專利名稱:一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，及其制備方法。
技術(shù)背景
掃描隧道顯微鏡(簡(jiǎn)稱STM)作為新型的表面分析儀器，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地 觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)，在表面科 學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景。為此，它的發(fā)明者 Bining和Rohrer榮獲了 1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
STM的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將具有原子線度的極細(xì)探針和被 研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與探針針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于Inm)，在 外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一極而形成隧道電流。這種現(xiàn) 象即是隧道效應(yīng)。隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距離非常敏感，它隨著探針接近表 面而迅速增加，探針每靠近0. lnm，電流會(huì)增加約10倍。因此，利用電子反饋線路控制隧道 電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖對(duì)樣品的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低 的變化就反映出了樣品的表面的起伏。將探針在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌道記錄下來，就 得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖像，這種工作方式稱為恒流模式。如果樣品 表面的起伏不大，還可以使探針在垂直方向上位置固定，通過掃描隧道的電流變化信號(hào)來 成像，這種工作方式稱為恒高模式。
隧道探針是STM技術(shù)中主要的技術(shù)問題之一，探針針尖的大小、形狀和化學(xué)同一 性不僅影響著圖象的分辯率和圖象的形狀，而且也影響著測(cè)定的電子態(tài)。如果針尖的最前 端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會(huì)很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子 級(jí)分辨率的圖象。針尖的化學(xué)同一性程度高，就不會(huì)涉及系列勢(shì)壘。
現(xiàn)有的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針通常是直徑小于Imm的細(xì)金屬絲，如鎢 絲、鉬-銥絲等。
鎢絲作為探針能夠滿足STM儀器剛性的要求，因而被廣泛地使用。一般對(duì)鎢絲采 用電化學(xué)腐蝕法制備隧道探針。這樣得到的鎢針尖容易形成表面氧化物。如果針尖表面如 有氧化層，其電阻可能會(huì)高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致在針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之 前，二者就發(fā)生碰撞，最終導(dǎo)致該隧道探針不能被重復(fù)與長(zhǎng)期使用。
在鉬中加入少量銥(例如比例80% 20% )形成的鉬-銥合金絲，既保留了鉬材 料不易被氧化的特性，還增強(qiáng)了剛性，但是這種探針的成本比鎢絲要高得多。一般對(duì)鉬_銥 合金絲采用剪切法制備隧道探針，即從中間剪切開來。這種方得到的隧道探針的針尖過粗， 一般為亞微米尺寸，至多能達(dá)到50納米左右，很難進(jìn)一步得到更為細(xì)小，如幾個(gè)納米，甚至 幾個(gè)埃的針尖，從而影響其分辨率。
另外，無論上述哪種方法制出的針尖，均會(huì)引入雜質(zhì)，使得探針的化學(xué)組分復(fù)雜， 通過表面化學(xué)組成的分析，可以看出探針的表面都有幾個(gè)納米厚的碳層，而碳層的存在會(huì) 導(dǎo)致隧道電流不穩(wěn)，噪音大，STM圖像不可預(yù)期等一系列問題。[0009]用于自旋極化的隧道探針通常是通過在鉬針尖上沉積磁性金屬的方法制得。但是 這種制備方法難度很大，當(dāng)表面沉積的磁性金屬層過薄，則很難形成好的磁疇，過厚則針尖 過粗，從而極大的影響分辨率，利用這種方法幾乎不能得到分辨率很高的STM圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)制備的隧道探針針尖過粗，針尖表面的化學(xué)組分 復(fù)雜，使得分辨率低、不可重復(fù)與長(zhǎng)期使用的缺陷，從而提供一種針尖較細(xì)、不含雜質(zhì)、針尖 表面不易產(chǎn)生碳層和氧化物層、且分辨率高的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針。
