CN113582129A - 一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属辅助化学蚀刻方法的大高宽比探针，该探针由一体化制造的基底、悬臂梁和大高宽比针尖组成。本发明采用光刻、刻蚀等常规微纳加工工艺结合金属辅助的化学湿法刻蚀制作得到。本发明利用金属辅助化学蚀刻技术，对硅进行各向异性的湿法蚀刻，得到大高宽比的针尖，且制备的针尖拥有侧面光滑、横截面形状变化小的优势。本发明基于传统微加工工艺，引进了金属辅助化学蚀刻技术，相对RIE、ICP等深硅刻蚀技术，具备低成本、可控性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造领域，尤其涉及一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针及其制造方法。
背景技术
原子力显微镜(AFM)是一种具有原子级分辨率的显微镜，主要通过测量探针和物体的相互作用力来获取样品表面形貌信息。主流的AFM探针可以测量沟槽深度较小的样品，但很难测量具有高深宽比沟槽结构的样品。目前主流AFM探针多呈金字塔状，随着样品深度的增加，针尖直径不断增大，故而难以探入较深的沟槽底部进行测量。同时，即使针尖可以勉强接触到沟槽底部，关于沟槽侧壁和不同角度的信息也难以被获取。
要解决如此类高深宽比沟槽结构难以测量的问题，需要制作具有大高宽比针尖的探针。目前多数AFM探针针尖都是利用单晶硅材料经过湿法或干法腐蚀而成。主流的湿法腐蚀因是各向同性腐蚀，故难以形成大高宽比的针尖；主流干法刻蚀制成的针尖虽然具有一定高宽比，但仍然难以达到小直径，且存在刻蚀仪器昂贵，制作成本较高，探针侧壁粗糙等问题。在普通金字塔形状的针尖顶部可以进行特殊加工，以形成更细长的针尖探测样品底部。但这样的针尖非常脆弱，极易磨损和破坏。
随着纳米技术的发展，碳纳米管用于制作大高宽比针尖的方法被多次报道。碳纳米管具有较小的直径(1nm-10nm)，高度可达几个微米，并且具有良好的力学性能，因此碳纳米管被认为是一种制作大高宽比针尖的优越材料。但是到目前为止，单根碳纳米管的可控制备困难，且需要以二次集成的方式组装到AFM针尖顶端，因此该方法存在产率低，无法做到批量生产，性能不可控，一致性差，价格较昂贵等缺点，目前仍在探索阶段。
发明内容
本发明针对目前具有大高宽比针尖的探针难以制备的问题，提供一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针及其制造方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针的制造方法，具体包括以下步骤：
(1)在硅片顶层单晶硅表面进行光刻掩膜及深硅刻蚀，形成硅台结构；
(2)在步骤(1)中得到的硅台结构的上表面进行电子束光刻，得到金属掩膜图案；
(3)在步骤(2)中电子束光刻区域进行电子束蒸镀，洗去光刻胶，得到金属掩膜；
(4)对步骤(3)中得到的金属掩膜进行金属辅助化学蚀刻，得到大高宽比硅柱；
(5)去除残留金属掩膜，并对步骤(4)中的大高宽比硅柱顶端做硅的氧化处理和氢氟酸腐蚀以减小直径，得到大高宽比针尖；
(6)在步骤(5)所得大高宽比针尖外侧旋涂保护层
(7)在步骤(6)保护层的另一侧进行背部光刻、深硅刻蚀，并释放悬臂梁。去除保护层，得到大高宽比探针。
进一步地，所述硅片优选为SOI硅片或双抛单晶硅片。
进一步地，所述金属掩膜的材料优选为金、银或铂。
进一步地，一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针，由上述制备方法制得。
本发明的有益效果是：本发明公开的大高宽比探针采用金属辅助化学蚀刻，具有可制备大高宽比结构的优势，可实现对高深宽比结构底部信息、侧面信息等的探测，解决了现有主流技术难以制备相似结构的难题。同时，因金属辅助化学蚀刻方法反应稳定迅速，本发明公开的大高宽比探针结构具有侧表面光滑且横截面形状变化极小的优势，从而保证了高精密针尖的稳定性和精确性。本发明公开的大高宽比探针的制备方法主要基于化学腐蚀，因而还具有成本低且易于工业化集成的优势，具有与CMOS工艺无缝衔接的前景。本发明方法反应稳定迅速，可以高质高效地产生具有高深宽比的结构。
