專利名稱:一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于MEMS和測試技術領域：
，涉及一種微懸臂梁探針的制作方法，適用于原子力顯微鏡(AFM)探針、高密度存儲裝置探頭以及微納米加工裝置。
背景技術：
原子力顯微鏡(AFM)是一種高清晰度表面分析儀，這種表面分析儀器是靠探測針尖與樣品表面微弱的原子間作用力的變化來觀察樣品的表面結構。AFM不僅可以觀察導體材料的表面形貌，還可以觀察非導體材料的表面形貌。因此，它已成為人類觀察和研究微觀世界的有力工具。傳統(tǒng)的AFM主要是激光檢測類原子力顯微鏡。其關鍵部分是由微懸臂梁及梁端部的探針組成的力傳感器，再利用激光束照射微懸臂梁背面，根據激光束的偏轉來檢測微懸臂梁的運動情況。
商用探針多為金字塔形，2004年，日本的Takayuki Shibata等在文獻 “Fabrication andcharacterization of diamond AFM probe integrated with PZT thinfilm sensor andactuator”中提到采用倒模具法制作壓電微懸臂梁探針,其探針與微懸臂梁的材料為金剛石，具有較高耐磨度。但該方法制作的探針尖錐度不好，且針尖形狀受模具形狀的影響，針尖質量較差。2006年，吳辰凱等在文獻“AFM氮化硅納米探針研制”中介紹了一種基于(100)單晶硅的倒金字塔法加工納米探針，因為倒金字塔結構由四面圍成尖點，對掩膜版尺寸及光刻等制作工藝要求很高，稍有偏差就會導致倒金字塔的尖變成短棱，很難加工。2007 年,韓國的 Hyo-Jin Nam 等在文獻“Silicon nitride cantilever arrayintegrated with siliconheaters and piezoelectric detectors for probe-based datastorage”中介紹了將雙面氧化的硅片與雙面沉積氮化硅(Si3N4)的硅片鍵合，制作得到氮化硅，再使用這種晶片制作硅探針和PZT壓電薄膜。但通過該制作方法得到的針尖和壓電薄膜在氮化硅微懸臂梁的同側，在光刻過程中會導致針尖與掩膜版的干涉問題，工藝復雜，所使用的SOI晶片成本也很高。
微懸臂梁探針主要包括微懸臂梁、梁端部的針尖以及基底三個部分。利用MEMS加工方法制作微懸臂梁探針，工藝復雜，器件的成品率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的技術問題是提供一種微懸臂梁探針的制作方法，基于(110)單晶硅，充分利用(110)單晶硅中各晶向的特點，采用各向異性自停止腐蝕方法，設計巧妙，方法簡單易行；通過向三個自對準的{111}晶面孔腔內淀積氮化硅材料，可以得到一個很標準的兩面豎直，另一面斜截的微探針結構，并且其端部錐度很好。克服了傳統(tǒng)微懸臂梁探針制作工藝中存在的針尖和掩模版的干涉、針尖錐度不易控制等問題，能夠制作得到結構簡單、價格低廉、可同時用作具有執(zhí)行能力的微懸臂梁探針。
(110)單晶硅片在添加了無水乙醇的KOH腐蝕液中進行濕法各向異性腐蝕，使用自停止腐蝕技術，可以得到四個與(110)面垂直的晶面，四個與(110)面呈35. 26°夾角的晶面。合理設計其掩膜版，將垂直面和傾斜面組合起來，可以得到一個形狀很好的孔腔結構，如圖I中的A1B1C1EpA2B2C2Ey A3B3C3E3、A4B4C4E4O并且腐蝕過程容易控制，不會導致過腐蝕或腐蝕不到位的情況。在圖2a中，面ABE和面ACE夾角為70. 53°，面ABC即為(110)晶面，E為其端部，在這個四面體中存在兩個與(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE為傾斜的(111)晶面或者(11 )晶面，傾斜面與(110)面相交的銳角為35. 26°。在圖2b中，面ABE和面ACE夾角為109.47°，面ABC即為(110)晶面，E為其端部，在這個四面體中存在兩個與(110)面垂直的面ABE和ACE，而面BCE為傾斜的(I [1)晶面或者(111 )晶面,傾斜面與
