[发明专利]一种侧壁扫描探针及其加工方法

说明书

本发明公开了一种侧壁扫描探针及其加工方法，所述扫描探针包括悬臂、磁粒球和锥形针尖。悬臂前端呈三角箭头形，箭头形前端通过薄壁部分和悬臂支撑部分连接，悬臂支撑部分上部设置有金属反射层。锥形针尖位于悬臂箭头形前端下部，且锥形针尖通过细长棱柱和棱台连接，棱台和悬臂箭头形前端相连。磁粒球位于箭头形前端上部；本发明还提供了锥形针尖和硅基箭头式悬臂探针的加工方法。本发明采用微纳加工工艺实现箭头式悬臂探针制作，箭头式悬臂使观察定位更精确和方便，中间薄壁连接部分配合线圈磁场对磁粒球的偏转控制允许箭头式前端实现一定角度的偏转，以此实现对样品侧壁的形貌成像。

技术领域

本发明涉及微纳操作技术领域，具体涉及一种侧壁扫描探针及其加工方法。

背景技术

在过去的几十年里，原子力显微镜(AFM)已成为生命科学、生物、材料科学、半导体工业、微纳米技术等各学科中最重要的测量表征仪器之一。现代半导体和微机电系统器件中，复杂表面表征是必不可少的，如表征光子器件中纳米结构的侧壁粗糙度是一个关键的挑战，对优化诸如波导等纳米光学器件的效率起着重要作用。

传统的AFM扫描技术只能采集二维平面高度图，没有垂直测量的能力，同时现有的AFM悬臂探针的设计不能接触的倾斜角度大于针尖边角的表面，缺少对侧壁扫描的能力。针对上述的难点，Florian Krohs等人通过使用聚焦离子束(Focused ion beam，FIB)加工带有侧向尖端的AFM探针结合特定的侧壁扫描模式完成对侧壁形貌的扫描成像(FKrohs,Haenssler O C,Bartenwerfer M,et al.Atomic force microscopy for highresolution sidewall scans[C]International Conference on Manipulation.IEEE,2015)。

然而现有的侧壁扫描探针主要通过聚焦离子束在传统的AFM探针上修饰完成，同时需要对标准的AFM设备和扫描模式进行重大的修改。一方面由于FIB工艺固有的串行性不利于探针大批量的生产，另一方面对标准的AFM设备大量修改也使得扫描方案难以推广。

发明内容

本发明针对面向原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)的核心部件——侧壁扫描探针，采用微纳加工工艺制作侧壁扫描探针，箭头式的前端使扫描时追踪定位更为精确和方便，悬臂中间薄壁连接部分允许箭头式前端实现一定角度的偏转，配合线圈磁场对磁粒球的偏转控制实现高精度的侧壁扫描成像，悬垂式锥形针尖在针尖偏转时能有效地保护样品，以此实现对样品侧壁的高分辨率形貌成像，为微纳米结构的复杂表面表征提供一种具有高分辨率和高集成化的有力手段。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种侧壁扫描探针，包括悬臂以及与悬臂连接的前端部；所述悬臂上表面设置有金属反射层；所述前端部上表面设有磁粒球，前端部下表面设有针尖结构。

优选的，所述针尖结构为锥形针尖结构，所述锥形针尖结构包括锥形针尖以及与前端部连接的棱台，所述锥形针尖通过连接件与棱台连接。

优选的，所述锥形针尖的形状为圆锥或者棱锥，长度为1～3μm，与棱台连接的连接件为棱柱，所述棱柱长度为5～10μm。

优选的，所述悬臂侧面通过连接件与前端部侧面连接。

优选的，与前端部连接的连接件为呈长方体状的薄壁，宽度为0.5～1μm，长度为8～15μm。

优选的，所述悬臂呈扁平长方体状，所述悬臂长度150～200μm，宽度30～60μm，厚度1～3μm。

优选的，前端部为箭头式形状，箭头尖端长度10～20μm，箭头尖端俯视呈正三角形。

优选的，所述前端部上表面设置有用于定位磁粒球的凹槽。