基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片及其制备与使用方法与流程

本发明属于二维纳米材料电学测试芯片技术领域，具体涉及一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片及其制备与使用方法。

背景技术：

近年来，商业化应用硅基半导体芯片最小加工特征尺寸正在从22nm向14nm过渡。随着加工尺寸的不断缩小，传统的硅基材料场效应晶体管逐渐逼近其理论的极限尺寸5nm，寻找下一代场效应晶体管材料也成为当前急迫的问题。

2007年以来，随着对二维纳米材料的研究的发展，利用二维纳米材料构建场效应晶体管的研究也受到了广泛的关注。2013国际半导体技术路线图白皮书中指出：石墨烯等二维纳米材料由于其高迁移率，成为未来场效应晶体管的可能材料。因此，二维纳米材料被认为是未来替代硅基材料被用在半导体场效应晶体管器件中的重要组成材料。对于二维纳米材料及其电学特性的研究对未来新一代二维纳米材料场效应晶体管的开发具有重要的指导意义。然而，通过实验得到的二维纳米材料电子迁移率远低于理论预测值。究其原因，主要是因为二维纳米材料中的缺陷和边界对电子的散射作用以及金属/二维纳米材料接触电阻过大。如何定量的分析二者之间的关系，成为了二维纳米材料研究领域的一个重要的有待解决的课题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片及其制备与使用方法。由于透射电子显微镜的样品杆尺寸(可使用空间约为：2毫米×2毫米×6毫米)，以及样品平均尺寸(小于5微米)的限制，其电学特性无法在原位检测的同时被测试到，因此，建立一个可以在高真空，高电子发射的条件下的电学测试平台，对于进一步深入性的研究新一代二维材料的特性具有重要的意义。这就需要借助于微纳加工技术来制备极小的测试结构。

本发明拟在利用硅基材料微纳米加工技术，制备一种可嵌入式的二维纳米材料电学测试芯片，达到在纳米尺寸高真空环境下对二维纳米材料电学与结构变化以及接触电阻之间关系的研究的目的。随着近年来二维纳米材料研究的发展，电子显微镜被越来越多地应用到观测和表征二维材料的工作中来。另一方面，电子显微镜高真空环境中下的力、热、光、电学和液态环境电化学等多场耦合作用下的测量和表征成为苛刻条件使役作用下全新的显微研究方向。由于涉及测量的纳米材料尺寸小，传统的机械加工尺寸完全无法达到，本研究将利用微纳加工的方法，提出一种不同于传统宏观设计的可嵌入式的二维纳米材料测试芯片。利用这种新型结构，可以直接在原位情况下实时地观测电子器件的输运机制和失效机理，为下一代二维纳米材料电子器件和超小尺寸器件的研究提供测试平台。

本发明声索保护的特有技术方案包括：1.使用干法深硅反应离子刻蚀方法(DRIE)二次正反刻蚀加工形成硅基维纳米机械加工测试芯片的悬臂梁结构和延伸保护结构。2.使用蒸镀铬/金技术加上离子束刻蚀技术(IBE)形成金属导线层。3.插指状悬臂梁的样品收集区(只限于本设计结构中)以及下方完全架空的独有结构。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体为：

一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片，包括硅基芯片基底、样品承载端和铬/金金属电极传输线层，其中，所述样品承载端设置在所述硅基芯片基底的末端中间外侧，所述铬/金金属电极传输线层设置在所述硅基芯片基底的上表面，其间的若干均匀间隔排列的铬/金金属电极传输线末端与所述样品承载端连接。

进一步的，所述样品承载端为插指状电极，设计长度为10-20微米，宽度设定为2微米，设计数目为3或4根，均匀间隔设置在所述硅基芯片基底的末端中间外侧位置；所述铬/金金属电极传输线层的后端延伸至所述插指状电极；所述样品承载端设有微米尺寸的样品收集悬臂梁结构，通过悬浊液沉积的方法收集二维纳米材料。

进一步的，所述插指状电极采用金/钛淀积生长方式制成。

进一步的，所述硅基芯片基底的末端位于所述样品承载端的两侧中线对称设置有延伸结构作为保护装置。

进一步的，所述硅基芯片基底为硅/氮化硅，通过干法腐蚀获得。

进一步的，所述样品承载端顶端设置有钨金属探针。

进一步的，所述样品承载端通过引线键合方法与多电极堵片连结并通过金属引线与外部信号线连接。

一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片，采取以丙酮、异丙醇、蒸馏水各超声水浴20分钟的方法；

步骤2：淀积正面和背面氮化硅；

步骤3：在背面旋涂光刻胶，根据版图曝光相应位置、显影，去除不需要的氮化硅；

步骤4：在正面旋涂光刻胶，根据版图曝光相应位置、显影，去除不需要的氮化硅；

步骤5：干法腐蚀去除氮化硅；

步骤6：去除光刻胶；

步骤7：刻蚀硅片，形成通孔；

步骤8：蒸镀钛金层导线；

步骤9：原子级沉积氧化铝；

步骤10：干法刻蚀去除不需要的氮化硅层。

一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片的使用方法，包括以下步骤：

1)利用微纳米机械加工技术得到所需的芯片结构，并进行干燥、清洁；

2)通过引线键合和固定作用，将基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片连接在电镜操作杆上；

3)通过液滴法将纳米级的样品沉积在样品承载端的样品收集悬臂梁结构；

4)利用原位扫描/透射电子显微镜内的操控探针，对样品进行转移和调整位置。

有益效果：本发明提供的基于硅基微纳米机械加工技术的测试芯片及其制备与使用方法，相比传统设计，本研究所制备的结构由于利用了微纳加工技术，可以在达到更小设计尺寸的同时提高单片成品率以节约制备成本，并且在装载样品时更加简便和更加易于集成在电子显微镜中。同时，这项研究将实时观测二维纳米材料电子器件的传输与失效机制，为从原子尺度探索二维纳米材料在电子器件方面的应用提供重要的实验平台。

