CN104749400B - 一种扫描探针及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针制作方法。该方法采用微纳加工工艺实现，即在衬底上通过光刻、刻蚀制作针尖和悬臂梁，针尖利用低温氧化技术进行锐化，并且利用荫罩对针尖进行局部金刚石薄膜淀积。本发明将常规微纳加工方法同金刚石薄膜局部淀积技术相结合，实现了探针的高分辨率、高灵敏度和高可靠性，并且降低了成本，适用于大规模生产。

Description

一种扫描探针及其制作方法

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)制造及工程领域，尤其涉及一种高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针及其制作方法。

背景技术

1986年，原子力显微镜(AFM)诞生，实现了人类对导体、半导体以及绝缘体材料表面原子级的观察。AFM利用针尖与样品之间的相互作用力来检测样品表面的形貌，对样品无导电性要求，应用广泛于生物、化学、材料等多学科领域，是非常重要的表面成像工具。

在原子力显微镜中，探针是其核心部件之一，直接决定原子力显微镜成像的好坏。AFM探针由微悬臂梁和固定在悬臂梁自由端上的针尖组成，其中，针尖作为探针最关键的结构，对探针的性能至关重要。为了能够准确反映出样品表面与探针针尖之间微弱作用力的变化，得到真实的样品表面形貌，提高原子力显微镜的灵敏度，应使探针针尖尽量保持尖锐。一般的探针针尖材料为单晶硅，在使用过程中，由于与样品表面接触或是扫描硬脆材料的表面时，针尖由于接触摩擦易磨损，造成成像质量差。因此，制作高耐磨性的探针十分必要。

金刚石具有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀的特点，是一种制作探针的理想材料。但是完全采用金刚石制作整个探针，工艺复杂，成本高。对此，本发明提出一种采用金刚石局部淀积技术增加针尖耐磨性的方法。该方法工艺简单，增加耐磨性和抗腐蚀能力的同时，不影响梁的原有性能，保证了探针的高分辨率、高灵敏度和高可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针及其制作方法，在提高针尖尖度的同时，增加其耐磨性和抗腐蚀性，提高探针的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针，探针整体结构分为基座、微悬臂梁和针尖三部分，在设计过程中，探针结构尺寸可根据实际需求进行确定。

另外，本发明提供了一种该高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针的制作方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在1000℃条件下对衬底进行热氧化，使衬底表面形成一层薄的二氧化硅层，作为正面针尖刻蚀的掩膜材料；然后，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)的方法在衬底背面淀积一层较厚的二氧化硅层，作为背面深刻蚀的掩膜；

步骤2：对衬底进行正面光刻，以光刻胶做掩膜，对二氧化硅进行刻蚀，形成针尖刻蚀的掩膜图形；

步骤3：针尖刻蚀的掩膜图形形成后，对衬底正面进行硅的各向同性干法刻蚀，刻蚀厚度为设计的针尖高度，在掩膜图形下方形成硅针尖原胚形貌；

步骤4：利用低温氧化锐化技术锐化针尖，使得针尖原胚的最细部位由于热氧化作用被削尖；

步骤5：对衬底进行正面光刻，采用干法刻蚀技术依次刻蚀表面二氧化硅层、顶层硅，直至刻蚀至埋氧层，形成微悬臂梁结构；

步骤6：对衬底进行背面光刻，采用干法刻蚀技术依次刻蚀背面的二氧化硅层、体硅层，直至刻蚀至埋氧层，形成微悬臂梁背腔和探针基座；

步骤7：采用HF溶液湿法腐蚀结构中暴露的二氧化硅，释放微悬臂梁及针尖；

步骤8：采用荫罩对针尖进行局部金刚石薄膜淀积。

上述方案中，步骤1中所述衬底为绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)，由顶层硅、埋氧层和体硅组成，采用SOI片制作探针，可以良好地控制微悬臂梁的厚度，同时得到的微悬臂梁背面十分光滑，有利于增强激光在微悬臂梁背面的反射。

