集成有運(yùn)動(dòng)傳感器的納米探針N/MEMS裝置、方法和應(yīng)用相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)涉及于2011年12月16日提交的、名稱為“納米探針執(zhí)行器(NanoProbeActuator)”的序號(hào)為61/576,455的美國(guó)專利臨時(shí)申請(qǐng)，并且要求該申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的內(nèi)容被通過(guò)引用方式全部并入于本申請(qǐng)。政府權(quán)益陳述形成本申請(qǐng)所述實(shí)施例以及在本申請(qǐng)中要求保護(hù)的發(fā)明的研究是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)基于合作協(xié)議DMR1120296進(jìn)行資助的。美國(guó)政府對(duì)于在本申請(qǐng)中要求保護(hù)的發(fā)明具有權(quán)益。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明總體涉及納米尺度的微機(jī)電系統(tǒng)(N/MEMS)裝置和相關(guān)方法。更具體地，實(shí)施例涉及集成有運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)(actuation)和傳感器的納米尺度的微機(jī)電系統(tǒng)(N/MEMS)裝置和相關(guān)方法。

背景技術(shù)：
基于納米探針尖端的納米制造工藝常常需要精確地放置多個(gè)納米探針尖端。同樣地，基于納米探針尖端的納米測(cè)量裝置也可以通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)傳感方法或掃描隧道顯微鏡(STM)傳感方法來(lái)感測(cè)被接觸的實(shí)體表面。由于納米制造工藝應(yīng)用和納米測(cè)量裝置有可能繼續(xù)增多，需要另外的基于納米探針尖端的裝置、相關(guān)方法和相關(guān)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本申請(qǐng)的實(shí)施例包括具有集成JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)作為預(yù)放大器的、用于基于探針尖端感測(cè)的多尖端納米探針裝置。由于電容性換能器被縮小到納米尺度，因此它們的阻抗(1/jωC)大大地增加，這使得它們?nèi)菀资艿郊纳娙?、RF噪聲以及來(lái)源于局部靜電場(chǎng)和RF電場(chǎng)的電荷耦合的影響。由于噪聲耦合的問(wèn)題，以往針對(duì)集成掃描系統(tǒng)所作的工作成果欠佳，這是因?yàn)樾枰B接到芯片外電子裝置的連線增加了顯著的RF耦合噪聲。因此，本申請(qǐng)的實(shí)施例提供帶有被緊湊地集成在納米探針裝置內(nèi)JFET的、多尖端納米探針裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)局部信號(hào)測(cè)量，包括差分測(cè)量。JFET器件被單片集成在N/MEMS裝置上，以減小寄生電路元件、信號(hào)和失配的影響。JFET還針對(duì)低噪聲操作提供了片上增益和阻抗變換。由于JFET的低1/f噪聲、高增益、制造中較少的掩膜版數(shù)量、不存在寄生二極管、以及對(duì)于靜電放電的不敏感性，JFET是用于N/MEMS信號(hào)傳導(dǎo)的理想候選。在一些實(shí)施例中，其位置可相對(duì)于襯底自由移動(dòng)的納米探針尖端(即，納米探針尖端不附著于襯底)通過(guò)靜電能量維持間隙(electrostaticenergysustaininggap)耦接到JFET電極，并可以兩種方式被JFET感測(cè)。第一，在JFET上的靜電力在溝道中引起應(yīng)變，該應(yīng)變趨向于改變JFET的溝道載流子遷移率。第二，納米探針裝置的探針臂上耦合的電荷在JFET的一個(gè)柵極上產(chǎn)生浮動(dòng)電位，該浮動(dòng)電位將晶體管溝道電流調(diào)制為可被測(cè)量的信號(hào)。在一些實(shí)施例中，可自由移動(dòng)的納米探針還通過(guò)曲折彈簧(meanderspring)耦接到JFET電極，從而相對(duì)于可自由移動(dòng)的納米探針尖端位置和運(yùn)動(dòng)而言，JFET和曲折彈簧一起可被看作為運(yùn)動(dòng)傳感器。如上所述，在一些實(shí)施例中，“可自由移動(dòng)的”納米探針尖端是指沒(méi)有附著于襯底的探針尖端。在一些實(shí)施例中和在權(quán)利要求中，使用關(guān)于襯底上方的兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)“上方”用于表示兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)重疊的空間和平面布置，但兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)不一定接觸。相反地，使用關(guān)于襯底上方的兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)“上面”是指這兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)重疊的空間和平面布置，并且這兩層或兩個(gè)結(jié)構(gòu)相接觸。在一些實(shí)施例中和在權(quán)利要求中，希望所有的層和結(jié)構(gòu)位于并形成在單個(gè)襯底上方。