CN1188322A - 悬臂及其制造方法 - Google Patents

Abstract

悬臂10由三个区域并与作为边界的弯曲部51和52一起构成位于自由边缘的支撑部10b,横梁部10a,以及位于固定边缘的支撑部10c,探针1设置在自由边缘的支撑部10b上,支撑部10c则固定于显微镜主体。在自由边缘的支撑部10b和横梁部10a弯曲部51处具有一个夹角,以及横梁部10a和固定边缘的支撑部10c之间具有一个在弯曲部52处的夹角。当悬臂用于液体中的观测时,在所述悬臂10与弯曲部51,52的周边部之间设置一个缝隙54,以及周边部再设置于缝隙周围。

Description

悬臂及其制造方法

本发明涉及悬臂及其制造方法，尤其是涉及适用于以AFM(原子力显微镜)为代表的扫描型显微镜探测器的悬臂及其制造方法。进一步地，特别描述了本发明涉及的以探测器接近进行扫描探测样品表面的，通过产生于探测器和样品表面之间的力，使悬臂自由边缘以及其横梁部偏斜的悬臂及其制造方法。本发明还涉及一种观测方法，当待观测的样品表面存在于液体中时，与样品表面在一起的悬臂光学控制杆反射部分保持在液面之上。

悬臂以及设置在其所支持的横梁自由端的探针已被用于扫描型原子力显微镜(AFM)的扫描探测器。具有上述构形的悬臂中，当样品表面被探针扫描时，根据子之间的吸引或排斥力会发生在样品表面或探针之间，使得样品表面的形状可通过探测原子间力作为悬臂的偏转速率来测量。

传统形式的用于AFM的悬臂，例如日本专利公开HEI5-196458所公开的，图5A所示悬臂整体呈直线状，并在悬臂横梁部30a的延长线上设置有安装着探针1的自由边缘30b以及固定在显微镜主体上的固定边缘30c。然而，当以上所描述的直线状悬臂30用于扫描探测器，其横梁30a位于与样品表面平行的排列情形时，如果样品表面有较大的波纹，横梁30a可能会与样品表面接触，使探针1不能精确地测绘样品表面。为此，基于传统技术的悬臂30朝向样品，与所述主体间具有一个角度，如图5B所示，使得探针1在样品20表面即使具有较大的波纹时，横梁30a也不会与样品表面接触而获得对样品表面精确的测绘。

还有，当传统形式的AFM测量处于液体中的样品时，整个悬臂需要浸入液体中，作为光学控制杆反射面的杆部也要浸入液体，造成对激光位置调整的困难，或反射位置由于光的折射、吸收而改变，或在液体表面上发生变化，使反射光强度变弱，或无法作出准确的测量。

如上所述，当悬臂30以一个角度朝向样品表面，接近样品表面的探针1也同样具有一个朝向它的角度。图6模拟示意出当接近其表面的探针1具有一个朝向它的角度时，图中清楚地显示原子间力不能规则地施加于探针1的情形。因此，悬臂30的偏转速率无法精确地描绘探针1和样品20之间的距离，因而，灵敏度降低以及测绘误差加大。再有，当待测样品处于液体中，以及整个悬臂浸入液体中时，检测光学控制杆的激光被液体表面反射或被液体吸收，以及照射点的反射强度或反射位置被改变，均导致不可能进行正确的和高灵敏的检测。

本发明在于解决传统悬臂技术中存在的问题，并且，本发明的一个目的在于提供一种即使位于自由端的探针垂直接近待扫描样品表面时，探针能在悬臂主体不接触样品表面的前提下精确追踪样品表面的悬臂及其制造方法。进一步地，本发明的另一个目的在于提供一种悬臂及其制造方法，由于悬臂的激光反射面不浸没于液体中，当待观测的样品处于液体中时，可以对液体中的样品进行精确的观测。

为了达到上述目的，本发明中对悬臂及位于它所支撑的横梁部自由端的探针，以及它们的制造方法提出下列对策。

(1)本发明中，在横梁部的固定边缘和自由边缘之间至少一个位置设置一个弯曲部，使得横梁部通过一个朝向样品表面的预定角度呈倾斜状，形成探针在垂直方向上接近样品表面的状态。

(2)根据本发明的方法，包括第一步，在半导体基体表面的一个边缘以及与其相距一定间距的半导体基体的另一边缘设置一对保护层，因而两部分的突出部不会相互叠加，下一步，从上表面完成对硅基各向不同的蚀刻，以及从其尾端表面到确定的深度通过保护掩膜层以形成非直线型的，包括有设置于一对保护层之下的支撑部以及设置在间距区域的以相互连接各支撑部的横梁部的悬臂，再一步，在一个支撑部的一个表面形成保护层，并再通过对位于保护层之下的支撑部表面采用各向不同的蚀方式刻蚀刻出探针。

