基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置的製作方法

2023-06-27 11:26:01 1

專利名稱：基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，屬 於儀器研製領域。
背景技術：
鐵電隨機存儲器(FRAM，ferroelectrics random access memories)因具有非揮 發性、低功耗、抗輻射、高集成度等優點而為美、日、歐等國主要半導體公司紛所青睞。FRAM 作為一種非易失性存儲器，由於種種性能優勢，被業界寄望成為繼快閃記憶體(Flash)之後的新 一代存儲器產品。FRAM的存儲原理是基於鐵電材料物理特性-鐵電疇的極化反轉原理。鐵 電疇結構是FRAM的數據存儲單元(bit)的物理基礎，其極化狀態將隨外加電場的變化而變 化。因此，如將鐵電疇在電場變化前後的極化狀態分別視為數據存儲二進位的「0」和「1」， 則可實現基於鐵電材料鐵電疇極化狀態的FRAM數據存儲。顯然鐵電疇結構的尺寸大小直 接決定了 FRAM數據存儲密度。納米級電疇的微加工是實現FRAM高密度數據存儲的重要手 段。近年來，基於商用原子力顯微鏡(AFM)的納米鐵電疇的微加工技術具有明顯的局限性， 其最大加工電壓僅為10V，因而只僅限應用於低矯頑場的鐵電薄膜材料，而無法實現對高矯 頑場塊體鐵電晶體材料的加工；同時該技術無法實現鐵電材料亞表面鐵電疇結構的成像， 從而限制了對微加工結構的完整性的觀察。而如能在AFM平臺上建立起兼具高電壓、高速 響應特性並實現亞表面結構觀察的新加工技術，則不僅將拓展AFM新功能，而且亦將極大 地推動FRAM技術的發展。為此，本發明在能實現亞表面結構成像的原子力顯微鏡聲學顯微 系統基礎上建立了一種鐵電材料微納米結構的微加工技術，用於以微納米鐵電疇為數據存 儲單元的高密度數據存儲。據文獻查閱，至今尚無此類商用儀器。

發明內容
本發明目的在於提供基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕 刻裝置，用於以微納米鐵電疇為數據存儲單元的高密度數據存儲。本發明採用程序可控式高脈衝電壓施加裝置作用於納米尺度曲率半徑的導電探 針，解決了以往一般AFM平臺所無法實現的微結構加工的高電壓施加的關鍵技術問題；同 時探針結構採用多探針結構，實現了大面積納米結構的高效高速微加工；此外利用原子力 顯微鏡的聲學模式可原位實現亞表面納米鐵電疇結構的高解析度成像，以評價微加工的結 構完整性。為了實現上述目的，本發明研製的蝕刻裝置的結構如圖1所示，由四部分組成微 加工程序控制部件1，脈衝高壓激發部件2，多探針構件3，原子力顯微鏡聲學顯微系統4，此 四部分依次連接。微加工程序控制部件1發送微加工控制信號經脈衝高壓激發部件2作用 於多探針構件3，多探針構件3對樣品進行程序控制的微結構加工，所加工獲得的微結構由 原子力顯微鏡聲學顯微系統4進行聲學顯微成像，顯示其結構圖案。
比較好的是，所述微加工程序控制部件用於控制多探針的掃描走向、加工電壓的 脈衝幅度、寬度及微結構加工圖案，微加工程序控制部件是基於LabVIEW應用程式。比較好的是，所述多探針構件中，多探針其彈性常數在3-15N/m範圍內。比較好的是，所述脈衝高壓激發部件中，高壓放大部分採用光電耦合將高壓實施 和高壓控制隔離，並採用阻抗複合匹配解決高壓上升延遲。比較好的是，所述脈衝高壓激發部件，用於輸出高加工電壓，激發的脈衝電壓脈寬 可達到納秒級，幅度為0-500V。比較好的是，所述多探針構件中的彈簧壓片由導電材料構成，呈L型結構，其下底 面有多個尺寸均一的凹口，用於放置多探針；其上面一端引線至連接器。