在一些實(shí)施例中和在權(quán)利要求中，使用關(guān)于運(yùn)動(dòng)傳感器的部件的術(shù)語(yǔ)“耦接”或“可操作地耦接”，或者關(guān)于運(yùn)動(dòng)傳感器的可移動(dòng)探針尖端的耦接，是指電的、機(jī)械的、機(jī)電的或其它類型的連接，這些連接采用了提供所需的并可操作的信號(hào)結(jié)果的方式。在一些實(shí)施例中和在權(quán)利要求中，關(guān)于運(yùn)動(dòng)傳感器的術(shù)語(yǔ)“壓敏部件”也意味著包括在單位面積情況下的力敏感部件，其操作因此通常源于壓力靈敏度的操作。在一些實(shí)施例中和在權(quán)利要求中，關(guān)于至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端和至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端的“指向相同的方向”是指名義上相同的方向，并且考慮到一組不可移動(dòng)的探針尖端和可移動(dòng)的探針尖端中任意一個(gè)尖端相對(duì)于其他尖端的偏移。根據(jù)這些實(shí)施例的具體納米探針裝置包括襯底。這個(gè)具體的納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端。所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)。這個(gè)具體的納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器包括與至少一個(gè)彈簧可操作地耦接的至少一個(gè)壓敏部件。所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器可以與所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端可操作地耦接。根據(jù)這些實(shí)施例的另一個(gè)具體的納米探針裝置包括襯底。這個(gè)另外的具體納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端。所述至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端不能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)。這個(gè)另外的納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端。所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)。根據(jù)這些實(shí)施例的再一個(gè)具體納米探針裝置包括襯底。這個(gè)另外的具體納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端。所述至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端不能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)。這個(gè)另外的納米探針裝置還包括位于襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端。所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端能夠相對(duì)于襯底和相對(duì)于不可移動(dòng)的探針尖端移動(dòng)。這個(gè)具體的納米探針裝置還包括位于襯底上方的、并與所述至少一個(gè)可移動(dòng)探針尖端相耦接的至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。根據(jù)這些實(shí)施例的具體探測(cè)方法包括相對(duì)于樣品放置探針裝置中的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端，所述探針裝置包括：(1)襯底；(2)位于襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端，所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)；以及(3)位于襯底上方的至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器，所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器包括至少一個(gè)壓敏部件和至少一個(gè)彈簧，所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器與至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端可操作地耦接。這個(gè)具體探測(cè)方法還包括在測(cè)量所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器輸出信號(hào)的同時(shí)，使得所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端相對(duì)于樣品移動(dòng)。根據(jù)這些實(shí)施例的另一個(gè)具體探測(cè)方法包括相對(duì)于樣品放置探針裝置中的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端，所述探針裝置包括：(1)襯底；(2)位于襯底上方的至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端，所述至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端不能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)的；(3)位于襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端，所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端能夠相對(duì)于襯底移動(dòng)；以及(4)位于襯底上方的至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器，其與所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端可操作地耦接。