TWI407107B - 探針 - Google Patents

Description

探針

本發明係關於一種探針，特別關於一種原子力顯微術探針。

由於原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)(或稱掃描探針顯微術)(Scanning Probe Microscopy,SPM)係指具有掃描機制與動作及微細探針機制的顯微技術，並已成為奈米科技以及生物醫學研究上的重要儀器。

請參照圖1所示，其為習知一種使用掃描探針檢測一待測物表面的示意圖。當一待測物11的表面被探針12掃描時，一發光元件13發出一光束(例如雷射光)照射於探針12之一懸樑臂(cantilever)121，該光束反射而被光感測元件14(例如光二極體)所接收，而控制回饋電路15接收由光感測元件14轉換之訊號並回饋控制一掃描機構16移動，進而可調整待測物11之位置，使得探針頭122(tip)與待測物11表面之間的某種交互作用維持一定值。而調整待測物11之位置的微調資料就是與表面的交互作用資料，通常對應的即為待測物11之表面結構形狀。因此，使用於奈米科技以及生物醫學研究上之原子力顯微術的功能上突破均需仰賴新穎探針的設計與製作，也因為如此，掃描探針係為原子力顯微術之技術核心，而探針頭的設計為探針製程的關鍵。

然而，許多商用探針或是學術界實驗室自製的探針都是以矽晶圓片蝕刻成模(mold)，再將材料以層積(deposition)方式製作探針頭122。其缺點是探針頭122的尖端受限於蝕刻面所形成的模具，使得探針頭122為金字塔形的錐狀，如圖2所示。

然而，習知之探針頭122的構造相當簡單，無法提供特殊用途的檢測掃描工作，例如無法提供良好的定位功能，又或者無法於探針頭的尖端設置另一材料，以因應特殊檢測工作的需求。

因此，如何提供一種探針，可因應特殊檢測工作的需求，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可因應特殊檢測工作需求之探針。

為連上述目的，依據本發明之一種探針包括一基座、一支持元件以及一探針頭。支持元件係設置於基座並突設於基座。探針頭設置於支持元件遠離基座之一端，探針頭具有至少一凹槽。

在本發明之一實施例中，凹槽位於探針頭之一頂部。

在本發明之一實施例中，凹槽具有一底部，底部與支持元件相鄰。

在本發明之一實施例中，當探針頭具有複數凹槽時，該等凹槽之開口係朝同一方向。

為達上述目的，依據本發明之一種探針包括一基座、一支持元件以及一探針頭。支持元件設置於基座並突設於基座。探針頭設置於支持元件遠離基座之一端，探針頭具有至少一穿孔。

在本發明之一實施例中，凹槽或穿孔係用以吸取或傳輸一固態、氣態或液態物質。

為達上述目的，依據本發明之一種探針包括一基座、一支持元件以及一探針頭。支持元件設置於基座並突設於基座。探針頭設置於支持元件遠離基座之一端，探針頭具有一第一部及一第二部，第一部具有至少一凹槽，第二部係至少部分設置於凹槽內。

在本發明之一實施例中，第一部及第二部係不同材質。

在本發明之一實施例中，當探針頭具有複數凹槽時，第二部至少部分設置於該等凹槽內。

為達上述目的，依據本發明之一種探針包括一基座、一支持元件以及一探針頭。支持元件設置於基座並突設於基座。探針頭設置於支持元件遠離基座之一端，探針頭具有一第一部及一第二部，第一部具有至少一穿孔，第二部係至少部分設置於穿孔內。

