CN107689379B - 扫描探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扫描探针及其制备方法。所述扫描探针包括：衬底，包括平板部以及由所述平板部的一端延伸的呈针形的凸出部；静电探针，设置于所述凸出部之上；单电子晶体管，设置于所述平板部之上且与所述静电探针相对。所述制备方法包括：形成静电探针和单电子晶体管；形成第二子平板部和针形的第二子凸出部；形成第一子平板部和针形的第一子凸出部，并且使所述第一子凸出部的边沿超出所述第二子凸出部的边沿、使所述第一子平板部的边沿超出所述第二子平板部的边沿。本发明提供的扫描探针侧向刻蚀小、形貌好，可实现高速、高灵敏度、高分辨率电荷探测，其制备方法工艺简单，成品率高。
Description
技术领域
本发明属于纳米器件及纳米加工技术，具体地讲，涉及一种扫描探针及其制备方法。
背景技术
单电子晶体管基于库仑阻塞效应和单电子隧穿效应，可对微纳尺度下及其临域内的微小电荷变化进行高灵敏度的探测。单电子晶体管的核心结构是尺度仅为几个到几十纳米、对电荷很敏感的量子点或库仑岛，量子点通过隧穿结与源漏电极耦合，栅极与库仑岛间则通过电容耦合对库仑岛进行调控。单电子晶体管电荷灵敏度可达到10-6e/Hz0.5，然而带宽比较小，一般要小于1MHz。将对电荷极其灵敏的单电子晶体管集成在探针的顶端可同时实现电荷扫描探测和形貌成像。目前，国际上对单电子晶体管扫描探针(SET ScanningProbe)已有相关的研究报道，并且射频单电子晶体管(Radio Frequency-SET)技术也已经被实现，但是两种功能相集成的射频单电子晶体管扫描探针尚未得以实现并应用。
现有的制备单电子晶体管扫描探针的工艺方法包括：一、在光纤探针尖端上通过多角度蒸镀Al并氧化，制备出Al/Al2O3的单电子晶体管探针(SET Scanning Probe)，并成功实现单电子晶体管探针对样品表面的电荷探测和几何形貌成像，但是，这种制备方法工艺过程复杂，成品率低、不能进行大批量制备；二、为了大批量制备可替换的单电子晶体管扫描探针，可以利用成熟的MEMS工艺通过在硅基上多次沉积Al并氧化，制备出Al/Al2O3的单电子晶体管扫描探针，探针上的单电子晶体管具有良好的库仑阻塞效应，并实现了探针的几何形貌扫描成像功能，但是工艺制备过程相对复杂，同时基于Al/Al2O3型的单电子晶体管，工作温度通常在300mK以下，无法在更高温度的工作。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种侧向刻蚀小、形貌好，可实现高速、高灵敏度、高分辨率电荷探测的大倾角扫描探针及其制备方法。
本发明提供了一种扫描探针，所述扫描探针包括：衬底，包括平板部以及由所述平板部的一端延伸的呈针形的凸出部；静电探针，设置于所述凸出部之上；单电子晶体管，设置于所述平板部之上且与所述静电探针相对。
进一步地，所述平板部包括第一子平板部以及夹设于所述单电子晶体管和所述第一子平板部之间的第二子平板部，所述第一子平板部的边沿超出所述第二子平板部的边沿；所述凸出部包括第一子凸出部以及夹设于所述静电探针和所述第一子凸出部之间的第二子凸出部，所述第一子凸出部的边沿超出所述第二子凸出部的边沿。
进一步地，所述单电子晶体管为共漏极单电子晶体管，所述共漏极单电子晶体管包括间隔排列的第一源极、第一栅极、漏极、第二栅极、第二源极，以及第一隧穿结、第一库仑岛、第二隧穿结、第二库仑岛；所述第一源极通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛的一端，所述漏极通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛的另一端；所述第二源极通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛的一端，所述漏极通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛的另一端。
