專利名稱：Mems力學微探針及其制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統(MEMS)加工工藝技術領域，特別是涉及一種MEMS力學微探針及其制備方法。
背景技術：
微電子機械系統〔MEMS〕技術作為九十年代發展起來的一項跨學科新興技術，對提高生活品質和綜合國力具有無法替代的作用，并且是許多傳統行業拓展其技術含量的一種重要手段。MEMS的跨學科特點，使其在發展過程中涉及的研究領域和加工技術種類繁多。在眾多的MEMS加工技術中，硅基加工工藝，由于加工手段效率高、成本低、可與集成電路工藝兼容等優勢，成為科研人員普遍采用的MEMS加工工藝主流。
在MEMS的研究和應用中微力輸出的實現和微位移的檢測是一個充滿挑戰的領域。微力的輸出及微位移檢測主要由微力控制、微力傳感和微位移檢測構成。由于受到傳統精密機械加工方法的局限，一直沒有一套操作簡便、成本低廉、行之有效的微力輸出及微位移檢測的解決方案，目前只有價格昂貴、操作較為復雜的納米壓痕儀或類似設備能夠完成這樣的測量。
發明內容
針對上述問題，本發明提供一種基于硅基MEMS加工工藝的力學微探針及其制備方法，具有結構簡單，工藝易于實現，成品率高，使用便捷的特點。
一種MEMS力學微探針，包括探針體、襯底和若干個固定錨點，探針體包括T型探針頭、彈性梁、兩個梳齒電容及標尺結構，T型探針頭通過與固定錨點連接的彈性梁懸浮于襯底之上，梳齒電容分別設置在T型探針頭的肩部，梳齒電容的正/負極板與固定錨點相連，另一負/正極板與T型探針頭相連，正負極板間存在電勢差，標尺結構包括動尺和定尺兩部分，動尺與T型探針頭連接，定尺與固定錨點相連，探針體和襯底通過上述固定錨點固定連接。
襯底上設有金屬電極和金屬引線，金屬電極通過和固定錨點電學接觸的金屬引線與探針體實現電學連接。
彈性梁可為各種形狀的折疊梁或直梁。
梳齒電容極板寬4-8微米，極板間距2-6微米。
一種微探針的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區制作在硅片上利用光刻和刻蝕技術制作臺階，該臺階即固定錨點；(2)金屬電極和引線結構制作在襯底上利用光刻和物理氣相淀積或化學氣相淀積技術制作出金屬電極和金屬引線結構；(3)硅片與襯底鍵合在硅片上制作完成固定錨點之后，上、下表面翻轉，將上表面已制作好的鍵合區與已經制作完金屬電極和金屬引線的襯底進行陽極鍵合；(4)探針體結構制備將硅片從背面減薄，然后光刻形成探針體結構圖形，再利用電感耦合高密度等離子體刻蝕將硅片從背面刻蝕穿通，在刻蝕中被保留的部分就是探針體結構。
步驟1進一步包括臺階高度為2-10um。
步驟2進一步包括淺槽深1000-1200埃，淀積的金屬層厚度為1500到2000埃。
步驟3進一步包括鍵合電壓600-1000V，鍵合溫度350-360℃。
步驟4進一步包括硅片減薄余厚20-80微米。
本發明的原理外加電壓于襯底的金屬電極上，電壓通過金屬電極加在梳齒電容的極板上，在電勢差的作用下，梳齒電容上將產生靜電驅動力F1。在F1的作用下T型探針頭將向前(圖左側)運動，并使彈性懸掛梁結構產生形變，梁結構由于形變將產生應變應力F2。T型探針頭的位移可以通過標尺的動尺和定尺的差值讀出，根據胡克定律，由T型探針頭的位移及彈性懸掛梁結構的彈性系數可以得到F2的大小。探針針尖作用在待測樣品上的作用力F3等于F1減去F2。
同時，檢測微小位移時，可以將待測物體輕頂在探針針尖處，當待測物體發生位移或形變時推動針尖發生位移，T型探針頭的位移將改變梳齒電容的極板正對面積，由此改變梳齒電容的大小。通過對電容值變化量的測量可以得到T型探針頭的位移值，同時得到待測物體的位移或形變。測量位移的精度與測量電容的儀器精度以及取樣電容的大小等參數密切相關。
