使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备及其制造方法

具体实施方式

现在将详细地介绍本发明的优选实施例，在附图中图示了其例子。

根据本发明的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的多个实施例可以存在，以及现在将描述最优选的实施例。

图5A至5C是说明根据本发明的第一实施例的悬臂结构300的结构示图。图5A是悬臂结构的分解透示图，图5B是悬臂结构的组装透示图，以及图5C是剖面图，说明用于控制和支撑悬臂结构的信号传送电路单元400与悬臂结构300键合。

如图所示，根据本发明的第一实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备包括通过构图在待刻蚀的牺牲衬底上淀积的淀积材料形成的以及在下列工序过程中被除去的悬臂301、形成在悬臂301的一个表面的前端部分并与悬臂301同时形成的探针302，以便当淀积材料被淀积在牺牲衬底上时，在牺牲衬底上形成的探针沟槽图形中填充该淀积材料、在悬臂301处形成并感测介质上写入的数据的数据传感单元、连接到数据传感单元并形成在悬臂301上以提供与外部信号线的电连接的信号连接焊盘306、连接到信号连接焊盘306以及在介质上和从介质写入和读取数据的信号传送电路单元400，以及允许悬臂30被支撑在信号传送电路单元400处并提供信号连接焊盘306和信号传送电路单元400之间的电连接通道的键合单元350。

即，通过使用牺牲衬底作为模具的模制技术形成该探针。这里，氮化硅材料、氧化硅材料和金属材料的一种被淀积，作为在牺牲衬底上淀积的淀积材料。最优选，氮化硅材料被淀积，用作悬臂和探针的材料。

这里，数据传感单元包括由与悬臂301上的加热器304相同材料形成的平台305，连接到加热器304和探针302，以及通过加热器304读取数据。即，加热器被要求在介质上执行写入，以及平台305是具有阻抗的电阻器部件以及被要求读取数据。平台305的一侧被连接到加热器304的侧表面，以及其另一侧被连接到信号连接焊盘306。

用于物理地支撑悬臂结构300和控制写入和读取操作的信号传送电路单元400通过键合单元350物理地和电连接到悬臂结构300。

键合单元包括在悬臂和信号传送电路单元之一处形成的第一键合部件和在剩余的一个形成并耦合到第一键合部件的第二键合部件。在描述使用之后将描述的悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的制造方法中将描述键合单元的更详细结构。

本发明的重要性能是悬臂301和探针302的材料，以及加热器304和平台305的材料。即，在本发明中，当形成悬臂301和探针302时，使用通过化学气相淀积方法形成的氮化硅膜、氧化硅膜或金属膜，以便获得悬臂301的厚度的均匀性，以及增加阻止探针302的磨损的耐用性。此外，加热器304和平台305使用多晶硅。

至于本发明的探针302的形状，与简单地通过刻蚀硅层形成的常规探针相比大大地增加精确度(即，可以形成锐利的尖端)。因此，可以在介质上高密度的写入数据。

图6A和6B是用于解释根据本发明形成用于制造探针的图形方法的示图。在图6A和6B中，示出了由本发明提出的探针的性能。

首先，在本发明中，为了在将牺牲的硅衬底100上制成用于探针形成的沟槽，形成并构图掩模层200。图6A用于解释以此方式形成的沟槽的性能。当通过使用刻蚀液(KOH)在[100]方向的硅衬底100上执行体刻蚀时，在硅的(111)表面发生刻蚀停止。为此，如图6B所示，形成具有54.7°的梯度精确度的棱椎结构的沟槽。

因为硅衬底的(111)表面和(100)表面的刻蚀比是1∶300，当被制造时，用于悬臂布置的沟槽可以具有其高度的均匀性，对于悬臂301的厚度均匀性是重要的相同原因，这变为本发明的重要性能。

然后，通过化学气相淀积方法在具有这种沟槽的硅衬底100上形成氮化硅膜，由此获得在其上形成的悬臂301和探针302结构。在图7A中示出了以此方式形成的探针302。

此外，可以通过以下方法执行探针302的制造，以便形成较锐利的探针。

即，作为具有用于探针形成的沟槽的衬底，如图6A中所示的衬底，经历热氧化，形成具有0.5～1μm厚度的氧化硅膜。这里，因为在[111]方向中氧化硅膜的生长速率是高的，以及在[100]方向中是低的，所以棱椎形状的沟槽具有非常锐利的形式。因此，通过淀积氮化硅膜到进一步形成氧化硅膜的沟槽形成的探针302可以具有非常锐利的形状。