进一步地，所述第一栅极与所述第一库仑岛相对；所述第二栅极与所述第二库仑岛相对。
进一步地，所述静电探针包括主体部、连接所述主体部且朝背向所述漏极方向延伸形成的长针部。
进一步地，所述主体部包括连接所述长针部的连接部、分别设于所述连接部两端的第一肩部和第二肩部，所述第一肩部与所述第一栅极相对；所述第二肩部与所述第二栅极相对。
进一步地，所述第一子凸出部呈三棱柱形状，所述第二子凸出部呈三棱柱形状。
进一步地，所述第二子凸出部包括朝背对所述漏极方向延伸形成的尖部，所述长针部包括朝背对所述漏极方向延伸形成的尖端，所述尖部与所述尖端对齐。
本发明还提供了一种扫描探针的制备方法，用于制备上述的扫描探针，所述扫描探针的制备方法包括：
对SOI衬底的顶层硅进行刻蚀，以形成静电探针和单电子晶体管；
对SOI衬底的二氧化硅层、以及与二氧化硅层接触的部分背衬底进行刻蚀，以形成第二子平板部和针形的第二子凸出部；
继续刻蚀SOI衬底的背衬底，以形成第一子平板部和针形的第一子凸出部，并且使所述第一子凸出部的边沿超出所述第二子凸出部的边沿、且所述第一子平板部的边沿超出所述第二子平板部的边沿。
进一步地，通过浅刻蚀处理，以形成第二子平板部和针形的第二子凸出部；通过深刻蚀处理，以形成第一子平板部和针形的第一子凸出部。
本发明的有益效果：
本发明的扫描探针通过设计平板部以及由所述平板部的一端延伸的呈针形的凸出部的衬底，使扫描探针具有较大的下针扫描的倾角，在一定程度上提高了扫描探针的下针精确度。此外，将静电探针设于凸出部之上、且将单电子晶体管设于平板部之上的结构设计延长了晶体管距离凸出部的安全工作距离。本发明的制备方法通过两次刻蚀得到的扫描探针，其成品率高、侧向刻蚀小，利用成熟的MEMS工艺可实现扫描探针的大批量生产。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1示出了本发明实施例的扫描探针的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的扫描探针的下针示意图；
图3示出了本发明实施例的扫描探针在制备过程中得到的样品结构示意图；
图4示出了本发明实施例的扫描探针的工艺制备流程图；
图5示出了本发明实施例的通过浅刻蚀形成第二子凸出部的局部高倍放大SEM形貌图；
图6示出了本发明实施例的经过浅刻蚀、深刻蚀后扫描探针的凸出部的局部形貌图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。
参照图1，本发明的实施例的扫描探针包括：衬底10、静电探针20、单电子晶体管30。
所述扫描探针优选为射频SOI衬底(即背衬底为高阻硅的SOI衬底)制成。采用射频SOI衬底制成的扫描探针配合射频读出电路具有射频损耗小，高速读出、高信噪比的优点。
具体地，在本实施例中，所述衬底10包括平板部11以及由所述平板部11的一端延伸的呈针形的凸出部12。
所述平板部11包括第一子平板部111以及夹设于所述单电子晶体管30和所述第一子平板部111之间的第二子平板部112，所述第一子平板部111的边沿超出所述第二子平板部112的边沿。也就是说，所述第一子平板部111和第二子平板部112呈台阶结构。
所述凸出部12包括第一子凸出部121以及夹设于所述静电探针20和所述第一子凸出部121之间的第二子凸出部122，所述第一子凸出部121的边沿超出所述第二子凸出部122的边沿。同样地，所述第一子凸出部121和第二子凸出部122也呈台阶结构。更进一步地，所述第一子凸出部121、第二子凸出部122呈三棱柱形状。但本发明并不限制于此。
由于射频SOI衬底由顶层硅、绝缘层、背衬底三层结构组成，那么，在本实施中，所述第一子平板部111和第一子凸出部121由射频SOI衬底的背衬底形成，且所述第一子平板部111与第一子凸出部121一体成型。背衬底的材料具体为硅，优选地，背衬底的硅电阻率高达1000Ω·cm。但本发明并不限制于此。
