本發(fā)明屬于二維納米材料電學測試芯片技術領域，具體涉及一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片及其制備與使用方法。

背景技術：

近年來，商業(yè)化應用硅基半導體芯片最小加工特征尺寸正在從22nm向14nm過渡。隨著加工尺寸的不斷縮小，傳統(tǒng)的硅基材料場效應晶體管逐漸逼近其理論的極限尺寸5nm，尋找下一代場效應晶體管材料也成為當前急迫的問題。

2007年以來，隨著對二維納米材料的研究的發(fā)展，利用二維納米材料構建場效應晶體管的研究也受到了廣泛的關注。2013國際半導體技術路線圖白皮書中指出：石墨烯等二維納米材料由于其高遷移率，成為未來場效應晶體管的可能材料。因此，二維納米材料被認為是未來替代硅基材料被用在半導體場效應晶體管器件中的重要組成材料。對于二維納米材料及其電學特性的研究對未來新一代二維納米材料場效應晶體管的開發(fā)具有重要的指導意義。然而，通過實驗得到的二維納米材料電子遷移率遠低于理論預測值。究其原因，主要是因為二維納米材料中的缺陷和邊界對電子的散射作用以及金屬/二維納米材料接觸電阻過大。如何定量的分析二者之間的關系，成為了二維納米材料研究領域的一個重要的有待解決的課題。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片及其制備與使用方法。由于透射電子顯微鏡的樣品桿尺寸(可使用空間約為：2毫米×2毫米×6毫米)，以及樣品平均尺寸(小于5微米)的限制，其電學特性無法在原位檢測的同時被測試到，因此，建立一個可以在高真空，高電子發(fā)射的條件下的電學測試平臺，對于進一步深入性的研究新一代二維材料的特性具有重要的意義。這就需要借助于微納加工技術來制備極小的測試結構。

本發(fā)明擬在利用硅基材料微納米加工技術，制備一種可嵌入式的二維納米材料電學測試芯片，達到在納米尺寸高真空環(huán)境下對二維納米材料電學與結構變化以及接觸電阻之間關系的研究的目的。隨著近年來二維納米材料研究的發(fā)展，電子顯微鏡被越來越多地應用到觀測和表征二維材料的工作中來。另一方面，電子顯微鏡高真空環(huán)境中下的力、熱、光、電學和液態(tài)環(huán)境電化學等多場耦合作用下的測量和表征成為苛刻條件使役作用下全新的顯微研究方向。由于涉及測量的納米材料尺寸小，傳統(tǒng)的機械加工尺寸完全無法達到，本研究將利用微納加工的方法，提出一種不同于傳統(tǒng)宏觀設計的可嵌入式的二維納米材料測試芯片。利用這種新型結構，可以直接在原位情況下實時地觀測電子器件的輸運機制和失效機理，為下一代二維納米材料電子器件和超小尺寸器件的研究提供測試平臺。

本發(fā)明聲索保護的特有技術方案包括：1.使用干法深硅反應離子刻蝕方法(DRIE)二次正反刻蝕加工形成硅基維納米機械加工測試芯片的懸臂梁結構和延伸保護結構。2.使用蒸鍍鉻/金技術加上離子束刻蝕技術(IBE)形成金屬導線層。3.插指狀懸臂梁的樣品收集區(qū)(只限于本設計結構中)以及下方完全架空的獨有結構。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案具體為：

一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片，包括硅基芯片基底、樣品承載端和鉻/金金屬電極傳輸線層，其中，所述樣品承載端設置在所述硅基芯片基底的末端中間外側，所述鉻/金金屬電極傳輸線層設置在所述硅基芯片基底的上表面，其間的若干均勻間隔排列的鉻/金金屬電極傳輸線末端與所述樣品承載端連接。

進一步的，所述樣品承載端為插指狀電極，設計長度為10-20微米，寬度設定為2微米，設計數(shù)目為3或4根，均勻間隔設置在所述硅基芯片基底的末端中間外側位置；所述鉻/金金屬電極傳輸線層的后端延伸至所述插指狀電極；所述樣品承載端設有微米尺寸的樣品收集懸臂梁結構，通過懸濁液沉積的方法收集二維納米材料。

