专利名称：微机械与纳机械器件中的金属薄膜压阻传感及其在自感测spm探针中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的压阻传感器。
背景技术：
压阻位移检测技术对微机电系统和纳机电系统(MEMS和NEMS)均具有较强的吸引力，因为可以将它们完全引入上述系统，且这些技术易于使用。应用的例子包括扫描探针显微分析、力和压力传感器、流量传感器、化学和生物传感器以及诸如加速度计和运动换能器等惯性传感器。大多数这些应用均使用p型掺杂的硅层作为感测元件。掺杂后的硅具有相当高的灵敏系数(20～100)，但也具有较高的薄层电阻(10千欧/平方)，因而具有相对较大的热噪声本底(noisefloor)。由于掺杂后的硅的载流子密度低，因而可预期在它之中存在高得多的1/f噪声。另外，半导体压敏电阻器的制造过程(如离子注入或分子束外延)既复杂又需付出高昂的成本。最后，半导体材料很容易遭到加工损坏。因此它们不适于某些纳米级的应用。
需要为微机电与纳机电系统提供更为灵敏的、更易于制造的和更廉价的压阻感测元件，然而，该需求尚未得到满足。
发明内容
一种微机械或纳机械器件，包括可移动元件和用于对该可移动元件的移动进行压阻感测的金属膜。
一种制造SPM探针的方法，包括提供衬底；在所述的前侧和后侧形成掩膜层；在所述掩膜层上形成图案；使用所述衬底的前侧上的已形成图案的掩膜层来形成所述衬底的所述前侧中的SPM尖端；在所述衬底的所述前侧上形成已形成图案的金属膜压阻传感器；以及从所述后侧起穿过后侧的掩模层中的开口来蚀刻所述衬底，以形成支持所述SPM尖端和所述金属膜的悬臂。
一种操作包括可移动元件和压阻膜的微机械或纳机械器件的方法，该方法包括偏置所述压阻膜和检测所述膜的压阻响应来确定所述可移动元件的移动量。
图1a和1b是根据本发明的实施例的示范性器件的SEM图像。
图2和图3是图1a中的器件的谐振响应曲线。
图4是图1b中所示器件的热机械噪声频谱密度。示出了前两个模式。且数据被拟合为洛伦兹函数。
图5a是根据本发明的实施例的器件的三维示意图。
图5b是根据本发明的实施例的AFM探针的SEM图像。
图7、14和15是用于测试本发明的器件的测试配置示意图。
图6和图8是根据本发明的实施例的器件的压阻响应曲线。
图9是金属薄膜压敏电阻器的噪声频谱曲线。
图10是压阻探针的测力压痕曲线。
图11a是从直接轻敲模式中获得的3维形貌图。图11b是从对金属薄膜压敏电阻器的锁定测量中获得的3维形貌图。
图12a-h是自感测非接触/轻敲模式压阻SPM探针的制造流程中的各个步骤的侧截面图。
图13a-h是自感测接触模式压阻SPM探针的制造流程中的各个步骤的侧截面图。
具体实施例方式
本发明的实施例针对用作微机械和纳机械系统中的压阻自感测元件的金属膜。这些系统最好包括微机电系统和纳机电系统。
微机电系统和纳机电系统所包括的器件具有的特点是至少在一个维度上，最好在两个或三个维度上，它们的尺寸分别为1微米至100微米和1纳米至小于1微米。这些特征最好包括可移动特征或元件(如悬臂、振动膜、固定梁、线等)。微机电和纳机电系统包括(但不限于)扫描探针显微镜(″SPM″)，如原子力显微镜(″AFM″)、力和压力传感器、流量传感器、化学和生物传感器，以及诸如加速度计与运动换能器之类的惯性传感器。例如，化学和生物传感器可包括一个或多个表面涂覆着能有选择地结合化学或生物分析物(如包含或由所关心的化学或生物种群组成的气体或液体分析物)的材料的悬臂。
术语“膜”包含厚度约为100纳米至约10微米的相对较薄的金属膜、厚度约为10纳米至约100纳米的薄金属膜和厚度小于10纳米的超薄金属膜(如不连续金属膜或岛型金属膜等)，以下将对此进行更为详细的描述。术语“金属”包括纯金属或基本上较纯的金属和金属合金。
术语“自感测”表示金属膜被用作压阻元件，而不需要外部的移动感测器件，如用于以射线照射悬臂或振动膜的激光器和用于检测反射的射线来确定悬臂或振动膜的偏转的光电检测器。然而，如果需要，可以将外部的移动感测器件与自感测金属膜结合使用。而且，最好将金属膜与电流源一起使用，该电流源在金属膜的表面提供了电流，且检测器检测该金属膜表面的电压，以确定金属膜和可移动元件的移动量(如幅值、频率、方向和/或任何其他合适的性质)。
