CN1180121C - 一种在微尖锥顶端定位镀膜的方法 - Google Patents

一种在微尖锥顶端定位镀膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微尖锥定位镀膜的方法。所述的方法采用的工艺步骤如下：(1)锥尖暴露高度确定：在整个尖锥器件表面沉积覆盖层，采用薄膜削薄技术，减小表面覆盖层厚度，露出锥尖顶端，而锥体仍被覆盖；通过调节薄膜削薄参数，控制锥尖露出高度；(2)表面处理和钝化：根据实际需要，对露出锥尖进行表面净化处理和钝化保护。(3)薄膜沉积：根据实际需要，在锥尖顶端沉积上一层所需薄膜材料；(4)器件表面覆盖层剥离：采用选择性腐蚀方式，剥离器件表面覆盖层，形成锥尖定位镀膜器件。所述的微尖锥定位镀膜的方法，可对尖锥进行锥尖定位净化和镀膜。

Description

一种在微尖锥顶端定位镀膜的方法
技术领域
本发明涉及一种在微尖锥顶端定位镀膜的方法。
背景技术
微尖锥用途十分广泛，可作为场致发射电子源，SPM(AFM/STM)表面分析仪器中的微型探针，生物医药领域中的微型针钻。近几年科技迅猛发展，特别是纳米科技的飞跃，科学家对微尖锥的应用提出了更先进的要求。真空微电子学家希望在传统的尖锥发射体上定位沉积新型功能薄膜(如非晶体金刚石薄膜)，以增强器件电子发射性能。表面显微分析专家希望对尖锥顶端进行定位净化，清除表面氧化物/吸附物，改善探针顶端导电性，减小分析噪音。生物化学专家则希望在微尖锥顶端定位沉积一层耐磨材料，以提高探针/针钻的机械强度；或利用尖锥作为微剂量生化反应的反应物载体，在其顶端定量沉积微量反应剂，为微剂量生化反应实验提供微剂量反应物。此外，科学家们都期望能在尖锥顶端定向生长尺寸更小的纳米尖针(如纳米管，钨纳米针)，提高实验精度，并制作成尺寸均一的尖锥陈列器件，研制多探针系统，作为集成分析和集成操纵的工具。
现有的微尖锥镀膜工艺有两大缺陷：
(1)非定位镀膜，镀膜后薄膜覆盖整个微尖锥表面。对于场发射器件来说，锥体表面或硅基底上的薄膜将可能形成不稳定的发射点，影响器件发射的均匀性和可靠性；纳米探针的生长通常需要催化剂，如果整个锥体表面都覆盖了催化剂薄膜，将无法实现预想的定位生长。
(2)存在未净化表面。现有的微尖锥主要由半导体硅或难熔金属材料钼/钨做成，材料在空气中易吸附，易氧化，表面形成吸附/氧化层。对于场发射器件来说，镀膜后介于硅和薄膜层之间的吸附/氧化层将抑制电子发射；此外，表面氧化/吸附层将影响尖锥顶端的导电性及纳米材料在尖锥的定位生长；更严重的是，表面吸附物将导致微剂量生化反应的失真。
发明内容
本发明提供一种可解决上述技术缺陷的工艺，可对尖锥进行锥尖定位净化和镀膜。
本发明所述的微尖锥定位镀膜法所采用的工艺步骤如下：
(1)锥尖暴露高度确定
在整个尖锥器件表面沉积覆盖层，采用薄膜削薄技术，减小表面覆盖层厚度，露出锥尖顶端，而锥体仍被覆盖；通过调节薄膜削薄参数，控制锥尖露出高度。
(2)表面处理和钝化
根据实际需要，对露出锥尖进行表面净化处理和钝化保护。
(3)薄膜沉积
根据实际需要，在锥尖顶端沉积上一层所需薄膜材料。
(4)器件表面覆盖层剥离
采用选择性腐蚀方式，剥离器件表面覆盖层，形成锥尖定位镀膜器件。
采用本发明所述的方法，可对微探针顶端进行定位表面处理；且如果上述的微尖锥的锥尖上沉积的材料具有一定功能的材料，则在锥尖上形成功能薄膜；如在锥尖上沉积耐磨材料，则在锥间形成耐磨材料层；如果在锥尖定位沉积纳米材料，则可在微尖锥顶端定位生长纳米材料；如在微尖锥顶端定量沉积反应剂量或催化剂，则生成的产品可用于微剂量生化实验。
从创新性方面考虑，本发明可实现锥尖定位净化和镀膜，镀膜尖锥具有界面无氧化层，镀膜尖锥均一性好等优点。从实用上考虑，利用本发明提供的技术，可在大面积(4-6英寸)衬底上制作外形均一的镀膜尖锥器件，制作工艺与半导体集成电路工艺完全兼容，容易实现低成本批量生产。
附图说明
