專(zhuān)利名稱(chēng)：硅基自銳式afm探針的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅探針的制作方法，尤其涉及原子力顯微鏡的核心機(jī)構(gòu)—— AFM探針的一次成型制備方法，屬于微納機(jī)械傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡是一種利用原子，分子間的相互作用力來(lái)觀察物體表面微觀形貌 的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)。它有一根納米級(jí)的探針(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AFM探針)，被固定在可靈敏操控 的微米級(jí)彈性懸臂上。當(dāng)探針很靠近樣品時(shí)，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力 會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來(lái)的位置，根據(jù)掃描樣品時(shí)探針的偏離量或振動(dòng)頻率重建三維圖 像，就能間接獲得樣品表面的形貌或原子成分。原子力顯微技術(shù)已成為人們觀察和研究 微觀世界的有力工具。AFM探針是原子力顯微鏡的關(guān)鍵組成部分，它的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)原子力顯微鏡儀 器的性能、測(cè)量分辨率和圖像質(zhì)量有極大的影響。AFM探針應(yīng)滿(mǎn)足力學(xué)彈性系數(shù)低、 針尖曲率半徑盡可能小，針尖高寬比盡可能的大以及高的固有頻率、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和橫 向剛度?，F(xiàn)有技術(shù)中，懸臂梁用手工切薄金屬圈或金屬絲網(wǎng)獲得，懸臂梁的尖端多應(yīng)用 金屬半導(dǎo)體、金剛石等材料制備，制作方法有手工粘附微小的金剛石顆粒、腐蝕金屬 絲、通過(guò)電火花熔斷金屬等。小尺寸和輕重量懸臂探針使得手工制造顯得特別困難， 而且其制造重復(fù)性很差；若采用電解腐蝕等常規(guī)方法難以形成納米量級(jí)的針尖；再者， AFM探針易損壞、污染而需要經(jīng)常替換，所以需要尋求批量生產(chǎn)懸臂梁探針的方法。1989年，斯坦福大學(xué)的TAlbrecht等人采用鍵合法制作懸臂粱探針，該探針具有 參數(shù)易優(yōu)化，批量生產(chǎn)，成本較低，性能較好等優(yōu)點(diǎn)。但該探針存在溫度變化時(shí)會(huì)引起 熱失配，固有頻率難以提高，針尖不理想等問(wèn)題。同年晚些時(shí)間，德國(guó)IBM的O.Woler 等研制成功單晶硅材料的AFM探針，然而由于工藝中沒(méi)有自停止腐蝕，懸臂梁的厚度不 易控制且未實(shí)現(xiàn)梁和針尖的同時(shí)成型。1991年瑞士的LBragger等人利用干法刻蝕工藝 實(shí)現(xiàn)AFM探針的一次成型工藝，探針高度可達(dá)15-20微米，高寬比可達(dá)10 1，然而該 工藝仍未解決停止腐蝕的問(wèn)題，且固有頻率較低。1996年丹麥的Anja Boisen采用干法刻 蝕工藝制作了一種堅(jiān)固耐用且高寬比很高的“火箭尖型”探針，該探針因具有高的高寬 比而成為當(dāng)前AFM探針制作工藝的主流技術(shù)。但該探針懸臂梁背面比較粗糙且有一定翹 曲。2004年中國(guó)科學(xué)院的李欣昕等人用SOI片，采用掩膜-無(wú)掩膜技術(shù)制作硅懸臂梁探 針，實(shí)現(xiàn)AFM探針的濕法腐蝕一次成型工藝，但該制作工藝與之前的AFM探針制作工 藝一樣，仍然采用氧化的方法實(shí)現(xiàn)針尖的銳化。2006年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉芳等人進(jìn)行 了滿(mǎn)足自銳效應(yīng)的AFM探針制作工藝的研究，但該工藝流程會(huì)出現(xiàn)同一探針存在多針尖 的可能，成品率低。2007年英國(guó)的D.P. Burt等人提出了可實(shí)現(xiàn)完全自銳的AFM探針制 作工藝，但其工藝沒(méi)有腐蝕自停止工藝且探針的高寬比比較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿(mǎn)足低成本、大高寬比AFM探針的制作需求，克服現(xiàn)有AFM探針制作工 藝需采用氧化工藝銳化針尖的問(wèn)題，本發(fā)明的目的旨在提供一種新的硅基自銳式AFM探 針的制備方法，可完全實(shí)現(xiàn)納米級(jí)AFM探針的一次成型工藝，在簡(jiǎn)化制備工藝的同時(shí)降 低批量制造的成本。