应变灵敏系数(“灵敏系数”)常用于表示压阻材料的电阻和应变之间的关系，将其定义为dR/Rdε＝(1+2υ)+dρ/ρdε，其中υ为泊松比、ρ为电阻率、ε为应变、R为电阻值。第一项仅源于几何变形，第二项是因应变的变化而引起的电阻率的物理变化，这种应变的变化主要源于材料中的传递应变的(strain mediated)平均自由程。
即使薄金属膜具有比半导体压敏电阻器小得多的灵敏系数，但是，它们也具有小得多的电阻值，并能够承受高得多的电流密度，因此，能产生同等的信号强度。较低的电阻值产生较小的热噪声。由于金属膜的载流子密度比半导体压敏电阻器的载流子密度高出几个数量级，因而它们的1/f噪声将比后者的1/f噪声小很多。低得多的噪声本底使得薄金属膜可以获得与硅器件相似的分辨率。
与半导体压敏电阻器相比，金属薄膜压敏电阻器的造价低得多。可以简单地将厚度为10纳米至10微米的金属膜蒸发或溅射到Si、SiC、SiN、SiO2、玻璃甚至塑料材料等几乎任何衬底上。对金属膜的加工损坏也是最小的。可以在金属膜上形成纳米尺寸的图案，并可将这些金属膜批量制造到处于较大阵列中的各个器件上。
在本发明的优选实施例中，将金薄膜用作压阻感测。本领域的技术人员可以用其他纯金属或基本上较纯的金属(包括但不限于银、镍、铂、铝、铬、钯、钨和康铜、卡玛合金、恒弹性合金、尼赫罗姆合金V、铂-钨、铂-铬等合金)获得相似结果。
在另一个优选实施例中，用金属膜覆盖可移动元件，如微米(即1到100微米)或纳米(即小于1微米)尺寸的元件。可移动元件可以是MEMS或NEMS中的任何可以移动的元件。可移动元件最好包括柔性的弹性元件(即“挠曲”)，如谐振器。
例如谐振器最好包括微米或纳米尺寸的悬臂。然而，应当理解，本发明也可以与其他谐振器一起使用，这些谐振器包括但不限于两端固定梁谐振器、扭转谐振器和膜片式谐振器。在专利申请号为10/826007的美国专利申请、专利号为6593731的美国专利、PCT/US03/14566的PCT申请(出版号WO/2004/041998)和其对应的申请号为10/502641的美国专利申请中公开了两端固定梁谐振器、扭转谐振器和膜片式谐振器的非限制性实例。此处通过引用将所有上述申请包含于本文之中。例如，两端固定梁谐振器包括两端均固定的梁，但是其中间部分是自由悬挂的，因此它可以垂直于其长度发生弯曲或进行移动。在一个非限制性实例中，扭转谐振器可包括安装在两个锚点处的柔性的菱形或多边形结构，可通过围绕上述锚点之间的轴扭转或转动该结构而移动谐振器，如专利号为6593731的美国专利中说明和描述的。膜片式谐振器可包括任何板状的谐振器，该谐振器在一个或多个边缘处进行固定，而其中间部分是自由悬挂的，因而它可以在一个或多个方向上进行移动或发生弯曲。膜片式谐振器的一个实例是蹦床式谐振器。
在本发明的另一个优选实施例中，公开了将薄金属膜用作AFM探针中的传感器的做法。给出了自感测非接触/轻敲模式压阻SPM探针和感测接触模式压阻SPM探针的制造流程。如上文指出的，金属膜压阻感应元件也可用于其他MEMS或NEMS器件，如力和压力传感器、流量传感器、化学和生物传感器和诸如加速度计与运动换能器之类的惯性传感器。这些示范性的器件具有至少为1.6×10-6/纳米的预计的位移灵敏度和至少为3.8fN/(Hz)1/2的力分辨率，该分辨率可以与掺杂后的硅的分辨率相比，且噪声电平在1nV/(Hz)1/2以下。
最后，采用高灵敏度的电子缩混读出模式从薄金属膜中提取压阻响应。在一个优选实施例中，这种检测方案与合适的电路用于金属的自感测压阻探针(用于接触模式和非接触模式的AFM操作)。
薄金属膜薄金属膜具有相当低的灵敏系数(2～4)。因为它们具有比半导体压敏电阻器小得多的电阻值并能承受大得多的电流密度，所以它们可以产生与半导体压敏电阻器相匹的信号强度。较低的电阻值导致了较小的热噪声。因为金属膜的载流子密度比半导体压敏电阻器的载流子密度高几个数量级，因而前者的1/f噪声将远小于后者的1/f噪声。当器件工作于谐振频率和进行交流测量时，薄金属膜的灵敏度很高。