在本發明之一實施例中，基座、支持元件與探針頭之第一部係為一體成形。

在本發明之一實施例中，第二部係為傳導光波、電磁波、聲波、熱、或電漿之媒介。

承上所述，本發明之探針的探針頭具有至少一凹槽，或者具有至少一穿孔，又或者探針頭具有一第一部及一第二部，第一部具有至少一凹槽，第二部係至少部分設置於凹槽內，又或者第一部具有至少一穿孔，第二部係至少部分設置於穿孔內。藉此，使探針頭的凹槽或穿孔可供鑲嵌特殊材料，以成為具有特殊材料針尖的探針頭。例如凹槽或穿孔可鑲嵌奈米碳管或單晶鑽石等。另外，針尖之凹槽或穿孔的設計也可提供最佳的定位功能；此外，凹槽及穿孔可用於吸取物件或傳輸物件之管道(工具)，或可於凹槽附近加上電壓，以產生微型電漿作應用；也可以利用穿孔之通道，或於穿孔中填入不同物質以作為傳導光波、電磁波、聲波、熱、電漿等物理現象之媒介。因此，本發明之探測頭可提供不同特殊用途的檢測掃描工作，以因應特殊檢測工作的需求。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種探針，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖3A及圖3B所示，其分別為本發明較佳實施例之一種探針2之俯視圖及側視圖。探針2包括一基座21、一支持元件22以及一探針頭23。本發明之探針2係可應用於原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)，並可檢測多種奈米級表面的特性，例如力學特性、磁性、電性、熱性、或光特性等，並可廣為應用在奈米尺度至微米尺度的表面量測。

其中，探針2之基座21(substrate)亦可稱為探針晶片(probe chip)，其係用於設置支持元件22及探針頭23之用。支持元件22係設置於基座21，而支持元件22的一部分係突出於基座21。

探針頭23係設置於支持元件22遠離基座21之一端。於此，探針頭23係設置於支持元件22突出於基座21之一端。另外，基座21、支持元件22與探針頭23係為一體成形。

以下，請參照圖4A及圖4B所示，以說明本發明之探針頭23之結構。圖4A與圖4B為探針頭23不同視角的示意圖。

探針頭23具有至少一凹槽231。於此，係以探針頭23具有一凹槽231為例。當然，探針頭23也可具有複數凹槽231。其中，凹槽231係位於探針頭23之一頂部Ta。另外，凹槽231具有一底部B1，底部B1與支持元件22係為相鄰。

值得一提的是，探針頭23之頂部Ta之邊緣的頂端S1係呈尖銳狀，因此，仍可應用探針頭23之頂端S1以作為原子力顯微鏡呈像之用。

請參照圖5A所示，以說明本發明另一態樣之探針頭23a的結構。其中，探針頭23a之頂部Tb具有複數凹槽231a，且該等凹槽231a的開口係朝向同一個方向。於此，係以該等凹槽231a的開口係朝向上為例。

另外，請參照圖5B及圖5C所示，以說明本發明又一態樣之探針頭23b的結構。圖5B及圖5C為探針頭23b不同視角的示意圖。

探針頭23b與探針頭23主要的不同在於，探針頭23b並不具有凹槽，而是具有至少一穿孔234。於此，係以具有一穿孔234為例。換言之，於探針頭23b之正上方俯視探針頭23b，可藉由穿孔234直接看穿探針頭23b，並可看見支持元件22之表面。

請參照圖6A及圖6B所示，以說明本發明另一較佳實施例之一種探針3的結構。圖6A及圖6B為探針頭3不同視角的示意圖。

探針3與探針2主要的不同在於，探針3之探針頭33具有一第一部331及一第二部332，第一部311係連接於支持元件32。其中，第一部331具有至少一凹槽333。於此，係以具有一凹槽333為例。另外，第二部332係至少部分設置於凹槽333內。於此，第二部332的一部分係設置於凹槽333內，而第二部332的另一部分係突出於凹槽333，並形成一尖狀之頂端S2。

第一部331及第二部332係可具有相同或不相同的材質，於此，並不加以限制。而凹槽333係可具有一底部B2，而底部B2係與支持元件32相鄰。另外，基座31、支持元件32與探針頭33之第一部331係為一體成形。

