一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针及其制备方法

专利名称:一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针，及其制备方法。
技术背景
扫描隧道显微镜(简称STM)作为新型的表面分析仪器，使人类第一次能够实时地 观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科 学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景。为此，它的发明者 Bining和Rohrer荣获了 1986年诺贝尔物理学奖。
STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将具有原子线度的极细探针和被 研究物质的表面作为两个电极，当样品与探针针尖的距离非常接近时(通常小于Inm)，在 外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一极而形成隧道电流。这种现 象即是隧道效应。隧道电流强度对针尖与样品表面之间距离非常敏感，它随着探针接近表 面而迅速增加，探针每靠近0. lnm，电流会增加约10倍。因此，利用电子反馈线路控制隧道 电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖对样品的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低 的变化就反映出了样品的表面的起伏。将探针在样品表面扫描时运动的轨道记录下来，就 得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像，这种工作方式称为恒流模式。如果样品 表面的起伏不大，还可以使探针在垂直方向上位置固定，通过扫描隧道的电流变化信号来 成像，这种工作方式称为恒高模式。
隧道探针是STM技术中主要的技术问题之一，探针针尖的大小、形状和化学同一 性不仅影响着图象的分辩率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的最前 端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子 级分辨率的图象。针尖的化学同一性程度高，就不会涉及系列势垒。
现有的用于扫描隧道显微镜的隧道探针通常是直径小于Imm的细金属丝，如钨 丝、钼-铱丝等。
钨丝作为探针能够满足STM仪器刚性的要求，因而被广泛地使用。一般对钨丝采 用电化学腐蚀法制备隧道探针。这样得到的钨针尖容易形成表面氧化物。如果针尖表面如 有氧化层，其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致在针尖和样品间产生隧道电流之 前，二者就发生碰撞，最终导致该隧道探针不能被重复与长期使用。
在钼中加入少量铱(例如比例80% 20% )形成的钼-铱合金丝，既保留了钼材 料不易被氧化的特性，还增强了刚性，但是这种探针的成本比钨丝要高得多。一般对钼_铱 合金丝采用剪切法制备隧道探针，即从中间剪切开来。这种方得到的隧道探针的针尖过粗， 一般为亚微米尺寸，至多能达到50纳米左右，很难进一步得到更为细小，如几个纳米，甚至 几个埃的针尖，从而影响其分辨率。
另外，无论上述哪种方法制出的针尖，均会引入杂质，使得探针的化学组分复杂， 通过表面化学组成的分析，可以看出探针的表面都有几个纳米厚的碳层，而碳层的存在会 导致隧道电流不稳，噪音大，STM图像不可预期等一系列问题。[0009]用于自旋极化的隧道探针通常是通过在钼针尖上沉积磁性金属的方法制得。但是 这种制备方法难度很大，当表面沉积的磁性金属层过薄，则很难形成好的磁畴，过厚则针尖 过粗，从而极大的影响分辨率，利用这种方法几乎不能得到分辨率很高的STM图像。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术制备的隧道探针针尖过粗，针尖表面的化学组分 复杂，使得分辨率低、不可重复与长期使用的缺陷，从而提供一种针尖较细、不含杂质、针尖 表面不易产生碳层和氧化物层、且分辨率高的用于扫描隧道显微镜的隧道探针。
本发明的另一目的在于克服现有的隧道探针制备工艺难度大，很难得到高分辨率 的隧道探针的缺陷，从而提供一种简单方便、成品率高的、且特别适合于制备自旋极化的隧 道探针的制备方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的
本发明提供一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，如图2所示，包括 如下的步骤