可以以大幅降低的成本来制造金属薄膜压敏电阻器。可以简单地将金属膜蒸发和溅射到几乎任何衬底上。对金属膜的加工损坏是最小的。且可以为金属膜形成纳米尺寸的图案，并可将这些金属膜制造到处于较大阵列中的各个器件上。
在所述的实施例中，金薄膜用于压阻感测。对块状的金而言，υ为0.42，典型的灵敏系数为1～4。可以根据膜的厚度将薄金膜分成三个不同区域。厚度在100纳米以上的膜更类似于块状，厚度在10纳米和100纳米之间的膜具有连续膜区域，而厚度在10纳米以下的膜通常是不连续的。由于金属的岛间隙的缘故，不连续膜具有大得多的应变灵敏系数。在所述的实施例中，将属于连续薄膜区域的30纳米至50纳米厚的金膜用作压阻层。然而，应当理解，可以大幅改变金属薄膜的尺寸。例如，根据测量结果，对从30纳米起直至10微米的所有连续薄金膜而言，压阻响应处于相同的数量级。金属膜可以具有任何适当的宽度和长度。例如金属膜可以是窄线(如横截面积约为100平方纳米或更小的线)，或者，它可以覆盖器件的可移动元件的所有或一部分表面，并具有100纳米直至10微米(如200纳米至2微米)的宽度。
除金之外，也可以将许多纯金属或基本上较纯的金属(包括但不限于镍、铂、钯、钨，铝等)用于压阻感测。也可以将金属合金(包括但不限于康铜、卡玛合金、恒弹性合金、尼赫罗姆合金V、铂-钨，铂-铬等)用于压阻感测。下表列出了一些示范性的金属和这些金属的灵敏系数。
谐振器如上所述，优选的谐振器结构包含悬臂，如悬臂式的NEMS或MEMS结构。在图1a和1b中示出了两个示范性悬臂的SEM图像。图1a是10微米长，2微米宽的悬臂的SEM图像，图1b是33微米长，4微米宽的悬臂的SEM图。这些器件具有150欧姆的最终电阻值。如图1a和1b所示，悬臂1最好在包含接触垫的悬臂基部5的附近具有开口或凹槽3。围绕凹槽3的悬臂1的部分称为“腿”7。最好至少在悬臂的腿7部分形成金膜9。如果需要，可以省略凹槽3。
最好使用与Y.T.Yang等人所公开方法(Appl.Phys.Lett.78，162(2001))类似的方法来制造图1a和1b所示的悬臂式NEMS结构，此处通过引用将该文献包含于本文之中。以下将描述一种示范性方法。初始材料是硅衬底上的80纳米厚的外延生长的碳化硅。之所以选择碳化硅，更多地是出于方便的考虑，而非必须如此。例如，也可使用硅和它的其他化合物(如氮化硅、二氧化硅等)。首先，用光刻法来定义金接触垫，其次，通过电子束光刻形成由金属互连图案定义的应变集中腿(如图1a所示的腿7)。在位于碳化硅上的光刻胶图案上热蒸发1nm的铬粘附层，然后，在该层上形成30纳米的金层，随后，剥离上述层，以提供所希望的图案。在进行电子束光刻后，在整个悬臂形成区域上，通过在50纳米铬层上形成图案来使其成为蚀刻掩模。然后，使用1∶1的Ar∶NF3混合气体，利用电子回旋共振(ECR)蚀刻机来蚀刻样品。用250V的偏置电压来各向异性地蚀刻碳化硅层。然后，将该偏置电压降为100V，这使得蚀刻变为各向同性的。蚀刻器件悬臂之下的硅层，并得到碳化硅结构。当难以对悬臂进行底切时，停止蚀刻。通过湿蚀刻除去铬掩膜，以减小悬臂上的应力，该应力可导致悬臂发生卷曲。最后，用持续时间非常短的ECR干蚀刻来完全得到悬臂。然后，将样品粘贴到压电陶瓷(PZT)致动器上，并将整个器件安装到芯片载体上，以及通过丝焊(wire bonding)来形成各个电连接。
然后，将样品装入真空罐，并在室温下对其进行测量。该测量系统包括半直流桥、作为直流偏置源和交流-直流T形偏置的电池组。PZT致动器由网络分析仪的输出进行驱动。在经过两个增益为67dB、输入输出阻抗为50欧姆的前置放大器级后，信号的交流部分反馈回网络分析仪之中。