另外，請參照圖6C及圖6D所示，以說明另一態樣之探針頭33a的結構。其中圖6C為探針頭33a的分解示意圖，圖6D為探針頭33a的組合示意圖。

當探針頭33a具有複數凹槽333a時，該等凹槽333a之開口係朝向同一個方向。另外，第二部332a係至少部分設置於該等凹槽333a內。於此，第二部332a的一部分係設置於凹槽333a內，而第二部332a的另一部分係突出於凹槽333a，並分別形成一尖狀之頂端S3。

請參照圖7A及圖7B所示，以說明另一態樣之探針頭33b的結構。圖7A及圖7B為探針頭33b不同視角的示意圖。

探針頭33b與探針頭33主要的不同在於，探針頭33b並不具有凹槽，而是具有至少一穿孔334。於此，以具有一穿孔334為例。另外，第二部332係至少部分設置於穿孔334，而第二部332的另一部分係突出於穿孔334，並形成一尖狀之頂端S2。

承上所述，本發明之探針的探針頭具有至少一凹槽或具有至少一穿孔，又或者探針頭具有一第一部及一第二部，第一部具有至少一凹槽，第二部係至少部分設置於凹槽內，又或者第一部具有至少一穿孔，第二部係至少部分設置於穿孔內。藉此，使探針頭的凹槽或穿孔可供鑲嵌特殊材料，以成為具有特殊材料的針尖之探針頭，例如凹槽或穿孔可鑲嵌奈米碳管或單晶鑽石等等。另外，針尖的凹槽或穿孔的設計也可提供最佳的定位功能；此外，凹槽及穿孔可用於吸取物件或傳輸物件之管道(工具)，或可於凹槽附近加上電壓，以產生微型電漿作應用；也可以利用穿孔之通道，或於穿孔中填入不同物質以作為傳導光波、電磁波、聲波、熱、電漿等物理現象之媒介。因此，本發明之探測頭可提供不同特殊用途的檢測掃描工作，以因應特殊檢測工作的需求。

另外，請分別參照圖8A至圖8L以說明本發明之探針2的製作步驟。本發明之探針2的製作步驟為：第一步驟：如圖8A所示，於矽晶圓100(Si wafer)之上表面T及下表面B分別沈積二氧化矽層(SiO₂ )101及氮化矽層(Si₃ N₄ )102。

第二步驟：如圖8B所示，於上表面T上之氮化矽層102進行黃光製程，以形成氮化矽圖案(pattern)。其中，黃光製程包括光阻塗佈、曝光顯影(lithography)、蝕刻及去除光阻等製程。於此步驟中，形成左邊氮化矽圖案的第一道光罩之形狀係為五邊形，且五邊形之中間具有通孔，以使圖8B左邊之氮化矽圖案亦為五邊形且中間具有通孔之圖案。

第三步驟：如圖8C所示，於上表面T上的氮化矽層102及二氧化矽層101進行黃光製程(圖式中留下塗佈光阻103)，以於二氧化矽層101上形成具有支持元件形狀的圖案。於此步驟中，使用第二道光罩。

第四步驟：如圖8D所示，翻轉矽晶圓100，於下表面B上的氮化矽層102上使用黃光製程(圖式中留下塗佈光阻104)，以形成氮化矽圖案。於此步驟中，使用第三道光罩。

第五步驟：如圖8E所示，翻轉晶圓100，以第二步驟之氮化矽圖案為蝕刻罩幕(hard mask)，並進行溼式蝕刻，以於矽晶圓100上形成支持元件的形狀，並且由於氮化矽層102具有通孔，故二氧化矽層101會藉由溼式蝕刻形通孔。

第六步驟：如圖8F所示，以第二步驟之氮化矽圖案為蝕刻罩幕，並進行溼式蝕刻，以於矽晶圓100上形成探針頭23及支持元件22。此時，係使用的45%的氫氧化鉀(KOH)及HNA蝕刻液。另外，特別注意的是，由於圖8F上表面T的左邊氮化矽罩幕為五邊形且中間具有通孔，因此，蝕刻後形成探針頭23，且探針頭23亦具有凹槽或穿孔。於此步驟中，可藉由控制蝕刻液的蝕刻時間、濃度、或組成等條件而製作不同深度的凹槽或甚至穿孔。

