專利名稱：一種傾斜式超大高寬比afm探針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅探針及其制作方法，尤其涉及原子力顯微鏡的核心構(gòu)件一傾斜式AFM探針及其制備方法，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觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術(shù)。它有一根納米級的探針(以下簡稱AFM探針)，被固定在可靈敏操控的微米級彈性懸臂上。當(dāng)探針很靠近樣品時，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會使懸臂彎曲，偏離原來的位置，根據(jù)掃描樣品時探針的偏離量或振動頻率重建三維圖像，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)和性能對原子力顯微鏡儀器的性能、測量分辨率和圖像質(zhì)量有極大的影響。1989年，斯坦福大學(xué)的T. Albrecht等人采用鍵合法制作懸臂粱探針，但該探針存在溫度變化時會引起熱失配，固有頻率難以提高，針尖不理想等問題。同年晚些時間，德國IBM的0. Woler等研制成功單晶硅材料的AFM探針， 然而由于工藝中沒有自停止腐蝕，懸臂梁的厚度不易控制且未實現(xiàn)梁和針尖的同時成型。 1991年瑞士的J. B rugger等人利用干法刻蝕工藝實現(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題。1996年丹麥的 Anja Boisen采用干法刻蝕工藝制作了一種堅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年李欣昕等人在SOI片上實現(xiàn)了 AFM探針的濕法腐蝕一次成型工藝，但該工藝制作的AFM探針的高寬比<2。2006年劉芳等人進(jìn)行了滿足自銳效應(yīng)的AFM 探針制作工藝的研究，但該工藝會出現(xiàn)同一探針存在多針尖的可能，成品率低。2007年英國的D. P. Burt等人提出了可實現(xiàn)完全自銳的AFM探針制作工藝，但其工藝沒有腐蝕自停止工藝且探針的高寬比比較低。綜上所述，目前主流的AFM探針都是基于單晶硅材料通過濕法或干法腐蝕而成。 濕法腐蝕針尖的高寬比有限；干法刻蝕一次成型的AFM探針雖然具有大的高寬比，但仍不能突破當(dāng)前工藝對高寬比的限制。而基于SOI襯底的針尖的高度受限于頂層硅的高度，一般均小于15微米，且成本較高。為滿足用戶對超大高寬比的需求，突破當(dāng)前刻蝕工藝對超大高寬比AFM探針制備的限制，俄國結(jié)晶及技術(shù)有限公司提出采用蒸汽-液體-固體(VSL)機(jī)制在懸臂梁上生長晶須作為探針針尖的方法，該制作方法是在頂層硅為(111)型的SOI基片上制作出的垂直式AFM探針，然而該探針不適合近場掃描的應(yīng)用。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，利用碳納米管制備AFM探針屢有報道，碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)性能、非常小的直徑(Inm-IOnm)，因而被認(rèn)為是AFM針尖得良好材料，但由于單根碳納米管可控制備困難，目前采用的方法是在硅針尖頂端組裝或焊接碳納米管，產(chǎn)率低且性能不可控。目前還在探索階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于化學(xué)氣相沉積工藝的傾斜式AFM探針及其制作方法，為傾斜式超大高寬比AFM探針研制開辟了一條新路。突破了當(dāng)前刻蝕工藝對傾斜式超大高寬比 AFM探針制備的限制，克服了當(dāng)前制作工藝產(chǎn)率低且性能不可控的問題，真正實現(xiàn)了傾斜式超大高寬比AFM探針可控制備，提高了傾斜式超大高寬比AFM探針的制備成品率。為了實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案
一種傾斜式超大高寬比AFM探針，其特征在于，所述探針包括傾斜式針尖、懸臂梁及主體支撐結(jié)構(gòu)，所述傾斜式針尖設(shè)于懸臂梁頂端斜面上，所述懸臂梁與主體支撐結(jié)構(gòu)固定連接，所述懸臂梁由(100)型SOI硅片的頂層硅形成，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面，并且，所述探針的高寬比為1-50。如上所述的傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，該方法為
采用頂層硅厚度等于AFM探針懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為制備原料；首先在SOI 硅片的頂層硅上應(yīng)用濕法刻蝕工藝形成AFM探針的懸臂梁；之后在位于懸臂梁頂端斜面上對應(yīng)AFM探針針尖的位置制備催化劑顆粒，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面；然后在光刻膠掩模的保護(hù)下，應(yīng)用干法刻蝕工藝對SOI硅片的底層硅進(jìn)行深硅刻蝕，直至完全露出SOI 硅片的二氧化硅埋層，形成AFM探針的主體支撐結(jié)構(gòu)部分；最后應(yīng)用硅納米線生長工藝及銳化工藝形成AFM探針的針尖，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。進(jìn)一步的，所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，具體包括以下步驟
I、以厚度等于懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為襯底，應(yīng)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在頂層硅表面沉積1-2 μ m厚的二氧化硅掩模層，后采用光刻工藝及濕法刻蝕工藝在頂層硅表面形成AFM探針的懸臂梁；
