TW408417B - Planar-shape thin probe having electrostatic actuator manufactured by using sacrificed layer technology and its manufacturing method - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 408417 A7 B7 五、發明説明（丄） 發明領娀 本發明係關於一種平面型細微探針，特別是關於一種整 合靜電式微致動器（actuator) ’並應用犧牲層技術及微電 鑄技術製作之平面型細微探針。 發明背景 掃瞄探針其針尖（tip)的外觀主要有兩類，—種是突出 (out of plane)於懸臂樑的表面，以下稱為立體型探針； 另一種則與懸臂樑在同一平面上’以下稱為平面型探針； 本發明所製作的探針屬於平面型探針。以往使用靜電式微 致動器以驅動探針在垂直於懸臂操之表面移動，其所採用 的探针種類都屬於立體型探針。而該立體型探針之靜電式 微致動器的製作方式’乃使用兩片矽晶片作為上懸臂樑與 下懸臂樑，再經上下對準接合（bonding wafer)而成， 以上技術可見於 j.Brugger，N.Blanc，Ph. Renaud and N.F. de Rooij "Microlever with combined integrated sensor/actuator functions for scanning force microscopy", Sensors and Actuators, A，43 (1994) ρ339·345，該項設計有下列 缺點： (1) 立體型細微探針之針尖直徑最小僅可達〗〇奈米（n m )， 而平面型探針的針尖直徑最小可達4奈米。 (2) 上懸臂樑和下懸臂樑不易對準（aiigninent)，若因此產 生誤差’則外部的電壓控制便失去其準確性。 (3) 兩片硬晶片的厚度不易控制，則分批製作出的成品其厚 本紙張尺度適用中國國家- ---------裝-----—訂-------^ (請先閲黎背面之注意事項再填寫t頁) A7 B7 408417 五、發明説明（ 度不一致，剛性亦不一致，操作特性容易改變。 (4)使用摻雜濃度較高（heavy d〇ping)的矽作為電極板， 其電阻值較大，相對地亦有耗電和散熱不易的問題。 發明之簡要說明 本發明之目的在於解決習知裝置之較長的針尖直徑上 懸壁樑和下懸壁樑不易準確接合、懸壁樑厚度不易控制及 較高的電阻值等缺點。為了達成上述目的，本發明整合靜 電式微致動器於平面型細微探針，其整合方式乃採用微電 鑄技術以及犧牲層技術在平面型細微探針上端結合一懸臂 樑作為上電極板，該懸臂樑由金屬構成’其導電性較摻雜 (doping)的矽材為佳；因採電鍍成形之製造方式，因此 製造過程不需用到特殊的接合設備；且犧牲層材料採用光 阻取代二氧化矽，其厚度的範圍可以有較大的彈性。另本 發明利用半導體製程結合微電鑄技術以及犧牲層技術將主 要構成元件整合在一含絕緣層之矽晶片（s〇I wafer) 上，該裝置主要包含一上懸臂樑，作為第一電極板之用； 一支撐墊，連接於上懸臂樑；及一下懸臂樑，連接於該支 撐墊，位於該上懸臂樑之正下方且和該上懸臂樑間留有一 空間。該下懸臂樑包含一第二電極板，可搭配該第一電極 板由外界施以電壓，而控制該下懸臂樑在垂直方向的位 移；該下懸臂樑另包含一針尖，耦合於該第二電極，用以 接觸待測物體。 I n (III 裝^ 7"訂11 —丨^ {請4-閲讀背面之注意事項再填寫本.頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在該平面型細微探針之製作方法上主要包含下列步驟： 在一 SOI晶片基座上圖案出下懸臂樑和支撐墊的外型；在

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __________B7 五、發明説明（3 ) ~- 下懸臂樑圖案的位置處，圖案出針尖的外型；在下懸臂裸 圖案的位置處，沈積-層金屬作為第二電極；在下懸臂揉 圖案的位置處，成長-層厚膜光阻作為一犧牲屬，且賤鍵 一層金屬作為電鍍的電極；在下懸臂樑圖案的位置處，圖 案出上懸臂樑的外型，並電鍍上-層金屬：㈣下懸臂樣 <下方多餘的矽材料及二氧化矽；使用顯影液除去多餘的 光阻及犧牲層，並置於酸液中以去除電鍍層的銅膜。 1式之簡單說明 本發明將依照後附圖式來說明，其中： 圖1係根據本發明之平面型細微探針之正視圖； 圖2係根據本發明之平面型細微探針之俯視圖；及 圖3(a)〜（h)係根據本發明之平面型細微探針之製作流 程所得之探針的剖面圖。 