本發(fā)明的上述目的，其技術(shù)解決方案是硅基自銳式AFM探針的制備方法，其特征在于采用頂層硅厚度等于AFM探 針針尖高度與懸臂梁厚度之和的雙拋雙氧SOI片為制備原料，在制備原料的頂面對(duì)應(yīng) AFM探針針尖的位置光刻設(shè)置一針尖掩膜，在針尖掩膜的保護(hù)下通過(guò)完全的濕法腐蝕使 針尖自行銳化，直至針尖掩膜脫落、一次成型具納米級(jí)針尖的AFM探針。進(jìn)一步地，其中所述針尖掩膜為邊數(shù)少于六的幾何多邊形結(jié)構(gòu)，具體形狀可為 三角形、矩形、菱形或五邊形中的一種。本發(fā)明的上述目的，其得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案步驟包括I、以雙拋雙氧SOI片硅厚度等于AFM探針針尖高度與懸臂梁厚度之和的一側(cè) 作為頂面，在所述頂面光刻形成AFM探針掩膜；II、對(duì)雙拋雙氧SOI片相對(duì)頂面另一側(cè)的背面光刻形成背面腐蝕窗口 ；III、對(duì)雙拋雙氧SOI片進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅，腐蝕深度等于AFM探針懸臂 梁的厚度；IV、對(duì)頂面進(jìn)行光刻，形成六邊以下幾何多邊形結(jié)構(gòu)的針尖掩膜；V、再次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅，直至針尖掩膜脫落，形成納米級(jí)的針尖；VI、在頂面采用PECVD沉積一層二氧化硅保護(hù)層；ΥΠ、第三次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕背面硅，直至完全露出雙拋雙氧SOI片的二 氧化硅埋層；通、采用BOE溶液腐蝕二氧化硅埋層及保護(hù)層。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，其有益效果體現(xiàn)在；按照本發(fā)明制備方法的步驟實(shí)施，真正實(shí)現(xiàn)了濕法腐蝕一次成型納米級(jí)針尖的 AFM探針制作，解決了探針針尖需氧化工藝銳化的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了 AFM探針的制作 成本。


圖1為本發(fā)明雙拋雙氧SOI片在進(jìn)行針尖自銳腐蝕前針尖掩膜的示意圖；圖2為本發(fā)明AFM探針針尖及懸臂梁腐蝕成型前后的剖面示意圖，其中虛線部 分是腐蝕開(kāi)始前的雙拋雙氧SOI片樣品示意圖；圖3為本發(fā)明AFM探針制作的工藝流程示意圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義如下1 懸臂梁，2 針尖掩膜，3 針尖，4 硅，5 二氧化硅埋層，51 二氧化 硅保護(hù)層，6 雙拋雙氧SOI片。
具體實(shí)施例方式為了滿(mǎn)足低成本、大高寬比AFM探針的制作需求，克服現(xiàn)有AFM探針制作工 藝需采用氧化工藝銳化針尖的問(wèn)題，本發(fā)明的目的旨在提供一種新的硅基自銳式AFM探 針的制備方法，可完全實(shí)現(xiàn)納米級(jí)AFM探針的一次成型工藝，在簡(jiǎn)化制備工藝的同時(shí)降 低批量制造的成本。從總體上來(lái)看，本發(fā)明硅基自銳式AFM探針的制備方法為采用頂層硅厚度等 于所需AFM探針針尖高度與懸臂梁厚度之和的雙拋雙氧SOI片為制備原料，在制備原料 的頂面對(duì)應(yīng)AFM探針針尖的位置光刻設(shè)置一針尖掩膜，在針尖掩膜的保護(hù)下通過(guò)完全的 濕法腐蝕使針尖自行銳化，直至針尖掩膜脫落、一次成型具納米級(jí)針尖的AFM探針。上述制備方法中，為實(shí)現(xiàn)AFM探針針尖在針尖掩膜保護(hù)下能被腐蝕自行銳化， 針尖掩膜通常選用邊數(shù)少于六邊的幾何多邊形結(jié)構(gòu)，可選的形狀包括三角形、矩形、平 行四邊形、菱形或五邊形中的一種，比較優(yōu)選的是具兩個(gè)以上銳角的三角形及五邊形， 如圖1所示。以下便通過(guò)本發(fā)明一具體實(shí)施例詳細(xì)介紹該AFM探針的制備過(guò)程。本實(shí)施例 中，AFM探針支架尺寸(即AFM探針主體的支撐結(jié)構(gòu)部分)為1.6mmX 3.4mm，懸臂梁 尺寸長(zhǎng)寬厚為100 μ mX40 μ mX 2.5 μ m，探針高度為12 μ m。如圖3所示的工藝流程示 意圖可見(jiàn)其步驟包括I、選用雙拋雙氧SO片6為制備原料，該雙拋雙氧SOI片6具有二氧化 硅-硅-二氧化硅埋層-硅-二氧化硅的多層夾心結(jié)構(gòu)(如圖3a所示)，選用硅厚度等 于AFM探針針尖高度與懸臂梁厚度之和的一側(cè)作為頂面，在頂面光刻形成AFM探針掩 膜(如圖3b所示)；II、對(duì)雙拋雙氧SOI片相對(duì)頂面另一側(cè)的背面光刻形成背面腐蝕窗口(如圖3c 所示)；III、去除光刻膠，采用KOH溶液對(duì)雙拋雙氧SOI片進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅， 腐蝕深度等于2.5 μ m(如圖3d所示)；IV、背面光刻膠保護(hù)，對(duì)頂面進(jìn)行光刻，形成三角形的針尖掩膜2(如圖3e所 示)；V、去除光刻膠，采用KOH溶液再次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅4，直至針尖掩 膜2脫落，形成納米級(jí)的針尖3。