TWI439695B - 熱探針 - Google Patents

Description

熱探針

本發明係關於一種探針，特別關於一種掃描用熱探針。

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。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。另外，掃描熱探針顯微術(Scanning thermal probe microscopy，SThM)是基於原子力顯微鏡的另一項技術，與原子力顯微鏡不同在於，掃描熱探針顯微術具有可加熱之熱探針，利用此熱探針進行掃描時，可得到試片表面的溫度分布。由於這項技術的發明，材料熱分析的尺度得以推展至次微米及微米的尺度。

然而，現今許多掃描用熱探針的製作都是使用矽的微機電製程，亦即探針頭、加熱器、懸臂樑皆為矽材料製作而成，雖然製程上較為簡單，且品質也較易控制，但是，無論是在探針頭的磨耗上、或加熱器的運用溫度、或量測可達溫度上皆有其限制性。另外，當熱探針之探針頭進行掃描時，會與試片表面發生作用而產生磨耗，若探針頭的曲率半徑持續增大，將會影響成像的解析度。若因不同功能需更換探針頭時，習知的熱探針也無法更換探針頭，而需將熱探針全部更換。此外，習知的探針頭、加熱器及懸臂樑為單一的矽材料製作，因此，使用者無法根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑之組合。

因此，如何提供一種掃描用熱探針，不僅其探針頭為可更換，且使用者可以根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑的組合，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不僅其探針頭為可更換，且使用者可以根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑的組合之熱探針。

為達上述目的，依據本發明之一種熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。導電圖案設置於支持元件，並具有複數彎折部。探針頭具有一底座及一針尖，底座具有一第一表面及與第一表面相對的一第二表面，針尖設置於第一表面，第二表面與導電圖案連接，該等彎折部接觸第一表面。

在一實施例中，支持元件的材料包含矽。

在一實施例中，導電圖案的材料包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物、金屬氮化物或矽。

在一實施例中，探針頭的材料包含鑽石、氮化鈦、氮化矽、碳化矽、陶瓷、高分子、複合材料或其組合。

在一實施例中，底座與針尖係為一體成型。

在一實施例中，探針頭為可更換。

在一實施例中，針尖接觸或不接觸導電圖案。

在一實施例中，導電圖案的製造方法包括以下步驟：於支持元件上塗佈一光阻層；藉由黃光製程形成一圖案；設置一金屬層；以及移除圖案之外的金屬層及光阻層，以形成導電圖案。

在一實施例中，熱探針更包括一黏合層，其係設置於第一表面及或第二表面。

在一實施例中，熱探針更包括一基座，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。

承上所述，因依據本發明之熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。導電圖案設置於支持元件上，並具有複數彎折部。而探針頭具有一底座及一針尖，而底座具有一第一表面及與第一表面相對的一第二表面，針尖係設置於第一表面，而第二表面與導電圖案連接，且該等彎折部係接觸第一表面。藉此，可藉由導電圖案之該等彎折部來固定探針頭，並可利用加熱區之導電圖案之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案之電阻值，並施加電流至導電圖案，使加熱區產生焦耳熱，以對探針頭做全面的加熱，因此，本發明之熱探針可應用於掃描熱探針顯微術及其它相關的領域。另外，本發明之熱探針可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。此外，在本發明之一實施例中，探針頭的材料係為單晶鑽石，使得熱探針具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，探針頭不易磨損，故可節省熱探針的使用成本。另外，由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭可以解決上述的問題。

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

請參照圖2A～圖2C所示，其分別為本發明較佳實施例之一種熱探針2的分解示意圖、組合示意圖及側視示意圖。本發明之熱探針2可應用於微電子元件的熱分析、非均質材料之熱呈像(thermal mapping)、記憶儲存(data storage)、近場光熱微頻譜儀(Near-field photothermal microspectroscopy)、微區加熱(localized heating)及微奈米結構加工、修飾等。於此，並不加以限制其使用領域。其中，熱探針2包括一支持元件21、一導電圖案22以及一探針頭23。

支持元件21的材料可包含矽，例如可為單晶矽。其中，支持元件21的長、寬、高之尺寸可例如為450×60×4μm或350x60x3μm，當然並不以此為限。使用者可依其需求設計及製作不用尺寸的支持元件21。另外，支持元件21是以黃光製程(半導體製程)製作，其中，黃光製程可包括光阻塗佈、曝光顯影(lithography)、蝕刻(Etching)及去除光阻等步驟。黃光製程係為習知製程，於此不再贅述。在本實施例中，支持元件21係以具有兩個分開的支持臂A、B為例。其中，分開之支持臂A、B的優點是可利用兩者之間的空氣隔熱，以避免熱能經材料熱傳導而逸失。