具体的有益效果如下：

1.可实现在电场耦合或者液态环境的使役条件下，跨尺度、一体化研究结构材料的显微结构与力学性能；并可实现电学负载下的原子尺度动态表征、测量，这类研究将属国际最先进的研究方向。将建立针对若干新一代二维材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统。这将为独立自主成功研制和测试先进材料提供必需的试验平台。

2.针对石墨烯等二维材料的所具有的尺寸小，不易加工的特性，我们选择一种新的场效应管结构，这种结构具有尺寸小，加工要求高的特点，其栅极结构已经接近目前最小的晶体管栅极尺寸。为研究下一代取代硅基晶体管的材料提供了研究基础。

3.另外，针对嵌入式电学测试平台，我们将设计和制备纳米尺寸的悬臂梁，并且在其下方进行完全的掏空。这项技术本身就是对加工工艺的极大挑战，在加工过程中通过不断的优化改进，提高加工能力。这样设计的优点在于电极本身可以多次重复使用，并可以对其它材料进行可重构式的测试。

附图说明

附图1为基于硅基微纳米机械加工技术的测试芯片的结构示意图；

附图2为基于硅基微纳米机械加工技术的测试芯片版图俯视图设计图；

附图3为基于硅基微纳米机械加工技术的测试芯片的加工流程；

附图4为基于硅基微纳米机械加工技术的测试芯片的版图整体结构(4寸硅片)；

附图5为实施例1得到的测试芯片，即按照以上工艺，利用丙酮洗涤得到的嵌入透射电子显微镜的二维纳米材料场效应管基本设计结构；

附图6为实施例2得到的测试芯片，即按照以上工艺，利用异丙醇洗涤得到的嵌入透射电子显微镜的二维纳米材料场效应管基本设计结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片。图1、图2所示，其主要结构包含硅基芯片基底，微纳米加工技术制备的样品承载端，铬/金金属电极传输线层。其中，硅基芯片基底为硅/氮化硅，主要通过干法腐蚀获得。样品承载端是微纳米加工技术制备而成，为插指状电极，采用金/钛淀积生长，左右两端有延伸结构作为保护装置防止误操作(延伸结构为硅基芯片基底刻蚀后自然形成，由版图决定，设计参数为1毫米乘3毫米，可以根据设计参数进行改变)，顶端的钨金属探针为系统自带设备，如图4所示。电极通过引线键合方法与多电极堵片连结并通过金属引线与外部信号线连接。本发明能够嵌入式的工作于扫描/透射式电子显微镜内，并对微米/纳米级的样品进行实时电学性能检测表征。

利用微纳米机械加工技术得到所需的芯片结构，经过干燥，清洁步骤之后，通过引线键合和固定，将芯片连接在电镜操作杆上。最后，通过液滴法将纳米级的样品沉积在测试载具的取样区。利用原位透射电子显微镜内的操控探针，对样品进行转移和调整位置。

具体实施例：

如图3所示，一种基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片，其加工流程包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片，丙酮、异丙醇、蒸馏水各超声水浴20分钟

步骤2：淀积正面和背面氮化硅

步骤3：在背面旋涂光刻胶，根据版图曝光相应位置，显影，并用去除不需要的氮化硅

步骤4：在正面旋涂光刻胶，根据版图曝光相应位置，显影，并用去除不需要的氮化硅

步骤5：干法腐蚀去除氮化硅

步骤6：去除光刻胶

步骤7：刻蚀硅片，形成通孔

步骤8：蒸镀钛金层导线

步骤9：原子级沉积氧化铝

步骤10：干法刻蚀去除不需要的氮化硅层

经过这些步骤，将预期得到所需的芯片结构。通过干燥，清洁步骤之后，通过引线键合和固定，将基于硅基微纳米机械加工技术的可嵌入式测试芯片连接在操作杆上。在顶端的样品收集区有微米尺寸的样品收集悬臂梁结构。二维纳米材料通过悬浊液沉积的方法可以被该结构所收集。

工作时，二维纳米材料可以由电子显微镜内的原位操作杆转移至测试电极之上，与所设计的器件结构形成场效应晶体管。利用扫描/透射电子显微镜内的操控探针，对样品进行转移和调整位置。通过施加不同的测试电学信号，实现对二维纳米材料的测试，并同时原位观测在电学信号作用下二微纳米材料的变化。

针对由本专利实施的具体案例(实施例1、实施例2)，已有图5和图6所示相应设计结果流片完成案例。两者不同点在于最终释放光刻胶所使用的溶剂不同(图5:丙酮；图6:异丙醇)。其中插指结构及全掏空结构明显，最终结构能够很好的达到设计时的参数指标，证明本专利方法合理可靠。

本专利设计为首次在扫描/透射电子显微镜内原位观察测量二维纳米材料结构和电学性能设计。其创新点在于：

1.传统的扫描/透射电子显微镜原位电学测试仅仅只有两极；本专利申请设计可以有3电极或4电极(测试芯片3个加上电子显微镜内带1个)

2.本专利设计特有的全掏空结构旁悬臂梁电极结构为本发明的特有设计结构，其结构和加工技术具有独创性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。