专利名称：硅基自锐式afm探针的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硅探针的制作方法，尤其涉及原子力显微镜的核心机构—— AFM探针的一次成型制备方法，属于微纳机械传感器领域。
背景技术：
原子力显微镜是一种利用原子，分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌 的新型实验技术。它有一根纳米级的探针(以下简称AFM探针)，被固定在可灵敏操控 的微米级弹性悬臂上。当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力 会使悬臂弯曲，偏离原来的位置，根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图 像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。原子力显微技术已成为人们观察和研究 微观世界的有力工具。AFM探针是原子力显微镜的关键组成部分，它的结构和性能对原子力显微镜仪 器的性能、测量分辨率和图像质量有极大的影响。AFM探针应满足力学弹性系数低、 针尖曲率半径尽可能小，针尖高宽比尽可能的大以及高的固有频率、机械品质因数和横 向刚度。现有技术中，悬臂梁用手工切薄金属圈或金属丝网获得，悬臂梁的尖端多应用 金属半导体、金刚石等材料制备，制作方法有手工粘附微小的金刚石颗粒、腐蚀金属 丝、通过电火花熔断金属等。小尺寸和轻重量悬臂探针使得手工制造显得特别困难， 而且其制造重复性很差；若采用电解腐蚀等常规方法难以形成纳米量级的针尖；再者， AFM探针易损坏、污染而需要经常替换，所以需要寻求批量生产悬臂梁探针的方法。1989年，斯坦福大学的TAlbrecht等人采用键合法制作悬臂粱探针，该探针具有 参数易优化，批量生产，成本较低，性能较好等优点。但该探针存在温度变化时会引起 热失配，固有频率难以提高，针尖不理想等问题。同年晚些时间，德国IBM的O.Woler 等研制成功单晶硅材料的AFM探针，然而由于工艺中没有自停止腐蚀，悬臂梁的厚度不 易控制且未实现梁和针尖的同时成型。1991年瑞士的LBragger等人利用干法刻蚀工艺 实现AFM探针的一次成型工艺，探针高度可达15-20微米，高宽比可达10 1，然而该 工艺仍未解决停止腐蚀的问题，且固有频率较低。1996年丹麦的Anja Boisen采用干法刻 蚀工艺制作了一种坚固耐用且高宽比很高的“火箭尖型”探针，该探针因具有高的高宽 比而成为当前AFM探针制作工艺的主流技术。但该探针悬臂梁背面比较粗糙且有一定翘 曲。2004年中国科学院的李欣昕等人用SOI片，采用掩膜-无掩膜技术制作硅悬臂梁探 针，实现AFM探针的湿法腐蚀一次成型工艺，但该制作工艺与之前的AFM探针制作工 艺一样，仍然采用氧化的方法实现针尖的锐化。2006年中国科学技术大学刘芳等人进行 了满足自锐效应的AFM探针制作工艺的研究，但该工艺流程会出现同一探针存在多针尖 的可能，成品率低。2007年英国的D.P. Burt等人提出了可实现完全自锐的AFM探针制 作工艺，但其工艺没有腐蚀自停止工艺且探针的高宽比比较低。
发明内容
为了满足低成本、大高宽比AFM探针的制作需求，克服现有AFM探针制作工 艺需采用氧化工艺锐化针尖的问题，本发明的目的旨在提供一种新的硅基自锐式AFM探 针的制备方法，可完全实现纳米级AFM探针的一次成型工艺，在简化制备工艺的同时降 低批量制造的成本。本发明的上述目的，其技术解决方案是硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于采用顶层硅厚度等于AFM探 针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应 AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使 针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具纳米级针尖的AFM探针。进一步地，其中所述针尖掩膜为边数少于六的几何多边形结构，具体形状可为 三角形、矩形、菱形或五边形中的一种。本发明的上述目的，其得以实现的技术方案步骤包括I、以双抛双氧SOI片硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧 作为顶面，在所述顶面光刻形成AFM探针掩膜；II、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口 ；III、对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于AFM探针悬臂 梁的厚度；IV、对顶面进行光刻，形成六边以下几何多边形结构的针尖掩膜；V、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，直至针尖掩膜脱落，形成纳米级的针尖；VI、在顶面采用PECVD沉积一层二氧化硅保护层；ΥΠ、第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二 氧化硅埋层；通、采用BOE溶液腐蚀二氧化硅埋层及保护层。应用本发明的技术方案，其有益效果体现在；按照本发明制备方法的步骤实施，真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的 AFM探针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了 AFM探针的制作 成本。
图1为本发明双抛双氧SOI片在进行针尖自锐腐蚀前针尖掩膜的示意图；图2为本发明AFM探针针尖及悬臂梁腐蚀成型前后的剖面示意图，其中虚线部 分是腐蚀开始前的双抛双氧SOI片样品示意图；图3为本发明AFM探针制作的工艺流程示意图。图中各附图标记的含义如下1 悬臂梁，2 针尖掩膜，3 针尖，4 硅，5 二氧化硅埋层，51 二氧化 硅保护层，6 双抛双氧SOI片。