1)在Si衬底1两侧利用化学气相沉积的方法各制备一绝缘层薄膜2，然后利用紫 外光刻的方法在其一侧开一个0.2X0. 2平方毫米的窗口，利用化学反应刻蚀的方法除去 窗口内的绝缘层薄膜；然后把该样品放入65°C、4mol/L的KOH溶液中进行蚀刻，由于KOH溶 液刻蚀Si的速率远远高于其刻蚀绝缘层薄膜的速率，因此将Si衬底中央部分刻蚀，露出 另一侧的绝缘层薄膜；
所述的绝缘层薄膜为Si，SiO2, SiN,电子束曝光用抗蚀剂，紫外光刻用光刻胶，或 LB膜(Langmuir Blodgett film)组成的膜层，其厚度为10 500纳米；
所述的电子束曝光用抗蚀剂为正性抗蚀剂(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)MMA)或 负性化学放大抗蚀剂(如S-601，NEB22，UV2，UV3(商用型Shipley company))；
所述的紫外光刻用光刻胶为环氧基紫外负性光刻胶，聚硅烷，高支化碱性丙烯酸 化聚酯，聚乙烯醇肉桂酸酯或光敏聚酰亚胺；
所述的LB膜为聚苯乙烯LB膜，聚乙烯醇LB膜，聚对苯撑乙烯撑LB膜，聚苯胺LB 膜，热解聚酰亚胺LB膜或硬脂酸锰LB膜；
2)在步骤1)得到的Si衬底的另一侧的绝缘层薄膜上，使用聚焦离子束刻蚀 (FIB)方法，电子束曝光(EBL)结合离子刻蚀(IE)或反应离子刻蚀(RIE)的方法，或纳米压 印的方法，制备出倒圆台形的孔洞3，所述的倒圆台形的孔洞上表面的直径为3 100纳米， 下表面的直径为0. 3 50纳米，其上表面与下表面的直径相差很大，已近似为倒圆锥形，其 剖面图如图3中的扫描电子显微镜(SEM)照片所示；
所述的聚焦离子束刻蚀方法是采用聚焦离子束系统，例如美国FEI公司235双电 子束聚焦离子束系统，离子束流采用10PA，离子束点停留时间为30微秒，离子束步长为5纳 米，离子束发射电流为2. 2微安，离子束刻蚀绝缘层薄膜(如SiN)的时间为0.1 0.5秒， 视绝缘层的厚度以及需要的孔洞直径而定，比如离子束刻蚀100纳米厚的氮化硅薄膜0. 3 秒，可以在氮化硅薄膜上得到上表面直径为30纳米，下表面直径为3纳米的孔洞；
所述的电子束曝光(EBL)结合离子刻蚀(IE)或反应离子刻蚀(RIE)的方法的具 体步骤如下(1)在玻璃片或者硅片上涂上300纳米厚的电子束曝光用抗蚀剂，在180°C热板上烘烤60秒；(2)进行电子束曝光采用电子束曝光系统，例如采用德国Raith公司的 150型电子束曝光系统，电子束高压为10千伏，光缆孔径采用30微米，曝光剂量为60mJ/ cm2 ； (3)显影显影20秒，定影20秒；(4)刻蚀采用氩离子刻蚀或反应离子刻蚀；
所述的纳米压印的方法的具体步骤如下(1)用勻胶机以3000rpm的转速在Si衬 底上涂上一层绝缘层薄膜(如PMMA)，在180°C热板上烘烤1分钟；(2)在140 180°C加 热处理绝缘层薄膜衬底，使得绝缘层薄膜软化，利用原子力显微镜(AFM)的探针、隧道扫描 显微镜的探针、或者具有极细针尖(针尖直径为10 50nm)的压印磨具进行压印；探针下 降和上升的速度为 2nm/s，压力为 600 1900psi (lpound per squareinch = 6894. 75729 帕斯卡)；根据不同的压印设备会采用不同的压力，一般采用如下方法决定压力首先在Si 衬底上制备绝缘层薄膜，然后进行压印，并记录样品表面压力的变化，当针尖碰到Si衬底 时压力会突然增加，本方法需在压力突然增大以前抬起针尖，并不要求针尖刺透绝缘薄膜； (3)压印完成后采用氩离子刻蚀的方法刻蚀30秒，或者采用化学反应刻蚀的方法刻蚀10 秒；
3)使用常规方法在步骤2)制得的具有倒圆台形的孔洞3的绝缘层薄膜2上和Si 衬底的中央部分沉积导电材料，直至其中充满所述的导电材料，所述在具有倒圆台形孔洞3 的绝缘层薄膜上沉积的导电材料所构成的导电层5的厚度为50 1000，即得到用于扫描隧 道显微镜的隧道探针，该隧道探针可直接使用。
所述的常规方法包括分子束外延方法，磁控溅射方法，电子束蒸发，激光脉冲沉 积法，化学气相沉积法，电镀法，或电化学沉积法；
所述的导电材料为非磁性金属材料、铁磁性材料、半金属磁性材料、磁性半导体材 料、非磁性半导体材料。
所述的非磁性金属材料为W、Pt、Ir、Au、Ag、Cu、Ru、Al、Cr及其合金。
所述的铁磁性材料为Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy等稀 土金属，Co-Fe合金、Co-Fe-B合金、Nd-Fe-B合金、Ni-Fe合金、Gd-Y合金等铁磁性合金。
所述的半金属磁性材料为Fe3O4、CrO2, La1^xSrxMnO3 (0. 16 < χ < 1. 0)、 La1^yCayMnO3 (0. 18 < y < 0. 5) ,Pr1^zSrzMnO3 (0. 3 < ζ < 1. 0)或 Co2MnSi 等 Heussler 合金。
