[发明专利]一种基于(110)单晶硅的微悬臂梁探针制作方法

说明书

技术领域

本发明属于MEMS和测试技术领域，涉及一种微悬臂梁探针的制作方法，适用于原子力显微镜(AFM)探针、高密度存储装置探头以及微纳米加工装置。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种高清晰度表面分析仪，这种表面分析仪器是靠探测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察样品的表面结构。AFM不仅可以观察导体材料的表面形貌，还可以观察非导体材料的表面形貌。因此，它已成为人类观察和研究微观世界的有力工具。传统的AFM主要是激光检测类原子力显微镜。其关键部分是由微悬臂梁及梁端部的探针组成的力传感器，再利用激光束照射微悬臂梁背面，根据激光束的偏转来检测微悬臂梁的运动情况。

商用探针多为金字塔形，2004年，日本的Takayuki Shibata等在文献“Fabrication andcharacterization of diamond AFM probe integrated with PZT thin film sensor andactuator”中提到采用倒模具法制作压电微悬臂梁探针，其探针与微悬臂梁的材料为金刚石，具有较高耐磨度。但该方法制作的探针尖锥度不好，且针尖形状受模具形状的影响，针尖质量较差。2006年，吴辰凯等在文献“AFM氮化硅纳米探针研制”中介绍了一种基于(100)单晶硅的倒金字塔法加工纳米探针，因为倒金字塔结构由四面围成尖点，对掩膜版尺寸及光刻等制作工艺要求很高，稍有偏差就会导致倒金字塔的尖变成短棱，很难加工。2007年，韩国的Hyo-Jin Nam等在文献“Silicon nitride cantilever array integrated with siliconheaters and piezoelectric detectors for probe-based data storage”中介绍了将双面氧化的硅片与双面沉积氮化硅(Si₃N₄)的硅片键合，制作得到氮化硅，再使用这种晶片制作硅探针和PZT压电薄膜。但通过该制作方法得到的针尖和压电薄膜在氮化硅微悬臂梁的同侧，在光刻过程中会导致针尖与掩膜版的干涉问题，工艺复杂，所使用的SOI晶片成本也很高。

微悬臂梁探针主要包括微悬臂梁、梁端部的针尖以及基底三个部分。利用MEMS加工方法制作微悬臂梁探针，工艺复杂，器件的成品率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种微悬臂梁探针的制作方法，基于(110)单晶硅，充分利用(110)单晶硅中各晶向的特点，采用各向异性自停止腐蚀方法，设计巧妙，方法简单易行；通过向三个自对准的{111}晶面孔腔内淀积氮化硅材料，可以得到一个很标准的两面竖直，另一面斜截的微探针结构，并且其端部锥度很好。克服了传统微悬臂梁探针制作工艺中存在的针尖和掩模版的干涉、针尖锥度不易控制等问题，能够制作得到结构简单、价格低廉、可同时用作具有执行能力的微悬臂梁探针。

(110)单晶硅片在添加了无水乙醇的KOH腐蚀液中进行湿法各向异性腐蚀，使用自停止腐蚀技术，可以得到四个与(110)面垂直的晶面，四个与(110)面呈35.26°夹角的晶面。合理设计其掩膜版，将垂直面和倾斜面组合起来，可以得到一个形状很好的孔腔结构，如图1中的A₁B₁C₁E₁、A₂B₂C₂E₂、A₃B₃C₃E₃、A₄B₄C₄E₄。并且腐蚀过程容易控制，不会导致过腐蚀或腐蚀不到位的情况。在图2a中，面ABE和面ACE夹角为70.53°，面ABC即为(110)晶面，E为其端部，在这个四面体中存在两个与(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE为倾斜的(111)晶面或者晶面，倾斜面与(110)面相交的锐角为35.26°。在图2b中，面ABE和面ACE夹角为109.47°，面ABC即为(110)晶面，E为其端部，在这个四面体中存在两个与(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE为倾斜的晶面或者晶面，倾斜面与(110)面相交的锐角为35.26°。

具体工艺步骤如下：

①原始硅片为N型、双面抛光、(110)单晶硅，进行双面热氧化。

②(110)单晶硅片背面处理：背面光刻，形成腐蚀用矩形掩膜窗口，使用干法刻蚀方法形成硅杯。