上述方案中，步骤1中所述的热氧化工艺形成的二氧化硅层具有很高的重复性和化学稳定性，致密度高，质量好，可以起到良好的掩膜作用。

上述方案中，步骤2中所述二氧化硅刻蚀可以采用各向异性干法刻蚀，或者采用HF溶液湿法腐蚀。

上述方案中，步骤2中所述的针尖刻蚀掩膜图形可以是圆形或是方形，均能得到良好的针尖原胚形貌。

上述方案中，步骤2中所述的针尖刻蚀掩膜图形是考虑到顶层单晶硅刻蚀不均匀性造成的尺寸差异而进行了版图补偿设计的图形，有利于提高刻蚀后针尖原胚最细处的尺寸一致性，有利于提高成品率。

上述方案中，步骤3中所述硅的各向同性干法刻蚀方法，对晶向无特殊要求，可以通过调节工艺参数改变横纵刻蚀速率比，且得到的硅针尖表面平整度高。

上述方案中，步骤3中所述针尖原胚形貌由针尖掩膜的形状大小以及各向同性干法刻蚀的横纵速率之比决定。

上述方案中，步骤8中所述荫罩是带有通孔的金属板、硅片或是其他可用材料的基板，通孔位置与SOI片上针尖的位置对应，形状大小与针尖刻蚀掩膜相同。

上述方案中，步骤8中所述淀积方法可以采用微波等离子体增强化学气相淀积(MPCVD)等工艺，在已经制作好的探针硅晶圆片上放置一块荫罩，荫罩上的通孔位置与晶圆上针尖的位置精确对准，荫罩与硅晶圆片紧密贴合在一起，荫罩通孔位置处露出针尖，然后将硅晶圆片与荫罩一同放入淀积腔室，在针尖上沉积金刚石薄膜。

上述方案中，步骤8中所述采用荫罩对针尖进行局部金刚石薄膜淀积可以在探针制作过程之中或之后。

从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种硅探针的制作方法，该方法采用常规微纳加工工艺，如光刻、刻蚀、热氧化等，工艺方法简单，适合批量生产。

2、本发明提出采用荫罩对硅探针进行局部金刚石薄膜淀积的方法，降低了金刚石针尖制作工艺难度，是一种大规模、低成本制备金刚石针尖的方法。

3、本发明提出针尖的局部金刚石薄膜淀积方法，增加针尖耐磨性，而且不改变梁的原有性能，保证探针高分辨率、高灵敏度的同时提高了探针的可靠性。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1a至图1h为本发明提供的高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针制作工艺流程图；

图2为本发明提供采用荫罩局部淀积金刚石薄膜的示意图。

附图标记说明：

1.顶层硅；2.埋氧层；3.体硅；4.热氧二氧化硅；5.PECVD二氧化硅；6.针尖掩膜图形；7.硅针尖原胚；8.氧化后针尖；9.微悬臂梁；10.探针基座；11.微悬臂梁；12.探针针尖；13.金刚石薄膜；14.荫罩；15.通孔；16.硅器件片。

具体实施方式

本实例中探针的基座长3.4mm，宽1.6mm，针尖高度在4um左右，微悬臂梁长200um，宽30um，厚4um。该扫描探针的制作方法如图1a～图1h所示，具体工艺流程如下：

步骤1：采用(100)晶向的N型SOI硅片作为制备所述高分辨率、高灵敏度、高可靠性的扫描探针器件的衬底，衬底由顶层硅1、埋氧层2和体硅3组成，其中顶层硅厚度为针尖高度与微悬臂梁厚度之和，即8um，埋氧层厚度为1um，体硅厚度为400um，如图1a所示。

步骤2：在1000℃条件下对SOI片进行热氧化，形成一层薄的二氧化硅层4，厚度为300nm左右，用作正面刻蚀针尖时的掩膜；采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)的方法在SOI的背面淀积一层较厚的二氧化硅层5，厚度为4um左右，用作背面体硅深刻蚀的掩膜，如图1b所示。

步骤3：在SOI片正面进行光刻，以光刻胶做掩膜，采用各向异性干法刻蚀，在二氧化硅层4上刻蚀出针尖的掩膜图形6，如图1c所示。

步骤4：针尖刻蚀的掩膜图形形成后，对SOI片正面进行硅的各向同性干法刻蚀刻蚀，硅刻蚀的厚度为设计的针尖高度4um，在针尖掩膜图形6下方形成硅针尖原胚7，如图1d所示。

