本發(fā)明屬于二維納米材料電學(xué)測(cè)試芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)試芯片及其制備與使用方法。

背景技術(shù)：

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

2007年以來(lái)，隨著對(duì)二維納米材料的研究的發(fā)展，利用二維納米材料構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究也受到了廣泛的關(guān)注。2013國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖白皮書(shū)中指出：石墨烯等二維納米材料由于其高遷移率，成為未來(lái)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的可能材料。因此，二維納米材料被認(rèn)為是未來(lái)替代硅基材料被用在半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中的重要組成材料。對(duì)于二維納米材料及其電學(xué)特性的研究對(duì)未來(lái)新一代二維納米材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的二維納米材料電子遷移率遠(yuǎn)低于理論預(yù)測(cè)值。究其原因，主要是因?yàn)槎S納米材料中的缺陷和邊界對(duì)電子的散射作用以及金屬/二維納米材料接觸電阻過(guò)大。如何定量的分析二者之間的關(guān)系，成為了二維納米材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的有待解決的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)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(xué)特性無(wú)法在原位檢測(cè)的同時(shí)被測(cè)試到，因此，建立一個(gè)可以在高真空，高電子發(fā)射的條件下的電學(xué)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)于進(jìn)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(shù)來(lái)制備極小的測(cè)試結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明擬在利用硅基材料微納米加工技術(shù)，制備一種可嵌入式的二維納米材料電學(xué)測(cè)試芯片，達(dá)到在納米尺寸高真空環(huán)境下對(duì)二維納米材料電學(xué)與結(jié)構(gòu)變化以及接觸電阻之間關(guān)系的研究的目的。隨著近年來(lái)二維納米材料研究的發(fā)展，電子顯微鏡被越來(lái)越多地應(yīng)用到觀(guān)測(cè)和表征二維材料的工作中來(lái)。另一方面，電子顯微鏡高真空環(huán)境中下的力、熱、光、電學(xué)和液態(tài)環(huán)境電化學(xué)等多場(chǎng)耦合作用下的測(cè)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(cè)量的納米材料尺寸小，傳統(tǒng)的機(jī)械加工尺寸完全無(wú)法達(dá)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(guān)設(shè)計(jì)的可嵌入式的二維納米材料測(cè)試芯片。利用這種新型結(jié)構(gòu)，可以直接在原位情況下實(shí)時(shí)地觀(guān)測(cè)電子器件的輸運(yùn)機(jī)制和失效機(jī)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(cè)試平臺(tái)。

本發(fā)明聲索保護(hù)的特有技術(shù)方案包括：1.使用干法深硅反應(yīng)離子刻蝕方法(DRIE)二次正反刻蝕加工形成硅基維納米機(jī)械加工測(cè)試芯片的懸臂梁結(jié)構(gòu)和延伸保護(hù)結(jié)構(gòu)。2.使用蒸鍍鉻/金技術(shù)加上離子束刻蝕技術(shù)(IBE)形成金屬導(dǎo)線(xiàn)層。3.插指狀懸臂梁的樣品收集區(qū)(只限于本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中)以及下方完全架空的獨(dú)有結(jié)構(gòu)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為：

一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)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(xiàn)層，其中，所述樣品承載端設(shè)置在所述硅基芯片基底的末端中間外側(cè)，所述鉻/金金屬電極傳輸線(xiàn)層設(shè)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(xiàn)末端與所述樣品承載端連接。

進(jìn)一步的，所述樣品承載端為插指狀電極，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為10-20微米，寬度設(shè)定為2微米，設(shè)計(jì)數(shù)目為3或4根，均勻間隔設(shè)置在所述硅基芯片基底的末端中間外側(cè)位置；所述鉻/金金屬電極傳輸線(xiàn)層的后端延伸至所述插指狀電極；所述樣品承載端設(shè)有微米尺寸的樣品收集懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)懸濁液沉積的方法收集二維納米材料。

進(jìn)一步的，所述插指狀電極采用金/鈦淀積生長(zhǎng)方式制成。

進(jìn)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(cè)中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置有延伸結(jié)構(gòu)作為保護(hù)裝置。

進(jìn)一步的，所述硅基芯片基底為硅/氮化硅，通過(guò)干法腐蝕獲得。

進(jìn)一步的，所述樣品承載端頂端設(shè)置有鎢金屬探針。

進(jìn)一步的，所述樣品承載端通過(guò)引線(xiàn)鍵合方法與多電極堵片連結(jié)并通過(guò)金屬引線(xiàn)與外部信號(hào)線(xiàn)連接。

一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)線(xiàn)；

步驟9：原子級(jí)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(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)試芯片的使用方法，包括以下步驟：

1)利用微納米機(jī)械加工技術(shù)得到所需的芯片結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行干燥、清潔；

2)通過(guò)引線(xiàn)鍵合和固定作用，將基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)試芯片連接在電鏡操作桿上；

3)通過(guò)液滴法將納米級(jí)的樣品沉積在樣品承載端的樣品收集懸臂梁結(jié)構(gòu)；

4)利用原位掃描/透射電子顯微鏡內(nèi)的操控探針，對(duì)樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移和調(diào)整位置。

有益效果：本發(fā)明提供的基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試芯片及其制備與使用方法，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，本研究所制備的結(jié)構(gòu)由于利用了微納加工技術(shù)，可以在達(dá)到更小設(shè)計(jì)尺寸的同時(shí)提高單片成品率以節(jié)約制備成本，并且在裝載樣品時(shí)更加簡(jiǎn)便和更加易于集成在電子顯微鏡中。同時(shí)，這項(xiàng)研究將實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)二維納米材料電子器件的傳輸與失效機(jī)制，為從原子尺度探索二維納米材料在電子器件方面的應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