本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有的隧道探針制備工藝難度大，很難得到高分辨率 的隧道探針的缺陷，從而提供一種簡(jiǎn)單方便、成品率高的、且特別適合于制備自旋極化的隧 道探針的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，如圖2所示，包括 如下的步驟
1)在Si襯底1兩側(cè)利用化學(xué)氣相沉積的方法各制備一絕緣層薄膜2，然后利用紫 外光刻的方法在其一側(cè)開一個(gè)0.2X0. 2平方毫米的窗口，利用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法除去 窗口內(nèi)的絕緣層薄膜；然后把該樣品放入65°C、4mol/L的KOH溶液中進(jìn)行蝕刻，由于KOH溶 液刻蝕Si的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其刻蝕絕緣層薄膜的速率，因此將Si襯底中央部分刻蝕，露出 另一側(cè)的絕緣層薄膜；
所述的絕緣層薄膜為Si，SiO2, SiN,電子束曝光用抗蝕劑，紫外光刻用光刻膠，或 LB膜(Langmuir Blodgett film)組成的膜層，其厚度為10 500納米；
所述的電子束曝光用抗蝕劑為正性抗蝕劑(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)MMA)或 負(fù)性化學(xué)放大抗蝕劑(如S-601，NEB22，UV2，UV3(商用型Shipley company))；
所述的紫外光刻用光刻膠為環(huán)氧基紫外負(fù)性光刻膠，聚硅烷，高支化堿性丙烯酸 化聚酯，聚乙烯醇肉桂酸酯或光敏聚酰亞胺；
所述的LB膜為聚苯乙烯LB膜，聚乙烯醇LB膜，聚對(duì)苯撐乙烯撐LB膜，聚苯胺LB 膜，熱解聚酰亞胺LB膜或硬脂酸錳LB膜；
2)在步驟1)得到的Si襯底的另一側(cè)的絕緣層薄膜上，使用聚焦離子束刻蝕 (FIB)方法，電子束曝光(EBL)結(jié)合離子刻蝕(IE)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法，或納米壓 印的方法，制備出倒圓臺(tái)形的孔洞3，所述的倒圓臺(tái)形的孔洞上表面的直徑為3 100納米， 下表面的直徑為0. 3 50納米，其上表面與下表面的直徑相差很大，已近似為倒圓錐形，其 剖面圖如圖3中的掃描電子顯微鏡(SEM)照片所示；
所述的聚焦離子束刻蝕方法是采用聚焦離子束系統(tǒng)，例如美國(guó)FEI公司235雙電 子束聚焦離子束系統(tǒng)，離子束流采用10PA，離子束點(diǎn)停留時(shí)間為30微秒，離子束步長(zhǎng)為5納 米，離子束發(fā)射電流為2. 2微安，離子束刻蝕絕緣層薄膜(如SiN)的時(shí)間為0.1 0.5秒， 視絕緣層的厚度以及需要的孔洞直徑而定，比如離子束刻蝕100納米厚的氮化硅薄膜0. 3 秒，可以在氮化硅薄膜上得到上表面直徑為30納米，下表面直徑為3納米的孔洞；
所述的電子束曝光(EBL)結(jié)合離子刻蝕(IE)或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法的具 體步驟如下(1)在玻璃片或者硅片上涂上300納米厚的電子束曝光用抗蝕劑，在180°C熱板上烘烤60秒；(2)進(jìn)行電子束曝光采用電子束曝光系統(tǒng)，例如采用德國(guó)Raith公司的 150型電子束曝光系統(tǒng)，電子束高壓為10千伏，光纜孔徑采用30微米，曝光劑量為60mJ/ cm2 ； (3)顯影顯影20秒，定影20秒；(4)刻蝕采用氬離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕；
所述的納米壓印的方法的具體步驟如下(1)用勻膠機(jī)以3000rpm的轉(zhuǎn)速在Si襯 底上涂上一層絕緣層薄膜(如PMMA)，在180°C熱板上烘烤1分鐘；(2)在140 180°C加 熱處理絕緣層薄膜襯底，使得絕緣層薄膜軟化，利用原子力顯微鏡(AFM)的探針、隧道掃描 顯微鏡的探針、或者具有極細(xì)針尖(針尖直徑為10 50nm)的壓印磨具進(jìn)行壓?。惶结樝?降和上升的速度為 2nm/s，壓力為 600 1900psi (lpound per squareinch = 6894. 75729 帕斯卡)；根據(jù)不同的壓印設(shè)備會(huì)采用不同的壓力，一般采用如下方法決定壓力首先在Si 襯底上制備絕緣層薄膜，然后進(jìn)行壓印，并記錄樣品表面壓力的變化，當(dāng)針尖碰到Si襯底 時(shí)壓力會(huì)突然增加，本方法需在壓力突然增大以前抬起針尖，并不要求針尖刺透絕緣薄膜； (3)壓印完成后采用氬離子刻蝕的方法刻蝕30秒，或者采用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法刻蝕10 秒；