比較好的是，所述原子力顯微鏡聲學顯微系統是微結構加工及其聲學成像的平 臺，聲學成像工作頻率為300Hz-30kHz，工作電壓為1-3V。本發明提供的基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置， 不僅利用了鐵電材料鐵電疇的極化反轉效應，還利用了相關的計算機技術和電器特性，提 升了圖案化結構微加工的精度量。同時，採用多探針配置，提高了加工速度；並且採用原子 力顯微鏡的聲學模式，可實現微加工結構的高解析度成像和評價；此外，該蝕刻裝置的結構 易與AFM儀器組合。上述的這項發明為微納米鐵電結構微加工系統的實用化與普及化提供 了重要的技術保證。


下面，參照附圖，對於熟悉本技術領域的人員而言，從對本發明的詳細描述中，本 發明的上述和其他目的、特徵和優點將顯而易見。圖1為微納米鐵電結構的蝕刻裝置結構示意圖；圖2 (a)為BMF鐵電單晶的形貌像；圖2(b)為BMF鐵電單晶對應的鐵電疇結構微加工的聲學像；其中加工電壓為 190V/10y s，聲學成像電壓為1. 2V，成像頻率為5. 6kHz.；圖2(c)為BMF鐵電單晶另一區域的鐵電疇結構微加工的聲學像；圖2(d)為圖(c)中標註區域中A-B線掃描信號，反映微加工的電疇結構的尺寸；圖3 (a)為BaTiO3單晶的形貌像；圖3(b)為BaTiO3單晶對應的鐵電疇結構微加工的聲學像；其中加工電壓為 230V/5y s，聲學成像電壓為1. 5V，成像頻率為3. 6kHz.。
具體實施例方式本發明的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置如圖1所示，由四部分組成微加工程序 控制部件1，脈衝高壓激發部件2，多探針構件3，原子力顯微鏡聲學顯微系統4，此四部分依 次連接。微加工程序控制部件1發送微加工控制信號經脈衝高壓激發部件2作用於多探針 構件3，多探針構件3對樣品進行程序控制的微結構加工，所加工獲得的微結構由原子力顯 微鏡聲學顯微系統4進行聲學顯微成像，顯示其結構圖案。微加工程序控制部件1是脈衝信號施加和探針加工程序的控制部分，包括主控計 算機11、控制卡12、程序編譯系統13。主控計算機提供微加工程序操作界面，並向安裝在主
4控計算機的PCI插槽內的控制卡發送控制信號驅動程序。控制卡負責控制信號的通信和傳 輸，控制探針微結構加工動作。程序編譯系統是微結構加工控制程序，它包括前面板、流程 圖以及圖標三部分。其中前面板是微加工程序圖形用戶界面，包含有開關、旋鈕、圖形以及 其他控制和顯示對象；流程圖提供圖形化加工源程序，實現不同脈衝信號的程控激發。脈衝高壓激發部件2提供探針進行微結構加工所需要的電脈衝，它包括脈衝信號 發生器21和高壓放大部分22。其中脈衝信號發生器21提供電脈衝信號並由高壓放大部 分22實現對該電脈衝信號的放大，並施加於多探針構件3的多探針32上。在高壓放大部 分採用光電耦合將高壓實施和高壓控制隔離開來，避免因高壓的洩漏而損壞系統，同時也 避免了將噪聲引入系統。另外，針對鐵電材料作為容性材料所特有的高壓上升延遲這一特 點，在高壓放大部分採用阻抗複合匹配解決了該特點所導致的工作響應慢這一問題。多探針構件3是提供多探針機械固定的機械結構部件，它包括彈簧壓片31、多探 針32、測試支架33和連接器34，將所述多探針32固定於測試支架33上；連接器連接高壓 放大部分22並將輸入脈衝電壓作用於所述的多探針32上。原子力顯微鏡聲學顯微系統4是實現微加工結構的高解析度聲學成像。該顯微系 統的成像原理是利用探針探測微結構與聲波之間的相互作用，該相互作用反映了微區彈性 信息。