另外，值得一提的是，支持元件21的形狀並不以圖2A及圖2B為限，當然，使用者可依據其需求設計不用形狀的支持元件21。例如不使用如圖2A及圖2B之分開的支持臂A、B，而是一整片的支撐臂(圖未顯示)。不過，若使用整片的支撐臂時，支撐臂上的導電圖案22不可彼此電性接觸而造成短路。

導電圖案22係設置於支持元件21上，並具有複數彎折部221，以形成一加熱區C。其中，加熱區C為導電圖案22上設置探針頭23之底座231的區域。其中，導電圖案22的材料例如可包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物(例如PbO或RuO₂ )、金屬氮化物(例如TaN)或矽(使用離子佈值，使其具電阻特性)等任何具有限導電性(具電阻性)之材料。因此，使用者可根據其需求利用加熱區C之導電圖案22之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案22之電阻值，並施加電流至導電圖案22，使加熱區C產生焦耳熱，以對探針頭23做全面的加熱。在本實施例中，導電圖案22的材料係以鎳磷合金為例。

另外，如圖2A及圖2B所示，支持臂A、B之導電圖案22的寬度例如為15μm，而導電圖案22的彎折部221的寬度例如為3μm，當然，亦不以此為限。使用者也可依其需求設計及製造不同寬度的導電圖案22。此外，圖2A之導電圖案22只是舉例，當然，導電圖案22也可是其它的圖案，例如圖2D所示。

以下，請分別參照圖3A至圖3E所示，以說明本發明之導電圖案22的製作流程。

導電圖案22的製造方法可包括以下步驟：如圖3A所示，提供一支持元件21；再者，如圖3B所示，於支持元件21上塗佈一光阻層R；接著，如圖3C所示，藉由黃光製程形成一圖案P；再者，如圖3D所示，設置一金屬層M；最後，如圖3E所示，移除圖案P之外的金屬層M及光阻層R，以形成導電圖案22。在本實施例中，係利用無電電鍍(electroless plating)技術設置金屬層M，並搭配金屬舉離(lift-off)的製程將不需要的金屬層M移去，留下的即是所要的金屬導線(導電圖案22)。上述中，使用無電電鍍的優點是不需先設置導電層(電鍍則需要先設置導電層)。而舉離製程是以溶劑剝離光阻層R，沒有光阻層R覆蓋的金屬層M將被保留，且沉積於光阻層R上的材料被去除，最後形成導電圖案22。不過，導電圖案22也可以其他方法來製造，例如以電鍍、蒸鍍或濺鍍等技術製作。

請再參照圖2A～圖2C所示，探針頭23具有一底座231及一針尖232。其中，底座231與針尖232可為一體成型，也可不為一體成型。另外，底座231具有一第一表面S1及與第一表面S1相對的一第二表面S2，而針尖232係設置於底座231之第一表面S1。其中，探針頭23的材料例如可包含鑽石、氮化鈦(TiN)、氮化矽(Si₃ N₄ )、碳化矽(SiC)，或其他不具導電性之陶瓷、高分子、複合材料或其組合。上述的材料均具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，使用者可根據其需求選擇適合之材料作為熱探針2的探針頭23，且不同材料及尺寸的探針頭23均可適用於熱探針2。在本實施例中，底座231與針尖232係為一體成型，且其材料均為單晶鑽石。其中，單晶鑽石具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性。由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭23可以解決上述問題。不過，使用者可不必將探針頭23的材料侷限於上述幾種，也可利用熱探針2之導電圖案22具有加熱的特性將可融熔之探針頭23的材料融化，以將熱探針2做為奈米級或微米級的熱溶膠槍或點焊槍來使用。

如圖2B及圖2C所示，探針頭23係設置於導電圖案22之上，使得底座231之第二表面S2與導電圖案22連接，且導電圖案22之該等彎折部221係接觸第一表面S1。於此，係將導電圖案22之該等彎折部221當成探針頭23的承載台，以夾置(固定)探針頭23。其中，可利用掃描式電子顯微鏡及微型機械手臂來操作，利用導電圖案22的延展性，將導電圖案22之該等彎折部221彎折，以使該等彎折部221壓合於探針頭23，使該等彎折部221固定探針頭23，因此，不同材料及尺寸的探針頭23均可適用並設置於導電圖案22之上，且當探針頭23因磨損或需不同功能需更換時，可更換另一探針頭而不需將整支熱探針2丟棄。如此，可節省熱探針2的成本支出。另外，本發明之熱探針2可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭23，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。

