使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備及其製造方法

2023-09-23 10:53:05

專利名稱:使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備及其製造方法
技術領域：
本發明涉及使用懸臂結構的毫微(nano)數據寫入和讀取設備及其製造方法，具 體涉及使用懸臂結構的毫微數據寫入/讀取設備及配置為提高懸臂結構的耐用性和性能 以及顯著地減少製造工序的其製造方法。
背景技術：
通常，原子力顯微鏡是用於使用懸臂結構測量表面的構形的裝置，且在原子力顯 微鏡中的懸臂一側的前端部分處形成精細的懸臂探針。通過使用懸臂探針，可以用納米級 分辯率標識樣品的表面構形和電或磁性能。這種原子力顯微鏡的最大的優點是其分辯率足 夠高，以通過使用幾納米的探針直接測量原子結構。
最近，正通過使用原子力顯微鏡的高解析度積極地進行關於具有大於Tbit/in2的 存儲密度的數據寫入和讀取設備的研究。在通過使用懸臂探針改變存儲介質的性能時寫 入數據的裝置被稱作「使用SPM(掃描探針顯微鏡)原理的數據寫入設備」。作為通過使用 SPM原理改變存儲介質的方法，有通過使用熱量機械地改變介質的方法、改變鐵電體如壓電 驅動器的極性的方法、通過用熱量或電力，使用相變材料改變相位引起阻抗變化的方法等。 此外，使用鐵磁材料等的方法被使用。
使用這些各種SPM原理的數據寫入和讀取設備的代表性例子是由IBM研製的 「Millipede」。它通過應用原子顯微鏡的原理，使用聚合物材料(例如，PMMA)作為記錄介 質，原子顯微鏡的原理是SPM原理的一種。Millipede被配置為為了增加速度布置多個單元 懸臂(64X64)，這種單元懸臂包括矽探針、加熱器和矽懸臂。
圖IA和IB是由IBM研製的常規毫微數據寫入和讀取設備的單元懸臂的剖面圖， 即，Millipede，該圖示出了在介質上和從介質寫入和讀取數據的操作原理。
首先，如圖IA所示，通過使用懸臂10在包括矽襯底20和聚合物部件21的介質上 寫入或從介質讀取數據，懸臂10具有與探針13接觸形成的加熱器11。
圖IB示出了用於在介質上寫入數據的方法。在該圖中，通過形成孔執行寫入。形 成孔，以便通過加熱在懸臂10的端部形成的加熱器11熔化包括矽襯底20和聚合物部件21 的介質的聚合物部件21。
現在將參考圖IB和IC描述讀取介質上寫入的數據的方法。首先，當讀取該數據 時，加熱器11被加熱，然後通過使用加熱器11被冷卻時的速率之間的差異執行讀取。當在 如圖IB所示形成的孔中插入探針13時，加熱器11和介質20，21之間的距離(a)變短，熱 量通過探針被擴散到介質20，21，使加熱器11的冷卻速率升高。相反，當探針13被放置在 如圖IC所示的介質20，21的表面上時，加熱器11和介質20，21之間的距離(B)變長，使加 熱器11的冷卻速率降低。以此方式，可以決定孔是否存在，以便數據可以被讀取。
這種寫入和讀取方法被稱作熱機械方法。
圖2A和2B是具體地說明通過使用採用熱機械方法的懸臂寫入數據的方法的示 圖。如圖所示，其內存儲數據的區域根據記錄介質的聚合物的厚度而變化。即，如圖2A所示，如果使用厚的多碳(polyCarbon)21a作為介質，那麼用於寫入的區域(dbit)變大，由此 降低寫入密度。相反，如圖2B所示，如果使用薄的PMMA 21b作為介質，那麼用於寫入的區 域(dbit)變小，由此增加寫入密度。由此，通常使用具有高密度的PMMA 21b作為介質。此 外，如果使用PMMA作為介質，那麼用於寫入所需的時間也被減少。
因為通過熱機械方法寫入和讀取數據花費較長的時間，多個單元懸臂被布置並用 作寫入和讀讀取頭部部件，以便增加寫入和讀取速率。在2003年由IBM出版的報告(nano technology-based Approach toData storage(RZ3480,2003,08, 25) p. 1907 1910 of Transducer' 03)中公開了用於製造懸臂陣列頭的方法。
圖3和4A 4F說明製造2003年由IBM發布的懸臂陣列結構的方法的核心部件。 圖3是晶片-級製造方法的概念示圖，以及圖4A至4F是單位懸臂的剖面圖，用於說明懸臂 製造方法的連續工序。
圖3是概念示圖，說明用於通過將信號傳送電路單元晶片與由兩個單獨工序製成 的懸臂陣列晶片鍵合形成數據寫入和讀取設備的整個工序。
首先，製造晶片，通過使用CMOS形成信號傳送電路單元的晶片構成電路。這裡，形 成處理驅動信號和之後將形成的數據寫入和讀取設備的數據的電子電路部件(SlO)，以及 形成用於與單獨地形成的懸臂部件鍵合的結構(S20)。
至於懸臂陣列晶片的製造，在將犧牲的籽晶晶片上形成懸臂結構(SOl)，將玻璃晶 片與懸臂結構的整個上表面鍵合(S02)，通過除去籽晶晶片懸臂結構被轉移在玻璃晶片上 (S03)，玻璃晶片被翻轉和形成用於與具有信號傳送電路單元的晶片鍵合的結構(S04)。
