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原子力顯微鏡探針裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測針和探針座，其中探測針包括微懸臂以及設于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對的表面上形成有臺階孔；探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述臺階孔中并旋轉以與所述臺階孔的臺階面抵接。本發明的原子力顯微鏡探針裝置能夠提高換針效率。
【專利說明】原子力顯微鏡探針裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體測試【技術領域】，特別涉及一種原子力顯微鏡的探針裝置。
【背景技術】
[0002]如今,原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)已廣泛應用于半導體樣品測試中，其工作原理是通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件(探測針)之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。如圖1所示，通常來說，探測針11包括針尖以及微懸臂，將對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定于探針座12，微懸臂另一端的微小針尖接近樣品10，當針尖與樣品接觸時(如圖2所示)，由于它們原子之間存在極微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描時控制這種作用力恒定，帶針尖的微懸臂將在垂直于樣品表面方向上起伏運動，通過光電檢測系統(包括反射鏡13及物鏡14)對微懸臂的運動變化(偏轉)進行掃描，測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結構信息。
[0003]然而，由于不同類型的測試需要使用不同型號的探測針，所以原子力顯微鏡在使用過程中經常需要更換探測針以完成相應的測試需求。而在換針過程中，需要將想要調換的探測針取出，再將替換的探測針放入探針座中。由于探測針小而輕，給換針的過程增加了操作難度，換針過程中容易發生由于探測針錯位或者中途跌落等原因使得探測針的換針失敗，此時就需要工作人員暫停機臺的運行，檢測維護原子力顯微鏡機臺，額外增加了時間成本。
[0004]由以上可知，現有技術中，原子力顯微鏡換針的不確定性很可能耽誤測試進程，也會增加不必要的人力負擔。因此，有必要提出一種能夠提高原子力顯微鏡換針效率的設計。

【發明內容】

[0005]本發明的主要目的旨在提供一種能夠提高原子力顯微鏡換針效率的設計。
[0006]為達成上述目的，本發明提供一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測針和探針座，其中所述探測針包括微懸臂以及設于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對的表面上形成有臺階孔；探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述臺階孔中并旋轉以與所述臺階孔的臺階面抵接。
[0007]優選地，所述臺階孔為兩段式臺階孔，包括小孔段和大孔段。
[0008]優選地,所述定位件包括相連的轉動桿及轉動條,其中所述轉動桿的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述轉動條的截面形狀與所述小孔段的截面形狀相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。
[0009]優選地，所述轉動桿的長度與所述小孔段的深度相同；所述轉動條的長度小于所述大孔段的深度。
[0010]優選地，所述臺階孔為長方形孔，所述轉動條為長方形條。
[0011]本發明還提供了一種原子力顯微鏡探針裝置，包括探測針和探針座，其中所述探測針包括微懸臂以及設于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂中形成有貫穿所述微懸臂的通孔；所述探針座包括吸附件和定位件，所述吸附件包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測針吸附于所述吸附面；所述定位件從所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋轉以與所述微懸臂設有針尖的表面抵接。
[0012]優選地,所述定位件包括相連的轉動桿及轉動條,其中所述轉動桿的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述轉動條的截面形狀與所述通孔的截面形狀相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。
[0013]優選的，所述轉動桿的長度與所述通孔的深度相同。
[0014]優選地，所述通孔為長方形孔，所述轉動條為長方形條。
[0015]本發明在保證原子力顯微鏡(AFM)的檢測效果的前提下，通過改進的探針裝置，在真空吸附探測針之前通過定位件將探測針定位于探針座，有效地避免了換針過程中由于探針小而輕造成的探針錯位，跌落或位置不正等問題，提高了不同探測針之間交換的成功率。進一步的提高了 AFM機臺的換針效率，節省了因為換針不成功而造成的人力和時間的損失，也提高了 AFM機臺的利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為現有技術中原子力顯微鏡的結構示意圖；