(3)根据本发明的方法，包括第一步，在硅基的表面通过各向不同的蚀刻在弯曲悬臂的杠杆部上形成一个与底部凹陷在一起的凹槽，再一步，在悬臂与周边之间设置一个数微米的缝隙，并通过各向相同的蚀刻在杠杆尾部表面形成探针。

根据上述(1)项所描述的悬臂，即使探针垂直接近样品表面，也可以防止悬臂主体与样品表面的接触，从而使探针精确描绘样品的表面。根据上述(2)和(3)项所描述的悬臂制作方法，非直线型悬臂具有一个弯曲部分，可只通过化学蚀刻步骤，而无须复杂的机械研磨过程。

根据(3)项的悬臂，当待测样品处于液体中时，无须将整个悬臂浸入液体中，由于不会发生位置检测激光在液面由于反射造成的衰减和吸收，或由于探针和样品之间的不规则反射引起干涉所造成的激光光束的位移也不会发生，从而可以对液体中的样品进行精确的观测操作。

图1是根据本发明一种实施例悬臂的侧视图。

图2是当探针垂直接近样品表面时原子间力作用示意图。

图3A-3C是根据本发明一种实施例非直线型悬臂制作方法(第一部分)的示意图。

图4A-4B是根据本发明一种实施例非直线型悬臂制作方法(第二部分)的示意图。

图5A-5B是基于传统技术直线状悬臂的结构及使用示意图。

图6是解释基于传统技术直线状悬臂所具有问题的示意图。

图7A-7B是根据本发明一种实施例悬臂在液体中观测的侧视和平视图。

下面将结合附图对本发明进行详细描述。图1是根据本发明一种实施例悬臂的侧视图，其中相同的标记表示相同或相关的部分。

根据本发明的悬臂10由对硅基进行蚀刻而构成，并与作为边界的弯曲部51和52一起构成三个区域，分别为位于自由边缘的横梁部10a，支撑部10b，以及位于固定边缘的支撑部10c。探针1设置在自由边缘的支撑部10b上，支撑部10c的下边缘侧固定于显微镜主体。在自由边缘弯曲部51处，自由边缘支撑部10b和横梁部10a之间具有一个55.7°范围的夹角，以及在弯曲部52处，横梁部10a和固定边缘的支撑部10c之间具有一个124.3°范围的夹角。自由边缘的支撑部10b和固定边缘的支撑部10c不在同一个平面上，但相互平行，并且平面(100)显露于各支撑部的表面上。同时，平面(111)显露于横梁部10a的表面上。借助于如上所述的非直线型悬臂，探针1可以垂直地接近样品的表面而不使横梁部10a与样品表面相接触，即使样品表面呈较大的波浪状。图2是当探针1垂直接近样品表面时原子间力的作用示意图，图中展示了原子间力规则地施加于探针1的情形，使得悬臂30的偏转率可以精确地展示探针1和样品20之间的距离。

图3A-3C以及图4A-4B分别为制作如上所述具有两个弯曲部的非直线型悬臂的方法截面视图，其中相同的标记同样表示与前述附图中相同或相关的部分。首先，诸如氧化膜之类的掩膜61，62设置于硅基体3的由平面(100)所确定的上表面边缘以及后表面的其他边缘(参见图3A)。掩膜61，62按设置于其间的预定间距d排列，使两部分的突出部相互不重叠。这里的间距d由基体材料(本实施例中为硅)的晶体结构和厚度，横梁部30a的厚度或类似情况所确定。

之后，硅基体3的上表面以掩膜61作为掩蔽层，经过各向不同的湿法蚀刻至预定的深度(参见图3B)。作为蚀刻的溶剂，可选用百分之四十重量份的氢氧化钾(KOH)水溶液于60℃至80℃温度范围和百分之二十重量份的四甲基氢氧化氨(TMAH)水溶液于80℃至90℃温度范围或类似方法。此类蚀刻溶剂对平面(100)比对平面(111)的蚀刻快得多，使得掩膜61实际不受蚀刻的影响。相应地，各向不同的蚀刻基本停止于具有以掩膜61为参照边缘的平面(111)处，平面(111)显露于一间距区，即横梁30a中。当硅基体的后表面也进行如同上表面一样的湿法蚀刻时，平面(111)显现于以掩膜62为参照边缘的间距区中(参见图3C)。当使用如本实施例的硅基体3时，会在平面(100)与平面(111)之间产生一个约55.7°(124.3°)的夹角。

