專利名稱:具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種探針及具有探針的裝置，且特別是一種具有高強(qiáng)度的探針及具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope，SPM)是一種新近且發(fā)展快速的顯微技術(shù)，其中原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)因為對導(dǎo)體及絕緣體均有出色的三維空間顯像能力，所以成為運(yùn)用最廣泛的掃描探針顯微鏡。當(dāng)微電子組件的尺寸大小，愈趨微細(xì)淺薄時，不論是在制程的前或制程其間，我們愈了解硅晶片表面的物理化學(xué)微區(qū)特性，并且精確控制制程條件，則更容易確保微電子產(chǎn)品的品質(zhì)。因此AFM已逐漸地被運(yùn)用于晶片清洗方法開發(fā)、光罩重疊曝光定位、蝕刻形貌檢驗、平坦化粗糙度分析、硅芯片與鍍膜表面形貌及缺陷等觀察。
圖1是為習(xí)知原子力顯微鏡的示意圖，請參考圖1，習(xí)知原子力顯微鏡主要由一探針102、一懸臂梁104、一固定架106、一雷射機(jī)構(gòu)108、一光感測機(jī)構(gòu)110、一移動平臺112及一主體114所構(gòu)成。其中，懸臂梁104具有相對應(yīng)的第一側(cè)邊120及第二側(cè)邊122，而探針102粘著于懸臂梁104第一側(cè)邊120的一端或利用蝕刻技術(shù)一體成形于懸臂梁104第一側(cè)邊120的一端。另外，固定架106亦具有一第一端124及相對應(yīng)的一第二端126，而懸臂梁104未配置探針102的一端與固定架106的第一端124互相一體成形，而固定架106的第二端126再與主體114連結(jié)。習(xí)知原子力顯微鏡其雷射機(jī)構(gòu)108配置于主體114的內(nèi)部，光感測機(jī)構(gòu)110則相對配置于雷射機(jī)構(gòu)108的側(cè)邊，樣品118則置于移動平臺112與探針102之間，而移動平臺112的材質(zhì)例如壓電材料，可做X-Y平面方向的移動及垂直Z方向的調(diào)整。
請繼續(xù)參考圖1，一般探針102通常要求硬度較高的材質(zhì)，例如金屬或硅化物或硅被覆合金膜，而懸臂梁104的形狀通常為條狀或V字形或其它幾何形狀。所以當(dāng)欲檢測樣品118的表面型態(tài)時，可將探針102貼近樣品118的表面，探針102感受到作用力，則會使懸臂梁104產(chǎn)生彎折，而懸臂梁104彎折的程度可利用雷射機(jī)構(gòu)108發(fā)射激光光束，照射探針102正上方的懸臂梁104，因為懸臂梁104的偏移，會造成激光光束反射方向的改變，經(jīng)光感測機(jī)構(gòu)110測得反射光后，經(jīng)由移動平臺112 X-Y-Z的移動推算出懸臂梁104彎折的程度，而反應(yīng)出作用力的大小，同時亦完成探針102與樣品118垂直距離Z方向位移量的調(diào)整，即可求得樣品118表貌結(jié)構(gòu)。
承上所述，雖然原子力顯微鏡對于表貌結(jié)構(gòu)可達(dá)原子尺度的解析能力，但因其懸臂梁104剛性不足，所以探針102在材料表面進(jìn)行小幅度的壓入時，其壓痕大小的再現(xiàn)性及刮痕深淺的再現(xiàn)性往往差別相當(dāng)大，而造成應(yīng)用上的限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此本實用新型的主要目的是提供一種具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置。使與探針相連接的懸臂梁有足夠的剛性，當(dāng)探針在做壓痕試驗時，其壓痕有足夠的再現(xiàn)性，而能進(jìn)行表面的局部刮痕試驗及彈性測試。
為達(dá)上述目的，本實用新型提出一種具有高強(qiáng)度的探針，其主要由一探針、一懸臂梁及一固定架構(gòu)成。其中，懸臂梁具有一第一側(cè)邊及相對應(yīng)的一第二側(cè)邊，其形狀可為條狀、V形或任何幾何形狀。而固定架亦具有一第一端及相對應(yīng)的一第二端，探針粘著于懸臂梁的第一側(cè)邊端或一體成形于懸臂梁的第一側(cè)邊端，其材質(zhì)例如為金屬、硅化物或硅被覆合金膜。另外，懸臂梁未配置探針的一端與固定架的第一端互相一體成形，并且在懸臂梁的第二側(cè)邊及懸臂梁與固定架的第一端連結(jié)之處，利用蒸鍍、濺鍍或其它表面附著技術(shù)被覆至少一層硬化膜，此硬化膜的材質(zhì)例如金屬鋁、鉭、金，而且，經(jīng)過被覆硬化膜的懸臂梁其彈性常數(shù)至少大于100(N/m)，或懸臂梁的細(xì)長比小于25。