所述的磁性半导体材料为掺杂Fe、Co、Ni、V或Mn的ΖηΟ、掺杂Fe、Co、Ni、V或Mn 的 TiO2、掺杂 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 HfO2、掺杂 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 SnO2、掺杂 Mn 的 GaAs, 掺杂Mn的InAs、掺杂Mn的GaN或掺杂Mn的ZnTe。
所述的半导体为Si、Ga、GaN, GaAs, Ga-Al-As、In-Ga-As 或 InAs。
使用上述方法得到的用于扫描隧道显微镜的隧道探针，如图1所示，包括一硅衬 底1和其两侧的绝缘层薄膜2，在Si衬底1和其一侧的绝缘层薄膜中间开有一个0. 2X0. 2 平方毫米的窗口 ；在Si衬底另一侧的绝缘层薄膜上有一倒圆台形的孔洞，在此孔洞中充满 了导电材料，其上的Si衬底的窗口中充满了相同的导电材料5 ；所述的绝缘层薄膜为Si， SiO2, SiN，电子束曝光用抗蚀剂，紫外光刻用光刻胶，或LB膜(LangmuirBlodgett film)组 成的膜层，其厚度为10 500纳米；所述的倒圆台形的孔洞上表面的直径为3 100纳 米，下表面的直径为0. 3 50纳米。
本发明提供的上述用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，还包括步骤4)
4)把步骤3)制备好的样品放入丙酮中浸泡，直至绝缘层薄膜和位于其上孔洞中的倒圆台形的导电材料分离，Si衬底也随着绝缘层脱落，用去离子水清洗保留在倒圆台形 孔洞里的导电材料，即得到本发明另一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针，该倒圆台形的 导电材料可装在扫描隧道显微镜的针尖上使用。
使用上述方法得到的用于扫描隧道显微镜的隧道探针，其特征在于所述的隧道 探针由导电材料组成，针尖直径为0. 3 50纳米。
使用本发明提供的方法制备用于扫描隧道显微镜的隧道探针，其优点在于
1、利用预先打孔再沉积的方法，并通过控制聚焦离子束刻蚀(FIB)，电子束曝光 (EBL)，离子刻蚀(IE)，或反应离子刻蚀(RIE)的方法的工艺参数，可以得到针尖直径为纳 米水平的细小的探针，提高了分辨率；
2、本发明避开了常规的化学腐蚀的方法，不会引入杂质、针尖表面不易产生碳层 和氧化物层，保证了探针针尖化学组分的单一；
3、制得的探针不局限于常规的钨丝、钼-铱丝等细金属丝，可根据需要，得到各种 导电材料制得的针尖；
4、利用本发明提供的方法可以制备出单晶的隧道针尖；本方法也可以制备单晶的 铁磁性隧道针尖。
5、利用本方法可以制备自旋极化率为100%的半金属(如CrO2)自旋极化隧道针 尖，而由于CrO2本身很脆，利用常规的方法无法得到很好隧道针尖。


图1是本发明提供的一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针的示意图；
图2是本发明提供的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法的示意图；
图3是制备好孔洞的绝缘层薄膜的剖面图(SEM)；
其中，ISi衬底，2绝缘层薄膜，3孔洞，5导电层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明
实施例1、制备高分辨率的金属W隧道探针
在Si (100)衬底1的两侧利用化学气相沉积(CVD)的方法各制备100纳米厚的 SiN薄膜2，然后利用紫外光刻的方法在其一侧开一个0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，利用化学 反应刻蚀的方法除去窗口内的SiN薄膜。把样品放入65°C、4M的KOH溶液中进行蚀刻。由 于KOH溶液刻蚀Si的速率远远高于其刻蚀SiN的速率，因此得到如图2中所示的，在Si衬 底一侧为刻蚀了窗口的SiN薄膜，在Si衬底中央也有一个0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，两侧 的Si衬底起到支撑另一侧SiN薄膜的作用，以保证其窗口处的SiN薄膜不破裂，同时方便 样品的加工。
使用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法，在IOOnm厚的SiN薄膜(绝缘层)上，制备出上 表面直径为10纳米、下表面直径为0. 5纳米的倒圆台形的孔洞，刻蚀条件如下离子加速电 压30KV，离子束流采用10PA.，离子点停留时间30 μ s，离子束最小步长5nm，离子束发射电 流22 μ Α,样品室真空度3X 10_5Pa，刻蚀时间0. 1秒，即可在SiN绝缘层上得到上表面直径 为10纳米、下表面直径为0. 5纳米的倒圆台形的孔洞，其剖面图如图3所示。