所述第二子平板部112和第二子凸出部122主要由射频SOI衬底的绝缘层、以及一定厚度的背衬底形成。所述第二子平板部112与第二子凸出部122一体成型。绝缘层的材料主要为二氧化硅，优选地，其厚度约为400nm。但本发明并不限制于此。
所述静电探针20和单电子晶体管30具体由射频SOI衬底的顶层硅形成。顶层硅的材料主要为硅，优选地，顶层硅采用高浓度的磷离子掺杂，其硅厚度70～80nm，使得单电子晶体管30具有可实现在20K以上温度工作的优点。
在这里，还提供了本发明的另一实施例，所述用于电荷探测单电子晶体管30也可以替换为其他电荷灵敏探测单元如量子点接触、纳米线等，同样可以实现扫描探针的电荷和形貌扫描功能。
图2示出了本发明实施例的扫描探针的下针示意图。如图2所示，设所述框体的长度为L、所述第一子凸出部121与所述第二子凸出部122的高度差为H，所述扫描探针的下针倾角为θ，θ≤arctan(H/L)；可通过调节H和L的值来获得较大的下针倾角。
为了大幅度增大晶体管距离第二子凸出部122最远端(呈尖形的边缘处)的安全工作距离，在很好的实现单电子晶体管30电荷探测的同时大大提高射频单电子晶体管30、静电探针20的刻蚀成品率，静电探针20设置于第二子凸出部122之上，单子晶体管30设于第二子平板部112之上。所述单电子晶体管30与所述静电探针20相对。
为了将单个扫描探针的单电子晶体管30成品率提高一倍，所述单电子晶体管30具体为一对共漏极单电子晶体管30。具体地，所述单电子晶体管30包括间隔排列的第一源极31、第一栅极32、漏极33、第二栅极34、第二源极35，以及第一隧穿结(图未示)、第一库仑岛36、第二隧穿结(图未示)、第二库仑岛37。所述第一源极31通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛36的一端，所述漏极33通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛36的另一端；所述第二源极35通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛37的一端，所述漏极33通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛37的另一端。所述第一栅极32与所述第一库仑岛36相对；所述第二栅极34与所述第二库仑岛37相对。
所述静电探针20包括主体部21、连接所述主体部21且朝背向所述漏极33方向延伸形成的长针部22。所述主体部21包括连接所述长针部22的连接部211、分别设于所述连接部211两端的第一肩部212和第二肩部213，所述第一肩部212与所述第一栅极32相对；所述第二肩部213与所述第二栅极34相对。
所述第二子凸出部122包括朝背对所述漏极33方向延伸形成的尖部1221，所述长针部22包括朝背对所述漏极33方向延伸形成的尖端221，所述尖部1221与所述尖端221对齐。
图3示出了本发明实施例的扫描探针在制备过程中得到的样品结构示意图；图4示出了本发明实施例的扫描探针的工艺制备流程图。
本发明的实施例还提供了一种用于制备上述扫描探针的制备方法，结合参照图3和图4，所述制备方法具体包括以下操作：
在操作311中，对射频SOI衬底的顶层进行UV光刻，并刻蚀电极隔离台面。具体地，对射频SOI衬底进行UV光刻、ICP刻蚀顶层硅，制备出隔离台面。具体地，对射频SOI衬底进行UV光刻，形成样品201；对样品201进ICP刻蚀顶层硅，形成样品202。
在操作312中，制备电子束套刻标记。具体地，对2英寸的样品202进行RCA标准清洗，并旋涂AZ 5214光刻胶，使用M6光刻机光刻、电子束蒸镀Ni/Au、剥离，以形成样品203。