[0017]圖2為現有技術中原子力顯微鏡的探測針與樣品接觸的示意圖；
[0018]圖3為本發明一實施例原子力顯微鏡的探測針的側視圖和后視圖；
[0019]圖4a和圖4b為本發明一實施例原子力顯微鏡的探測針的局部后視圖和局部剖視圖；
[0020]圖5為本發明一實施例原子力顯微鏡探針裝置的結構示意圖；
[0021]圖6為本發明一實施例原子力顯微鏡探針裝置中定位件的立體圖；
[0022]圖7a和圖7b為本發明另一實施例原子力顯微鏡的探測針的局部后視圖和局部剖視圖；
[0023]圖8為本發明另一實施例原子力顯微鏡探針裝置的結構示意圖；
[0024]圖9為本發明另一實施例原子力顯微鏡探針裝置中定位件的立體圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護范圍內。
[0026]第一實施例
[0027]請參照圖3至圖6，本實施例所提供的原子力顯微鏡探針裝置包括探測針和探針座。探測針包括固定于探針座的微懸臂Iio以及設于該微懸臂一端的針尖120。將微懸臂110設置針尖120的表面作為正面，則其與針尖120相對的表面為背面。本實施例中，微懸臂Iio通過真空吸附固定于探針座中。具體的，探針座包括吸附件210，該吸附件具有一吸附面S，吸附面S上開設有導氣槽220，導氣槽220與抽真空部件(圖未示)連通，利用抽真空部件產生負壓使得微懸臂110的背面緊密吸附于吸附面S，由此將微懸臂110固定于探針座。另一方面，為了避免在換針過程中探測針錯位脫落等情況的發生，本發明的探針座還包括從吸附面S向下伸出的定位件230，同時探測針上也設置有對應于定位件的臺階孔130，通過將定位件230從微懸臂的背面插入臺階孔130中并旋轉以使定位件230與臺階孔130的臺階面抵接，從而達到探測針定位的目的。
[0028]以下將對本實施例的探針裝置的定位方式加以詳細說明。
[0029]請參考圖3和圖4，微懸臂110的背面形成臺階孔130。本實施中臺階孔130為兩段式長方形臺階孔，包括截面尺寸較小的小孔段130a和截面尺寸較大的大孔段130b。相對應的，定位件230包括轉動桿230a和轉動條230b。轉動桿230a的截面最大尺寸要小于小孔段130a的截面最小尺寸，如此可自由插入臺階孔中；而對于轉動條230b來說，其可插入臺階孔的小孔段中，但轉動條230b的截面最大尺寸要大于小孔段130a的截面最小尺寸且小于大孔段130b的截面最小尺寸，如此當定位件230插入臺階孔130 —定深度之后，轉動條230b全部位于大孔段130b中。轉動條230b在大孔段130b中可自由轉動，且轉動一定角度后其截面較大尺寸處會抵接在臺階孔130的臺階面上，使得定位件卡合于臺階孔中。較佳的，轉動條230b的截面形狀與小孔段130a的截面形狀相配合，可更方便地插入到小孔段130a中。這里所說的截面最大尺寸指的是截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，而截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。此外，為了使轉動條230b恰好能卡合于臺階孔的臺階面而不會發生位移，轉動桿230a的長度應與小孔段130a的深度相同；而轉動條230b的長度則應小于大孔段130b的深度。
[0030]接下來將對本實施例的原子力顯微鏡探針裝置的換針過程進行說明。
[0031]本實施例中，臺階孔130為長方形臺階孔，轉動條230b為和小孔段形狀配合的略小的長方形條，轉動桿230a的截面為方形。首先將探測針移動至探針座定位件230的位置，將定位件230插入臺階孔130中，此時探針座與微懸臂110之間也呈一定夾角。之后，將定位件230 (探針座)相對于微懸臂110轉動一定角度，使探針座的導氣槽220對準微懸臂110的背面，同時使得轉動條230b的長邊與長方形小孔段130a的長邊交叉而使轉動條230b抵接在臺階面上。此時，探測針與探針座的定位完成，接下來利用抽真空部件通過導氣槽施加負壓使微懸臂的背面緊密貼合于吸附面。
[0032]第二實施例
[0033]請參照圖7a, 7b及圖8和圖9,其所不為本發明另一實施例的原子力顯微鏡探針裝置。該探針裝置包括探測針和探針座。探測針包括固定于探針座的微懸臂110以及設于該微懸臂一端的針尖120。將微懸臂110設置針尖120的表面作為正面，則其與針尖120相對的表面為背面。微懸臂110通過真空吸附固定于探針座中。探針座包括吸附件210，該吸附件具有一吸附面S，吸附面S上開設有導氣槽220，導氣槽220與抽真空部件(圖未示)連通，利用抽真空部件產生負壓使得微懸臂110的背面緊密吸附于吸附面S，由此將微懸臂110固定于探針座。另一方面，為了避免在換針過程中探測針錯位脫落等情況的發生，本發明的探針座還包括從吸附面S向下伸出的定位件230’，同時探測針的微懸臂110上也設置有對應于定位件的貫穿微懸臂的通孔130’，通過將定位件230’從微懸臂的背面插入通孔130’中并旋轉以使定位件230’與微懸臂110的正面抵接，從而達到定位探測針的目的。
[0034]以下將對本實施例的探針裝置的定位方式加以詳細說明。
