一种射频原子力显微镜扫描探针的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种射频原子力显微镜扫描探针。该探针包括探针躯干(1)、探针悬臂梁(2)、探针针尖(3)和探针躯干上的射频传输线(4)。利用该射频原子力显微镜扫描探针对样品进行形貌扫描时，由于射频电路对电抗(容抗和感抗)极其敏感，样品表面形貌的变化将引起容抗的变化，导致射频谐振信号发生偏移。利用射频电路的高速特性，通过该射频谐振信号作为反馈，解决原子力显微镜系统扫描速度较慢的问题，实现高速扫描成像的功能。
【专利说明】
一种射频原子力显微镜扫描探针
技术领域
[0001]本发明涉及一种原子力显微镜扫描探针，属于微观形貌成像领域。
【背景技术】
[0002]原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，通过检测原子间的作用力，从而达到检测的目的，获得样品表面的微观形貌。可对导体、半导体和绝缘体等表面形貌进行微纳米尺度的高精度成像，是一种用来研究固体材料表面结构的分析仪器。由于AFM具有原子级的高空间分辨率、能提供三维表面图、对待测样品无特殊要求、具有多种成像模式、易于与其他技术集成等优点，在化学、生物、物理、材料等科研领域以及半导体、微电子等工业领域具有极其广泛的应用。
[0003]在AFM系统中，获取的信号是通过AFM探针实现的。目前，常使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的相互作用，该作用力会使微悬臂摆动，利用传感器检测这些变化并将此信号给反馈系统，可获得作用力分布信息;将此信号给反馈系统，可将样品的表面特性以影像的方式呈现出来，最终获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
[0004]AFM探针可分为悬臂和针尖两个部分，悬臂梁通常由一个一般100?500μπι长和大约500nm?5μπι厚的硅片或氮化硅片制成。针尖位于悬臂梁的顶端，用来检测样品一针尖间的相互作用力，针尖的尖锐程度直接决定了AFM成像的空间分辨率，受探头的影响太大。此外，悬臂的共振频率则直接决定了 AFM的最大成像速度，工作速度较慢。
[0005]本发明的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种新的射频AFM探针及其制备方法，利用射频电路对电抗的敏感特性，通过感测针尖与样品之间的耦合电容，以射频谐振频率的变化来呈现样品的表面特性。利用射频电路的高速特性，实现了高速扫描成像的功能。且该探针的分辨率取决于射频探针对电容的敏感性而非探针针尖的尖锐程度，对探针针尖的依赖性较小。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种新型射频AFM扫描探针，解决了常规的AFM探针的上述弊端。
[0007]本发明通过如下技术方案实现:
[0008]—种射频AFM扫描探针，所述的射频AFM扫描探针包括探针躯干、探针悬臂梁、探针针尖以及射频传输线。所述的射频AFM扫描探针由射频绝缘层上娃(Radiο FrequencySilicon-On-1nsulator,RF SOI)材料制备成，用于高速扫描样品表面，获取样品的表面特性信号;所述探针的悬臂梁由硅材料制成;所述探针针尖位于所述探针悬臂梁的一端;所述的射频传输线位于探针躯干的表面，并沿着悬臂梁延伸至探针针尖，提供相应的接地、射频信号的输入和输出；所述的射频传输线的形状及面积决定射频电路的谐振频率，可根据HFSS三维电磁仿真软件的仿真结果进行设计，该射频传输线与射频电路连接后，对样品进行形貌扫描时，由于射频电路对电抗(容抗和感抗)极其敏感，样品表面形貌的变化将弓I起容抗的变化，导致射频谐振信号发生偏移。利用射频电路的高速特性，通过该射频谐振信号作为反馈，解决AFM系统扫描速度较慢的问题，实现高速扫描成像的功能。