图1为本发明所述的在微尖锥及其陈列顶端定位镀膜的工艺流程图；
图2为放大倍数为×7000的利用尖锥顶端定位镀膜法制作的镀膜(非金刚石薄膜)硅尖锥扫描电子显微镜形貌图；
图3为放大倍数为×10000的利用尖锥顶端定位镀膜法制作的镀膜(非金刚石薄膜)硅尖锥扫描电子显微镜形貌图；
图4为放大倍数为×30000的利用尖锥顶端定位镀膜法制作的镀膜(非金刚石薄膜)硅尖锥扫描电子显微镜形貌图；
图5为利用高分辨率投射电子显微镜观察到的硅/非晶体金刚石薄膜界面微区形貌图及净化处理前尖锥表面微区形貌图。
图6为硅/非金刚石薄膜界面微区X射线能量弥散图分析谱图；
图7为硅微尖锥陈列场致电子发射I-E及F-N特性对比图；
图8为硅微尖锥陈列场致电子发射I-t特性对比图；
图9为硅微尖锥顶端上定位生长纳米材料扫描电子显微镜形貌图之一；
图10为硅微尖锥顶端上定位生长纳米材料扫描电子显微镜形貌图之二；
图11为尖锥顶端纳米颗粒X射线能量弥散分析谱图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的锥尖定位镀膜法所采用的工艺步骤如下：
(1)锥尖暴露高度确定
在整个尖锥器件表面沉积覆盖层，采用薄膜削薄技术，减小表面覆盖层厚度，露出锥尖顶端，而锥体仍被覆盖；通过调节薄膜削薄参数，控制锥尖露出高度。
(2)表面处理和钝化
根据实际需要，对露出锥尖进行表面净化处理和钝化保护。
(3)薄膜沉积
根据实际需要，在锥尖顶端沉积上一层所需薄膜材料。
(4)器件表面覆盖层剥离
采用选择性腐蚀方式，剥离器件表面覆盖层，形成锥尖定位镀膜器件。
本发明所述的方法可具体用于以下应用：
1、对微探针顶端进行定位表面处理的应用；
2、在尖锥顶端定位沉积功能薄膜的应用；
3、在微尖锥顶端定位生长纳米材料的应用；
4、制作陈列式镀膜多探针系统的应用。
下面通过两个实施例详细说明本发明所述的方法的应用：
实施例1
在阵列式硅微尖锥顶端定位沉积薄膜：
1.在2英寸<100>硅片上制作硅微尖锥阵列；
2.利用Karl Suss R8涂胶机在硅微尖锥阵列表面旋涂上一层均匀的AZ 5200NJ正性光刻胶，涂胶转速为3000rpm，时间为30秒；
3.对已涂尖锥阵列进行热烘烤，烘烤温度为100摄氏度，时间为90秒；
4.利用Karl Suss MA45光刻机进行1秒钟的紫外泛暴光；
5.采用AZ 300MIF显影液对已暴光涂胶尖锥阵列进行显影，显影时间为20秒，显影后露出锥尖，而锥体仍被光刻胶覆盖；
6.对已显影器件进行热烘烤，烘烤温度为110摄氏度，时间为120秒；
(也可将步骤4-6改为如下工艺：利用磁增强等离子体刻蚀机，用氧等离子体对尖锥顶端光刻胶进行刻蚀削薄，露出锥尖；刻蚀功率为250W，氧气流量为40sccm，时间为3分钟；)
7.将尖锥阵列在缓冲氢氟酸(水∶氟化氢的体积比＝7∶1)中浸泡20秒，接着利用功率为100W的H(10sccm)/Ar(5sccm)混合等离子体，对锥尖进行表面处理，时间为5秒钟；
8.采用真空弧磁过滤等离子沉积法，在尖锥阵列表面沉积上一层均匀超薄(约2nm)的非晶金刚石薄膜，沉积条件如下：衬底偏压：-100V，衬底温度：室温，工作真空度：10-5Torr，积分仪计数：200；
9.用分析纯丙酮溶液剥离器件表面光刻胶，形成锥尖定位镀膜器件。
对于用上述方法所得到的镀膜(非晶金刚石薄膜)硅微尖锥电子源器件，扫描电子显微镜(SEM)观察结果显示(见图2、图3、图4)，尖锥顶端均匀覆盖一层非晶金刚石薄膜，形成膜鞘，不同尖锥膜鞘均一性好，衬底表面无颗粒。利用高精度透射电子显微镜(HRTEM)对硅/薄膜界面做微区形貌分析，结果如图5所示，图中右下角小插图为净化处理前尖锥表面微区形貌图。对比两幅微区形貌图，可以看出，净化处理前存在于硅锥尖表面的氧化层，经氢氟酸及H/Ar混合等离子体处理后已被去除，沉积在尖锥顶端的非晶金刚石薄膜均匀平滑。