CN1885438B - 微尖端线列器件 - Google Patents
微尖端线列器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1885438B CN1885438B CN2005100119878A CN200510011987A CN1885438B CN 1885438 B CN1885438 B CN 1885438B CN 2005100119878 A CN2005100119878 A CN 2005100119878A CN 200510011987 A CN200510011987 A CN 200510011987A CN 1885438 B CN1885438 B CN 1885438B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- tip
- microtip
- cantilever beam
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 17
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 17
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 8
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 4
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 3
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 claims description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- -1 nickel sulfonamide Chemical class 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000004574 scanning tunneling microscopy Methods 0.000 description 1
- 229940124530 sulfonamide Drugs 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
微尖端线列器件，由单晶硅材料的夹持端、附着有鉻和金的氮化硅悬臂梁、镍金属的微尖端构成。本发明的微尖端线列器件，各微尖端可以通过外电路并行控制或分别控制；使用<100>晶向的单晶硅作为衬底制造，成本低廉；通过标准微电子机械(MEMS)工艺加工，成品率高；可以并行完成扫描隧道显微镜所能胜任的所有任务，如：材料表面并行探知、材料表面并行微米/纳米级加工、高密度存储等。
Description
技术领域
本发明微尖端线列器件涉及电子信息技术领域，具体的说此器件的原理是基于扫描隧道显微镜技术，它可用于进行材料表面探知、材料表面微米/纳米级加工、高密度数据存取三个方面。
背景技术
从1982年IBM公司的G.Bining等人发明隧道显微镜(STM)以来，衍生出的原子力显微镜(AFM)、扫描探针显微镜(SPM)等，已在物理、化学、电子、材料、医药等众多领域得到了广泛的应用，成为人们研究微观世界的强有力的工具。在此基础上，国外已经涌现出各种新型的悬臂梁微尖端器件，目前已经被应用于高密度数据存取、材料表面超微加工、材料表面探知、传感器等诸多方面。而我国国内暂无此方面的专利技术报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微电子机械(MEMS)加工方法制备的线阵列氮化硅悬臂梁支撑的金属微尖端器件。本发明微尖端线列器件的目的在于通过“线列化”解决隧道显微镜(STM)单探针在进行表面探知、材料表面微纳加工、高密度数据存取时的低效率问题。其中，线列单元的个数即是其所提高效率的倍数。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种微尖端线列器件，是基于扫描隧道显微镜原理的微尖端线列器件，由夹持端、悬臂梁、微尖端三个部分组成，其中，在夹持端上表面固接有焊盘，在焊盘的一侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；其所述焊盘，至少为两个，两个焊盘整齐顺序排列，在每个焊盘的同侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，彼此平行，每个悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；
所述夹持端为单晶硅材料；悬臂梁由附着有鉻和金的低应力氮化硅薄膜构成；微尖端由金属镍电镀生成，其成型的模具为单晶硅通过各项异性腐蚀生成的倒金字塔型凹槽，依靠尖端放电的原理，当在焊盘上与其所要加工的材料之间加上电压时，就能在尖端处产生的电场，从而使空气电离产生隧道电流，通过隧道电流加工和感知材料表面。
所述的微尖端线列器件，其所述单晶硅材料夹持端，由单晶硅片制成；其上载有分别控制单个微尖端与外围电路连接的焊盘。
所述的微尖端线列器件，其所述悬臂梁，为氮化硅悬臂梁，其上附着有鉻和金的薄膜，此层薄膜既作为连接尖端的导线又作为驱动悬臂梁在z方向运动的驱动器；每个器件上的悬臂梁由外围电路控制，同时并行相同操作或分别进行不同操作。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端由金属镍电镀生成，其工艺包括：第一步，在衬底单面生长低应力氮化硅薄膜；第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑；第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形；第五步，在已经形成的悬臂梁图形上制备鉻与金层作为电镀基底；第六步，使用电镀液在金电镀基底上电镀镍，形成镍的微尖端；第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾溶液腐蚀释放带微尖端的氮化硅悬臂梁。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第一步中，是由晶向为<100>的厚为≤300微米的双面抛光单晶硅片为衬底，使用低压化学气相淀积方法，在衬底单面生长≤2微米低应力氮化硅薄膜。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第二步中，定位窗口图形为正方形、圆形，正方形≤5×5微米2。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第五步中，用蒸发或溅射发制备鉻与金层，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第六步中，电镀液是以磺胺基镍、氯化镍、硼酸为溶质的电镀液，电镀≤5微米的镍，形成镍的微尖端。
本发明的微尖端线列器件，各微尖端可以通过外电路并行控制或分别控制；使用<100>晶向的单晶硅作为衬底制造，成本低廉；通过标准微电子机械(MEMS)工艺加工，成品率高；可以并行完成扫描隧道显微镜所能胜任的所有任务，如：材料表面并行探知、材料表面并行微米/纳米级加工、高密度存储等。