這個(gè)另外的具體方法還包括在測(cè)量所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器輸出信號(hào)的同時(shí)，使得所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端相對(duì)于樣品移動(dòng)。附圖說(shuō)明實(shí)施例的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可以在下述具體實(shí)施方式的內(nèi)容中理解。具體實(shí)施方式可以在附圖的內(nèi)容中理解，附圖構(gòu)成了本公開(kāi)的重要部分，其中：圖1顯示根據(jù)實(shí)施例的帶有探針、JFET、曲折部和限位器(S)的多尖端納米探針裝置的平面視圖，限位器限制了執(zhí)行器F3的外部梳狀部分的運(yùn)動(dòng)；圖2顯示：(A)帶有曲折彈簧的JFET的SEM顯微圖；以及(B)按照本發(fā)明的多尖端納米探針裝置的側(cè)視SEM顯微圖；圖3顯示根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置中JFET溝道的壓電應(yīng)變的驅(qū)動(dòng)和感測(cè)的示意圖，圖3還顯示了JFET的摻雜分布；圖4顯示根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置中探針尖端和JFET曲折彈簧(k2)位移的COMSOL仿真，探針尖端可以沿x和y軸移動(dòng)；圖5顯示圖4中模型的COMSOL仿真結(jié)果，在F3處18伏的驅(qū)動(dòng)電壓在可移動(dòng)探針尖端處產(chǎn)生120nm的位移，而在晶體管曲折部處產(chǎn)生15.5nm的位移。曲折部和可移動(dòng)探針尖端以相反的方向移動(dòng)；圖6顯示在F3處施加的、呈斜坡形的掃描電壓，由于ac運(yùn)動(dòng)造成的位移電流被在可移動(dòng)探針尖端與F3之間進(jìn)行測(cè)量；圖7顯示JFET的測(cè)量IDS相對(duì)于VDS的輸出曲線，Vgate2是浮動(dòng)的，而Vgate1隨VG1變化而變化；圖8顯示在VDS＝10V的偏置下，根據(jù)實(shí)施例的JFET的轉(zhuǎn)移曲線，其中Ion/Ioff比值是126；圖9顯示在施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)探針尖端與JFET晶體管的運(yùn)動(dòng)，JFET能夠感測(cè)可移動(dòng)的探針尖端的運(yùn)動(dòng)，在JFET上感應(yīng)的浮動(dòng)電位和應(yīng)變調(diào)制了漏極電流，對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，Vgate1被設(shè)置在0伏；圖10顯示在可移動(dòng)探針尖端與鎢樣品之間所測(cè)量的接觸電流是低的，它可能是由于在可移動(dòng)探針尖端處形成了氧化物或者是由于可移動(dòng)探針尖端的高串聯(lián)電阻值；圖11顯示當(dāng)用來(lái)自離子槍的固定離子束切割樣品時(shí)，探針尖端樣品相對(duì)于離子槍的位置是52度；圖12顯示在FIB切割之前的探針尖端，其中頂層是MoSi2；圖13顯示被暴露于離子束的具有MoSi2的探針尖端的FIB切割；圖14顯示在被暴露于離子束的具有MoSi2的探針尖端的FIB切割后，可移動(dòng)探針尖端的側(cè)視圖，其中MoSi2形成這個(gè)器件的隧道尖端。圖15顯示在FIB切割后可移動(dòng)探針尖端的側(cè)視圖，其中MoSi2由300nm的SiO2保護(hù)；圖16顯示用于對(duì)根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置內(nèi)的可移動(dòng)探針尖端進(jìn)行諧振頻率測(cè)量的電裝置；圖17顯示在1.9e-3mbar壓力的真空下可移動(dòng)探針尖的諧振頻率測(cè)量結(jié)果；圖18顯示PCB板上的、根據(jù)實(shí)施例所組裝的NEMS探針，該P(yáng)CB板最終被安裝在JEOLSPM系統(tǒng)中，HOPG樣品放在N/MEMS探針下方；圖19顯示(A)使用市場(chǎng)上銷售的Pt-Ir尖端掃描HOPG樣品；和(B)使用根據(jù)實(shí)施例的N/MEMS探針掃描HOPG樣品；圖20顯示(A)安裝在SEM中的N/MEMS探針和HOPG樣品，用于原位分析HOPG樣品的電導(dǎo)；以及(B)使用Zyvex納米定位器的SEM中的測(cè)試組件的示意圖；圖21顯示根據(jù)實(shí)施例的N/MEMS探針的探針尖端與HOPG樣本軟接觸(softcontact)的SEM顯微圖；圖22顯示通過(guò)使用根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置測(cè)量的HOPG樣品的電導(dǎo)特性，虛線是可移動(dòng)探針尖端電流的直線擬合，而HOPG樣品的電阻由這條直線斜率的倒數(shù)確定；圖23顯示關(guān)于根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置內(nèi)：(A)所有的尖端被接地；(B)+3.5V被施加到尖端1；(C)+3.5V被施加到尖端2；圖24A到24T顯示