专利名称：连续直写纳米粒子溶液的扫描探针及其制造方法
技术领域：
本发明属于微纳米科学领域，特别与连续直写纳米粒子溶液的扫描探针及其制造方法有关。
背景技术：
扫描探针刻蚀加工技术(SPL)是利用扫描探针显微镜进行纳米刻蚀加工而发展成的一种技术。该技术将显微镜作为定位的“手臂”，将安装在显微镜上的扫描探针作为 “笔”，通过蘸取具有化学亲和力的分子在基底上“书写”，形成稳定的纳米结构。该技术具有高分辨率、定位准确、直接书写等优点，在物理、化学、生物等领域的纳米尺度研究中得到了广泛的应用。其中，扫描探针(笔)的设计和制造技术是SPL的关键。最初的SPL技术利用原子力显微镜(AFM)探针(Chad Mirkin，2000年)，由于AFM探针针尖直径可达10纳米，因此刻蚀的最小线宽可达10纳米左右。SPL技术的优点是分辨率极高，但瓶颈是需要不断地蘸取书写分子溶液，无法刻蚀面积很大或者较复杂的图形。2008 年，Andre Meister等人发明了一种内置微通道的扫描探针(US Patent 20080302960A1), 在扫描探针针尖处打微型孔，并由内置的微通道连通到芯片上的贮液槽。通过将贮液槽中的分子溶液源源不断输送到针尖口，实现连续直写，解决了需不断蘸取书写液的问题。但该技术也存在致命的缺陷完全改变了分子溶液的传输机理，无法达到SPL所需的分辨率， 也就失去了纳米刻蚀的意义。SPL技术是通过AFM针尖和基底之间形成纳米厚的气液向界面，利用分子运动从浓度高向浓度低处迁移的原理，使针尖上的分子迁移到基底上，形成分子自组装。而打孔后，分子溶液直接接触基底，形成大的液滴，分辨率大大降低。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种既具有AFM探针的书写分辨率，又可实现分子溶液的传输，能解决SPL技术瓶颈的连续直写纳米粒子溶液的扫描探针。本发明的另一个目的是为了提供这种扫描探针的制造方法。本发明的目的是这样来实现的
本发明连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，包括有探针针尖和悬臂梁的硅基底，位于探针针尖周边与探针针尖之间有环形针尖微通道从而与探针针尖形成火山口式结构的环形外壳，探针针尖顶端伸出环形外壳外，悬臂梁远离探针针尖的一端上有贮液槽，位于悬臂梁内的输送微通道的两端分别与环形针尖微通道、贮液槽连通，探针针尖顶端直径为16 22nm，探针针尖顶端直径为16 22nm米，保证了纳米刻蚀的分辨率，贮液槽使分子溶液通过毛细力输送到探针针尖火山口，实现分子溶液的连续供给。上述的探针针尖顶端伸出环形外壳0. 8 1. 2mm，环形外壳壁厚480 520nm，环形针尖微通道间隙为480 520nm，输送微通道的直径为0. 8 1. 2mm。上述的探针针尖顶端直径为20nm且伸出环形外壳1 μ m，环形外壳壁厚500nm，环形针尖微通道间隙为500nm，输送微通道的直径为1mm。
上述的贮液槽形状为梯形。本发明方法包括如下步骤
1)在硅基底上利用KOH溶液刻蚀出扫描探针针尖原型，再氧化针尖，刻蚀氧化层使针尖锐化，使针尖直径达到16 — 22nm ；
2)在硅基底上依次分别沉积
(1)0. 25-0. 30mm氮化硅薄膜，并刻蚀一个开口以备使其与背面贮液槽连通；
(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅牺牲层；
(3)0.25—0. 5mm氮化硅薄膜；
3)在扫描探针左侧部分刻蚀出微通道开口，然后利用CF4溶液刻蚀氧化硅牺牲层，形成微通道；
4)在微通道开口两端沉积一层0.25 0. 35 μ m的氮化硅薄膜，将微通道开口密封；
5)刻蚀微通道开口处多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向异性刻蚀技术在硅基底背面刻蚀出贮液槽，即成。工作时，分子溶液通过毛细力能够从硅基底上贮液槽通过探针针尖和环形外壳间环形针尖微通道输送到针尖附近，在环形外壳边缘即停止，这样保证了溶液不会直接流到硅基底上。分子是通过迁移作用从探针针尖迁移到硅基底，形成自组装层，这样保证了刻蚀的分辨率。采用多个本发明探针便可形成纳米刻蚀扫描探针陈列芯片。本发明纳米刻蚀扫描探针具有以下优点。( 1)通过悬臂梁内置微通道将火山口式针尖和硅基底贮液槽连通，实现了连续供给溶液，在硅基底上进行连续直接书写；
(2)书写分辨率高，其书写的纳米线条宽度为30nm左右；
(3)采用多个本发明扫描探针可形扫描探针陈列芯片，扫描探列芯片可以将书写溶液同时输送到各个探针头上，实现了大规模连续直接书写，可用于大规模纳米刻蚀、纳米器件的制造。
图1为本发明扫描探针结构示意图。图2为本发明扫描探针工艺流程图。
