基于掩膜—无掩膜腐蚀技术的AFM探针制作方法研究

论文摘要

自从20世纪80年代以来，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）已成为表征材料微区表面形貌的有力研究工具。对力敏感的易弯曲的悬臂梁上的针尖对样品表面做光栅式扫描，针尖与样品表面间的相互作用力使悬臂梁产生微小的弯曲，检测这种弯曲信号并用作反馈，可以获得样品表面形貌。由悬臂梁与针尖组成的AFM探针是AFM的关键部件，AFM探针的结构和性能对AFM仪器的性能、分辨率和扫描图像质量有极大的影响。因此AFM探针的制作技术一直是人们研究的重要课题。 AFM探针可通过表面微机械技术和体微机械加工技术来制作。其中采用表面微机械加工技术制作的氮化硅探针具有力弹性系数小，耐磨性好等优点，但其锥角太大，高宽比低，不适合扫描表面具有深沟结构的样品。利用体微机械加工技术制作探针有以下两种方法：干法腐蚀和各向异性湿法腐蚀。其中前者可以实现梁与针尖的一次成型，是目前商用AFM探针的主流制作工艺，但影响腐蚀的因素太多，刻蚀不均匀。各向异性湿法腐蚀工艺制作AFM探针具有工艺简单、腐蚀均匀、成本低廉的优点，但没有实现梁与针尖的一次成型。在光刻悬臂梁时必须在硅片上涂上十几微米到二十多微米厚的光刻胶以保护已制作的针尖。这么厚的光刻胶影响了梁的图形转移精度。为次，本文采用无掩膜各向异性湿法腐蚀技术实现AFM针尖和悬臂梁一次成型。在腐蚀过程中，针尖采用有掩膜腐蚀技术腐蚀，而梁采用无掩膜腐蚀技术腐蚀，当针尖腐蚀完成后，梁的厚度和宽度达到目标值。 经过多次反复实验，采用这种掩膜-无掩膜腐蚀技术成功得到了力弹性系数在0.02-100N／m的AFM硅探针，针尖曲率半径在10-30nm左右。梁厚度在0.3～3μm之间，探针高度6-11μm，成品率达到80％以上，并利用所制作的AFM探针得到了纳米光栅、DNA等样品的高分辨率图像。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 扫描隧道显微镜概述
• 1.1 典型的扫描探针显微镜
• 1.2 扫描探针显微镜的优点及其局限性
• 第二章 AFM工作模式
• 2.1 AFM针尖-样品间的相互作用力
• 2.2 悬臂梁形变的检测方式
• 2.3 接触模式（Contact AFM）
• 2.4 轻敲模式（AM AFM）
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 工作原理
• 2.4.3 轻敲模式的特点
• 2.5 非接触模式（FM AFM）
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 工作原理
• 2.5.3 阻尼和噪声
• 第三章 AFM探针描述
• 3.1 AFM探针的材料与结构
• 3.2 AFM对探针的要求
• 第四章 掩膜—无掩膜腐蚀AFM探针工艺流程
• 4.1 微机械加工技术在AFM探针制作中的应用
• 4.2 利用掩膜—无掩膜腐蚀工艺制作AFM硅探针
• 4.2.1 有掩膜腐蚀针尖
• 4.2.2 无掩膜腐蚀悬臂梁
• 4.2.3 掩膜—无掩膜腐蚀AFM探针工艺流程
• 4.3 研发过程中为提高产品性能和成品率所采取的措施
• 4.4 导电探针制作工艺
• 4.4.1 利用金属镀层实现导电探针
• 4.4.2 重掺杂导电探针
• 第五章 AFM探针扫描实验
• 5.1 AFM探针几何结构和力学特性测试
• 5.2 AFM探针扫描实验
• 建议与展望
• 科研成果及项目资助
• 致谢