為達(dá)上述目的，本實用新型提出一種具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其主要由一探針、一懸臂梁、一固定架、一本體及一移動平臺構(gòu)成。其中，懸臂梁具有一第一側(cè)邊及相對應(yīng)的一第二側(cè)邊，其形狀可為條狀、V形或任何幾何形狀。探針粘著于懸臂梁的第一側(cè)邊端或一體成形于懸臂梁的第一側(cè)邊端，而探針的材質(zhì)例如為金屬或硅化物或硅被覆合金膜。而固定架亦具有一第一端及相對應(yīng)的一第二端，并且懸臂梁未配置探針的一端與固定架的第一端互相一體成形，然后固定架的第二端再與本體互相連接，但亦可拆卸。除此之外，懸臂梁的第二側(cè)邊及懸臂梁與固定架連接之處利用蒸鍍、濺鍍或其它表面附著技術(shù)被覆至少一層硬化膜，此硬化膜的材質(zhì)例如金屬鋁、鉭、金，而且，經(jīng)過被覆硬化膜的懸臂梁其彈性常數(shù)至少大于100(N/m)，或懸臂梁的細(xì)長比小于25。另外，移動平臺承載被測試的樣品，并且位于本體內(nèi)。而本裝置亦包括一雷射機(jī)構(gòu)及一光檢測機(jī)構(gòu)，其分別配置于本體內(nèi)相對應(yīng)的位置，以發(fā)射激光光束及接收經(jīng)懸臂梁表面反射的激光光束。
本實施例中，移動平臺可為X-Y-Z壓電平臺或X-Y壓電平臺或單純平臺。
本實施例中，當(dāng)移動平臺為X-Y-Z壓電平臺時，則不需附加壓電桿。當(dāng)移動平臺為X-Y壓電平臺時，則需附加Z壓電桿。當(dāng)移動平臺為單純平臺時，則需附加X-Y-Z壓電桿。
本實施例中，被覆硬化膜的懸臂梁及固定架，可更換為未被覆硬化膜的懸臂梁及固定架。
本實用新型采用具有高強(qiáng)度的探針及具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，使得探針在做壓痕試驗時，懸臂梁有較習(xí)知更高的剛性，故能使壓痕有優(yōu)良的再現(xiàn)性而測得較習(xí)知更準(zhǔn)確的樣品表面微硬度或刮痕試驗。
下面結(jié)合附圖以具體實例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。



圖1是習(xí)知原子力顯微鏡的示意圖；圖2是依照本實用新型一較佳實施例的具有高強(qiáng)度的探針示意圖；圖3為依照本實用新型另一較佳實施例的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置示意圖；附圖標(biāo)記說明102、202、302探針；104、204、304；懸臂梁；106、206、306固定架；108、308雷射機(jī)構(gòu)；110、310光檢測機(jī)構(gòu)；112、312移動平臺；114、314本體；316Z壓電桿或X-Y-Z壓電桿；118、318樣品；120、210第一側(cè)邊；122、212第二側(cè)邊；124、214第一端；126、216、322第二端；208、320硬化膜。
具體實施方式
圖2是本實用新型一較佳實施例的具有高強(qiáng)度的探針示意圖。請參閱圖2，本實施例的具有高強(qiáng)度的探針，主要由一探針202、一懸臂梁204及一固定架206所構(gòu)成。其中，懸臂梁204具有一第一側(cè)邊210及相對應(yīng)的一第二側(cè)邊212，而固定架206具有一第一端214及相對應(yīng)的一第二端216，通常，探針202在制作上可使用粘著方式將探針202粘著于懸臂梁204的第一側(cè)邊210端，或者利用蝕刻技術(shù)一體成形于懸臂梁204的第一側(cè)邊210端，并且探針202的材質(zhì)通常選用較硬的物質(zhì)，例如金屬或硅化物或硅被覆合金膜。而懸臂梁204的形狀例如條狀、V形、或其它幾何形狀，視所要測量目的而決定形狀。另外，懸臂梁204未配置探針202的一端與固定架206的第一端214在制作上通常采用一體成形。此時，值得注意的是，在懸臂梁204的第二側(cè)邊212及懸臂梁204與固定架206的第一端214連接之處，利用蒸鍍、濺鍍或其它表面附著技術(shù)被覆至少一層硬化膜208，而硬化膜208的材質(zhì)例如金屬鋁、鉭、金等，以增強(qiáng)懸臂梁204的剛性，而且經(jīng)過被覆硬化膜208的懸臂梁204其彈性常數(shù)至少大于(100N/m)，或懸臂梁204的細(xì)長比小于25。