當信號傳送電路單元晶片和懸臂陣列晶片的製造完成時，分別在兩個晶片形成的 鍵合結構被製成彼此面對，然後，通過在其處施加的熱量和壓力鍵合兩個晶片(S31)。然後， 支撐懸臂結構的玻璃晶片被除去(S41)。即，懸臂結構被轉移到信號傳送電路單元晶片。
在上述工序中，在懸臂陣列晶片工序中需要將籽晶晶片與玻璃晶片鍵合的工序， 以及還需要將信號轉移電路單元晶片與懸臂陣列晶片鍵合的工序。即，難以執行的工序，如 結構之間對準工序應該被執行兩次，導致其中執行該工序需要很長時間、成品率減小和成 本增加的問題。
圖4A至4F是更詳細地說明在單元懸臂的情況中的上述工序的示圖。
在圖4A至4C中，使用其上已經形成了絕緣膜31的矽晶片30(S卩，SOI晶片(絕 緣體上的矽)形成懸臂陣列結構32，以及通過使用聚醯亞胺層33，使具有類似於矽的熱膨 脹係數的玻璃晶片34與具有懸臂陣列結構32的SOI晶片鍵合(圖4A)。然後，從SOI晶片 除去矽襯底30和絕緣層31 (圖4B)。
在露出的懸臂陣列結構32上形成包括鍵合焊盤和鍵合凸塊的鍵合結構35，以便 與具有信號傳送電路單元的晶片40鍵合，信號傳送電路單元用於控制懸臂陣列結構32並 傳送信號。這種鍵合結構可以形成作為雙層的聚醯亞胺，以便形成標準的聚醯亞胺層，以及 在其上進一步形成有粘性的聚醯亞胺層(圖4C)，由此製備隨後執行的與信號傳送電路單 元晶片40鍵合的工序。
圖4D是說明通過單獨的工序形成的信號傳送電路單元晶片40的結構示圖。在信 號傳送電路單元晶片40上，形成用於信號傳送的電路單元，以及形成用於電路單元和懸臂 結構之間電耦合的鍵合結構41。該鍵合結構41是形成的金屬柱，包括用於鍵合的部件和用
6於電連接的部件。
圖4E和4F示出了其中通過前述工序的兩個晶片被鍵合在一起的工序。首先，兩 個晶片被對準，以便在信號傳送電路單元晶片40上形成的鍵合結構41被插入懸臂陣列結 構32的下部上形成的鍵合結構41之間。然後，在適當的溫度和壓力下在其上執行鍵合(圖 4E)。此外，支撐懸臂陣列結構32的玻璃晶片34和聚醯亞胺層33被除去(圖4F)。
但是，在使用常規懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備及其製造方法中，因為通 過刻蝕SOI晶片的部分矽器件層形成懸臂結構和探針，初始矽器件層的厚度和刻蝕速率發 生變化，使之難以保持懸臂結構的恆定厚度。此外，因為通過使用由矽形成的探針被極度地 磨損，難以保持可靠性。
此外，在用於製造懸臂結構的常規方法中，應該執行將玻璃晶片與布置懸臂結構 的SOI晶片鍵合的工序和將具有信號傳送電路單元的晶片與構圖的SOI晶片鍵合的工序。 這種鍵合工序大大地影響產品的整個成品率。即，因為在常規方法中這種晶片級的鍵合工 序應該執行兩次，整個工序變複雜，最終產品的成品率被減小和成本增加。
如果使用具有外延矽的SOI晶片，那麼可以減小懸臂厚度的變化，但是仍然留下 大大地增加成本和探針的磨損的問題。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備及配置 為增加懸臂結構的耐用性和性能以及顯著地減少製造工序的製造方法。
為了獲得這些及其他優點以及根據在此實施和大致地描述的本發明的目的，提供 一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備，該設備包括通過構圖在犧牲襯底上澱積 的澱積材料形成的懸臂；形成在懸臂的一個表面的前端部分並與懸臂同時形成的探針，當 澱積材料被澱積在犧牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積材料； 在懸臂處由多晶矽形成、用於加熱探針的加熱器；在懸臂處形成並感測介質上寫入的數據 的數據傳感單元；連接到數據傳感單元以及形成在懸臂處以提供與外部信號線的電連接的 信號連接焊盤；連接到信號連接焊盤的信號傳送電路單元，用於控制在介質上和從介質寫 入和讀取數據；以及允許懸臂被支撐在信號傳送電路單元處並提供用於信號連接焊盤和信 號傳送電路單元之間的電連接通道的鍵合單元。
為了獲得這些及其他優點以及根據本發明的目的，如在此實施和大致地描述的， 提供一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的製造方法，該方法包括在矽襯底的 主表面處形成探針溝槽的第一步驟；在矽襯底的主表面形成氮化矽膜的第二步驟，用於形 成懸臂和探針；在探針的後表面處形成加熱器，構圖氮化矽膜上的懸臂，以及在懸臂上形成 電連接到加熱器的信號連接焊盤和連接到信號連接焊盤並感測數據的數據傳感單元的第 三步驟；將設有信號傳送電路單元的襯底與設有懸臂的矽襯底鍵合的第四步驟，用於支撐 懸臂和使信號傳送電路單元與信號連接焊盤電連接；以及除去矽襯底的第五步驟，用於露 出懸臂和探針。
下面結合附圖的詳細說明將使本發明的上述及其他目的、特點、方面和優點變得 更明顯。