在图2和图3中，示出了具有50mV的恒定直流偏置的、处于不同的激励电平的图1a中的器件的谐振信号。该悬臂具有两条5微米长、500纳米宽的腿和5微米长、2微米宽的垫(pad)。它具有处于1.5MHz处的基本模式与处于14.8MHz处的第二谐振模式。图2示出了基本模式的谐振曲线，图3示出了第二谐振模式的谐振曲线。图2和图3中的插图示出了作为激励电平或幅值的函数的峰值振幅。在线性响应区内，谐振时的幅值与施加到压电致动器的交流信号幅值成比例。在基本模式下，悬臂在真空中的品质因数为1000。在空气中工作时，悬臂具有为90的较低品质因数，如图2中的虚线所示。在第二谐振模式下，悬臂具有约为700的品质因数。
这些压阻悬臂的灵敏度足以使它们感测到它们自身的热机械噪声。图4显示了图1b中所示器件的噪声频谱，该频谱具有52kHz的基础谐振频率和638KHz处的第二谐振模式。从噪声频谱密度中，使用计算的弹簧常数，可以校准悬臂的灵敏度。为悬臂势能应用均分原理K<z2>＝kbT，并定义静止状态下的灵敏度为Cs＝ΔR/RΔZ，其中K为弹簧常数、kb为波尔兹曼常数、T为绝对温度、<z2>为悬臂的均方位移波动、ΔR/R为压敏电阻器的电阻值变化比率、Δz为悬臂的静止位移。可通过对噪声频谱密度曲线进行积分得到<v2>＝Cs2<z2>(其中<v2>是均方电压波动)来进行估计。根据器件的几何形状、碳化硅和金的弹性，我们计算弹簧常数为K≈0.0024N/m，确定灵敏度为Cs＝1.6×10-7/。测量受到约翰逊噪声和放大器噪声的限制，在52KHz时，噪声本底为3nv/(Hz)1/2，638KHz时，噪声本底为1.4nv/(Hz)1/2。悬臂在500KHz处具有3.8fN/(Hz)1/2的力分辨率。显然，尽管器件的灵敏度相对较低，但由于噪声本底较低的缘故，它仍具有足够的分辨率。
可以改变图1b中所示器件的几何形状，以进一步提高力分辨率或位移分辨率。在图1b的器件中，应变感测元件9仅占悬臂长度的十分之一。对于给定的弹簧常数，力灵敏度与1/t2成比例，从而导致悬臂更细、更短，而这将提高力灵敏度。应当注意，掺杂后的硅器件也遭受了较大的1/f噪声。胡戈定理(Hooge′s law)认为1/f噪声与载流子总数成反比，从而使得越小的悬臂其噪声性能越差。然而对于金属膜，其载流子数目(～1022/cm3)比普通的经过掺杂的半导体的载流子数目(～1018/cm3)大四个数量级，这使得1/f噪声不再是一个限制性因素。
除悬臂以外，也可以将薄金属膜用于其他几何形状之中。从而，可以将金属膜压阻传感器与其他谐振器(包括但不限于两端固定梁谐振器、扭转谐振器和膜片式谐振器)一起使用。
器件应用实例图5a和图5b示出了在用于原子力显微镜的自感测悬臂探针中使用金属膜的实例。图5a是示意图，图5b是经过显微机械加工的悬臂(即探针)11的SEM图像，探针11具有如下微观尺寸150微米长×30微米宽×4微米厚。探针11包含悬臂1、凹槽3、基部5、腿7、金属膜9和锐利的AFM尖端13。金属膜9和尖端13最好(但不是必须的)在悬臂的同一侧形成。图5中所示的具体探针11是为轻敲模式的AFM设计的。也可以设计用于接触模式的AFM的探针，但是该探针将具有小得多的弹簧常数，以下将对此进行更为详细的描述。
图12和图13分别示出了非接触模式探针11和接触模式探针21的制造过程。如图12a-h所示，制造具有薄金属膜9的非接触/轻敲模式压阻SPM探针11包括以下步骤首先，如图12a所示，提供了初始的衬底101。该衬底可以是任何合适的SOI(绝缘硅)衬底，如SIMOX(即注入氧的)或UNIBOND(即键合的)SOI衬底。该衬底可以为400至900微米(如550微米)厚，并在两个硅部分105、107之间具有0.5至5微米厚的氧化层103。
然后，如图12b所示，在衬底101的两侧淀积掩膜层109和111(可以由任何可用作硅蚀刻的掩膜的材料制成)。例如，层109和111可具有400至2000埃(如550埃)厚度的、用LPCVD方法淀积的氮化硅层。也可使用氮氧化硅或氧化铝等其他材料。
然后，如图12c所示，使用光刻在掩膜层111上形成图案(即将光刻胶淀积/旋涂在掩模层上、烘焙光刻胶、有选择地曝光光刻胶、在光刻胶上形成图案和有选择地蚀刻掩模层)。具体来说，在层111中提供了晶轴曝光坑113和悬臂区域开口115，且上述坑和开口延伸进入衬底101的硅部分107。坑113通过KOH坑蚀刻形成，而开口115通过使用光刻胶掩膜对层111进行活性离子蚀刻而形成。