進一步的，所述插指狀電極采用金/鈦淀積生長方式制成。

進一步的，所述硅基芯片基底的末端位于所述樣品承載端的兩側中線對稱設置有延伸結構作為保護裝置。

進一步的，所述硅基芯片基底為硅/氮化硅，通過干法腐蝕獲得。

進一步的，所述樣品承載端頂端設置有鎢金屬探針。

進一步的，所述樣品承載端通過引線鍵合方法與多電極堵片連結并通過金屬引線與外部信號線連接。

一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：清洗硅片，采取以丙酮、異丙醇、蒸餾水各超聲水浴20分鐘的方法；

步驟2：淀積正面和背面氮化硅；

步驟3：在背面旋涂光刻膠，根據(jù)版圖曝光相應位置、顯影，去除不需要的氮化硅；

步驟4：在正面旋涂光刻膠，根據(jù)版圖曝光相應位置、顯影，去除不需要的氮化硅；

步驟5：干法腐蝕去除氮化硅；

步驟6：去除光刻膠；

步驟7：刻蝕硅片，形成通孔；

步驟8：蒸鍍鈦金層導線；

步驟9：原子級沉積氧化鋁；

步驟10：干法刻蝕去除不需要的氮化硅層。

一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片的使用方法，包括以下步驟：

1)利用微納米機械加工技術得到所需的芯片結構，并進行干燥、清潔；

2)通過引線鍵合和固定作用，將基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片連接在電鏡操作桿上；

3)通過液滴法將納米級的樣品沉積在樣品承載端的樣品收集懸臂梁結構；

4)利用原位掃描/透射電子顯微鏡內的操控探針，對樣品進行轉移和調整位置。

有益效果：本發(fā)明提供的基于硅基微納米機械加工技術的測試芯片及其制備與使用方法，相比傳統(tǒng)設計，本研究所制備的結構由于利用了微納加工技術，可以在達到更小設計尺寸的同時提高單片成品率以節(jié)約制備成本，并且在裝載樣品時更加簡便和更加易于集成在電子顯微鏡中。同時，這項研究將實時觀測二維納米材料電子器件的傳輸與失效機制，為從原子尺度探索二維納米材料在電子器件方面的應用提供重要的實驗平臺。

具體的有益效果如下：

1.可實現(xiàn)在電場耦合或者液態(tài)環(huán)境的使役條件下，跨尺度、一體化研究結構材料的顯微結構與力學性能；并可實現(xiàn)電學負載下的原子尺度動態(tài)表征、測量，這類研究將屬國際最先進的研究方向。將建立針對若干新一代二維材料使役條件下性能與顯微結構間關系的原位研究系統(tǒng)。這將為獨立自主成功研制和測試先進材料提供必需的試驗平臺。

2.針對石墨烯等二維材料的所具有的尺寸小，不易加工的特性，我們選擇一種新的場效應管結構，這種結構具有尺寸小，加工要求高的特點，其柵極結構已經(jīng)接近目前最小的晶體管柵極尺寸。為研究下一代取代硅基晶體管的材料提供了研究基礎。

3.另外，針對嵌入式電學測試平臺，我們將設計和制備納米尺寸的懸臂梁，并且在其下方進行完全的掏空。這項技術本身就是對加工工藝的極大挑戰(zhàn)，在加工過程中通過不斷的優(yōu)化改進，提高加工能力。這樣設計的優(yōu)點在于電極本身可以多次重復使用，并可以對其它材料進行可重構式的測試。