图7B中示出了基本上以此方式制造的探针的显微照片。

在本发明中，可以形成具有悬臂结构的衬底，不经历在常规技术中执行的与玻璃晶片的键合工序。即，与常规技术不同，在根据本发明用于制造使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的工序过程中可以仅仅执行一次晶片级键合工序。

下面，将描述根据本发明的第一实施例用于制造使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的方法的一个例子。

图8A至8I是说明根据本发明的第一实施例连续制造工序的一个例子的剖面图。如图所示，根据本发明用于制造使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的方法包括，用于制造悬臂阵列衬底的单独工序，用于制造信号传送电路单元衬底的单独工序，信号传送电路单元衬底形成用于控制悬臂阵列衬底的电路单元，以及通过晶片-级键合将通过上述工序单独地制造的两个衬底键合然后除去不必要部分的工序。

根据此后提供的各个实施例这种工序同等地应用于制造工序。所提供的悬臂阵列衬底和信号传送电路单元衬底的单独制造工序的顺序可以被反向。

首先，如图8A所示，在将用作牺牲衬底的硅衬底500的主表面上形成掩模层505，然后将形成探针302的部分经历体-刻蚀，由此形成棱锥形的探针沟槽508。这里，硅衬底500应该是在表面方向上形成(100)表面的衬底。

如图8B所示，掩模层505被除去，然后硅衬底500经历热氧化，由此形成具有薄厚度的氧化硅膜510。然后，为了形成悬臂301和放置在悬臂的一个表面的前端部分处的探针302，通过化学气相淀积方法在其上形成氮化硅膜520。因为在未形成探针沟槽的部分硅衬底和硅衬底500上形成的探针沟槽508之间以不同的生长速率形成氧化硅膜510，拐角部分和下端部分之间的边界变得明显。由此，在氧化硅膜510上形成的由氮化硅膜520形成的探针302具有锐利的外部。

这里，可以不必形成氧化硅膜510，但是在形成氮化硅膜520之前形成氧化硅膜510是非常优选的，以便如上所述可以更锐利地形成探针302。

然后，如图8C所示，淀积多晶硅膜530，多晶硅膜530用于在探针302的后表面处形成加热器。

如图8D所示，多晶硅膜530被构图，以由此形成加热器304和平台305。

然后，如图8E所示，用于将信号传送到加热器304的信号连接焊盘540和平台305由金属薄膜形成，以及氮化硅膜520被构图，以形成悬臂301。然后，形成从悬臂301的一个表面突出到一定高度的键合凸块550，以便将信号连接焊盘540电连接到外部部分。键合凸块550通过使用金属材料如Au-Sn来形成。

这里，采取氮化硅材料作为淀积材料的例子，以形成悬臂和探针。但是，如上所述可以通过淀积氧化硅材料或金属材料的薄膜形成悬臂和探针。

通过上述工序，制备用于悬臂阵列衬底的部件。

如图8F所示，通过单独工序形成键合焊盘620，键合焊盘620连接到衬底600上的信号传送电路单元400的信号线(未示出)，衬底600上形成用于控制悬臂的信号传送电路单元400。然后，在已经形成了信号传送电路单元400的衬底600的整个表面上顺序地形成标准的聚酰亚胺层630和有粘性的聚酰亚胺层640，以及形成穿通孔635，以便露出键合焊盘620。标准的聚酰亚胺层630用于保持用于键合的高度，有粘性的聚酰亚胺640比标准的聚酰亚胺层更容易熔化，以由此将其上形成信号传送电路单元400的衬底600与其上形成悬臂阵列的硅衬底500键合在一起。

通过上述工序，制备用于信号传送电路单元衬底的部件。

如图8G所示，制备的信号传送电路单元衬底600和制备的悬臂阵列衬底500被布置为信号传送电路单元衬底600的穿通孔635与悬臂阵列衬底500的键合凸块550啮合。然后，通过高温和高压将两个衬底粘接在一起，由此执行晶片-级键合。这里，该温度是键合凸块550的键合部分的金属熔化时的温度，以及压力是5～6bar。

如图8H所示，通过研磨和干法刻蚀或湿法-刻蚀除去支撑悬臂的硅衬底500，以及氧化硅膜510也被除去。

如图8I所示，信号传送电路单元衬底上的标准聚酰亚胺层630和有粘性的聚酰亚胺层640被除去，以便悬臂301被支撑在信号传送电路单元400处并悬挂。

根据本发明的第一实施例使用悬臂的毫微数据写入和读取设备可以通过前述工序形成。此外，这种毫微数据写入和读取设备可以通过热机械方法写入和读取数据。在本发明中，通过该工序看到仅仅需要一个晶片-级键合工序，这意味着根据本发明的制造方法与常规制造方法相比，具有高的工艺成品率和需要低的成本。