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所包括的附圖提供本發明的進一步理解以及被引入並構成本說明書的一部分，說 明本發明的實施例以及與說明書一起用來解釋發明的原理。
在附圖中
圖IA和IC是概念示圖，說明使用常規懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的工 作原理；
圖2A和2B是使用常規懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的介質記錄原理的概 念示圖；
圖3是示意性概念示圖，說明使用常規懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的制 造方法的工序；
圖4A至4F是使用常規懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的製造方法的工序的 剖面圖；
圖5A至5C是結構示圖，說明根據本發明的第一實施例使用懸臂結構的毫微數據 寫入和讀取設備的結構；
圖6A和6B是剖面圖，用於製造根據本發明的第一實施例的使用懸臂結構的毫微 數據寫入和讀取設備的探針的圖形；
圖7A和7B是示出了根據本發明的第一實施例的探針製造結果的顯微圖像；
圖8A至81是剖面圖，說明用於製造根據本發明的第一實施例的使用懸臂結構的 毫微數據寫入和讀取設備的連續工序的一個例子；
圖9A至91是剖面圖，說明用於製造根據本發明的第一實施例的使用懸臂結構的 毫微數據寫入和讀取設備的連續工序的另一例子；
圖IOA至IOC是結構示圖，說明根據本發明的第二實施例使用懸臂結構的毫微數 據寫入和讀取設備的結構；
圖11是概念示圖，說明具有懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的讀取方法，其 中使用壓電傳感器作為數據傳感單元；
圖12A至121是剖面圖，說明用於製造根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構 的毫微數據寫入和讀取設備的連續工序的一個例子；
圖13A至131是剖面圖，說明用於製造根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構 的毫微數據寫入和讀取設備的連續工序的另一例子；以及
圖14A至14D是說明在用於製造根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構的毫微 數據寫入和讀取設備的工序中懸臂結構襯底和信號傳送電路單元襯底的鍵合工序的另一 例子的示圖。
具體實施方式
現在將詳細地介紹本發明的優選實施例，在附圖中圖示了其例子。
根據本發明的使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的多個實施例可以存在， 以及現在將描述最優選的實施例。
圖5A至5C是說明根據本發明的第一實施例的懸臂結構300的結構示圖。圖5A 是懸臂結構的分解透示圖，圖5B是懸臂結構的組裝透示圖，以及圖5C是剖面圖，說明用於控制和支撐懸臂結構的信號傳送電路單元400與懸臂結構300鍵合。
如圖所示，根據本發明的第一實施例的使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備 包括通過構圖在待刻蝕的犧牲襯底上澱積的澱積材料形成的以及在下列工序過程中被除 去的懸臂301、形成在懸臂301的一個表面的前端部分並與懸臂301同時形成的探針302， 以便當澱積材料被澱積在犧牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積 材料、在懸臂301處形成並感測介質上寫入的數據的數據傳感單元、連接到數據傳感單元 並形成在懸臂301上以提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤306、連接到信號連接 焊盤306以及在介質上和從介質寫入和讀取數據的信號傳送電路單元400，以及允許懸臂 30被支撐在信號傳送電路單元400處並提供信號連接焊盤306和信號傳送電路單元400之 間的電連接通道的鍵合單元350。
S卩，通過使用犧牲襯底作為模具的模製技術形成該探針。這裡，氮化矽材料、氧化 矽材料和金屬材料的一種被澱積，作為在犧牲襯底上澱積的澱積材料。最優選，氮化矽材料 被澱積，用作懸臂和探針的材料。
這裡，數據傳感單元包括由與懸臂301上的加熱器304相同材料形成的平臺305， 連接到加熱器304和探針302，以及通過加熱器304讀取數據。即，加熱器被要求在介質上 執行寫入，以及平臺305是具有阻抗的電阻器部件以及被要求讀取數據。平臺305的一側 被連接到加熱器304的側表面，以及其另一側被連接到信號連接焊盤306。
