悬臂梁式扫描微波探针设计.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期：（）悬臂梁式扫描微波探针设计薛一凡，王采慧，裴涛，温焕飞（中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原）摘要：微波芯片的高度集成化对扫描微波成像技术提出了新的挑战，设计了一种结构简单、辐射效率高和耦合低特性的悬臂梁式扫描微波探针。通过建立探针三维有限元数值模型，在不同微波频率和不同探针结构下分别研究了探针针尖倏逝电场分布。有无屏蔽结构的探针针尖与样品间的电场分布表明，屏蔽层有效降低了悬臂梁下方非针尖部分微波信号的辐射，悬臂梁样品的寄生电容显著减小，且在多个工作频率段具有高空间分辨与高辐射效率的特性。设计的探针满足微波芯片对高频、高空间分辨扫描微波成像的需求。关键词：扫描微波探针；电磁建模；低耦合；高频中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引言半导体制造工艺的迅猛发展促使微电子系统得到了更广泛的应用，现在的微系统以平面型结构电路为主，进一步实现了芯片的多功能化和小型化。这对现有的微波成像技术提出了新的挑战。年 提出近场的概念，突破了光学显微术分辨率的极限。随后 在微波频段证明了近场扫描微波显微术的可行性。等人建立近场成像显微技术，将分辨率的极限提高到。基于原子力显微术发展的扫描微波显微镜成为了芯片表面结构及物理场表征的强有力工具之一。悬臂梁式扫描探针作为扫描微波显微成像技术的核心部件，决定着成像的空间分辨能力和场分辨能力，但该类型探针长期被国外厂商所垄断。目前的悬臂梁式扫描微波探针可以归为类。第一类是金属化探针，其悬臂梁和针尖通常由单晶硅（）或者氮化硅（）经过微加工制备而成，然后在探针上下表面溅射金属层，从而引入波导结构；然而，由于单晶和金属层的热膨胀系数有较大差异，并且探针针尖电场强度较高，金属化探针容易发生涂层分离。第二类是全金属探针，由金（）或铂（）等贵金属制备的整体结构，针尖耐磨性高；但悬臂梁非针尖部分与样品形成平行板结构会产生寄生电容，并且较高或较低的样品形貌会影响悬臂梁上微波信号的传导。第三类是屏蔽收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；山西省回国留学人员科研资助项目（）第期薛一凡，等：悬臂梁式扫描微波探针设计信号线式探针，针尖和中心导体由金属材料构成，中心导体被包埋在有构成的悬臂梁内。除针尖结构，整个探针覆盖较薄的金属层且接地，为信号线提供射频屏蔽。解决了涂层分离和寄生电容的影响。然而这种屏蔽式探针的设计非常复杂，加工过程十分繁琐。特别是针尖结构在层和金属层的开口处，太大影响屏蔽效果，太小影响探针的辐射效率。为了解决涂层分离、寄生电容和工艺复杂等缺点，本文根据近场下电、磁准静态理论，建立近场情况下探针针尖电场分布的三维有限元数值理论模型。结合电磁仿真研究了探针结构及材料对于针尖倏逝电场及回波损耗分布的影响，设计了一种结构简单、空间分辨率高和低寄生电容特性的悬臂梁式扫描微波探针。探针设计探针材料的选取探针主要由基板、悬臂梁、针尖和屏蔽层构成。悬臂梁和针尖选择金属，具有热电稳定性强、热膨胀系数小特性，可以保证微波信号低损耗地从入射端口传递到针尖与样品耦合，然后将耦合了样品信息的回波信号低损耗地传回入射端口。基底选择绝缘体材料陶瓷，具有良好的抗热震性、耐磨性和易加工等性能。屏蔽层可以抑制悬臂梁下方辐射效应，解决探针非针尖部分与样品形成平行板结构从而产生寄生电容的问题。屏蔽结构分为上、下两层，上层为绝缘体材料，下层为金属材料。上层绝缘体选择，其结构与金刚石相似，是原子晶体，电子没有转移的通道不能导电，具有较高的尺寸加工精度与易加工性能。下层金属材料选择化学性质稳定、有延展性和电导率很高的铜（）。探针尺寸的设计当探针探测系统的电磁场发生谐振时，电磁场具有静电场的特点，其静电场的分布由探针形状和附近区域的电磁性质所决定。