(110)面相交的銳角為35.26°。
具體工藝步驟如下
①原始硅片為N型、雙面拋光、(110)單晶硅，進行雙面熱氧化。
②(110)單晶硅片背面處理背面光刻，形成腐蝕用矩形掩膜窗口，使用干法刻蝕 方法形成硅杯。
③(110)單晶硅孔腔制作工藝正面光刻，使用鉻版做掩膜版，鉻版上圖形保持準確的晶向關系，保證腐蝕探針窗口為三角形，其三角形的位置由鉻版的基準線定位。
在(110)單晶硅上存在面(1 1)和面( 1 )平行，面(1 )和面( 11)平行。面(1 1)和面(1 )的夾角為70. 53°，面( 1 )和面( 11)夾角為70. 53°。面(I I)和面( 11)的夾角為109.47°，面( 1 )和面(1 )夾角為109. 47°?？捎兴慕M組合(1 I)、面(I )和斜面
(111);面(1丨1)、面( 1 )和斜面(111);面( 1 )、面( 11)和斜面(11 );面( 11)、面(1 1)和斜面(1_1_ I)?？扇稳∷慕M晶面中的一種或幾種，其與(110)晶面的交線組成三角圖形的位置，對應為鉻版上的三角形窗口。濕法腐蝕出正面的二氧化硅掩膜圖形后，再用濕法各向異性腐蝕，制作出由{111}晶面組成的孔腔。
④制作氮化硅懸臂梁及氮化硅探針為保證后面的工藝不影響針尖的錐度，利用三層氮化硅膜結構，首先淀積硬氮化硅，再淀積作為懸臂梁主體的氮化硅膜，然后淀積一層較硬氮化硅，選擇適當的工藝實現懸臂梁氮化硅膜熱應力的最佳補償，最后生長成氮化硅薄膜。
⑤加工正面U型溝槽正面光刻，采用U型掩模窗口的掩模版，掩模版圖形具有釋放懸臂梁的溝槽圖形，光刻膠作掩膜，干法刻蝕氮化硅U型溝槽，刻蝕深度為氮化硅薄膜的生長厚度。再正面光刻米用U型掩模窗口的掩模版，光刻膠作掩膜，濕法腐蝕二氧化娃U型溝槽，背面涂膠保護，腐蝕深度為二氧化硅薄膜厚度。
⑥釋放微懸臂梁使用濕法腐蝕(110)單晶硅，直至氮化硅懸臂梁釋放，得到氮化硅材料的探針針尖。
所述的二氧化硅掩膜可用氮化硅掩膜代替。
所述的氮化硅探針的高度是由掩膜版結構圖形中對應三角形部位的窗口面積大小決定的，使用的是單晶硅的各向異性自停止腐蝕方法。
所述的微懸臂和微探針的氮化硅薄膜材料可用金剛石薄膜材料代替。
本發(fā)明的有益效果是
I.在(110)單晶硅基礎上利用單晶硅的各向異性自停止腐蝕方法，即可制作出針尖縱橫比固定的氮化硅探針，可批量生產，成本較低；
2.基于(110)單晶硅做基底的方法，不僅加工工藝步驟少，而且氮化硅微探針具有形狀極其規(guī)范，硬度高和耐磨性好等優(yōu)點，克服了以(100)單晶硅為基底，采用氧化削尖原理制作硅微探針時，需要使用光刻膠保護及二氧化硅作探針掩膜，造成硅微探針的高寬比受到限制的缺陷。
3.該技術采用常規(guī)MEMS加工設備，得到的各晶向表面光滑。通過向KOH溶液中添加無水乙醇的方法，解決了常規(guī)堿溶液腐蝕(110)單晶硅時，所得到的各向異性結構的表面粗糙度很大的問題，可為MEMS結構的制備提供很好的光學表面。


附圖I是(110)單晶硅的所使用晶面的關系圖。
附圖2a和附圖2b是經各向異性腐蝕后的硅尖模型原理圖。附圖3a是熱氧化單晶硅示意圖。
附圖3b是附圖3a的俯視圖。
