[发明专利]硅基自锐式AFM探针的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅探针的制作方法，尤其涉及原子力显微镜的核心机构——AFM探针的一次成型制备方法，属于微纳机械传感器领域。

背景技术

原子力显微镜是一种利用原子，分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针(以下简称AFM探针)，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上。当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置，根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。原子力显微技术已成为人们观察和研究微观世界的有力工具。

AFM探针是原子力显微镜的关键组成部分，它的结构和性能对原子力显微镜仪器的性能、测量分辨率和图像质量有极大的影响。AFM探针应满足：力学弹性系数低、针尖曲率半径尽可能小，针尖高宽比尽可能的大以及高的固有频率、机械品质因数和横向刚度。现有技术中，悬臂梁用手工切薄金属圈或金属丝网获得，悬臂梁的尖端多应用金属半导体、金刚石等材料制备，制作方法有：手工粘附微小的金刚石颗粒、腐蚀金属丝、通过电火花熔断金属等。小尺寸和轻重量悬臂探针使得手工制造显得特别困难，而且其制造重复性很差；若采用电解腐蚀等常规方法难以形成纳米量级的针尖；再者，AFM探针易损坏、污染而需要经常替换，所以需要寻求批量生产悬臂梁探针的方法。

1989年，斯坦福大学的T.Albrecht等人采用键合法制作悬臂粱探针，该探针具有参数易优化，批量生产，成本较低，性能较好等优点。但该探针存在温度变化时会引起热失配，固有频率难以提高，针尖不理想等问题。同年晚些时间，德国IBM的O.Woler等研制成功单晶硅材料的AFM探针，然而由于工艺中没有自停止腐蚀，悬臂梁的厚度不易控制且未实现梁和针尖的同时成型。1991年瑞士的J.B rugger等人利用干法刻蚀工艺实现AFM探针的一次成型工艺，探针高度可达15-20微米，高宽比可达10∶1，然而该工艺仍未解决停止腐蚀的问题，且固有频率较低。1996年丹麦的Anja Boisen采用干法刻蚀工艺制作了一种坚固耐用且高宽比很高的“火箭尖型”探针，该探针因具有高的高宽比而成为当前AFM探针制作工艺的主流技术。但该探针悬臂梁背面比较粗糙且有一定翘曲。2004年中国科学院的李欣昕等人用SOI片，采用掩膜-无掩膜技术制作硅悬臂梁探针，实现AFM探针的湿法腐蚀一次成型工艺，但该制作工艺与之前的AFM探针制作工艺一样，仍然采用氧化的方法实现针尖的锐化。2006年中国科学技术大学刘芳等人进行了满足自锐效应的AFM探针制作工艺的研究，但该工艺流程会出现同一探针存在多针尖的可能，成品率低。2007年英国的D.P. Burt等人提出了可实现完全自锐的AFM探针制作工艺，但其工艺没有腐蚀自停止工艺且探针的高宽比比较低。

发明内容

为了满足低成本、大高宽比AFM探针的制作需求，克服现有AFM探针制作工艺需采用氧化工艺锐化针尖的问题，本发明的目的旨在提供一种新的硅基自锐式AFM探针的制备方法，可完全实现纳米级AFM探针的一次成型工艺，在简化制备工艺的同时降低批量制造的成本。

本发明的上述目的，其技术解决方案是：

硅基自锐式AFM探针的制备方法，其特征在于：采用顶层硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的双抛双氧SOI片为制备原料，在制备原料的顶面对应AFM探针针尖的位置光刻设置一针尖掩膜，在针尖掩膜的保护下通过完全的湿法腐蚀使针尖自行锐化，直至针尖掩膜脱落、一次成型具纳米级针尖的AFM探针。

进一步地，其中所述针尖掩膜为边数少于六的几何多边形结构，具体形状可为三角形、矩形、菱形或五边形中的一种。

本发明的上述目的，其得以实现的技术方案步骤包括：

Ⅰ、以双抛双氧SOI片硅厚度等于AFM探针针尖高度与悬臂梁厚度之和的一侧作为顶面，在所述顶面光刻形成AFM探针掩膜；

Ⅱ、对双抛双氧SOI片相对顶面另一侧的背面光刻形成背面腐蚀窗口；

Ⅲ、对双抛双氧SOI片进行各向异性湿法腐蚀硅，腐蚀深度等于AFM探针悬臂梁的厚度；

Ⅳ、对顶面进行光刻，形成六边以下几何多边形结构的针尖掩膜；

Ⅴ、再次进行各向异性湿法腐蚀硅，直至针尖掩膜脱落，形成纳米级的针尖；

Ⅵ、在顶面采用PECVD沉积一层二氧化硅保护层；

Ⅶ、第三次进行各向异性湿法腐蚀背面硅，直至完全露出双抛双氧SOI片的二氧化硅埋层；

Ⅷ、采用BOE溶液腐蚀二氧化硅埋层及保护层。

应用本发明的技术方案，其有益效果体现在；