[發(fā)明專利]顯微制造的器件中的移位的磁傳感

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 00812674.7
• 申請日: 2000-09-06
• 公開（公告）號: CN1373891A
• 公開（公告）日: 2002-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彼得·布洛克爾;克里斯托夫·P·羅塞爾;米歇爾·威爾明
• 申請（專利權(quán)）人: 國際商業(yè)機器公司;菲西克研究院
• 主分類號: G12B21/08
• 分類號: G12B21/08;G12B21/04;G01B7/34;G01N27/00;G11B21/21;G11B9/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所
• 代理人: 王志森,黃小臨

???????????????????????????技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種顯微制造的器件中的移位(motion)的磁傳感(sensing)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于測量納米級的位移或彎曲的磁傳感器。

?????????????????????????本發(fā)明的背景

機械組件和器件的微型化在各不同領(lǐng)域提供了新的應(yīng)用，這允許了解和利用一新的世界即所謂的納米世界。20世紀末，已經(jīng)創(chuàng)立了微米和納米級機械學時代的基礎(chǔ)。已經(jīng)形成基于當代芯片制造方法的批量制造，這提供了以低成本創(chuàng)建高性能系統(tǒng)和器件的巨大潛力。在海量數(shù)據(jù)存儲器的領(lǐng)域中的應(yīng)用實現(xiàn)了小得多的存儲器件并開辟了實現(xiàn)存儲密度在每平方英寸幾百兆位量級的可能性。在例如為掃描隧道顯微鏡技術(shù)(STM)和原子力(atomic?force)顯微鏡(AFM)的顯微鏡的領(lǐng)域，近些年來已經(jīng)成功地引入對于原子級的表面分析。這些顯微鏡技術(shù)一般稱為掃描探針顯微鏡(SPM)，其利用一尺寸很小的可彎曲的懸臂梁(cantilever)，因而要利用顯微機加工技術(shù)來制造該懸臂梁。具有尖端的懸臂梁掃描橫越試樣的表面并檢測懸臂梁的位移或移位，以便形成達到原子分辯率的圖像。已經(jīng)設(shè)計了各種光學方法來檢測懸臂梁的偏轉(zhuǎn)。在該尖端和試樣之間的典型作用力范圍從6到11nN(納牛頓)，可以檢測到小到0.001納米的偏轉(zhuǎn)。三種不同的操作方式是：接觸模式、非接觸或電動力模式以及居間(tapping)模式，這些模式使得能檢測：橫向、磁、靜電作用力以及范德瓦爾力。此外這種懸臂梁可以用于寫和讀數(shù)據(jù)。

雖然本發(fā)明可應(yīng)用于各種顯微機械應(yīng)用，但本介紹將集中在懸臂梁應(yīng)用。

當前已知幾種測量在例如掃描探針顯微鏡(SPM)或其它顯微制造的器件中的懸臂梁位移或移位的技術(shù)。

該也稱為激光檢測或光束偏轉(zhuǎn)的光學技術(shù)，或者利用在懸臂梁表面的激光束偏轉(zhuǎn)和在偏轉(zhuǎn)的過程中隨之而來的激光束角度的變化，或者利用入射和反射光束之間的干涉效應(yīng)。通過從懸臂梁將激光束反射到一光電二極管來監(jiān)測懸臂梁的偏轉(zhuǎn)。在掃描的過程中，可以通過這種被檢測的激光束偏轉(zhuǎn)形成圖像。

利用一種壓敏電阻(piezoresistive)技術(shù)可以測量在懸臂梁的彎曲臂表面上限定的壓敏電阻路徑的電阻變化。在由M.Tortonese等人所著的“利用壓敏電阻懸臂梁的原子力顯微鏡”的論文(Proc.Of?the?Intl?Conf.on?SolidState?Sensors?and?Actuators，San?Francisco，Jun.24-27，1991，pp.448-451)中，介紹了用于檢測自身偏轉(zhuǎn)的、帶有集成壓敏電阻的硅懸臂梁的制造。制造中使用了硅絕緣體材料。

根據(jù)5345815號美國專利，已知一種微懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁臂具有靠近懸臂梁臂的固定端嵌入的壓敏電阻式電阻。懸臂梁臂的自由端偏轉(zhuǎn)在懸臂梁的基部產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力改變在懸臂梁的基部的壓敏電阻式電阻的電阻值，其變化與懸臂梁臂的偏轉(zhuǎn)成比例。一種電阻測量裝置連接到壓敏電阻式電阻，以便測量其電阻并產(chǎn)生與懸臂梁偏轉(zhuǎn)相對應(yīng)的信號。

5444244號美國專利涉及一種用于掃描探針顯微鏡的、包括壓敏電阻的懸臂梁。還介紹了制造這樣一種懸臂梁的過程，該過程產(chǎn)生一具有高縱橫比的尖端，在該尖端的頂點具有小的曲率半徑。還公開了一種包括兩個或更多個壓敏電阻的組合式原子力/橫向力顯微鏡，該壓敏電阻響應(yīng)于懸臂梁的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

然而，盡管壓敏電阻懸臂梁的靈敏度幾乎與光學設(shè)計方案相似，但對所有的半導(dǎo)體應(yīng)變計固有地受到低頻噪聲和溫度漂移的影響。此外它們還需要由單晶硅形成懸臂梁。

IBM的58756617號美國專利介紹了一種原子力顯微鏡(AFM)，其利用一個集成在AFM懸臂梁上的旋轉(zhuǎn)閥式磁致電阻應(yīng)變計，以便檢測懸臂梁的偏轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)閥式應(yīng)變計工作在沒有施加磁場情況下。AFM懸臂梁上的旋轉(zhuǎn)閥式應(yīng)變計是由多層薄膜制成的，其中之一是具有非零的磁約束的自由鐵磁層，在出現(xiàn)施加磁場情況下，其磁矩是自由旋轉(zhuǎn)的。在由于懸臂梁偏轉(zhuǎn)出現(xiàn)施加在該自由鐵磁層上的應(yīng)力時，發(fā)生該自由鐵磁層的磁矩的角位移，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)閥式應(yīng)變計的電阻變化。一電阻檢測電路連接到該旋轉(zhuǎn)閥式應(yīng)變計，用于確定懸臂梁的偏轉(zhuǎn)。