對於鐵電疇而言，不同極化取向的鐵電疇與聲波之間的相互作用將會有不同的彈性 響應，因而利用原子力顯微鏡聲學顯微系統可原位實現微加工的鐵電疇結構的聲學成像， 同時由於聲學成像特有的亞表面成像特點，因此它可反映出微加工結構在空間上的結構完 整性，這是其他任何微加工顯微術所無法揭示的。比較好的是，所述微加工程序控制部件用於控制多探針的掃描走向、加工電壓的 脈衝幅度、寬度及微結構加工圖案，微加工程序控制部件是基於LabVIEW應用程式。比較好的是，所述多探針構件中，多探針其彈性常數在3-15N/m範圍內。比較好的是，所述脈衝高壓激發部件中，高壓放大部分採用光電耦合將高壓實施 和高壓控制隔離，並採用阻抗複合匹配解決高壓上升延遲。比較好的是，所述脈衝高壓激發部件，用於輸出高加工電壓，激發的脈衝電壓脈寬 可達到納秒級，幅度為0-500V。比較好的是，所述多探針構件中的彈簧壓片由導電材料構成，呈L型結構，其下底 面有多個尺寸均一的凹口，用於放置多探針；其上面一端引線至連接器。比較好的是，所述原子力顯微鏡聲學顯微系統是微結構加工及其聲學成像的平 臺，聲學成像工作頻率為300Hz-30kHz，工作電壓為1-3V。以下實施例均是在自行建立的AFM聲學顯微系統上應用本發明的儀器組建的微 加工系統對BMF鐵電單晶和BaTiO3鐵電單晶等塊體材料進行微結構加工的形貌像及聲學 成像，以進一步說明本發明的效果，但並非僅限於下述實施例。實施例1 應用本發明組建的納米聲學蝕刻系統對BMF鐵電單晶進行微結構加工， 圖2顯示了測試結果。其中圖2(a)是BMF單晶樣品表面形貌的AFM像，圖2(b)是樣品對應 區域原位獲得的微加工鐵電疇結構的聲成像。顯然，圖2(a)與圖2(b)的差異很大。形貌 像圖2(a)僅顯示了樣品表面拋光劃痕的信息，而聲學像圖2(b)清晰地顯示出微加工電壓 為190V/10y s時的點狀鐵電疇陣列結構。圖2(c)是該樣品另一區域微加工的列狀鐵電疇 陣列的聲學像結果，圖2(d)是圖2 (c)中線A-B的聲學信號，顯示出該列狀微結構的周期為2.7μπι.上述聲學像結果反映了該微加工技術在該塊體單晶樣品上成功地實現了微納米結 構的微加工。實施例2 應用本發明組建的納米聲學蝕刻系統對另一 BaTiO3鐵電單晶進行微結 構加工，圖3顯示了測試結果。與上述實例1相似，圖3 (a)是樣品表面形貌的AFM像，圖 3(b)是樣品對應區域原位獲得的微加工鐵電疇結構的聲成像。聲學像圖3(b)清晰地顯示 出微加工電壓為230V/5y s時的鐵電疇陣列結構，該結果不僅對於FRAM數據存儲有參考價 值，同時對在鐵電體表面進行以極化調控為機制的納米金屬粒子的組裝也具有重要參考價 值。上述實例表明了在原子力顯微鏡聲學顯微系統上應用本發明組建的微納米鐵電 結構的蝕刻裝置，解決了鐵電材料微納米結構的微加工、高脈衝加工電壓、大面積微加工及 高解析度亞表面成像等重要技術難題，實現了在原子力顯微鏡聲學顯微系統上微納米鐵電 微結構的加工及聲學成像，擴展了現有商用原子力顯微鏡所不具有的鐵電結構微加工及聲 學顯微成像的功能，成為當前開展納米科技的一個重要工具，推動了以鐵電材料為基的鐵 電隨機存儲器的深入研究。前面提供了對較佳實施例的描述，以使本領域內的任何技術人員可使用或利用本 發明。對這些實施例的各種修改對本領域內的技術人員是顯而易見的，可把這裡所述的總 的原理應用到其他實施例而不使用創造性。因而，本發明將不限於這裡所示的實施例，而應 依據符合這裡所揭示的原理和新特徵的最寬範圍。
權利要求
1.基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，包括微加工程序控制部件(1)，脈衝高壓激發部件O)，多探針構件(3)，原子力顯微鏡聲學 顯微系統四個部分，此四部分依次連接；微加工程序控制部件1發送微加工控制信號經脈衝高壓激發部件( 作用於多探針構 件(3)，多探針構件(3)對樣品進行程序控制的微結構加工，所加工獲得的微結構由原子力 顯微鏡聲學顯微系統(4)進行聲學顯微成像，顯示其結構圖案。
