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CN207396531U - 一种悬臂末端纳米探针 - Google Patents

一种悬臂末端纳米探针 Download PDF

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CN207396531U CN201720217707.7U CN201720217707U CN207396531U CN 207396531 U CN207396531 U CN 207396531U CN 201720217707 U CN201720217707 U CN 201720217707U CN 207396531 U CN207396531 U CN 207396531U
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Abstract

本实用新型公布了一种悬臂末端纳米探针,每个纳米探针在悬臂上一体成型,每个纳米探针包括:与悬臂相距的针尖,在悬臂上一体成型的针头,针头均存在一个或多个侧壁,其中,所述针头的轴纵横比大于所述基座的纵横比。本实用新型通过批量处理的方法在悬臂末端制造各个纳米探针,使得制造出的纳米探针具有相同的特性;在降低了制造成本的同时,可使整个制造过程规模化和可重复化;由于针尖结构处于悬臂的末端,可以非常直接有效的判断针尖所在部位,从而进行快速的扫描测试。

Description

一种悬臂末端纳米探针
技术领域
本实用新型涉及纳米级结构制造领域,尤其涉及一种在悬臂末端纳米探针。
背景技术
随着科技的不断发展,越来越多的产品变得小型化,这使得近几年纳米级器件和结构的需求量不断增长,而如何高效的制作这些纳米级器件和结构依旧很具有挑战性。由于AFM探针广泛运用于高端技术研究、工业研发以及研究型实验室中。为了获得原子或分子级分辨率,AFM探针本身必须具有相应的锐度。纳米级的AFM探针的就是一个典型范例。这里,纳米级探针一般是指某一个结构的尺寸,如宽度、半径、厚度等,更适于纳米级测量。即一般为原子或分子级,且一般范围通常在1纳米到几百纳米之间的探针。而现有的大高宽比的AFM探针其针尖位置取决于针尖在悬臂结构位置,在实际操作过程中无法准确的定位针尖位置,需要寻找针尖位置后才能进行扫描检测,而现有AFM探针针尖均处于悬臂末端前方几十微米位置,在实际操作过程中无法直接有效的判断针尖在悬臂上确切位置,从而需要确认针尖位置后进行有效的扫面,进而增加了扫描检测的时间。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种在悬臂末端纳米探针。
为实现上述目的,本实用新型提供了如下技术方案:一种悬臂末端纳米探针,其特征在于:所述纳米探针形成于悬臂末端,每个纳米探针在所述悬臂末端单独形成,每个纳米探针包括:与所述悬臂相距的针尖的顶端,在所述悬臂上一体成型的AFM探针针尖,其中,所述AFM探针针尖的轴纵横比大于所述悬臂的纵横比。
所述AFM探针针尖至少存在一个侧壁。
所述AFM探针针尖朝着针尖的顶端呈现锥形。
所述AFM探针针尖根据需求具有一定的倾斜角度。
所述AFM探针针尖上的侧壁是由硬质材料层决定。
所述的AFM探针针尖结构在悬臂的末端形成。
本实用新型的有益效果是:本实用新型仅需要以大致相同的方式在悬臂末端制造各个纳米探针,使得制造出的纳米探针具有相同的特性;而且由于该制造过程通过批量处理的方法来形成此类阵列,而不是逐个形成单一的纳米探针,从而在降低了制造成本的同时,可使整个制造过程规模化和可重复化;并且将探针结构处于悬臂的末端,可以非常直接有效的通过AFM仪器自带的光学显微镜成像来判断针尖部位,从而进行快速的精准扫描测试。
附图说明
图1是本实用新型的悬臂末端金字塔形突起的示意图;
图2是本实用新型的AFM探针针尖的结构示意图;
图3是本实用新型的悬臂末端AFM探针针尖的结构示意图;
图4是本实用新型的AFM探针针尖的俯视图;
图5是本实用新型的悬臂末端AFM探针针尖的俯视图;
图6是本实用新型的悬臂末端AFM探针针尖的制作过程;
图中序号说明:1为针尖的顶端、2为AFM探针针尖、3为侧壁、4为悬臂、5为硬质材料层、6为悬臂末端AFM探针针尖。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示,一种悬臂末端纳米探针,其特征在于:所述纳米探针形成于悬臂4末端,每个纳米探针在所述悬臂4末端单独形成,每个纳米探针包括:与所述悬臂4相距的针尖的顶端1,在所述悬臂4上一体成型的AFM探针针尖2,其中,所述AFM探针针尖2的轴纵横比大于所述悬臂4的纵横比。
所述AFM探针针尖2至少存在一个侧壁3。
所述AFM探针针尖2朝着针尖的顶端1呈现锥形。
所述AFM探针针尖2根据需求具有一定的倾斜角度。
所述AFM探针针尖2上的侧壁3是由硬质材料层5决定。
所述AFM探针针尖2结构在悬臂4的末端形成。
如图6所示,一种悬臂末端纳米探针,其制作过程中,具体流程如下:
1、本实用新型在悬臂4上形成具有单一或大量的AFM探针针尖2;
2、选用具有足够高的刻蚀速度选择比(至少1∶10)的材料作为硬质材料层5,硬质材料层5的选择比是相对的,取决于用于刻蚀工艺的气体,悬臂4的材料和掩膜材料;