本發明的優點與技術效果1、靜電驅動型力學微探針利用梳齒間的靜電作用力，將外加電壓轉換為驅動力。由于對輸入電壓大小的調控方便、簡單，因此擴大了微探針能夠輸出的力的范圍。而通過改變梳齒結構(數量、間距)設計，也可以達到調控最終輸出力的范圍；2、靜電驅動型力學微探針將電壓輸入和標尺讀出相結合，使對輸出力的檢測更為準確；
3、利用靜電驅動型探針還可以實現微小位移的測量，當探針針尖發生位移，其驅動電容將發生變化，通過檢測電容的變化值可以計算出位移的大小；4、由于使用了體硅MEMS工藝，可以將微探針與被測樣品(體硅MEMS成品例如梁、微加速度計、微陀螺等)集成在同一管芯內，利于制造過程中的在線檢測、監測，以及對于產成品的參數提取；5、將探針頭部放置于芯片以外，由于在芯片劃開時是從襯底(玻璃)面向結構(單晶硅)面劃片，因此可以在不傷及探針頭部的情況下將探針頭部設計為可伸出所在管芯的形式，便于向片外的測試樣品加載力以及對片外待測力和微小位移量的測量。
綜上所述，本發明利用彈性折梁受力形變與所受外力成正比，以及梳齒間靜電力與梳齒間電壓的平方成正比的原理，將被測樣品所受力的大小通過微探針上的標尺讀出，具有讀數簡單，不需要借助大型、復雜設備的優點。這種微探針適用于微米/納米尺度下微結構的力學特性檢測、微小位移量測量、對硅基MEMS器件加工制造過程中的在線工藝參數監控，以及對硅基MEMS器件產成品的參數提取等領域，應用前景十分廣泛。
下面結合附圖，對本發明做出詳細描述圖1.1為靜電驅動型力學微探針固定錨點圖形俯視圖；圖1.2為靜電驅動型力學微探針金屬電極俯視圖；圖1.3為靜電驅動型力學微探針俯視圖；圖1.4為靜電驅動型力學微探針標尺的放大圖；圖1.5為靜電驅動型力學微探針具體實施例完成圖；圖2.1為腐蝕探針結構板，形成固定錨點臺階后的截面示意圖；
圖2.2為在襯底上形成金屬電極后截面示意圖；圖2.3為鍵合后截面示意圖；圖2.4為在探針結構板上形成鋁掩模圖形后截面示意圖；圖2.5為深槽刻蝕探針結構釋放并形成探針體各部分后截面示意圖。
其中1-固定錨點；2-單晶硅結構板；3-襯底，4-金屬電極，5-金屬引線，6-T型探針頭，7-彈性懸掛梁，8-電容，9-標尺；10-動尺，11-定尺；12-保護電極結構；13-鋁掩模。
具體實施例方式
微探針結構參考圖1.3、圖1.4、圖1.5以及圖2.4，本發明微探針結構總的分為上部單晶硅結構探針體以及下部玻璃結構襯底3，上部單晶硅結構探針體部分包括固定錨點(anchor)1、T型探針頭6、彈性梁結構7、梳齒電容8和讀出標尺9。T型探針頭6通過與固定錨點1連接的彈性梁7懸浮于襯底之上，兩個梳齒電容8分別設置在T型探針頭6的肩部，梳齒電容8的一側極板與固定錨點1相連，梳齒電容8的另一側極板與T型探針頭6相連，標尺結構包括動尺10和定尺11兩部分，動尺10與T型探針頭6連接，定尺11與固定錨點1相連。
微探針結構的下部分為襯底3。襯底可以是玻璃或單晶硅，在襯底結構上有為梳齒工作提供驅動電壓或傳輸取樣信號用的金屬電極4，還可以制作在探針制作過程中提高刻蝕成品率的保護電極結構13。將單晶硅結構板2和玻璃襯底3上、下鍵合，通過固定錨點連接。
