CN104931741B - 微探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种微探针，包括主体支撑部和测试探针，所述测试探针包括测试悬臂梁，所述微探针还包括与主体支撑部固定连接的边翼，所述测试悬臂梁与边翼呈一整体结构。该微探针不仅可以通过与主体支撑部固定连接的边翼控制测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的尺寸精度，从而保证微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的弹性指数的均匀性。而且，还可以利用压力监测探针监测测试探针与测试样品之间的接触情况，从而避免测试样品出现凸起、小孔、沾污等缺陷而导致测试失败的情况。

Description

微探针及其制备方法

技术领域

本发明涉测试技术领域，尤其涉及一种微探针及其制备方法。

背景技术

随着微机电系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）及纳米科技的进步，微探针在扫描探针显微镜、隧道传感器、微纳米加工、高密度数据存储中的应用越来越多。

参阅图1a至图1c，现有技术提供的微探针包括一个或多个悬臂梁310，每个悬臂梁310的端部均可以与测试样品200表面建立电连接。在对测试样品200进行测试时，首先需要将微探针的悬臂梁310的前端头与测试样品200的表面进行接触，然后对悬臂梁310施加一定的压力使其产生形变，使悬臂梁310的端部与测试样品200具有较大面积的接触，从而使微探针保持良好的测量状态。这就需要微探针在测量时注意两个方面：第一，要能及时地判断悬臂梁310的前端头与测试样品200表面形成初始的接触；第二，要能有效地控制悬臂梁310的形变，既能使微探针保持良好的测量状态，又能保证悬臂梁310不具有较大的形变从而导致悬臂梁310的断裂。若在测量中没有注意以上两个方面，就容易出现悬臂梁310的形变较大而导致的断裂情况，这样不仅影响测试的进程，同时也增加了测试成本。

解决上述问题的一个有效方案是采用具有良好弹性指数的悬臂梁的微探针，这样在悬臂梁与测试样品接触后，悬臂梁可以具有较大的形变而不产生断裂。然而，在制备微探针时，通常采用背面释放工艺来制备微探针的悬臂梁，其中，背面释放工艺常采用深硅刻蚀或者湿法腐蚀。这种背面释放工艺很难保证精确度，从而导致不同的悬臂梁具有不同的尺寸。而悬臂梁的尺寸对其弹性指数具有较大的影响，因此，制备的微探针会出现同一个微探针上的不同的悬臂梁具有不同的弹性指数。在测试时，具有最小弹性指数的悬臂梁会影响整个微探针的性能。同时，同一批次生产的微探针的悬臂梁的弹性指数也会有较大区别，从而导致大规模生产的均匀性不佳的问题。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种微探针，该微探针不仅包括具有均匀弹性指数的压力检测悬臂梁和测试悬臂梁，而且，其制备工艺简单，易于实现。

为了实现上述目的，本发明提供的一种微探针，包括主体支撑部和测试探针，所述测试探针包括测试悬臂梁，其中，所述微探针还包括与主体支撑部固定连接的边翼，所述测试悬臂梁与边翼呈一整体结构。

优选地，所述微探针还包括用于监测测试悬臂梁与测试样品接触后所受压力大小的压力监测探针。

优选地，所述压力监测探针包括压力监测悬臂梁，所述压力监测悬臂梁与边翼呈一整体结构。

优选地，所述压力监测探针采用压阻材料制成。

优选地，所述边翼包括SOI片的顶层硅和设于SOI片的顶层硅上的绝缘层；所述测试探针包括SOI片的顶层硅和依次设于SOI片的顶层硅上的绝缘层和金属层；所述压力监测探针包括SOI片的顶层硅上和依次设于SOI片的顶层硅上的离子注入层、绝缘层和金属层。

优选地，所述压力监测悬臂梁和测试悬臂梁处于同一平面内，所述压力监测悬臂梁的前端头和测试悬臂梁的前端头处在同一直线上。

优选地，所述测试探针还包括设于主体支撑部上的测试电极，所述测试悬臂梁与测试电极电连接；所述压力监测探针包括设于主体支撑部上的压力监测电极，所述压力监测悬臂梁与压力监测电极电连接。

