一种微悬梁臂探针及其制作方法与流程

1.本发明属于微电机系统(mems)传感器制造领域，涉及一种微悬梁臂探针及其制作方法。背景技术：2.原子力显微镜(afm)是一种可以用来研究包括绝缘体在内的材料表面结构的分析仪器。典型的afm探针通常包含两个部分：一端固定的微悬梁臂，以及附着于另一自由端的尖针探头。其工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬梁臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间范德瓦尔斯力作用，会使悬梁臂发生微小的偏转，再通过检测照射在悬梁臂背面的激光束偏转变化，就可以获得悬梁臂的运动轨迹，从而获得样品表面形貌的图像。3.afm探针作为原子力显微镜系统中的关键部件，它的结构和性能对原子力显微镜的性能、测量精度和图像质量有着极大的影响。在早期，afm探针的制作主要依赖手工操作，如用金箔作为悬梁臂，在悬梁臂的自由端手工粘贴微小金刚石颗粒作为探针。此种制作方法难度很大、制作重复性差、探针质量无法保证、成品率低。另一方面，由于探针常常因损伤或者污染需要经常更换，故需要开发一种稳定合适的方法批量制作afm探针。4.2004年日本takayuki shibata提出采用倒模压印法制作金刚石材质压电微悬梁臂探针，耐磨性高。但是该方法制作的探针针尖形状受模具形状的影响，针尖锥度不好、质量差。在此之前也有研究人员尝试用mems微电机加工工艺制作微悬梁臂探针，但是先制作好的探针针尖容易在后续的光刻等工艺环节损坏，影响了针尖的锐度和成品率。此外，湿法腐蚀工艺制作探针针尖和背面空腔结构时需要选择合适的掩模材料，制作工艺繁杂，且湿法腐蚀工艺稳定性差，无法保证探针针尖的质量。5.因此，如何提供一种微悬梁臂探针及其制作方法，以批量稳定地制作高质量的微悬梁臂探针，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。技术实现要素：6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微悬梁臂探针及其制作方法，用于解决现有技术中微悬梁臂探针的针尖易损坏、工艺稳定性差的问题。7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微悬梁臂探针的制作方法，包括以下步骤：8.提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的soi衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上；9.图形化所述硬掩膜层，图形化后的所述硬掩膜层覆盖探针针尖所在区域；10.形成悬梁臂凹槽于所述顶层硅中，所述悬梁臂凹槽自所述顶层硅的顶面开口，并往所述绝缘层方向延伸，但未到达所述绝缘层；11.以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层，以同步得到悬梁臂及位于所述悬梁臂上方的探针。12.可选地，还包括以下步骤：13.去除图形化后的所述硬掩膜层；14.提供一临时基底，通过键合胶将所述临时基底与所述soi衬底键合，其中，所述临时基底面向所述顶层硅，所述探针埋设于所述键合胶中；15.形成在垂直方向上贯穿所述背衬底的空腔结构，并去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分以暴露出所述悬梁臂；16.去除所述临时基底及所述键合胶。17.可选地，采用干法刻蚀形成所述空腔结构。18.可选地，采用干法刻蚀去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分。19.可选地，还包括对所述soi衬底进行热氧化处理以形成氧化层于所述探针及所述悬梁臂表面的步骤。20.可选地，采用干法刻蚀形成所述悬梁臂凹槽，并采用干法刻蚀刻蚀所述顶层硅以同步得到所述悬梁臂及所述探针。21.可选地，所述硬掩膜层的材质包括铝、氧化铝中的至少一种。22.可选地，所述探针的侧壁倾斜。23.可选地，所述临时基底包括硅晶圆及玻璃片中的一种。24.本发明还提供一种微悬梁臂探针，所述微悬梁臂探针采用如上任意一项所述的微悬梁臂探针的制作方法制作得到。25.如上所述，本发明的微悬梁臂探针及其制作方法，具有以下有益效果：26.(1)本发明通过两次光刻、刻蚀分别定义出基于探针针尖图形的图形化硬掩膜层和部分刻蚀深度的悬梁臂凹槽，然后以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，可同步得到悬梁臂及探针，避免了分步刻蚀探针结构和悬梁臂凹槽结构工艺流程中由于图形高度差导致光刻胶涂覆效果差、光刻胶厚度均匀性不好的问题；27.(2)采用了键合胶临时键合工艺，在制作探针背面空腔结构时，键合的临时基底作为承载基底，键合胶可保护探针针尖结构在工艺过程中不被损坏；28.(3)采用干法刻蚀工艺制作探针、悬梁臂及背面空腔结构，相比湿法刻蚀工艺，可省去所需特殊掩模的沉积和去除步骤，且工艺更加稳定可控。附图说明29.图1显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法的工艺流程图。30.图2显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的soi衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上的示意图。31.