在操作313中，对样品203进行电子束曝光、ICP刻蚀出核心元件，该核心元件包括共漏极单电子晶体管30和静电探针20。具体地，对步骤2形成的样品203旋涂PMMA-A2电子束光刻胶，进行EBL套刻、ICP刻蚀，在射频SOI衬底的顶层硅上刻蚀出静电探针20、共漏极单电子晶体管30；采用型号(STS HRM)ICP刻蚀设备刻蚀SOI顶层硅，因为顶层硅的厚度70～80nm，所以采用慢速刻蚀工艺：气体参数:C4F8(80sccm，Standard Cubic Centimeter PerMinute，每分钟标准毫升)，SF6(60sccm)，O2(5sccm)；刻蚀功率：ICP功率650W，射频功率27W；刻蚀时间：23s，以形成样品204。
在操作314中，对样品204进行清除电子束套刻金属标记，氧化形成隧穿结。具体地，将2英寸样品204去除电子束套刻金属标记、RCA标准清洗后；使用型号为(L4508)的卧式炉在850℃、热氧化30分钟使单电子晶体管30隧穿结构形成隧穿势垒隧穿结，以形成样品205。
在操作315中，对样品205进行电子束蒸发，以形成欧姆接触。具体地，氧化后的样品204做欧姆接触：UV光刻开窗口，氢氟酸溶液腐蚀除去氧化过程中形成的SiO2，为欧姆接触做准备，采用型号(Ei-5z)的电子束蒸发镀膜机进行镀膜、剥离、型号(RTP 500)的快速退火炉，退火形成欧姆接触，以形成样品206。
在操作316中，在样品206上制备引线电极。具体地，欧姆接触制备完成后，再通过UV光刻、电子束蒸镀、剥离，制作引线加厚电极，以形成样品207。
在操作317中，对样品207进行浅刻蚀处理。具体地，将带有核心器件(单电子晶体管30)的2英寸样品旋涂AZ5214光刻胶、使用M6光刻机光刻，制备浅刻蚀工艺的掩膜形成样品218。浅刻蚀工艺过程因为不仅要刻蚀射频SOI衬底中间的400nm的绝缘层(SiO2层)，还要继续向下刻蚀一部分背衬底(Si)。本实施例中分为多次刻蚀，采用型号(NLD 570)刻蚀SiO2，采用选用型号(STS HRM)设备刻蚀衬底硅，使浅刻蚀形成的第二子平板部112和第二子凸出部122的高度H≈3μm。刻蚀步骤如下：(1)采用型号(NLD 570)的刻蚀设备刻蚀SOI中间的绝缘层(SiO2层)；刻蚀功率：1000W；刻蚀时间50s；400nm的绝缘层已被刻蚀干净(2)选用型号(STS HRM)设备刻蚀背衬底(Si)，采用慢速刻蚀工艺，气体参数：C4F8(80sccm)，SF6(60sccm)，O2(5sccm)；刻蚀功率：ICP功率650W，射频功率27W；刻蚀时间：6分钟，约刻蚀背衬底(硅)2.6μm，以形成样品209。但本发明并不限制于此。
在这里，要说明的是，在浅刻蚀中，通过UV光刻、NLD(Neutral Loop Discharge，磁中性环路放电)刻蚀射频SOI衬底中间的绝缘层(SiO2层)、ICP慢速刻蚀工艺继续向下刻蚀射频SOI衬底中背衬底中一定深度的硅，形成高度为H的第二子平板部112和第二子凸出部122。由于浅刻蚀过程要刻蚀中间的绝缘层(SiO2层)和一定深度的背衬底(Si)，所以要采用型号(STS HRM)和(NLD 570)两种RIE设备分别刻蚀Si和SiO2。
请参照图5，图5示出了本发明实施例的通过浅刻蚀形成第二子凸出部的局部高倍放大SEM形貌图。
在操作318中，对样品210进行深刻蚀处理。具体地，浅刻蚀工艺完成后的样品，再进行深刻蚀工艺处理，使第一子凸出部121的尖端(尖形的边缘)距第二子凸出部122的尖部1221的距离L≈7.5μm，继续进行ICP深刻蚀，以逐渐形成第一子平板部111和第一子凸出部121。继续深刻蚀处理，直至扫描探针彼此分离，然后对其进行有机清洗、EKC270TM清洗即可得到可进行21°角下针，曲率半径小、刻蚀形貌较好的台阶型扫描探针，即如图3所示的样品211。
在这里，说要说明的是，在深刻蚀中，UV(Ultraviolet紫外线的)光刻(采用厚光刻胶胶AZ4620作掩膜，同时对浅刻蚀制备的针尖进行保护，距离浅刻蚀针尖距离为L)、ICP快速刻蚀工艺刻蚀，以实现扫描探针的分离。