本发明的另一目的在于提供一种制备如上所述的微探针的制备方法，包括步骤：提供SOI片为基板；在SOI片顶层硅表面进行离子注入；在进行离子注入后的SOI片顶层硅上沉积绝缘层，并对该绝缘层在压力监测探针位置进行刻蚀；在绝缘层上沉积金属层；刻蚀形成压力监测探针、测试探针以及边翼。

优选地，具体包括步骤：

S1：提供SOI片为基板，所述SOI片的顶层硅采用N型掺杂；

S2：在SOI片顶层硅表面进行离子注入；

S3：在进行离子注入后的SOI片顶层硅上沉积绝缘层；

S4：在形成压力监测悬臂梁的位置对绝缘层进行刻蚀；

S5：在具有刻蚀窗口的绝缘层上沉积金属层；

S6：对金属层进行刻蚀，形成测试电极、测试悬臂梁的导电层以及第一连接臂的导电层；同时形成压力监测电极和第二连接臂的导电层；

S7：对绝缘层和SOI片顶层硅进行刻蚀，形成测试探针、压力监测探针和边翼；

S8：在SOI的背面对SOI的底层硅和埋氧化层进行刻蚀，将主体支撑部外的SOI的底层硅和埋氧化层去除，形成微探针。

优选地，将所述步骤S2替换为：在SOI片上设一掩膜，形成具有压力监测探针的窗口，在SOI片顶层硅表面的压力监测探针的窗口内进行离子注入。

有益效果：

本发明提供的微探针不仅可以通过与主体支撑部固定连接的边翼控制测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的尺寸精度，从而保证微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的弹性指数的均匀性。而且，还可以利用压力监测探针监测测试探针与测试样品之间的接触情况，从而避免测试样品出现凸起、小孔、沾污等缺陷而导致测试失败的情况。同时，该微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁采用SOI片的顶层硅材料制备，增大了测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的强度，不仅可以增加该微探针的使用寿命，而且还增加了测试探针与测试样品表面的接触力的调节范围，从而增加了该微探针的使用范围。

附图说明

图1为现有技术提供的微探针的使用状态图，其中，图1a为微探针的前端头与测试样品表面接触的示意图；图1b为微探针的悬臂梁处于良好测试状态示意图；图1c为微探针的悬臂梁具有较大形变时的示意图。

图2为本发明一实施例提供的微探针的结构示意图，其中，图2a为主视图，图2b为俯视图。

图3为本发明实施例1提供的微探针的制备流程图。

图4为本发明实施例2提供的微探针的制备流程图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明的技术特点和结构以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

实施例1

参阅图2，本实施提供的微探针包括主体支撑部110、一个或多个测试探针120、一个或多个压力监测探针130和边翼140，其中，测试探针120用于对测试样品进行测试，压力监测探针130采用压阻材料制成，用于监测测试探针120与样品接触后所受压力大小。在本实施例中，我们以具有四个测试探针120和一个压力监测探针130的微探针为例来进行说明。四个测试探针120均包括设于主体支撑部上的一测试电极122、测试悬臂梁121和用于使测试电极122和测试悬臂梁121进行电连的第一连接臂123。压力监测探针130包括设于主体支撑部上的压力监测电极132、与测试悬臂梁121平行设置的压力监测悬臂梁131和用于使压力监测电极132和压力监测悬臂梁131进行电连接的第二连接臂133。其中，每个压力监测探针130包括两个压力监测电极132，该两个压力监测电极132通过第二连接臂133与呈“Y”型的压力监测悬臂梁131进行连接形成一压阻回路，从而测量压力监测悬臂梁131在测试时的电阻。由于压力监测悬臂梁131采用压阻材料，在压力监测悬臂梁131于测试样品具有不同的接触压力时，其电阻也会不同。通过对压力监测悬臂梁131电阻的监测，可以监测压力监测悬臂梁131与测试样品的接触情况，进而推算出测试悬臂梁121与样品接触后所受压力大小。在一种优选的实施例中，压力监测悬臂梁131与测试悬臂梁121处于同一平面内，且压力监测悬臂梁131的前端头与测试悬臂梁121的前端头处于同一直线上。这样，压力监测探针130可以如实地反应测试悬臂梁121与样品接触的情况。

