一种3D-MEMS探针及其制备方法与流程

本发明属于微电子机械系统(mems)加工工艺，具体涉及一种3d-mems探针及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，mems(微电子机械系统)加工技术飞快发展，其在探针制备领域应用广泛。目前，相关领域普遍通过mems加工技术制作相关的2d探针产品，但3d探针的制备因其制备工艺复杂，成本高，该产品相对较少。

2、cn 113562686a公开了一种3d-mems探针的制造方法，所述制备方法包括如下步骤：s1：对衬底进行清洗；s2：光刻以及湿法腐蚀，得到针尖图形；s3：在衬底上溅射一层种子层；s4：利用电镀的技术在种子层上生长高强度金属；s5：利用研磨(lapping)得到针尖结构；s6：在针尖结构上光刻、电镀、剥离制造悬臂梁结构；s7：在悬臂梁结构上用回流焊技术连接圆柱；s8：用回流焊技术固定连接陶瓷基板；s9：利用湿法去除种子层，将3d结构探针从衬底上面剥离后，收集并清洗。

3、综上所述，提供一种制备工艺简单、易于加工与量产的，且可以精确控制探针厚度的探针制备方法已经是本领域亟需解决的问题之一。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供3d-mems探针及其制备方法，用以解决现有技术中制备3d-mems探针工艺复杂、成本高的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种3d-mems探针，所述3d-mems探针包括陶瓷基板、圆柱、悬臂梁结构以及针尖；

4、所述针尖通过悬臂梁结构与圆柱固定连接，所述圆柱与陶瓷基板固定连接。

5、作为本发明的一个优选技术方案，所述悬臂梁与圆柱、圆柱与陶瓷基板间设置有焊点。

6、优选地，所述针尖的顶部设置有种子层。

7、本发明提供的3d-mems探针结构简单，可靠性良好。所述针尖用于接触样品的pad，从而传输信号；焊点(即回流焊技术)将针尖、梁结构、圆柱与陶瓷基板连接起来，成为一个稳定的整体，检测时梁的表面形态或振动特性发生变化，检测这些变化并将其转化为电信号输出。

8、作为本发明的一个优选技术方案，所述针尖的材质包括钯钴合金。

9、优选地，所述针尖的厚度为10～20μm，例如可以是10μm、12μm、14μm、16μm、18μm或20μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

10、本发明所述针尖为接触样品的pad，用于传输信号，其厚度过大会导致压痕，从而造成芯片损伤，过小则会传输信号变弱。

11、优选地，所述种子层的厚度为10～200nm，例如可以是10nm、50nm、80nm、120nm、150nm、170nm或200nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

12、本发明采用金属铜做种子层，优点是制备方便、简单、便宜，工艺成熟稳定。

13、作为本发明的一个优选技术方案，所述悬臂梁结构的材质包括钯、钴或钯钴合金中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括：钯和钴的组合，钯和钯钴合金的组合，钴和钯钴合金的组合，或钯、钴和钯钴合金的组合。

14、优选地，所述圆柱的材质包括铜。

15、优选地，所述圆柱的高度为8～12mm，例如可以是8mm、9mm、10mm、11mm或12mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

16、优选地，所述圆柱的直径为50μm-1mm，例如可以是50μm、100μm、500μm、800μm或1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

17、本发明所述圆柱的作用为：为所述3d-mems探针的垂直方向提供支撑作用。

18、第二方面，本发明提供了一种如第一方面提供的3d-mems探针的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

19、(1)对衬底进行光刻以及湿法腐蚀，得到针尖结构坯件；而后在衬底表面溅射种子层；

20、(2)利用电镀的技术在种子层上生长高强度金属，而后利用研磨(lapping)得到针尖结构；

21、(3)在步骤(2)所得针尖结构上依次进行光刻、电镀以及剥离制造悬臂梁结构；

22、(4)在悬臂梁结构上焊接圆柱，之后固定连接陶瓷基板；

23、(5)利用湿法去除种子层，将3d结构探针从衬底上面剥离后，收集并清洗，得到所述3d-mems探针。

24、本发明提供的制备方法将mems加工技术与光刻、研磨、湿法腐蚀等技术有效结合生产3d-mems探针，制备工艺简单，易于加工与量产。

25、作为本发明的一个优选技术方案，所述衬底包括硅晶圆或陶瓷。

26、优选地，步骤(1)所述光刻前还包括对衬底的清洗过程。

27、优选地，步骤(1)所述光刻包括依次进行的匀胶、前烘、曝光、中烘、显影以及后烘。

28、优选地，所述沉积的时间为20～40min，例如可以是20min、24min、28min、32min、36min或40min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

29、优选地，所述匀胶中采用的光刻胶包括40xt胶。

30、优选地，所述匀胶中的转速为2500～3500r/min，例如可以是2500r/min、2700r/min、2900r/min、3100r/min、3300r/min或3500r/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

31、优选地，所述前烘的温度为120～130℃，例如可以是120℃、122℃、124℃、126℃、128℃或130℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；时间为8～12min，例如可以是8min、9min、10min、11min或12min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

32、优选地，所述中烘的温度为100～110℃，例如可以是100℃、102℃、104℃、106℃、108℃或110℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；时间为1～2min，例如可以是1min、1.2min、1.4min、1.6min、1.8min或2min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

33、优选地，所述后烘的温度为60～100℃，例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃或100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；时间为20～40min，例如可以是20min、25min、30min、35min或40min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

