[发明专利]一种制备碳化硅微纳米针尖的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传统微加工工艺，特别涉及制备微纳米碳化硅针尖的加工技术。

背景技术

随着微纳米技术的日益发展，对相关的测试设备，如扫描探针显微镜和原子力显微镜的精度要求也越来越高。在这些设备中，测试探针毫无疑问是非常重要的一部分，探针针尖越细，测量精度越高。如何加工尖细，同时又耐磨，不易断的针尖，是一项重要技术。目前常用的针尖主要是用硅来制备的(T.S.Ralli and R.8.Marcus，Oxidation sharpening of silicon tips，J.Vac.Sci.Technol.B 9(6)，1991，pp.2733-2737；Marcus，R.B.，Ravi，T.S.，Gmitter，T.，Chin，K.，Liu，D.，Orvis，W.J.，Ciarlo，D.R.，Hunt，C.E.，Trujillo，J.，Formation of silicon tips with＜1nm radius，Appl.Phys.Lett.56(3)，1989，pp.236-238；Randal J.Grow，Stephen C.Minne，Scott R.Manalis，Calvin F.Quate，Silicon Nitride CantileversWith Oxidation-Sharpened Silicon Tips for Atomic Force Microscopy，JMEMS，2002，vol.11，pp.317-321.)。但硅针尖的机械性能，如硬度、断裂强度等都不够理想。而有着类金刚石之称的碳化硅，具有优异的电学、热学、化学和力学性能，其制备的器件或结构可以很好的工作于极端恶劣环境，如强腐蚀性、高温、高电压、高压力等。因此，将用碳化硅材料制备出的微纳米针尖将是十分理想的。不过，正是由于碳化硅材料优异的化学和力学性能，使得对它的加工，包括湿法腐蚀、刻蚀等很困难，因此，用碳化硅材料加工针尖存在着工艺上的挑战。此前，一部分研究者采用了化学合成(Andreas Mavrandonakis，George E.Froudakis，Antonis Andriotis，Madhu Menon，Silicon carbide nanotube tips：Promising materials for atomic force microscopy and/or scanning tunneling microscopy，Applied Physics Letters，2006，pp.)、对硅针尖离子注入(Mark A Lantz，Bemd Gotsmann，Papot Jaroenapibal，Tevis D.B.Jacobs，Sean D.O’Connor，Kumar Sridharan，and Robert W.Carpick)的方法来制备碳化硅针尖，其加工手段复杂，非传统微加工工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用传统微加工工艺，即光刻、湿法腐蚀、化学气相淀积、键合等传统工艺，制备碳化硅微纳米针尖的方法。

为了实现上述目的，本发明用标准半导体工艺中的光刻和湿法腐蚀在Si片的正面制得倒金字塔结构的凹陷，然后利用传统淀积设备在该面生长出SiC薄膜，并开窗口定义出SiC针尖和悬臂梁结构；同时用光刻和湿法腐蚀(或干法刻蚀)在玻璃片的正面制作出槽结构；利用键合设备将硅片和玻璃片的图形面键合在一起；最后腐蚀去除Si衬底，释放出SiC针尖和悬臂梁结构，从而制得碳化硅微纳米针尖。

具体的，本发明所提供的碳化硅微纳米针尖制备方法是一种模版制作方法，包括以下步骤：

a、在一硅片的正面通过光刻和湿法腐蚀制作出倒金字塔结构的凹陷作为针尖的模版；

b、在步骤a所得硅片的正面淀积碳化硅薄膜；

c、通过光刻和刻蚀碳化硅薄膜形成窗口，定义出碳化硅针尖和连接针尖的悬臂梁结构的形状；

d、在一玻璃片的正面通过光刻并腐蚀或刻蚀制作凹槽；

e、将玻璃片的凹槽对准硅片上的碳化硅针尖和悬臂梁结构，通过阳极键合使硅片和玻璃片键合在一起；

f、将步骤e获得的键合片通过湿法腐蚀去除Si，释放出针尖和悬臂梁结构，至此，就完成了碳化硅微纳米针尖的加工。

上述步骤a通过湿法腐蚀Si制作倒金字塔结构的凹陷，其中所用腐蚀液优选为质量浓度为20～40％的氢氧化钾溶液，腐蚀时间5～500分钟(由所需针尖的高度决定)。