图3显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法形成第一光刻胶层于所述硬掩膜层上，并图形化所述第一光刻胶层的示意图。32.图4显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述第一光刻胶层为掩膜干法刻蚀所述硬掩膜层，并停止于所述顶层硅表面的示意图。33.图5显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法形成第二光刻胶层于所述顶层硅上，并图形化所述第二光刻胶层，得到悬梁臂图形的示意图。34.图6显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述第二光刻胶层为掩膜干法刻蚀所述顶层硅，得到悬梁臂凹槽的示意图。35.图7显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层的示意图。36.图8显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法去除图形化后的所述硬掩膜层的示意图。37.图9显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法供一临时基底，通过键合胶将所述临时基底与所述soi衬底键合的示意图。38.图10显示为本发明的微悬梁臂探针的制作方法形成在垂直方向上贯穿所述背衬底的空腔结构，并去除所述绝缘层被所述空腔结构暴露的部分以暴露出所述悬梁臂的示意图。39.图11显示为本发明的微悬梁臂探针的正向截面图。40.图12显示为本发明的微悬梁臂探针的侧向截面图。41.元件标号说明42.s1～s4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ步骤[0043]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀsoi衬底[0044]101ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ背衬底[0045]102ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ绝缘层[0046]103ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ顶层硅[0047]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ硬掩膜层[0048]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一光刻胶层[0049]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ悬梁臂凹槽[0050]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二光刻胶层[0051]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ悬梁臂[0052]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ探针[0053]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ临时基底[0054]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ键合胶[0055]10ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ空腔结构具体实施方式[0056]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。[0057]请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0058]本实施例中提供一种微悬梁臂探针的制作方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：[0059]s1：提供一自下而上依次包括背衬底、绝缘层及顶层硅的soi衬底，形成硬掩膜层于所述顶层硅上；[0060]s2：图形化所述硬掩膜层，图形化后的所述硬掩膜层覆盖探针针尖所在区域；[0061]s3：形成悬梁臂凹槽于所述顶层硅中，所述悬梁臂凹槽自所述顶层硅的顶面开口，并往所述绝缘层方向延伸，但未到达所述绝缘层；[0062]s4：以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，直至所述悬梁臂凹槽的底部显露出所述绝缘层，以同步得到悬梁臂及位于所述悬梁臂上方的探针。[0063]作为示例，请参阅图2，执行步骤s1：提供一自下而上依次包括背衬底101、绝缘层102及顶层硅103的soi衬底1，形成硬掩膜层2于所述顶层硅103上。[0064]作为示例，所述背衬底101的材质包括但不限于硅、所述绝缘层102的材质包括但不限于二氧化硅。[0065]作为示例，所述soi衬底1可选用400～800微米厚度的soi硅片，所述绝缘层102的厚度范围是0.5-2微米，所述顶层硅103的厚度范围是15-20微米。本实施例中，以400微米厚度的soi硅片为例，所述绝缘层102的厚度为2微米，所述顶层硅103的厚度为15微米。[0066]作为示例，可采用溅射、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或其它合适的方法形成所述硬掩膜层2。