元件符號說明 I---------神衣------—訂------t (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) 1 平面型細微探針 11 上懸臂樑 12 下懸臂樑 13 支撐墊 14 針尖 2 1 電極板 22 惠斯登電橋 23 第一壓r阻 24 第二至第四壓阻 25 接觸墊 26 接觸墊 3 SOI基座 3 1 矽基座 32 二氧化矽 3 3 二氧化矽 34 矽 3 5 一乳化沙 36 壓阻 37 光阻 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標率{ CNS ) A4规格（210X2叼公楚) 408417 A7 B7 五、發明説明（4 ) 3 8 鋁層 3 9 厚膜光阻 40 薄銅膜 4 1 厚膜光阻 42 鎳層 43 厚膜光阻 較佳奮施例說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之一較佳實施例係如圖1所示之平面型細微探針裝 置1 ，其中主要包含一上懸臂樑（Upper cantilever beam)ll ’係由一層電鍍的金屬所構成，該金屬可為一鎳 金屬，作為電極板之用；一連接該上懸臂樑1 1的支撐墊 (support pad)13 ，其基底由矽或 s〇I(Silicon On Insulator)晶片組成，以下以SOI晶片為例子；及一連接 於該支撐墊13且位於該上懸臂樑11正下方且和該上懸臂樑 1 1間留有一空間的下懸臂樑1 2。微致動器係由上懸壁樑 11及下懸壁樑12所組成，其利用施加電壓於附著於上懸壁 樑1 1及下懸壁樑1 2之電極而達到控制下懸壁樑1 2之垂直 位移量的目的。 圖2為以圖1之A線以下之俯視圖，其中主要包含一針尖 (tip)14 ’用以接觸待測物體（未圖示）；一電極（eounter-electrode)21，連接於該針尖14，該電極可選擇性地連 接至一接觸墊（c ο n t a c t p a d ) 2 6，並搭配該上懸臂樑1 1的 電極板（未圖示），由外界輸入一電壓源（未圖示}以控制該 針尖14和待測物體之接觸強度；該支擇塾（sllpp〇rt pad)13和該下懸臂樑12之交界處包含一惠斯登電橋 (wheatstone bridge circuit)22，該惠斯登電橋 22 包 含四個壓阻（piezoresistor)23、24，該四個恩阻彼此以 ---------I-----_—，玎------^ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 408417 A7 B7 五'發明説明（5 ) 鋁線相連；其中第一壓阻23位於該下懸臂樑12的根部，用 於感測該針尖1 4和該待測物體（未圖示）因接觸而造成下懸 臂樑12的應力變化，該應力變化導致該第一壓阻23產生電 阻的變化；四個接觸墊（contact pad)25和四個壓阻23、 24連接’其中兩個接觸墊可連接該平面型細微探針之外部 電源’提供該惠斯登電橋操作電壓，另兩個接觸整將該惠 斯登電橋之電阻變化轉換成電壓差，並輸出至該平面型細 微探針裝置1之外的控制機構（未圖示），該控制機構再以 回授的方式改變輸入該平面型細微探針裝置之電極板的電 壓源（未圖示）’而由該電壓源之變化曲線即可得知該待測 裝置表面的平坦化程度。另外，亦可利用一雷射裝置（未圖 示）向該下懸臂樑12背面發射雷射光，利用一雷射接收裝 置（未圖示）接收反射回來的雷射光，再依據雷射光反射之 角度判斷該針尖i 4的位移量。 經濟部智蒽財產局員工消費合作社印製 本發明之一較佳實施例係如圖3 ( a)〜（h)所示含微致動 器之平面型細微探針剖面圖，其中SOI晶片包含一矽基座 31、一氧化層33及一矽層34，在該SOI晶片之底部有一 層約lum厚度的氧化層32，該氧化層32能在底層蝕刻的步 驟中作為一種遮蔽（mask)，因此在以下之製程步驟中這層 氧化層將由光阻（photoresist)予以保護。 圖3 ( a )係製程第一步驟所得之探針正視圖，在製程的一 開始先以溼氧化（w e t 〇 x i d e )的方式成長一層氧化層（未圖 示）作為蝕刻矽層3 4的蝕刻罩幕（e t c h i n g m a s k)，然後以 第一層光罩配合BOE(buffer oxide etchant)触刻液’ ^紙張ϋ適用中國國家標準（CNS Μ4規格（210 X 297公釐） ~ 4084,7 A7 B7 經濟部智慧財產局a貝工消費合作社印製 五、發明説明（ 在氧化層圖案（pattern)出下懸臂樑的外型及包含支撑整 和下懸臂樑的平面；並使用KOH蝕刻液和矽基非等向性蚀 刻原理（silicon anisotropic etching process)去除珍 層上多餘的碎。 圖3(b)係探針之右側視圖，其先成長一層氧化層35，並 使用第二層光罩圖案出針尖上方的區域，最後以氳氧化钾 (KOH)姓刻液將多餘的碎去除。 圖3(c)為探針之正視圖，首先鋪上一層光阻37作為掺雜 的遮蔽（doping mask)，然後使用第三層光罩界定壓阻的 區域’並製作淺接面的硼離子佈植（shali〇w b〇r〇n i m p 1 a n t a t i ο η)，作為壓阻之功能。 