CN2643316Y

CN2643316Y - 具有高强度探针的纳米机械性质测量装置

Info

Publication number: CN2643316Y
Application number: CNU032530056U
Authority: CN
Inventors: 杨友财; 吕学智; 方得华; 苏厚合
Original assignee: JUNHAO PRECISION INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: JUNHAO PRECISION INDUSTRY Co Ltd; Gallant Precision Machining Co Ltd
Priority date: 2003-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2013-09-27

Abstract

本实用新型是一种具有高强度的扫描探针，主要由一探针、一悬臂梁及一固定架所构成，适于在材料表面做刮痕及硬度试验。其中，悬臂梁具有一第一侧边及对应的一第二侧边，并且探针可粘着于悬臂梁或一体成形于悬臂梁的第一侧边端。悬臂梁的另一端与固定架互相一体成形，且在悬臂梁的第二侧边及悬臂梁与固定架连接的处至少被覆一层硬化膜，即可利用此高强度的探针，应用于原子力显微镜，而求得材料的纳米机械性质。本实用新型的装置亦可将被覆硬化膜的悬臂梁及固定架更换为未被覆硬化膜的悬臂梁及固定架，而检测材料表面的型态。

Description

具有高强度探针的纳米机械性质测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种探针及具有探针的装置，且特别是一种具有高强度的探针及具有高强度探针的纳米机械性质测量装置。

背景技术

扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)是一种新近且发展快速的显微技术，其中原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)因为对导体及绝缘体均有出色的三维空间显像能力，所以成为运用最广泛的扫描探针显微镜。当微电子组件的尺寸大小，愈趋微细浅薄时，不论是在制程的前或制程其间，我们愈了解硅晶片表面的物理化学微区特性，并且精确控制制程条件，则更容易确保微电子产品的品质。因此AFM已逐渐地被运用于晶片清洗方法开发、光罩重叠曝光定位、蚀刻形貌检验、平坦化粗糙度分析、硅芯片与镀膜表面形貌及缺陷等观察。

图1是为习知原子力显微镜的示意图，请参考图1，习知原子力显微镜主要由一探针102、一悬臂梁104、一固定架106、一雷射机构108、一光感测机构110、一移动平台112及一主体114所构成。其中，悬臂梁104具有相对应的第一侧边120及第二侧边122，而探针102粘着于悬臂梁104第一侧边120的一端或利用蚀刻技术一体成形于悬臂梁104第一侧边120的一端。另外，固定架106亦具有一第一端124及相对应的一第二端126，而悬臂梁104未配置探针102的一端与固定架106的第一端124互相一体成形，而固定架106的第二端126再与主体114连结。习知原子力显微镜其雷射机构108配置于主体114的内部，光感测机构110则相对配置于雷射机构108的侧边，样品118则置于移动平台112与探针102之间，而移动平台112的材质例如压电材料，可做X-Y平面方向的移动及垂直Z方向的调整。

请继续参考图1，一般探针102通常要求硬度较高的材质，例如金属或硅化物或硅被覆合金膜，而悬臂梁104的形状通常为条状或V字形或其它几何形状。所以当欲检测样品118的表面型态时，可将探针102贴近样品118的表面，探针102感受到作用力，则会使悬臂梁104产生弯折，而悬臂梁104弯折的程度可利用雷射机构108发射激光光束，照射探针102正上方的悬臂梁104，因为悬臂梁104的偏移，会造成激光光束反射方向的改变，经光感测机构110测得反射光后，经由移动平台112 X-Y-Z的移动推算出悬臂梁104弯折的程度，而反应出作用力的大小，同时亦完成探针102与样品118垂直距离Z方向位移量的调整，即可求得样品118表貌结构。

承上所述，虽然原子力显微镜对于表貌结构可达原子尺度的解析能力，但因其悬臂梁104刚性不足，所以探针102在材料表面进行小幅度的压入时，其压痕大小的再现性及刮痕深浅的再现性往往差别相当大，而造成应用上的限制。