用於物理地支撐懸臂結構300和控制寫入和讀取操作的信號傳送電路單元400通 過鍵合單元350物理地和電連接到懸臂結構300。
鍵合單元包括在懸臂和信號傳送電路單元之一處形成的第一鍵合部件和在剩餘 的一個形成並耦合到第一鍵合部件的第二鍵合部件。在描述使用之後將描述的懸臂結構的 毫微數據寫入和讀取設備的製造方法中將描述鍵合單元的更詳細結構。
本發明的重要性能是懸臂301和探針302的材料，以及加熱器304和平臺305的 材料。即，在本發明中，當形成懸臂301和探針302時，使用通過化學氣相澱積方法形成的 氮化矽膜、氧化矽膜或金屬膜，以便獲得懸臂301的厚度的均勻性，以及增加阻止探針302 的磨損的耐用性。此外，加熱器304和平臺305使用多晶矽。
至於本發明的探針302的形狀，與簡單地通過刻蝕矽層形成的常規探針相比大大 地增加精確度(即，可以形成銳利的尖端)。因此，可以在介質上高密度的寫入數據。
圖6A和6B是用於解釋根據本發明形成用於製造探針的圖形方法的示圖。在圖6A 和6B中，示出了由本發明提出的探針的性能。
首先，在本發明中，為了在將犧牲的矽襯底100上製成用於探針形成的溝槽，形成 並構圖掩模層200。圖6A用於解釋以此方式形成的溝槽的性能。當通過使用刻蝕液(KOH) 在[100]方向的矽襯底100上執行體刻蝕時，在矽的(111)表面發生刻蝕停止。為此，如圖 6B所示，形成具有54. 7°的梯度精確度的稜椎結構的溝槽。
因為矽襯底的(111)表面和(100)表面的刻蝕比是1 300，當被製造時，用於懸 臂布置的溝槽可以具有其高度的均勻性，對於懸臂301的厚度均勻性是重要的相同原因， 這變為本發明的重要性能。
然後，通過化學氣相澱積方法在具有這種溝槽的矽襯底100上形成氮化矽膜，由 此獲得在其上形成的懸臂301和探針302結構。在圖7A中示出了以此方式形成的探針302。[0060]此外，可以通過以下方法執行探針302的製造，以便形成較銳利的探針。
S卩，作為具有用於探針形成的溝槽的襯底，如圖6A中所示的襯底，經歷熱氧化，形 成具有0.5 Ιμπι厚度的氧化矽膜。這裡，因為在[111]方向中氧化矽膜的生長速率是高 的，以及在[100]方向中是低的，所以稜椎形狀的溝槽具有非常銳利的形式。因此，通過澱 積氮化矽膜到進一步形成氧化矽膜的溝槽形成的探針302可以具有非常銳利的形狀。
圖7Β中示出了基本上以此方式製造的探針的顯微照片。
在本發明中，可以形成具有懸臂結構的襯底，不經歷在常規技術中執行的與玻璃 晶片的鍵合工序。即，與常規技術不同，在根據本發明用於製造使用懸臂結構的毫微數據寫 入和讀取設備的工序過程中可以僅僅執行一次晶片級鍵合工序。
下面，將描述根據本發明的第一實施例用於製造使用懸臂結構的毫微數據寫入和 讀取設備的方法的一個例子。
圖8Α至81是說明根據本發明的第一實施例連續製造工序的一個例子的剖面圖。 如圖所示，根據本發明用於製造使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的方法包括，用 於製造懸臂陣列襯底的單獨工序，用於製造信號傳送電路單元襯底的單獨工序，信號傳送 電路單元襯底形成用於控制懸臂陣列襯底的電路單元，以及通過晶片-級鍵合將通過上述 工序單獨地製造的兩個襯底鍵合然後除去不必要部分的工序。
根據此後提供的各個實施例這種工序同等地應用於製造工序。所提供的懸臂陣列 襯底和信號傳送電路單元襯底的單獨製造工序的順序可以被反向。
首先，如圖8Α所示，在將用作犧牲襯底的矽襯底500的主表面上形成掩模層505， 然後將形成探針302的部分經歷體-刻蝕，由此形成稜錐形的探針溝槽508。這裡，矽襯底 500應該是在表面方向上形成(100)表面的襯底。
如圖8Β所示，掩模層505被除去，然後矽襯底500經歷熱氧化，由此形成具有薄厚 度的氧化矽膜510。然後，為了形成懸臂301和放置在懸臂的一個表面的前端部分處的探針 302，通過化學氣相澱積方法在其上形成氮化矽膜520。因為在未形成探針溝槽的部分矽襯 底和矽襯底500上形成的探針溝槽508之間以不同的生長速率形成氧化矽膜510，拐角部分 和下端部分之間的邊界變得明顯。由此，在氧化矽膜510上形成的由氮化矽膜520形成的 探針302具有銳利的外部。
這裡，可以不必形成氧化矽膜510，但是在形成氮化矽膜520之前形成氧化矽膜 510是非常優選的，以便如上所述可以更銳利地形成探針302。
然後，如圖8C所示，澱積多晶矽膜530，多晶矽膜530用於在探針302的後表面處 形成加熱器。
如圖8D所示，多晶矽膜530被構圖，以由此形成加熱器304和平臺305。
然後，如圖8Ε所示，用於將信號傳送到加熱器304的信號連接焊盤540和平臺305 由金屬薄膜形成，以及氮化矽膜520被構圖，以形成懸臂301。然後，形成從懸臂301的一個 表面突出到一定高度的鍵合凸塊550，以便將信號連接焊盤540電連接到外部部分。鍵合凸 塊550通過使用金屬材料如Au-Sn來形成。