近场中的电磁场近似正交并且按 的规律衰减，复合波矢数（）满足，其中，为真空中的介电常数，为真空磁导率，为针尖的介电常数，为针尖的磁导率，为探针针尖的特征长度。针尖和样品相互作用可以看成“云状”探测电子团，其大小和探针特征长度类似，因此显微成像的分辨率由探针特征长度决定。金属层对微波信号的屏蔽起决定作用，而厚度是金属层的重要参数。为了研究金属层厚度对于探针性能的影响，本文通过仿真屏蔽式悬臂梁的电磁分布研究了金属层厚度与回波损耗的联系。设置金属层厚度为，仿真结果如图所示。当厚度为，时探针回波损耗幅值随着厚度的增加而增加，选择回波损耗幅值相差最大、金属层厚度为，以及回波损耗谐振频率变化最大、金属层厚度为，的探针电场分布进行电磁仿真。由图可知：针尖电场的准直性和强度基本一致，当厚度为时谐振频率为，与其他厚度的谐振频率 相比向左移动。时端口回波损耗值最小并且悬臂梁下方电场模较小，金属层起到屏蔽下方悬臂梁信号的作用。因此，金属层厚度选择。50.049.549.048.548.0-20-16-12-8-40回波损耗/dB频率/GHzS11(9?滋m 厚金属层)S11(7?滋m 厚金属层)S11(5?滋m 厚金属层)S11(3?滋m 厚金属层)S11(2?滋m 厚金属层)(a)9?滋m5?滋m2?滋m(d)(c)(b)0.51.52.5电场/104(V m-1)图屏蔽结构和端口损耗与电场分布的关系 同理，通过仿真探针针尖及悬臂梁的电磁分布确定了悬臂梁、针尖的尺寸参数，表为用于仿真的探针的尺寸和模型特征。探针有限元数值分析模型如图。所设计的探针基板尺寸与商业化探针基板对标，易于集成到测量平台。表悬臂梁探针的尺寸参数参数长宽高半径基板悬臂粱屏蔽层 针尖(c)?局部网格刨分模型(b)?局部模型(a)?结构模型40?滋m图探针三维结构模型探针电学性能分析工作频率与探针电场分布的关联模型在大气条件下，通过分析探针电磁分布研究工作频率与探针电场分布的关系。工作频率不同对应测试仪器上的传输方式也不同。在 以下，使用同轴线作为测试系统与探针之间的连接线；在 之间，同轴线或者矩形波导都可以；而当频率超过，使用同轴线作为传递媒介时损耗非常大，需要使用矩形波导，。在扫描微波显微镜（，）中探针电极与微波源通过同轴线连接，因此，仿真探针电磁分布的频率范围为，步长为 。图为工作频率与回波损耗（）的相关性，图为工作频传 感 器 与 微 系 统第卷6050403020100-16-12-8-40回波损耗/dB频率/GHzS11图微波频率与回波损耗的关系率与探针电场分布的关联关系。由图和图可知，所设计的扫描微波探针结构在频段内，存在处谐振频率。图（）、（）、（）、（）和（）依次为，所对应的回波损耗，依次为，。在 与 频段内回波损耗优于 。谐振频率为，时，针尖处电场逐渐增强并且集中分布在针尖处，且悬臂梁下方附近的电场强度较小。当工作频率为 时，回波损耗为 左右，针尖处电场较小且微波信号弱。因此工作频率为，时，探针屏蔽结构可抑制微波信号的辐射范围，降低悬臂梁下方非针尖部分微波信号的辐射，有效提高成像的精度。50?GHz35?GHz31?GHz10.5?GHz17.5?GHz22?GHz0.51.01.52.02.53.0电场/104(V m-1)(f)(e)(d)(c)(b)(a)图微波频率与探针电场分布的关系探针微波信号的辐射距离与分辨率的关系在基于的研究中通常向探针电极施加恒定的交流电压，使探针周围的电磁场发生谐振，保证探针具有静电场的性质。集肤效应使得电流向探针边界分布，。通过数值分析研究了频率为 时探针针尖倏逝电场的分布。图（）为探针下方线段模型示意，图（）为探针模型中沿虚线的电场强度。此外，研究了探针针尖下方不同间距处电场分布的情况，图（）为在大气环境下微波信号随着间距的增加迅速衰减，在 的间距内探针有良好的横向、纵向分辨率，当间距大于 探针下方几乎没有微波信号。探针屏蔽效果分析屏蔽层对探针电场分布的影响为了抑制探针悬臂梁微波信号的辐射，保证探针悬臂梁下方的微波信号只由金属针尖辐射。设计覆盖于悬臂梁下方的屏蔽结构。样品设置为 的单晶硅平面，通过研究探针的电磁场分布探索屏蔽层对探针电场分布的影响。