之后，掩膜63形成于支撑部10b的自由边缘表面上(参见图4A)，探针1通过对掩膜63下面的硅基根据探针的高度干蚀刻而成(参见图4B)。最后，去除掩膜63，完成悬臂10。

根据本发明实施例，一种非直线型悬臂，具有一个(组)弯曲部，可仅通过湿式和/或干式蚀刻步骤形成，无须涉及机加工过程的复杂的抛光步骤。

图7A和7B展示了根据本发明的悬臂用于观测液体中的样品时的实际情形。

观测液体中的样品表面可通过仅将探针浸入液体而进行，如图7A所示，此时由于水的表面张力引起的渗透力可通过设置如图1所示悬臂具有凹陷形式的周边部并使悬臂和周边部之间形成一个小至1到100μm缝隙而避免。

值得注意的是，以上实施例以一种通过对硅基体的蚀刻形成的悬臂形式所展现，但本发明并不局限于硅基体，还可以通过对石英或砷化镓基体的蚀刻而制成。

根据本发明，已得到如下描述的效果。

(1)根据本发明的悬臂，具有一个(组)位于带有探针的自由边缘与固定边缘之间的弯曲部，以及一横梁部，呈现为向样品表面方向倾斜一个预定的角度的状态，在此，探针垂直接近样品表面，使得该探针即使垂直接近样品表面，也可以避免悬臂主体与样品表面的接触，使探针可以精确测绘样品表面。

(2)根据本发明的悬臂制作方法，一种非直线型悬臂，具有一个(组)弯曲部，可仅通过湿式和/或干式蚀刻步骤形成，无须涉及机加工过程的复杂抛光步骤。

(3)根据本发明的悬臂，可以容易地通过仅将探针置于液体中而作为整体的悬臂保持于液面之上对水中的目标进行观测。

Claims (8)

1.一种悬臂，在其横梁部自由边缘设置有一个接近待扫描样品表面的探针，以及一个在悬臂中对其进行支撑的固定边缘；其中，

在横梁部的固定边缘和自由边缘之间至少一个位置具有一个弯曲部，使得弯曲部通过一个朝向样品表面的预定角度呈倾斜状，形成探针在垂直方向上接近样品表面的状态。

2.根据权利要求1所述悬臂，其中，所述悬臂是通过对半导体基体进行蚀刻，所述横梁的表面是平面(111)，以及固定边缘和自由边缘的各表面是由平面(100)所构成的。

3.一种制造其所支撑的悬臂横梁部设置有一个探针的悬臂的方法，所述方法包括步骤：

在表面的一个边缘设置一对保护层以及一个以设置在其间预定的间距相区分的半导体基体后表面的另一边缘，因而两部分的突出部不会相互叠加；

从上表面完成对硅基体各向不同的蚀刻，以及从其后表面到确定的深度通过保护覆盖掩膜层以形成非直线型的，包括有设置于一对保护层之下的支撑部以及设置在间距区域的以相互连接各支撑部的横梁部的悬臂；

在一个支撑部的一个表面形成保护层；以及

通过对位于保护层之下的支撑部表面采用各向不同的刻蚀方式蚀刻出探针。

4.根据权利要求3所述一种悬臂的制造方法，其中，所述半导体基体的表面是平面(100)，并且，在对所述半导体基体的上表面及后表面进行的各向不同的蚀刻中，对平面(100)的蚀刻要快于平面(111)。

5.一种悬臂，其接近待扫描样品表面的探针设置于通过悬臂固定边缘所支撑的横梁部的自由边缘处，其中

在横梁的固定边缘与自由边缘之间，至少设置一个弯曲部，使横梁部呈现为向样品表面方向倾斜一个预定的角度的状态，在此，探针垂直接近样品表面，悬臂和周边部分间具有一个数微米的缝隙，基体上具有一个凹陷部。

6.一种制作悬臂的方法，包括步骤：

对基体进行各向不同的蚀刻，设置一个凹陷部，并在凹陷部的底部设置一个杠杆，以及

在凹陷部的后表面设置探针。

7.一种悬臂的使用方法，其中，当与原子间力显微镜一起用于观测水中的目标时，只有设置于如权利要求6所述的凹陷部后表面的探针处于所观测水面之下，同时，探针后的悬臂保持于水面之上

8.使用根据权利要求1至7任意一项悬臂的用于探测样品表面的扫描型探针显微镜及其功能。

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