第七步驟：如圖8G所示，去除探針頭23上的氮化矽罩幕。

第八步驟：如圖8H所示，於支持元件22及探針頭23之部分再沈積二氧化矽層105及氮化矽層106。沈積二氧化矽層105及氮化矽層106的目的是為了保護支持元件22及探針頭23，以避免後續的製程造成支持元件22及探針頭23的損害。

第九步驟：如圖8I所示，翻轉矽晶圓100後，進行蝕刻製程以圖案化晶片背面形成氮化矽層102的圖案。於此，係進行乾式蝕刻。

第十步驟：如圖8J所示，以氮化矽層102的圖案為蝕刻罩幕，進行蝕刻製程，直到形成支持元件22的形狀。於此，係進行溼式蝕刻。

第十一步驟：如圖8K所示，翻轉矽晶圓100，移除上表面T及下表面B之氮化矽層102、106。

第十二步驟：如圖8L所示，以蝕刻製程去除二氧化矽層105後，形成基座21，以完成探針2的製作。於此時，也可利用控制蝕刻液的蝕刻時間，或以後置製程(post-processing)，使探針頭23更尖銳化。

請參照圖9A及圖9B所示，其為運用上述製程製作之探針2不同視角的照片。由圖9A及圖9B中可看出，探針2之探針頭23具有一凹槽。當然，也可於第六步驟中控制蝕刻液的蝕刻時間而製作不同深度的凹槽或甚至穿孔。另外，可於第二步驟使用之五邊形光罩中具有複數通孔，以使圖8B左邊之氮化矽圖案亦為五邊形且中間具有複數通孔之圖案，如此，在第六步驟中製作的探針頭23則可具有複數凹槽或者甚至穿孔。此外，可於凹槽或穿孔中鑲嵌特殊材料，以成為具有特殊材料的針尖之探針頭，例如鑲嵌奈米碳管或單晶鑽石等。

特別說明的是，上述之探針製作技術係可先運用有限元素分析，再配合微機電製程的模擬，並依據應用上的需要，先設計出理想的探針尺度與探針頭之針形，再以微機電(微奈米)製程，製造品質齊一，符合設計的掃瞄奈米探針，而製程參數已先以模擬軟體測試通過，因此，可得到最佳化的時間及成本。另外，本技術所採用的有限元素分析模擬，配合製程模擬，所得到的估算值與實際數值誤差在10%之內。而本發明之基座、支持元件與探針頭係為一體成形，而其材質係可包含矽。

此外，上述的探針製程還具有以下的特色：第一、只需要三道光罩(步驟二、三及四)的設計就可製造一體成形的探針。第二、先將探針頭與支持元件成形，再層積二氧化矽及氮化矽保護層(步驟八)。第三、在針尖層積保護層的同時，以『oxidation sharpening』方式增加探針的尖銳度，減少工序，降低成本。第四、於下表面進行蝕刻製程的同時，可同時使探針基座(探針晶片)與前端的支持元件成形(步驟十)。

綜上所述，因本發明之探針的探針頭具有至少一凹槽，或者具有至少一穿孔，又或者探針頭具有一第一部及一第二部，第一部具有至少一凹槽，第二部係至少部分設置於凹槽內，又或者第一部具有至少一穿孔，第二部係至少部分設置於穿孔內。藉此，使探針頭的凹槽或穿孔可供鑲嵌特殊材料，以成為具有特殊材料針尖的探針頭。例如凹槽或穿孔可鑲嵌奈米碳管或單晶鑽石等。另外，針尖之凹槽或穿孔的設計也可提供最佳的定位功能；此外，凹槽及穿孔可用於吸取物件或傳輸物件之管道(工具)，或可於凹槽附近加上電壓，以產生微型電漿作應用；也可以利用穿孔之通道，或於穿孔中填入不同物質以作為傳導光波、電磁波、聲波、熱、電漿等物理現象之媒介。因此，本發明之探測頭可提供不同特殊用途的檢測掃描工作，以因應特殊檢測工作的需求。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100．．．矽晶圓