然后，如图12d所示，形成了尖端掩膜。最好通过在掩膜层109上用光刻形成图案而留下尖端掩膜117来形成尖端掩膜117。例如，可以用活性离子蚀刻对未被形成图案的光刻胶覆盖的层109部分进行处理，以形成掩膜117。最好(但不是必须的)在尖端蚀刻步骤之前除去这个步骤中使用的光刻胶。
然后，如图12e所示，在尖端蚀刻步骤中使用尖端掩膜117。通过使用尖端掩膜117蚀刻硅部分105形成了尖端13。例如，可使用KOH对硅105进行各向同性蚀刻，并对硅105进行氧化/HF蚀刻循环处理，以形成尖端13。在这个步骤中，将衬底101的硅部分105变薄，使得它的厚度约等于所希望的悬臂1的厚度。
然后，如图12f所示，形成了金属垫和金属压阻膜9。最好在尖端13附近的硅部分105上形成诸如30至70纳米厚的金属膜(如50纳米厚的金层)(即最好在衬底的前侧或尖端侧上形成该金属)。可以用光刻将金属垫和膜9形成所希望的形状。另外，可以通过剥离方法在金属垫上形成图案(在光刻胶图案上淀积金属，然后剥离光刻胶图案，以在衬底101的硅部分105上留下形成图案的金属膜)。
然后，如图12g所示，使用光刻形成了悬臂1。例如，可以使用RIE或湿蚀刻在衬底的硅部分105上形成图案。
然后，如图12h所示，蚀刻衬底101的后侧，以得到悬臂1。这是通过经掩膜层111的开口115对衬底的后侧的硅部分107进行KOH蚀刻、然后用HF蚀刻除去悬臂1下面的氧化物103实现的。
应当懂得，也可以使用其他材料和蚀刻方法/介质。另外，可以在蚀刻步骤之后立即除去光刻胶层或在此之后除去该层。例如，可以在形成开口115之后立即除去用于形成开口115的光刻胶，或是在图12h所示的步骤完成后除去该光刻胶。
图13a-h示出了形成接触模式压阻SPM探针21的方法。在图13a-h中，示出探针的前侧为探针的底部而非其顶部。当然“顶部”和“底部”是相对的，它取决于探针的放置方式，在这里仅用来描述图中的元件。
首先，如图13a所示，提供了初始衬底101。该衬底可以是任何合适的半导体或绝缘衬底(如硅晶圆)。从而，在这种方法中不必使用SOI衬底。上述晶圆可以具有与图12a的SOI衬底相同的厚度。
然后，如图13b所示，将掩膜层109和111(可以由任何适于用作硅蚀刻的掩膜的材料制成)淀积在衬底101的两侧。例如，层109和111可包括低应力的800至1500埃(如1000埃)厚的用LPCVD方法淀积的氮化硅层。也可以使用氮氧化硅或氧化铝之类的其他材料。
然后，如图13c所示，使用光刻在后侧的掩膜层111上形成图案，以形成延伸进入衬底101的后侧的定位孔114。可以通过使用光刻胶掩膜对层111进行活性离子蚀刻和随后使用形成图案的层111或光刻胶掩膜(如果尚未除去)对衬底101进行KOH蚀刻来形成孔114。在60摄氏度时，KOH蚀刻包括使用30％的KOH溶液。
然后，如图13d所示，在层111中定义薄膜掩膜。具体来说，使用光刻在层111中形成了延伸进入衬底之中的膜开口116。可以通过使用光刻胶掩膜对层111进行活性离子蚀刻和随后使用形成图案的层111或光刻胶掩膜(如果尚未除去)对衬底101进行KOH蚀刻来形成开口116。对衬底进行的KOH蚀刻增加了孔114的深度，直到它们延伸到前侧的掩膜层109为止。
然后，如图13e所示，形成了尖端掩膜。最好通过光刻在掩膜层109上形成图案而留下尖端掩膜117来形成尖端掩膜117。例如，可以对层109的未被形成图案的光刻胶层覆盖的部分进行活性离子蚀刻，以形成掩膜117。最好(但不是必须的)在尖端蚀刻步骤之前除去本步骤中使用的光刻胶。在本步骤中，也可以形成电子束光刻定位标志。
然后，如图13f所示，在尖端蚀刻步骤中使用了尖端掩膜117。通过使用尖端掩膜117对衬底的前侧进行蚀刻形成了尖端13。例如，可使用KOH对硅衬底101进行各向同性蚀刻，然后，最好除去剩余的掩膜层111。