边翼140与主体支撑部110固定连接，同时，边翼140与测试悬臂梁121和压力监测悬臂梁131的一端呈一整体结构。该边翼140用于在制备测试悬臂梁121和压力监测悬臂梁131时保证其具有均匀的尺寸从而保证其具有均匀的弹性指数。

参阅图3，优选地，该微探针以SOI片为基础制成。SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）包括底层硅101、顶层硅103以及设于底层硅101和顶层硅103之间的埋氧化层102，其中埋氧化层102为绝缘层。该埋氧化层102的加入可以减少底层硅101和顶层硅103之间的寄生电容，提高该微探针的性能；同时该SOI片具有较大的强度，不仅可以增加该微探针重复使用的次数，同时还可以增加测试悬臂梁121的压力调节范围，从而拓宽测试样品的范围。其中，主体支撑部110包括SOI片的底层硅101和埋氧化层102；边翼140包括SOI片的顶层硅103和依次设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031和绝缘层104；测试探针包括SOI片的顶层硅103和依次设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031、绝缘层104和金属层105；压力监测探针130中的压力监测悬臂梁131包括SOI片的顶层硅103和设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031；压力监测探针130中的压力监测电极132和第二连接臂133包括SOI片的顶层硅103和依次设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031、绝缘层104和金属层105。这样可以在整层顶层硅103上进行离子注入，在增加压力监测探针130的压阻的应变系数的同时还可以减小制备工艺的难度，进而减少制备成本。

参阅图2和图3，基于同一发明构思，本实施例还提供了制备如上所述的微探针的制备方法，包括步骤：提供SOI片为基板；在SOI片顶层硅表面进行离子注入，优选地，其注入离子为硼离子；在SOI片顶层硅上沉积绝缘层104，并对该绝缘层104在压力监测悬臂梁131位置进行刻蚀；在绝缘层104上沉积金属层105；刻蚀形成压力监测探针130、测试探针120以及边翼140。

进一步地，上述步骤具体包括：

S1：提供SOI片为基板，并对SOI片进行清洗，去除表面有机污染物和金属离子。其中，SOI片包括底层硅101、顶层硅103以及设于底层硅101和顶层硅103之间的埋氧化层102，为了在后续工艺中便于对SOI片顶层硅103进行离子注入，SOI片的顶层硅103采用N型掺杂。优选地，为了满足压力监测悬臂梁131和测试悬臂梁121对弹性和强度的要求，在一种优选的实施例中，顶层硅103的厚度为1um-5um。

S2：用离子注入设备在清洗后的SOI片顶层硅表面进行硼离子注入，形成一层离子注入层1031。具有N型掺杂的SOI片的顶层硅103在硼离子注入后形成的离子注入层1031是很好的压阻材料，其具有较大的应变系数，从而使后续形成的压力监测探针130在监测其与测试样品之间的接触情况时更加灵敏。

S3：在SOI片顶层硅上沉积绝缘层104，优选地，该绝缘层的厚度为0.2um-1um。该绝缘层用于使离子注入层1031和在后续工艺中沉积的金属层105电气绝缘。

S4：在沉积了绝缘层104的SOI片上形成光刻图案，用于在形成压力监测悬臂梁131位置对绝缘层进行刻蚀，使压力监测悬臂梁131的离子注入层1031与在后续工艺中沉积的金属层105实现电连接。

S5：在具有刻蚀窗口的绝缘层上沉积金属层105作为导电层，优选地，该金属层的厚度为0.2um-1um。

S6：形成光刻图案并对金属层105进行刻蚀，形成测试电极122、测试悬臂梁121的导电层以及第一连接臂123的导电层，用于将测试信号从测试电极122传导到测试悬臂梁121的端部；同时形成压力监测电极132和第二连接臂133的导电层，用于两个压力监测电极132和呈“Y”型的压力监测悬臂梁131之间进行电连接从而形成一压阻回路，用于测量压力监测悬臂梁131在压力作用下的电阻变化，进而推算出测试悬臂梁121与样品接触后所受压力大小。