3)使用常規(guī)方法在步驟2)制得的具有倒圓臺(tái)形的孔洞3的絕緣層薄膜2上和Si 襯底的中央部分沉積導(dǎo)電材料，直至其中充滿所述的導(dǎo)電材料，所述在具有倒圓臺(tái)形孔洞3 的絕緣層薄膜上沉積的導(dǎo)電材料所構(gòu)成的導(dǎo)電層5的厚度為50 1000，即得到用于掃描隧 道顯微鏡的隧道探針，該隧道探針可直接使用。
所述的常規(guī)方法包括分子束外延方法，磁控濺射方法，電子束蒸發(fā)，激光脈沖沉 積法，化學(xué)氣相沉積法，電鍍法，或電化學(xué)沉積法；
所述的導(dǎo)電材料為非磁性金屬材料、鐵磁性材料、半金屬磁性材料、磁性半導(dǎo)體材 料、非磁性半導(dǎo)體材料。
所述的非磁性金屬材料為W、Pt、Ir、Au、Ag、Cu、Ru、Al、Cr及其合金。
所述的鐵磁性材料為Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性金屬，Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy等稀 土金屬，Co-Fe合金、Co-Fe-B合金、Nd-Fe-B合金、Ni-Fe合金、Gd-Y合金等鐵磁性合金。
所述的半金屬磁性材料為Fe3O4、CrO2, La1^xSrxMnO3 (0. 16 < χ < 1. 0)、 La1^yCayMnO3 (0. 18 < y < 0. 5) ,Pr1^zSrzMnO3 (0. 3 < ζ < 1. 0)或 Co2MnSi 等 Heussler 合金。
所述的磁性半導(dǎo)體材料為摻雜Fe、Co、Ni、V或Mn的ΖηΟ、摻雜Fe、Co、Ni、V或Mn 的 TiO2、摻雜 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 HfO2、摻雜 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 SnO2、摻雜 Mn 的 GaAs, 摻雜Mn的InAs、摻雜Mn的GaN或摻雜Mn的ZnTe。
所述的半導(dǎo)體為Si、Ga、GaN, GaAs, Ga-Al-As、In-Ga-As 或 InAs。
使用上述方法得到的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，如圖1所示，包括一硅襯 底1和其兩側(cè)的絕緣層薄膜2，在Si襯底1和其一側(cè)的絕緣層薄膜中間開有一個(gè)0. 2X0. 2 平方毫米的窗口 ；在Si襯底另一側(cè)的絕緣層薄膜上有一倒圓臺(tái)形的孔洞，在此孔洞中充滿 了導(dǎo)電材料，其上的Si襯底的窗口中充滿了相同的導(dǎo)電材料5 ；所述的絕緣層薄膜為Si， SiO2, SiN，電子束曝光用抗蝕劑，紫外光刻用光刻膠，或LB膜(LangmuirBlodgett film)組 成的膜層，其厚度為10 500納米；所述的倒圓臺(tái)形的孔洞上表面的直徑為3 100納 米，下表面的直徑為0. 3 50納米。
本發(fā)明提供的上述用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，還包括步驟4)
4)把步驟3)制備好的樣品放入丙酮中浸泡，直至絕緣層薄膜和位于其上孔洞中的倒圓臺(tái)形的導(dǎo)電材料分離，Si襯底也隨著絕緣層脫落，用去離子水清洗保留在倒圓臺(tái)形 孔洞里的導(dǎo)電材料，即得到本發(fā)明另一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，該倒圓臺(tái)形的 導(dǎo)電材料可裝在掃描隧道顯微鏡的針尖上使用。
使用上述方法得到的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，其特征在于所述的隧道 探針由導(dǎo)電材料組成，針尖直徑為0. 3 50納米。
使用本發(fā)明提供的方法制備用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，其優(yōu)點(diǎn)在于
1、利用預(yù)先打孔再沉積的方法，并通過控制聚焦離子束刻蝕(FIB)，電子束曝光 (EBL)，離子刻蝕(IE)，或反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法的工藝參數(shù)，可以得到針尖直徑為納 米水平的細(xì)小的探針，提高了分辨率；
2、本發(fā)明避開了常規(guī)的化學(xué)腐蝕的方法，不會(huì)引入雜質(zhì)、針尖表面不易產(chǎn)生碳層 和氧化物層，保證了探針針尖化學(xué)組分的單一；