然后，如图13g所示，在衬底101的前侧和尖端13上形成了任选的低压氮化硅层118，使得尖端的表面覆盖氮化硅。也可以使用其他合适的覆盖材料。然后，最好在衬底101的前侧上的层118上直接形成金属垫和金属压阻膜9。金属膜9可以与图12f所示的膜9相同。可以使用任何合适方法(如电子束光刻)在膜9上形成图案。
然后，如图13h所示，对衬底101的后侧进行蚀刻，以得到悬臂1。这可以经掩膜层111中的开口116对衬底的后侧进行KOH蚀刻来实现。
应当注意，也可以使用其他材料和蚀刻方法/介质。另外，可以在蚀刻步骤完成后立即除去光刻胶层或在此之后除去光刻胶层。
从而，一种制造探针11和21的一般方法包括提供衬底；在所述衬底的前侧和后侧形成掩膜层；在所述掩膜层上形成图案；使用所述衬底的前侧上的已形成图案的掩膜层来形成所述衬底的所述前侧中的SPM尖端；在所述衬底的前侧上形成带有图案的金属膜压阻传感器；以及从所述后侧起穿过后侧的掩模层中的开口来蚀刻所述衬底，以形成支持所述SPM尖端和所述金属膜的悬臂。
压阻响应实例图6示出了根据本发明的另一个实例的、与图5b中的响应类似的、悬臂上的金属膜的压阻响应。该悬臂为125微米长、40微米宽、4微米厚，并具有常规的尖端。该悬臂适用于为轻敲模式的AFM应用设计的自感测探针11(这是不同于图1a所示的NEMS器件的较大的MEMS器件)。金薄膜覆盖该悬臂的两个腿，并形成了电流环。如图6所示，观测到了很强的压阻响应。从原始数据中减去了非谐振背景信号。该特定悬臂的品质因数在空气中约为220。在真空情况下，其压阻响应更强，此时品质因数超过360。将真空的数据移到右侧，以让人进行更好的观察。
该试验的测量电路电路设置如图14和图15所示。图14示出了当探针用于接触模式的AFM时测量SPM探针的压阻响应的方案。在图14所示的实施例中，交流偏置电流通过压敏电阻器，且测量了交流电压，以提高测量灵敏度。图14中的方案提供了简单的桥电阻值测量。另外，可直接用直流测量来检测悬臂的弯曲。可以用固定频率(如20kHz)处的锁定来提高测量灵敏度。
图15示出了当探针用于轻敲/非接触/交流模式的AFM时测量SPM探针的压阻响应的方法。将通过压敏电阻器的偏置电流在一个频率处进行调制，而悬臂则在另一个不同频率处被驱动。悬臂的机械响应可以在它们的差频率或和频率处检测到。
从而，如图15所示，通过基部5中的压电驱动源，用交流驱动源来驱动悬臂1。将驱动源与交流偏置源进行同步，并将偏置源和交流驱动源的输出提供给混频器的不同输入。将该混频器的输出作为参考信号通过低通滤波器(LPF)提供给锁定放大器。交流偏置源用于偏置金属膜9，而金属膜9的输出也通过另一LPF与放大器提供给锁定放大器。在图15的方案中，可以用交流驱动源在谐振频率(如240kHz)处驱动悬臂。可以用直接锁定测量来检测振荡的幅值。为消除由串扰引起的电气背景噪声(electrical background)，上述实例采用了缩混检测方案，下面将对此作更为详细的描述。可以在比驱动频率高10到50kHz(如20kHz)的谐振频率处施加样品偏置电流(例如，当驱动频率为240kHz时，谐振频率为260kHz)。在20kHz或500kHz处进行锁定测量(参考序列号为60/562652的临时申请，此处通过引用将该申请包含于本文之中，以给出额外的细节)。
然后，使用商用AFM系统(DI公司的dimension 3100系统)来测试探针11，该系统配有用于访问和控制外部信号的信号访问模块。测量设置如图7所示。修改了标准的DI探针支架，以方便对金属压阻探针进行测试。首先，断开了从芯片座(chip holder)至AFM探头的连接。其次，将31、33、35、37这四根线焊到芯片座上，以形成至探针11下方的压电致动器5以及至自感测探针上的两个电接触垫39、41的电连接。通过外部的信号发生器43(斯坦福研究系统DS345)将驱动信号施加到压电致动器5。在悬臂1的两条腿7间施加直流偏置电压。将电阻值与悬臂的电阻值类似的电阻器43用作平衡电阻器(20.3欧姆)，以提取谐振交流信号。通过低噪声电压放大器45(斯坦福研究系统SR560)将探针11上的电压变化进一步放大。然后，将该振荡的交流电压馈入锁定放大器47(斯坦福研究系统SR830)。并将上述测量值锁定到由函数发生器提供的驱动信号中。通过相位扩展器(phase extender)盒之后的信号访问模块，将锁定放大器的x输出提供给纳米显微镜控制器的一个输入通道。
