專(zhuān)利名稱(chēng)：連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納米科學(xué)領(lǐng)域，特別與連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針及其制造方法有關(guān)。
背景技術(shù)：
掃描探針刻蝕加工技術(shù)(SPL)是利用掃描探針顯微鏡進(jìn)行納米刻蝕加工而發(fā)展成的一種技術(shù)。該技術(shù)將顯微鏡作為定位的“手臂”，將安裝在顯微鏡上的掃描探針作為 “筆”，通過(guò)蘸取具有化學(xué)親和力的分子在基底上“書(shū)寫(xiě)”，形成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有高分辨率、定位準(zhǔn)確、直接書(shū)寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)，在物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的納米尺度研究中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，掃描探針(筆)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是SPL的關(guān)鍵。最初的SPL技術(shù)利用原子力顯微鏡(AFM)探針(Chad Mirkin，2000年)，由于AFM探針針尖直徑可達(dá)10納米，因此刻蝕的最小線寬可達(dá)10納米左右。SPL技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是分辨率極高，但瓶頸是需要不斷地蘸取書(shū)寫(xiě)分子溶液，無(wú)法刻蝕面積很大或者較復(fù)雜的圖形。2008 年，Andre Meister等人發(fā)明了一種內(nèi)置微通道的掃描探針(US Patent 20080302960A1), 在掃描探針針尖處打微型孔，并由內(nèi)置的微通道連通到芯片上的貯液槽。通過(guò)將貯液槽中的分子溶液源源不斷輸送到針尖口，實(shí)現(xiàn)連續(xù)直寫(xiě)，解決了需不斷蘸取書(shū)寫(xiě)液的問(wèn)題。但該技術(shù)也存在致命的缺陷完全改變了分子溶液的傳輸機(jī)理，無(wú)法達(dá)到SPL所需的分辨率， 也就失去了納米刻蝕的意義。SPL技術(shù)是通過(guò)AFM針尖和基底之間形成納米厚的氣液向界面，利用分子運(yùn)動(dòng)從濃度高向濃度低處遷移的原理，使針尖上的分子遷移到基底上，形成分子自組裝。而打孔后，分子溶液直接接觸基底，形成大的液滴，分辨率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種既具有AFM探針的書(shū)寫(xiě)分辨率，又可實(shí)現(xiàn)分子溶液的傳輸，能解決SPL技術(shù)瓶頸的連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了提供這種掃描探針的制造方法。本發(fā)明的目的是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，包括有探針針尖和懸臂梁的硅基底，位于探針針尖周邊與探針針尖之間有環(huán)形針尖微通道從而與探針針尖形成火山口式結(jié)構(gòu)的環(huán)形外殼，探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼外，懸臂梁遠(yuǎn)離探針針尖的一端上有貯液槽，位于懸臂梁內(nèi)的輸送微通道的兩端分別與環(huán)形針尖微通道、貯液槽連通，探針針尖頂端直徑為16 22nm，探針針尖頂端直徑為16 22nm米，保證了納米刻蝕的分辨率，貯液槽使分子溶液通過(guò)毛細(xì)力輸送到探針針尖火山口，實(shí)現(xiàn)分子溶液的連續(xù)供給。上述的探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼0. 8 1. 2mm，環(huán)形外殼壁厚480 520nm，環(huán)形針尖微通道間隙為480 520nm，輸送微通道的直徑為0. 8 1. 2mm。上述的探針針尖頂端直徑為20nm且伸出環(huán)形外殼1 μ m，環(huán)形外殼壁厚500nm，環(huán)形針尖微通道間隙為500nm，輸送微通道的直徑為1mm。
上述的貯液槽形狀為梯形。本發(fā)明方法包括如下步驟
1)在硅基底上利用KOH溶液刻蝕出掃描探針針尖原型，再氧化針尖，刻蝕氧化層使針尖銳化，使針尖直徑達(dá)到16 — 22nm ；
2)在硅基底上依次分別沉積
(1)0. 25-0. 30mm氮化硅薄膜，并刻蝕一個(gè)開(kāi)口以備使其與背面貯液槽連通；
(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅犧牲層；
(3)0.25—0. 5mm氮化硅薄膜；
3)在掃描探針左側(cè)部分刻蝕出微通道開(kāi)口，然后利用CF4溶液刻蝕氧化硅犧牲層，形成微通道；
4)在微通道開(kāi)口兩端沉積一層0.25 0. 35 μ m的氮化硅薄膜，將微通道開(kāi)口密封；
5)刻蝕微通道開(kāi)口處多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向異性刻蝕技術(shù)在硅基底背面刻蝕出貯液槽，即成。工作時(shí)，分子溶液通過(guò)毛細(xì)力能夠從硅基底上貯液槽通過(guò)探針針尖和環(huán)形外殼間環(huán)形針尖微通道輸送到針尖附近，在環(huán)形外殼邊緣即停止，這樣保證了溶液不會(huì)直接流到硅基底上。分子是通過(guò)遷移作用從探針針尖遷移到硅基底，形成自組裝層，這樣保證了刻蝕的分辨率。采用多個(gè)本發(fā)明探針便可形成納米刻蝕掃描探針陳列芯片。本發(fā)明納米刻蝕掃描探針具有以下優(yōu)點(diǎn)。( 1)通過(guò)懸臂梁內(nèi)置微通道將火山口式針尖和硅基底貯液槽連通，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)供給溶液，在硅基底上進(jìn)行連續(xù)直接書(shū)寫(xiě)；
(2)書(shū)寫(xiě)分辨率高，其書(shū)寫(xiě)的納米線條寬度為30nm左右；