一組示意性透視圖，其示出了在制造根據(jù)實(shí)施例的、集成有運(yùn)動(dòng)傳感器的多尖端納米探針N/MEMS裝置時(shí)逐步處理階段的結(jié)果；圖24A顯示被用來(lái)制造根據(jù)實(shí)施例的納米探針裝置的SOI襯底，表面硅器件層是2μm厚，埋層氧化層厚度范圍為1-2μm；圖24B顯示SiO2層和鉻(Cr)被順序地沉積在圖24A的SOI結(jié)構(gòu)上面，鉻用作為用于SiO2的刻蝕掩膜；圖24C顯示旋涂了光刻膠層，并且使用深紫外(DUV)光刻來(lái)圖形化JFET的源極和漏極端；圖24D顯示源極和漏極端圖形被反應(yīng)離子刻蝕(RIE)成Cr和SiO2掩膜；圖24E顯示Cr被去除以及SiO2被用作為擴(kuò)散掩膜，PH-1025固體源靶(solidsourcetarget)被用來(lái)將磷摻雜物擴(kuò)散到源極和漏極端，并被退火以驅(qū)使摻雜物深入其中；圖24F顯示通過(guò)使用氫氟酸(HF)來(lái)去除SiO2擴(kuò)散掩膜；圖24G顯示重復(fù)進(jìn)行步驟24B到24D，但這時(shí)，源極、漏極和溝道區(qū)域用SiO2保護(hù)；圖24H顯示BN-1025固體源靶被用來(lái)將硼摻雜物擴(kuò)散到JFET柵極區(qū)域以及梳狀驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電極和尖端區(qū)域；圖24I顯示通過(guò)使用氫氟酸(HF)去除SiO2擴(kuò)散掩膜；圖24J顯示濺射沉積覆蓋的MoSi2層，并且在覆蓋的MoSi2層上頂部旋涂光刻膠；圖24K顯示溝道區(qū)域被圖形化并被RIE刻蝕成MoSi2，在這時(shí)，JFET溝道僅僅是N型硅；圖24L顯示用氧等離子體剝離光刻膠，SiO2和Cr掩膜被沉積；圖24M顯示旋涂負(fù)性光刻膠，并且使用DUV光刻來(lái)圖形化納米探針裝置；圖24N顯示Cr、SiO2和MoSi2疊層被RIE向下刻蝕，直到硅器件層；圖24O顯示在刻蝕硅器件層之前，分別用1165溶劑和Cr刻蝕劑去除光刻膠和Cr層，SiO2掩膜被用來(lái)深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)硅器件層；圖24P顯示為了露出尖端，翻轉(zhuǎn)晶圓，沉積SiO2并旋涂光刻膠。背面SiO2被圖形化并被RIE刻蝕；圖24Q顯示用作為刻蝕掩膜的背面SiO2，用于刻蝕柄狀晶圓，直到埋層氧化層；圖24R顯示在進(jìn)行MoSi2退火之前，RIE刻蝕器件層上的SiO2刻蝕掩膜；圖24S顯示聚焦的離子束被用來(lái)使得尖端變尖；圖24T顯示所述器件在HF氣體中釋放。具體實(shí)施方式實(shí)施例提供多尖端納米探針裝置以及用于操作上述多尖端納米探針裝置的方法。由于將運(yùn)動(dòng)傳感器與可移動(dòng)探針尖緊密地耦接在多尖端納米探針裝置內(nèi)，多尖端納米探針裝置和相關(guān)方法提供了改進(jìn)的性能。另外，由于可移動(dòng)探針尖端相對(duì)于多尖端納米探針裝置內(nèi)的不可移動(dòng)探針尖是可操作的，因此多尖納米探針裝置和相關(guān)方法提供了改進(jìn)的性能和改進(jìn)的能力?？梢苿?dòng)探針尖端和不可移動(dòng)探針尖端可以一起做到納米級(jí)的尺度，這對(duì)于納米級(jí)空間距離下的測(cè)量特性是重要的。1.總體考慮根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置包括襯底(即，優(yōu)選地單個(gè)襯底)，它在第一個(gè)例子中包括位于并形成在襯底上方的至少一個(gè)(和優(yōu)選地至少兩個(gè)、或兩個(gè)以上)可移動(dòng)探針尖端和至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置還包括位于并形成在襯底上方的至少一個(gè)可移動(dòng)探針尖端，其與至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器可操作地耦接。在實(shí)施例中，所述至少一個(gè)可移動(dòng)探針尖端通常相對(duì)于至少一個(gè)不可移動(dòng)探針尖端是可縮進(jìn)的，并且通過(guò)至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可操作地耦接于所述至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器。雖然一些實(shí)施例是在多尖端納米探針裝置的背景下進(jìn)行說(shuō)明的，其中該多尖端納米探針裝置包括通過(guò)用于運(yùn)動(dòng)信號(hào)換能目的的曲折彈簧而靜電地且機(jī)械地耦接于JFET器件溝道的可移動(dòng)尖端，但是這些實(shí)施例還可以預(yù)期，與至少一個(gè)彈簧結(jié)合的其它壓力敏感部件(例如壓電敏感的電路部件)也可以被用于運(yùn)動(dòng)信號(hào)換能目的。這樣的其它壓敏部件可包括但不限于，壓阻式和壓電式換能器，其合在一起稱為壓電換能器，用于在根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)換能的部件，代替JFET溝道。這些其它的壓電換能器部件可包括但不一定限于，壓電晶體壓電換能器或部件和壓阻部件。因此，根據(jù)實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)傳感器可包括多物理運(yùn)動(dòng)傳感器，其包括由集成晶體管放大的光敏電阻或電容器，但也能測(cè)量通過(guò)可移動(dòng)探針尖端的電流。類似地，雖然實(shí)施例是在多尖端納米探針裝置的背景下進(jìn)行說(shuō)明的，其中多尖端納米探針裝置包括兩個(gè)相對(duì)于襯底和運(yùn)動(dòng)傳感器不可移動(dòng)的探針尖端，以及一個(gè)相對(duì)于襯底和運(yùn)動(dòng)傳感器可移動(dòng)的探針尖端，但實(shí)施例也不打算限于此。