探針的使用方法參考圖2.5，使用時將探針針尖頂在待測樣品上。外加電壓加在金屬電極4上，電壓通過金屬電極加在梳齒電容8的極板上。在電勢差的作用下，梳齒電容上將產生靜電驅動力F1。在F1的作用下T型探針頭6將向前(圖左側)運動，并使彈性懸掛梁結構7產生形變，T型探針頭的剛性遠大于彈性梁。彈性懸掛梁結構由于形變將產生應變應力F2。T型探針頭6的位移可以通過標尺9的動尺10和定尺11的差值讀出，根據胡克定律，由“T”探針頭部6的位移及彈性懸掛梁結構7的彈性系數可以得到F2的大小。探針針尖作用在待測樣品上的作用力F3等于F1減去F2。以現有測量手段及工藝參數微探針輸出的可測量的微小力的精度可以達到1.5微牛(假設探針體硅結構厚80微米，彈性梁為折疊梁，寬7微米、長400微米、折數12折，微探針的微位移取樣梳齒電容為30對，梳齒間距5微米)。
對于利用微探針檢測微小位移時可以將待測物體輕頂在探針針尖處，當待測物體發生位移或形變時推動針尖發生位移，T型探針頭6的位移將改變取樣電容8的極板正對面積，由此改變取樣電容8的大小。通過對取樣電容8的電容值變化量的測量就可以得到T型探針頭6的位移值，同時得到待測物體的位移或形變。測量位移的精度與測量電容的儀器精度、梳齒的個數、梳齒間距等參數密切相關，以現有測量手段及工藝參數測量微位移的精度可以達到2埃(假設測量電容的分辨率為0.001皮法，探針體硅結構厚80微米，微探針的微位移取樣梳齒電容為30對，梳齒間距5微米。)。
探針的制備工藝參考圖2.1至圖2.5，本實施例制備工藝為體硅MEMS工藝(硅-玻璃陽極鍵合、硅ICP深刻蝕)。該方法對于將微探針進一步與被測樣品(體硅MEMS成品結構)以及電路集成方面，也具有幫助。為保證鍵合質量，在硅-玻璃鍵合時硅鍵合尺寸(長、寬)都要比玻璃上定義的尺寸大5-10微米，具體設計參數硅-玻璃之間的間距為4-10微米；濺射鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)電極的厚度別為鈦100-600埃，鉑300-500埃，金800-1200埃，寬度10-100微米；濺射鋁600-800埃；梁寬度8-20微米；微探針本身結構200-1500微米。
制造工藝步驟如下1.硅片正面氧化3000埃；2.光刻1#版，定義固定錨點，參考圖1.1，圖2.1；3.BHF溶液腐蝕SiO2；4.硅片正面去膠；5.KOH腐蝕硅片正面4微米深，形成固定錨點，在管芯外圍還應有一圈寬300-500微米的鍵合區，用做定義劃片槽以及KOH減薄(步驟12)和裂片(步驟19)時的保護；6.BHF溶液腐蝕硅片正、反兩面，去掉全部SiO2；7.硅片正面注入、退火，形成歐姆接觸區，n型硅片摻磷(P)，p型硅片摻硼(B)，注入劑量5E15，能量80KeV；8.光刻2#版，在玻璃襯底上形成金屬電極及引線圖形，參考圖1.2，圖2.2；9.濺射金屬Ti/Pt/Au，分別為400埃、300埃、900埃；10.剝離金屬復合膜，形成金屬電極及引線參考圖1.2，圖2.2；11.陽極鍵合單晶硅片和玻璃，參考圖2.3；12.KOH減薄單晶硅片，硅片剩余厚度70-80微米；13.硅片背面濺射鋁800埃；14.光刻3#版，形成探針體結構圖形，參考圖1.3，圖2.4；
15.磷酸腐蝕鋁，形成金屬掩膜；16.去膠；17.硅片背面涂光刻膠保護；18.劃片，劃片槽寬300-500微米，從襯底(玻璃)面向結構(單晶硅)面劃片，余厚(單晶硅厚)120-150微米；19.硅片背面去膠；20.ICP深槽刻蝕(刻穿)結構釋放，參考圖1.5；21.裂片。
綜上所述，本發明公開了一種體硅MEMS力學微探針及其制備方法。上面描述的應用場景和實施例，并非用于限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，可做各種的更動和潤飾，因此本發明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