II、通過光刻工藝、金屬蒸發(fā)工藝及剝離工藝，在懸臂梁頂端斜面對應(yīng)AFM探針針尖的位置制備催化劑顆粒，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面；所述催化劑顆粒為金顆粒；
III、在頂層硅表面涂覆厚度為5-10μ m的光刻膠，以保護(hù)催化劑顆粒；并在SOI硅片的背面應(yīng)用光刻工藝在底層硅上形成刻蝕窗口；
IV、以光刻膠為掩模，應(yīng)用干法刻蝕工藝刻蝕SOI硅片的底層硅，直至完全露出SOI硅片的埋層，形成AFM探針的主體支撐結(jié)構(gòu)部分，然后清洗SOI硅片正反兩面的光刻膠；
V、采用化學(xué)氣相沉積工藝在設(shè)置催化劑顆粒的位置進(jìn)行硅納米線的生長；
VI、采用氧化銳化工藝對所述的硅納米線進(jìn)行氧化銳化，形成傾斜式針尖；
νπ、采用氫氟酸去除暴露在頂層硅和底層硅外面的二氧化硅埋層以及二氧化硅掩模層，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物傾斜式超大高寬比的AFM探針。前述提到的濕法刻蝕工藝包括KOH刻蝕和TMAH刻蝕中的任何一種。前述提到的干法刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕，RIE干法刻蝕和DRIE干法刻蝕中的任何一種。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施，采用硅納米線生長工藝在懸臂梁上形成傾斜式的探針的針尖，突破了當(dāng)前刻蝕工藝對傾斜式超大高寬比AFM探針制備的限制，克服了當(dāng)前制作工藝產(chǎn)率低且性能不可控的問題，真正實現(xiàn)了傾斜式超大高寬比AFM探針可控制備，提高了傾斜式超大高寬比AFM探針的制備成品率。


圖Ia為本發(fā)明傾斜式超大高寬比AFM探針的結(jié)構(gòu)示意圖Ib為圖Ia所述傾斜式超大高寬比AFM探針的局部放大示意圖； 圖2為本發(fā)明傾斜式超大高寬比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 二氧化硅埋層，3 底層硅，4 頂層硅，5 催化劑顆粒，6 傾斜式針尖，7 光刻膠，8 表面氧化層，9 二氧化硅掩模層， 10 硅納米線，11 主體支撐結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式下面參照附圖，結(jié)合實施例，進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。參閱圖1，該傾斜式超大高寬比AFM探針包括傾斜式針尖6、懸臂梁1及主體支撐結(jié)構(gòu)11，所述傾斜式針尖設(shè)于懸臂梁頂端斜面上，所述懸臂梁與主體支撐結(jié)構(gòu)固定連接，所述懸臂梁由(100)型SOI硅片的頂層硅形成，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面。參閱圖2，該傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法為 采用頂層硅厚度等于懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為制備原料；
首先在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在頂層硅表面沉積1-2 μ m厚的二氧化硅掩膜層9;
之后采用光刻及濕法刻蝕工藝在頂層硅表面形成AFM探針的懸臂梁1 ；本實施例中懸臂梁尺寸規(guī)格為100 μ mX 35 μ mX 1. 5 μ m ；并在位于懸臂梁頂端斜面上對應(yīng)AFM探針針尖的位置制備催化劑顆粒5 ；
然后在光刻膠掩模的保護(hù)下，應(yīng)用干法刻蝕工藝對SOI硅片的底層硅3進(jìn)行深硅刻蝕， 直至完全露出SOI硅片的二氧化硅埋層2，形成AFM探針主體的支撐結(jié)構(gòu)部分11 ；本實施例中支撐結(jié)構(gòu)部分的尺寸規(guī)格為1. 6mmX 3. 4mm ；
最后應(yīng)用硅納米線生長工藝及銳化工藝形成AFM探針的針尖6，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物；本實施例中探針針尖的高寬比為15。該方法具體包括以下步驟
I、選用(100)型SOI硅片為制備原料，該SOI硅片是由頂層硅4，二氧化硅埋層2以及底層硅3三部分組成(如圖2a)；所述頂層硅厚度等于AFM探針懸臂梁厚度；本實施例選用頂層硅的厚度為1.5μπι;
II、應(yīng)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在頂層硅4表面沉積1-2μ m厚的二氧化硅掩模層9 (如圖2b);
III、應(yīng)用光刻工藝在SOI硅片的二氧化硅掩模層9上形成頂層硅面刻蝕窗口，分別采用氫氟酸依次腐蝕二氧化硅掩模層9及頂層硅4至二氧化硅埋層2，形成AFM探針的懸臂梁 1 ；本實施例中所形成的懸臂梁的長為100 μ m，寬為35 μ m (如圖2c)
IV、通過光刻工藝、金屬蒸發(fā)工藝及剝離工藝，在對應(yīng)AFM探針針尖的位置制作催化劑顆粒5 ；所述催化劑顆粒為金顆粒(如圖2d)；V、在頂層硅表面涂覆厚度為5-10μ m的光刻膠7，以保護(hù)催化劑顆粒；并在SOI硅片的背面應(yīng)用光刻工藝在底層硅3上形成刻蝕窗口(如圖2e)；
VI、在光刻膠掩模的保護(hù)下，應(yīng)用干法刻蝕工藝對底層硅3進(jìn)行深硅刻蝕，直至完全露出SOI硅片的二氧化硅埋層2，形成AFM探針主體的支撐結(jié)構(gòu)部分11 ；然后清洗SOI硅片正反兩面的光刻膠；本實施例中支撐結(jié)構(gòu)部分的尺寸規(guī)格為1. 6mmX3. 4mm (如圖2f)；