图9A至9I是剖面图，示出用于制造根据本发明的第一实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的连续工序的另一例子。以通过图8A至8I描述的制造方法相似的方式执行这些工序。其间的区别是在阵列衬底上形成聚酰亚胺层560和570以及穿通孔580，以及由此形成的键合凸块650与在信号传送电路单元衬底上形成的键合焊盘620啮合。

即，在设有悬臂的衬底500上连续地形成标准的聚酰亚胺层560和用于粘接的聚酰亚胺层570之后，形成穿通孔580，以便部分信号连接焊盘540被露出，以用于与外部部件连接。此外，形成连接到信号传送电路单元衬底600上的电路单元信号线的键合焊盘620，以及在键合焊盘620上突出地形成凸块650至一定的高度，以及被电连接到外部部分。然后，将两个衬底键合在一起，以及使露出的信号连接焊盘540与凸块650耦合，由此形成键合单元350。

即，悬臂阵列衬底500和信号传送电路单元衬底600通过键合单元350键合，以及形成键合单元350，以便悬臂阵列衬底500和信号传送电路单元衬底600的一个上形成的第一键合结构被耦合到剩下的衬底上形成的第二键合结构。

在特定的制造工序过程中形成键合结构的衬底不被限制，但是可以对应于工序状态或制造环境灵活地调整，以便可以自由地进行工序设计。

在该结构和制造方法的情况中，本发明的这种性能可以应用于采用热压电方法的悬臂。

热压电方法仅仅使用热机械方法写入数据和使用压电传感器读取数据。在这种方法中，用电容器类型将ZnO或PZT薄膜与悬臂集成，以及通过测量读取的时候产生的振动读取数据。

图10A至10C是概念示图，说明根据本发明的第二实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的结构及其操作方法。如图所示，为了读取在PMMA介质上写入的数据，使用毫微数据写入和读取设备，该设备还具有布置在设有加热器的悬臂结构处的压电传感器。通过加热加热器如使用常规热机械方法的悬臂，形成沟槽进行数据的写入。

现在将详细描述根据本发明的第二实施例的使用悬臂的毫微写入和读取设备的结构。这里，与第一实施例相同的结构给予相同的参考标记。

如图所示，根据本发明的第二实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备包括由氮化硅材料形成的悬臂301，由与悬臂体301的材料相同的材料形成探针302，在形成了探针302的悬臂体上由多晶硅形成的加热器304，布置在悬臂体的纵向上的压电传感器310，连接到加热器304并提供与外部信号线的电连接的信号连接焊盘306，单独地形成的、用于控制通过悬臂结构执行的数据写入和读取的信号传送电路单元400，以及允许悬臂301被支撑在信号传送电路单元400处并提供信号连接焊盘306和信号传送电路单元400之间的电连接通道的键合单元350。

即，用于感测介质上存储的数据的数据传感单元包括压电传感器310，没有由第一实施例中提出的多晶硅形成的平台。

在第二实施例中，悬臂体301和探针302也由通过化学气相淀积方法形成的氮化硅膜形成，由此增加厚度的均匀性以及阻止磨损的耐久性。此外，可以通过使用将被牺牲的硅衬底和氧化硅膜作为模具形成探针302，以便探针302可以具有锐利的形状。

压电传感器310是具有压电材料312如PZT，ZnO等的电容器型传感器，压电材料312放置在由Ti/Pt形成的下衬底311和使用RuO₂的上衬底313之间。

图11是概念示图，说明具有悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的读取方法，使用压电传感器作为数据传感单元。

至于用于从介质上形成的沟槽读取数据的方法，如图11所示，当悬臂300在具有沟槽的介质460上移动时，亦即，扫描介质，悬臂的探针插入介质上形成的沟槽中。这里，悬臂本身的应力变化，以及由集成的压电传感器310辨别这种变化。通过悬臂的这种应力变化，压电传感器310中包括的压电材料的应力改变，因而产生小的电荷。通过电荷放大器感应的电荷变为电压，以及通过比较器输出0和1的数据。

