CN102012439A - 硅基自锐式afm探针的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了微纳机械传感器领域中的一种硅基自锐式AFM探针的制备方法，采用顶层硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具有纳米级针尖的AFM探针。应用本发明的技术方案按步骤实施，真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的AFM探针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了AFM探针的制作成本。

Description

硅基自锐式AFM探针的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅探针的制作方法，尤其涉及原子力显微镜的核心机构——AFM探针的一次成型制备方法，属于微纳机械传感器领域。
背景技术
原子力显微镜是一种利用原子，分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针(以下简称AFM探针)，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上。当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置，根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。原子力显微技术已成为人们观察和研究微观世界的有力工具。
AFM探针是原子力显微镜的关键组成部分，它的结构和性能对原子力显微镜仪器的性能、测量分辨率和图像质量有极大的影响。AFM探针应满足：力学弹性系数低、针尖曲率半径尽可能小，针尖高宽比尽可能的大以及高的固有频率、机械品质因数和横向刚度。现有技术中，悬臂梁用手工切薄金属圈或金属丝网获得，悬臂梁的尖端多应用金属半导体、金刚石等材料制备，制作方法有：手工粘附微小的金刚石颗粒、腐蚀金属丝、通过电火花熔断金属等。小尺寸和轻重量悬臂探针使得手工制造显得特别困难，而且其制造重复性很差；若采用电解腐蚀等常规方法难以形成纳米量级的针尖；再者，AFM探针易损坏、污染而需要经常替换，所以需要寻求批量生产悬臂梁探针的方法。
1989年，斯坦福大学的T.Albrecht等人采用键合法制作悬臂粱探针，该探针具有参数易优化，批量生产，成本较低，性能较好等优点。但该探针存在温度变化时会引起热失配，固有频率难以提高，针尖不理想等问题。同年晚些时间，德国IBM的O.Woler等研制成功单晶硅材料的AFM探针，然而由于工艺中没有自停止腐蚀，悬臂梁的厚度不易控制且未实现梁和针尖的同时成型。1991年瑞士的J.B rugger等人利用干法刻蚀工艺实现AFM探针的一次成型工艺，探针高度可达15-20微米，高宽比可达10∶1，然而该工艺仍未解决停止腐蚀的问题，且固有频率较低。1996年丹麦的Anja Boisen采用干法刻蚀工艺制作了一种坚固耐用且高宽比很高的“火箭尖型”探针，该探针因具有高的高宽比而成为当前AFM探针制作工艺的主流技术。但该探针悬臂梁背面比较粗糙且有一定翘曲。2004年中国科学院的李欣昕等人用SOI片，采用掩膜-无掩膜技术制作硅悬臂梁探针，实现AFM探针的湿法腐蚀一次成型工艺，但该制作工艺与之前的AFM探针制作工艺一样，仍然采用氧化的方法实现针尖的锐化。2006年中国科学技术大学刘芳等人进行了满足自锐效应的AFM探针制作工艺的研究，但该工艺流程会出现同一探针存在多针尖的可能，成品率低。2007年英国的D.P. Burt等人提出了可实现完全自锐的AFM探针制作工艺，但其工艺没有腐蚀自停止工艺且探针的高宽比比较低。
发明内容
为了满足低成本、大高宽比AFM探针的制作需求，克服现有AFM探针制作工艺需采用氧化工艺锐化针尖的问题，本发明的目的旨在提供一种新的硅基自锐式AFM探针的制备方法，可完全实现纳米级AFM探针的一次成型工艺，在简化制备工艺的同时降低批量制造的成本。
本发明的上述目的，其技术解决方案是：
硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于：采用顶层硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具纳米级针尖的AFM探针。
进一步地，其中所述针尖掩膜为边数少于六的几何多边形结构，具体形状可为三角形、矩形、菱形或五边形中的一种。
本发明的上述目的，其得以实现的技术方案步骤包括：
Ⅰ、以双抛双氧SOI片硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为顶面，在所述顶面光刻形成AFM探针掩膜；
Ⅱ、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口；
Ⅲ、对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于AFM探针悬臂梁的厚度；
Ⅳ、对顶面进行光刻，形成六边以下几何多边形结构的针尖掩膜；
Ⅴ、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，直至针尖掩膜脱落，形成纳米级的针尖；
Ⅵ、在顶面采用PECVD沉积一层二氧化硅保护层；
Ⅶ、第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二氧化硅埋层；
Ⅷ、采用BOE溶液腐蚀二氧化硅埋层及保护层。
应用本发明的技术方案，其有益效果体现在；