3、制得的探針不局限于常規(guī)的鎢絲、鉬-銥絲等細(xì)金屬絲，可根據(jù)需要，得到各種 導(dǎo)電材料制得的針尖；
4、利用本發(fā)明提供的方法可以制備出單晶的隧道針尖；本方法也可以制備單晶的 鐵磁性隧道針尖。
5、利用本方法可以制備自旋極化率為100%的半金屬(如CrO2)自旋極化隧道針 尖，而由于CrO2本身很脆，利用常規(guī)的方法無法得到很好隧道針尖。


圖1是本發(fā)明提供的一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的示意圖；
圖2是本發(fā)明提供的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法的示意圖；
圖3是制備好孔洞的絕緣層薄膜的剖面圖(SEM)；
其中，ISi襯底，2絕緣層薄膜，3孔洞，5導(dǎo)電層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明
實(shí)施例1、制備高分辨率的金屬W隧道探針
在Si (100)襯底1的兩側(cè)利用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法各制備100納米厚的 SiN薄膜2，然后利用紫外光刻的方法在其一側(cè)開一個(gè)0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，利用化學(xué) 反應(yīng)刻蝕的方法除去窗口內(nèi)的SiN薄膜。把樣品放入65°C、4M的KOH溶液中進(jìn)行蝕刻。由 于KOH溶液刻蝕Si的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其刻蝕SiN的速率，因此得到如圖2中所示的，在Si襯 底一側(cè)為刻蝕了窗口的SiN薄膜，在Si襯底中央也有一個(gè)0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，兩側(cè) 的Si襯底起到支撐另一側(cè)SiN薄膜的作用，以保證其窗口處的SiN薄膜不破裂，同時(shí)方便 樣品的加工。
使用聚焦離子束(FIB)刻蝕方法，在IOOnm厚的SiN薄膜(絕緣層)上，制備出上 表面直徑為10納米、下表面直徑為0. 5納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，刻蝕條件如下離子加速電 壓30KV，離子束流采用10PA.，離子點(diǎn)停留時(shí)間30 μ s，離子束最小步長(zhǎng)5nm，離子束發(fā)射電 流22 μ Α,樣品室真空度3X 10_5Pa，刻蝕時(shí)間0. 1秒，即可在SiN絕緣層上得到上表面直徑 為10納米、下表面直徑為0. 5納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，其剖面圖如圖3所示。
7[0049]然后使用磁控濺射方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的SiN襯底上沉積非鐵磁性金 屬材料W，沉積條件為系統(tǒng)真空3X 10_7帕，濺射功率120瓦，氣體壓強(qiáng)0. 07帕；沉積時(shí)間 由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 W，以及在SiN襯底上沉積 了 300納米厚的金屬W，如圖1所示。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉SiN 絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里W來作為針尖使用。
實(shí)施例2、制備高分辨率的鐵磁性金屬Co自旋極化隧道探針
使用聚焦離子束(FIB)刻蝕方法，在實(shí)施例1所述的IOOnm厚的SiN絕緣層上，制 備出上表面直徑為40納米、下表面直徑為3納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，刻蝕條件如下離子加 速電壓30KV，離子束流采用10PA，離子點(diǎn)停留時(shí)間30 μ s，離子束最小步長(zhǎng)5nm，離子束發(fā)射 電流22 μ Α，樣品室真空度3Χ 10_5Pa，刻蝕時(shí)間0. 3秒，即可在SiN絕緣層上得到上表面直 徑為40納米、下表面直徑為3納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用分子束外延方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的SiN襯底上沉積鐵磁性金 屬Co，沉積條件為系統(tǒng)真空3 X 10,帕，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在 倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 Co，以及在SiN襯底上沉積了 100納米厚的Co。該隧道探針可根 據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉SiN絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里Co來作為針尖使用。