通过使用压电传感器读取数据具有几个重要优点。

第一优点是，在数据读取的时候，因为由于悬臂应力改变，自动地产生信号，在读取过程中不发生功率损耗，其当使用压电传感器的数据读取方法应用于便携式器件时作为大的优点。

第二优点是选择介质的灵活性。当通过热机械方法执行写入和读取时，应该保持适当的温度，以便保证读取的适当灵敏度，意味着易受高温损坏的介质的使用被限制。因此，如果不必增加温度，为了与热压电方法中一样读取数据，可以自由地选择介质。

使用压电传感器读取数据的第三优点是用于读取的结构是简单的，以及因为悬臂之间变化增加，测量精度被提高，即，不发生偏移。当应该通过基本上使用电阻器部件(即，平台)例如使用热量的电阻变化，通过压力等等的电阻变化读取数据时，应该非常灵敏地制造电阻器部件，这是困难的。但是，因为通常每个悬臂具有稍有不同的电阻器部件，所以为了克服由于这种电阻差值的输出电压偏移，应该使用在邻近于电阻器部件的位置集成相同的部件以及使用集成电阻作为基准电阻的方法或通过使用高频直通滤波器除去DC偏移电压的方法。前一方法具有其中两个悬臂被集成在一个区域中的问题，后一方法具有其中大的电容器应该被集成的问题。此外，在温度感测方法中，环境温度可能引起偏移，当它应用于实际用途时，这可能成为致命的瑕疵。

最后，因为当使用压电传感器时，以仅仅约几纳秒的速度产生与数据-读取速率相关的电荷，与在数据读取的时候需要约几微秒时间增加温度的热-机械方法相比可以实现高的读取速率。

图12A至12I是剖面图，说明制造根据第二实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的连续工序的一个例子。大多数工序与参考图8A至8I描述的根据本发明的第一实施例的制造方法相同。其间唯一的区别是增加在氮化硅膜上形成压电传感器的工序，压电传感器可以测量悬臂的弯曲，增加将由氮化硅膜形成悬臂301，如图12E所示，代替形成平台作为数据传感单元的工序。因此，关于详细的制造工序的描述将被省略。

图13A至13I是剖面图，说明制造根据本发明的第二实施例的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的连续工序的另一例子，以及用图12A至12I的剖面图中所示的方式相似的方式执行这种工序。其间的区别是在阵列衬底上形成聚酰亚胺层560和570以及穿通孔580，以及键合凸块650与在信号传送电路单元衬底上形成的键合焊盘620啮合。

此外，图14A至14D说明根据本发明的第二实施例在制造使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备的工序中悬臂结构衬底和信号传送电路单元衬底之间的键合工序的另一例子的示图。根据本发明这种键合工序可以应用于制造工序的每个实施例。如果使用该键合工序，那么不需要除去聚酰亚胺层的单独工序。

即，在悬臂阵列衬底500上形成用于键合的聚酰亚胺层560和570以及穿通孔580，如图14A所示，在信号传送电路单元衬底600上形成用于信号连接和物理支撑的键合凸块650。这里，如上述的制造方法，在执行两个衬底之间键合工序之前，除去围绕穿通孔580部分的聚酰亚胺层560和570经历刻蚀和除去。因此，不需要用于刻蚀和除去聚酰亚胺层的单独工序，以便该工序被简化和还增加键合单元的实际支撑强度。

这里，键合层的状态和形成键合结构的衬底没有限制，而是可以对应于工序状态和制造环境灵活地控制，允许工序被自由地设计。

如至此所述，在根据本发明的使用悬臂结构的毫微数据写入和读取设备及其制造方法中，通过刻蚀在硅衬底上形成具有探针形状的沟槽，在其上淀积均匀厚度的氮化硅膜，以及通过使用氮化硅膜同时形成悬臂和探针。由此，可以获得均匀厚度的悬臂和均匀高度的探针。此外，因为探针由氮化硅材料形成，其耐久性被大大地增加。

此外，加热器和平台由多晶硅形成，在不利用与玻璃衬底的键合工序的条件下形成悬臂阵列衬底，有助于减小在整个工序中晶片-级键合工序需要的精确度。由此，该工序可以被简化和因此减小制造成本。

此外，因为在结构和制造方法的情况中的上述性能还应用于使用热量执行写入的悬臂结构和使用压电传感器执行读取的情况，悬臂的厚度均匀性和探针的耐久性增加，制造工序的效率增加以及可以减小制造成本。

因为在不脱离其精神或必需性能的条件下可以以几种形式体现本发明，所以也应该理解上述实施例不被上文描述的任何细节限制，除非另作说明，而是应该广泛地解释在附加权利要求限定的精神和范围内，因此所有改变和改进落入权利要求的边界和范围内，或因此这种边界和范围的等效打算被附加权利要求包含。