专利名称：一种超高密度信息存储用纳机电探针的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于超高密度探针存储的纳机电探针，更确切的说是一种可用于原子力显微镜，以金属硅化物为针尖的导电探针，属于微/纳机电系统(M/NEMS)器件制备技术领域。
背景技术：
各种扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope, SPM)已广泛应用于材料、物理、化学、生物、微电子、信息技术等领域。在数据存储器中，用作存储数据的信息点尺寸大小是影响存储密度的最直接因素。由于SPM技术能够直接对单原子进行操作，因此可以利用扫描探针对存储介质施加局域的电、磁、光、热等作用，以此改变材料的局域形貌、电、磁、光等特性，由于改变特性的区域只有几纳米到几十纳米，如果用这些区域来记录信息，就可以将扫描探针的高分辨特性转化为数据信息的超高密度存储。目前，基于扫描探针显微镜的信息存储技术已经成为超高密度信息存储技术的研究热点，利用不同类型的SPM、不同的数据存储介质提出了多种探针存储方案[姜桂元等.化学进展，2007, 19 (6) 1034-1040]，其中基于原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)和相变薄膜材料的存储技术具有潜在的高存储密度、高存储速度和低成本优势。在基于相变材料的探针存储技术中，常用的相变材料是GeSbTe和AghSbTe等碲基合金为代表的硫系化合物薄膜。图1所示为探针相变存储的原理图制备在基体9上的多层薄膜的相变层7初始时为晶态薄膜，在AFM的导电探针6与电极层8之间施加一个纳秒(ns)级短而强的电脉冲，电流经由电极层8流出，电流引起的焦耳热效应使针尖部位的存储介质实现晶态向非晶态的相变，从而实现信息的写入；信息擦除时，在非晶态信息点部位施加一个宽而强度低一些的电脉冲，焦耳热使信息记录点实现非晶态向晶态的转变；信息读取时，在探针上施加一个强度较弱的脉冲，使其产生的热量不至于超过结晶温度，以免引起材料的相变，随后探针开始扫描，电流通过电极层8与外界电流电压转换模块10相连后转接回显微镜形成回路，当探针和信息记录点(非晶态)接触时，其电阻值将显著提高，通过检测电流像的变化，实现信息的读取。Satoh等人[H. Satoh，et al. Journal of AppliedPhysics, 2006,99:024306]已经在硫系薄膜上获得了直径10-70纳米的信息记录点，实现了 lTB/in2以上的超高存储密度。在所有的探针存储方案中，探针的针尖直径是决定信息记录点尺寸大小(也就是存储密度)的决定性因素之一，因此存储用探针必须具有纳米级尺度的针尖；另外，探针在存储介质表面扫描时会产生摩擦，实用化的存储探针需要能够承受几千米的扫描行程，所以针尖又必须具有优异的耐磨损性能；而对于相变探针存储来说，探针除了要满足上述要求之外，还必须具有良好的导电性能。目前用于AFM导电测试的导电探针主要有两类一类是镀有钨(W)、钼(Pt)、金(Au)等导电涂层的氮化硅(Si3N4)或多晶硅探针，这类探针为了尽量减小针尖直径，镀层一般只有几个纳米，极易磨损，而磨损后就失去了探针的导电性；另一类是用W、Pt或者Pt-Ir (铱)合金制备的整体式金属探针，如中国专利号为200710009311. 4、名称为钼-铱针尖的制备方法及其装置，利用电化学腐蚀方法制备出了直径IOnm的Pt-Ir探针，这类整体式金属探针虽然具有优异的导电性和良好的硬度和耐磨性，但是其价格昂贵，更重要的是其制备工艺不能与M/NEMS技术兼容，无法制备成高密度存储所需的低成本、大规模探针阵列。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种超高密度信息存储用纳机电探针的的制备方法，利用成熟的M/NEMS技术制备成本较低的、导电性能和耐磨损性能良好的悬臂梁纳机电探针。本发明采用的技术方案是采用如下步骤
1、在单晶硅基体ι的两面用热氧化法分别制得正面SiA钝化层和背面SiA钝化层；
2、光刻正面S^2钝化层，形成刻蚀针尖形成的窗口和针尖掩膜，针尖掩膜靠近单晶硅基体前端，剩余的正面S^2钝化层位于单晶硅基体后端，刻蚀针尖形成的窗口位于针尖掩膜和剩余的正面SW2钝化层之间；
3、用氢氧化钾溶液对所述刻蚀针尖形成的窗口进行各向异性湿法刻蚀，制得悬臂梁正面窗口和固定锚，固定锚在悬臂梁正面窗口的后侧壁上；
