[发明专利]悬臂梁及其制造方法

说明书

本发明提供一种悬臂梁及其制造方法。本发明的悬臂梁包括沿第一方向(y)延伸的主体和一体地形成于所述主体的所述第一方向的一端的固定端部，该固定端部沿着与所述第一方向大致垂直的第二方向(x)延伸，所述悬臂梁包括沿所述第二方向延伸的纳米微桥，所述悬臂梁的主体通过所述纳米微桥与所述固定端部连接。本发明的制造方法利用聚焦离子束刻蚀技术，对已有的悬臂梁母体进行刻蚀加工来形成本发明的悬臂梁。本发明的悬臂梁的弹性系数相比于现有的悬臂梁大大降低，能够用于极灵敏力探测实验。

技术领域

本发明属于灵敏力探测研究领域，具体涉及低弹性系数悬臂梁的结构以及制造方法。

背景技术

微纳米尺寸悬臂梁的厚度一般小于1微米，长度是几十到几百微米，宽是几十微米。该悬臂梁具有极低的弹性系数，对力的响应极其灵敏，可以应用于各种力的探测，如磁扭矩的力，卡斯米尔力，磁共振力等。基于悬臂梁力探测的灵敏度主要是取决于悬臂梁的弹性系数和Q值，以及悬臂梁位移测量方法。

现有的弯曲式悬臂梁，其结构如图1所示，包括沿第一方向y延伸的主体100，和一体地形成于所述主体的所述第一方向的一端的固定端部200，该固定端部沿着与所述第一方向大致垂直的第二方向x延伸，使整个悬臂梁成为大致T形，主体具有大致一定的宽度和厚度。该类型悬臂梁的弹性系数与主体的长度的一次方成反比，与主体的厚度的三次方成正比。

目前，用于灵敏力探测所需的悬臂梁是通过一系列微加工工艺制备而成。通常是从SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)基片开始，经过数次的光刻，湿法刻蚀和干法刻蚀，最终得到悬臂梁。通过微加工工艺的摸索，可制备出厚度低至100nm的悬臂梁，它的弹性系数可以达到6μN/m[Appl.Phys.Lett.71,288(1997)]。

发明内容

本发明要解决的技术问题

虽然目前有许多可以买到的悬臂梁产品，但是可以真正适合用来做灵敏力探测的并不多。现有的弯曲式悬臂梁因其结构和制备工艺等方面的原因，想要获得超低弹性系数的悬臂梁绝非易事，经过繁琐的制备工艺摸索，才能制备出100nm厚的悬臂梁，而且很难进一步降低其弹性系数。

具体而言，现有的悬臂梁是弯曲式，该类型悬臂梁的弹性系数与它的长度的一次方成反比，与它厚度的三次方成正比。如果想要降低悬臂梁的弹性系数需要更薄的结构。聚焦离子束刻蚀技术操作简便，上手快，利用它也能制备出厚度100nm甚至更薄的结构，然而聚焦离子束刻蚀技术并不适用于在图1所示的z方向上减薄弯曲式的悬臂梁。原因一，聚焦离子束刻蚀技术是将离子(如镓离子)加速，然后经过磁透镜聚焦进行刻蚀，在焦点处能形成小于10nm的光斑，但是离焦点越远处，光斑面积也越大。在切削减薄样品时，如果沿聚焦离子束出射方向需要刻蚀距离过长，由于入射方向光斑的大小不一致，会使加工样品出现厚度不均匀的现象。而弯曲式悬臂梁的长度至少也有几十μm，宽度也需要有5μm，要使这样面积的悬臂梁加工到小于300nm的厚度，应用聚焦离子束刻蚀是几乎不可能的。原因二，应用离子束刻蚀减薄样品时，样品需要有很好的固定。而悬臂梁一端固定，另一端悬空，在用离子轰击悬臂梁时非常容易引起悬臂梁的振动，所带来的后果是减薄不均匀，甚至破坏原有结构。另一方面，在力探测实验中，根据所测力的大小需要不同弹性系数的悬臂梁，这就像通常的测量仪器有量程一样，而购买的悬臂梁通常是一批只有相同的弹性系数，这样就无法调整量程。例如，动态磁扭矩测量中，每次测试的样品的磁性都不相同，如果悬臂梁弹性系数较小而测试样品磁性较强，悬臂梁会发生弯曲，严重时导致测量失效。所以对于不同磁性和体积的样品应当选择合适弹性系数的悬臂梁。

另外，例如适用于AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)实验的悬臂梁，在悬臂梁的自由端一般都有镀金层，而在磁扭矩测试样品磁性时，当悬臂梁振动时，所施加的强磁场会在悬臂梁的镀金层形成电流的涡流，使悬臂梁Q值随外磁场增加快速下降，降低测量灵敏度，通常磁场到1特斯拉以上时已无法进行测量。