附圖4a是背面光刻矩形二氧化硅窗口示意圖。
附圖4b是附圖4a的俯視圖。
附圖5a是干法刻蝕單晶硅形成硅杯結構示意圖。
附圖5b是附圖5a的俯視圖。
附圖6a是正面腐蝕形成二氧化硅掩膜示意圖。
附圖6b是附圖6a的俯視圖。
附圖7a是各向異性腐蝕(110)單晶硅形成孔腔的示意圖。
附圖7b是附圖7a的俯視圖。
附圖8a是淀積氮化硅膜示意圖。
附圖8b是附圖8a的俯視圖。
附圖9a是干法刻蝕氮化硅膜示意圖。
附圖9b是附圖9a的俯視圖。
附圖IOa是濕法腐蝕二氧化硅示意圖。
附圖IOb是附圖IOa的俯視圖。
附圖Ila是背面濕法腐蝕單晶硅釋放微懸臂梁示意圖。
附圖Ilb是附圖Ila的俯視圖。
圖中I (110)單晶硅；2正面二氧化硅；2'腐蝕二氧化硅后得到的掩膜；3背面二氧化硅；3'背面硅杯窗口 ；4淀積后形成氮化硅膜；5氮化硅探針針尖；
a硅杯；b孔腔；c干法刻蝕氮化硅U型溝槽；d濕法腐蝕二氧化硅U型溝槽；
在所有的俯視圖中，虛線為理論上與(110)晶面垂直的{111}晶面組合，三角形為加工孔腔圖形的位置。
具體實施方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施。
實施例I
該實施例制作的氮化硅微懸臂梁探針，微懸臂梁的長為450微米，寬為70微米，針尖高度為5微米。采用厚度為310微米、N型(110)雙面拋光單晶硅片為基底制作微懸臂梁探針。
其具體制作工藝流程如下
①常規(guī)熱氧化單晶硅片1，在單晶硅片上形成上表面二氧化硅層2和下表面二氧化硅層3，氧化層的厚度約為I微米，如附圖3a。
②硅片背面處理工藝背面光刻，并使用氫氟酸緩沖液(BHF)腐蝕二氧化硅，制作得到去除二氧化硅的矩形窗口圖形3'，如附圖4a，使硅暴露在外面；使用硅的反應離子刻蝕技術(RIE)刻蝕單晶硅的方法，干法刻蝕矩形窗口:V中的硅基底，刻蝕深度為250 μ m左右，形成娃杯a的側壁垂直于晶面(110),如附圖5a。
③(110)單晶硅孔腔制作工藝正面光刻，背面涂膠保護，光刻之前單晶硅片通干氧處理。使用設計好的鉻版做掩膜版，鉻版上圖形與基準線要保持準確的晶向夾角關系。使用氫氟酸緩沖液(BHF)腐蝕形成二氧化硅掩膜2’，如附圖6a ;使用溫度85°C條件下，40% 的KOH溶液和無水乙醇的混合溶液各向異性腐蝕，制作由{111}晶面組成的孔腔b，如附圖7a。
④制作氮化硅懸臂梁及氮化硅探針為保證后面的工藝不影響針尖的錐度，利用三層氮化硅膜結構，首先低壓化學汽相淀積硬氮化硅，再在較低溫度下用等離子體氣相化學淀積作為懸臂梁主體的氮化硅膜，然后在較高溫度下用等離子體氣相化學淀積一層較硬氮化硅，選擇適當的工藝實現懸臂梁氮化硅膜熱應力的最佳補償，最后生長成氮化硅薄膜4，約I μ m厚，如附圖8a。
⑤加工正面U型溝槽正面光刻，采用U型窗口的掩模版，掩模版圖形具有釋放懸臂梁的窗口圖形，正性光刻膠(比如型號BP212光刻膠)作掩膜，干法刻蝕氮化硅U型溝槽c，刻蝕深度為氮化硅薄膜的生長厚度，如附圖9a。正面光刻采用U型掩模窗口的掩模版，正性光刻膠(比如型號BP212光刻膠)作掩膜，濕法腐蝕二氧化硅U型溝槽d (背面涂膠保護)，腐蝕深度為二氧化硅薄膜厚度，如附圖10a。
⑥釋放微懸臂梁使用添加無水乙醇的KOH溶液濕法腐蝕(110)單晶硅，最終氮化硅懸臂梁得到釋放，得到探針針尖5，如附圖11a。
權利要求
