[发明专利]一种倾斜式超大高宽比AFM探针及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅探针及其制作方法，尤其涉及原子力显微镜的核心构件——倾斜式AFM探针及其制备方法，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。1989年，斯坦福大学的T.Albrecht等人采用键合法制作悬臂粱探针，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。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年李欣昕等人在SOI片上实现了AFM探针的湿法腐蚀一次成型工艺，但该工艺制作的AFM探针的高宽比<2。2006年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。

    综上所述，目前主流的AFM探针都是基于单晶硅材料通过湿法或干法腐蚀而成。湿法腐蚀针尖的高宽比有限；干法刻蚀一次成型的AFM探针虽然具有大的高宽比，但仍不能突破当前工艺对高宽比的限制。而基于SOI衬底的针尖的高度受限于顶层硅的高度，一般均小于15微米，且成本较高。

    为满足用户对超大高宽比的需求，突破当前刻蚀工艺对超大高宽比AFM探针制备的限制，俄国结晶及技术有限公司提出采用蒸汽-液体-固体（VSL）机制在悬臂梁上生长晶须作为探针针尖的方法，该制作方法是在顶层硅为(111)型的SOI基片上制作出的垂直式AFM探针，然而该探针不适合近场扫描的应用。近年来，随着纳米技术的发展，利用碳纳米管制备AFM探针屡有报道，碳纳米管具有优良的力学性能、非常小的直径（1nm-10nm），因而被认为是AFM针尖得良好材料，但由于单根碳纳米管可控制备困难，目前采用的方法是在硅针尖顶端组装或焊接碳纳米管，产率低且性能不可控。目前还在探索阶段。

发明内容

本发明提出一种基于化学气相沉积工艺的倾斜式AFM探针及其制作方法，为倾斜式超大高宽比AFM探针研制开辟了一条新路。突破了当前刻蚀工艺对倾斜式超大高宽比AFM探针制备的限制，克服了当前制作工艺产率低且性能不可控的问题，真正实现了倾斜式超大高宽比AFM探针可控制备，提高了倾斜式超大高宽比AFM探针的制备成品率。

为了实现上述的发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种倾斜式超大高宽比AFM探针，其特征在于，所述探针包括倾斜式针尖、悬臂梁及主体支撑结构，所述倾斜式针尖设于悬臂梁顶端斜面上，所述悬臂梁与主体支撑结构固定连接，所述悬臂梁由（100）型SOI硅片的顶层硅形成，所述悬臂梁顶端斜面为（111）晶面，并且，所述探针的高宽比为1-50。

如上所述的倾斜式超大高宽比AFM探针的制备方法，该方法为：

采用顶层硅厚度等于AFM探针悬臂梁厚度的（100）型SOI硅片为制备原料；首先在SOI硅片的顶层硅上应用湿法刻蚀工艺形成AFM探针的悬臂梁；之后在位于悬臂梁顶端斜面上对应AFM探针针尖的位置制备催化剂颗粒，所述悬臂梁顶端斜面为（111）晶面；然后在光刻胶掩模的保护下，应用干法刻蚀工艺对SOI硅片的底层硅进行深硅刻蚀，直至完全露出SOI硅片的二氧化硅埋层，形成AFM探针的主体支撑结构部分；最后应用硅纳米线生长工艺及锐化工艺形成AFM探针的针尖，即可得到目标产物。