而是，實(shí)施例還預(yù)期包括至少一個(gè)相對(duì)于襯底和運(yùn)動(dòng)傳感器不可移動(dòng)的探針尖端和至少一個(gè)相對(duì)于襯底和運(yùn)動(dòng)傳感器可移動(dòng)的探針尖端的多尖端納米探針裝置。在實(shí)施例中，對(duì)于所述至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端和所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端，其中的每個(gè)具有從約30到約500微米的長(zhǎng)度和從約300到約1000納米的橫向尺度(即，直徑)，并且還懸在襯底上方。另外，每個(gè)所述至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端與每個(gè)所述至少一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端互相間隔開(kāi)從約100到約1200納米的距離。在實(shí)施例中，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇不可移動(dòng)的探針尖端和集成的執(zhí)行器，可移動(dòng)的探針尖端可以相對(duì)于襯底或至少一個(gè)不可移動(dòng)的探針尖端作橢圓形3D軌跡運(yùn)動(dòng)。另外，在實(shí)施例內(nèi)，不可移動(dòng)探針尖端和可移動(dòng)探針尖端可以按照下文進(jìn)一步的討論被削尖到原子尺度，曲率半徑小于約1納米。2.操作原理多納米探針系統(tǒng)的操作可以通過(guò)JFET來(lái)輔助，但也可以不用JFET晶體管而操作。根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置內(nèi)的JFET的操作然而通常是常規(guī)的。實(shí)施例因此現(xiàn)在演示并描述JFET在根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置中的使用。按照實(shí)施例，上述的差分尖端結(jié)構(gòu)由一個(gè)可移動(dòng)的探針尖端(尖端3)和兩個(gè)靜止的不可移動(dòng)的探針尖端(尖端1和尖端2)制成，如圖1和圖2所示?？梢苿?dòng)的探針尖端可以通過(guò)使用靜電板執(zhí)行器F1和F2沿y軸驅(qū)動(dòng)。將電壓施加到尖端1和尖端2，還可以使得可移動(dòng)的尖端3橫向偏移?？梢酝ㄟ^(guò)使用在F3與尖端3之間的靜電力來(lái)沿X方向移動(dòng)可移動(dòng)探針尖端。JFET(J1)被懸掛，并通過(guò)曲折彈簧電容性地且機(jī)械地耦接到執(zhí)行器F3。JFET的溝道被輕度n型摻雜(3.11x10-15cm-3)，柵極被p+型摻雜(1020cm-3)，源極和漏極被n+型摻雜(1020cm-3)。圖3是JFET的示意圖，其不僅僅示出了JFET，還示出了連接一個(gè)柵極的蜿蜒的曲折彈簧與靜電執(zhí)行器F3的連接。a.來(lái)自浮動(dòng)電位的JFET電流貢獻(xiàn)JFET的傳感I部分通過(guò)反向偏置柵極1而被偏置到飽和。飽和電流是：其中IDSS是當(dāng)VGS＝0時(shí)的飽和電流，而Vp是夾斷電壓。當(dāng)將負(fù)的直流電壓施加到F3時(shí)，JFET曲折部分延伸，而同時(shí)探針在X方向上凹進(jìn)去。由于JFET曲折彈簧是電浮動(dòng)的，因此在F3上施加的電壓在曲折彈簧上產(chǎn)生負(fù)的浮動(dòng)電位。該電位反向偏置JFET柵極2，用來(lái)進(jìn)一步夾斷溝道。該浮動(dòng)電位將調(diào)制溝道電導(dǎo)，在JFET中的新的飽和電流可被寫(xiě)為：其中ΔVFG是浮動(dòng)電位。如果VP-VGS>ΔVFG，當(dāng)浮動(dòng)電位增加時(shí)漏極電流將減小。b.來(lái)自應(yīng)變的電流貢獻(xiàn)當(dāng)電壓被施加到F3時(shí)，曲折彈簧的延伸拉伸柵極，并在溝道與曲折彈簧之間的p+n-結(jié)處產(chǎn)生應(yīng)變。在耗盡區(qū)中的應(yīng)變?cè)贘FET的溝道處產(chǎn)生張應(yīng)力。張應(yīng)力的效應(yīng)是它增強(qiáng)了溝道遷移率。在飽和時(shí)，漏極電流是：其中W是寬度，t是JFET厚度，而L是長(zhǎng)度。如果遷移率的小變化用Δμ代表，則新的電流是：根據(jù)等式7，遷移率的改變?cè)黾恿薐FET中的漏極電流。這與增加的浮動(dòng)電位效應(yīng)相反，后者試圖截?cái)鄿系啦p小電流。在這個(gè)器件中，浮動(dòng)電位效應(yīng)是占優(yōu)勢(shì)的。c.作為傳感器的電容值的測(cè)量如圖1所示的梳狀電極C1和C2可以測(cè)量包括可移動(dòng)探針尖端的移動(dòng)臂的相對(duì)位置。在該臂移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)臂與C1和C2梳狀電極的兩個(gè)固定梳指之間的電容值將改變。d.電-機(jī)械驅(qū)動(dòng)仿真由于JFET響應(yīng)于可移動(dòng)探針尖端的運(yùn)動(dòng)，因此漏極電流的改變可被用來(lái)表征該運(yùn)動(dòng)。圖4示出器件的結(jié)構(gòu)和靜電行為的COMSOL仿真。被連接到JFET的曲折彈簧的有效彈性常數(shù)(2k1+k2)被設(shè)計(jì)成比被連接到可移動(dòng)探針尖端的那些(2k1)更硬。圖5示出當(dāng)電壓被施加到F3時(shí)在可移動(dòng)探針尖端的x方向運(yùn)動(dòng)與JFET曲折彈簧(k2)之間的關(guān)系。