发明内容

因此本实用新型的主要目的是提供一种具有高强度探针的纳米机械性质测量装置。使与探针相连接的悬臂梁有足够的刚性，当探针在做压痕试验时，其压痕有足够的再现性，而能进行表面的局部刮痕试验及弹性测试。

为达上述目的，本实用新型提出一种具有高强度的探针，其主要由一探针、一悬臂梁及一固定架构成。其中，悬臂梁具有一第一侧边及相对应的一第二侧边，其形状可为条状、V形或任何几何形状。而固定架亦具有一第一端及相对应的一第二端，探针粘着于悬臂梁的第一侧边端或一体成形于悬臂梁的第一侧边端，其材质例如为金属、硅化物或硅被覆合金膜。另外，悬臂梁未配置探针的一端与固定架的第一端互相一体成形，并且在悬臂梁的第二侧边及悬臂梁与固定架的第一端连结之处，利用蒸镀、溅镀或其它表面附着技术被覆至少一层硬化膜，此硬化膜的材质例如金属铝、钽、金，而且，经过被覆硬化膜的悬臂梁其弹性常数至少大于100(N/m)，或悬臂梁的细长比小于25。

为达上述目的，本实用新型提出一种具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其主要由一探针、一悬臂梁、一固定架、一本体及一移动平台构成。其中，悬臂梁具有一第一侧边及相对应的一第二侧边，其形状可为条状、V形或任何几何形状。探针粘着于悬臂梁的第一侧边端或一体成形于悬臂梁的第一侧边端，而探针的材质例如为金属或硅化物或硅被覆合金膜。而固定架亦具有一第一端及相对应的一第二端，并且悬臂梁未配置探针的一端与固定架的第一端互相一体成形，然后固定架的第二端再与本体互相连接，但亦可拆卸。除此之外，悬臂梁的第二侧边及悬臂梁与固定架连接之处利用蒸镀、溅镀或其它表面附着技术被覆至少一层硬化膜，此硬化膜的材质例如金属铝、钽、金，而且，经过被覆硬化膜的悬臂梁其弹性常数至少大于100(N/m)，或悬臂梁的细长比小于25。另外，移动平台承载被测试的样品，并且位于本体内。而本装置亦包括一雷射机构及一光检测机构，其分别配置于本体内相对应的位置，以发射激光光束及接收经悬臂梁表面反射的激光光束。

本实施例中，移动平台可为X-Y-Z压电平台或X-Y压电平台或单纯平台。

本实施例中，当移动平台为X-Y-Z压电平台时，则不需附加压电杆。当移动平台为X-Y压电平台时，则需附加Z压电杆。当移动平台为单纯平台时，则需附加X-Y-Z压电杆。

本实施例中，被覆硬化膜的悬臂梁及固定架，可更换为未被覆硬化膜的悬臂梁及固定架。

本实用新型采用具有高强度的探针及具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，使得探针在做压痕试验时，悬臂梁有较习知更高的刚性，故能使压痕有优良的再现性而测得较习知更准确的样品表面微硬度或刮痕试验。

下面结合附图以具体实例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是习知原子力显微镜的示意图；

图2是依照本实用新型一较佳实施例的具有高强度的探针示意图；

图3为依照本实用新型另一较佳实施例的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置示意图；

附图标记说明：102、202、302探针；104、204、304；悬臂梁；106、206、306固定架；108、308雷射机构；110、310光检测机构；112、312移动平台；114、314本体；316Z压电杆或X-Y-Z压电杆；118、318样品；120、210第一侧边；122、212第二侧边；124、214第一端；126、216、322第二端；208、320硬化膜。