具体实施例方式为了满足低成本、大高宽比AFM探针的制作需求，克服现有AFM探针制作工 艺需采用氧化工艺锐化针尖的问题，本发明的目的旨在提供一种新的硅基自锐式AFM探 针的制备方法，可完全实现纳米级AFM探针的一次成型工艺，在简化制备工艺的同时降 低批量制造的成本。从总体上来看，本发明硅基自锐式AFM探针的制备方法为采用顶层硅厚度等 于所需AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料 的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的 湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具纳米级针尖的AFM探针。上述制备方法中，为实现AFM探针针尖在针尖掩膜保护下能被腐蚀自行锐化， 针尖掩膜通常选用边数少于六边的几何多边形结构，可选的形状包括三角形、矩形、平 行四边形、菱形或五边形中的一种，比较优选的是具两个以上锐角的三角形及五边形， 如图1所示。以下便通过本发明一具体实施例详细介绍该AFM探针的制备过程。本实施例 中，AFM探针支架尺寸(即AFM探针主体的支撑结构部分)为1.6mmX 3.4mm，悬臂梁 尺寸长宽厚为100 μ mX40 μ mX 2.5 μ m，探针高度为12 μ m。如图3所示的工艺流程示 意图可见其步骤包括I、选用双抛双氧SO片6为制备原料，该双抛双氧SOI片6具有二氧化 硅-硅-二氧化硅埋层-硅-二氧化硅的多层夹心结构(如图3a所示)，选用硅厚度等 于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为顶面，在顶面光刻形成AFM探针掩 膜(如图3b所示)；II、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口(如图3c 所示)；III、去除光刻胶，采用KOH溶液对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅， 腐蚀深度等于2.5 μ m(如图3d所示)；IV、背面光刻胶保护，对顶面进行光刻，形成三角形的针尖掩膜2(如图3e所 示)；V、去除光刻胶，采用KOH溶液再次进行各向异性湿法腐蚀硅4，直至针尖掩 膜2脱落，形成纳米级的针尖3。同时由于步骤III中AFM探针周围的腐蚀深度等于悬 臂梁的探针厚度，从各向异性湿法腐蚀均勻性考虑，故当腐蚀直至露出二氧化硅埋层5 时，即使得AFM探针悬臂梁1达到所需厚度2.5 μ m，且AFM探针悬臂梁1达到所需宽 度40μιη;(如图3f所示)；VI、在顶面采用PECVD沉积一层500nm的二氧化硅保护层(如图3g所示)；ΥΠ、去除用于保护的光刻胶，第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全 露出双抛双氧SOI片的二氧化硅埋层51 (如图3h所示)；通、最后采用BOE溶液腐蚀完全去除二氧化硅5及二氧化硅保护层51，制得悬 空状且具有较大高宽比的AFM探针(如图3i所示)。按照上述步骤实施，本发明真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的AFM探 针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了 AFM探针的制作成本。
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需要一提的是对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明技术方案和 技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而这些改变和变形都应属于本发明权利要求 的保护范围。
权利要求
1.硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于采用顶层硅厚度等于AFM探针 针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM 探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖 自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具有纳米级针尖的AFM探针。
2.根据权利要求1所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于所述针尖 掩膜为边数少于六的几何多边形结构。
3.根据权利要求1或2所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于所述 探针掩膜的形状为三角形、矩形、菱形或五边形中的一种。
4.根据权利要求1所述的硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于包括步骤I、以双抛双氧SOI片硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为 顶面，在所述顶面光刻形成AFM探针掩膜；II、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口；III、对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于AFM探针悬臂梁的 厚度；IV、对顶面进行光刻，形成六边以下几何多边形结构的针尖掩膜；V、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，至针尖掩膜脱落形成纳米级的针尖；VI、在顶面采用PECVD沉积一层二氧化硅保护层；VII、第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二氧化 硅埋层；通、采用BOE溶液腐蚀二氧化硅埋层及保护层。
全文摘要
本发明揭示了微纳机械传感器领域中的一种硅基自锐式AFM探针的制备方法，采用顶层硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具有纳米级针尖的AFM探针。应用本发明的技术方案按步骤实施，真正实现了湿法腐蚀一次成型纳米级针尖的AFM探针制作，解决了探针针尖需氧化工艺锐化的问题，进一步降低了AFM探针的制作成本。
文档编号B82Y40/00GK102012439SQ201010503888
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者吴东岷, 李加东 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所