电压600-1000V，键合温度350-360℃。

步骤3进一步包括：硅片减薄余厚20-80微米。

本发明的原理：

外加推力作用于着力质量块上，着力质量块向前运动，并使连接探针T型探针头和着力质量块产生相对位移，并使连接T型探针头和着力质量块的弹性连接梁结构产生形变。该相对位移可以通过标尺的动尺I和动尺II的差值读出。根据胡克定律，由该相对位移及弹性连接梁结构的弹性系数，可以得到弹性连接梁结构的应变应力F₁的大小。T型探针头在F₁的作用下向前运动，并使吊起T型探针头的弹性悬挂梁结构产生形变。T型探针头的位移可以通过标尺的定尺和动尺I的差值读出。根据胡克定律，由T型探针头的位移及悬挂梁结构的弹性系数可以得到悬挂梁结构的应变应力F₂的大小。因此探针针尖作用在待测样品上的作用力F₃等于F₁减去F₂。

本发明的优点与技术效果

1、外加推力驱动型力学微探针可以将一个较大的输入力通过梁结构的缓冲转化为较小的输出力，操作更简单、快捷，其二者有着不同的适用情况；

2、外加推力驱动型力学微探针使用双层标尺结构，可以在显微镜的同一视场中读出施加力的值，方便快捷；

3、这种探针结构还可以利用标尺进行简单的微位移的测量，测量精度和标尺结构的刻度相关。

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、可以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，因此可以在不伤及硅结构(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为外加推力驱动型力学微探针固定锚点图形俯视图；

图1.2为外加推力驱动型力学微探针俯视图；

图1.3为外加推力驱动型力学微探针标尺放大图；

图1.4为外加推力驱动型力学微探针完成图；

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板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-保护电极结构；5-T型探针头；6-着力质量块；7-弹性悬挂梁；8-弹性连接梁；9-标尺结构；10-定尺；11-动尺I；12-动尺II；13-铝掩模。

具体实施方式

探针本体结构：

参考图1.2、图1.3、图1.4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：T型探针头5、着力质量块6、弹性梁及标尺结构9，T型探针头5与着力质量块6通过弹性梁8连接，形成探针可动结构，探针可动结构再通过6个弹性梁结构7与固定锚点相连接，悬浮于衬底之上，标尺结构9分为定尺10、动尺I11和动尺II12三个部分，动尺I11与T型探针头5相连，动尺II与着力质量块6相连，定尺10固定在衬底上。

微探针结构的下部分为衬底部分3，衬底可以是玻璃或单晶硅，在衬底结构上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4。将单晶硅结构板和玻璃衬底上、下键合，形成微探针结构。

探针的使用方法：

参考图1.4，将探针针尖顶在待测样品上。外加推力作用于着力质量块上6，着力质量块向前(图左侧)运动，并使连接探针T型探针头5和着力质量块产生相对位移，并使连接T型探针头和着力质量块的弹性连接梁结构8产生形变，T型探针头5和着力质量块的刚性远大于弹性梁。该相对位移可以通过标尺9的动尺I 11和动尺II 12的差值读出。根据胡克定律，由该相对位移及弹性连接梁结构8的弹性系数，可以得到弹性连接梁结构8的应变应力F₁的大小。T型探针头5在F₁的作用下向前(图左侧)运动，并使吊起T型探针头5的弹性悬挂梁结构7产生形变。T型探针头的位移可以通过标尺9的定尺10和动尺I 11的差值读出。根据胡克定律，由T型探针头的位移及悬挂梁结构7的弹性系数可以得到悬挂梁结构7的应变应力F₂的大小。因此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，连接“T”型探针头和着力质量块的弹性梁为折叠梁，宽7微米、长300微米、折数12折；将“T”型探针头与其两侧的固定连接的弹性梁为折叠梁，宽7微米、长350微米、折数10折。)。

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-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，在玻璃衬底上制作提高刻蚀成品率的保护电极图形，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，形成提高刻蚀成品率的保护电极，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1.2，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1.4；

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 (8)

1、一种MEMS力学微探针，包括：探针体和衬底，探针体和衬底通过固定锚点固定连接，探针体包括：T型探针头、着力质量块、弹性梁及标尺结构，T型探针头与着力质量块通过弹性梁连接，形成探针可动结构，探针可动结构再通过一组弹性梁结构与固定锚点相连接，悬浮于衬底之上，标尺结构分为定尺、动尺I和动尺II三个部分，动尺I与T型探针头部相连，动尺II与着力质量块相连，定尺固定在衬底上。

2、如权利要求1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和直梁。

3、如权利要求1或2所述的MEMS力学微探针，其特征在于：T型探针头和着力质量块分别通过两侧对称的弹性梁结构与固定锚点相连接。

4、如权利要求1或2所述的MEMS力学微探针，其特征在于：在动尺I和动尺II的两侧上设有刻度凸台，在定尺与动尺相邻一侧上设有刻度凸台。

5、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，该台阶即固定锚点和定尺；

(2)硅片与衬底键合：在硅片上制作完成固定锚点和定尺之后，上、下表面翻转，将上表面已制作好的键合区与衬底进行阳极键合；

(3)探针体结构制作：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。

6、如权利要求5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。

7、如权利要求5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：键合电压600-1000V，键合温度350-360℃。

8、如权利要求5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：硅片减薄余厚20-80微米。

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