步骤5：得到针尖原胚7后，采用低温氧化锐化技术，在950℃的条件下对针尖进行热氧化，得到氧化后针尖8；针尖氧化后，在SOI片正面进行光刻，通过各向异性干法刻蚀，依次刻蚀热氧、顶层硅，形成微悬臂梁结构9，如图1e所示。

步骤6：采用双面对准光刻技术，对SOI片的背面进行光刻，通过各向异性干法刻蚀二氧化硅层5，得到背面体硅深刻蚀的掩膜图形，在此掩膜下，采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术，对体硅进行深刻蚀至埋氧层，得到微悬臂梁的背腔，形成探针的基座10，如图1f所示。

步骤7：采用HF缓冲液湿法腐蚀结构中暴露的二氧化硅，得到微悬臂梁11和探针针尖12，如图1g所示。

步骤8：采用硅基板荫罩14对针尖进行局部金刚石薄膜淀积，如图2所示，硅基板荫罩上通孔15由深反应离子刻蚀(DRIE)方法得到，将荫罩与硅器件片16精确对准且紧密贴合在一起，通孔位置处露出探针针尖12，在淀积腔室中采用的反应气体为CH4/Ar，金刚石薄膜13仅沉积在针尖尖端，实现局部淀积效果，如图1h所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种扫描探针制作方法，该方法包括：

步骤1：衬底由顶层硅、埋氧层和体硅组成，在1000℃条件下对衬底进行热氧化，使衬底表面形成一层薄的二氧化硅层，作为正面针尖刻蚀的掩膜材料；然后，采用等离子体增强化学气相淀积的方法在衬底背面淀积一层厚二氧化硅层，作为背面深刻蚀的掩膜；

步骤2：对衬底进行正面光刻，以光刻胶做掩膜，对二氧化硅进行刻蚀，形成针尖刻蚀的掩膜图形，所述的针尖刻蚀的掩膜图形考虑到顶层单晶硅刻蚀不均匀性造成的尺寸差异而进行了版图补偿设计的图形；

步骤3：针尖刻蚀的掩膜图形形成后，对衬底正面进行硅的各向同性干法刻蚀，对晶向无特殊要求，刻蚀厚度为设计的针尖高度，在掩膜图形下方形成硅针尖原胚形貌；

步骤4：利用低温氧化锐化技术锐化针尖，使得针尖原胚的最细部位由于热氧化作用被削尖；

步骤5：对衬底进行正面光刻，采用各向异性干法刻蚀技术依次刻蚀表面二氧化硅层、顶层硅，直至刻蚀至埋氧层，形成微悬臂梁结构；

步骤6：对衬底进行背面光刻，采用各向异性干法刻蚀技术依次刻蚀背面的二氧化硅层、体硅层，直至刻蚀至埋氧层，形成微悬臂梁背腔和探针基座；

步骤7：采用HF溶液湿法腐蚀结构中暴露的二氧化硅，释放微悬臂梁及针尖；

步骤8：采用荫罩对针尖进行局部金刚石薄膜淀积，在已经制作好的探针硅晶圆片上放置一块荫罩，荫罩上的通孔位置与晶圆上针尖的位置精确对准，荫罩与硅晶圆片紧密贴合在一起，荫罩通孔位置处露出针尖，然后将硅晶圆片与荫罩一同放入淀积腔室，在针尖上沉积金刚石薄膜，所述荫罩是带有通孔的金属板、硅片或是其他可用材料的基板，通孔位置与衬底上针尖的位置对应，形状大小与针尖掩膜相同，所述淀积方法为微波等离子体增强化学气相淀积工艺。

2.如权利要求1所述的扫描探针制作方法，其特征在于，步骤2中所述二氧化硅刻蚀采用各向异性干法刻蚀，或者采用HF溶液湿法腐蚀。

3.如权利要求1所述的扫描探针制作方法，其特征在于，步骤2中所述的针尖刻蚀的掩膜图形是圆形或方形。

4.如权利要求1所述的扫描探针制作方法，其特征在于，步骤8中所述采用荫罩对针尖进行局部金刚石薄膜淀积是在探针制作过程之中或之后进行。

5.如权利要求1所述的扫描探针制作方法，其中所述扫描探针的结构分为基座、微悬臂梁和针尖三部分，其特征在于，其中针尖局部具有金刚石薄膜。