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    一種熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。支持元件具有一狹縫或一通孔，並具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面。導電圖案設置於第一表面。探針頭具有一底座及一針尖，針尖設置於底座，並穿過狹縫或通孔，且突出於第一表面，底座與第二表面連接。本發明之熱探針的探針頭為可更換，且使用者可以根據其需求選用最佳的探針頭、導電圖案及支持元件的組合。
    公开号:TW201303303A
    申请号:TW100124685
    申请日:2011-07-12
    公开日:2013-01-16
    发明作者:Bernard Hao-Chih Liu；fang-yi Liao；Jian-Hong Chen
    申请人:Univ Nat Cheng Kung；
    IPC主号:G01Q60-00
    专利说明:
    熱探針
    本發明係關於一種探針，特別關於一種掃描用熱探針。
    由於原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)(或稱掃描探針顯微術)(Scanning Probe Microscopy,SPM)係指具有掃描機制與動作及微細探針機制的顯微技術，並已成為奈米科技以及生物醫學研究上的重要儀器。
    請參照圖1所示，其為習知一種使用掃描探針檢測一待測物表面的示意圖。當一待測物11的表面被探針12掃描時，一發光元件13發出一光束(例如雷射光)照射於探針12之一懸樑臂(cantilever)121，該光束反射而被光感測元件14(例如光二極體)所接收。控制回饋電路15接收由光感測元件14轉換之訊號並回饋控制一掃描機構16移動，進而可調整待測物11之位置，使得探針頭122(tip)與待測物11表面之間的某種交互作用維持一定值。而調整待測物11之位置的微調資料就是與表面的交互作用資料，通常對應的即為待測物11之表面結構形狀。
    因此，使用於奈米科技以及生物醫學研究上之原子力顯微術的功能上突破均需仰賴新穎探針的設計與製作，也因為如此，掃描探針係為原子力顯微術之技術核心。另外，掃描熱探針顯微術(Scanning thermal probe microscopy，SThM)是基於原子力顯微鏡的另一項技術，與原子力顯微鏡不同在於，掃描熱探針顯微術具有可加熱之熱探針，利用此熱探針進行掃描時，可得到試片表面的溫度分布。由於這項技術的發明，材料熱分析的尺度得以推展至次微米及微米的尺度。
    然而，現今許多掃描用熱探針的製作都是使用矽的微機電製程，亦即探針頭、加熱器、懸臂樑皆為矽材料製作而成，雖然製程上較為簡單，且品質也較易控制，但是，無論是在探針頭的磨耗上、或加熱器的運用溫度、或量測可達溫度上皆有其限制性。另外，當熱探針之探針頭進行掃描時，會與試片表面發生作用而產生磨耗，若探針頭的曲率半徑持續增大，將會影響成像的解析度。若因不同功能需更換探針頭時，習知的熱探針也無法更換探針頭，而需將熱探針全部更換。此外，習知的探針頭、加熱器及懸臂樑為單一的矽材料製作，因此，使用者無法根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑之組合。
    因此，如何提供一種掃描用熱探針，不僅其探針頭為可更換，且使用者可以根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑的組合，已成為重要課題之一。
    有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種不僅其探針頭為可更換，且使用者可以根據其需求選用最佳的探針頭、加熱器及懸臂樑的組合之熱探針。
    為達上述目的，依據本發明之一種熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。支持元件具有一狹縫或一通孔，並具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面。導電圖案設置於第一表面。探針頭具有一底座及一針尖，針尖設置於底座，並穿過狹縫或通孔，且突出於第一表面，底座與第二表面連接。
    在一實施例中，導電圖案的材料包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物、金屬氮化物或矽。
    在一實施例中，導電圖案的製程包含薄膜沉積、離子佈植或聚焦離子束。
    在一實施例中，探針頭的材料包含鑽石、氮化鈦、氮化矽、碳化矽或其組合。
    在一實施例中，底座與針尖係為一體成型。
    在一實施例中，針尖接觸導電圖案。
    在一實施例中，探針頭為可更換。
    在一實施例中，熱探針更包括一黏合層，其係設置於底座與第二表面之間。
    在一實施例中，熱探針更包括一隔熱層，其係設置於第二表面。
    在一實施例中，熱探針更包括一熱絲，係設置於第一表面，並與導電圖案電性連接。