附图说明
图1为本发明微尖端线列器件结构示意图；
图2为本发明微尖端线列器件加工流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明微尖端线列器件大体上由：夹持端1、悬臂梁2、微尖端3，三个部分组成。其中，在夹持端1上表面固接有复数个焊盘4，复数个焊盘4整齐顺序排列，在每个焊盘4的同侧固接有悬臂梁2，悬臂梁2伸出于夹持端1侧外，彼此平行，每个悬臂梁2的自由端固设有微尖端3，微尖端3的针尖向下。
夹持端1，材料为晶向是<100>的单晶硅，尺寸为1x0.5厘米、厚300微米，用于支撑整个器件结构，其上拥有分别控制单个微尖端3放电的焊盘4。焊盘4尺寸为1x1毫米，将微尖端3的针尖与外部电路连接，可通过控制程序单独或统一操作。悬臂梁2，长400微米、宽30微米，主体材料为氮化硅，厚2微米，其上附着有鉻和金的双层膜，分别厚50埃与100埃。鉻和金的双层膜的作用相当于导线，其于氮化硅形成了一种双变体结构。这种结构基于热膨胀系数的巨大差异，可以在需要的情况下通过改变悬臂梁2温度使微尖端3在z轴方向运动。微尖端3，由金属镍电镀生成，底切面尺寸5x5微米、高7微米，其尖端处曲率半径小于50纳米。依靠尖端放电的原理，当在焊盘4上于其所要加工的材料之间加上微小电压时(如5v)，就可以在尖端处产生很大的电场(约109V/m，反比于尖端与衬底间距离)，从而使空气电离产生隧道电流。这种镍尖端不光可以通过隧道电流加工和感知材料表面，还可以被热电阻加热依靠高温来加工材料，或直接用其进行纳米压印。
为了实现上述结构，如图2所示，本器件由晶向为<100>的厚为300微米的双面抛光单晶硅片为衬底5。第一步，使用低压化学气相淀积(LPCVD)法，在衬底单面生长2微米低应力氮化硅薄膜6。第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端3的定位窗口，图形为5x5微米正方形7。第三步，使用氢氧化钾(KOH)溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑8。第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形。第五步，在已经形成的悬臂梁图形上蒸发50埃的鉻与100埃的金9作为电镀基底。第六步，使用以磺胺基镍(Ni(NH2SO3)2·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)、硼酸(H3BO3)为溶质的电镀液在金电镀基底上电镀5微米的镍，形成镍的微尖端3。第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀释放带微尖端3的氮化硅悬臂梁。
Claims (8)
1.一种微尖端线列器件，是基于扫描隧道显微镜原理的微尖端线列器件，由夹持端、悬臂梁、微尖端三个部分组成，其中，在夹持端上表面固接有焊盘，在焊盘的一侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；其特征在于，所述焊盘，至少为两个，两个焊盘整齐顺序排列，在每个焊盘的同侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，彼此平行，每个悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；
所述夹持端为单晶硅材料；悬臂梁由附着有鉻和金的低应力氮化硅薄膜构成；微尖端由金属镍电镀生成，其成型的模具为单晶硅通过各项异性腐蚀生成的倒金字塔型凹槽，依靠尖端放电的原理，当在焊盘上与其所要加工的材料之间加上电压时，就能在尖端处产生的电场，从而使空气电离产生隧道电流，通过隧道电流加工和感知材料表面。
2.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述单晶硅材料夹持端，由单晶硅片制成；其上载有分别控制单个微尖端与外围电路连接的焊盘。
3.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述悬臂梁，为氮化硅悬臂梁，其上附着有鉻和金的薄膜，此层薄膜既作为连接尖端的导线又作为驱动悬臂梁在z方向运动的驱动器；每个器件上的悬臂梁由外围电路控制，同时并行相同操作或分别进行不同操作。
4.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端由金属镍电镀生成，其工艺包括：第一步，在衬底单面生长低应力氮化硅薄膜；第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑；第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形；第五步，在已经形成的悬臂梁图形上制备鉻与金层作为电镀基底；第六步，使用电镀液在金电镀基底上电镀镍，形成镍的微尖端；第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾溶液腐蚀释放带微尖端的氮化硅悬臂梁。
5.如权利要求4所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第一步中，是由晶向为<100>的厚为≤300微米的双面抛光单晶硅片为衬底，使用低压化学气相淀积方法，在衬底单面生长≤2微米低应力氮化硅薄膜。
6.如权利要求4所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第二步中，定位窗口图形为正方形、圆形，正方形≤5×5微米2。
7.如权利要求4所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第五步中，用蒸发或溅射法制备鉻与金层，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
8.如权利要求4所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第六步中，电镀液是以磺胺基镍、氯化镍、硼酸为溶质的电镀液，电镀≤5微米的镍，形成镍的微尖端。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2005100119878A CN1885438B (zh) | 2005-06-23 | 2005-06-23 | 微尖端线列器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2005100119878A CN1885438B (zh) | 2005-06-23 | 2005-06-23 | 微尖端线列器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1885438A CN1885438A (zh) | 2006-12-27 |
| CN1885438B true CN1885438B (zh) | 2010-11-24 |
Family