圖3是為依照本實用新型另一較佳實施例的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置示意圖。請參考圖3，本實施例的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，主要由一探針302、一懸臂梁304、一固定架306、一雷射機(jī)構(gòu)308、一光檢測機(jī)構(gòu)310、一移動平臺312及一本體314所構(gòu)成。其中，探針302、懸臂梁304及固定架306的組合結(jié)構(gòu)與前述大致雷同，于此不再贅述。本實施例的雷射機(jī)構(gòu)308與光檢測機(jī)構(gòu)310配置于本體314內(nèi)的相對應(yīng)位置，且固定架306的第二端322與本體314互相連接，但亦可拆卸，而樣品318則置于移動平臺312與探針302之間。
請繼續(xù)參見圖3，本實施例的移動平臺312可為X-Y-Z壓電平臺，其系利用移動平臺312 X-Y-Z方向的移動而完成樣品318的平面掃描與垂直距離的調(diào)整。同理，移動平臺312亦可為X-Y壓電平臺或單純平臺，以完成樣品318的平面掃描或單純承載樣品318，而其材質(zhì)例如為壓電材料。
請繼續(xù)參見考圖3，當(dāng)本實施例的移動平臺312為X-Y-Z壓電平臺時，則不需附加壓電桿，即可完成樣品318的平面掃描與垂直距離的調(diào)整，及探針302與樣品318表面相互作用力的大小。若移動平臺312為X-Y壓電平臺時，則需附加Z壓電桿316，若移動平臺312為單純平臺時，則需附加X-Y-Z壓電桿316，以完成樣品318的平面掃描與垂直距離的調(diào)整，及探針302與樣品318表面相互作用力的大小。
請同時參見圖1及圖3，本裝置的雷射機(jī)構(gòu)308及光檢測機(jī)構(gòu)310，其皆配置于本體314內(nèi)相對應(yīng)的位置。當(dāng)欲檢測樣品318表面壓痕及刮痕深淺時，因懸臂梁304已被覆硬化膜320，故有較習(xí)知未被覆硬化膜的懸臂梁104更高的剛性，所以當(dāng)探針302壓入樣品318表面時，并以雷射機(jī)構(gòu)308發(fā)射激光光束，照射被覆硬化膜320的懸臂梁304表面，光檢測機(jī)構(gòu)310接收經(jīng)懸臂梁304反射的反射光，利用移動平臺312 X-Y-Z的移動，即可計算測得探針302與樣品318表面的作用力大小及位移量。所以，樣品318表面的壓痕大小及刮痕深淺，經(jīng)過剛性較高的已被覆硬化膜320的懸臂梁304的探針302測試之后，其再現(xiàn)性優(yōu)于習(xí)知未鍍硬化膜的懸梁臂104所測得的壓痕大小及刮痕深淺。
承上所述，當(dāng)欲檢測樣品318表面型態(tài)時，則將已被覆硬化膜320的懸臂梁304及固定架306從本體314拆除，并置換未被覆硬化膜的懸臂梁104及固定架106，再將固定架106的第二端126與本體314結(jié)合。所以，當(dāng)欲測試樣品318表面型態(tài)時則使探針104與樣品318非常貼近，即會形成固定距離范圍的原子力，并以雷射機(jī)構(gòu)308發(fā)射激光光束，光檢測機(jī)構(gòu)310接收經(jīng)懸臂梁104反射的反射光，藉由移動平臺X-Y-Z的移動而檢測出探針104與樣品318表面作用力的大小及Z方向的位移值，故可檢測探針102的高低起伏，并掃描形成影像，即可獲得樣品318表面的型態(tài)。
在上述較佳實施例中，以在懸臂梁其中的一側(cè)邊及懸臂梁與固定架相連接的處被覆至少一層硬化膜，以增加懸臂梁的強(qiáng)度及剛性，然而上述僅為舉例說明，并非用以限定本實用新型的懸臂梁及探針型態(tài)，任何本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可推知本實用新型的懸臂梁及探針設(shè)計亦可以為其它型態(tài)。同樣地，本實施例的懸臂梁亦可以是其它可增加強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，例如增加懸臂梁的厚度。
綜合以上所述，本實用新型的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測試裝置至少具有下列優(yōu)點1、本實用新型的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測試裝置，在懸臂梁的一側(cè)邊及與固定架相連接的處被覆至少一層硬化膜，以增加懸臂梁的剛性，故可測試樣品表面的壓痕大小，及做刮痕深淺的試驗，因其有優(yōu)良的再現(xiàn)性，故亦能進(jìn)行樣品表面的局部彈性測試。
2、本實用新型的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測試裝置，可藉由移動平臺X-Y-Z的移動，而完成探針與樣品表面的作用力大小及Z方向的位移量，并求得較習(xí)知原子力顯微鏡所求得的應(yīng)力、應(yīng)變、硬度、潛變、楊氏系數(shù)及塑性能更正確的數(shù)值。
3、本實用新型的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測試裝置，可更換未被覆硬化膜的靈敏的懸臂梁，以檢測樣品表面的型態(tài)。