S7：对绝缘层104和SOI片顶层硅103进行刻蚀，形成测试探针120、压力监测探针130和边翼140；

S8：在SOI的背面对SOI的底层硅101和埋氧化层102进行刻蚀，将主体支撑部110外的SOI的底层硅101和埋氧化层102去除，形成微探针。

该实施例提供的微探针不仅通过边翼来保证微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的弹性指数的均匀性；而且还可以利用压力监测探针监测测试探针与测试样品之间的接触情况；同时，其制备工艺简单，便于实现。

实施例2

参阅图2，与实施例1相同，本实施提供的微探针包括主体支撑部110、一个或多个测试探针120、一个或多个压力监测探针130和边翼140，其中，测试探针120用于对测试样品进行测试，压力监测探针130采用压阻材料制成，用于监测测试探针120与样品接触后所受压力大小。优选地，该微探针采用SOI片制成。与实施例1不同的是，该微探针的边翼140包括SOI片的顶层硅103和设于SOI片的顶层硅103上的绝缘层104；测试探针包括SOI片的顶层硅103和依次设于SOI片的顶层硅103上的绝缘层104和金属层105；压力监测探针130中的压力监测悬臂梁131包括SOI片的顶层硅103和设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031；压力监测探针130中的压力监测电极132和第二连接臂133包括SOI片的顶层硅103和依次设于SOI片的顶层硅103上的离子注入层1031、绝缘层104和金属层105。

该微探针中的测试探针120以未进行离子注入的SOI片的顶层硅103为基础制成，而该微探针中的压力监测探针130以具有离子注入层1031的顶层硅103为基础制成。

基于同一发明构思，本实施例还提供了如上所述的微探针的制作方法，包括步骤：提供SOI片为基板；在SOI片顶层硅表面进行离子注入，优选地，其注入离子为硼离子；在SOI片顶层硅上沉积绝缘层104，并对该绝缘层104在压力监测悬臂梁131位置进行刻蚀；在绝缘层104上沉积金属层105；刻蚀形成压力监测探针130、测试探针120以及边翼140。

进一步地，参阅图2和图4，上述步骤具体包括：

S1：提供SOI片为基板，并对SOI片进行清洗，去除表面有机污染物和金属离子。其中，SOI片包括底层硅101、顶层硅103以及设于底层硅101和顶层硅103之间的埋氧化层102，为了在后续工艺中便于对SOI片顶层硅103的离子注入，SOI片的顶层硅103采用N型掺杂。优选地，为了满足压力监测悬臂梁131和测试悬臂梁121对弹性和强度的要求，在一种优选的实施例中，顶层硅103的厚度为1um-5um。

S2：在SOI片上设一掩膜，形成具有压力监测探针的窗口，在SOI片顶层硅表面的压力监测探针的窗口内进行离子注入，形成一离子注入层1031。

S3：在SOI片顶层硅上沉积绝缘层104，优选地，该绝缘层的厚度为0.2um-1um。该绝缘层用于使顶层硅103和在后续工艺中沉积的金属层105电气绝缘。

S4：在沉积了绝缘层104的SOI片上形成光刻图案，用于在形成压力监测悬臂梁131位置对绝缘层进行刻蚀，使压力监测悬臂梁131的离子注入层1031与在后续工艺中沉积的金属层105实现电连接。

S5：在具有刻蚀窗口的绝缘层上沉积金属层105作为导电层，优选地，该金属层的厚度为0.2um-1um。

S6：形成光刻图案并对金属层105进行刻蚀，形成测试电极122、测试悬臂梁121的导电层以及第一连接臂123的导电层，用于将测试信号从测试电极122传导到测试悬臂梁121的端部；同时形成压力监测电极132和第二连接臂133的导电层，用于两个压力监测电极132和呈“Y”型的压力监测悬臂梁131之间进行电连接从而形成一压阻回路，用于测量压力监测悬臂梁131在压力作用下的电阻变化，进而推算出测试悬臂梁121与样品接触后所受压力大小。