具体实施方式

图2是本实用新型一较佳实施例的具有高强度的探针示意图。请参阅图2，本实施例的具有高强度的探针，主要由一探针202、一悬臂梁204及一固定架206所构成。其中，悬臂梁204具有一第一侧边210及相对应的一第二侧边212，而固定架206具有一第一端214及相对应的一第二端216，通常，探针202在制作上可使用粘着方式将探针202粘着于悬臂梁204的第一侧边210端，或者利用蚀刻技术一体成形于悬臂梁204的第一侧边210端，并且探针202的材质通常选用较硬的物质，例如金属或硅化物或硅被覆合金膜。而悬臂梁204的形状例如条状、V形、或其它几何形状，视所要测量目的而决定形状。另外，悬臂梁204未配置探针202的一端与固定架206的第一端214在制作上通常采用一体成形。此时，值得注意的是，在悬臂梁204的第二侧边212及悬臂梁204与固定架206的第一端214连接之处，利用蒸镀、溅镀或其它表面附着技术被覆至少一层硬化膜208，而硬化膜208的材质例如金属铝、钽、金等，以增强悬臂梁204的刚性，而且经过被覆硬化膜208的悬臂梁204其弹性常数至少大于(100N/m)，或悬臂梁204的细长比小于25。

图3是为依照本实用新型另一较佳实施例的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置示意图。请参考图3，本实施例的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，主要由一探针302、一悬臂梁304、一固定架306、一雷射机构308、一光检测机构310、一移动平台312及一本体314所构成。其中，探针302、悬臂梁304及固定架306的组合结构与前述大致雷同，于此不再赘述。本实施例的雷射机构308与光检测机构310配置于本体314内的相对应位置，且固定架306的第二端322与本体314互相连接，但亦可拆卸，而样品318则置于移动平台312与探针302之间。

请继续参见图3，本实施例的移动平台312可为X-Y-Z压电平台，其系利用移动平台312 X-Y-Z方向的移动而完成样品318的平面扫描与垂直距离的调整。同理，移动平台312亦可为X-Y压电平台或单纯平台，以完成样品318的平面扫描或单纯承载样品318，而其材质例如为压电材料。

请继续参见考图3，当本实施例的移动平台312为X-Y-Z压电平台时，则不需附加压电杆，即可完成样品318的平面扫描与垂直距离的调整，及探针302与样品318表面相互作用力的大小。若移动平台312为X-Y压电平台时，则需附加Z压电杆316，若移动平台312为单纯平台时，则需附加X-Y-Z压电杆316，以完成样品318的平面扫描与垂直距离的调整，及探针302与样品318表面相互作用力的大小。

请同时参见图1及图3，本装置的雷射机构308及光检测机构310，其皆配置于本体314内相对应的位置。当欲检测样品318表面压痕及刮痕深浅时，因悬臂梁304已被覆硬化膜320，故有较习知未被覆硬化膜的悬臂梁104更高的刚性，所以当探针302压入样品318表面时，并以雷射机构308发射激光光束，照射被覆硬化膜320的悬臂梁304表面，光检测机构310接收经悬臂梁304反射的反射光，利用移动平台312 X-Y-Z的移动，即可计算测得探针302与样品318表面的作用力大小及位移量。所以，样品318表面的压痕大小及刮痕深浅，经过刚性较高的已被覆硬化膜320的悬臂梁304的探针302测试之后，其再现性优于习知未镀硬化膜的悬梁臂104所测得的压痕大小及刮痕深浅。

承上所述，当欲检测样品318表面型态时，则将已被覆硬化膜320的悬臂梁304及固定架306从本体314拆除，并置换未被覆硬化膜的悬臂梁104及固定架106，再将固定架106的第二端126与本体314结合。所以，当欲测试样品318表面型态时则使探针104与样品318非常贴近，即会形成固定距离范围的原子力，并以雷射机构308发射激光光束，光检测机构310接收经悬臂梁104反射的反射光，藉由移动平台X-Y-Z的移动而检测出探针104与样品318表面作用力的大小及Z方向的位移值，故可检测探针102的高低起伏，并扫描形成影像，即可获得样品318表面的型态。