ID=37583545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2005100119878A Expired - Fee Related CN1885438B (zh) | 2005-06-23 | 2005-06-23 | 微尖端线列器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1885438B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101430938B (zh) * | 2007-11-07 | 2011-07-20 | 中国科学院微电子研究所 | 一种微尖端阵列器件及其制作方法 |
| CN101200279B (zh) * | 2007-12-11 | 2010-11-10 | 山东大学 | 一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法 |
| CN102642805B (zh) * | 2012-04-09 | 2015-01-07 | 北京大学 | 一种制备碳化硅微纳米针尖的方法 |
| CN111044764A (zh) * | 2018-10-12 | 2020-04-21 | 旺矽科技股份有限公司 | 具有微机电探针的探针模块及其制造方法 |
| TWI759594B (zh) * | 2018-10-12 | 2022-04-01 | 旺矽科技股份有限公司 | 具有微機電探針之探針模組及其製造方法 |
-
2005
- 2005-06-23 CN CN2005100119878A patent/CN1885438B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1885438A (zh) | 2006-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1054249B1 (en) | Electronic device surface signal control probe and method of manufacturing the probe | |
| Yan et al. | Recent advances in AFM tip-based nanomechanical machining | |
| US7523650B2 (en) | Multifunctional probe array system | |
| JP2010521325A (ja) | ビューポートを用いたナノリソグラフィ | |
| JP4656761B2 (ja) | Ｓｐｍカンチレバー | |
| Lee et al. | Microprobe array with electrical interconnection for thermal imaging and data storage | |
| CN1599939B (zh) | 形成微观结构的方法 | |
| Yang et al. | Micro-nano-fabrication Technology | |
| JP3441397B2 (ja) | 電子装置の表面信号操作用融着プローブ及びその製造方法 | |
| CN1885438B (zh) | 微尖端线列器件 | |
| JP3441396B2 (ja) | 電子装置の表面信号操作用プローブ及びその製造方法 | |
| JP2011505000A (ja) | 枢動駆動を伴うカンチレバー | |
| Geerlings et al. | Design and fabrication of in-plane AFM probes with sharp silicon nitride tips based on refilling of anisotropically etched silicon moulds | |
| JP3876987B2 (ja) | シリコン・マイクロチップアレイ製造方法 | |
| JPH05325274A (ja) | 圧電変位素子、微小プローブ、及びこれらの製造方法、及びこれらを用いた走査型トンネル顕微鏡並びに情報処理装置 | |
| CN101441962B (zh) | 基于场致电子发射原理的微尖端阵列器件及其制作方法 | |
| US9494615B2 (en) | Method of making and assembling capsulated nanostructures | |
| CN100545951C (zh) | 新型微尖端面阵列器件 | |
| Liu et al. | A Compliant Nano-manipulator-based Scanning Probe Lithography System | |
| Shin et al. | Construction of probe-based data storage with ultra-high areal density | |
| EP1780174B1 (en) | Nano data writing and reading apparatus using cantilever structure and fabrication method thereof | |
| Espinosa et al. | Novel AFM nanoprobes | |
| Zou et al. | Development of two-dimensional scanning probe arrays for dip-pen nanolithography (DPN) | |
| CN113511627A (zh) | 一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法 | |
| Espinosa et al. | 23 Novel AFM Nanoprobes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (SHANGHA Free format text: FORMER OWNER: INST OF MICROELECTRONICS, C. A. S Effective date: 20130422 Owner name: INST OF MICROELECTRONICS, C. A. S Effective date: 20130422 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100029 CHAOYANG, BEIJING TO: 201203 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130422 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Patentee after: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (SHANGHAI) Corp. Patentee after: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences Address before: 100029 Beijing city Chaoyang District Beitucheng West Road No. 3 Patentee before: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101124 Termination date: 20180623 |