7[0049]然后使用磁控溅射方法在该具有倒圆台形的孔洞的SiN衬底上沉积非铁磁性金 属材料W，沉积条件为系统真空3X 10_7帕，溅射功率120瓦，气体压强0. 07帕；沉积时间 由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在倒圆台形的孔洞中沉积了 W，以及在SiN衬底上沉积 了 300纳米厚的金属W，如图1所示。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去掉SiN 绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里W来作为针尖使用。
实施例2、制备高分辨率的铁磁性金属Co自旋极化隧道探针
使用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法，在实施例1所述的IOOnm厚的SiN绝缘层上，制 备出上表面直径为40纳米、下表面直径为3纳米的倒圆台形的孔洞，刻蚀条件如下离子加 速电压30KV，离子束流采用10PA，离子点停留时间30 μ s，离子束最小步长5nm，离子束发射 电流22 μ Α，样品室真空度3Χ 10_5Pa，刻蚀时间0. 3秒，即可在SiN绝缘层上得到上表面直 径为40纳米、下表面直径为3纳米的倒圆台形的孔洞。
然后使用分子束外延方法在该具有倒圆台形的孔洞的SiN衬底上沉积铁磁性金 属Co，沉积条件为系统真空3 X 10,帕，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在 倒圆台形的孔洞中沉积了 Co，以及在SiN衬底上沉积了 100纳米厚的Co。该隧道探针可根 据实际情况直接使用，或是去掉SiN绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里Co来作为针尖使用。
实施例3、制备高分辨率的半金属CrO2高自旋极化隧道探针
使用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法，在实施例1所述的IOOnm厚的SiN绝缘层上，制 备出上表面直径为20纳米、下表面直径为1纳米的倒圆台形的孔洞，刻蚀条件如下离子加 速电压30KV，离子束流采用10PA，离子点停留时间30 μ s，离子束最小步长5nm，离子束发射 电流22 μ Α，样品室真空度3Χ 10_5Pa，刻蚀时间0. 2秒，即可在SiN绝缘层上得到上表面直 径为20纳米、下表面直径为1纳米的倒圆台形的孔洞。
然后使用激光脉冲沉积方法在该具有倒圆台形的孔洞的SiN衬底上沉积半金 属CrO2,沉积条件为系统真空5 X 10_6帕，激光频率10赫兹，氮气流量95sCCm，衬底加热 800°C，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在倒圆台形的孔洞中沉积了 CrO2,以 及在SiN衬底上沉积了 100纳米厚的Cr02。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去 掉SiN绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里CrO2来作为针尖使用。实施例4、制备高分辨率的 Pt80Ir20合金隧道探针
在Si (100)衬底上两侧利用化学气相沉积(CVD)的方法各制备100纳米厚的SiO2 薄膜，然后利用紫外光刻的方法在其一侧开一个0. 2X0.2平方毫米的窗口，利用化学反应 刻蚀的方法除去窗口内的SiO2薄膜。把样品放入65°C、4M的KOH溶液中进行蚀刻。由于 KOH溶液刻蚀Si的速率远远高于其刻蚀SiO2的速率，因此得到如图2中所示的，在Si衬底 一侧为刻蚀了窗口的SiO2薄膜，在Si衬底中央也有一个0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，两侧的 Si衬底起到支撑另一侧SiO2薄膜的作用，以保证其窗口处的SiO2薄膜不破裂，同时方便样 品的加工。