    承上所述，因依據本發明之熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。支持元件具有一狹縫或一通孔，並具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面，而導電圖案設置於第一表面。另外，探針頭具有一底座及一針尖，針尖設置於底座，並穿過狹縫或通孔，且突出於第一表面，底座係與第二表面連接。藉此，可藉由加熱區之導電圖案的金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案之電阻值來加熱。當施加電流至導電圖案時，可使加熱區產生焦耳熱，以對探針頭做全面的加熱。因此，本發明之熱探針可應用於掃描熱探針顯微術及其它相關的領域。
    另外，本發明之熱探針可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。此外，在本發明之一實施例中，探針頭的材料係為單晶鑽石，使得熱探針具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，探針頭不易磨損，故可節省熱探針的使用成本。另外，由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭可以解決上述的問題。
    以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種熱探針，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
    請參照圖2A及圖2B所示，其分別為本發明較佳實施例之一種熱探針2的分解示意圖及組合示意圖。本發明之熱探針2可應用於微電子元件的熱分析、非均質材料之熱呈像(thermal mapping)、記憶儲存(data storage)、近場光熱微頻譜儀(Near-field photothermal microspectroscopy)、微區加熱(localized heating)及微奈米結構加工、修飾等。於此，並不加以限制其使用領域。其中，熱探針2包括一支持元件21、一導電圖案22以及一探針頭23。
    支持元件21具有一狹縫S或一通孔，並具有一第一表面S1及與第一表面S1相對之一第二表面S2。於此，係以一狹縫S為例。支持元件21的材料可包含矽，例如可為單晶矽。其中，支持元件21的長、寬、高之尺寸可例如為450×60×4μm或350x60x3μm，當然並不以此為限。使用者可依其需求設計及製作不用尺寸的支持元件21。另外，支持元件21是以黃光製程(半導體製程)製作，其中，黃光製程可包括光阻塗佈、曝光顯影(lithography)、蝕刻(Etching)及去除光阻等步驟。黃光製程係為習知製程，於此不再贅述。在本實施例中，支持元件21係以具有兩個分開的支持臂A、B為例。其中，分開之支持臂A、B的優點是可利用兩者之間的空氣隔熱，以避免熱能因材料熱傳導而逸失。
    另外，值得一提的是，支持元件21的形狀並不以圖2A及圖2B為限，當然，使用者可依據其需求設計不用形狀的支持元件21。例如不使用如圖2A及圖2B之分開的支持臂A、B，而是一整片的支撐臂(圖未顯示)。不過，若使用整片的支撐臂時，支撐臂上的導電圖案22不可彼此電性接觸而造成短路。
    導電圖案22係設置於支持元件21之第一表面S1上，以形成一加熱區C。其中，加熱區C為導電圖案22可用以加熱探針頭231的區域。導電圖案22的材料例如可包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物(例如PbO或RuO2)、金屬氮化物(例如TaN)或矽(使用離子佈值，使其具電阻特性)等任何具有限導電性(具電阻性)之材料。於此，並不加以限制其使用的材料。因此，使用者可根據其需求利用加熱區C之導電圖案22的金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案22之電阻值，並施加電流至導電圖案22，使加熱區C產生焦耳熱，以對探針頭23做全面的加熱。
    在本實施例中，如圖2A及圖2B所示，支持臂A、B之導電圖案22的寬度例如為17.5μm，而加熱區C的導電圖案22的寬度例如為4μm，當然，亦不以此為限。使用者也可依其需求設計及製造不同寬度的導電圖案22。此外，圖2A之導電圖案22只是舉例，當然，導電圖案22也可是其它的圖案。
    導電圖案22的製程可例如包含薄膜沉積、離子佈植(ion implantation)或聚焦離子束(focused ion beam,FIB)。其中，薄膜沉積可使用濺鍍(Sputter)法、蒸鍍(Evaporation)法或化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)等來製作。其例如可為超高真空離子束濺鍍法(Ultra-High Vacuum Ion Beam Sputtering,UHV-IBS)、電漿輔助化學氣相沈積法(Plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)或其它法。另外，離子佈植是將具有一定能量的離子植入固體表面的方法。而聚焦離子束是利用電場加速離子束，並透過靜電透鏡聚焦，將高能量的離子撞擊矽基板，並配合不同的反應氣體，達到蝕刻與蒸鍍的目的。
    在本實施例中，係利用薄膜沉積製程製作金屬薄膜在支持元件21上，再進行蝕刻，以將加熱區C之導電圖案22定義出來。本實施例之導電圖案22的材料係為鎢。