同時(shí)由于步驟III中AFM探針周?chē)母g深度等于懸 臂梁的探針厚度，從各向異性濕法腐蝕均勻性考慮，故當(dāng)腐蝕直至露出二氧化硅埋層5 時(shí)，即使得AFM探針懸臂梁1達(dá)到所需厚度2.5 μ m，且AFM探針懸臂梁1達(dá)到所需寬 度40μιη;(如圖3f所示)；VI、在頂面采用PECVD沉積一層500nm的二氧化硅保護(hù)層(如圖3g所示)；ΥΠ、去除用于保護(hù)的光刻膠，第三次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕背面硅，直至完全 露出雙拋雙氧SOI片的二氧化硅埋層51 (如圖3h所示)；通、最后采用BOE溶液腐蝕完全去除二氧化硅5及二氧化硅保護(hù)層51，制得懸 空狀且具有較大高寬比的AFM探針(如圖3i所示)。按照上述步驟實(shí)施，本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了濕法腐蝕一次成型納米級(jí)針尖的AFM探 針制作，解決了探針針尖需氧化工藝銳化的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了 AFM探針的制作成本。
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需要一提的是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案和 技術(shù)構(gòu)思做出其它各種相應(yīng)的改變和變形，而這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.硅基自銳式AFM探針的制備方法，其特征在于采用頂層硅厚度等于AFM探針 針尖高度與懸臂梁厚度之和的雙拋雙氧SOI片為制備原料，在制備原料的頂面對(duì)應(yīng)AFM 探針針尖的位置光刻設(shè)置一針尖掩膜，在針尖掩膜的保護(hù)下通過(guò)完全的濕法腐蝕使針尖 自行銳化，直至針尖掩膜脫落、一次成型具有納米級(jí)針尖的AFM探針。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基自銳式AFM探針的制備方法，其特征在于所述針尖 掩膜為邊數(shù)少于六的幾何多邊形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基自銳式AFM探針的制備方法，其特征在于所述 探針掩膜的形狀為三角形、矩形、菱形或五邊形中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基自銳式AFM探針的制備方法，其特征在于包括步驟I、以雙拋雙氧SOI片硅厚度等于AFM探針針尖高度與懸臂梁厚度之和的一側(cè)作為 頂面，在所述頂面光刻形成AFM探針掩膜；II、對(duì)雙拋雙氧SOI片相對(duì)頂面另一側(cè)的背面光刻形成背面腐蝕窗口；III、對(duì)雙拋雙氧SOI片進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅，腐蝕深度等于AFM探針懸臂梁的 厚度；IV、對(duì)頂面進(jìn)行光刻，形成六邊以下幾何多邊形結(jié)構(gòu)的針尖掩膜；V、再次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕硅，至針尖掩膜脫落形成納米級(jí)的針尖；VI、在頂面采用PECVD沉積一層二氧化硅保護(hù)層；VII、第三次進(jìn)行各向異性濕法腐蝕背面硅，直至完全露出雙拋雙氧SOI片的二氧化 硅埋層；通、采用BOE溶液腐蝕二氧化硅埋層及保護(hù)層。
全文摘要
本發(fā)明揭示了微納機(jī)械傳感器領(lǐng)域中的一種硅基自銳式AFM探針的制備方法，采用頂層硅厚度等于AFM探針針尖高度與懸臂梁厚度之和的雙拋雙氧SOI片為制備原料，在制備原料的頂面對(duì)應(yīng)AFM探針針尖的位置光刻設(shè)置一針尖掩膜，在針尖掩膜的保護(hù)下通過(guò)完全的濕法腐蝕使針尖自行銳化，直至針尖掩膜脫落、一次成型具有納米級(jí)針尖的AFM探針。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案按步驟實(shí)施，真正實(shí)現(xiàn)了濕法腐蝕一次成型納米級(jí)針尖的AFM探針制作，解決了探針針尖需氧化工藝銳化的問(wèn)題，進(jìn)一步降低了AFM探針的制作成本。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102012439SQ201010503888
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者吳東岷, 李加?xùn)| 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所