CN1885438A - 微尖端线列器件 - Google Patents
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Abstract
微尖端线列器件，由单晶硅材料的夹持端、附着有鉻和金的氮化硅悬臂梁、镍金属的微尖端构成。本发明的微尖端线列器件，各微尖端可以通过外电路并行控制或分别控制；使用<100>晶向的单晶硅作为衬底制造，成本低廉；通过标准微电子机械(MEMS)工艺加工，成品率高；可以并行完成扫描隧道显微镜所能胜任的所有任务，如：材料表面并行探知、材料表面并行微米/纳米级加工、高密度存储等。
Description
技术领域
本发明微尖端线列器件涉及电子信息技术领域，具体的说此器件的原理是基于扫描隧道显微镜技术，它可用于进行材料表面探知、材料表面微米/纳米级加工、高密度数据存取三个方面。
背景技术
从1982年IBM公司的G.Bining等人发明隧道显微镜(STM)以来，衍生出的原子力显微镜(AFM)、扫描探针显微镜(SPM)等，已在物理、化学、电子、材料、医药等众多领域得到了广泛的应用，成为人们研究微观世界的强有力的工具。在此基础上，国外已经涌现出各种新型的悬臂梁微尖端器件，目前已经被应用于高密度数据存取、材料表面超微加工、材料表面探知、传感器等诸多方面。而我国国内暂无此方面的专利技术报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微电子机械(MEMS)加工方法制备的线阵列氮化硅悬臂梁支撑的金属微尖端器件。本发明微尖端线列器件的目的在于通过“线列化”解决隧道显微镜(STM)单探针在进行表面探知、材料表面微纳加工、高密度数据存取时的低效率问题。其中，线列单元的个数即是其所提高效率的倍数。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种微尖端线列器件，是基于扫描隧道显微镜原理的微尖端线列器件，由夹持端、悬臂梁、微尖端三个部分组成，其中，在夹持端上表面固接有焊盘，在焊盘的一侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；其所述焊盘，至少为两个，两个焊盘整齐顺序排列，在每个焊盘的同侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，彼此平行，每个悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；
所述夹持端为单晶硅材料；悬臂梁由附着有鉻和金的低应力氮化硅薄膜构成；微尖端为镍金属材料构成。
所述的微尖端线列器件，其所述单晶硅材料夹持端，由单晶硅片制成；其上载有分别控制单个微尖端与外围电路连接的焊盘。
所述的微尖端线列器件，其所述悬臂梁，为氮化硅悬臂梁，其上附着有鉻和金的薄膜，此层薄膜既作为连接尖端的导线又作为驱动悬臂梁在z方向运动的驱动器；每个器件上的悬臂梁由外围电路控制，同时并行相同操作或分别进行不同操作。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端，整体由金属镍电镀生成；其成型的模具为单晶硅通过各项异性腐蚀生成的倒金字塔型凹槽。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端由金属镍电镀生成，其工艺包括：第一步，在衬底单面生长低应力氮化硅薄膜；第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑；第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形；第五步，在已经形成的悬臂梁图形上制备鉻与金层作为电镀基底；第六步，使用电镀液在金电镀基底上电镀镍，形成镍的微尖端；第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾溶液腐蚀释放带微尖端的氮化硅悬臂梁。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第一步中，是由晶向为<100>的厚为≤300微米的双面抛光单晶硅片为衬底，使用低压化学气相淀积方法，在衬底单面生长≤2微米低应力氮化硅薄膜。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第二步中，定位窗口图形为正方形、圆形，正方形≤5×5微米。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第五步中，用蒸发或溅射发制备鉻与金层，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
所述的微尖端线列器件，其所述微尖端制作工艺，第六步中，电镀液是以磺胺基镍、氯化镍、硼酸为溶质的电镀液，电镀≤5微米的镍，形成镍的微尖端。
本发明的微尖端线列器件，各微尖端可以通过外电路并行控制或分别控制；使用<100>晶向的单晶硅作为衬底制造，成本低廉；通过标准微电子机械(MEMS)工艺加工，成品率高；可以并行完成扫描隧道显微镜所能胜任的所有任务，如：材料表面并行探知、材料表面并行微米/纳米级加工、高密度存储等。
附图说明
图1为本发明微尖端线列器件结构示意图；
图2为本发明微尖端线列器件加工流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明微尖端线列器件大体上由：夹持端1、悬臂梁2、微尖端3，三个部分组成。其中，在夹持端1上表面固接有复数个焊盘4，复数个焊盘4整齐顺序排列，在每个焊盘4的同侧固接有悬臂梁2，悬臂梁2伸出于夹持端1侧外，彼此平行，每个悬臂梁2的自由端固设有微尖端3，微尖端3的针尖向下。
