倾斜式硅针尖及其制作方法与流程

本发明主要涉及一种硅针尖，尤其涉及一种倾斜式硅针尖及其制作方法，属于微纳器件制备领域。

背景技术：

近年来，硅基纳米针尖在原子力显微镜探针、真空微电子器件、场发射器件、高密度数据存储器件、纳米级图形加工及微机械隧道传感器中得到广泛应用，硅基纳米针尖是上述器件的关键构件，这些器件性能的优劣取决于纳米针尖的曲率半径和针形。以原子力显微镜为例，硅针尖纵横比越大，曲率半径越小，原子力显微镜分辨率越高，因此研究硅基纳米针尖的制作有重要意义。目前制备硅基纳米针尖的常用方法有干法刻蚀、气－液－固生长和湿法腐蚀等三种。其中气－液－固生长法可制备直径小于2μm，纵横比大于15的超长硅基纳米针尖，但其曲率半径较大。目前广泛采用的各向异性湿法腐蚀单晶硅制备硅基纳米针尖的工艺，具有工艺简单，刻蚀速率均匀，成本较低廉等优点，但针尖的形状以及取向受晶向限制。干法刻蚀工艺刻蚀硅基纳米针尖可实现较大的纵横比，但工艺结果取决于每一个可能的工艺参数变化。上述现有工艺制备的硅针尖基本上都是垂直方向的针尖，其无法满足近场光学对实时观测的需求。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种倾斜式硅针尖及其制作方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

在一些实施例中提供了一种倾斜式硅针尖，其为三棱锥体，并具有第一倾斜面、第二倾斜面、第三倾斜面和底面，且所述第一倾斜面、第二倾斜面和第三倾斜面中至少两者与底面的夹角不相等。

进一步的，所述第一倾斜面与底面的夹角为55°～80°，第二倾斜面与底面的夹角为55°～80°，第三倾斜面与底面的夹角为45°～75°。

进一步的，所述针尖的高度为5μm～50μm。

进一步的，所述针尖的曲率半径为1～20nm。

进一步的，所述第一倾斜面、第二倾斜面与底面的夹角相等。

在一些实施例中提供了一种倾斜式硅针尖的制作方法，其包括：在硅片上采用各向同性的刻蚀工艺加工形成所述倾斜式硅针尖的第一、第二倾斜面，之后在第一、第二倾斜面上设置保护层，再采用刻蚀工艺在所述硅片上加工形成第三倾斜面，获得所述倾斜式硅针尖。

在一些实施例中，所述的制作方法具体包括：

Ⅰ、在(100)或(111)型硅片上设置光刻胶掩模；

Ⅱ、采用各向同性的干法刻蚀工艺在所述硅片上刻蚀形成所述探针的第一、第二倾斜面；

Ⅲ、去除所述硅片的光刻胶，并在所述硅片表面设置二氧化硅层作为保护层，以保护所述第一、第二倾斜面；

Ⅳ、在所述保护层上加工形成第三倾斜面的刻蚀窗口；

Ⅴ、采用湿法腐蚀工艺自所述刻蚀窗口腐蚀硅片表面而形成第三倾斜面；

Ⅵ、采用氧化方法进行所述针尖的锐化，再除去残留的保护层，获得所述倾斜式针尖。

进一步的，所述干法刻蚀工艺包括ICP干法刻蚀，RIE干法刻蚀和DRIE干法刻蚀工艺中的任意一种，且不限于此。

进一步的，所述的制作方法可以包括：采用氧化法于所述硅片表面形成作为保护层的二氧化硅层；或者，采用物理或化学沉积法于所述硅片表面形成作为保护层的二氧化硅层。

进一步的，步骤Ⅳ可以包括：采用光刻及湿法腐蚀工艺于所述氧化层上形成第三倾斜面的刻蚀窗口。

进一步的，步骤Ⅵ可以包括：采用湿法腐蚀工艺除去残留的保护层。

进一步的，所述湿法腐蚀工艺包括KOH刻蚀和TMAH刻蚀中的任意一种，且不限于此。

与现有技术相比，本发明的优点包括：提供了一种不同于传统硅针尖的倾斜式硅针尖，其能满足近场光学对实时观测的需求，且其制作方法简单，原料廉价易得，适于进行大规模生产。

附图说明

图1为本发明一典型实施案例中一种倾斜式硅针尖的结构示意图；

图2为本发明一典型实施案例中一种倾斜式硅针尖的制作工艺流程示意图；

图中各附图标记的含义如下：1～倾斜面1，2～倾斜面2，3～倾斜面3，4～光刻胶掩模，5～(100)或(111)型硅片，6～二氧化硅保护层，7～倾斜式针尖。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，特提出本发明的技术方案，并获得了出乎意料的良好技术效果。如下将结合实施例及附图对本发明的技术方案进行较为详细的解释说明。

请参阅图1-2，其示出了本发明的一典型实施案例。

进一步的，请参阅图1，该实施案例涉及一种倾斜式硅针尖，其为三棱锥体，并具有第一倾斜面、第二倾斜面、第三倾斜面和底面，且所述第一倾斜面、第二倾斜面和第三倾斜面中至少两者与底面的夹角不相等。

其中，所述第一倾斜面与底面的夹角为55°～80°，第二倾斜面与底面的夹角为55°～80°，第三倾斜面与底面的夹角为45°～75°。

进一步的，所述针尖的高度为5μm～50μm，曲率半径为1～20nm。

进一步的，所述第一倾斜面、第二倾斜面与底面的夹角可以相等。

而再请参阅图2，该倾斜式硅针尖的制作工艺可以包括：采用(100)型硅片为原料，首先在硅片上应用各向同性的干法刻蚀工艺形成探针针尖的两个倾斜面，之后应用氧化的方法在刻蚀出的倾斜表面上形成一层氧化层作保护层，最后采用湿法腐蚀形成第三个倾斜面，即可得到目标产物。

进一步的，所述的倾斜式硅针尖的制作方法具体包括以下步骤：

Ⅰ、采用(100)或(111)型硅片为衬底，在硅表面甩一层光刻胶做掩模，光刻出针尖位置；

Ⅱ、采用干法刻蚀工艺在刻蚀出探针的第一、第二倾斜面；

Ⅲ、采用丙酮去除光刻胶；

Ⅳ、清洗后在硅片表面氧化或沉积一层二氧化硅氧化层，保护已经刻蚀出的两个侧面；

Ⅴ、采用光刻及BOE腐蚀形成第三个倾斜面的刻蚀窗口；

Ⅵ、应用湿法腐蚀工艺腐蚀出第三个倾斜面；

Ⅶ、采用氧化的方法进行针尖的锐化，采用BOE腐蚀去除氧化层，即可得到所述倾斜式针尖。

前述的光刻工艺、湿法刻蚀工艺、干法刻蚀工艺、针尖自锐化方法均可选用业界已知的合适方式实施，而其相应工艺条件等也可以是业界悉知的合适条件。

例如，其中的湿法刻蚀工艺可以选用KOH刻蚀和TMAH刻蚀工艺中的任何一种。

其中的干法刻蚀工艺可以选用ICP干法刻蚀，RIE干法刻蚀和DRIE干法刻蚀工艺中的任何一种。

本发明提供了一种新的倾斜式硅针尖以及一种新的硅针尖制作工艺，该工艺简单易实施，成本低廉，为硅针尖的推广和应用提供了一种新的路径。

应当理解的是，本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施例仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。