S7：对绝缘层104和SOI片顶层硅103进行刻蚀，形成测试探针120、压力监测探针130和边翼140；

S8：在SOI的背面对SOI的底层硅101和埋氧化层102进行刻蚀，将主体支撑部110外的SOI的底层硅101和埋氧化层102去除，形成微探针。

本实施例提供的微探针，由于在离子注入时设有一具有压力监测探针的窗口的掩膜，因此使得仅在压力监测探针内含有为压阻材料的离子注入层，进一步提高压力监测悬臂梁的压阻的应变系数，减小外界电阻的干扰，从而提高了压力监测探针对压力监测精度，进而提高了该微探针的性能。

综上所述，本发明提供的微探针不仅可以通过与主体支撑部固定连接的边翼控制测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的尺寸精度，从而保证微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的弹性指数的均匀性。而且，还可以利用压力监测探针监测测试探针与测试样品之间的接触情况，从而避免测试样品出现凸起、小孔、沾污等缺陷而导致测试失败的情况。同时，该微探针的测试悬臂梁和压力监测悬臂梁采用SOI片的顶层硅材料制备，增大了测试悬臂梁和压力监测悬臂梁的强度，不仅可以该微探针的增加使用寿命，而且还增加了测试探针与测试样品表面的接触力的调节范围，从而增加了该微探针的使用范围。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (6)

1.一种微探针，包括主体支撑部(110)和测试探针(120)，所述测试探针(120)包括测试悬臂梁(121)，其特征在于，所述微探针还包括与主体支撑部(110)固定连接的边翼(140)，所述测试悬臂梁(121)与边翼(140)呈一整体结构；所述微探针还包括用于监测测试悬臂梁(121)与测试样品接触后所受压力大小的压力监测探针(130)；

所述压力监测探针(130)采用压阻材料制成。

2.根据权利要求1所述的微探针，其特征在于，所述压力监测探针(130)包括压力监测悬臂梁(131)，所述压力监测悬臂梁(131)与边翼(140)呈一整体结构。

3.根据权利要求1所述的微探针，其特征在于，所述边翼(140)包括SOI片的顶层硅(103)和设于SOI片的顶层硅(103)上的绝缘层(104)；所述测试探针(120)包括SOI片的顶层硅(103)和依次设于SOI片的顶层硅(103)上的绝缘层(104)和金属层(105)；所述压力监测探针(130)包括SOI片的顶层硅(103)上和依次设于SOI片的顶层硅(103)上的离子注入层(1031)、绝缘层(104)和金属层(105)。

4.根据权利要求2所述的微探针，其特征在于，所述压力监测悬臂梁(131)和测试悬臂梁(121)处于同一平面内，所述压力监测悬臂梁(131)的前端头和测试悬臂梁(121)的前端头处在同一直线上。

5.根据权利要求2所述的微探针，其特征在于，所述测试探针(120)还包括设于主体支撑部(110)上的测试电极(122)，所述测试悬臂梁(121)与测试电极(122)通过第一连接臂(123)电连接；所述压力监测探针(130)还包括设于主体支撑部(110)上的压力监测电极(132)，所述压力监测悬臂梁(131)与压力监测电极(132)通过第二连接臂(133)电连接。

6.一种微探针的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1：提供SOI片为基板，所述SOI片的顶层硅(103)采用N型掺杂；

S2：在SOI片上设一掩膜，形成具有压力监测探针(130)的窗口，在SOI片顶层硅(103)表面的压力监测探针(130)的窗口内进行离子注入；

S3：在进行离子注入后的SOI片顶层硅上(103)沉积绝缘层(104)；

S4：在形成压力监测悬臂梁(131)的位置对绝缘层(104)进行刻蚀；

S5：在具有刻蚀窗口的绝缘层(104)上沉积金属层(105)；

S6：对金属层(105)进行刻蚀，形成测试电极(122)、测试悬臂梁(121)的导电层以及第一连接臂(123)的导电层；同时形成压力监测电极(132)和第二连接臂(131)的导电层；

S7：对绝缘层(104)和SOI片顶层硅(103)进行刻蚀，形成测试探针(120)、压力监测探针(130)和边翼(140)；

S8：在SOI的背面对SOI的底层硅(101)和埋氧化层(102)进行刻蚀，将主体支撑部(110)外的SOI的底层硅(101)和埋氧化层(102)去除，形成微探针。