首先，获得了源于电气测量的谐振曲线。图8显示了同一悬臂的三条谐振曲线。迹线1(底部曲线)是AFM内置激光器偏转测量的结果。迹线2(中间曲线)是使用直流偏置电流的悬臂的直流锁定测量的结果。迹线3(顶部曲线)是使用交流偏置电流的改进测量结果(上述的缩混方案)。在所有三条曲线中观测到了同等的信号强度。在光学数据中，由非挠曲谐振引起的边带很明显。而在电气测量曲线中，不存在这些边带。显然，电学测量不受光学测量数据中显示的剪力运动的影响。迹线2和迹线3之间的比较表明，缩混方案可以有效地消除在这种测量中通常不可避免的串扰信号。
然后，如图9所示，在金属薄膜探针上进行噪声频谱测量。可以观测到非常低的噪声频谱。对于频率大于1000Hz的情况，噪声电平小于1nV/(Hz)1/2，这比50欧姆电阻器在室温时产生的约翰逊噪声小。一般来说，在相同的频率范围内，p+硅的噪声电平约为30nV/(Hz)1/2。金属压敏电阻器的噪声性能至少30倍优于半导体硅材料的噪声性能。
对于接触模式的AFM，悬臂不在谐振状态下工作，而是跟随样本表面的形貌。对接触模式操作而言，最关心悬臂的直流或准直流响应。在这种情况下，当悬臂与样品表面接触后，用AFM的测力压痕性质来调制某个范围处的压电探针的z运动。相应地，在调制频率处弯曲悬臂。调制后的压阻信号由宽带直流放大器进行拾取，并由示波器进行测量。探针的测力压痕数据如图10所示(右轴)。为进行比较，也示出了施加到压电管的z分量的电压(左轴)。该电压调制对应300nm的弯曲幅值。在压阻探针上观测到了55μV的信号幅值。在进行2000倍的电压放大后，这对应于0.88mV/nm。对于标准的光学AFM探测，响应为约20mV/nm。因为示范性压敏电阻器中的噪声极低的缘故，在同等的噪声本底情况下，可以使用增益为原来增益30倍的放大器，此时信号响应为26.4mV/nm，这便与光悬臂的性能相匹配。
使用标准的SPM校准光栅来展示示范性的金属薄膜探针的成像性能。该光栅是由硅晶圆上的间距为3微米的长方形SiO2梯级组成的一维阵列。梯级高度为20nm±1nm。图11中所示的形貌图像是当AFM工作于“抬起模式”时从监视锁定放大器的输出获得的。在图11a中，为进行比较，示出了光学轻敲模式的AFM图像。即使不存在信号调节，金属薄膜压敏电阻器也能产生非常大的信噪比。图像质量可以与光学测量结果相比。从而，根据金属膜9的压阻响应，用SPM(如AFM)来确定由AFM探针11、21检查的表面的特性和/或将这些特性进行成像。换言之，如使用ATM所实现的，可以用AFM探针将图11b中所示的材料表面进行成像，或是使用它来确定该材料表面的一个或多个特性。另外，尽管在图中未示出，但是，也使用了数据处理设备(如计算机或专用处理器等)来处理来自AFM探针和相关器件(如锁定放大器)的信号，以创建、存储和/或显示与表面特性对应的图像和/或数据。在以上描述中，将金属膜用作优选的压阻膜。然而，也可以使用其他压阻材料膜。例如，可以在谐振器表面上形成掺杂后的硅膜(例如经过p型掺杂的硅膜)之类的压阻半导体膜，用于检测谐振器的运动。
为进行说明和描述的目的，公开了对本发明进行的前述描述。这种描述不是穷举式的，或者，也不应认为它将本发明限于公开的精确形式，相反，根据上述教导(或是从本发明的实际应用中得知)，可以对本发明进行各种修改和变更。选定本说明书中的这些内容，以便对本发明的原理和其实际应用进行解释。本意上，本发明的范围由附录的权利要求以及它们的等同物来进行定义。
权利要求
1.一种微机械或纳机械器件，包括可移动元件和用于对所述可移动元件的移动进行压阻感测的金属膜。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述可移动元件包括谐振器。
3.如权利要求2所述的器件，其中，所述谐振器包括悬臂。