(3)采用多個(gè)本發(fā)明掃描探針可形掃描探針陳列芯片，掃描探列芯片可以將書(shū)寫(xiě)溶液同時(shí)輸送到各個(gè)探針頭上，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模連續(xù)直接書(shū)寫(xiě)，可用于大規(guī)模納米刻蝕、納米器件的制造。


圖1為本發(fā)明掃描探針結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明掃描探針工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，包括有探針針尖1和懸臂梁2的硅基底3，位于探針針尖周邊固定于硅基底上且與探針針尖之間有環(huán)形針尖微通道4從而與探針針尖形成火山口式結(jié)構(gòu)的環(huán)形外殼5。探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼外。懸臂梁遠(yuǎn)離探針針尖的一端上有梯形貯液槽6。位于懸臂梁內(nèi)的輸送微通道7的兩端分別與環(huán)形針尖微通道、貯液槽連通。探針針尖頂端直徑為20nm且伸出環(huán)形外殼1mm。環(huán)形外殼壁厚500nm。環(huán)形針尖微通道間隙為500nm。輸送微通道的直徑為1mm。掃描探針各加工參數(shù)可參見(jiàn)表1。圖2為本發(fā)明掃描探針工藝流程圖。參見(jiàn)圖2，本發(fā)明該方法包括如下步驟
1)在硅基底3上利用KOH溶液刻蝕出掃描探針針尖1原型，再氧化針尖，刻蝕氧化層使針尖銳化，使針尖直徑達(dá)到20nm ；2)在硅基底上依次分別沉積
(1)0. 25—0. 30mm氮化硅薄膜8，并刻蝕一個(gè)開(kāi)口 9以備使其與背面貯液槽連通；
(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅犧牲層10 ；
(3)0. 25—0. 3mm 氮化硅薄膜 11 ；
3)在針尖原型左側(cè)部分刻蝕出微通道開(kāi)口4一1，然后利用CF4溶液刻蝕氧化硅犧牲層， 形成微通道4 ；
4)在微通道開(kāi)口兩端沉積一層0.25 0. 30 μ m的氮化硅薄膜4一2、4一3，將微通道開(kāi)口密封；
5)刻蝕微通道開(kāi)口處多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向異性刻蝕技術(shù)在硅基底背面刻蝕出梯形貯液槽6。 表1:掃描探針加工參數(shù)
權(quán)利要求
1.連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，包括有探針針尖和懸臂梁的硅基底，位于探針針尖周邊與探針針尖之間有環(huán)形針尖微通道從而與探針針尖形成火山口式結(jié)構(gòu)的環(huán)形外殼，探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼外，懸臂梁遠(yuǎn)離探針針尖的一端上有貯液槽，位于懸臂梁內(nèi)的輸送微通道的兩端分別與環(huán)形針尖微通道、貯液槽連通，探針針尖頂端直徑為16 22nm。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，其特征在于探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼0. 8 1. 2 μ m，環(huán)形外殼壁厚480 520nm，環(huán)形針尖微通道間隙為480 520nm，輸送微通道的直徑為0. 8 1. 2mm。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，其特征在于探針針尖頂端直徑為20nm且伸出環(huán)形外殼1 μ m，環(huán)形外殼壁厚500nm，環(huán)形針尖微通道間隙為500nm，輸送微通道的直徑為1mm。
4.如權(quán)利要求1 3之一所述的連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，其特征在于貯液槽形狀為梯形。
5.權(quán)利要求1所述的連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針的制造方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)在硅基底上利用KOH溶液刻蝕出掃描探針針尖原型，再氧化針尖，刻蝕氧化層使針尖銳化，使針尖直徑達(dá)到16 — 22nm ；2)在硅基底上依次分別沉積(1)0. 25—0. 30mm氮化硅薄膜，并刻蝕一個(gè)開(kāi)口使其與背面貯液槽連通；(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅犧牲層；(3)0.25—0. 5mm氮化硅薄膜；3)在掃描探針左側(cè)部分刻蝕出微通道開(kāi)口，然后利用CF4溶液刻蝕氧化硅犧牲層，形成微通道；4)在微通道開(kāi)口兩端沉積一層0.25 0. 35 μ m的氮化硅薄膜，將微通道開(kāi)口密封；5)刻蝕微通道開(kāi)口處多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向異性刻蝕技術(shù)在硅基底背面刻蝕出貯液槽，即成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種連續(xù)直寫(xiě)納米粒子溶液的掃描探針，包括有探針針尖和懸臂梁的硅基底，位于探針針尖周邊與探針針尖之間有環(huán)形針尖微通道從而與探針針尖形成火山口式結(jié)構(gòu)的環(huán)形外殼，探針針尖頂端伸出環(huán)形外殼外，懸臂梁遠(yuǎn)離探針針尖的一端上有貯液槽，位于懸臂梁內(nèi)的輸送微通道的兩端分別與環(huán)形針尖微通道、貯液槽連通，探針針尖頂端直徑為18～22nm。本發(fā)明既具有AFM探針的書(shū)寫(xiě)分辨率，又可實(shí)現(xiàn)分子溶液的傳輸，能解決SPL技術(shù)瓶頸。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了提供這種掃描探針的制造方法。
文檔編號(hào)B81B1/00GK102565460SQ20101059193
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者彭倍 申請(qǐng)人:彭倍