101、105．．．二氧化矽層

102、106．．．氮化矽層

103、104．．．光阻

11‧‧‧待測物

12‧‧‧探針

121‧‧‧懸樑臂

122、23、23a、23b、33、33a、33b‧‧‧探針頭

13‧‧‧發光元件

14‧‧‧光感測元件

15‧‧‧控制回饋電路

16‧‧‧掃描機構

22、32‧‧‧支持元件

231、231a、333、333a‧‧‧凹槽

234、334‧‧‧穿孔

331、331a‧‧‧第一部

332、332a‧‧‧第二部

B‧‧‧下表面

B1、B2、B3‧‧‧底部

S1、S2、S3‧‧‧頂端

T‧‧‧上表面

Ta、Tb‧‧‧頂部

圖1為習知一種使用掃描探針檢測一待測物表面的示意圖；

圖2為習知一種探針的示意圖；

圖3A及圖3B分別為本發明較佳實施例之一種探針之俯視圖及側視圖；

圖4A及圖4B分別為本發明之探針頭的結構示意圖；

圖5A至圖7B分別為本發明不同態樣之探針頭的結構示意圖；

圖8A至圖8L分別為本發明之探針的製作示意圖；以及

圖9A至圖9B分別為應用本發明之製程所製作之探針照片。

22．．．支持元件

23．．．探針頭

231．．．凹槽

B1．．．底部

S1．．．頂端

Ta．．．頂部

Claims (14)

1. 一種探針，包括：一基座；一支持元件，設置於該基座並突設於該基座；以及一探針頭，設置於該支持元件遠離該基座之一端，該探針頭具有至少一凹槽，其中該凹槽係用以吸取或傳輸固態、氣態或液態物質。
2. 如申請專利範圍第1項所述之探針，其中該凹槽位於該探針頭之一頂部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之探針，其中該凹槽具有一底部，該底部與該支持元件相鄰。
4. 如申請專利範圍第1項所述之探針，其中當該探針頭具有複數凹槽時，該等凹槽之開口係朝同一方向。
5. 一種探針，包括：一基座；一支持元件，設置於該基座並突設於該基座；以及一探針頭，設置於該支持元件遠離該基座之一端，該探針頭具有至少一穿孔，其中該穿孔係用以吸取或傳輸固態、氣態或液態物質。
6. 一種探針，包括：一基座；一支持元件，設置於該基座並突設於該基座；以及一探針頭，設置於該支持元件遠離該基座之一端，該探針頭具有一第一部及一第二部，該第一部具有至 少一凹槽，該第二部係至少部分設置於該凹槽內。
7. 如申請專利範圍第6項所述之探針，其中該第一部及該第二部係不同材質。
8. 如申請專利範圍第6項所述之探針，其中該凹槽位於該探針頭之一頂部。
9. 如申請專利範圍第6項所述之探針，其中該凹槽具有一底部，該底部與該支持元件相鄰。
10. 如申請專利範圍第6項所述之探針，其中當該探針頭具有複數凹槽時，該等凹槽之開口係朝同一方向。
11. 如申請專利範圍第6項所述之探針，其中當該探針頭具有複數凹槽時，該第二部至少部分設置於該等凹槽內。
12. 一種探針，包括：一基座；一支持元件，設置於該基座並突設於該基座；以及一探針頭，設置於該支持元件遠離該基座之一端，該探針頭具有一第一部及一第二部，該第一部具有至少一穿孔，該第二部係至少部分設置於該穿孔內。
13. 如申請專利範圍第6項或第12項所述之探針，其中該基座、該支持元件與該探針頭之該第一部係為一體成形。
14. 如申請專利範圍第6項或第12項所述之探針，其中該第二部係為傳導光波、電磁波、聲波、熱、或電漿之媒介。