采用X射线能量弥散(EDX)对图5所示的硅/薄膜界面做微区能谱，结果如图6所示，仅观察到硅和碳峰，进一步确认了硅/薄膜界面不存在氧化层。场致电子发射测试结果发现，顶端定位净化/镀膜器件比未做表面净化/非定位镀膜器件的场致电子发射特性优越，如图7、8所示，定位净化/镀膜器件电子发射阀值电场为3.1MV/m；在外加电场为8.1MV/m时，发射电流可达400uA，最大电流漂移量＝(Imax-Imin)/400uA仅为3.0％；而未做定位表面净化的非定位镀膜器件，需提高外加电场到11.5MV/m，才获得400uA的发射电流，最大电流漂移量高达9.0％。上述结果表明定位表面净化/镀膜(非晶金刚石薄膜)是获得高效场发射器件的有效途径。
实施例2
在单个硅微尖锥顶端上定位生长纳米材料
1.在<100>硅片上制作单个硅微尖锥；
2.利用SP-3型(中国科学院微电子中心)磁控溅射镀膜机，在硅微尖锥表面沉积上一层金属铝薄膜，厚度约为1um。铝膜沉积条件如下：溅射功率为250W，衬底温度为室温，工作真空度为5×10-4Pa，溅射气体为Ar(60sccm)，时间为20分钟；
3.利用Karl Suss R8涂胶机在镀铝尖锥表面均匀涂上一层AZ 5200NJ正性光刻胶，涂胶转速为3000rpm，时间为30秒；
4.对已涂胶尖锥器件进行热烘烤，烘烤温度为100摄氏度，时间为90秒；
5.利用Karl Suss MA45光刻机进行1秒钟的紫外泛暴光；
6.采用AZ 300MIF显影液对已暴光涂胶尖锥器件进行显影，显影时间为20秒钟，显影后露出镀铝锥尖，而镀铝锥体仍被光刻胶覆盖；
7.对已显影器件进行热烘烤，烘烤温度为110摄氏度，时间为120秒；(也可将步骤5-7改为如下工艺：利用磁增强等离子体刻蚀机，用O等离子体对尖锥顶端光刻胶进行刻蚀削薄，露出镀铝锥尖，刻蚀功率为250W，氧气流量为40sccm，时间为5分钟；)
8.将尖锥器件在稀释磷酸(水∶磷酸的体积比＝4∶1)中浸泡10分钟，取出水洗，并用高纯氮气吹干；
9.采用真空弧磁过滤等离子沉积法，在尖锥器件表面沉积上一层均匀超薄的铁膜。薄膜沉积条件如下：衬底偏压：-100V，衬底温度为室温，工作真空度为10-5Torr，积分仪计数为20；
10.用分析纯丙酮溶液剥离器件表面光刻胶，接着用化学气相(CVD)法在尖锥器件上生长碳纳米球。具体制备条件如下：先用氢气(10sccm)对样品进行还原处理，时间为2小时，温度为650摄氏度，停止通氢气，在Ar(400sccm)气氛下，将温度从650摄氏度上升到750摄氏度，停止通Ar气，通如乙炔(40sccm)，在750摄氏度保持20分钟，停止通乙炔，停止加热，在Ar气气氛下退火。
11.用稀盐酸(水∶氯化氢的体积比＝5∶1)剥离器件表面铝膜，铝膜上的覆盖层一同被去除，形成仅尖锥末端生长有纳米材料的器件。
图9、10展示的是利用上述方法所得到的单个镀膜尖锥扫描电子显微镜图像，从图中可以看出，纳米颗粒仅在沉积了催化剂的尖锥末端覆盖一簇纳米颗粒，实现在锥尖上定位生长纳米材料。EDX能谱分析结果证实，锥尖上纳米簇为纳米球(见图11)。

Claims (2)

1、一种在微尖锥顶端定位镀膜的方法，其特征在于：其所采用如下的工艺步骤：
(1)锥尖暴露高度确定
在整个尖锥器件表面沉积覆盖层，采用薄膜削薄技术，减小表面覆盖层厚度，露出锥尖顶端，而锥体仍被覆盖，通过调节薄膜削薄参数，控制锥尖露出高度；
(2)表面处理和钝化
根据实际需要，对露出锥尖进行表面处理和钝化保护；
(3)薄膜沉积
根据实际需要，在锥尖顶端沉积上一层所需薄膜材料；
(4)器件表面覆盖层剥离
采用选择性腐蚀方式，剥离器件表面覆盖层，形成锥尖定位镀膜器件。
2、按权利要求1所述的微尖锥顶端定位镀膜的方法，其特征在于：在锥尖顶端沉积的材料是功能性材料、耐磨材料、纳米材料、反应剂或催化剂。
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