所述硬掩膜层2可选用相对于所述顶层硅103具有高选择比的材质，包括但不限于铝、氧化铝等材料。本实施例中，所述硬掩膜层2以0.5微米厚度的铝层为例。[0067]请参阅图3及图4，执行步骤s2：图形化所述硬掩膜层2，图形化后的所述硬掩膜层2覆盖探针针尖所在区域。[0068]具体的，如图3所示，先通过涂胶工艺形成第一光刻胶层3于所述硬掩膜层2上，并通过曝光、显影等工艺图形化所述第一光刻胶层3。[0069]如图4所示，以图形化后的所述第一光刻胶层3为掩膜干法刻蚀所述硬掩膜层2，并停止于所述顶层硅103表面，以得到图形化的所述硬掩膜层2，图形化后的所述硬掩膜层2覆盖探针针尖所在区域。[0070]作为示例，探针针尖的直径范围是0.35-0.8微米。本实施例中，探针针尖直径以0.5微米为例。[0071]请参阅图5及图6，执行步骤s3：形成悬梁臂凹槽4于所述顶层硅103中，所述悬梁臂凹槽4自所述顶层硅103的顶面开口，并往所述绝缘层102方向延伸，但未到达所述绝缘层102。[0072]具体的，如图5所示，先通过涂胶工艺形成第二光刻胶层5于所述顶层硅103上，并通过曝光、显影等工艺图形化所述第二光刻胶层5，得到悬梁臂图形。[0073]作为示例，要形成的悬梁臂的宽度范围是20-40微米，长度范围是150-200微米。本实施例中，悬梁臂的宽度以25微米为例，长度以180微米为例。[0074]如图6所示，以图形化后的所述第二光刻胶层5为掩膜干法刻蚀所述顶层硅103，得到悬梁臂凹槽4，所述悬梁臂凹槽4自所述顶层硅103的顶面开口，并往所述绝缘层103方向延伸，但未到达所述绝缘层102。[0075]作为示例，本步骤所得所述悬梁臂凹槽4的深度范围为2-6微米，本实施例中以4微米为例。[0076]请参阅图7，执行步骤s4：以图形化后的所述硬掩膜层2为掩膜刻蚀所述顶层硅103，直至所述悬梁臂凹槽4的底部显露出所述绝缘层102，以同步得到悬梁臂6及位于所述悬梁臂上方的探针7。[0077]作为示例，在以图形化后的所述硬掩膜层2为掩膜刻蚀所述顶层硅103之前，可预先进行去胶清洗步骤。[0078]作为示例，采用干法刻蚀刻蚀所述顶层硅103直至所述悬梁臂凹槽4停止在所述soi衬底的所述绝缘层102上，以同步得到所述悬梁臂6及所述探针7。[0079]本发明中由于存在所述绝缘层作为停止层，可以保证所述悬梁臂的厚度。[0080]作为示例，所述探针7的高度范围是8-12微米，所述悬梁臂6的厚度范围是2-6微米，本实施例中，所述探针7的高度以10微米为例，所述悬梁臂6的厚度以4微米为例。[0081]作为示例，所述探针7的侧壁倾斜，例如所述探针的纵截面呈梯形，梯形的底角范围可以是81-89度，本实施例中，梯形的底角以84度为例。[0082]请参阅图8，进一步采用湿法腐蚀工艺去除图形化后的所述硬掩膜层2。[0083]请参阅图9，提供一临时基底8，通过键合胶9将所述临时基底8与所述soi衬底1键合，其中，所述临时基底8面向所述顶层硅103，所述探针7埋设于所述键合胶9中。[0084]具体的，所述临时基底8用于为后续工艺提供承载平台，可选用但不限于硅晶圆、玻璃片等，其厚度范围可以是400-500微米，或者其它合适的厚度，本实施例中，所述临时基底8以硅晶圆为例。[0085]具体的，所述键合胶9一方面作为所述soi衬底1与所述临时基底8之间的黏着层，另一方面作为所述探针7的保护层，用以保护探针7的针尖结构在后续加工过程中不被损坏，保证探针针尖的质量。[0086]请参阅图10，形成在垂直方向上贯穿所述背衬底101的空腔结构10，并去除所述绝缘层102被所述空腔结构10暴露的部分以暴露出所述悬梁臂6。[0087]作为示例，先于所述soi衬底1背面光刻，然后通过深硅刻蚀工艺(干法刻蚀)刻蚀所述背衬底101直至停止在所述绝缘层102上以得到空腔结构10，并接着采用干法刻蚀去除所述绝缘层102被所述空腔结构10暴露的部分。[0088]请参阅图11及图12，去除所述临时基底8及所述键合胶9，也就是解键合所述临时基底8与所述soi衬底1，得到微悬梁臂探针，其中，图11显示为该微悬梁臂探针的正向截面图，图12显示为该微悬梁臂探针的侧向截面图。[0089]作为示例，可进一步对所述soi衬底1进行热氧化处理以形成氧化层(未图示)于所述探针7及所述悬梁臂6表面，从而得到表面光滑的硅基微悬臂梁探针。[0090]作为示例，所述氧化层的厚度范围是0.1-0.2微米，本实施例中，所述氧化层的厚度以0.1微米为例。[0091]至此，制作得到一种微悬梁臂探针，该微悬梁臂探针具有表面光滑、针尖高质量的优点。[0092]需要指出的是，在其它实施例中，根据所需探针的性能要求，上述各步骤的制作参数可根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。[0093]综上所述，本发明的微悬梁臂探针及其制作方法通过两次光刻、刻蚀分别定义出基于探针针尖图形的图形化硬掩膜层和部分刻蚀深度的悬梁臂凹槽，然后以图形化后的所述硬掩膜层为掩膜刻蚀所述顶层硅，可同步得到悬梁臂及探针，避免了分步刻蚀探针结构和悬梁臂凹槽结构工艺流程中由于图形高度差导致光刻胶涂覆效果差、光刻胶厚度均匀性不好的问题；本发明采用了键合胶临时键合工艺，在制作探针背面空腔结构时，键合的临时基底作为承载基底，键合胶可保护探针针尖结构在工艺过程中不被损坏；本发明采用干法刻蚀工艺制作探针、悬梁臂及背面空腔结构，相比湿法刻蚀工艺，可省去所需特殊掩模的沉积和去除步骤，且工艺更加稳定可控。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。[0094]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。