1.一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法，其特征在于以下步驟 ①原始硅片為N型、雙面拋光、(110)單晶硅，進行雙面熱氧化，在兩個表面形成二氧化娃薄膜層； ②(110)單晶硅片背面處理背面光刻，形成腐蝕用矩形掩膜窗口，使用干法刻蝕方法形成娃杯； ③(110)單晶硅孔腔制作工藝正面光刻，使用鉻版做掩膜版，鉻版上圖形保持準確的晶向關系，保證腐蝕探針窗口為三角形，其三角形的位置由鉻版的基準線定位； 在 (110) 單晶 硅上 存在 面 (II I)和面(Iii)平行，面(I i)和面(111)平行；面(I I D和面(ι Γ!)的夾角為70. 53° ,面(i I和面(丨11)夾角為70. 53° ;面(I I)和面(i 11)的夾角為109. 47°，面( I i )和面(I i i )夾角為109· 47° ;有四組組合面(I I I)、面(I i I)和斜面(ill);面( )、面(i )和斜面(Τ Π);面(i )、面 Π 11)和斜面(ιι I)；面(i H)、面( D和斜面( I);任取四組晶面中的一種或幾種，其與(no)晶面的交線組成三角圖形的位置，對應為鉻版上的三角形窗口 ；濕法腐蝕出正面的二氧化硅掩膜圖形后，再用濕法各向異性腐蝕，制作出由{111}晶面組成的孔腔； ④制作氮化硅懸臂梁及氮化硅探針利用三層氮化硅膜結構，首先淀積硬氮化硅，再淀積作為懸臂梁主體的氮化硅膜，然后淀積一層較硬氮化硅，選擇適當的工藝實現懸臂梁氮化硅膜熱應力的最佳補償，最后生長成氮化硅薄膜； ⑤加工正面U型溝槽正面光刻，采用U型掩模窗口的掩模版，掩模版圖形具有釋放懸臂梁的溝槽圖形，光刻膠作掩膜，干法刻蝕氮化硅U型溝槽，刻蝕深度為氮化硅薄膜的生長厚度；再正面光刻米用U型掩模窗口的掩模版,光刻膠作掩膜,濕法腐蝕二氧化娃U型溝槽，背面涂膠保護，腐蝕深度為二氧化硅薄膜厚度； ⑥釋放微懸臂梁使用濕法腐蝕(110)單晶硅，直至氮化硅懸臂梁釋放，得到氮化硅材料的探針針尖。
2.如權利要求
I所述的一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法，其特征在于二氧化硅掩膜用氮化硅掩膜代替。
3.如權利要求
I所述的一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法，其特征在于氮化硅探針的高度是由在(110)單晶硅上腐蝕孔腔時，掩膜版結構圖形中對應三角形部位的窗口面積大小決定的，使用的是單晶硅的各向異性自停止腐蝕方法。
4.如權利要求
I所述的一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法，其特征在于微懸臂梁探針的氮化硅薄膜材料用金剛石薄膜材料代替。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種基于(110)單晶硅的微懸臂梁探針制作方法，屬于MEMS和測試技術領域：
。其特征在于采用基于(110)單晶硅，實現氮化硅微懸臂梁針尖制作的工藝。制作過程中，采用了(110)單晶硅的各向異性腐蝕自停止方法。本發(fā)明的有益效果是采用微機電(MEMS)加工工藝即可完成全部工藝流程，并且克服了普通單晶硅各向異性腐蝕溶液對(110)單晶硅表面粗糙度的影響，對工藝設備要求較低，可以批量生產，降低了產品成本。該方法制成的氮化硅納米探針針尖具有形狀極其規(guī)范，硬度高和耐磨性好等優(yōu)點。該方法制作的微懸臂梁探針可用于原子力顯微鏡(AFM)探針、高密度存儲裝置探頭以及微納米加工裝置。
文檔編號B81C1/00GKCN102279289SQ201110055371
公開日2012年12月26日 申請日期2011年3月9日
發(fā)明者崔巖, 趙林, 王飛, 王立鼎 申請人:大連理工大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (1),