2.根據權利要求1所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述微加工程 序控制部件(1)是脈衝信號施加和探針加工程序的控制部分，包括主控計算機(11)、控制 卡(12)、程序編譯系統(13)。
3.根據權利要求1所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述微加工程 序控制部件(1)用於控制多探針的掃描走向、加工電壓的脈衝幅度、寬度及微結構加工圖 案，微加工程序控制部件是基於LabVIEW應用程式。
4.根據權利要求1所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述脈衝高壓 激發部件(2)提供探針進行微結構加工所需要的電脈衝，包括脈衝信號發生器和高 壓放大部分(22)，其中脈衝信號發生器提供電脈衝信號並由高壓放大部分02)實 現對該電脈衝信號的放大，並施加於多探針構件(3)的多探針(32)上。
5.根據權利要求4所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述脈衝高壓 激發部件( 其激發的脈衝電壓脈寬可達到納秒級，其高壓範圍為為0-500V。
6.根據權利要求4所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述脈衝高壓 激發部件(2)採用光電耦合將高壓實施和高壓控制隔離，並採用阻抗複合匹配解決高壓上 升延遲。
7.根據權利要求1所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，多探針構件 (3)是提供多探針機械固定的機械結構部件，它包括彈簧壓片(31)、多探針(32)、測試支架 (33)和連接器(34)，將所述多探針(3 固定於測試支架(3 上；連接器連接高壓放大部 分02)並將輸入脈衝電壓作用於所述的多探針(32)上。
8.根據權利要求7所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述多探針 (32)其彈性常數在3-15N/m範圍內。
9.根據權利要求7所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述彈簧壓 片(31)由導電材料構成，呈L型結構，其下底面有多個尺寸均一的凹口，用於放置多探針 (32)，其上面一端引線至連接器。
10.根據權利要求1所述的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，其特徵在於，所述原子 力顯微鏡聲學顯微系統(4)是微結構加工及其聲學成像的平臺，聲學成像工作頻率為 300Hz-30kHz，工作電壓為 1-3V。
全文摘要
本發明涉及基於原子力顯微鏡聲學顯微系統的微納米鐵電疇結構的蝕刻裝置，屬於儀器研製領域。本發明包括微加工程序控制部件，脈衝高壓激發部件，多探針構件，原子力顯微鏡聲學顯微系統四個部分。本發明具有納米級微加工、高脈衝加工電壓、高速響應特性、大面積微加工、微結構的高解析度聲學成像等獨特優點，不同於目前商用原子力顯微鏡的微加工。
文檔編號B81C1/00GK102107853SQ200910200840
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者劉黎明, 惠森興, 曾華榮, 李國榮, 殷慶瑞 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所