夹持端1，材料为晶向是<100>的单晶硅，尺寸为1×0.5厘米、厚300微米，用于支撑整个器件结构，其上拥有分别控制单个微尖端3放电的焊盘4。焊盘4尺寸为1×1毫米，将微尖端3的针尖与外部电路连接，可通过控制程序单独或统一操作。悬臂梁2，长400微米、宽30微米，主体材料为氮化硅，厚2微米，其上附着有鉻和金的双层膜，分别厚50埃与100埃。鉻和金的双层膜的作用相当于导线，其于氮化硅形成了一种双变体结构。这种结构基于热膨胀系数的巨大差异，可以在需要的情况下通过改变悬臂梁2温度使微尖端3在z轴方向运动。微尖端3，由金属镍电镀生成，底切面尺寸5×5微米、高7微米，其尖端处曲率半径小于50纳米。依靠尖端放电的原理，当在焊盘4上于其所要加工的材料之间加上微小电压时(如5v)，就可以在尖端处产生很大的电场(约109V/m，反比于尖端与衬底间距离)，从而使空气电离产生隧道电流。这种镍尖端不光可以通过隧道电流加工和感知材料表面，还可以被热电阻加热依靠高温来加工材料，或直接用其进行纳米压印。
为了实现上述结构，如图2所示，本器件由晶向为<100>的厚为300微米的双面抛光单晶硅片为衬底5。第一步，使用低压化学气相淀积(LPCVD)法，在衬底单面生长2微米低应力氮化硅薄膜6。第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端3的定位窗口，图形为5×5微米正方形7。第三步，使用氢氧化钾(KOH)溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑8。第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形。第五步，在已经形成的悬臂梁图形上蒸发50埃的鉻与100埃的金9作为电镀基底。第六步，使用以磺胺基镍(Ni(NH2SO3)2·6H2O)、氯化镍(NiCl2·6H2O)、硼酸(H3BO3)为溶质的电镀液在金电镀基底上电镀5微米的镍，形成镍的微尖端3。第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀释放带微尖端3的氮化硅悬臂梁。
Claims (9)
1.一种微尖端线列器件，是基于扫描隧道显微镜原理的微尖端线列器件，由夹持端、悬臂梁、微尖端三个部分组成，其中，在夹持端上表面固接有焊盘，在焊盘的一侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；其特征在于，所述焊盘，至少为两个，两个焊盘整齐顺序排列，在每个焊盘的同侧固接有悬臂梁，悬臂梁伸出于夹持端侧外，彼此平行，每个悬臂梁的自由端固设有微尖端，微尖端的针尖向下；
所述夹持端为单晶硅材料；悬臂梁由附着有鉻和金的低应力氮化硅薄膜构成；微尖端为镍金属材料构成。
2.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述单晶硅材料夹持端，由单晶硅片制成；其上载有分别控制单个微尖端与外围电路连接的焊盘。
3.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述悬臂梁，为氮化硅悬臂梁，其上附着有鉻和金的薄膜，此层薄膜既作为连接尖端的导线又作为驱动悬臂梁在z方向运动的驱动器；每个器件上的悬臂梁由外围电路控制，同时并行相同操作或分别进行不同操作。
4.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端，整体由金属镍电镀生成；其成型的模具为单晶硅通过各项异性腐蚀生成的倒金字塔型凹槽。
5.按照权利要求1所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端由金属镍电镀生成，其工艺包括：第一步，在衬底单面生长低应力氮化硅薄膜；第二步，通过干法刻蚀在已生长的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，并生成倒金字塔型的腐蚀坑；第四步，使用干法刻蚀在衬底有腐蚀坑的一面形成氮化硅悬臂梁的图形；第五步，在已经形成的悬臂梁图形上制备鉻与金层作为电镀基底；第六步，使用电镀液在金电镀基底上电镀镍，形成镍的微尖端；第七步，从衬底背面依靠氢氧化钾溶液腐蚀释放带微尖端的氮化硅悬臂梁。
6.如权利要求5所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第一步中，是由晶向为<100>的厚为≤300微米的双面抛光单晶硅片为衬底，使用低压化学气相淀积方法，在衬底单面生长≤2微米低应力氮化硅薄膜。
7.如权利要求5所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第二步中，定位窗口图形为正方形、圆形，正方形≤5×5微米。
8.如权利要求5所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第五步中，用蒸发或溅射法制备鉻与金层，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
9.如权利要求5所述的微尖端线列器件，其特征在于，所述微尖端制作工艺，第六步中，电镀液是以磺胺基镍、氯化镍、硼酸为溶质的电镀液，电镀≤5微米的镍，形成镍的微尖端。
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