[0035]請參考圖7a和圖7b，微懸臂110中形成貫穿的通孔130’。相對應的，定位件230’包括轉動桿230’ a和轉動條230’ b。轉動桿230’ a的截面最大尺寸要小于通孔的截面最小尺寸，如此可自由插入臺階孔中；而對于轉動條230’b來說，其可插入通孔130’中，但其截面最大尺寸要大于通孔130’的截面最小尺寸，如此當定位件230’插入通孔130’ 一定深度之后，轉動條230’ b全部位于微懸臂110外部，轉動條230’ b和轉動桿230’ a均可自由轉動，且轉動一定角度后轉動條230’b截面較大尺寸處會抵接在微懸臂110正面，使得定位件230’卡合于微懸臂110。較佳的，轉動條230’ b的截面形狀與通孔130’的截面形狀相配合，可更方便地插入其中。這里所說的截面最大尺寸指的是截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，而截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。此外，為了使轉動條230’ b恰好能卡合于微懸臂110的正面而不會發生位移，轉動桿230’ a的長度應與通孔130’的深度相同。
[0036]接下來將對本實施例的原子力顯微鏡探針裝置的換針過程進行說明。本實施例中，通孔130’為長方形孔，轉動條230’ b為和通孔段形狀配合的略小的長方形條，轉動桿230’ a的截面為方形。首先將探測針移動至探針座定位件230’的位置，將定位件230’插入通孔130’中，此時探針座與微懸臂110之間也呈一定夾角。之后，將定位件230’(探針座)相對于微懸臂轉動一定角度，使探針座的導氣槽220對準微懸臂110的背面，同時使得轉動條230’b的長邊與長方形通孔130’的長邊交叉且抵接在微懸臂110的正面。此時，探測針與探針座的定位完成，接下來利用抽真空部件通過導氣槽施加負壓使微懸臂的背面緊密貼合于吸附面。
[0037]綜上所述，本發明所提出的探針裝置，在保證原子力顯微鏡檢測效果的前提下，通過在探針座上設置定位件以及在探測針上設置相應的臺階孔或通孔，確保在探針座真空吸附探測針之前可將探測針定位于探針座，如此可避免換針過程中由于探針小而輕造成的探針錯位，跌落或位置不正等問題，提高了不同探測針之間交換的成功率。進一步的提高了AFM機臺的換針效率，節省了因為換針不成功而造成的人力和時間的損失，也提高了 AFM機臺的利用率。
[0038]雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【權利要求】
1.一種原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，包括: 探測針，包括微懸臂以及設于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂在其與所述針尖相對的表面上形成有臺階孔； 探針座，包括: 吸附件，其具有吸附面，所述吸附面上開設有與抽真空部件連通的導氣槽，用于使所述探測針吸附于所述吸附面；以及 定位件，從所述吸附面向下伸出插入所述臺階孔中并旋轉以與所述臺階孔的臺階面抵接。
2.根據權利要求1所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述臺階孔為兩段式臺階孔，包括小孔段和大孔段。
3.根據權利要求2所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述定位件包括相連的轉動桿及轉動條，其中所述轉動桿的截面最大尺寸小于所述小孔段的截面最小尺寸；所述轉動條的截面形狀與所述小孔段的截面形狀相配合，其截面最大尺寸大于所述小孔段的截面最小尺寸且小于所述大孔段的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。
4.根據權利要求3所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述轉動桿的長度與所述小孔段的深度相同；所述轉動條的長度小于所述大孔段的深度。
5.根據權利要求4所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述臺階孔為長方形孔，所述轉動條為長方形條。
6.一種原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，包括: 探測針，包括微懸臂以及設于所述微懸臂一端的針尖，所述微懸臂中形成有貫穿所述微懸臂的通孔； 探針座，包括: 吸附件，其包括真空吸附槽以及吸附面，所述真空吸附槽用于使所述探測針吸附于所述吸附面；以及 定位件，從所述吸附面伸出插入所述通孔中并旋轉以與所述微懸臂設有針尖的表面抵接。
7.根據權利要求6所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述定位件包括相連的轉動桿及轉動條，其中所述轉動桿的截面最大尺寸小于所述通孔的截面最小尺寸，所述轉動條的截面形狀與所述通孔的截面形狀相配合且其截面最大尺寸大于所述通孔的截面最小尺寸；其中，所述截面最大尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最大值，所述截面最小尺寸為截面外周邊各點至旋轉中心的距離最小值。
8.根據權利要求7所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述轉動桿的長度與所述通孔的深度相同。
9.根據權利要求8所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，所述通孔為長方形孔，所述轉動條為長方形條。
【文檔編號】G01Q60/38GK103869103SQ201410118215
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】白英英, 張守龍, 王偉 申請人:上海華力微電子有限公司