按照本发明制备方法的步骤实施，真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的AFM探针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了AFM探针的制作成本。
附图说明
图1为本发明双抛双氧SOI片在进行针尖自锐腐蚀前针尖掩膜的示意图；
图2为本发明AFM探针针尖及悬臂梁腐蚀成型前后的剖面示意图，其中虚线部分是腐蚀开始前的双抛双氧SOI片样品示意图；
图3为本发明AFM探针制作的工艺流程示意图。
图中各附图标记的含义如下：
1～悬臂梁，2～针尖掩膜，3～针尖，4～硅，5～二氧化硅埋层，51～二氧化硅保护层，6～双抛双氧SOI片。
具体实施方式
为了满足低成本、大高宽比AFM探针的制作需求，克服现有AFM探针制作工艺需采用氧化工艺锐化针尖的问题，本发明的目的旨在提供一种新的硅基自锐式AFM探针的制备方法，可完全实现纳米级AFM探针的一次成型工艺，在简化制备工艺的同时降低批量制造的成本。
从总体上来看，本发明硅基自锐式AFM探针的制备方法为：采用顶层硅厚度等于所需AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具纳米级针尖的AFM探针。
上述制备方法中，为实现AFM探针针尖在针尖掩膜保护下能被腐蚀自行锐化，针尖掩膜通常选用边数少于六边的几何多边形结构，可选的形状包括三角形、矩形、平行四边形、菱形或五边形中的一种，比较优选的是具两个以上锐角的三角形及五边形，如图1所示。
以下便通过本发明一具体实施例详细介绍该AFM探针的制备过程。本实施例中，AFM探针支架尺寸(即AFM探针主体的支撑结构部分)为1.6mm×3.4mm，悬臂梁尺寸长宽厚为100μm×40μm×2.5μm，探针高度为12μm。如图3所示的工艺流程示意图可见其步骤包括：
Ⅰ、选用双抛双氧SO片6为制备原料，该双抛双氧SOI片6具有二氧化硅-硅-二氧化硅埋层-硅-二氧化硅的多层夹心结构(如图3a所示)，选用硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为顶面，在顶面光刻形成AFM探针掩膜(如图3b所示)；
Ⅱ、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口(如图3c所示)；
Ⅲ、去除光刻胶，采用KOH溶液对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于2.5μm(如图3d所示)；
Ⅳ、背面光刻胶保护，对顶面进行光刻，形成三角形的针尖掩膜2(如图3e所示)；
Ⅴ、去除光刻胶，采用KOH溶液再次进行各向异性湿法腐蚀硅4，直至针尖掩膜2脱落，形成纳米级的针尖3。同时由于步骤Ⅲ中AFM探针周围的腐蚀深度等于悬臂梁的探针厚度，从各向异性湿法腐蚀均匀性考虑，故当腐蚀直至露出二氧化硅埋层5时，即使得AFM探针悬臂梁1达到所需厚度2.5μm，且AFM探针悬臂梁1达到所需宽度40μm；(如图3f所示)；
Ⅵ、在顶面采用PECVD沉积一层500nm的二氧化硅保护层(如图3g所示)；
Ⅶ、去除用于保护的光刻胶，第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二氧化硅埋层51(如图3h所示)；
Ⅷ、最后采用BOE溶液腐蚀完全去除二氧化硅5及二氧化硅保护层51，制得悬空状且具有较大高宽比的AFM探针(如图3i所示)。
按照上述步骤实施，本发明真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的AFM探针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了AFM探针的制作成本。
需要一提的是：对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于：采用顶层硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具有纳米级针尖的AFM探针。
2.根据权利要求1所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于：所述针尖掩膜为边数少于六的几何多边形结构。
3.根据权利要求1或2所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于：所述探针掩膜的形状为三角形、矩形、菱形或五边形中的一种。
4.根据权利要求1所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于包括步骤：
Ⅰ、以双抛双氧SOI片硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为顶面，在所述顶面光刻形成AFM探针掩膜；
Ⅱ、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口；
Ⅲ、对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于AFM探针悬臂梁的厚度；
Ⅳ、对顶面进行光刻，形成六边以下几何多边形结构的针尖掩膜；
Ⅴ、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，至针尖掩膜脱落形成纳米级的针尖；
Ⅵ、在顶面采用PECVD沉积一层二氧化硅保护层；
Ⅶ、第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二氧化硅埋层；
Ⅷ、采用BOE溶液腐蚀二氧化硅埋层及保护层。
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