4.如权利要求3所述的器件，其中，所述悬臂包括半导体材料。
5.如权利要求3所述的器件，其中，所述金属膜覆盖在所述悬臂的表面。
6.如权利要求5所述的器件，其中，所述悬臂包括凹槽和包围该凹槽的腿部，且所述金属膜至少位于所述悬臂的腿部。
7.如权利要求6所述的器件，其中，所述凹槽包括通孔，所述通孔经与其相邻的所述悬臂到达所述悬臂的基部。
8.如权利要求3所述的器件，其中，所述器件包括AFM探针，该探针包含处于所述悬臂的第一表面上的AFM尖端。
9.如权利要求8所述的器件，其中，所述薄金属膜位于所述悬臂的第一表面上。
10.如权利要求8所述的器件，其中，所述薄金属膜位于所述悬臂的第二表面上，且该第二表面与所述悬臂的所述第一表面相对。
11.如权利要求8所述的器件，其中，所述AFM探针包括接触型探针。
12.如权利要求8所述的器件，其中，所述AFM探针包括非接触型探针。
13.如权利要求8所述的器件，还包括适于偏置所述薄金属膜的偏置源和适于检测由所述薄金属膜提供的信号的检测器。
14.如权利要求13所述的器件，其中，所述偏置源包括交流偏置源，且所述检测器包括相敏检测器。
15.如权利要求14所述的器件，其中，所述检测器包括锁定放大器。
16.如权利要求2所述的器件，其中，所述谐振器选自由扭转谐振器、两端固定梁谐振器和膜片式谐振器组成的组。
17.如权利要求1所述的器件，其中，所述金属膜包括厚度处于10纳米和10微米之间的自感测膜，且所述可移动元件在至少一个维度上的尺寸为100微米或更小。
18.如权利要求1所述的器件，其中，所述金属膜选自由金、铂、钨、铝、镍、铜、铬、银、钯、铂-铬、镍-铜、镍-铬、铂-钨、恒弹性合金、卡玛合金、镍-银、Armour D合金所组成的组。
19.如权利要求18所述的器件，其中，所述金属膜包括厚度处于10纳米和100纳米之间的金、铂、钨或铝膜。
20.如权利要求1所述的器件，其中，所述器件包括选自由SPM探针、力传感器、压力传感器、流量传感器、化学传感器、生物传感器和惯性传感器所组成的组的MEMS或NEMS。
21.一种制造SPM探针的方法，包括提供衬底；在所述衬底的前侧和后侧形成掩膜层；在所述掩膜层上形成图案；使用所述衬底的前侧上的已形成图案的掩膜层来形成所述衬底的所述前侧中的SPM尖端；在所述衬底的所述前侧上形成带有图案的金属膜压阻传感器；以及从所述后侧起穿过后侧的掩模层中的开口来蚀刻所述衬底，以形成支持所述SPM尖端和所述金属膜的悬臂。
22.一种操作包括可移动元件和压阻膜的微机械或纳机械器件的方法，该方法包括偏置所述压阻膜和检测所述膜的压阻响应来确定所述可移动元件的移动量。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述膜包括金属膜。
24.如权利要求22所述的方法，其中，所述膜包括半导体膜。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述器件包括AFM探针。
26.如权利要求25所述的方法，还包括根据所述金属膜的所述压阻响应确定由所述AFM探针检查的表面的特性和/或将所述特性成像。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述AFM探针用于接触模式，且检测所述金属膜的压阻响应的所述步骤包括以交流电偏置所述金属膜和测量所述交流电压。
28.如权利要求25所述的方法，其中，所述AFM探针用于非接触模式，且检测所述金属膜的压阻响应的所述步骤包含在第一频率处以交流电偏置所述金属膜，在不同于所述第一频率的第二频率处驱动所述AFM探针，以及在所述第一频率与第二频率的差频率或和频率处检测所述探针的机械响应。
全文摘要
将薄金属膜用作微机电系统和纳机电系统中的压阻自感测元件。公开了该薄金属膜在AFM探针中的具体应用。
文档编号G01L1/18GK101072986SQ200580019147
公开日2007年11月14日 申请日期2005年4月15日 优先权日2004年4月15日
发明者唐红星, 李墨, M·L·鲁克斯 申请人:加州理工学院