    請再參照圖2A及圖2B所示，探針頭23具有一底座231及一針尖232，針尖232係設置於底座231。其中，底座231與針尖232可為一體成型，也可不為一體成型。另外，探針頭23的材料例如可包含鑽石、氮化鈦(TiN)、氮化矽(Si3N4)、碳化矽(SiC)，或其他不具導電性之陶瓷、高分子、複合材料或其組合。上述的材料均具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，使用者可根據其需求選擇適合之材料作為熱探針2的探針頭23，且不同材料及尺寸的探針頭23均可適用於熱探針2。在本實施例中，底座231與針尖232係為一體成型，且其材料均為單晶鑽石。其中，單晶鑽石具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性。由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭23可以解決上述問題。不過，使用者可不必將探針頭23的材料侷限於上述幾種，也可利用熱探針2之導電圖案22具有加熱的特性將可融熔之探針頭23的材料融化，以將熱探針2做為奈米級或微米級的熱溶膠槍或點焊槍來使用。
    如圖2B所示，探針頭23之針尖232係設置於底座231，並穿過狹縫S或通孔，且突出於第一表面S1。換言之，探針頭23之針尖232係由支持元件21的背面穿過狹縫S，並突出於第一表面S1，且使得底座231與第二表面S2連接。於此，係將導電圖案22之加熱區C的下方，且為支持元件21的第二表面S2當成探針頭2的連接載台，以固定探針頭23。其中，可利用掃描式電子顯微鏡及微型機械手臂來操作。因此，不同材料及尺寸的探針頭23均可適用並連接於支持元件21的第二表面S2，且當探針頭23因磨損或需不同功能需更換時，可將探針頭23與支持元件21之第二表面S2分離，並更換另一探針頭而不需將整支熱探針2丟棄。如此，可節省熱探針2的成本支出。另外，本發明之熱探針2可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭23，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。
    熱探針2更可包括一黏合層(圖未顯示)，黏合層係設置於底座231與第二表面S2之間，使探針頭23可更穩固地與支持元件21之第二表面S2連結。其中，黏合層例如可為快乾膠(氰基丙烯酸酯)或環氧樹脂等。
    再說明的是，導電圖案22可接觸針尖232，也可不接觸針尖232。於此，導電圖案22係接觸針尖232。導電圖案22接觸針尖232時，針尖232的加熱速率可以更快，可縮短探針頭23的加熱時間。
    此外，請參照圖2C及圖2D所示，其分別為本發明之熱探針2的另一示意圖。熱探針2更可包括一基座25，支持元件21係設置於基座25，並突設於基座25，且探針頭23設置於支持元件21遠離基座25之一端。其中，基座25與支持元件21可為一體成形，且其材料可包含矽。
    另外，請參照圖3所示，其為本發明另一態樣之熱探針2a的示意圖。
    與熱探針2不同的是，熱探針2a更可包括一隔熱層24，隔熱層24係設置於第二表面S2。其中，隔熱層24的厚度可例如為1μm。當然，並不以此為限。
    由於黏合層的耐熱溫度有限，為避免底座231與支持元件21之第二表面S2在加熱期間發生崩離的問題，因此，可於支持元件21之第二表面S2上先沉積一層隔熱層，例如可為氮化矽(Si3N4)、二氧化矽(SiO2)或其它隔熱材料，以延長熱探針2a的使用壽命。
    另外，請參照圖4所示，其為本發明另一較佳實施例之熱探針3的示意圖。
    熱探針3與熱探針2a主要的不同在於，熱探針3之導電圖案32的製程係以離子佈植來完成，且其佈植深度為0.3μm，而其圖案亦與熱探針2a不同，如圖4所示。當然，佈植深度及圖案並不以此為限。
    另外，請參照圖5所示，其為本發明又一較佳實施例之熱探針4的示意圖。
    熱探針4與熱探針2a主要的不同在於，熱探針4更可包括一熱絲H，其係設置於第一表面S1，且熱絲H與導電圖案42電性連接。於此，熱絲H係位於加熱區C，且電性連接於銅、銀或金等高導電材料製作之導電圖案42。另外，熱絲H可接觸探針頭43或接近針尖432，以提高針尖432的加熱效率。其中，熱絲H的材料例如可為鎢。
    此外，熱探針2a、3、4的其它技術特徵可參照熱探針2，於此不再贅述。
    承上，本發明之熱探針2、2a、3、4可藉由加熱區C之導電圖案22、32之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整其電阻值，或利用熱絲H來加熱。當施加電流至導電圖案22、32時，可使加熱區C產生焦耳熱，以對探針頭23、33、43做全面的加熱。另外，當探針頭23、33、43因磨損或需不同功能需更換時，可將探針頭23、33、43與支持元件21、31、41分離，並更換另一探針頭而不需將整支熱探針2、2a、3、4丟棄。如此，可節省熱探針2、2a、3、4的成本支出。另外，本發明之熱探針2、2a、3、4可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭23、33、43，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。