使用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法，在IOOnm厚的SiO2绝缘层上，制备出上表面直 径为30纳米、下表面直径为2纳米的倒圆台形的孔洞，刻蚀条件如下离子加速电压30KV， 离子束流采用10PA.，离子点停留时间30 μ s，离子束最小步长5nm，离子束发射电流22 μ A, 样品室真空度3X 10_5Pa，刻蚀时间0. 25秒，即可在SiO2绝缘层上得到上表面直径为30纳 米、下表面直径为2纳米的倒圆台形的孔洞。[0058]然后使用电子束蒸发方法在该具有倒圆台形的孔洞的SiO2衬底上沉积非铁磁性 金属材料Pt8tlIr2tl合金，沉积条件为系统真空1X10_5帕，电流5A，沉积时间由薄膜生长设 备的溅射速率决定，即在倒圆台形的孔洞中沉积了 Pt8tlIr2tl合金，以及在SiO2衬底上沉积了 200纳米厚的Pt8tlIr2tl合金层。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去掉SiO2绝缘层 后只保留倒圆台形孔洞里Pt8tlIr2tl合金来作为针尖使用。
实施例5、制备高分辨率的金属W隧道探针
使用电子束曝光(EBL)结合离子刻蚀(IE)的方法，在300nm厚的PMMA (聚甲基丙 烯酸甲酯)绝缘层上，制备出上表面直径为40纳米、下表面直径为10纳米的倒圆台形的孔 洞，具体步骤如下(1)在玻璃片上涂上300纳米厚的电子束抗蚀剂——PMMA(聚甲基丙烯 酸甲酯)，在180°C热板上烘烤60秒；(2)进行电子束曝光选用德国Raith公司的150型 电子束曝光系统，电子束高压为10千伏，光缆孔径采用30微米，曝光剂量为60mJ/cm2 ； (3) 显影显影20秒，定影20秒；(4)刻蚀采用氩离子刻蚀，能量300电子伏，气体压强0. 18 帕，时间30秒；即可在PMMA绝缘层上得到上表面直径为40纳米、下表面直径为10纳米的 倒圆台形的孔洞。
然后使用磁控溅射方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积非铁磁性金 属材料W，沉积条件为系统真空3X 10_7帕，溅射功率120瓦，气体压强0. 07帕；沉积时间 由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在倒圆台形的孔洞中沉积了 W，以及在PMMA衬底上沉 积了 300纳米厚的金属W。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去掉PMMA绝缘层后 只保留倒圆台形孔洞里W来作为针尖使用。
实施例6、制备高分辨率的金属Pt8tlIr2tl隧道探针
使用电子束曝光(EBL)结合反应离子刻蚀(RIE)的方法，在300nm厚的ZEP520 (氯 甲基丙烯酸盐_甲基苯乙烯)绝缘层上，制备出上表面直径为40纳米、下表面直径为 13纳米的倒圆台形的孔洞，具体步骤如下(1)在硅片上涂上300纳米厚的电子束抗蚀 剂_ZEP520(氯甲基丙烯酸盐-甲基苯乙烯)，在200°C热板上烘烤120秒；(2)进行电子束 曝光选用德国Raith公司的150型电子束曝光系统，电子束高压为10千伏，光缆孔径采用 30微米，曝光剂量为30mJ/cm2 ；⑶显影显影20秒，定影20秒；⑷刻蚀采用反应离子 刻蚀，能量300电子伏，气体压强0. 18帕，时间30秒；即可在PMMA绝缘层上得到上表面直 径为40纳米、下表面直径为13纳米的倒圆台形的孔洞。
然后使用电子束蒸发方法在该具有倒圆台形的孔洞的ZEP520(氯甲基丙烯酸 盐-甲基苯乙烯)衬底上沉积非铁磁性金属材料Pt8tlIr2tl合金，沉积条件为系统真空 IXlO-5帕，电流5A，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在倒圆台形的孔洞中沉 积了 Pt8tlIr2tl合金，以及在ZEP衬底上沉积了 200纳米厚的Pt8tlIr2tl合金层，如图1所示。该 隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去掉ZEP绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里Pt8tlIr2tl 合金来作为针尖使用。
实施例7、制备高分辨率的铁磁性金属M的自旋极化隧道探针
使用与实施例5中相同的电子束曝光(EBL)结合离子刻蚀(IE)的方法，在300nm 厚的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)绝缘层上，制备出上表面直径为40纳米、下表面直径为10 纳米的倒圆台形的孔洞。
然后使用分子束外延方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积铁磁性金属Ni，沉积条件为系统真空3X 10,帕，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定，即在 倒圆台形的孔洞中沉积了 Ni，以及在PMMA衬底上沉积了 100纳米厚的金属Ni。该隧道探 针可根据实际情况直接使用，或是去掉PMMA绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里M来作为针 尖使用。
