一种侧壁扫描探针及其加工方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术还提供了锥形针尖和硅基箭头式悬臂探针的加工方法。本发明专利技术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。像。像。

【技术实现步骤摘要】
一种侧壁扫描探针及其加工方法


[0001]本专利技术涉及微纳操作
，具体涉及一种侧壁扫描探针及其加工方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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 high resolution sidewall scans[C]International Conference on Manipulation.IEEE,2015)。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]优选的，所述悬臂侧面通过连接件与前端部侧面连接。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]优选的，所述前端部上表面设置有用于定位磁粒球的凹槽。
[0015]优选的，所述悬臂的材料为Si3N4材料；所述悬臂、前端部、针尖结构一体成型；
[0016]所述金属反射层的材料为Au、Cr、Ni、Ag、Al、Pt、Pd中的一种或多种。
[0017]所述的一种侧壁扫描探针的加工方法，包括以下步骤：
[0018]1)清洗硅基底，在硅基底上制作悬臂和前端部底面掩膜，并采用刻蚀的方法转移悬臂和前端部图形；
[0019]2)在前端部图形上，采用光刻制作针尖结构掩膜，并采用深刻蚀的方法转移针尖结构图形；
[0020]3)在步骤2)的针尖结构图形上，采用光刻制作内侧保护层；
[0021]4)以内侧保护层为掩膜，采用腐蚀的方法制作锥形针尖；
[0022]5)采用局部湿法氧化制作多晶硅氧化层作为悬臂底层材料；
[0023]6)通过光刻图形化悬臂图形并刻蚀完成图形转移，采用等离子体增强化学气相沉积方法生成悬臂主体Si3N4层；
[0024]7)采用光刻图形化金属反射层区域，通过电子束蒸发蒸镀Cr/Au反射层，制得金属反射层；
[0025]8)采用光刻图形化磁粒球区域，电子束蒸镀磁性材料，随后对磁性材料进行快速热退火处理形成磁粒球；
[0026]9)腐蚀硅基底，完成侧壁扫描探针的释放，制得侧壁扫描探针。
[0027]相对于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0028](1)本专利技术侧壁扫描探针是在普通硅片上进行图形转移，与现有工艺兼容，不需要FIB等其他工艺，有效降低生产成本和工艺复杂度，提高探针生产效率和工艺可靠性。
[0029](2)本专利技术侧壁扫描探针箭头式前端，遮挡面积小，使视场追踪和定位更加精确和方便。
[0030](3)本专利技术侧壁扫描探针悬臂薄壁连接和磁力球的设计使箭头式前端能实现侧壁扫描成像，悬垂式锥形针尖在针尖偏转时能有效保护待测样品。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例侧壁扫描探针的结构示意图；
[0032]图2A为本专利技术实施例刻蚀薄硅基示意图；
[0033]图2B为本专利技术实施例光刻图形化悬垂棱柱示意图；
[0034]图2C为本专利技术实施例制作锥形针尖的过程示意图；
[0035]图2D为本专利技术实施例腐蚀的锥形针尖示意图；
[0036]图2E为本专利技术实施例多晶硅氧化层示意图；
[0037]图2F为本专利技术实施例侧壁扫描探针图形的转移示意图；
[0038]图2G为本专利技术实施例制得的磁粒球结构示意图；
[0039]图2H为本专利技术实施例制得的侧壁扫描探针结构示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例侧壁扫描探针的扫描模式示意图。
具体实施方式
[0041]为表达的更简洁清晰，在下列描述当中，不详细描述公知的功能和结构，以凸显本专利技术的优势和特征。为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0042]实施例1
[0043]如图1所示，本实施例提供一种侧壁扫描探针，包括悬臂1、磁粒球4和锥形针尖7。
[0044]所述悬臂1的前端5呈三角箭头形，箭头形前端通过薄壁部分3(连接件)和悬臂1连接，悬臂1上表面设置有金属反射层2。所述磁粒球4呈球形，设置于箭头式前端5上部。所述锥形针尖7设置于箭头式前端5下部，且所述锥形针尖通过细长棱柱3和棱台连接，所述棱台和箭头式前端5相连。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧壁扫描探针，其特征在于：包括悬臂(1)以及与悬臂(1)连接的前端部(5)；所述悬臂(1)上表面设置有金属反射层(2)；所述前端部(5)上表面设有磁粒球(4)，前端部(5)下表面设有针尖结构(7)。2.根据权利要求1所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：所述针尖结构(7)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(5)连接的棱台，所述锥形针尖通过连接件与棱台连接。3.根据权利要求2所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：所述悬臂(1)侧面通过连接件与前端部(5)侧面连接。5.根据权利要求4所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：与前端部(5)连接的连接件为呈长方体状的薄壁(3)，宽度为0.5～1μm，长度为8～15μm。6.根据权利要求1所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：所述悬臂(1)呈扁平长方体状，所述悬臂长度150～200μm，宽度30～60μm，厚度1～3μm。7.根据权利要求1所述的一种侧壁扫描探针，其特征在于：前端部(5)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。8.根据权利要求1～7任一项所述的一种侧壁扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，杨倬波，李凯，冯柯，李海，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：