這裡，採取氮化矽材料作為澱積材料的例子，以形成懸臂和探針。但是，如上所述 可以通過澱積氧化矽材料或金屬材料的薄膜形成懸臂和探針。
通過上述工序，製備用於懸臂陣列襯底的部件。
10[0075]如圖8F所示，通過單獨工序形成鍵合焊盤620，鍵合焊盤620連接到襯底600上的 信號傳送電路單元400的信號線(未示出)，襯底600上形成用於控制懸臂的信號傳送電路 單元400。然後，在已經形成了信號傳送電路單元400的襯底600的整個表面上順序地形成 標準的聚醯亞胺層630和有粘性的聚醯亞胺層640，以及形成穿通孔635，以便露出鍵合焊 盤620。標準的聚醯亞胺層630用於保持用於鍵合的高度，有粘性的聚醯亞胺640比標準的 聚醯亞胺層更容易熔化，以由此將其上形成信號傳送電路單元400的襯底600與其上形成 懸臂陣列的矽襯底500鍵合在一起。
通過上述工序，製備用於信號傳送電路單元襯底的部件。
如圖8G所示，製備的信號傳送電路單元襯底600和製備的懸臂陣列襯底500被布 置為信號傳送電路單元襯底600的穿通孔635與懸臂陣列襯底500的鍵合凸塊550嚙合。 然後，通過高溫和高壓將兩個襯底粘接在一起，由此執行晶片-級鍵合。這裡，該溫度是鍵 合凸塊550的鍵合部分的金屬熔化時的溫度，以及壓力是5 6bar。
如圖8H所示，通過研磨和幹法刻蝕或溼法_刻蝕除去支撐懸臂的矽襯底500，以及 氧化矽膜510也被除去。
如圖81所示，信號傳送電路單元襯底上的標準聚醯亞胺層630和有粘性的聚醯亞 胺層640被除去，以便懸臂301被支撐在信號傳送電路單元400處並懸掛。
根據本發明的第一實施例使用懸臂的毫微數據寫入和讀取設備可以通過前述工 序形成。此外，這種毫微數據寫入和讀取設備可以通過熱機械方法寫入和讀取數據。在本 發明中，通過該工序看到僅僅需要一個晶片-級鍵合工序，這意味著根據本發明的製造方 法與常規製造方法相比，具有高的工藝成品率和需要低的成本。
圖9A至91是剖面圖，示出用於製造根據本發明的第一實施例的使用懸臂結構的 毫微數據寫入和讀取設備的連續工序的另一例子。以通過圖8A至81描述的製造方法相似 的方式執行這些工序。其間的區別是在陣列襯底上形成聚醯亞胺層560和570以及穿通孔 580，以及由此形成的鍵合凸塊650與在信號傳送電路單元襯底上形成的鍵合焊盤620齧
I=I O
S卩，在設有懸臂的襯底500上連續地形成標準的聚醯亞胺層560和用於粘接的聚 醯亞胺層570之後，形成穿通孔580，以便部分信號連接焊盤540被露出，以用於與外部部件 連接。此外，形成連接到信號傳送電路單元襯底600上的電路單元信號線的鍵合焊盤620， 以及在鍵合焊盤620上突出地形成凸塊650至一定的高度，以及被電連接到外部部分。然 後，將兩個襯底鍵合在一起，以及使露出的信號連接焊盤540與凸塊650耦合，由此形成鍵 合單元350。
即，懸臂陣列襯底500和信號傳送電路單元襯底600通過鍵合單元350鍵合，以及 形成鍵合單元350，以便懸臂陣列襯底500和信號傳送電路單元襯底600的一個上形成的第 一鍵合結構被耦合到剩下的襯底上形成的第二鍵合結構。
在特定的製造工序過程中形成鍵合結構的襯底不被限制，但是可以對應於工序狀 態或製造環境靈活地調整，以便可以自由地進行工序設計。
在該結構和製造方法的情況中，本發明的這種性能可以應用於採用熱壓電方法的懸臂。
熱壓電方法僅僅使用熱機械方法寫入數據和使用壓電傳感器讀取數據。在這種方法中，用電容器類型將ZnO或PZT薄膜與懸臂集成，以及通過測量讀取的時候產生的振動讀 取數據。
圖IOA至IOC是概念示圖，說明根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構的毫微 數據寫入和讀取設備的結構及其操作方法。如圖所示，為了讀取在PMMA介質上寫入的數 據，使用毫微數據寫入和讀取設備，該設備還具有布置在設有加熱器的懸臂結構處的壓電 傳感器。通過加熱加熱器如使用常規熱機械方法的懸臂，形成溝槽進行數據的寫入。
現在將詳細描述根據本發明的第二實施例的使用懸臂的毫微寫入和讀取設備的 結構。這裡，與第一實施例相同的結構給予相同的參考標記。
如圖所示，根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備 包括由氮化矽材料形成的懸臂301，由與懸臂體301的材料相同的材料形成探針302，在形 成了探針302的懸臂體上由多晶矽形成的加熱器304，布置在懸臂體的縱向上的壓電傳感 器310，連接到加熱器304並提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤306，單獨地形成 的、用於控制通過懸臂結構執行的數據寫入和讀取的信號傳送電路單元400，以及允許懸臂 301被支撐在信號傳送電路單元400處並提供信號連接焊盤306和信號傳送電路單元400 之間的電連接通道的鍵合單元350。