具体实施例方式
参见图1，本发明连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，包括有探针针尖1和悬臂梁2的硅基底3，位于探针针尖周边固定于硅基底上且与探针针尖之间有环形针尖微通道4从而与探针针尖形成火山口式结构的环形外壳5。探针针尖顶端伸出环形外壳外。悬臂梁远离探针针尖的一端上有梯形贮液槽6。位于悬臂梁内的输送微通道7的两端分别与环形针尖微通道、贮液槽连通。探针针尖顶端直径为20nm且伸出环形外壳1mm。环形外壳壁厚500nm。环形针尖微通道间隙为500nm。输送微通道的直径为1mm。扫描探针各加工参数可参见表1。图2为本发明扫描探针工艺流程图。参见图2，本发明该方法包括如下步骤
1)在硅基底3上利用KOH溶液刻蚀出扫描探针针尖1原型，再氧化针尖，刻蚀氧化层使针尖锐化，使针尖直径达到20nm ；2)在硅基底上依次分别沉积
(1)0. 25—0. 30mm氮化硅薄膜8，并刻蚀一个开口 9以备使其与背面贮液槽连通；
(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅牺牲层10 ；
(3)0. 25—0. 3mm 氮化硅薄膜 11 ；
3)在针尖原型左侧部分刻蚀出微通道开口4一1，然后利用CF4溶液刻蚀氧化硅牺牲层， 形成微通道4 ；
4)在微通道开口两端沉积一层0.25 0. 30 μ m的氮化硅薄膜4一2、4一3，将微通道开口密封；
5)刻蚀微通道开口处多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向异性刻蚀技术在硅基底背面刻蚀出梯形贮液槽6。 表1:扫描探针加工参数
权利要求
1.连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，包括有探针针尖和悬臂梁的硅基底，位于探针针尖周边与探针针尖之间有环形针尖微通道从而与探针针尖形成火山口式结构的环形外壳，探针针尖顶端伸出环形外壳外，悬臂梁远离探针针尖的一端上有贮液槽，位于悬臂梁内的输送微通道的两端分别与环形针尖微通道、贮液槽连通，探针针尖顶端直径为16 22nm。
2.如权利要求1所述的连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，其特征在于探针针尖顶端伸出环形外壳0. 8 1. 2 μ m，环形外壳壁厚480 520nm，环形针尖微通道间隙为480 520nm，输送微通道的直径为0. 8 1. 2mm。
3.如权利要求2所述的连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，其特征在于探针针尖顶端直径为20nm且伸出环形外壳1 μ m，环形外壳壁厚500nm，环形针尖微通道间隙为500nm，输送微通道的直径为1mm。
4.如权利要求1 3之一所述的连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，其特征在于贮液槽形状为梯形。
5.权利要求1所述的连续直写纳米粒子溶液的扫描探针的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)在硅基底上利用KOH溶液刻蚀出扫描探针针尖原型，再氧化针尖，刻蚀氧化层使针尖锐化，使针尖直径达到16 — 22nm ；2)在硅基底上依次分别沉积(1)0. 25—0. 30mm氮化硅薄膜，并刻蚀一个开口使其与背面贮液槽连通；(2)0.4—0. 5mm 二氧化硅牺牲层；(3)0.25—0. 5mm氮化硅薄膜；3)在扫描探针左侧部分刻蚀出微通道开口，然后利用CF4溶液刻蚀氧化硅牺牲层，形成微通道；4)在微通道开口两端沉积一层0.25 0. 35 μ m的氮化硅薄膜，将微通道开口密封；5)刻蚀微通道开口处多余氮化硅薄膜，在KOH溶液中，利用各向异性刻蚀技术在硅基底背面刻蚀出贮液槽，即成。
全文摘要
本发明提供了一种连续直写纳米粒子溶液的扫描探针，包括有探针针尖和悬臂梁的硅基底，位于探针针尖周边与探针针尖之间有环形针尖微通道从而与探针针尖形成火山口式结构的环形外壳，探针针尖顶端伸出环形外壳外，悬臂梁远离探针针尖的一端上有贮液槽，位于悬臂梁内的输送微通道的两端分别与环形针尖微通道、贮液槽连通，探针针尖顶端直径为18～22nm。本发明既具有AFM探针的书写分辨率，又可实现分子溶液的传输，能解决SPL技术瓶颈。本发明的另一个目的是为了提供这种扫描探针的制造方法。
文档编号B81B1/00GK102565460SQ20101059193
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者彭倍 申请人:彭倍