实施例8、制备高分辨率的半金属Co2MnSi的高自旋极化隧道探针
使用与实施例5中相同的电子束曝光(EBL)结合离子刻蚀(IE)的方法，在300nm 厚的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)绝缘层上，制备出上表面直径为40纳米、下表面直径为10 纳米的倒圆台形的孔洞。
然后使用激光脉冲沉积方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积半金属 Co2MnSi,沉积条件为系统真空度5X10_6帕，激光频率10赫兹，氮气流量95sCCm，衬底加 热800°C，即在倒圆台形的孔洞中沉积了 Co2MnSi,以及在PMMA衬底上沉积了 100纳米厚的 Co2MnSi。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是去掉PMMA绝缘层后只保留倒圆台形 孔洞里Co2MnSi来作为针尖使用。
实施例9、制备高分辨率的金属Au的隧道探针。
使用纳米压印的方法，在300nm厚的PMMA绝缘层上，制备出上表面直径为20纳 米、下表面直径为5纳米的倒圆台形的孔洞，具体步骤如下(1)用勻胶机以3000rpm的转 速在Si衬底上涂上一层300nm厚的PMMA绝缘层薄膜，在180°C热板上烘烤1分钟；(2)在 140°C加热处理衬底，使得PMMA软化，利用原子力显微镜(AFM)的探针以2nm/s的下降和上 升速度进行压印，压力为600psi，温度为140°C，(3)压印完成后采用氩离子刻蚀的方法刻 蚀30秒；即可在PMMA绝缘层上扎出上表面直径为20纳米、下表面直径为5纳米的倒圆台 形的孔洞。
然后使用超高真空磁控溅射方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积金 属Au，沉积条件为系统真空3X 10_7帕，溅射功率120瓦，气体压强0. 07帕，即在倒圆台形 的孔洞中沉积了 Au，以及在PMMA衬底上沉积了 300纳米厚的Au。该隧道探针可根据实际 情况直接使用，或是去掉PMMA绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里Au来作为针尖使用。
实施例10、制备高分辨率的金属W的隧道探针。
使用纳米压印的方法，在300nm厚的PMMA绝缘层上，制备出上表面直径为30纳 米、下表面直径为10纳米的倒圆台形的孔洞，具体步骤如下(1)用勻胶机以3000rpm的转 速在Si衬底上涂上一层300nm厚的PMMA绝缘层薄膜，在180°C热板上烘烤1分钟；(2)在 160°C加热处理衬底，使得PMMA软化，利用原子力显微镜(AFM)的探针以2nm/s的下降和上 升速度进行压印，压力为1200psi，温度为160°C;(3)压印完成后采用化学反应刻蚀的方法 刻蚀10秒；即可在PMMA绝缘层上扎出上表面直径为30纳米、下表面直径为10纳米的倒圆 台形的孔洞。
然后使用激光脉冲沉积方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积非铁磁 性金属材料W，沉积条件为系统真空5X 10_6帕，激光频率10赫兹，氮气流量95sCCm，衬底 加热800°C，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定。即在倒圆台形的孔洞中沉积了 W， 以及在PMMA衬底上沉积了 100纳米厚的金属W，如图2所示。该隧道探针可根据实际情况 直接使用，或是去掉PMMA绝缘层后只保留倒圆台形孔洞里W来作为针尖使用。
实施例11、制备高分辨率的铁磁性金属Fe的自旋极化隧道探针。
10[0078]使用纳米压印的方法，在300nm厚的PMMA绝缘层上，制备出上表面直径为30纳 米、下表面直径为10纳米的倒圆台形的孔洞，具体步骤如下(1)用勻胶机以3000
rpm的转速在Si衬底上涂上一层300nm厚的PMMA绝缘层薄膜，在180°C热板上烘 烤1分钟；(2)在180°C加热处理衬底，使得PMMA软化，利用原子力显微镜(AFM)的探针以 2nm/s的下降和上升速度进行压印，压力为1900psi，温度为180°C ； (3)压印完成后采用氩 离子刻蚀的方法刻蚀30秒；即可在PMMA绝缘层上扎出上表面直径为30纳米、下表面直径 为10纳米的倒圆台形的孔洞。
最后使用分子束外延方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积铁磁性金 属Fe，沉积条件为系统真空3X10,帕，系统真空3X10,帕，沉积时间由薄膜生长设备 的溅射速率决定。即在倒圆台形的孔洞中沉积了 Fe，以及在PMMA衬底上沉积了 100纳米厚 的金属Fe。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是用丙酮溶去PMMA绝缘层后只保留倒 圆台形孔洞里Fe来作为针尖使用。