4、用氢氟酸缓冲液去除针尖掩膜和剩余的正面SiO2钝化层，得到悬臂梁正面和硅针
尖；
5、在悬臂梁正面和硅针尖正面沉积金属薄膜，对金属薄膜进行原位退火，形成金属硅化物导电层和金属硅化物探针针尖，去除未形成金属硅化物的金属；
6、在金属硅化物导电层和金属硅化物探针针尖正面制备Si3N4薄膜；
7、对Si3N4薄膜光刻形成两个矩形窗口，两个矩形窗口中露出金属硅化物导电层，去除金属硅化物探针针尖周围的Si3N4薄膜，露出金属硅化物探针针尖。8、光刻背面S^2钝化层，形成刻蚀悬臂梁形成的窗口，剩余的背面S^2钝化层位于单晶硅基体后端，对所述刻蚀悬臂梁形成的窗口进行刻蚀，形成悬臂梁和基座，制得超高密度信息存储用纳机电探针。本发明采用上述技术方案后的有益效果如下
1、所制备的纳机电探针是整体式金属硅化物针尖，具有良好导电性和耐磨损性，解决了镀层导电探针易磨损的问题；不只局限于应用在高密度相变探针存储领域，还可以用在其它所有需要良好导电性、耐磨损性能探针的SPM技术领域，如纳米薄膜表面静电测量等。另外，由于在针尖除外的四周包裹了 Si3N4层，进一步提高了探针的抗磨损性能。2、W或Pt等金属硅化物既作为探针的针尖材料，又作为导电层材料，使制备工艺进一步简化。3、悬臂梁探针的制作成本低廉，制备工艺完全与常规MEMS工艺兼容，可以批量生产。4、整个悬臂梁和基座全部在一个硅片上制作完成，设备要求低，制备工艺易于向最终制备大规模探针阵列推广。
图1为基于原子力显微镜(AFM)的相变探针存储原理图；图2-1为本发明纳机电探针的三维结构图2-2为2-1的主视图2-3至图2-11为纳机电探针的制备工艺示意图中a.金属硅化物探针针尖；a’.硅针尖；b.悬臂梁；c.引线孔；d.固定锚；e.基座；1.单晶硅基体；la.悬臂梁正面窗口 ；lb.悬臂梁正面；2.正面SiO2钝化层；2a.刻蚀针尖形成的窗口 ；2b.针尖掩膜；3.背面SiO2钝化层；3a.刻蚀悬臂梁形成的窗口 ；4.金属硅化物导电层；5. Si3N4保护层；6.探针；7.相变层；8.电极层；9.基体；10.电流电压转换模块。
具体实施例方式以硅化钨(WSi)、硅化钛(TiSi)、硅化镍(Nisi)和硅化钼(PtSi)等金属硅化物具有良好的导电性、高温热稳定性，其制备工艺与现代微电子制造技术相兼容，且WSi和PtSi还具有很高的硬度和优异的耐磨损性能，因此，本发明选择WSi或PtSi金属硅化物作为导电探针针尖。本发明首先在双面抛光的单晶硅两面热氧化生成氧化硅(SiO2)作为钝化膜，再利用标准的光刻工艺制作需要的图案，并刻蚀正面的SiA掩膜；然后利用各向异性湿法腐蚀得到单晶硅针尖，同时制备出悬臂梁的固定锚，以确保悬臂梁的尺寸精确性；接着去除正面剩余的氧化硅掩膜，并利用磁控溅射台沉积W或Pt等金属膜，再适当温度退火后，形成金属硅化物薄膜；利用气相沉积台制备氮化硅(Si3N4)薄膜作为保护层，随后光刻出导电层的引线孔；最后光刻背面的SiO2，并用干法刻蚀基座释放悬臂梁，形成悬臂梁探针。以下以金属硅化物PtSi做为导电探针针尖为例描述本发明的具体实施步骤，以WSi或其它金属硅化物做为导电探针针尖的具体实施步骤与金属硅化物PtSi雷同。如图2-3所示，在单晶硅基体1的两面用热氧化法制备厚度为2 μ m左右的SiO2钝化层作为掩膜层，分别形成正面SiA钝化层2和背面SiA钝化层3。如图2-4所示，光刻正面SiO2钝化层2，形成刻蚀针尖形成的窗口加和针尖掩膜2b，针尖掩膜2b靠近单晶硅基体1前端，剩余的正面SW2钝化层2位于单晶硅基体1后端，刻蚀针尖形成的窗口加位于针尖掩膜2b和剩余的正面SW2钝化层2之间，为进一步刻蚀针尖做准备。如图2-5所示，利用氢氧化钾(KOH)溶液对刻蚀针尖形成的窗口加进行各向异性湿法刻蚀，刻蚀深度在6 μ m左右，制备出悬臂梁正面窗口 Ia和固定锚d，固定锚d在悬臂梁正面窗口 Ia的后侧壁上，刻蚀时，使悬臂梁正面窗口 Ia与针尖掩膜2b的连接处呈针尖状。不同浓度的Κ0Η，不同温度下刻蚀时会得到不同纵横比的针尖，因此根据要求选择合适的浓度的KOH溶液。如图2-6所示，用氢氟酸缓冲液(BHF)去除针尖掩膜2b和剩余的正面SW2钝化层2，得到悬臂梁正面Ib和硅针尖a’。如图2-7所示，利用磁控溅射台，以射频方式溅射Pt靶，在悬臂梁正面Ib和硅针尖a’正面沉积20nm左右的Pt薄膜。随后对Pt薄膜进行原位退火，退火温度为700°C，退火时间为5min，形成金属硅化物(PtSi )导电层4和金属硅化物探针针尖a，最后再用3 1的HCl和HNCV混合液去除未形成PtSi的Pt。