限位器被用來(lái)阻止在拉入期間可移動(dòng)探針尖端和JFET的過(guò)限度的粉碎。可移動(dòng)探針尖端比不可移動(dòng)探針尖端長(zhǎng)100nm。通過(guò)在電極驅(qū)動(dòng)器F3上施加的電壓，可移動(dòng)探針尖端和JFET曲折彈簧沿相反的方向移動(dòng)。可移動(dòng)探針尖端具有從缺省位置到500納米的移動(dòng)范圍，這使得可移動(dòng)探針尖端相對(duì)于不可移動(dòng)探針尖端是可縮進(jìn)或可延伸的。3.器件制作根據(jù)實(shí)施例的多尖納米探針裝置的制作是與在Amponsahetal.,"MonolithicallyintegratedjunctionFETSandNEMS,"MicroElectroMechanicalSystems(MEMS),2011IEEE24thInternationalConferenceProceedings,pp.91-94,23-27Jan.2011中描述的方法平行的，該論文以可允許的程度通過(guò)引用方式全部合并于本申請(qǐng)中。器件和相關(guān)的裝置使用電阻率為2ohm-cm、2μm厚的n-型SOI晶圓制造。源極和漏極通過(guò)使用PH-1025固體源擴(kuò)散靶摻雜，而柵極用BN-1250固體源擴(kuò)散靶摻雜。摻雜的晶圓在爐內(nèi)退火以驅(qū)進(jìn)摻雜劑。MoSi2被用于金屬化，而器件通過(guò)DRIE刻蝕。器件和相關(guān)裝置的釋放是在氣態(tài)的氫氟酸(HF)中進(jìn)行的。掩膜版組被設(shè)計(jì)和選擇，以提供如在圖3(b)上顯示的特定裝置。在圖24A到圖24T示出了一組具體的透視圖，其說(shuō)明了用于制作根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置的過(guò)程順序。各個(gè)圖的具體說(shuō)明在上面的附圖說(shuō)明中給出。4.操作結(jié)果和討論a.可移動(dòng)探針尖端的靜電驅(qū)動(dòng)通過(guò)在F3驅(qū)動(dòng)器電極上施加斜坡電壓(rampvoltage)而證實(shí)了可移動(dòng)探針尖端的移動(dòng)。圖6示出了在F3與尖端3之間測(cè)量的位移電流。在施加不同峰值電壓的斜坡電壓(圖6上的x軸)和0.8V/sec的斜坡率的情況下，可以測(cè)量由于可移動(dòng)探針尖端移動(dòng)引起的位移電流。這個(gè)位移電流可被用來(lái)獨(dú)立地測(cè)量可移動(dòng)探針尖端的移動(dòng)，以便校準(zhǔn)JFET換能器。b.JFET的IV特性JFET器件的IV測(cè)量是在空氣中通過(guò)使用Keithley4200參數(shù)分析儀進(jìn)行的。圖7示出JFET器件的漏極電流相對(duì)于漏源電壓的圖。測(cè)量得到跨導(dǎo)和跨導(dǎo)參數(shù)(β)分別為0.2μS和4.1nA/V2。表1示出了器件參數(shù)。表1：器件參數(shù)參數(shù)符號(hào)數(shù)值尖端3的曲折彈簧的彈性常數(shù)2k15.54N/mJFET的曲折彈簧的彈性常數(shù)2k1+k222.66N/m夾斷電壓VP-25V在VDS＝10V和IDSS下的跨導(dǎo)gm0.2μS跨導(dǎo)參數(shù)β4.1nA/V2JFET溝道寬度W2μmJFET和探針厚度t2μm由等式8給出的夾斷電壓測(cè)量為在VDS＝10V下是-25V，如圖8所示。Vp＝Vpi-Vpo(8)根據(jù)等式8和等式9可以看到，夾斷電壓正比于JFET器件摻雜濃度。通過(guò)輕摻雜溝道來(lái)減小JFET器件的夾斷電壓，這將減小JFET器件的驅(qū)動(dòng)電流和跨導(dǎo)。在夾斷電壓與電流特性之間的折衷說(shuō)明用于使得通過(guò)用高操作電壓進(jìn)行靜電驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行最佳化的設(shè)計(jì)問(wèn)題。c.通過(guò)JFET感測(cè)可移動(dòng)探針尖端的運(yùn)動(dòng)為了感測(cè)可移動(dòng)探針尖端的運(yùn)動(dòng)，將不同的負(fù)電壓加到F3上，監(jiān)測(cè)了漏極電流調(diào)制，正如圖9的輸出曲線所示。施加的電壓引起應(yīng)變，并將浮動(dòng)電位反映到JFET上，浮動(dòng)電位將溝道電導(dǎo)調(diào)制到更高的程度。對(duì)于VF3＝-20V，相比于VF3＝0V電流的改變0.4μA，這表示在JFET器件柵極2上的有效電位是-2.3V。d.探針尖端隧道/接觸電流測(cè)量根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置可以應(yīng)用的領(lǐng)域包括但不限于，掃描探針顯微技術(shù)、生物納米探測(cè)、將納米級(jí)應(yīng)變施加到薄膜并且執(zhí)行材料的納米級(jí)電導(dǎo)測(cè)量。為了測(cè)量接觸電流，將Si探針尖端與鎢樣品接觸。所測(cè)量的接觸電流是低的(在樣品到尖端電壓為20V時(shí)為100fA)，而典型的STM電流是在nA級(jí)的范圍。觀察到的低電流可能是由于在納米探針裝置的Si尖端或鎢樣品處形成了氧化物。另外，由于納米探針的納米級(jí)尺寸，串聯(lián)電阻可能對(duì)測(cè)量的電流有影響。為此目的，和如下面所討論的，將MoSi2金屬層引入到多尖端納米探針臂的頂端，以減小串聯(lián)電阻。圖10示出了不帶有MoSi2的測(cè)量的接觸電流。e.探針尖端材料和尺度如上所述，為了減小多尖端納米探針的串聯(lián)電阻，可以考慮在探針尖端的頂部硅化MoSi2金屬。MoSi2被退火(在Ar/H2中在750℃下3分鐘)，從而形成與探針尖端交界面的牢固的電接觸和物理接觸。