实施例12、制备高分辨率的磁型半导体材料ZnO掺Co的自旋极化隧道探针。
使用纳米压印的方法，在300nm厚的聚乙烯醇LB膜衬底上，制备出上表面直径为 40纳米、下表面直径为10纳米的倒圆台形的孔洞，具体步骤如下(1)用标准的提拉法在硅 衬底上制备聚乙烯醇LB膜；(2)利用原子力显微镜(AFM)的探针以2nm/s的下降和上升速 度进行压印，压力为1700psi，温度为180°C;(3)压印完成后采用化学反应刻蚀的方法刻蚀 10秒；即可在聚乙烯醇LB膜衬底上扎出上表面直径为40纳米、下表面直径为10纳米的倒 圆台形的孔洞。
最后使用激光脉冲沉积方法在该具有倒圆台形的孔洞的PMMA衬底上沉积磁型 半导体材料(ZnO)95Co5,沉积条件为系统真空5X10_6帕，激光频率10赫兹，氮气流量 95%(^，衬底加热8001，系统真空3/10_1°帕，沉积时间由薄膜生长设备的溅射速率决定。 即在倒圆台形的孔洞中沉积了掺Co的ZnO，以及在PMMA衬底上沉积了 100纳米厚的掺Co 的ZnO。该隧道探针可根据实际情况直接使用，或是用丙酮溶去PMMA绝缘层后只保留倒圆 台形孔洞里掺Co的ZnO来作为针尖使用。
虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需要注意，对于本领域的普通技 术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之 外，它们都应被包括在本发明之中。
本发明所述的探针制备方法同样适用于原子力显微镜(AFM)探针、磁力显微镜 (MFM)探针、扫描探针显微镜(SPM)、透射电子显微镜(TEM)发射阴极的制备。
权利要求
一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，包括如下的步骤1)在Si衬底两侧利用化学气相沉积的方法各制备一绝缘层薄膜，然后利用紫外光刻的方法在其一侧开一个0.2×0.2平方毫米的窗口，利用化学反应刻蚀的方法除去窗口内的绝缘层薄膜；然后把该样品放入65℃、4mol/L的KOH溶液中进行蚀刻，由于KOH溶液刻蚀Si的速率远远高于其刻蚀绝缘层薄膜的速率，因此将Si衬底中央部分刻蚀，露出另一侧的绝缘层薄膜；2)在步骤1)得到的Si衬底的另一侧的绝缘层薄膜上，使用聚焦离子束刻蚀方法，电子束曝光结合离子刻蚀或反应离子刻蚀的方法，或纳米压印的方法，制备出倒圆台形的孔洞，所述的倒圆台形的孔洞上表面的直径为3～100纳米，下表面的直径为0.3～50纳米，其上表面与下表面的直径相差很大，已近似为倒圆锥形；3)使用常规方法在步骤2)制得的具有倒圆台形的孔洞的绝缘层薄膜上和Si衬底的中央部分沉积导电材料，直至其中充满所述的导电材料，所述在具有倒圆台形孔洞的绝缘层薄膜上沉积的导电材料所构成的导电层的厚度为50～1000纳米，即得到用于扫描隧道显微镜的隧道探针，该隧道探针可直接使用。
2.如权利要求
1所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，其特征在于所 述步骤1)中，所述的绝缘层薄膜为Si，SiO2或SiN，电子束曝光用抗蚀剂，紫外光刻用光刻胶，或LB 膜组成的膜层，其厚度为10 500纳米；所述的电子束曝光用抗蚀剂为正性抗蚀剂或负性化学放大抗蚀剂；所述的紫外光刻用光刻胶为环氧基紫外负性光刻胶，聚硅烷，高支化碱性丙烯酸化聚 酯，聚乙烯醇肉桂酸酯或光敏聚酰亚胺；所述的LB膜为聚苯乙烯LB膜，聚乙烯醇LB膜，聚对苯撑乙烯撑LB膜，聚苯胺LB膜， 热解聚酰亚胺LB膜或硬脂酸锰LB膜。
3.如权利要求
1所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，其特征在于所 述步骤2)中，所述的聚焦离子束刻蚀方法是采用聚焦离子束系统，离子束流采用10PA，离子束点停 留时间为30微秒，离子束步长为5纳米，离子束发射电流为2. 2微安，离子束刻蚀绝缘层薄 膜的时间为0. 1 0. 5秒；所述的电子束曝光结合离子刻蚀或反应离子刻蚀的方法的具体步骤如下(1)在玻璃 片或者硅片上涂上300纳米厚的电子束曝光用抗蚀剂，在180°C热板上烘烤60秒；(2)进行 电子束曝光采用电子束曝光系统，电子束高压为10千伏，光缆孔径采用30微米，曝光剂量 为60mJ/cm2 ；⑶显影显影20秒，定影20秒；⑷刻蚀采用氩离子刻蚀或反应离子刻蚀；所述的纳米压印的方法的具体步骤如下(1)用勻胶机以3000rpm的转速在Si衬底上 涂上一层绝缘层薄膜，在180°C热板上烘烤1分钟；(2)在140 180°C加热处理绝缘层薄 膜衬底，使得绝缘层薄膜软化，利用原子力显微镜的探针、隧道扫描显微镜的探针、或者具 有针尖压印的模具进行压印；探针下降和上升的速度为2nm/s，压力为600 1900psi ； (3) 压印完成后采用氩离子刻蚀的方法刻蚀30秒，或者采用化学反应刻蚀的方法刻蚀10秒；所 述具有针尖压印的模具的针尖直径为10-50nm。