通、采用化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行硅納米線10的生長(如圖2g)； 通、采用氧化銳化工藝對生長完成的硅納米線10進(jìn)行氧化銳化，形成傾斜式AFM探針的針尖6 ；所述的針尖的高寬比為15 (如圖ao ；
IX、采用氫氟酸去除暴露在頂層硅和底層硅外面的二氧化硅埋層后即可得到目標(biāo)產(chǎn)物傾斜式超大高寬比的AFM探針(如圖2i)。以上所述的干法刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕，RIE干法刻蝕和DRIE干法刻蝕中的任何一種。需要一提的是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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
1.一種傾斜式超大高寬比AFM探針，其特征在于，所述探針包括傾斜式針尖、懸臂梁及主體支撐結(jié)構(gòu)，所述傾斜式針尖設(shè)于懸臂梁頂端斜面上，所述懸臂梁與主體支撐結(jié)構(gòu)固定連接，所述懸臂梁由(100)型SOI硅片的頂層硅形成，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面，并且，所述探針的高寬比為1-50。
2.一種如權(quán)利要求1所述的傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于，該方法為采用頂層硅厚度等于AFM探針懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為制備原料；首先在SOI硅片的頂層硅上應(yīng)用濕法刻蝕工藝形成AFM探針的懸臂梁；之后在位于懸臂梁頂端斜面上對應(yīng)AFM探針針尖的位置制備催化劑顆粒，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面；然后在光刻膠掩模的保護(hù)下，應(yīng)用干法刻蝕工藝對SOI硅片的底層硅進(jìn)行深硅刻蝕， 直至完全露出SOI硅片的二氧化硅埋層，形成AFM探針的主體支撐結(jié)構(gòu)部分；最后應(yīng)用硅納米線生長工藝及銳化工藝形成AFM探針的針尖，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟I、以厚度等于懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為襯底，應(yīng)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在頂層硅表面沉積1-2 μ m厚的二氧化硅掩模層，然后采用光刻工藝及濕法刻蝕工藝在頂層硅表面形成AFM探針的懸臂梁；II、通過光刻工藝、金屬蒸發(fā)工藝及剝離工藝，在懸臂梁頂端斜面對應(yīng)AFM探針針尖的位置制備催化劑顆粒，所述懸臂梁頂端斜面為(111)晶面；III、在頂層硅表面涂覆厚度為5-10μ m的光刻膠，以保護(hù)催化劑顆粒；并在SOI硅片的背面應(yīng)用光刻工藝在底層硅上形成刻蝕窗口；IV、以光刻膠為掩模，應(yīng)用干法刻蝕工藝刻蝕SOI硅片的底層硅，直至完全露出SOI硅片的埋層，形成AFM探針的主體支撐結(jié)構(gòu)部分，然后清洗SOI硅片正反兩面的光刻膠；V、采用化學(xué)氣相沉積工藝在設(shè)置催化劑顆粒的位置進(jìn)行硅納米線的生長；VI、采用氧化銳化工藝對生長完成的硅納米線進(jìn)行氧化銳化，形成傾斜式針尖；νπ、采用氫氟酸去除暴露在頂層硅和底層硅外面的二氧化硅埋層以及二氧化硅掩模層，即可得到目標(biāo)產(chǎn)物傾斜式超大高寬比的AFM探針。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于所述(100)型SOI頂層硅的厚度為1-3 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于所述濕法刻蝕包括KOH刻蝕與TMAH刻蝕中的任何一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于所述干法刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕，RIE干法刻蝕和DRIE干法刻蝕中的任何一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種傾斜式超大高寬比AFM探針的制備方法，其特征在于所述催化劑顆粒為金顆粒。
全文摘要
本發(fā)明揭示了微納機(jī)械傳感器領(lǐng)域中的一種傾斜式超大高寬比AFM探針及其制備方法。該探針包括傾斜式針尖、懸臂梁及主體支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于采用頂層硅厚度等于AFM探針懸臂梁厚度的(100)型SOI硅片為制備原料；首先在SOI硅片的頂層硅上應(yīng)用濕法刻蝕工藝形成AFM探針的懸臂梁，之后在位于懸臂梁頂端的(111)面上制備催化劑顆粒；然后采用化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行硅納米線的生長形成AFM探針的針尖，得到目標(biāo)產(chǎn)物。本發(fā)明采用硅納米線生長工藝形成探針的針尖，突破了當(dāng)前工藝對傾斜式超大高寬比AFM探針制備的限制，真正實現(xiàn)了傾斜式超大高寬比AFM探針可控制備。
文檔編號B82Y40/00GK102435785SQ20111036669
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者吳東岷, 李加?xùn)| 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所