具體的有益效果如下：

1.可實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)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(jié)構(gòu)材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能；并可實(shí)現(xiàn)電學(xué)負(fù)載下的原子尺度動(dòng)態(tài)表征、測(cè)量，這類(lèi)研究將屬?lài)?guó)際最先進(jìn)的研究方向。將建立針對(duì)若干新一代二維材料使役條件下性能與顯微結(jié)構(gòu)間關(guān)系的原位研究系統(tǒng)。這將為獨(dú)立自主成功研制和測(cè)試先進(jìn)材料提供必需的試驗(yàn)平臺(tái)。

2.針對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有尺寸小，加工要求高的特點(diǎn)，其柵極結(jié)構(gòu)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(chǔ)。

3.另外，針對(duì)嵌入式電學(xué)測(cè)試平臺(tái)，我們將設(shè)計(jì)和制備納米尺寸的懸臂梁，并且在其下方進(jìn)行完全的掏空。這項(xiàng)技術(shù)本身就是對(duì)加工工藝的極大挑戰(zhàn)，在加工過(guò)程中通過(guò)不斷的優(yōu)化改進(jìn)，提高加工能力。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于電極本身可以多次重復(fù)使用，并可以對(duì)其它材料進(jìn)行可重構(gòu)式的測(cè)試。

附圖說(shuō)明

附圖1為基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試芯片版圖俯視圖設(shè)計(jì)圖；

附圖3為基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試芯片的加工流程；

附圖4為基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試芯片的版圖整體結(jié)構(gòu)(4寸硅片)；

附圖5為實(shí)施例1得到的測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

附圖6為實(shí)施例2得到的測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明為一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)試芯片。圖1、圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)包含硅基芯片基底，微納米加工技術(shù)制備的樣品承載端，鉻/金金屬電極傳輸線(xiàn)層。其中，硅基芯片基底為硅/氮化硅，主要通過(guò)干法腐蝕獲得。樣品承載端是微納米加工技術(shù)制備而成，為插指狀電極，采用金/鈦淀積生長(zhǎng)，左右兩端有延伸結(jié)構(gòu)作為保護(hù)裝置防止誤操作(延伸結(jié)構(gòu)為硅基芯片基底刻蝕后自然形成，由版圖決定，設(shè)計(jì)參數(shù)為1毫米乘3毫米，可以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行改變)，頂端的鎢金屬探針為系統(tǒng)自帶設(shè)備，如圖4所示。電極通過(guò)引線(xiàn)鍵合方法與多電極堵片連結(jié)并通過(guò)金屬引線(xiàn)與外部信號(hào)線(xiàn)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(nèi)，并對(duì)微米/納米級(jí)的樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)電學(xué)性能檢測(cè)表征。

利用微納米機(jī)械加工技術(shù)得到所需的芯片結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)干燥，清潔步驟之后，通過(guò)引線(xiàn)鍵合和固定，將芯片連接在電鏡操作桿上。最后，通過(guò)液滴法將納米級(jí)的樣品沉積在測(cè)試載具的取樣區(qū)。利用原位透射電子顯微鏡內(nèi)的操控探針，對(duì)樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移和調(diào)整位置。

具體實(shí)施例：

如圖3所示，一種基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)線(xiàn)

步驟9：原子級(jí)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(guò)這些步驟，將預(yù)期得到所需的芯片結(jié)構(gòu)。通過(guò)干燥，清潔步驟之后，通過(guò)引線(xiàn)鍵合和固定，將基于硅基微納米機(jī)械加工技術(shù)的可嵌入式測(cè)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(jié)構(gòu)。二維納米材料通過(guò)懸濁液沉積的方法可以被該結(jié)構(gòu)所收集。

工作時(shí)，二維納米材料可以由電子顯微鏡內(nèi)的原位操作桿轉(zhuǎn)移至測(cè)試電極之上，與所設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管。利用掃描/透射電子顯微鏡內(nèi)的操控探針，對(duì)樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移和調(diào)整位置。通過(guò)施加不同的測(cè)試電學(xué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維納米材料的測(cè)試，并同時(shí)原位觀(guān)測(cè)在電學(xué)信號(hào)作用下二微納米材料的變化。

針對(duì)由本專(zhuān)利實(shí)施的具體案例(實(shí)施例1、實(shí)施例2)，已有圖5和圖6所示相應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)果流片完成案例。兩者不同點(diǎn)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(jié)構(gòu)及全掏空結(jié)構(gòu)明顯，最終結(jié)構(gòu)能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)指標(biāo)，證明本專(zhuān)利方法合理可靠。

本專(zhuān)利設(shè)計(jì)為首次在掃描/透射電子顯微鏡內(nèi)原位觀(guān)察測(cè)量二維納米材料結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能設(shè)計(jì)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1.傳統(tǒng)的掃描/透射電子顯微鏡原位電學(xué)測(cè)試僅僅只有兩極；本專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)可以有3電極或4電極(測(cè)試芯片3個(gè)加上電子顯微鏡內(nèi)帶1個(gè))

2.本專(zhuān)利設(shè)計(jì)特有的全掏空結(jié)構(gòu)旁懸臂梁電極結(jié)構(gòu)為本發(fā)明的特有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。