權利要求
1.一種MEMS力學微探針，包括探針體、襯底和若干個固定錨點，探針體包括T型探針頭、彈性梁、兩個梳齒電容及標尺結構，T型探針頭通過與固定錨點連接的彈性梁懸浮于襯底之上，梳齒電容分別設置在T型探針頭的肩部，梳齒電容的正/負極板與固定錨點相連，另一負/正極板與T型探針頭相連，正負極板間存在電勢差，標尺結構包括動尺和定尺兩部分，動尺與T型探針頭連接，定尺與固定錨點相連，探針體和襯底通過上述固定錨點固定連接。
2.如權利要求1所述的MEMS力學微探針，其特征在于襯底上設有金屬電極和金屬引線，金屬電極通過和固定錨點電學接觸的金屬引線與探針體實現電學連接。
3.如權利要求1或2所述的MEMS力學微探針，其特征在于彈性梁為各種形狀的折疊梁或直梁。
4.如權利要求1或2所述的MEMS力學微探針，其特征在于在定尺和動尺上位于兩者相鄰一側上分別設有刻度凸臺。
5.如權利要求1或2所述的MEMS力學微探針，其特征在于梳齒電容極板寬4-8微米，極板間距2-6微米。
6.一種MEMS力學微探針的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區制作在硅片上利用光刻和刻蝕技術制作臺階，該臺階即固定錨點；(2)金屬電極和引線結構制作在襯底上利用光刻和物理氣相淀積或化學氣相淀積技術制作出金屬電極和金屬引線結構；(3)硅片與襯底鍵合在硅片上制作完成固定錨點之后，上、下表面翻轉，將上表面已制作好的鍵合區與已經制作完金屬電極和金屬引線的襯底進行陽極鍵合；(4)探針體結構制備將硅片從背面減薄，然后光刻形成探針體結構圖形，再利用電感耦合高密度等離子體刻蝕將硅片從背面刻蝕穿通，在刻蝕中被保留的部分就是探針體結構。
7.如權利要求6所述的MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟1進一步包括臺階高度為2-10um。
8.如權利要求6所述的體硅MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟2進一步包括淺槽深1000-1200埃，淀積的金屬層厚度為1500到2000埃。
9.如權利要求6所述的體硅MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟3進一步包括鍵合電壓600-1000V，鍵合溫度350-360℃。
10.如權利要求6所述的體硅MEMS力學微探針的制備方法，其特征在于步驟4進一步包括硅片減薄余厚20-80微米。
全文摘要
本發明提供一種MEMS力學微探針及其制備方法，屬于微電子機械系統(MEMS)加工技術領域。該探針包括探針體、襯底和若干個固定錨點，探針體包括T型探針頭、彈性梁、兩個梳齒電容及標尺結構，T型探針頭通過與固定錨點連接的彈性梁懸浮于襯底之上，梳齒電容分別設置在T型探針頭的肩部，梳齒電容的正/負極板與固定錨點相連，另一負/正極板與T型探針頭相連，標尺結構包括動尺和定尺兩部分，動尺與T型探針頭連接，定尺與固定錨點相連，探針體和襯底通過上述固定錨點固定連接。本發明利用彈性折梁受力形變與所受外力成正比，以及梳齒間靜電力與梳齒間電壓的平方成正比的原理，讀出被測樣品所受力的大小，具有讀數簡單、工藝易于實現的特點。
文檔編號B81B1/00GK1866407SQ200610083448
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月31日 優先權日2006年5月31日
發明者劉冬寧, 張大成, 賀學峰, 李婷, 楊芳, 王穎, 張美麗 申請人:北京大學