S卩，用於感測介質上存儲的數據的數據傳感單元包括壓電傳感器310，沒有由第一 實施例中提出的多晶矽形成的平臺。
在第二實施例中，懸臂體301和探針302也由通過化學氣相澱積方法形成的氮化 矽膜形成，由此增加厚度的均勻性以及阻止磨損的耐久性。此外，可以通過使用將被犧牲的 矽襯底和氧化矽膜作為模具形成探針302，以便探針302可以具有銳利的形狀。
壓電傳感器310是具有壓電材料312如PZT，ZnO等的電容器型傳感器，壓電材料 312放置在由Ti/Pt形成的下襯底311和使用RuO2的上襯底313之間。
圖11是概念示圖，說明具有懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的讀取方法，使 用壓電傳感器作為數據傳感單元。
至於用於從介質上形成的溝槽讀取數據的方法，如圖11所示，當懸臂300在具有 溝槽的介質460上移動時，亦即，掃描介質，懸臂的探針插入介質上形成的溝槽中。這裡，懸 臂本身的應力變化，以及由集成的壓電傳感器310辨別這種變化。通過懸臂的這種應力變 化，壓電傳感器310中包括的壓電材料的應力改變，因而產生小的電荷。通過電荷放大器感 應的電荷變為電壓，以及通過比較器輸出0和1的數據。
通過使用壓電傳感器讀取數據具有幾個重要優點。
第一優點是，在數據讀取的時候，因為由於懸臂應力改變，自動地產生信號，在讀 取過程中不發生功率損耗，其當使用壓電傳感器的數據讀取方法應用於可攜式器件時作為 大的優點。
第二優點是選擇介質的靈活性。當通過熱機械方法執行寫入和讀取時，應該保持 適當的溫度，以便保證讀取的適當靈敏度，意味著易受高溫損壞的介質的使用被限制。因 此，如果不必增加溫度，為了與熱壓電方法中一樣讀取數據，可以自由地選擇介質。
使用壓電傳感器讀取數據的第三優點是用於讀取的結構是簡單的，以及因為懸臂 之間變化增加，測量精度被提高，即，不發生偏移。當應該通過基本上使用電阻器部件(即， 平臺)例如使用熱量的電阻變化，通過壓力等等的電阻變化讀取數據時，應該非常靈敏地
12製造電阻器部件，這是困難的。但是，因為通常每個懸臂具有稍有不同的電阻器部件，所以 為了克服由於這種電阻差值的輸出電壓偏移，應該使用在鄰近於電阻器部件的位置集成相 同的部件以及使用集成電阻作為基準電阻的方法或通過使用高頻直通濾波器除去DC偏移 電壓的方法。前一方法具有其中兩個懸臂被集成在一個區域中的問題，後一方法具有其中 大的電容器應該被集成的問題。此外，在溫度感測方法中，環境溫度可能引起偏移，當它應 用於實際用途時，這可能成為致命的瑕疵。
最後，因為當使用壓電傳感器時，以僅僅約幾納秒的速度產生與數據-讀取速率 相關的電荷，與在數據讀取的時候需要約幾微秒時間增加溫度的熱-機械方法相比可以實 現高的讀取速率。
圖12A至121是剖面圖，說明製造根據第二實施例的使用懸臂結構的毫微數據寫 入和讀取設備的連續工序的一個例子。大多數工序與參考圖8A至81描述的根據本發明的 第一實施例的製造方法相同。其間唯一的區別是增加在氮化矽膜上形成壓電傳感器的工 序，壓電傳感器可以測量懸臂的彎曲，增加將由氮化矽膜形成懸臂301，如圖12E所示，代替 形成平臺作為數據傳感單元的工序。因此，關於詳細的製造工序的描述將被省略。
圖13A至131是剖面圖，說明製造根據本發明的第二實施例的使用懸臂結構的毫 微數據寫入和讀取設備的連續工序的另一例子，以及用圖12A至121的剖面圖中所示的方 式相似的方式執行這種工序。其間的區別是在陣列襯底上形成聚醯亞胺層560和570以及 穿通孔580，以及鍵合凸塊650與在信號傳送電路單元襯底上形成的鍵合焊盤620嚙合。
此外，圖14A至14D說明根據本發明的第二實施例在製造使用懸臂結構的毫微數 據寫入和讀取設備的工序中懸臂結構襯底和信號傳送電路單元襯底之間的鍵合工序的另 一例子的示圖。根據本發明這種鍵合工序可以應用於製造工序的每個實施例。如果使用該 鍵合工序，那麼不需要除去聚醯亞胺層的單獨工序。
S卩，在懸臂陣列襯底500上形成用於鍵合的聚醯亞胺層560和570以及穿通孔 580，如圖14A所示，在信號傳送電路單元襯底600上形成用於信號連接和物理支撐的鍵合 凸塊650。這裡，如上述的製造方法，在執行兩個襯底之間鍵合工序之前，除去圍繞穿通孔 580部分的聚醯亞胺層560和570經歷刻蝕和除去。因此，不需要用於刻蝕和除去聚醯亞胺 層的單獨工序，以便該工序被簡化和還增加鍵合單元的實際支撐強度。
這裡，鍵合層的狀態和形成鍵合結構的襯底沒有限制，而是可以對應於工序狀態 和製造環境靈活地控制，允許工序被自由地設計。
如至此所述，在根據本發明的使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備及其製造 方法中，通過刻蝕在矽襯底上形成具有探針形狀的溝槽，在其上澱積均勻厚度的氮化矽膜， 以及通過使用氮化矽膜同時形成懸臂和探針。由此，可以獲得均勻厚度的懸臂和均勻高度 的探針。此外，因為探針由氮化矽材料形成，其耐久性被大大地增加。