附图说明
图1是使用SOI硅片实现本发明的制作步骤示意图；
图2是使用单晶硅片实现本发明的制作步骤示意图；
图3是使用单晶硅片以实现本发明制得的大高宽比硅柱的扫描电镜图；
图中，SOI顶层单晶硅1-1、SOI顶层硅台1-2、SOI顶层硅台金属掩膜1-3、SOI顶层大高宽比针尖1-4、SOI顶层保护层1-5、SOI底层单晶硅1-6、SOI二氧化硅埋层1-7、SOI顶层悬臂梁1-8、双抛单晶硅片2-1、单晶硅硅台2-2、单晶硅硅台金属掩膜2-3、单晶硅大高宽比针尖2-4、单晶硅顶层保护层2-5。
具体实施方式
本发明一种基于金属辅助化学蚀刻方法的大高宽比探针，利用金属辅助化学蚀刻方法，实现低成本、可批量地制造具有大高宽比，且侧表面光滑、横截面基本无变化的针尖的原子力显微镜探针。该大高宽比探针由悬臂梁和大高宽比的针尖组成；其中，大高宽比针尖位于悬臂梁的顶端，垂直于悬臂梁。
实施例1
本发明一种基于金属辅助化学蚀刻方法的大高宽比探针的制作方法，包括以下步骤：
如图1所示，在SOI硅片上制造出大小3×3微米左右，高10微米左右的硅台，然后在硅台上制造金属掩膜，进行金属辅助化学蚀刻，初步制作出大高宽比针尖。去掉金属掩膜后，再通过硅的氧化和氢氟酸腐蚀来进一步减小针尖的顶端半径。在SOI顶层旋涂保护层，再采用基于SOI衬底的工艺技术制造悬臂梁，具体为：
(1.1)如图1中的(a)，以SOI硅片为原材料，在SOI顶层单晶硅1-1表面进行光刻并利用溅射法镀银得到约100nm厚的银掩膜，对未被银掩膜的区域进行硅的深法刻蚀，至大约10微米深，除去银掩膜；形成如图1中的(b)所示的硅台结构1-2；
(1.2)在步骤(1.1)得到的SOI硅台结构1-2的上表面进行电子束光刻，得到金属掩膜图案；
(1.3)对步骤(1.2)中的电子束光刻区域进行电子束蒸镀(以优选金为例，需先蒸镀5nm的钛作粘附层，再蒸镀30nm的金)，洗去光刻胶，如图1中的(c)所示，形成所示SOI顶层硅台金属掩膜1-3；
(1.4)如图1中的(d)所示，采用质量分数为49％的氢氟酸，质量分数为30％的过氧化氢和乙醇以溶液体积比5:1:1的比例配置化学蚀刻溶液，利用步骤(1.3)制得的SOI顶层硅台金属掩膜1-3进行金属辅助化学蚀刻约15分钟，得到大高宽比硅柱；
(1.5)如图1中的(e)所示，去除残留金属掩膜，并对步骤(1.4)制得的大高宽比硅柱顶部进行1100℃的热氧氧化处理约4小时，然后用质量分数为49％氢氟酸蚀浸泡去除氧化层，从而减小针尖顶端半径，得到最终的SOI顶层大高宽比针尖1-4；所述氧化时间越长，针尖顶端半径越小；
(1.6)如图1中的(f)所示，在步骤(1.5)制得的大高宽比针尖外侧旋涂SOI顶层保护层1-5以保护大高宽比针尖；
(1.7)如图1中的(g)所示，对SOI底层单晶硅1-6进行背部光刻和深硅刻蚀，直至SOI硅片中间的SOI二氧化硅埋层1-7；如图1(h)，用质量分数为49％的氢氟酸腐蚀裸露的SOI二氧化硅埋层1-7，释放SOI顶层悬臂梁1-8；如图1中的(i)所示，去除SOI顶层保护层1-5，最终得到大高宽比探针。
实施例2
如图2所示，与本发明实施例1所述的在SOI硅片上的制造方法相似，在单晶硅片上制造出大小3×3微米左右，高10微米左右的硅台，然后在硅台上制造金属掩膜，进行金属辅助化学蚀刻，初步制作出大高宽比针尖。去掉金属掩膜后，再通过硅的氧化和氢氟酸腐蚀来进一步减小针尖的顶端半径。在单晶硅片顶层旋涂保护层，再从单晶硅底部进行深硅刻蚀制造悬臂梁，具体为：
(2.1)如图2中的(a)所示，以双抛单晶硅片2-1为原材料，在顶层单晶硅表面进行光刻并利用溅射法镀银得到约100nm厚的银掩膜，对未被银掩膜的区域进行硅的深法刻蚀，至大约10微米深，除去银掩膜；如图2中的(b)所示，形成所示单晶硅硅台2-2；
(2.2)在步骤(2.1)得到的单晶硅硅台2-2表面进行电子束光刻，得到金属掩膜图案；
(2.3)对步骤(2.2)中的电子束光刻区域进行电子束蒸镀(以金为例，需先蒸镀5nm的钛作粘附层，再蒸镀30nm的金)，洗去光刻胶，如图2中的(c)所示，形成所示单晶硅硅台金属掩膜2-3；