唯以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，當(dāng)不能以此限制本實用新型的范圍。大凡依本實用新型權(quán)利要求
所做的均等變化及修飾，仍將不失本實用新型的要義所在，亦不脫離本實用新型的精神和范圍的，都應(yīng)視為本實用新型的進(jìn)一步實施。因此本實用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求
所界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有高強(qiáng)度的探針，其特征在于包括一探針；一懸臂梁，該懸臂梁具有一第一側(cè)邊及相對應(yīng)的一第二側(cè)邊，該探針配置于該懸臂梁的第一側(cè)邊端，并且該懸臂梁的第二側(cè)邊被覆至少一層硬化膜；以及一固定架，該固定架具有一第一端及相對應(yīng)的一第二端，該第一端與該懸臂梁未配置探針的一端互相一體成形，且該懸臂梁與該固定架連接之處被覆至少一層硬化膜。
2.如權(quán)利要求
1所述的具有高強(qiáng)度的探針，其中該探針以金屬、硅化物及硅被覆合金膜其中之一的材質(zhì)制成。
3.如權(quán)利要求
1所述的具有高強(qiáng)度的探針，其中該探針一體成形于該懸臂梁的第一側(cè)邊端。
4.如權(quán)利要求
1所述的具有高強(qiáng)度的探針，其中該硬化膜的材質(zhì)為金屬，該金屬被覆為蒸鍍、濺鍍及其它表面附著之一。
5.如權(quán)利要求
1所述的具有高強(qiáng)度的探針，其中被覆至少一層硬化層的懸臂梁的彈性常數(shù)至少大于100(N/m)及細(xì)長比小于25其中之一。
6.一種具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其特征在于包括一探針；一懸臂梁，該懸臂梁具有一第一側(cè)邊及相對應(yīng)的一第二側(cè)邊，該探針配置于該懸臂梁的第一側(cè)邊端，并且該懸臂梁的第二側(cè)邊被覆至少一層硬化膜；一固定架，該固定架具有一第一端及相對應(yīng)的一第二端，該第一端與該懸臂梁未配置探針的一端互相一體成形，且該懸臂梁與該固定架連接之處被覆至少一層硬化膜；一本體，該本體與該固定架的第二端互相連接；以及一移動平臺，該移動平臺配置于該本體內(nèi)。
7.如權(quán)利要求
6所述的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其中該裝置還包括一雷射機(jī)構(gòu)，配置于該本體的內(nèi)側(cè)；以及一光檢測機(jī)構(gòu)，配置于該本體的內(nèi)側(cè)，并且與該雷射機(jī)構(gòu)的位置相對應(yīng)。
8.如權(quán)利要求
6所述的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其中該探針一體成形于該懸臂梁的第一側(cè)邊端，且該探針用金屬、硅化物及硅被覆合金膜其中之一材質(zhì)制成。
9.如權(quán)利要求
6所述的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其中該硬化膜的材質(zhì)為金屬，該金屬被覆為蒸鍍、濺鍍及其它表面其中之一。
10.如權(quán)利要求
6所述的具有高強(qiáng)度探針的納米機(jī)械性質(zhì)測量裝置，其中經(jīng)被覆硬化層的懸臂梁的彈性常數(shù)至少大于100(N/m)及細(xì)長比小于25之一。
專利摘要
本實用新型是一種具有高強(qiáng)度的掃描探針，主要由一探針、一懸臂梁及一固定架所構(gòu)成，適于在材料表面做刮痕及硬度試驗。其中，懸臂梁具有一第一側(cè)邊及對應(yīng)的一第二側(cè)邊，并且探針可粘著于懸臂梁或一體成形于懸臂梁的第一側(cè)邊端。懸臂梁的另一端與固定架互相一體成形，且在懸臂梁的第二側(cè)邊及懸臂梁與固定架連接的處至少被覆一層硬化膜，即可利用此高強(qiáng)度的探針，應(yīng)用于原子力顯微鏡，而求得材料的納米機(jī)械性質(zhì)。本實用新型的裝置亦可將被覆硬化膜的懸臂梁及固定架更換為未被覆硬化膜的懸臂梁及固定架，而檢測材料表面的型態(tài)。
文檔編號G01Q10/00GKCN2643316SQ03253005
公開日2004年9月22日 申請日期2003年9月27日
發(fā)明者楊友財, 呂學(xué)智, 方得華, 蘇厚合 申請人:均豪精密工業(yè)股份有限公司, 楊友財, 呂學(xué)智, 方得華, 蘇厚合導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan