CN217639151U - 一种压阻式自检测自激励secm探针 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压阻式自检测自激励SECM探针，涉及扫描电化学显微镜领域，包括主体支撑结构；与主体支撑结构集成的悬臂梁；设于悬臂梁表面的针尖；覆盖于针尖的金属层，用于连接输入端，并通过输入端输入的电压或电流产生电热作用，使悬臂梁发生形变，以使悬臂梁向待测样品施加作用力；设于主体支撑结构上表面的惠斯通电桥，用于当悬臂梁向待测样品施加作用力时，输出与作用力对应的检测信号。本申请针尖上的金属层在电热作用下使悬臂梁产生弯曲形变，从而向待测样品施加作用力，实现自激励；当悬臂梁产生弯曲形变，惠斯通电桥中可变电阻的阻值发生变化，输出检测信号，实现压阻自检测，不需设置四象限探测器和激光器，简化结构和操作难度。

Description

一种压阻式自检测自激励SECM探针

技术领域

本申请涉及扫描电化学显微镜领域，特别是涉及一种压阻式自检测自激励SECM探针。

背景技术

扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy，SECM)是一种扫描探针显微镜，可以测量样品的表面形貌和局部微区氧化还原电流，在腐蚀、生物、能源等方面起着重要作用。

目前，SECM通常采用光杠杆的微悬臂形变检测技术，需要设置四象限探测器和激光器作为光学检测设备，需要将激光打在探针的针尖上，由于悬臂梁尺寸较小，导致激光光束聚焦比较困难，并且当SECM在液下操作时激光的折射现象以及液面挥发导致的反射点位置偏移也增加了SECM的操作难度。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种压阻式自检测自激励SECM探针，无需设置四象限探测器和激光器，简化结构，降低操作难度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种压阻式自检测自激励SECM探针，包括：

主体支撑结构；

与所述主体支撑结构集成的悬臂梁；

设于所述悬臂梁表面的针尖；

覆盖于所述针尖的金属层，用于连接输入端，并通过所述输入端输入的电压或电流产生电热作用，使所述悬臂梁发生形变，以使所述悬臂梁向待测样品施加作用力；

设于所述主体支撑结构上表面的惠斯通电桥，用于当所述悬臂梁向所述待测样品施加作用力时，输出与所述作用力对应的检测信号。

可选的，所述探针的数量为两个，其中，第一针尖用于测量所述待测样品的电化学活性，第二针尖用于测量所述待测样品的表面形貌。

可选的，所述第一针尖位于所述悬臂梁的顶端，所述第二针尖位于所述第一针尖靠近所述主体支撑结构的一侧，其中，所述顶端为所述悬臂梁远离所述主体支撑结构的一端。

可选的，所述惠斯通电桥包括四个具有压阻效应的U型电阻，四个所述U型电阻在所述主体支撑结构上表面对称分布。

可选的，阻值可变的所述U型电阻由所述主体支撑结构的上表面延伸至所述悬臂梁支撑端应变最大处，其中，所述支撑端为所述悬臂梁与所述主体支撑结构的连接处。

可选的，所述针尖的直径尺寸为纳米级。

可选的，所述金属层包括在远离所述针尖方向上层叠的金属黏附层和金属导电层。

可选的，所述悬臂梁与所述主体支撑结构的连接处为所述主体支撑结构所在边缘的中间。

可选的，还包括：

包覆在所述探针表面除所述惠斯通电桥和所述针尖以外区域的绝缘保护层。

本申请所提供的一种压阻式自检测自激励SECM探针，包括：主体支撑结构；与所述主体支撑结构集成的悬臂梁；设于所述悬臂梁表面的针尖；覆盖于所述针尖的金属层，用于连接输入端，并通过所述输入端输入的电压或电流产生电热作用，使所述悬臂梁发生形变，以使所述悬臂梁向待测样品施加作用力；设于所述主体支撑结构上表面的惠斯通电桥，用于当所述悬臂梁向所述待测样品施加作用力时，输出与所述作用力对应的检测信号。

可见，本申请的探针中，在针尖上覆盖有金属层，保证针尖导电的同时，金属层通过电压或者电流产生的电热作用，使悬臂梁产生弯曲形变，从而向待测样品施加作用力，从而实现自激励；悬臂梁与主体支撑结构集成在一起，当悬臂梁产生弯曲形变时，主体支撑结构上的惠斯通电桥中阻值可变的电阻的电阻值发生变化，从而输出与作用力对应的检测信号，实现压阻自检测因此，本申请中的探针实现电热自激励和压阻自检测功能，无需借助激光，也即不需设置四象限探测器和激光器，避免出现光束聚焦操作困难以及因激光反射点偏移导致的SECM操作难度高的情况。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种压阻式自检测自激励SECM探针示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种压阻式自检测自激励SECM探针从针尖处的俯视图；

图3至图18为本申请实施例所提供的一种压阻式自检测自激励SECM探针的制备工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前SECM通需要设置四象限探测器和激光器作为光学检测设备，需要将激光打在探针的针尖上，由于悬臂梁尺寸较小，导致激光光束聚焦比较困难，并且当SECM在液下操作时激光的折射现象以及液面挥发导致的反射点位置偏移也增加了SECM的操作难度。

有鉴于此，本申请提供了一种压阻式自检测自激励SECM探针100，请参考图1和图2，包括：

主体支撑结构1；

与所述主体支撑结构1集成的悬臂梁2；

设于所述悬臂梁2表面的针尖3；

覆盖于所述针尖3的金属层5，用于连接输入端，并通过所述输入端输入的电压或电流产生电热作用，使所述悬臂梁2发生形变，以使所述悬臂梁2向待测样品施加作用力；

设于所述主体支撑结构1上表面的惠斯通电桥4，用于当所述悬臂梁2向所述待测样品施加作用力时，输出与所述作用力对应的检测信号。

探针100还可以包括与金属层5连接的外接导线6，用于连接扫描电化学显微镜的探测器。为了避免外接导线6影响悬臂梁2向待测样品施加作用力的检测，金属层5可以由悬臂梁2的表面边缘延伸至主体支撑结构1，如图1中所示。需要指出的是，针尖3实际从悬臂梁2的下表面向远离悬臂梁2的方向延伸，具体可参考本申请中制备工艺流程图，从而向待测样品施加作用力，图1中为了便于示出探针的结构，将针尖3与悬臂梁2画在同一表面。

需要说明的是，本申请中对针尖3的数量不做限定，可自行设置。针尖3的数量可以为一个，也可以为两个及以上。

在本申请的一个实施例中，所述针尖3的数量为两个，分别称为第一针尖和第二针尖，其中，第一针尖用于测量所述待测样品的电化学活性，第二针尖用于测量所述待测样品的表面形貌。即，通过双针尖3的设置，不仅可以得到待测样品表面的电化学活性，还可以得到形貌成像。当需要测量其他方面的性能时，可以根据需要在设置其他针尖。

进一步的，当针尖3的数量为多个时，本申请中对各个针尖3的位置关系也不做限定。可选的，所述第一针尖位于所述悬臂梁2的顶端，所述第二针尖位于所述第一针尖靠近所述主体支撑结构1的一侧，其中，所述顶端为所述悬臂梁2远离所述主体支撑结构1的一端。此时，第一针尖处于悬臂梁2形变最大处，自由度更好，利于提升电化学活性测量准确性。当然，第一针尖和第二针尖的位置可以调换，即所述第二针尖位于所述悬臂梁2的顶端，所述第一针尖位于所述第二针尖靠近所述主体支撑结构1的一侧，其中，所述顶端为所述悬臂梁2远离所述主体支撑结构1的一端。

现有技术中针尖直径一般在5～25μm之间，测量分辨率较低，为了提升针尖探测的分辨率，在本申请的一个实施例中，所述针尖3的直径尺寸为纳米级，例如，可以将针尖3直径设置在10nm左右。当针尖3的数量为多个时，可以将每个针尖3的针尖直径均设置在纳米级，以针尖3的数量为两个为例，此时可以通过第二针尖得到高质量的纳米级分辨率形貌成像，有效提高SECM的形貌成像质量。

金属层5需要保证针尖3导电，为了提升导电性能，金属层5优选为导电性能良好的金属，例如，金属层5可以为金层。进一步的，为了提升金属层5与针尖3之间的黏附性，所述金属层5包括在远离所述针尖方向上层叠的金属黏附层和金属导电层，其中，金属黏附层可以为铬层，金属导电层可以为金层。

金属层5产生的电热作用使悬臂梁2产生弯曲变形，此弯曲变形主要体现在悬臂梁2自由端(顶端)，即后续的针尖3为变形位移最大处，对待测样品施加作用力，可通过控制输入电信号大小，精准控制悬臂梁2的弯曲程度，对待测样品精确施加微小作用力。

惠斯通电桥4包括四个具有压阻效应的电阻，其中一个电阻的阻值可变。四个电阻同时进行离子注入，离子注入角度和注入量经过精确计算，来保证初始电阻值的一致性。当悬臂梁2发生弯曲变形时，阻值可变的电阻收到应力作用，阻值发生变化，惠斯通电桥4输出的信号发生变化，根据惠斯通电桥4输出的信号得到检测信号。