[0009]本发明的射频AFM扫描探针是采用RFSOI材料制备而成，所述的RF SOI与常规的SOI材料相比，衬底的电阻率为800?1000 Ω.Cmc3RF SOI是将SOI应用于高阻抗基板上，能够显著地改善芯片的高频特性，极大地降低电阻衰减以及串扰噪声。由于衬底影响射频信号的完整性，并对射频性能的提升起关键作用。当射频芯片在体硅基片上形成时，硅的半导特性引起了基板中射频信号的衰减；同时，硅的半导特性还会导致寄生干扰(串扰噪声)的传输。将SOI应用于高阻抗基板上能够显著地改善芯片的高频特性，极大地降低电阻衰减以及串扰噪声。高阻抗SOI基板为射频和SoC电路设计师开辟了全新的境界，使得通常需要昂贵的II1-V族复合物的功能(如天线切换)得以能够整合到硅片中，实现了可比较的性能以及更高的整合水平，同时降低整个系统的成本。由于绝缘效率的改进，故能达到密度更高的芯片配置。SOI亦能将处理过的顶层转移至各种低导电度基板(例如玻璃)，进一步改善射频效能。本发明中所述的RF SOI工艺设计和制造用于射频前端和天线开关模块中的开关芯片。相比传统的GaAs和SOS工艺，RF SOI可以同时提供优良的性能和低廉的成本。
[0010]本发明是在常用的硅材料悬臂梁式AFM扫描探针的制备技术的基础上，采用RFSOI材料，并在探针上集成制备射频传输线。该发明既继承了传统硅悬臂梁式AFM的扫描功能，利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的；又可通过探针上的射频传输线感测与被测样品间的耦合电容，通过射频谐振频率作为反馈信号，取代探针针尖接触扫描样品，对探针针尖的尖锐程度依赖性较小，且利用射频信号作为读出信号，工作速度较快。
【附图说明】
[0011 ]图1是本发明提供的一种射频AFM扫描探针结构示意图；
[0012]图中各标记分别代表的是:1_探针躯干，2-探针悬臂梁，3-探针针尖，4-射频传输线
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0014]图1是本发明【具体实施方式】中的射频AFM扫描探针结构示意图，包括探针躯干1、探针悬臂梁2、探针针尖3和射频传输线4。探针针尖3位于所述探针悬臂梁2的一端，射频传输线4位于探针躯干I的表面，并沿着悬臂梁2延伸至探针针尖3，射频传输线4的形状及面积决定射频电路的谐振频率，当利用探针对样品进行形貌扫描时，由于射频电路对电抗(容抗和感抗)极其敏感，样品表面形貌的变化将引起容抗的变化，导致射频谐振信号发生偏移，将此信号作为反馈，可实现样品表面的形貌成像。
[0015]探针针尖3由Si材料制成，其尖锐程度决定AFM成像的空间分辨率。
[0016]射频传输线4的面积及形状决定射频电路的谐振频率，可根据三维电磁仿真软件模拟结果进行设计。
[0017]本发明还对以下进行了改进。
[0018]在常用的Si材料悬臂梁式AFM探针的基础上，采用衬底为高阻抗的RFSOI材料制备AFM探针，并在探针上集成制备射频传输线。
[0019]相比于现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0020]既可实现常用的Si悬臂梁式探针的功能，通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质，又可采用探针上的射频传输线来感测探针与样品表面的耦合电容，利用射频电路的高速特性及对电抗的敏感特性，采用射频谐振信号作为反馈，解决AFM系统扫描速度较慢的问题，实现高速扫描成像的功能。利用射频谐振频率作为反馈信号，取代检测原子之间的接触，来呈现样品的表面特性，解决了 AFM扫描时，探针针尖的尖锐程度对分辨率的影响。
[0021]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种射频原子力显微镜扫描探针，包括探针躯干、探针悬臂梁、探针针尖和射频传输线;其特征在于:所述探针针尖位于所述探针悬臂梁的一端;所述射频传输线位于所述探针躯干的表面，并沿着探针悬臂梁延伸至探针针尖，提供相应的接地、射频信号的输入和输出；利用射频电路的高速特性及其对电抗的敏感特性，采用射频谐振信号作为反馈，解决原子力显微镜系统扫描速度较慢的问题，实现高速扫描成像的功能。2.根据权利要求1所述的射频原子力显微镜扫描探针，其特征在于:所述的射频传输线的形状及面积决定射频电路的谐振频率，可根据三维电磁仿真软件模拟结果进行设计。3.根据权利要求1所述的射频原子力显微镜扫描探针，其特征在于:所述的射频原子力显微镜扫描探针为悬臂梁式硅探针。4.根据权利要求1所述的射频原子力显微镜扫描探针，其特征在于:该探针是采用射频绝缘层上硅材料制成的硅基射频探针，探针衬底的电阻率为800?1000 Ω.cm。
【文档编号】G01Q60/38GK205426954SQ201620157520
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】苏丽娜, 顾晓峰, 秦华
【申请人】江南大学