(2.4)如图2中的(d)所示，采用质量分数为49％的氢氟酸，质量分数为30％的过氧化氢和乙醇以溶液体积比5:1:1的比例配置化学蚀刻溶液，对步骤(2.3)制得的单晶硅硅台金属掩膜2-3进行金属辅助化学蚀刻约15分钟，得到大高宽比硅柱；
(2.5)如图2中的(e)所示，去除残留金属掩膜，并对步骤(2.4)制得的大高宽比硅柱顶部进行1100℃的热氧氧化处理约4小时，然后用质量分数为49％氢氟酸蚀浸泡去除氧化层，从而减小针尖顶端半径，得到最终的单晶硅大高宽比针尖2-4；所述氧化时间越长，针尖顶端半径越小；
(2.6)如图2中的(f)所示，在步骤(2.5)制得的单晶硅大高宽比针尖2-4外侧旋涂单晶硅顶层保护层2-5，保护已制备的针尖；
(2.7)如图2中的(g)所示，对单晶硅进行背部光刻和深法刻蚀，释放悬臂梁；如图2中的(h)所示，去除保护层，最终得到大高宽比探针结构。
图3为本发明制得的大高宽比硅柱的扫描电镜图，验证了运用金属辅助化学蚀刻方法制造具有大高宽比针尖的探针的可行性。通过观察扫描电镜图，制得的大高宽比探针高宽比可达约20:1,理论上可以达到1000:1。具体来说，大高宽比针尖由金属辅助化学蚀刻方法制备。该方法是一种各向异性的湿法化学蚀刻，将硅衬底置于由质量分数为49％氢氟酸、质量分数为30％过氧化氢和乙醇以各组分体积比5:1:1进行配制的溶液中，硅衬底被金属掩膜(一般为金，还可选用银或铂)覆盖的区域，会在金属的催化作用下失电子被氧化并与氢氟酸反应，故在保持与金属掩膜紧密接触的条件下，被定向蚀刻。随着氧化还原反应的进行，金属掩膜将逐渐垂直稳定向下侵蚀，并移除下面的硅。最后未覆盖金属掩膜而未被刻蚀的区域形成大高宽比硅柱。图3中金属掩膜由5纳米钛层和30纳米金层组成，呈现上有直径500纳米圆洞的网状结构。样本在由氢氟酸和过氧化氢配比的溶液中浸泡了15分钟，得到大批量高宽比接近20的硅柱，且硅柱测表面光滑，横截面几乎没有变化。如是大高宽比硅柱的制备，证明运用金属辅助化学蚀刻方法制备具有大高宽比针尖探针的方案是可行的。
综上，本发明公开的大高宽比探针采用金属辅助化学蚀刻，具有可制备大高宽比结构的优势，可实现对高深宽比结构底部信息、侧面信息等的探测，解决了现有主流技术难以制备相似结构的难题。同时，因金属辅助化学蚀刻方法反应稳定迅速，本发明公开的大高宽比探针结构具有侧表面光滑且横截面形状变化极小的优势，从而保证了高精密针尖的稳定性和精确性。本发明公开的大高宽比探针的制备方法主要基于化学腐蚀，因而还具有成本低且易于工业化集成的优势，具有与CMOS工艺无缝衔接的前景。本发明方法反应稳定迅速，可以高质高效地产生具有高深宽比的结构。
Claims (4)
1.一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)在硅片顶层单晶硅表面进行光刻掩膜及深硅刻蚀，形成硅台结构；
(2)在步骤(1)中得到的硅台结构的上表面进行电子束光刻，得到金属掩膜图案；
(3)在步骤(2)中电子束光刻区域进行电子束蒸镀，洗去光刻胶，得到金属掩膜；
(4)对步骤(3)中得到的金属掩膜进行金属辅助化学蚀刻，得到大高宽比硅柱；
(5)去除残留金属掩膜，并对步骤(4)中的大高宽比硅柱顶端做硅的氧化处理和氢氟酸腐蚀以减小直径，得到大高宽比针尖；
(6)在步骤(5)所得大高宽比针尖外侧旋涂保护层
(7)在步骤(6)保护层的另一侧进行背部光刻、深硅刻蚀，并释放悬臂梁。去除保护层，得到大高宽比探针。
2.根据权利要求1所述的基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针的制造方法，其特征在于，所述硅片优选为SOI硅片或双抛单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针的制造方法，其特征在于，所述金属掩膜的材料优选为金、银或铂。
4.一种基于金属辅助化学蚀刻的大高宽比探针，其特征在于，由权利要求1-3中任一权利要求所述方法制备得到。
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