不同的金属，退火温度不同，或者相同金属，不同的退火温度，会得到不同结构组成的金属硅化物，如Pt在250°C左右退火时，会形成Pt2O,而退火温度达到335°C之后，Pt2Si才会转变成PtSi。如图2-8所示，利用等离子增强气相沉积台(PECVD)在PtSi金属硅化物导电层4和金属硅化物探针针尖a正面上制备1 μ m左右的Si3N4薄膜5。对Si3N4薄膜5光刻，在正面形成两个矩形窗口，并确保窗口中露出金属硅化物导电层4，此两个矩形窗口为金属硅化物导电层4层的引线孔c，图2-9所示；再用三氟甲烷(CHF3)气体进行选择性离子束刻蚀，去除金属硅化物探针针尖a周围的Si3N4薄膜5，露出金属硅化物探针针尖a。如图2-10所示，光刻单晶硅基体1背面的背面SW2钝化层3，形成刻蚀悬臂梁形成的窗口 3a，剩余的背面SiO2钝化层3位于单晶硅基体1后端。再用SF6做气体，对刻蚀悬臂梁形成的窗口 3a进行选择性深反应离子束刻蚀(DRIE)，形成悬臂梁b和基座e，如图2-11所示，制得如图2-1和图2-2所示的超高密度信息存储用纳机电探针。本发明的单晶硅基体1可选用300 μ m厚的双面抛光N型单晶硅，悬臂梁b长度为550 μ m、宽为 60 μ m。
权利要求
1.一种超高密度信息存储用纳机电探针的制备方法，其特征是采用如下步骤ι)在单晶硅基体(ι)的两面用热氧化法分别制得正面SiA钝化层(2)和背面SiA钝化层(3);2)光刻正面SiA钝化层(2)，形成刻蚀针尖形成的窗口(2a)和针尖掩膜(2b)，针尖掩膜(2b)靠近单晶硅基体(1)前端，剩余的正面SW2钝化层(2)位于单晶硅基体(1)后端， 刻蚀针尖形成的窗口(2a)位于针尖掩膜(2b)和剩余的正面SW2钝化层(2)之间；3)用氢氧化钾溶液对所述刻蚀针尖形成的窗口(2a)进行各向异性湿法刻蚀，制得悬臂梁正面窗口(Ia)和固定锚(d)，固定锚(d)在悬臂梁正面窗口(Ia)的后侧壁上；4)用氢氟酸缓冲液去除针尖掩膜(2b)和剩余的正面SW2钝化层(2)，得到悬臂梁正面 (Ib)和硅针尖(a’)；5)在悬臂梁正面(Ib)和所述硅针尖(a’)正面沉积金属薄膜，对金属薄膜进行原位退火，形成金属硅化物导电层(4)和金属硅化物探针针尖(a)，去除未形成金属硅化物的金属；6)在金属硅化物导电层(4)和金属硅化物探针针尖(a)正面制备Si3N4薄膜(5)；7)对Si3N4薄膜(5)光刻形成两个矩形窗口，两个矩形窗口中露出金属硅化物导电层 (4)，去除金属硅化物探针针尖(a)周围的Si3N4薄膜(5)，露出金属硅化物探针针尖(a)；8)光刻背面SiO2钝化层(3)，形成刻蚀悬臂梁形成的窗口(3a)，剩余的背面S^2钝化层(3)位于单晶硅基体(1)后端，对所述刻蚀悬臂梁形成的窗口(3a)进行刻蚀，形成悬臂梁 (b )和基座(e )，制得超高密度信息存储用纳机电探针。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤1)所述的正面SiO2钝化层(2) 和背面SiO2钝化层(3)均为2μπι;步骤3)所述的悬臂梁正面窗口(Ia)的深度为6μπι;步骤5)所述的金属硅化物导电层(4)的深度为20nm ；所述的退火温度为700°C，退火时间为 5min ；步骤6)所述的Si3N4薄膜(5)深度为1 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种以金属硅化物为针尖的超高密度信息存储用纳机电探针的制备方法，先在光刻单晶硅基体的正面SiO2钝化层上形成窗口和针尖掩膜，刻蚀窗口制得悬臂梁正面窗口和固定锚，再去除针尖掩膜和剩余的正面SiO2钝化层得到悬臂梁正面和硅针尖，在悬臂梁正面和硅针尖正面沉积金属薄膜形成金属硅化物导电层和金属硅化物探针针尖；在金属硅化物导电层和金属硅化物探针针尖正面制备Si3N4薄膜，去除金属硅化物针尖周围的Si3N4薄膜露出金属硅化物探针针尖；最后光刻单晶硅基体背面SiO2钝化层形成刻蚀悬臂梁形成的窗口，对刻蚀悬臂梁形成的窗口进行刻蚀形成悬臂梁和基座，制备的纳机电探针具有良好导电性和耐磨损性，制作成本低廉，与常规MEMS工艺兼容。
文档编号B81C1/00GK102556954SQ201210042348
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者付永忠, 王权 申请人:江苏大学