图（）为全金属探针及附近的电磁40?滋m50046042038034000.40.81.21.6电场/105(V m-1)z 轴/滋m(b)?电场强度(a)?探针下方线段模型示意0.51.52.5电场/104(V m-1)(c)?衰减示意图探针针尖微波信号衰减示意场分布，图（）为屏蔽式探针及附近的电磁场分布，图（）为全金属探针与样品的耦合，图（）为屏蔽式探针与样品的耦合。从图中可以看出：全金属探针悬臂梁上下电场强度较高，悬臂梁下方样品表面电场强度低于附近电场强度。针尖附近的电场强度最高，随着与探针距离的增加其周围的电场强度逐渐降低。屏蔽式探针悬臂梁上方的电场强度较高，而悬臂梁下方的电场强度较低，悬臂梁下方样品表面电场强度与附近电场强度一致，针尖附近的电场强度最高，随着与探针距离的增加其周围的电场强度逐渐降低。由上可知，屏蔽结构可以有效控制悬臂梁下方微波信号的辐射，探针悬臂梁下方的微波信号只由金属针尖向外辐射。屏蔽式/样品全金属/样品屏蔽式全金属(d)(c)(b)(a)0.51.01.5电场/104(V m-1)2.02.53.0图有无屏蔽结构对探针电场分布的影响屏蔽结构对悬臂梁下方微波信号的屏蔽作用为了进一步研究屏蔽结构对于悬臂梁下方微波信号的屏蔽效果，在悬臂梁下方 处分别设置条长为、间距为 的线段。通过分析探针悬臂梁附近电磁场的分布研究了电场强度沿线段的分布。图（）表示线段与悬臂梁的位置关系，从图中可以看出：全金属探针下方条线段的电场强度分布，靠近针尖处线段的电场强度分别为 （中间）、（两边）；距离针尖 处线段的电场强度分别为 （中间）、（两边）；靠近金属电极处条线段的电场强度均在 左右。屏蔽式探针下方条线段电场强度分布，靠近针尖处线段的电场强度分别为 （中间）、（两边）；距离针尖 处线段的电场强度分别为 （中间）、第期薛一凡，等：悬臂梁式扫描微波探针设计 （两边）；靠近金属电极处线段的电场强度分别为 （中间），（两边）。靠近针尖一端的电场强度要明显大于靠近金属电极一端的电场强度，在距离针尖 内线段电场强度显著降低。但具有屏蔽结构的悬臂梁下方电场强度整体低于无屏蔽结构的电场强度，且变化趋势更平缓。表明屏蔽结构可有效降低悬臂梁下方微波信号的辐射，起到降低悬臂梁样品寄生电容的作用。1?7001?8001?9001.21.31.41.51.6y 轴/滋m(b)?无屏蔽结构探针下方线段电场分布0.60.81.01.21.41.6电场/104(V m-1)电场/104(V m-1)y 轴方向 3 条线段俯视图左视图(a)?线段与悬臂梁的位置关系40?滋m(c)?有屏蔽结构探针下方线段电场分布zy1?7001?8001?900y 轴/滋m屏蔽式全金属图悬臂梁下方沿线端的电场分布结论本文以悬臂式扫描微波探针为研究对象，设计耐磨性高、易刻蚀的贵金属针尖，解决了涂层分离的问题。设计工艺简洁的屏蔽结构，解决了全金属探针悬臂梁与样品产生寄生电容的问题，降低了悬臂梁非针尖部分与样品的信号耦合。讨论了探针材料以及结构对探针性能的影响，通过对探针回波损耗分布进行电磁仿真，研究了金属层厚度与回波损耗的联系。采用有限元法对悬臂式探针进行数值建模，确定了探针尖端倏逝电场分布。对探针电场分布分析可知：探针倏逝电场的分布与探针特征长度、工作频率相关。通过对全金属探针和屏蔽式探针悬臂梁附近电磁场分布进行分析，验证了金属层的屏蔽效果。探针电磁场仿真实验为低寄生电容特性悬臂梁式扫描微波探针的设计制造提供理论指导，对多功能、小型化芯片的高空间分辨率成像具有重要意义。参考文献：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：孙佳微波近场扫描半导体材料的测试机理与应用研究西安：西安电子科技大学，：，程融，周玉修 悬臂梁探针的结构与材料研究传感器与微系统，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：作者简介：薛一凡（），男，硕士研究生，研究方向为近场扫描微波成像。温焕飞（），男，通讯作者，博士，教授，研究领域为基于扫描探针显微术的精密测量仪器的开发与应用。