如果沒(méi)有這樣的退火處理步驟，則在BOE或氣體HF釋放期間，MoSi2會(huì)由于應(yīng)力梯度而從探針尖端剝離。代替使用Si用于表面掃描，MoSi2將是用于表面掃描的金屬。傳統(tǒng)的金屬STM尖端通常由鎢或Pt/Ir制成。為了由鎢線形成原子級(jí)的尖銳尖端，使用電化學(xué)處理來(lái)刻蝕鎢線金屬。在化學(xué)刻蝕期間，在金屬-溶液交界面處產(chǎn)生收縮，以及浸入刻蝕劑中的金屬部分遠(yuǎn)離線溶解，并且該線形成原子級(jí)尖端。在Pt/Ir線的情形下，可以使用鉗子來(lái)施加應(yīng)變，以切割Pt/Ir線。這些技術(shù)對(duì)于納米探針并不是理想的?？梢钥紤]不用電化學(xué)刻蝕或應(yīng)變應(yīng)用而形成具有小于50nm尖端直徑的金屬STM尖端的新方法。采用鎵源的聚焦離子束(FIB)被用來(lái)以52度的角度切割探針的尖端。圖11顯示JFET器件和裝置相對(duì)于離子束的安裝取向。在離子磨削期間，離子槍將探針尖端削尖。圖12是FIB切割之前的情形，圖13和圖14是在FIB切割之后探針的SEM圖像。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，這樣的削尖探針尖端僅僅在MoSi2材料層被暴露于離子束時(shí)才發(fā)生。通過(guò)制造包括有用300nmSiO2保護(hù)的MoSi2層的聚焦離子束器件，可以證實(shí)上述的觀察結(jié)果。尖端以52度被切割。圖15示出52度切割的SEM側(cè)視圖?？梢钥吹剑结樇舛艘恢庇肧iO2保護(hù)，它具有更大的尖端直徑。所使用的FIB束電壓在0.28nA的離子束電流下是30KeV。雖然對(duì)于所示出的器件達(dá)到52度角度，但可以理解，通過(guò)選擇鎵離子束與探針臂之間的角度，其它角度，具體地在約30度到約60度的范圍內(nèi)，也是可行的。5.應(yīng)用示例a.諧振頻率測(cè)量包括根據(jù)實(shí)施例的JFET器件的多尖端納米探針裝置可以被用于AFM和STM應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，可移動(dòng)探針尖端可以被激勵(lì)成諧振，并沿樣品表面掃描。通過(guò)使用與如圖16所示的裝置相同的裝置，可移動(dòng)探針尖端的諧振頻率可以在1.9e-3mbar的真空中進(jìn)行測(cè)量。SOI襯底被接地，并且通過(guò)使用來(lái)自ZurichInstruments的鎖定放大器(HF2LI)，通過(guò)偏置電源，AC掃描通過(guò)偏置電源(bias-tee)與DC電壓組合，并在電極F3上啟動(dòng)。流過(guò)可移動(dòng)探針尖端的位移電流被饋送到靈敏度被設(shè)置為5nA/V的低噪聲跨阻抗放大器(TIA)。TIA的輸出被饋送到鎖定放大器，用于頻域分析。圖17示出所測(cè)得的可移動(dòng)探針尖端的基波諧振頻率?？梢苿?dòng)探針尖端的諧振頻率被測(cè)量為239.7KHz，如圖17所示。圖17中的插圖是諧振頻率的光學(xué)測(cè)量結(jié)果，其為291.5KHz?？梢苿?dòng)探針尖端的彈性常數(shù)是5.54N/m，這表明對(duì)于精確放置和接觸力但不用壓緊可移動(dòng)探針尖端所需要的足夠的剛度。布朗噪聲位移通過(guò)使用等式10被評(píng)估。其中kB是波茨曼常數(shù)(1.38066x10-23J/K)，T是溫度(300K)，b是衰減系數(shù)(0.37x10-6Ns/m),k是彈性常數(shù)(5.54N/m),ω0是所測(cè)量的諧振頻率(1.5x106rad/s)，以及Q是品質(zhì)因數(shù)(～10)。在諧振時(shí)，布朗噪聲力預(yù)期為78x10-15N/sqrt(Hz)，平均噪聲位移是0.14x10-12N/sqrt(Hz)。在尖端上的噪聲位移比起提供用于橫向測(cè)量的足夠SNR的大多數(shù)2D薄膜的原子間距離低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。b.高序熱解石墨(HOPG)的掃描隧道顯微鏡為了研究HOPG的原子排列，制造了不帶有兩個(gè)靜止尖端的多尖端納米探針裝置?？梢苿?dòng)探針尖端被用FIB削尖，并被引線鍵合到PCB板，如圖18所示。PCB板連同NEMS探針一起被插入到JEOL4210SPM系統(tǒng)中。通過(guò)將可移動(dòng)探針尖端接地并將在HOPG樣品上施加350mV，樣品被放置在靠近可移動(dòng)探針尖的位置，直至感測(cè)到500pA的電流為止，然后在環(huán)境空氣中啟動(dòng)5nmx5nm的樣品掃描。圖19A和19B分別示出用商用Pt/Ir尖端和根據(jù)實(shí)施例的N/MEMS探針得到的掃描結(jié)果。c.電導(dǎo)測(cè)量根據(jù)實(shí)施例的N/MEMS探針和HOPG樣品被安裝在SEM操縱器(manipulator)，如圖20所示。在SEM中實(shí)時(shí)地觀察探針朝樣品方向的移動(dòng)，以避免探針過(guò)分前進(jìn)而進(jìn)到樣品中，這會(huì)有可能打碎尖端。一旦軟接觸(softcontact)，電壓斜坡就被加到可移動(dòng)探針尖端，并且從側(cè)面尖端記錄電流，這提供了不同的電導(dǎo)測(cè)量結(jié)果。圖21和圖22分別示出樣本的軟接觸和電流-電壓特性。在可移動(dòng)探針尖端與右面的不可移動(dòng)探針尖端之間精確的電阻是0.4Ω/nm2。還觀察到，在硬接觸期間，當(dāng)可移動(dòng)探針尖端縮進(jìn)時(shí)，最外面的兩個(gè)不可移動(dòng)探針尖端能夠彎曲30度而不斷裂。d.尖端間隔調(diào)制可以通過(guò)將斜坡電壓施加到任一個(gè)電極F1或F2上來(lái)減小可移動(dòng)探針尖端與任一個(gè)不可移動(dòng)探針尖端之間的間隙間隔。另外，將電壓施加到尖端1和尖端2可以橫向地偏移可移動(dòng)探針尖端。