此外，加熱器和平臺由多晶矽形成，在不利用與玻璃襯底的鍵合工序的條件下形 成懸臂陣列襯底，有助於減小在整個工序中晶片_級鍵合工序需要的精確度。由此，該工序 可以被簡化和因此減小製造成本。
此外，因為在結構和製造方法的情況中的上述性能還應用於使用熱量執行寫入的 懸臂結構和使用壓電傳感器執行讀取的情況，懸臂的厚度均勻性和探針的耐久性增加，制 造工序的效率增加以及可以減小製造成本。
13[0108] 因為在不脫離其精神或必需性能的條件下可以以幾種形式體現本發明，所以也應 該理解上述實施例不被上文描述的任何細節限制，除非另作說明，而是應該廣泛地解釋在 附加權利要求
限定的精神和範圍內，因此所有改變和改進落入權利要求
的邊界和範圍內， 或因此這種邊界和範圍的等效打算被附加權利要求
包含。
14
權利要求
一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備，該設備包括通過構圖在犧牲襯底上澱積的澱積材料而形成的懸臂，其中所述澱積材料是氮化矽、氧化矽和金屬之一；形成在懸臂的一個表面的前端部分並與懸臂同時形成的探針，當澱積材料被澱積在犧牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積材料；在懸臂處由多晶矽形成、用於加熱探針的加熱器；在懸臂處形成並感測介質上寫入的數據的數據傳感單元；連接到數據傳感單元以及形成在懸臂處，以提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤；連接到信號連接焊盤的信號傳送電路單元，用於控制在介質上和從介質寫入和讀取數據；以及允許懸臂被支撐在信號傳送電路單元處並提供用於信號連接焊盤和信號傳送電路單元之間的電連接通道的鍵合單元，其中該鍵合單元包括形成在懸臂和信號傳送電路單元之一處的第一鍵合部件；以及在剩下的一個處形成並耦合到第一鍵合部件的第二鍵合部件。
2.根據權利要求
1的設備，其中探針具有稜錐形狀以及每個側壁從水平面傾斜54.r 的角度。
3.根據權利要求
1的設備，其中第一鍵合部件是形成在懸臂處的信號連接焊盤，以及 第二鍵合部件是在信號傳送電路單元處突出地形成至一定高度的凸塊。
4.根據權利要求
1的設備，其中第一鍵合部件是從懸臂的一個表面形成至一定高度並 電連接到懸臂的信號連接焊盤的凸塊，以及第二鍵合部件是在信號傳送電路單元處形成的焊盤。
5.根據權利要求
1的設備，其中數據傳感單元是在懸臂處形成的平臺，由與加熱器相 同的材料形成並連接到加熱器和探針。
6.根據權利要求
5的設備，其中平臺的一側被連接到加熱器的側表面，以及其另一側 被連接到信號連接焊盤。
7.根據權利要求
1的設備，其中數據傳感單元是壓電傳感器。
8.根據權利要求
7的設備，其中壓電傳感器在其縱向上形成在懸臂的一個表面。
9.根據權利要求
7的設備，其中壓電傳感器是具有在下電極和上電極之間布置的壓電 材料的電容器型傳感器。
10.根據權利要求
9的設備，其中壓電材料是PZT薄膜或ZnO薄膜。
11.根據權利要求
7的設備，其中下電極是Ti-Pt，以及上電極是Ru02。
12.一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備，該設備包括通過構圖在犧牲襯底上澱積的澱積材料而形成的懸臂，其中所述澱積材料是氮化矽、 氧化矽和金屬之一；形成在懸臂的一個表面的前端部分並與懸臂同時形成的探針，當澱積材料被澱積在犧 牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積材料； 在懸臂處由多晶矽形成的、用於加熱探針的加熱器；在懸臂處形成、被連接到加熱器和探針的平臺，由與加熱器相同的材料形成，以及感測介質上寫入的數據；連接到平臺以及形成在懸臂處以提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤； 連接到信號連接焊盤的信號傳送電路單元，用於控制在介質上和從介質寫入和讀取數 據；以及允許懸臂被支撐在信號傳送電路單元處並提供用於信號連接焊盤和信號傳送電路單 元之間的電連接通道的鍵合單元，其中該鍵合單元包括在懸臂和信號傳送電路單元之一 處設置的第一鍵合部件；以及在剩下一個處設置並耦合到第一鍵合部件的第二鍵合部件。
13.根據權利要求
12的設備，其中平臺的一側被連接到加熱器的側表面，以及其另一 側被連接到信號連接焊盤。