附圖說明

附圖1為基于硅基微納米機械加工技術的測試芯片的結構示意圖；

附圖2為基于硅基微納米機械加工技術的測試芯片版圖俯視圖設計圖；

附圖3為基于硅基微納米機械加工技術的測試芯片的加工流程；

附圖4為基于硅基微納米機械加工技術的測試芯片的版圖整體結構(4寸硅片)；

附圖5為實施例1得到的測試芯片，即按照以上工藝，利用丙酮洗滌得到的嵌入透射電子顯微鏡的二維納米材料場效應管基本設計結構；

附圖6為實施例2得到的測試芯片，即按照以上工藝，利用異丙醇洗滌得到的嵌入透射電子顯微鏡的二維納米材料場效應管基本設計結構。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本發(fā)明為一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片。圖1、圖2所示，其主要結構包含硅基芯片基底，微納米加工技術制備的樣品承載端，鉻/金金屬電極傳輸線層。其中，硅基芯片基底為硅/氮化硅，主要通過干法腐蝕獲得。樣品承載端是微納米加工技術制備而成，為插指狀電極，采用金/鈦淀積生長，左右兩端有延伸結構作為保護裝置防止誤操作(延伸結構為硅基芯片基底刻蝕后自然形成，由版圖決定，設計參數(shù)為1毫米乘3毫米，可以根據(jù)設計參數(shù)進行改變)，頂端的鎢金屬探針為系統(tǒng)自帶設備，如圖4所示。電極通過引線鍵合方法與多電極堵片連結并通過金屬引線與外部信號線連接。本發(fā)明能夠嵌入式的工作于掃描/透射式電子顯微鏡內，并對微米/納米級的樣品進行實時電學性能檢測表征。

利用微納米機械加工技術得到所需的芯片結構，經(jīng)過干燥，清潔步驟之后，通過引線鍵合和固定，將芯片連接在電鏡操作桿上。最后，通過液滴法將納米級的樣品沉積在測試載具的取樣區(qū)。利用原位透射電子顯微鏡內的操控探針，對樣品進行轉移和調整位置。

具體實施例：

如圖3所示，一種基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片，其加工流程包括以下步驟：

步驟1：清洗硅片，丙酮、異丙醇、蒸餾水各超聲水浴20分鐘

步驟2：淀積正面和背面氮化硅

步驟3：在背面旋涂光刻膠，根據(jù)版圖曝光相應位置，顯影，并用去除不需要的氮化硅

步驟4：在正面旋涂光刻膠，根據(jù)版圖曝光相應位置，顯影，并用去除不需要的氮化硅

步驟5：干法腐蝕去除氮化硅

步驟6：去除光刻膠

步驟7：刻蝕硅片，形成通孔

步驟8：蒸鍍鈦金層導線

步驟9：原子級沉積氧化鋁

步驟10：干法刻蝕去除不需要的氮化硅層

經(jīng)過這些步驟，將預期得到所需的芯片結構。通過干燥，清潔步驟之后，通過引線鍵合和固定，將基于硅基微納米機械加工技術的可嵌入式測試芯片連接在操作桿上。在頂端的樣品收集區(qū)有微米尺寸的樣品收集懸臂梁結構。二維納米材料通過懸濁液沉積的方法可以被該結構所收集。

工作時，二維納米材料可以由電子顯微鏡內的原位操作桿轉移至測試電極之上，與所設計的器件結構形成場效應晶體管。利用掃描/透射電子顯微鏡內的操控探針，對樣品進行轉移和調整位置。通過施加不同的測試電學信號，實現(xiàn)對二維納米材料的測試，并同時原位觀測在電學信號作用下二微納米材料的變化。

針對由本專利實施的具體案例(實施例1、實施例2)，已有圖5和圖6所示相應設計結果流片完成案例。兩者不同點在于最終釋放光刻膠所使用的溶劑不同(圖5:丙酮；圖6:異丙醇)。其中插指結構及全掏空結構明顯，最終結構能夠很好的達到設計時的參數(shù)指標，證明本專利方法合理可靠。

本專利設計為首次在掃描/透射電子顯微鏡內原位觀察測量二維納米材料結構和電學性能設計。其創(chuàng)新點在于：

1.傳統(tǒng)的掃描/透射電子顯微鏡原位電學測試僅僅只有兩極；本專利申請設計可以有3電極或4電極(測試芯片3個加上電子顯微鏡內帶1個)

2.本專利設計特有的全掏空結構旁懸臂梁電極結構為本發(fā)明的特有設計結構，其結構和加工技術具有獨創(chuàng)性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。