请参照图6，图6示出了本发明实施例的经过浅刻蚀、深刻蚀后扫描探针的凸出部的局部形貌图。从图6可以清晰地看出第一子凸出部121、第二子凸出部122和静电探针20的局部形貌。
综上所述，本发明实施例采用射频SOI衬底，通过两步刻蚀工艺(浅刻蚀工艺和深刻蚀工艺)制备扫描探针，既能结合成熟的MEMS工艺，实现大批量制备、而且工艺简单，又能使制备的单电子晶体管探针形貌好，成品率高。此外，采用射频SOI衬底制备的单电子晶体管可实现在20K以上的温度工作，同时射频损耗小、搭配射频读出电路还具有高速读出、高信噪比的优点。单电子晶体管的前端设有静电探针，可增大单电子晶体管距针形第二子凸出部的尖部的安全工作距离，采用两步刻蚀工艺制备出的第二子凸出部的尖部(参照图5)，侧向刻蚀小、形貌好、能可控精确下针，可实现高速、高灵敏度、高空间分辨率的电荷探测，可应用于固态量子器件研究。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (9)
1.一种扫描探针，其特征在于，所述扫描探针包括：
衬底，包括平板部以及由所述平板部的一端延伸的呈针形的凸出部；
静电探针，设置于所述凸出部之上；
单电子晶体管，设置于所述平板部之上且与所述静电探针相对；
所述平板部包括第一子平板部以及夹设于所述单电子晶体管和所述第一子平板部之间的第二子平板部，所述第一子平板部的边沿超出所述第二子平板部的边沿；
所述凸出部包括第一子凸出部以及夹设于所述静电探针和所述第一子凸出部之间的第二子凸出部，所述第一子凸出部的边沿超出所述第二子凸出部的边沿。
2.根据权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述单电子晶体管为共漏极单电子晶体管，所述共漏极单电子晶体管包括间隔排列的第一源极、第一栅极、漏极、第二栅极、第二源极，以及第一隧穿结、第一库仑岛、第二隧穿结、第二库仑岛；
所述第一源极通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛的一端，所述漏极通过一第一隧穿结连接所述第一库仑岛的另一端；所述第二源极通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛的一端，所述漏极通过一第二隧穿结连接所述第二库仑岛的另一端。
3.根据权利要求2所述的扫描探针，其特征在于，所述第一栅极与所述第一库仑岛相对；所述第二栅极与所述第二库仑岛相对。
4.根据权利要求2所述的扫描探针，其特征在于，所述静电探针包括主体部、连接所述主体部且朝背向所述漏极方向延伸形成的长针部。
5.根据权利要求4所述的扫描探针，其特征在于，所述主体部包括连接所述长针部的连接部、分别设于所述连接部两端的第一肩部和第二肩部，所述第一肩部与所述第一栅极相对；所述第二肩部与所述第二栅极相对。
6.根据权利要求5所述的扫描探针，其特征在于，所述第一子凸出部呈三棱柱形状，所述第二子凸出部呈三棱柱形状。
7.根据权利要求6所述的扫描探针，其特征在于，所述第二子凸出部包括朝背对所述漏极方向延伸形成的尖部，所述长针部包括朝背对所述漏极方向延伸形成的尖端，所述尖部与所述尖端对齐。
8.一种扫描探针的制备方法，用于制备权利要求1至7任一项所述的扫描探针，其特征在于，所述扫描探针的制备方法包括：
对SOI衬底的顶层硅进行刻蚀，以形成静电探针和单电子晶体管；
对SOI衬底的二氧化硅层、以及与二氧化硅层接触的部分背衬底进行刻蚀，以形成第二子平板部和针形的第二子凸出部；
继续刻蚀SOI衬底的背衬底，以形成第一子平板部和针形的第一子凸出部，并且使所述第一子凸出部的边沿超出所述第二子凸出部的边沿、且所述第一子平板部的边沿超出所述第二子平板部的边沿。
9.根据权利要求8所述的扫描探针的制备方法，其特征在于，通过浅刻蚀处理，以形成第二子平板部和针形的第二子凸出部；通过深刻蚀处理，以形成第一子平板部和针形的第一子凸出部。
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