在上述较佳实施例中，以在悬臂梁其中的一侧边及悬臂梁与固定架相连接的处被覆至少一层硬化膜，以增加悬臂梁的强度及刚性，然而上述仅为举例说明，并非用以限定本实用新型的悬臂梁及探针型态，任何本领域熟练技术人员可推知本实用新型的悬臂梁及探针设计亦可以为其它型态。同样地，本实施例的悬臂梁亦可以是其它可增加强度的结构，例如增加悬臂梁的厚度。

综合以上所述，本实用新型的具有高强度探针的纳米机械性质测试装置至少具有下列优点：

1、本实用新型的具有高强度探针的纳米机械性质测试装置，在悬臂梁的一侧边及与固定架相连接的处被覆至少一层硬化膜，以增加悬臂梁的刚性，故可测试样品表面的压痕大小，及做刮痕深浅的试验，因其有优良的再现性，故亦能进行样品表面的局部弹性测试。

2、本实用新型的具有高强度探针的纳米机械性质测试装置，可藉由移动平台X-Y-Z的移动，而完成探针与样品表面的作用力大小及Z方向的位移量，并求得较习知原子力显微镜所求得的应力、应变、硬度、潜变、杨氏系数及塑性能更正确的数值。

3、本实用新型的具有高强度探针的纳米机械性质测试装置，可更换未被覆硬化膜的灵敏的悬臂梁，以检测样品表面的型态。

唯以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，当不能以此限制本实用新型的范围。大凡依本实用新型权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本实用新型的要义所在，亦不脱离本实用新型的精神和范围的，都应视为本实用新型的进一步实施。因此本实用新型的保护范围当视后附的权利要求所界定为准。

Claims

1、一种具有高强度的探针，其特征在于包括：

一探针；

一悬臂梁，该悬臂梁具有一第一侧边及相对应的一第二侧边，该探针配置于该悬臂梁的第一侧边端，并且该悬臂梁的第二侧边被覆至少一层硬化膜；以及

一固定架，该固定架具有一第一端及相对应的一第二端，该第一端与该悬臂梁未配置探针的一端互相一体成形，且该悬臂梁与该固定架连接之处被覆至少一层硬化膜。

2、如权利要求1所述的具有高强度的探针，其中该探针以金属、硅化物及硅被覆合金膜其中之一的材质制成。

3、如权利要求1所述的具有高强度的探针，其中该探针一体成形于该悬臂梁的第一侧边端。

4、如权利要求1所述的具有高强度的探针，其中该硬化膜的材质为金属，该金属被覆为蒸镀、溅镀及其它表面附着之一。

5、如权利要求1所述的具有高强度的探针，其中被覆至少一层硬化层的悬臂梁的弹性常数至少大于100(N/m)及细长比小于25其中之一。

6、一种具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其特征在于包括：

一探针；

一悬臂梁，该悬臂梁具有一第一侧边及相对应的一第二侧边，该探针配置于该悬臂梁的第一侧边端，并且该悬臂梁的第二侧边被覆至少一层硬化膜；

一固定架，该固定架具有一第一端及相对应的一第二端，该第一端与该悬臂梁未配置探针的一端互相一体成形，且该悬臂梁与该固定架连接之处被覆至少一层硬化膜；

一本体，该本体与该固定架的第二端互相连接；以及

一移动平台，该移动平台配置于该本体内。

7、如权利要求6所述的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其中该装置还包括：

一雷射机构，配置于该本体的内侧；以及

一光检测机构，配置于该本体的内侧，并且与该雷射机构的位置相对应。

8、如权利要求6所述的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其中该探针一体成形于该悬臂梁的第一侧边端，且该探针用金属、硅化物及硅被覆合金膜其中之一材质制成。

9、如权利要求6所述的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其中该硬化膜的材质为金属，该金属被覆为蒸镀、溅镀及其它表面其中之一。

10、如权利要求6所述的具有高强度探针的纳米机械性质测量装置，其中经被覆硬化层的悬臂梁的弹性常数至少大于100(N/m)及细长比小于25之一。