4.如权利要求
1所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，其特征在于所述步骤3)中的常规方法包括分子束外延方法，磁控溅射方法，电子束蒸发，激光脉冲沉积 法，化学气相沉积法，电镀法，或电化学沉积法。
5.如权利要求
1所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，其特征在于所 述步骤3)中所述的导电材料为非磁性金属材料、铁磁性材料、半金属磁性材料、磁性半导 体材料或非磁性半导体材料。
6.如权利要求
5所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，其特征在于所 述的非磁性金属材料为W、Pt、Ir、Au、Ag、Cu、Ru、Al或Cr ；所述的铁磁性材料为3d过渡族磁性金属、稀土金属、Co-Fe合金、Co-Fe-B合金、 Nd-Fe-B合金、Ni-Fe合金或Gd-Y合金；所述的半金属磁性材料为 Fe304、CrO2, La1^xSrxMnO3> La1^yCayMnO3> Pr1^zSrzMnO3 或 Co2MnSi ；在所述 LahSrxMnO3 中，0. 16 < χ < 1. O ；在所述 LahyCayMnO3 中，0. 18 < y < 0. 5 ； 在所述 Pr1^zSrzMnO3 中，0. 3 < ζ < 1. O ；所述的磁性半导体材料为掺杂Fe、Co、Ni、V或Mn的ΖηΟ，掺杂Fe、Co、Ni、V或Mn的 TiO2,掺杂 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 HfO2,掺杂 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 SnO2，掺杂 Mn 的 GaAs，掺 杂Mn的InAs，掺杂Mn的GaN或掺杂Mn的ZnTe ；所述的半导体为 Si、Ga、GaN, GaAs、Ga-Al-As, In-Ga-As 或 InAs。
7.如权利要求
1至6之一所述的用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，还包括 步骤4)4)把步骤3)制备好的样品放入丙酮中浸泡，直至绝缘层薄膜和位于其上孔洞中的倒 圆台形的导电材料分离，Si衬底也随着绝缘层脱落，用去离子水清洗保留在倒圆台形孔洞 里的导电材料，即得到本发明另一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针，该倒圆台形的导电 材料可装在扫描隧道显微镜的针尖上使用。
8.一种使用权利要求
1至6之一所述的制备方法得到的用于扫描隧道显微镜的隧道 探针，包括一硅衬底和其两侧的绝缘层薄膜，在Si衬底和其一侧的绝缘层薄膜中间开有一 个0.2X0. 2平方毫米的窗口 ；在Si衬底另一侧的绝缘层薄膜上有一倒圆台形的孔洞，在此 孔洞中充满了导电材料，其上的Si衬底的窗口中充满了相同的导电材料；所述的绝缘层薄 膜为Si，SiO2或SiN，电子束曝光用抗蚀剂，紫外光刻用光刻胶，或LB膜组成的膜层，其厚度 为10 500纳米；所述的倒圆台形的孔洞上表面的直径为3 100纳米，下表面的直径为 0. 3 50纳米；所述的导电材料为非磁性金属材料、铁磁性材料、半金属磁性材料、磁性半 导体材料、或非磁性半导体材料。
专利摘要
本发明涉及一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针及其制备方法。本发明利用预先打孔再沉积的方法，并通过控制聚焦离子束刻蚀，电子束曝光，离子刻蚀，或反应离子刻蚀的方法的工艺参数，得到针尖直径为纳米水平、分辨率高的细小的探针。可根据实际情况，直接使用或是去掉绝缘层薄膜衬底后只保留倒圆台形孔洞里的导电材料，来作为针尖使用。本发明不会引入杂质、针尖表面不易产生碳层和氧化物层，保证了探针针尖化学组分的单一；制得的探针不局限于常规的钨丝、铂-铱丝等细金属丝，可根据需要，得到各种导电材料制得的针尖；也可以制备出单晶的隧道针尖；和常规的方法无法得到的自旋极化率为100％的半金属隧道针尖。
文档编号H01L21/00GKCN101079331 B发布类型授权 专利申请号CN 200610066899
公开日2010年12月8日 申请日期2006年3月31日
发明者张晓光, 王天兴, 韩秀峰, 魏红祥 申请人:中国科学院物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (7), 非专利引用 (3),