CN102279289B - 一种基于(110)单晶硅的微悬臂梁探针制作方法 - Google Patents
一种基于(110)单晶硅的微悬臂梁探针制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于(110)单晶硅的微悬臂梁探针制作方法，属于MEMS和测试技术领域。其特征在于采用基于(110)单晶硅，实现氮化硅微悬臂梁针尖制作的工艺。制作过程中，采用了(110)单晶硅的各向异性腐蚀自停止方法。本发明的有益效果是采用微机电(MEMS)加工工艺即可完成全部工艺流程，并且克服了普通单晶硅各向异性腐蚀溶液对(110)单晶硅表面粗糙度的影响，对工艺设备要求较低，可以批量生产，降低了产品成本。该方法制成的氮化硅纳米探针针尖具有形状极其规范，硬度高和耐磨性好等优点。该方法制作的微悬臂梁探针可用于原子力显微镜(AFM)探针、高密度存储装置探头以及微纳米加工装置。
Description
技术领域
本发明属于MEMS和测试技术领域，涉及一种微悬臂梁探针的制作方法，适用于原子力显微镜(AFM)探针、高密度存储装置探头以及微纳米加工装置。
背景技术
原子力显微镜(AFM)是一种高清晰度表面分析仪，这种表面分析仪器是靠探测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察样品的表面结构。AFM不仅可以观察导体材料的表面形貌，还可以观察非导体材料的表面形貌。因此，它已成为人类观察和研究微观世界的有力工具。传统的AFM主要是激光检测类原子力显微镜。其关键部分是由微悬臂梁及梁端部的探针组成的力传感器，再利用激光束照射微悬臂梁背面，根据激光束的偏转来检测微悬臂梁的运动情况。
商用探针多为金字塔形，2004年，日本的Takayuki Shibata等在文献“Fabrication andcharacterization of diamond AFM probe integrated with PZT thin film sensor andactuator”中提到采用倒模具法制作压电微悬臂梁探针，其探针与微悬臂梁的材料为金刚石，具有较高耐磨度。但该方法制作的探针尖锥度不好，且针尖形状受模具形状的影响，针尖质量较差。2006年，吴辰凯等在文献“AFM氮化硅纳米探针研制”中介绍了一种基于(100)单晶硅的倒金字塔法加工纳米探针，因为倒金字塔结构由四面围成尖点，对掩膜版尺寸及光刻等制作工艺要求很高，稍有偏差就会导致倒金字塔的尖变成短棱，很难加工。2007年，韩国的Hyo-Jin Nam等在文献“Silicon nitride cantilever array integrated with siliconheaters and piezoelectric detectors for probe-based data storage”中介绍了将双面氧化的硅片与双面沉积氮化硅(Si3N4)的硅片键合，制作得到氮化硅，再使用这种晶片制作硅探针和PZT压电薄膜。但通过该制作方法得到的针尖和压电薄膜在氮化硅微悬臂梁的同侧，在光刻过程中会导致针尖与掩膜版的干涉问题，工艺复杂，所使用的SOI晶片成本也很高。