    綜上所述，因依據本發明之熱探針包括一支持元件、一導電圖案以及一探針頭。支持元件具有一狹縫或一通孔，並具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面，導電圖案設置於第一表面。另外，探針頭具有一底座及一針尖，針尖設置於底座，並穿過狹縫或通孔，且突出於第一表面，底座係與第二表面連接。藉此，可藉由加熱區之導電圖案之金屬導線的長度、寬度及厚度的不同來調整導電圖案之電阻值來加熱。當施加電流至導電圖案時，可使加熱區產生焦耳熱，以對探針頭做全面的加熱。因此，本發明之熱探針可應用於掃描熱探針顯微術及其它相關的領域。
    另外，本發明之熱探針可以根據需求而選用最佳的『探針頭、導電圖案及支持元件』之組合，且不僅磨損時或需不同功能時可更換探針頭，且不同材料及尺寸的探針頭均可適用，並不必侷限於單一材料。此外，在本發明之一實施例中，探針頭的材料係為單晶鑽石，使得熱探針具有高硬度、高導熱性及耐磨耗性的特性，因此，探針頭不易磨損，故可節省熱探針的使用成本。另外，由於目前坊間熱探針的加熱溫度無法提高及針尖短小的主要原因即是受限在針尖材料的導熱性不佳，使得加熱器產生之熱能於傳導過程逸失所致。故使用單晶鑽石的探針頭可以解決上述的問題。
    以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
    11．．．待測物
    12．．．探針
    121．．．懸樑臂
    122．．．探針頭
    13．．．發光元件
    14．．．光感測元件
    15．．．控制回饋電路
    16．．．掃描機構
    2、2a、3、4．．．熱探針
    21、31、41．．．支持元件
    22、32、42．．．導電圖案
    23、33、43．．．探針頭
    24、34、44．．．隔熱層
    231、331、431．．．底座
    232、332、432．．．針尖
    25．．．基座
    A、B．．．支持臂
    C．．．加熱區
    H．．．熱絲
    S．．．狹縫
    S1．．．第一表面
    S2．．．第二表面
    圖1為習知一種使用掃描探針檢測一待測物表面的示意圖；
    圖2A及圖2B分別為本發明較佳實施例之一種熱探針的分解示意圖及組合示意圖；
    圖2C及圖2D分別為本發明之熱探針的另一示意圖；
    圖3為本發明另一態樣之熱探針的示意圖；以及
    圖4及圖5分別為本發明另一較佳實施例之熱探針的示意圖。
    2．．．熱探針
    21．．．支持元件
    22．．．導電圖案
    23．．．探針頭
    231．．．底座
    232．．．針尖
    A、B．．．支持臂
    C．．．加熱區
    S．．．狹縫
    S1．．．第一表面
    S2．．．第二表面
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種熱探針，包括：一支持元件，具有一狹縫或一通孔，並具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面；一導電圖案，設置於該第一表面；以及一探針頭，具有一底座及一針尖，該針尖設置於該底座，並穿過該狹縫或該通孔，且突出於該第一表面，該底座與該第二表面連接。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該導電圖案的材料包含鎳磷合金、鎢、鉑、碳、鎳鉻合金、金屬氧化物、金屬氮化物或矽。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該導電圖案的製程包含薄膜沉積、離子佈植或聚焦離子束。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該探針頭的材料包含鑽石、氮化鈦、氮化矽、碳化矽或其組合。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該底座與該針尖係為一體成型。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該針尖接觸該導電圖案。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，其中該探針頭為可更換。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一黏合層，係設置於該底座與該第二表面之間。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一隔熱層，係設置於該第二表面。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之熱探針，更包括：一熱絲，係設置於該第一表面，並與該導電圖案電性連接。
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    法律状态:
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100124685A|TWI438436B|2011-07-12|2011-07-12|熱探針|TW100124685A| TWI438436B|2011-07-12|2011-07-12|熱探針|
    US13/545,647| US8578511B2|2011-07-12|2012-07-10|Thermal probe|
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