惠斯通电桥4中各个电阻的形状可以为U型，能较好的束缚电流，或者其他形状，均在本申请的保护范围内。

为了提升检测的灵敏度，所述惠斯通电桥4包括四个具有压阻效应的U型电阻，四个所述U型电阻在所述主体支撑结构1上表面对称分布。进一步的，为了提高压阻检测的灵敏度和精度，阻值可变的所述U型电阻由所述主体支撑结构1的上表面延伸至所述悬臂梁2支撑端应变最大处，其中，所述支撑端为所述悬臂梁2与所述主体支撑结构1的连接处，如图1所示。

本申请中对悬臂梁2与主体支撑结构1的连接位置不做限定，例如，所述悬臂梁2与所述主体支撑结构1的连接处为所述主体支撑结构1所在边缘的中间，或者，悬臂梁2与主体支撑结构1的连接处位于主体支撑结构1所在边缘的中间偏左处或中间偏右处，均在本申请的保护范围内。

本申请的探针100中，在针尖3上覆盖有金属层5，保证针尖3导电的同时，金属层5通过电压或者电流产生的电热作用，使得悬臂梁2产生弯曲形变，从而向待测样品施加作用力，从而实现自激励；悬臂梁2与主体支撑结构1集成在一起，当悬臂梁2产生弯曲形变时，主体支撑结构1上的惠斯通电桥4中阻值可变的电阻的电阻值发生变化，从而输出与作用力对应的检测信号，实现压阻自检测，因此，本申请中的探针100实现电热自激励和压阻自检测功能，无需借助激光，也即不需设置四象限探测器和激光器，避免出现光束聚焦操作困难以及因激光反射点偏移导致的SECM操作难度高的情况。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，探针100还可以包括：

包覆在所述探针100表面除所述惠斯通电桥4和所述针尖以外区域的绝缘保护层，绝缘保护层可以为Si₃N₄层。

本实施例中通过设置绝缘保护层，只有惠斯通电桥4和导电的针尖3外露，探针100其余部分绝缘，在液下成像时，可以避免探针100在液下大范围放电的问题，可以精确的检测针尖尖端处的电流信号。

下面以一具体情况，对本申请提供的探针的制备方法进行阐述。

步骤1、采用SOI硅片作为衬底，该衬底由顶层硅9、埋氧层8和体硅7组成，三层结构独特的优势使刻蚀有了截止层，如图3所示；

步骤2：采用等离子体增强化学气相淀积的方法在顶层硅9和体硅7上淀积一层二氧化硅层10，分别用作刻蚀针尖和体硅7深刻蚀时的掩膜，如图4所示，其中，进行化学气相沉积保证了后续结构化过程中对顶层硅9和体硅7的损伤小，污染少，提高了器件的洁净程度；

步骤3：对顶层硅9上的二氧化硅层10进行光刻，刻到顶层硅9停止，采用各向异性干法刻蚀，在顶层硅9上的二氧化硅层10上刻蚀出双探针(第一针尖和第二针尖)的针尖掩膜图形11，对针尖的掩膜尺寸进行了补偿，这是为克服后续的各向同性刻蚀针尖过程中出现的片内不均匀性而做出的补偿，保证了针尖尺寸的准确性和的一致性，如图5所示；

步骤4：对顶层硅9进行刻蚀，采用各向同性干法刻蚀方法，在针尖掩膜图形11下方形成双探针的硅针尖原胚12，通过调节干法刻蚀参数，如刻蚀功率、气压、时间等，可以精确控制针尖的尺寸，如图6所示；

步骤5：刻蚀SOI硅片上顶层硅9，采用干法刻蚀工艺刻蚀顶层硅9，刻到埋氧层8停止，形成悬臂梁图形13，如图7所示；

步骤6：采用低温氧化锐化技术，在950℃的温度下对针尖原胚12及悬臂梁图形13进行热氧化，得到二氧化硅氧化层14和氧化后针尖15，如图8所示，其中，二氧化硅氧化层14不仅做为后续离子注入掩膜，还起到对顶层硅9结构层保护作用，同时可以起到使注入离子散射的效果，在进行热氧化的过程中，对升温速度、氧化温度和氧化时间需要严格控制以得到光滑的针尖形貌；

