[发明专利]圆片级纳米针尖及其制作方法

说明书

本发明提供一种圆片级纳米针尖及其制作方法，方法包括：刻蚀硅基衬底，得到第一针尖原胚，其中，第一针尖原胚的最细处尺寸为微米或者亚微米尺度；对第一针尖原胚进行第一热氧化，去除第一针尖原胚的表面缺陷，刻蚀第一热氧化后的第一针尖原胚得到第二针尖原胚；对第二针尖原胚进行至少一次第二热氧化，使第二针尖原胚进入自限制热氧化阶段，直到第二针尖原胚的针尖曲率半径达到一临界值，得到圆片级纳米针尖，其中，每次第二热氧化后均对第二针尖原胚进行刻蚀。本发明通过高温热氧化工艺和低温热氧化工艺相结合的方法，先去除纳米针尖原胚的表面缺陷，再对圆片范围内的纳米针尖尺寸进行精确控制，实现了纳米针尖的高成品率规模化制作。

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)制造及工程领域技术领域，尤其涉及一种圆片级纳米针尖及其制作方法。

背景技术

随着材料科学、生物工程、高密度数据存储、纳米技术等领域不断发展，扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等一系列扫描探针显微镜(SPM)相继诞生。人类实现了对导体、半导体及绝缘材料表面的原子级观察。

SPM系统通过检测扫描探针针尖与扫描样品之间的相互作用力成像，其中，扫描探针是SPM系统的核心部件，直接决定成像质量。扫描探针由基座、微悬臂梁和固定在微悬臂梁自由端的纳米针尖组成，其中，纳米针尖为扫描探针的最关键部件。为准确反映样品表面形貌，提高扫描探针显微镜的灵敏度，应保证纳米针尖尽量尖锐。

目前，制备纳米探针的技术多种多样，例如，通过干法刻蚀、湿法腐蚀等微纳加工工艺，可以实现纳米级针尖制作，但是针尖尺度一致性和成品率依然不高，导致制作成本高；通过聚焦离子束刻蚀或碳纳米管(CNT)沉积等工艺只能实现单个纳米针尖的制备，无法实现规模化生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提供一种圆片级纳米针尖及其制作方法，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种圆片级纳米针尖制作方法，包括：刻蚀硅基衬底1，得到第一针尖原胚4，其中，第一针尖原胚4的最细处尺寸为微米或者亚微米尺度；对第一针尖原胚4进行第一热氧化，去除第一针尖原胚4的表面缺陷，刻蚀第一热氧化后的第一针尖原胚4得到第二针尖原胚5；对第二针尖原胚5进行至少一次第二热氧化，使第二针尖原胚5进入自限制热氧化阶段，直到第二针尖原胚5的针尖曲率半径达到一临界值，得到圆片级纳米针尖9，其中，每次第二热氧化后均对第二针尖原胚5进行刻蚀。

可选地，第一热氧化的温度高于或等于第二热氧化的温度。

可选地，在刻蚀硅基衬底1之前，圆片级纳米针尖制作方法还包括：在硅基衬底1上制备掩膜层2，刻蚀掩膜层2形成掩膜图形3和掩膜补偿图形10。

可选地，从圆片的边缘到中心，刻蚀尺寸渐变的掩膜图形3。

可选地，刻蚀掩膜层2形成掩膜补偿图形10包括：获取硅基衬底1不同区域刻蚀速率变化规律，计算刻蚀速率变化规律与刻蚀暴露比的关系，得到圆片不同位置的掩膜补偿图形10的尺寸。

可选地，刻蚀掩膜层2形成掩膜图形3包括：形成圆形、方形或者多边形中任意一种形状的掩膜图形3。

可选地，在硅基衬底1上制备掩膜层2包括：制备光刻胶层，氧化硅层或者氮化硅层中的任意一种。

可选地，第一热氧化的温度范围为1000℃～1200℃，第二热氧化的温度范围为900℃～1100℃。

可选地，刻蚀硅基衬底1，得到第一针尖原胚4包括：通过干法刻蚀或者湿法腐蚀硅基衬底1，得到第一针尖原胚4；刻蚀第一热氧化后的第一针尖原胚4得到第二针尖原胚5包括：通过干法刻蚀或者湿法腐蚀第一针尖原胚4得到第二针尖原胚5。