[发明专利]用于扫描探针显微镜的微型悬臂梁探针及其制造方法

说明书

悬臂梁探针是由多层结构形成的，多层结构包含上基底、下基底、内层、第一分离层和第二分离层，其中第一分离层位于上基底和内层之间，第二分离层位于下基底和内层之间，以及其中第一和第二分离层相对于第一和第二基底、内层有区别地可蚀刻。上基底是第一器件层，探针针尖从此处形成。内层是第二器件层，悬臂从此处形成。下基底是手柄层，手柄或基部从此处形成。任何一层的造型和蚀刻处理通过分离层与其他层隔离。

本申请为分案申请，母案申请的国家申请号为：201380055701.9(国际申请号为PCT/US2013/056809)、进入中国国家阶段日期为：2015年4月24日(国际申请日为2013年8月27日)，发明名称为：用于扫描探针显微镜的微型悬臂梁探针及其制造方法。

技术领域

本发明总体涉及扫描探针显微镜，并且更具体地涉及微型悬臂梁探针结构以及制造这种微型悬臂梁探针的方法。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)，如原子力显微镜(AFM)，是通常使用尖锐的针尖来表征小至纳米尺寸的样品的表面的仪器。为了本发明的目的使用的术语纳米是指小于一微米的尺寸。SPM监测样品和探针针尖之间的相互作用。通过提供针尖与样品之间的相对扫描运动，可以在样品上的特定位置获得表面特征数据，并且可以生成相应的位置图像。由于其分辨率和多功能性，SPM在许多不同领域是重要的测量设备，包括半导体制造、材料科学、纳米技术以及生物研究。

典型的SPM的探针包括非常小的悬臂梁，该悬臂梁的基部固定到支架(即，手柄)并且具有从相对的自由端延伸的尖锐的探针针尖。使探针针尖非常接近被测样品的表面或与被测样品的表面接触，并且响应于探针针尖与样品的相互作用用极其灵敏的挠曲检测器来测量悬臂梁的挠曲，极其灵敏的挠曲检测器，如在汉斯马等人的美国专利号为RE 34,489的专利中描述的光杠杆系统，或一些其他挠曲检测器，如变形测量器、电容传感器等。探针在表面上使用作用于样品支架、探针或二者的组合的高分辨率三轴扫描仪进行扫描。因此，该仪器能够测量样品的形貌或其他表面性能或纳米力学性能。悬臂梁探针可以由能够测量电性质的导电材料制成。

SPM可以配置用于在多种模式中操作，包括测量、成像或以其他方式检测表面的模式，以及用于测量样品的纳米力学性能的模式。在接触模式操作时，显微镜通常跨过样品的表面扫描针尖，同时保持恒定的探针-样品相互作用力。在操作的振荡模式——有时称为轻敲模式——中振荡SPM的针尖同时在探针的悬臂梁的谐振频率处或接近探针的悬臂梁的谐振频率与样品相互作用。这种振荡的振幅和相位角受探针-样品相互作用的影响，并且振荡的变化被感测。

随着探针在样品的表面上进行扫描，探针定位控制系统监测探针与样品表面的相互作用，例如，悬臂梁的挠曲(在接触模式情况下)、振荡振幅或相位角的变化(在振荡模式情况下)。控制系统调整探针相对于样品的位置(或在振荡模式情况下的平均位置)，以保持恒定的探针-样品相互作用。因此，位置调整追踪样品的形貌。用这种方式，可以存储与位置调整相关的数据，并处理成表征样品的数据。这些数据可以用于构造被检测样品的表面的图像，或对选定的表面特征(例如，特征的高度)做出某些测量。

探针位置调整受由驱动电路驱动的悬臂梁位置驱动器的影响。悬臂梁驱动器的各种技术是已知的，包括压电换能器和磁换能器。驱动电路产生探针位置信号，并放大探针位置信号以产生施加到驱动器的驱动信号。驱动信号不断重新定位探针与样品的间距以跟踪样品表面的任意形貌。因此，驱动信号的带宽为从零赫兹到与SPM的最大操作带宽相关的频率，该最大操作带宽相当于探针可以跟踪样品表面的形貌的最大速度。