圖3(d)為探針之正視圖’其使用第四層光罩將金屬線 (metal lines)及第二電極（counter_electr〇de)的外 型，以及接觸墊（contact pads)的位置圖案在光阻上；然 後以熱阻絲蒸鍍（thermal coater)將鋁金屬38沈積 (deposits於光阻及矽層34上；最後以掀起法（Hft_〇ff technique)將光阻及附著於其上之鈕金屬去除。 圖3(e)為探針之正視圖’首先鋪上一層厚膜光阻39作為 犧牲層（sacrificial layer)，而以第五層光罩圖案該犧牲 層39 *圖案轉移後後再以紫外光（uv nght)過度曝光 (flood exposure)該犧牲層39 ;最後以濺鍍機（sputter) 濺鍍一層薄銅膜40上去，作為電鍍的電極。 圖3(f)為探針之正視圖，首先鋪上第二層厚膜光阻41， 並使用第穴層光罩用以將上懸臂樑的外型圖案在該厚膜光 I 裝----->—訂.------Μ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 408417 A7 B7 五、發明説明（7 阻，經過顯影後，再電鍍上一層鎳金屬42 ’作為上懸臂樑 及第一電極之功能。 圖3(g)為探針之正视圖，首先鋪上一層厚膜光阻43以保 護金屬材料免於Β0Ε蝕刻液的侵蝕；然後使用第七層光罩 圖案soi基座的底層（baekside)，並使用蝕刻液去除下懸 臂樑之下方多餘的矽材料。 圖3(h)為探針之正視圖，其使用顯影液 solution)除去所有光阻及犧牲層39，並置入酸液中數 秒’以去除作為電鏟之電極的銅膜4〇。 本發明之技術内容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾；@此’本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 I^r-訂‘------^ (资先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格{ 210x297公羡>

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 408417 申請專利範圍 1. 一種含微致動器之平面型細微探針，該裝置係利用半導 體製程結合微電鑄技術以及犧牲層技術將主要構成元件 整合在一含絕緣層之矽晶片上，該裝置包含： 一上懸臂樑，其包含一第一電極板； 一支撐墊，連接於該上懸臂樑；及 一下懸臂樑，連接於該支樓塾，位於該上懸臂樑之正 下方且和該上懸臂樑間留有一空間，其包含： 一第二電極板，搭配該第一電極板，可由外界施以 電壓，以控制該下懸臂樑在垂直方向的位移；及 —針尖，耦合於該第二電極。 2. 如申請專利範圍第1項之平面型細微探針，其更包含一 惠斯登電橋，用於感測該下懸壁樑根部之應力變化。 3. 如申請專利範圍第1項之平面型細微探針，其中可利用 一雷射裝置向該下懸臂樑背面發射雷射光，利用一雷射 接收裝置接收反射回來的雷射光，再依據雷射光反射之 角度判斷該針尖的位移量。 4. 一種含微致動器之平面型細微探針之製造方法，該平面 型細微探針包含一具有一第一電極之上懸臂樑、一連接 於上懸臂樑之支撐墊，及一連接於該支撐整且位於該上 懸臂樑之正下方且和該上懸臂樑間留有一空間之下懸臂 樑；該下懸臂樑包含一第二電極板及一稱合於該第二電 極之針尖；該製造方法包括： (a)在一 SOI基座上圖案出下懸臂樑和支撐墊的外型之步 驟； --------—裝-----：I 訂，------^ ί請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - A8 B8 C8 D8 408417 申請專利範圍 (b)在下懸臂樑圖案的位置處，圖案出針尖的外型之步 驟； ⑹在下懸臂樑圖案的位置處，沈積一層金屬作為第二電 極之步驟； ⑹在下懸臂樑圖案的位置處，成長—層厚膜光阻作為一 犧牲層，且濺鍍一層金屬作為電鍍的電極之步驟； ㈤在下懸臂樑圖案的位置處’圖案出上懸臂樑的外型， 並電鍍上一層金屬之步驟； ⑺蝕刻下懸臂樑之下方多餘的矽材料及二氧化矽之步 驟；以及 (g)使用顯影液除去多餘的光阻及犧牲層，並置於酸液中 以去除電鍍層的銅膜之步戰。 5·如申請專利範圍第4項之平面型細微探針之製造方法，其 中步驟（b)之後更包含在該下懸臂樑和該支撐墊之交界處 以淺接面硼離子佈植的方式產生壓阻之步驟。 ---------- —裝— -----訂 I I [ I I ― 如 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12 - Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210x^7公嫠J