3、将选取好的一种或多种硬质材料层5通过特定角度(45°-75°或105°-135°)蒸镀覆盖至少一个AFM探针针尖2的侧壁3和针尖的顶端1,并保证相邻的侧壁3不被覆盖;
4、采用干法刻蚀工艺对AFM探针针尖2进行刻蚀,用AFM探针针尖2的侧壁3上覆盖的硬质材料层5作为掩膜,从而在悬臂4的底部末端形成一个悬臂末端AFM探针针尖6;该悬臂末端AFM探针针尖6的横截面形状由侧壁3上的硬质材料层5和离子轰击工艺决定;
5、采用湿法刻蚀工艺去除侧壁3和悬臂4上的硬质材料层5。
以下是对本实用新型的机理的一个或多个特定实施范例进行说明描述。这些示例主要用于解释,而非限制作用。
上述蒸镀工艺可采用任何适当的方法在这些AFM探针针尖2上覆盖硬质材料层5作为掩膜。本文详细说明了两种不同的方法。两种方法可以批量处理,即同时对所有的AFM探针针尖2使用该工艺覆盖硬质材料层5。其中一种覆盖硬质材料层5的方法如下,首先在AFM探针针尖2上覆盖(以同时或批量处理的方式)硬质材料层5。该硬质材料层5的硬质材料可以是铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、铜(Cu)或铝(Al)等金属,也可以是金属氧化物或二氧化硅(SiO2)等非金属。
在本例中,首先在AFM探针针尖2的侧壁3上蒸镀一层(180~280nm)的铝层。蒸镀方法可以是定向也可以是不定向的,其主要取决于蒸镀的工艺,这种硬质材料层5以一定的角度(45°-75°或105°-135°),从悬臂4到针尖的顶端1不止一个侧壁3覆盖硬质材料层5。一般来说,也会在AFM探针针尖2的侧壁3和悬臂4之间的衔接平面上覆盖一层硬质材料层5,这均取决于AFM探针针尖2或者更多的侧壁3覆盖硬质材料层5。
上述干法刻蚀工艺通过对暴露的侧壁3进行批量刻蚀处理,形成一个倾斜的悬臂末端AFM探针针尖6。以采用硅晶圆的氧化物作为悬臂为例,可根据需求采用不同的刻蚀方法进行刻蚀。以氟基气体产生的等离子体如:SF6/C4F8等(均是用于刻蚀硅的常用气体),也可以采用SF6/O2气体,利用低温刻蚀技术(将悬臂冷冻至零下100℃以下)进行刻蚀。同样也可以使用氯基或者溴基气体,如:Cl2、BCl3或Br2等。利用等离子体刻蚀可以容易地刻蚀硅,如反应离子刻蚀(RIE)系统,也可使用电感耦合等离子体(ICP)进行刻蚀。同样,可以使用ICP-RIE方法以各向异性的方式刻蚀硅,可以得到几乎垂直,具有极高纵横比的侧壁。AFM探针针尖2其长度范围内的横截面形状主要有硬质材料层5决定。
示例:用10mT、1200W、ICP和20W RIE功率的C4F8(38scccm)和SF6(22sccm)气体在15℃腔室温度下,利用ICP-RIE系统刻蚀20分钟可在悬臂3末端得到AFM探针针尖2。其刻蚀速度为400纳米/分钟。在这个刻蚀速度和时间下,在悬臂3的末端上形成一个从针尖顶点1到悬臂4底部,半径为10-15纳米,高200纳米的AFM探针针尖2。因此,可以在悬臂上得到单一或整体的AFM针尖结构。我们可以通过刻蚀速度和刻蚀时间来决定AFM探针针尖2的高度。此外,纵横比也可通过调节刻蚀速度和刻蚀时间来决定。在这里“sccm”表示标准立方厘米/分钟,”mT”表示毫托。
对于RIE,刻蚀气体是通过可以蚀刻掩模材料进行选择。例如,可以使用CI2或BCI3蚀刻Al,使用Cl2/O2蚀刻Cr。在ICP-RIE系统中可以通过调节ICP功率来改变刻蚀速度。
例如,在一个具有380-400个AFM探针针尖2制作380-400个AFM针尖的阵列,即密度至少为380个柱/78cm2(约π*52cm2)。
所述湿法刻蚀在刻蚀工艺后,需要除去在侧壁3和悬臂4上的硬质材料层5。通过湿法刻蚀过程去除硬质材料层5,刻蚀材料选择取决于硬质材料层5的性质,例如,以铝作为硬质材料层5可以用氢氟酸(2%)刻蚀2分钟后被去除。
本实用新型的有益效果是:本实用新型仅需要以大致相同的方式在悬臂4末端制造各个纳米探针,使得制造出的纳米探针具有相同的特性;而且由于该制造过程通过批量处理的方法来形成此类阵列,而不是逐个形成单一的纳米探针,从而在降低了制造成本的同时,可使整个制造过程规模化和可重复化;并且将探针结构处于悬臂4的末端,可以非常直接有效的判断针尖部位,从而进行快速的扫描测试。
以上所述使本实用新型专利的优选实施方式,对于本领域的普通技术人员来说不脱离本实用新型专利原理的前提下,还可以做出若干变型和改进,这些也应视为本实用新型专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种悬臂末端纳米探针,其特征在于:所述纳米探针形成于悬臂(4)末端,每个纳米探针在所述悬臂(4)末端上侧面单独形成,每个纳米探针包括:与所述悬臂(4)相距的针尖的顶端(1)、在所述悬臂(4)上一体成型的AFM探针针尖(2),其中,所述AFM探针针尖(2)的轴纵横比大于所述悬臂(4)的纵横比。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂末端纳米探针,其特征在于:所述AFM探针针尖(2)至少存在一个侧壁(3)。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂末端纳米探针,其特征在于:所述AFM探针针尖(2)朝着针尖的顶端(1)呈现锥形。
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