圖23顯示了可移動(dòng)探針尖端的現(xiàn)場(chǎng)SEM圖像，其中中間的可移動(dòng)探針尖端接地，而側(cè)面的不可移動(dòng)探針尖端被加上電壓。通過(guò)調(diào)制所述間隔，可以研究輸送現(xiàn)象，諸如局部的、擴(kuò)散的和彈道的輸送的轉(zhuǎn)移。6.多尖端納米探針裝置操作模式的概要下面列出根據(jù)實(shí)施例的多尖端納米探針裝置的各種應(yīng)用的操作特性。I.STM模式a.在中間尖端與薄膜之間加上電壓。b.感測(cè)隧道電流。c.掃描薄膜，以研究原子排列和其它特性。II.AFM模式a.通過(guò)將組合的AC和DC電壓施加到電極F3上，激勵(lì)中間尖端諧振。b.跟蹤尖端振動(dòng)幅度的改變。c.PZT掃描器的z信號(hào)被用來(lái)反映薄膜的原子排列。III.跨導(dǎo)模式Aa.將中間尖端縮進(jìn)。b.將最外面的尖端放置在緊靠或者完全接觸薄膜。c.在最外面的尖端之間進(jìn)行電流-電壓測(cè)量。IV.跨導(dǎo)模式Ba.將中間尖端縮進(jìn)。b.將最外面的尖端緊靠或者完全接觸薄膜。c.中間尖端現(xiàn)在放置成緊靠或者完全接觸薄膜。d.在中間尖端與最外面的尖端之間進(jìn)行電流-電壓測(cè)量。(通過(guò)過(guò)最外面電極驅(qū)動(dòng)電流，以生成跨過(guò)薄膜的電壓。內(nèi)側(cè)電極被用來(lái)測(cè)量高輸入阻抗下的電壓。在這種方法中，電極的接觸電阻并不影響薄膜電阻率。)V.隧道間隙調(diào)制a.將中間尖端縮進(jìn)。b.最外面的尖端被用來(lái)將探頭對(duì)準(zhǔn)薄膜。c.中間尖端作為柵極，而最外面的尖端作為源極和漏極。d.通過(guò)把斜坡電壓施加到F3，可以改變隧道間隙(在中間尖端與樣品之間的間隙)。e.施加到中間尖端上的電壓可以調(diào)制源極端與漏極端之間的溝道電導(dǎo)。VI.施加應(yīng)變a.中間尖端可以被用來(lái)對(duì)薄膜施加應(yīng)變。b.可以在中間尖端與最外面的尖端之間同時(shí)進(jìn)行電流-電壓測(cè)量。VII.尖端間隔調(diào)制a.將斜坡電壓施加到F1和F2上將改變中間尖端與最外面尖端之間的間隔。b.還將斜坡電壓施加到最外面尖端上會(huì)使得中間尖端橫向偏移，從而改變尖端間隔。VIII.局部掃描a.將中間尖端放置在緊靠樣品的位置。b.將斜坡電壓施加到F1和F2上，中間尖端可被用來(lái)局部地掃描最外面尖端之間的區(qū)域。7.結(jié)論有源JFET、靜電傳感器和執(zhí)行器被集成到具有兩個(gè)不可移動(dòng)探針尖端和第三個(gè)可移動(dòng)探針尖端的三探針尖端掃描探針尖裝置和器件中。當(dāng)可移動(dòng)探針尖端移動(dòng)時(shí)，JFET獲得的浮動(dòng)電位進(jìn)一步反向偏置JFET。耗盡寬度的改變調(diào)制JFET的溝道電導(dǎo)，這使得能夠直接預(yù)放大可移動(dòng)探針尖端的運(yùn)動(dòng)。另外，曲折彈簧的拉伸引起耦接到曲折彈簧的JFET溝道中產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變和浮動(dòng)電位效應(yīng)起相反的作用，但浮動(dòng)電位是本裝置和相關(guān)器件的主要機(jī)理。所有的參考資料，包括本申請(qǐng)引用的出版物、專利申請(qǐng)和專利，以能夠允許的程度通過(guò)引用方式全部并入本申請(qǐng)，就如同每個(gè)參考資料被單獨(dú)并特別說(shuō)明為通過(guò)引用方式并入本申請(qǐng)并在本申請(qǐng)中全部闡述一樣。在描述本發(fā)明的語(yǔ)境中，術(shù)語(yǔ)“a”和“an”和“the”以及類似指示詞的使用(特別是在權(quán)利要求書(shū)的語(yǔ)境中)被理解為覆蓋單數(shù)形式和多數(shù)形式，除非在本申請(qǐng)中另外指出或與上下文明顯矛盾。術(shù)語(yǔ)“包括”、“具有”和“包含”應(yīng)當(dāng)被看作為開(kāi)放性術(shù)語(yǔ)(即，是指“包括，但不限于”)，除非另外指出。術(shù)語(yǔ)“被連接”應(yīng)當(dāng)被理解為部分或完全被包含在內(nèi)，被連接于，或聯(lián)合在一起，即使有些介于中間的東西。在本申請(qǐng)中數(shù)值范圍的列舉僅僅期望用作為單獨(dú)引用在該范圍內(nèi)的每個(gè)單個(gè)數(shù)值的快捷方法，除非在本文中另外指出，并且每個(gè)單個(gè)數(shù)值被如同其獨(dú)立地被引用在本文中那樣包含在說(shuō)明書(shū)中。本文描述的所有方法可以以任何適當(dāng)?shù)拇涡驁?zhí)行，除非在本文中另外指出或者以其他方式與上下文明顯矛盾。任何或所有示例的使用，或本文中提供的示例性語(yǔ)言(例如，“諸如”)的使用，僅僅期望更好地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，而不是對(duì)于本發(fā)明的范圍施加限制，除非另外聲明的。說(shuō)明書(shū)中的語(yǔ)言不應(yīng)當(dāng)被看作為將任何非權(quán)利要求的特征指明為對(duì)于實(shí)施本發(fā)明是必要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解可以對(duì)本文實(shí)施例作出各種修改和變化，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。本申請(qǐng)不期望將實(shí)施例或本發(fā)明限于所公開(kāi)的特定形式，而是相反地，期望覆蓋如所附權(quán)利要求中所限定所有修改方案、替換結(jié)構(gòu)和等同方案。因此，本文實(shí)施例和發(fā)明期望覆蓋本發(fā)明的修改方案和變化，只要它們屬于所附權(quán)利要求和它們等同方案的范圍內(nèi)。