微悬臂梁探针主要包括微悬臂梁、梁端部的针尖以及基底三个部分。利用MEMS加工方法制作微悬臂梁探针，工艺复杂，器件的成品率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种微悬臂梁探针的制作方法，基于(110)单晶硅，充分利用(110)单晶硅中各晶向的特点，采用各向异性自停止腐蚀方法，设计巧妙，方法简单易行；通过向三个自对准的{111}晶面孔腔内淀积氮化硅材料，可以得到一个很标准的两面竖直，另一面斜截的微探针结构，并且其端部锥度很好。克服了传统微悬臂梁探针制作工艺中存在的针尖和掩模版的干涉、针尖锥度不易控制等问题，能够制作得到结构简单、价格低廉、可同时用作具有执行能力的微悬臂梁探针。
(110)单晶硅片在添加了无水乙醇的KOH腐蚀液中进行湿法各向异性腐蚀，使用自停止腐蚀技术，可以得到四个与(110)面垂直的晶面，四个与(110)面呈35.26°夹角的晶面。合理设计其掩膜版，将垂直面和倾斜面组合起来，可以得到一个形状很好的孔腔结构，如图1中的A1B1C1E1、A2B2C2E2、A3B3C3E3、A4B4C4E4。并且腐蚀过程容易控制，不会导致过腐蚀或腐蚀不到位的情况。在图2a中，面ABE和面ACE夹角为70.53°，面ABC即为(110)晶面，E为其端部，在这个四面体中存在两个与(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE为倾斜的(111)晶面或者
晶面，倾斜面与(110)面相交的锐角为35.26°。在图2b中，面ABE和面ACE夹角为109.47°，面ABC即为(110)晶面，E为其端部，在这个四面体中存在两个与(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE为倾斜的
晶面或者
晶面，倾斜面与(110)面相交的锐角为35.26°。
具体工艺步骤如下：
①原始硅片为N型、双面抛光、(110)单晶硅，进行双面热氧化。
②(110)单晶硅片背面处理：背面光刻，形成腐蚀用矩形掩膜窗口，使用干法刻蚀方法形成硅杯。
③(110)单晶硅孔腔制作工艺：正面光刻，使用铬版做掩膜版，铬版上图形保持准确的晶向关系，保证腐蚀探针窗口为三角形，其三角形的位置由铬版的基准线定位。
在(110)单晶硅上存在：面
和面
平行，面
和面
平行。面
和面的夹角为70.53°，面和面夹角为70.53°。面和面的夹角为109.47°，面
和面
夹角为109.47°。可有四组组合：
面
和斜面(111)；面
面
和斜面
面
面
和斜面面面和斜面
可任取四组晶面中的一种或几种，其与(110)晶面的交线组成三角图形的位置，对应为铬版上的三角形窗口。湿法腐蚀出正面的二氧化硅掩膜图形后，再用湿法各向异性腐蚀，制作出由{111}晶面组成的孔腔。
④制作氮化硅悬臂梁及氮化硅探针：为保证后面的工艺不影响针尖的锥度，利用三层氮化硅膜结构，首先淀积硬氮化硅，再淀积作为悬臂梁主体的氮化硅膜，然后淀积一层较硬氮化硅，选择适当的工艺实现悬臂梁氮化硅膜热应力的最佳补偿，最后生长成氮化硅薄膜。
⑤加工正面U型沟槽：正面光刻，采用U型掩模窗口的掩模版，掩模版图形具有释放悬臂梁的沟槽图形，光刻胶作掩膜，干法刻蚀氮化硅U型沟槽，刻蚀深度为氮化硅薄膜的生长厚度。再正面光刻采用U型掩模窗口的掩模版，光刻胶作掩膜，湿法腐蚀二氧化硅U型沟槽，背面涂胶保护，腐蚀深度为二氧化硅薄膜厚度。
⑥释放微悬臂梁：使用湿法腐蚀(110)单晶硅，直至氮化硅悬臂梁释放，得到氮化硅材料的探针针尖。
所述的二氧化硅掩膜可用氮化硅掩膜代替。
所述的氮化硅探针的高度是由掩膜版结构图形中对应三角形部位的窗口面积大小决定的，使用的是单晶硅的各向异性自停止腐蚀方法。
所述的微悬臂和微探针的氮化硅薄膜材料可用金刚石薄膜材料代替。
本发明的有益效果是：