步骤7：在二氧化硅氧化层上进行光刻，形成离子注入掩膜，分别以E+14/cm²的量级和E+15/cm²的量级向顶层硅9中注入B离子，大约60nm，深度为悬臂梁厚度的1/3左右，形成U型具有压阻效应的电阻16和电学传输线17，注入计量的不同得到的电阻阻值不同，该注入计量可根据不同需求进行计算得出，离子注入技术形成的U型电阻图形化，可提高对电流的束缚能力，四个U型电阻16同时进行离子注入，该离子注入角度和注入量经过精确计算，来保证初始电阻值的一致性，如图9所示；

步骤8：采用双面对准光刻技术，通过各向异性干法刻蚀体硅7下面的二氧化硅层10，得到背面体硅7深刻蚀的掩膜图形，在此掩膜下，采用深反应离子刻蚀技术，对体硅7进行深刻蚀至埋氧层8，得到探针支撑结构18，如图10所示；

步骤9：采用HF缓冲液湿法腐蚀二氧化硅层10和埋氧层8，得到探针的针尖19和悬臂梁2，悬臂梁2在电热激励作用下发生弯曲形变时，位于悬臂梁2支撑端的可变阻值的电阻的阻值发生变化，得到检测信号，该检测信号由惠斯通电桥的输出信号得出，悬臂梁探针实现了高精度的电热自激励和压阻自检测功能，如图11所示；

步骤10：用聚焦离子束的方法沿图12虚线加工针尖19，然后把悬臂旋转90°继续刻蚀，使针尖19形成方形支柱，如图13所示；

步骤11：通过聚焦离子束方法重塑两个针尖，使两个针尖半径约为10nm，如图14所示；

步骤12：采用光刻、蒸发、剥离金属工艺形成Cr金属层和Au金属层结构，得到金属层5，分别覆盖两个探针针尖，如图15所示；其中，Cr金属层确保了后续Au金属层粘附性，AuAu使探针针尖具有导电性好的特点，可用于电学检测，金属导电线的产生的电热作用使后续的悬臂梁15产生弯曲变形，对待测样品施加作用力；可通过控制输入电信号大小，精准控制梁的弯曲程度，对待测样品精确施加微小作用力；

步骤13：用导电银胶把一根0.2mm的铜外接导线6与探针上的金属层在主体支撑结构边缘金层暴露区域相连，如图16所示；

步骤14：在除去惠斯通电桥外的主体支撑结构以及悬臂梁上进行6次且每次为5分钟的等离子体增强化学气相淀积，以形成800nm均匀且无气泡的Si₃N₄绝缘保护层20，露出针尖19即可，如图17所示；

步骤15：沿图示箭头FIB“单道铣削”，边缘长度1μm，去除电活性表面沉积的Si₃N₄绝缘保护层，以露出Au金属层，最终集成SECM的探针，如图18所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的扫描电化学显微镜及其探针进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种压阻式自检测自激励SECM探针，其特征在于，包括：

主体支撑结构；

与所述主体支撑结构集成的悬臂梁；

设于所述悬臂梁表面的针尖；

覆盖于所述针尖的金属层，用于连接输入端，并通过所述输入端输入的电压或电流产生电热作用，使所述悬臂梁发生形变，以使所述悬臂梁向待测样品施加作用力；

设于所述主体支撑结构上表面的惠斯通电桥，用于当所述悬臂梁向所述待测样品施加作用力时，输出与所述作用力对应的检测信号。

2.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述针尖的数量为两个，其中，第一针尖用于测量所述待测样品的电化学活性，第二针尖用于测量所述待测样品的表面形貌。

3.如权利要求2所述的探针，其特征在于，所述第一针尖位于所述悬臂梁的顶端，所述第二针尖位于所述第一针尖靠近所述主体支撑结构的一侧，其中，所述顶端为所述悬臂梁远离所述主体支撑结构的一端。

4.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述惠斯通电桥包括四个具有压阻效应的U型电阻，四个所述U型电阻在所述主体支撑结构上表面对称分布。

5.如权利要求4所述的探针，其特征在于，阻值可变的所述U型电阻由所述主体支撑结构的上表面延伸至所述悬臂梁支撑端应变最大处，其中，所述支撑端为所述悬臂梁与所述主体支撑结构的连接处。

6.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述针尖的直径尺寸为纳米级。

7.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述金属层包括在远离所述针尖方向上层叠的金属黏附层和金属导电层。

8.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述悬臂梁与所述主体支撑结构的连接处为所述主体支撑结构所在边缘的中间。

9.如权利要求1至8任一项所述的探针，其特征在于，还包括：

包覆在所述探针表面除所述惠斯通电桥和所述针尖以外区域的绝缘保护层。

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