再說明的是，導電圖案22可接觸針尖232，也可不接觸針尖232。若導電圖案22接觸針尖232時，針尖232的加熱速率可以更快，可縮短探針頭23的加熱時間。

熱探針2更可包括一黏合層(圖未顯示)，黏合層係設置於第一表面S1及或第二表面S2，並位於導電圖案22與探針頭23之間。因此，可藉由黏合層將導電圖案22與支持元件21更穩固地連結。其中，黏合層例如可為快乾膠(氰基丙烯酸酯)或環氧樹脂等。

此外，請參照圖4A及圖4B所示，其分別為本發明之熱探針2的另一示意圖。熱探針2更可包括一基座24，支持元件21係設置於基座24，並突設於基座24，且探針頭23設置於支持元件21遠離基座24之一端。其中，基座24與支持元件21可為一體成形，且其材料可包含矽。

承上，本發明之熱探針2可藉由加熱區C之導電圖案22之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案22之電阻值，並施加電流至導電圖案22，使加熱區C產生焦耳熱，以對探針頭23做全面的加熱。另外，利用導電圖案22的延展性，可將導電圖案22之該等彎折部221彎折，以使該等彎折部221壓合並接觸於探針頭23，使該等彎折部221固定探針頭23，因此，不同材料及尺寸的探針頭23均可適用並設置於導電圖案22之上，且當探針頭23因磨損或需不同功能需更換時，可更換另一探針頭而不需將整支熱探針2丟棄。如此，可節省熱探針2的成本支出。另外，本發明之熱探針2可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭23，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。

綜上所述，因依據本發明之熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。導電圖案設置於支持元件上，並具有複數彎折部。而探針頭具有一底座及一針尖，而底座具有一第一表面及與第一表面相對的一第二表面，針尖係設置於第一表面，而第二表面與導電圖案連接，且該等彎折部係接觸第一表面。藉此，可藉由導電圖案之該等彎折部來固定探針頭，並可利用加熱區之導電圖案之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案之電阻值，並施加電流至導電圖案，使加熱區產生焦耳熱，以對探針頭做全面的加熱，因此，本發明之熱探針可應用於掃描熱探針顯微術及其它相關的領域。

另外，本發明之熱探針可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。此外，在本發明之一實施例中，探針頭的材料係為單晶鑽石，使得熱探針具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，探針頭不易磨損，故可節省熱探針的使用成本。另外，由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭可以解決上述的問題。

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。

11．．．待測物

12．．．探針

121．．．懸樑臂

122．．．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

2．．．熱探針

21．．．支持元件

22．．．導電圖案

221．．．彎折部

23．．．探針頭

231．．．底座

232．．．針尖

24．．．基座

A、B．．．支持臂

C．．．加熱區

M．．．金屬層

P．．．圖案

R．．．光阻層

S1．．．第一表面

S2．．．第二表面

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2A～圖2C分別為本發明較佳實施例之一種熱探針的分解示意圖、組合示意圖及側視示意圖；

圖2D為本發明之導電圖案的另一示意圖；

圖3A～圖3E分別為本發明之導電圖案的製作流程示意圖；以及

圖4A及圖4B分別為本發明之熱探針的另一示意圖。

2．．．熱探針

21．．．支持元件

22．．．導電圖案

221．．．彎折部

23．．．探針頭

231．．．底座

232．．．針尖

A、B．．．支持臂

S1．．．第一表面

S2．．．第二表面

Claims (10)

1. 一種熱探針，包括：一支持元件；一導電圖案，設置於該支持元件，並具有複數彎折部；以及一探針頭，具有一底座及一針尖，該底座具有一第一表面及與該第一表面相對的一第二表面，該針尖設置於該第一表面，該第二表面與該導電圖案連接，該等彎折部接觸該第一表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該支持元件的材料包含矽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該導電圖案的材料包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物、金屬氮化物或矽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該探針頭的材料包含鑽石、氮化鈦、氮化矽、碳化矽、陶瓷、高分子、複合材料或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該底座與該針尖係為一體成型。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該探針頭為可更換。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該針尖接觸或不接觸該導電圖案。
8. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該導電圖案的製造方法包括以下步驟：於該支持元件上塗佈一光阻層；藉由黃光製程形成一圖案；設置一金屬層；以及移除該圖案之外的該金屬層及該光阻層，以形成該導電圖案。
9. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一黏合層，係設置於該第一表面及或該第二表面。
10. 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一基座，該支持元件係設置於該基座，並突設於該基座，該探針頭設置於該支持元件遠離該基座之一端。