1.在(110)单晶硅基础上利用单晶硅的各向异性自停止腐蚀方法，即可制作出针尖纵横比固定的氮化硅探针，可批量生产，成本较低；
2.基于(110)单晶硅做基底的方法，不仅加工工艺步骤少，而且氮化硅微探针具有形状极其规范，硬度高和耐磨性好等优点，克服了以(100)单晶硅为基底，采用氧化削尖原理制作硅微探针时，需要使用光刻胶保护及二氧化硅作探针掩膜，造成硅微探针的高宽比受到限制的缺陷。
3.该技术采用常规MEMS加工设备，得到的各晶向表面光滑。通过向KOH溶液中添加无水乙醇的方法，解决了常规碱溶液腐蚀(110)单晶硅时，所得到的各向异性结构的表面粗糙度很大的问题，可为MEMS结构的制备提供很好的光学表面。
附图说明
附图1是(110)单晶硅的所使用晶面的关系图。
附图2a和附图2b是经各向异性腐蚀后的硅尖模型原理图。
附图3a是热氧化单晶硅示意图。
附图3b是附图3a的俯视图。
附图4a是背面光刻矩形二氧化硅窗口示意图。
附图4b是附图4a的俯视图。
附图5a是干法刻蚀单晶硅形成硅杯结构示意图。
附图5b是附图5a的俯视图。
附图6a是正面腐蚀形成二氧化硅掩膜示意图。
附图6b是附图6a的俯视图。
附图7a是各向异性腐蚀(110)单晶硅形成孔腔的示意图。
附图7b是附图7a的俯视图。
附图8a是淀积氮化硅膜示意图。
附图8b是附图8a的俯视图。
附图9a是干法刻蚀氮化硅膜示意图。
附图9b是附图9a的俯视图。
附图10a是湿法腐蚀二氧化硅示意图。
附图10b是附图10a的俯视图。
附图11a是背面湿法腐蚀单晶硅释放微悬臂梁示意图。
附图11b是附图11a的俯视图。
图中：1(110)单晶硅；2正面二氧化硅；2′腐蚀二氧化硅后得到的掩膜；3背面二氧化硅；3′背面硅杯窗口；4淀积后形成氮化硅膜；5氮化硅探针针尖；
a硅杯；b孔腔；c干法刻蚀氮化硅U型沟槽；d湿法腐蚀二氧化硅U型沟槽；
在所有的俯视图中，虚线为理论上与(110)晶面垂直的{111}晶面组合，三角形为加工孔腔图形的位置。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施。
实施例1
该实施例制作的氮化硅微悬臂梁探针，微悬臂梁的长为450微米，宽为70微米，针尖高度为5微米。采用厚度为310微米、N型(110)双面抛光单晶硅片为基底制作微悬臂梁探针。
其具体制作工艺流程如下：
①常规热氧化单晶硅片1，在单晶硅片上形成上表面二氧化硅层2和下表面二氧化硅层3，氧化层的厚度约为1微米，如附图3a。
②硅片背面处理工艺：背面光刻，并使用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀二氧化硅，制作得到去除二氧化硅的矩形窗口图形3′，如附图4a，使硅暴露在外面；使用硅的反应离子刻蚀技术(RIE)刻蚀单晶硅的方法，干法刻蚀矩形窗口3′中的硅基底，刻蚀深度为250μm左右，形成硅杯a的侧壁垂直于晶面(110)，如附图5a。
③(110)单晶硅孔腔制作工艺：正面光刻，背面涂胶保护，光刻之前单晶硅片通干氧处理。使用设计好的铬版做掩膜版，铬版上图形与基准线要保持准确的晶向夹角关系。使用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀形成二氧化硅掩膜2’，如附图6a；使用温度85℃条件下，40％的KOH溶液和无水乙醇的混合溶液各向异性腐蚀，制作由{111}晶面组成的孔腔b，如附图7a。