14.一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備，該設備包括通過構圖在犧牲襯底上澱積的澱積材料而形成的懸臂，其中所述澱積材料是氮化矽材 料、氧化矽材料和金屬材料之一；形成在懸臂的一個表面的前端部分並與懸臂同時形成的探針，當澱積材料被澱積在犧 牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積材料； 在懸臂處由多晶矽形成、用於加熱探針的加熱器； 在懸臂處形成並感測介質上寫入的數據的壓電傳感器；連接到壓電傳感器以及形成在懸臂處以提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤；連接到信號連接焊盤的信號傳送電路單元，用於控制在介質上和從介質寫入和讀取數 據；以及允許懸臂被支撐在信號傳送電路單元處並提供用於信號連接焊盤和信號傳送電路單 元之間的電連接通道的鍵合單元，其中該鍵合單元包括在懸臂和信號傳送電路單元之一 處設置的第一鍵合部件；以及在剩下一個處設置並耦合到第一鍵合部件的第二鍵合部件。
15.根據權利要求
14的設備，其中壓電傳感器在其縱向上在懸臂的一個表面形成。
16.根據權利要求
14的設備，其中壓電傳感器是具有在下電極和上電極之間布置的壓 電材料的電容器型傳感器。
17.如權利要求
16的設備，其中壓電材料是PZT薄膜或ZnO薄膜。
18.根據權利要求
16的設備，其中下電極是Ti-Pt，以及上電極是Ru02。
19.一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備的製造方法，該方法包括 在矽襯底的主表面形成探針溝槽的第一步驟；在矽襯底的主表面處形成氮化矽膜的第二步驟，用於形成懸臂和探針； 在探針的後表面形成加熱器，構圖氮化矽膜上的懸臂，以及形成電連接到懸臂上的加 熱器的信號連接焊盤和連接到信號連接焊盤並感測數據的數據傳感單元的第三步驟；將設有信號傳送電路單元的襯底與設有懸臂的矽襯底鍵合的第四步驟，用於支撐懸臂 和使信號傳送電路單元與信號連接焊盤電連接；以及 除去矽襯底的第五步驟，用於露出懸臂和探針。
20.根據權利要求
19的方法，其中第一步驟包括在矽襯底的主表面處形成氮化矽膜並露出矽襯底的主表面的一部分，以形成探針溝 槽；以及通過溼法-刻蝕矽襯底穿過露出的矽襯底的主表面形成探針。
21.根據權利要求
19的方法，其中在第二步驟中，在形成氮化矽之前，在矽襯底的主表 面進一步形成氧化矽膜，以及在第五步驟中，氧化矽膜與矽襯底一起被除去。
22.根據權利要求
21的方法，其中通過熱氧化方法形成氧化矽膜。
23.根據權利要求
19的方法，其中加熱器由多晶矽材料形成。
24.根據權利要求
19的方法，其中數據傳感單元是當形成加熱器時形成為連接到加熱 器的兩個側表面和信號連接焊盤的平臺。
25.根據權利要求
24的方法，其中平臺由與加熱器相同的材料製成。
26.根據權利要求
19的方法，其中數據傳感單元是在信號連接焊盤上形成的壓電電容ο
27.根據權利要求
19的方法，其中第四步驟包括形成從懸臂的一個表面突出到一定高度的第一鍵合結構，以便將形成在懸臂處的信號 連接焊盤電連接到外部部分；以及當兩個襯底被鍵合在一起時，形成耦合到第一鍵合結構的第二鍵合結構。
28.如權利要求
27的方法，其中形成第二鍵合結構的步驟包括形成連接到信號傳送電路單元的信號線的鍵合焊盤和在其整個上表面上形成聚醯亞 胺層；以及在聚醯亞胺層形成穿通孔，以便露出鍵合焊盤。
29.根據權利要求
28的方法，其中，在第一步驟之後，聚醯亞胺層被除去，以便懸臂可 以被支撐在信號傳送電路單元襯底處且因此被懸掛。
30.根據權利要求
19的方法，其中第四步驟包括在設有懸臂的襯底上形成聚醯亞胺層，然後在聚醯亞胺層形成穿通孔，以便露出用於 與外部部分連接的部分信號連接焊盤；在信號傳送電路單元襯底上形成連接到電路單元信號線的鍵合焊盤；在鍵合焊盤上突出地形成凸塊至一定的高度，以電連接到外部部分；以及將兩個襯底鍵合在一起，以及將凸塊與露出的信號連接焊盤耦合。
31.根據權利要求
30的方法，其中，在第五步驟之後，聚醯亞胺層被除去，以便懸臂可 以被支撐在信號傳送電路單元襯底處且因此被懸掛。
32.根據權利要求
28和30的方法，通過刻蝕聚醯亞胺層形成穿通孔的步驟還包括當形成穿通孔時，刻蝕並除去除圍繞穿通孔的部分以外的聚醯亞胺層。
專利摘要
一種使用懸臂結構的毫微數據寫入和讀取設備，包括通過構圖在犧牲襯底上澱積的澱積材料而形成的懸臂，形成在懸臂的一個表面的前端部分並與懸臂同時形成的探針，當澱積材料被澱積在犧牲襯底上時，在犧牲襯底上形成的探針溝槽圖形中填充該澱積材料，在懸臂處由多晶矽形成、用於加熱探針的加熱器，在懸臂處形成並感測介質上寫入的數據的數據傳感單元，連接到數據傳感單元以及形成在懸臂處以提供與外部信號線的電連接的信號連接焊盤，連接到信號連接焊盤的信號傳送電路單元，用於控制在介質上和從介質寫入和讀取數據，以及允許懸臂被支撐在信號傳送電路單元處並提供用於信號連接焊盤和信號傳送電路單元之間的電連接通道的鍵合單元。
文檔編號G11B11/00GKCN1967687 B發布類型授權 專利申請號CN 200510126709
公開日2011年1月26日 申請日期2005年11月17日
發明者南孝鎮, 金瑛植 申請人:Lg電子株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),