34、作为本发明的一个优选技术方案，步骤(1)所述湿法腐蚀包括：采用碱液腐蚀衬底后再进行氧化削尖。

35、优选地，所述碱液的浓度为30～50wt％，例如可以是30wt％、34wt％、38wt％、42wt％、46wt％或50wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

36、优选地，所述腐蚀的时间为2.5～3.5h，例如可以是2.5h、2.7h、2.9h、3.1h、3.3h或3.5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

37、优选地，所述氧化削尖的温度为950～1000℃，例如可以是950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

38、优选地，步骤(1)所述溅射的功率为450～550w，例如可以是450w、470w、490w、510w、530w或550w，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

39、优选地，步骤(1)所述溅射的速度为180～230nm/min，例如可以是180nm/min、190nm/min、200nm/min、210nm/min、220nm/min或230nm/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

40、本发明通过溅射工艺向制备有针尖结构的衬底上设置种子层，其溅射速度过快虽然会使薄膜晶粒细化且致密，但是成核过多，核的能量过多，都会导致薄膜内部应力过大，缺陷也会增多，基片温度升高，破坏膜层结构，降低膜层的致密性和均匀度，而且过快的沉积速率会使金属化膜层内应力过大，反而降低结合力；溅射速度过慢则会导致原子在衬底上迁移时间长，容易在到达吸附点位置之前就被其余的物质所俘获，从而形成较大的晶粒，这会使得薄膜表面粗糙、不致密，除此之外，吸附原子到达衬底后，后续原子长时间不到达，暴露的原子容易吸附残余气体分子或其他杂质。

41、本发明是溅射的具体过程包括：(1)启动磁控激射镀膜机，把光刻后的衬底放进该设备中，送片；(2)溅射、沉积；(3)取片，结束镀膜，关闭设备。

42、本发明所述电镀的具体过程包括：进需电镀的晶圆→进镀(进夹具)→水洗→酸浸(硫酸)→电镀金属(设置电流和时间)→水洗→出板→退镀(退夹具)→水洗→测试(台阶仪测试电镀金属厚度，激光共聚焦显微镜测试形貌特征)。

43、优选地，步骤(2)所述高强度金属包括钯钴合金。

44、优选地，步骤(2)所述生长后还包括剥离多余金属的过程。

45、步骤(2)中生长高强度金属的目的是为了向步骤(1)所得针尖结构中填充高强度金属(即使得针尖材质为高强度金属)，本发明中所述剥离多余金属过程的目的是：去除衬底表面多余的高强度金属。

46、本发明步骤(3)所述光刻、电镀后在衬底表面均设置了一层梁结构材质，为了保证产品结构的完整性，需要将梁结构周围多余的光刻胶上的金属剥离，得到不影响探针正常使用的梁结构。

47、优选地，步骤(3)所述剥离中采用的化学试剂包括酒精和/或丙酮。

48、作为本发明的一个优选技术方案，步骤(4)所述焊接的方式包括回流焊。

49、本发明所述回流焊的具体步骤包括：预涂锡膏→机器自动贴装→回流焊→检查及电测试。

50、优选地，步骤(4)所述固定连接的方式包括回流焊。

51、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

52、作为本发明的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

53、(a)清洗衬底；

54、(b)采用光刻以及湿法腐蚀，得到针尖结构坯件；

55、其中，所述光刻包括：将硅晶圆进行清洗，随后在2500～3500r/min转速下采用光刻胶40xt进行匀胶，然后在120～130℃的加热台上进行8～12min的前烘，以去除光刻胶中的溶剂；然后在suss ma8双面接触式光刻机进行曝光，采用对应图形掩膜版；之后在100～110℃的加热台上进行1～2min的中烘；利用正性光刻胶的曝光区域与显影液发生中和反应而被溶解，形成图形；最后在60～100℃的烘箱中进行20～40min的后烘；

56、所述湿法腐蚀包括：采用浓度为30～50wt％的碱液腐蚀硅晶圆2.5～3.5h，再经950～1000℃进行氧化削尖；

57、(c)在硅晶圆表面溅射铜金属作为种子层；所述溅射的功率为450～550w，速度为180～230nm/min；

58、(d)在种子层上生长钯钴合金；

59、(e)利用研磨(lapping)得到针尖结构；

60、(f)在针尖结构上光刻、电镀、剥离制造悬臂梁结构；

61、(g)在悬臂梁结构上用回流焊技术连接圆柱；

62、(h)用回流焊技术固定连接陶瓷基板；

63、(i)利用湿法去除种子层，将3d结构探针从衬底上面剥离后，收集并清洗，得到所述3d-mems探针。

64、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

65、(1)本发明将mems加工技术，电镀、研磨技术、回流焊、湿法腐蚀等技术有效结合，技术简单，电镀与研磨技术的结合可以精确控制探针的厚度；

66、(2)本发明采用的回流焊技术不需要将印刷电路板浸入熔融的焊料中，而是采用局部加热的方式完成焊接任务；因而被焊接的元器件受到热冲击小，不会因过热造成元器件的损坏；

67、(3)本发明采用的回流焊技术仅需要在焊接部位施放焊料，并局部加热完成焊接，因而避免了桥接等焊接缺陷；

68、(4)本发明采用的回流焊技术中，焊料只是一次性使用，不存在再次利用的情况，因而焊料很干净，没有杂质，保证了焊点的质量；

69、(5)本发明提供的3d-mems探针结构简单，可靠性良好；且制备工艺简单，易于加工与量产。