④制作氮化硅悬臂梁及氮化硅探针：为保证后面的工艺不影响针尖的锥度，利用三层氮化硅膜结构，首先低压化学汽相淀积硬氮化硅，再在较低温度下用等离子体气相化学淀积作为悬臂梁主体的氮化硅膜，然后在较高温度下用等离子体气相化学淀积一层较硬氮化硅，选择适当的工艺实现悬臂梁氮化硅膜热应力的最佳补偿，最后生长成氮化硅薄膜4，约1μm厚，如附图8a。
⑤加工正面U型沟槽：正面光刻，采用U型窗口的掩模版，掩模版图形具有释放悬臂梁的窗口图形，正性光刻胶(比如型号BP212光刻胶)作掩膜，干法刻蚀氮化硅U型沟槽c，刻蚀深度为氮化硅薄膜的生长厚度，如附图9a。正面光刻采用U型掩模窗口的掩模版，正性光刻胶(比如型号BP212光刻胶)作掩膜，湿法腐蚀二氧化硅U型沟槽d(背面涂胶保护)，腐蚀深度为二氧化硅薄膜厚度，如附图10a。
⑥释放微悬臂梁：使用添加无水乙醇的KOH溶液湿法腐蚀(110)单晶硅，最终氮化硅悬臂梁得到释放，得到探针针尖5，如附图11a。
Claims (4)
1.一种基于（110）单晶硅的微悬臂梁探针制作方法，其特征在于以下步骤：
① 原始硅片为N型、双面抛光、（110）单晶硅，进行双面热氧化，在两个表面形成二氧化硅薄膜层；
②（110）单晶硅片背面处理：背面光刻，形成腐蚀用矩形掩膜窗口，使用干法刻蚀方法形成硅杯；
③（110）单晶硅孔腔制作工艺：正面光刻，使用铬版做掩膜版，铬版上图形保持准确的晶向关系，保证腐蚀探针窗口为三角形，其三角形的位置由铬版的基准线定位；
在（110）单晶硅上存在：面(1 
1)和面(
1
)平行，面(1 
)和面(
11)平行；面(1
1)和面(1
)的夹角为70.53°，面(
1
)和面(
11) 夹角为70.53°；面(1
1)和面(
11)的夹角为109.47°，面(
1
)和面(1
)夹角为109.47°；有四组组合：面(1
1)、面(1
)和斜面（111）；面(1
)、面(
1)和斜面（
）；面(
1
)、面(
11)和斜面（11
）；面(
11)、面(1
1)和斜面（
1）；任取四组晶面中的一种或几种，其与（110）晶面的交线组成三角图形的位置，对应为铬版上的三角形窗口；湿法腐蚀出正面的二氧化硅掩膜图形后，再用湿法各向异性腐蚀，制作出由{111}晶面组成的孔腔；
④制作氮化硅悬臂梁及氮化硅探针：利用三层氮化硅膜结构，首先淀积硬氮化硅，再淀积作为悬臂梁主体的氮化硅膜，然后淀积一层较硬氮化硅，选择适当的工艺实现悬臂梁氮化硅膜热应力的最佳补偿，最后生长成氮化硅薄膜；
⑤加工正面U型沟槽：正面光刻，采用U型掩模窗口的掩模版，掩模版图形具有释放悬臂梁的沟槽图形，光刻胶作掩膜，干法刻蚀氮化硅U型沟槽，刻蚀深度为氮化硅薄膜的生长厚度；再正面光刻采用U型掩模窗口的掩模版，光刻胶作掩膜，湿法腐蚀二氧化硅U型沟槽，背面涂胶保护，腐蚀深度为二氧化硅薄膜厚度；
⑥释放微悬臂梁：使用湿法腐蚀（110）单晶硅，直至氮化硅悬臂梁释放，得到氮化硅材料的探针针尖。
2.如权利要求1所述的一种基于（110）单晶硅的微悬臂梁探针制作方法，其特征在于：二氧化硅掩膜用氮化硅掩膜代替。
3.如权利要求1所述的一种基于（110）单晶硅的微悬臂梁探针制作方法，其特征在于：氮化硅探针的高度是由在（110）单晶硅上腐蚀孔腔时，掩膜版结构图形中对应三角形部位的窗口面积大小决定的，使用的是单晶硅的各向异性自停止腐蚀方法。
4.如权利要求1所述的一种基于（110）单晶硅的微悬臂梁探针制作方法，其特征在于：微悬臂梁探针的氮化硅薄膜材料用金刚石薄膜材料代替。
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