實(shí)施例3、制備高分辨率的半金屬CrO2高自旋極化隧道探針
使用聚焦離子束(FIB)刻蝕方法，在實(shí)施例1所述的IOOnm厚的SiN絕緣層上，制 備出上表面直徑為20納米、下表面直徑為1納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，刻蝕條件如下離子加 速電壓30KV，離子束流采用10PA，離子點(diǎn)停留時(shí)間30 μ s，離子束最小步長(zhǎng)5nm，離子束發(fā)射 電流22 μ Α，樣品室真空度3Χ 10_5Pa，刻蝕時(shí)間0. 2秒，即可在SiN絕緣層上得到上表面直 徑為20納米、下表面直徑為1納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用激光脈沖沉積方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的SiN襯底上沉積半金 屬CrO2,沉積條件為系統(tǒng)真空5 X 10_6帕，激光頻率10赫茲，氮?dú)饬髁?5sCCm，襯底加熱 800°C，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 CrO2,以 及在SiN襯底上沉積了 100納米厚的Cr02。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去 掉SiN絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里CrO2來作為針尖使用。實(shí)施例4、制備高分辨率的 Pt80Ir20合金隧道探針
在Si (100)襯底上兩側(cè)利用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法各制備100納米厚的SiO2 薄膜，然后利用紫外光刻的方法在其一側(cè)開一個(gè)0. 2X0.2平方毫米的窗口，利用化學(xué)反應(yīng) 刻蝕的方法除去窗口內(nèi)的SiO2薄膜。把樣品放入65°C、4M的KOH溶液中進(jìn)行蝕刻。由于 KOH溶液刻蝕Si的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其刻蝕SiO2的速率，因此得到如圖2中所示的，在Si襯底 一側(cè)為刻蝕了窗口的SiO2薄膜，在Si襯底中央也有一個(gè)0. 2 X 0. 2平方毫米的窗口，兩側(cè)的 Si襯底起到支撐另一側(cè)SiO2薄膜的作用，以保證其窗口處的SiO2薄膜不破裂，同時(shí)方便樣 品的加工。
使用聚焦離子束(FIB)刻蝕方法，在IOOnm厚的SiO2絕緣層上，制備出上表面直 徑為30納米、下表面直徑為2納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，刻蝕條件如下離子加速電壓30KV， 離子束流采用10PA.，離子點(diǎn)停留時(shí)間30 μ s，離子束最小步長(zhǎng)5nm，離子束發(fā)射電流22 μ A, 樣品室真空度3X 10_5Pa，刻蝕時(shí)間0. 25秒，即可在SiO2絕緣層上得到上表面直徑為30納 米、下表面直徑為2納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。[0058]然后使用電子束蒸發(fā)方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的SiO2襯底上沉積非鐵磁性 金屬材料Pt8tlIr2tl合金，沉積條件為系統(tǒng)真空1X10_5帕，電流5A，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè) 備的濺射速率決定，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 Pt8tlIr2tl合金，以及在SiO2襯底上沉積了 200納米厚的Pt8tlIr2tl合金層。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉SiO2絕緣層 后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里Pt8tlIr2tl合金來作為針尖使用。
實(shí)施例5、制備高分辨率的金屬W隧道探針
使用電子束曝光(EBL)結(jié)合離子刻蝕(IE)的方法，在300nm厚的PMMA (聚甲基丙 烯酸甲酯)絕緣層上，制備出上表面直徑為40納米、下表面直徑為10納米的倒圓臺(tái)形的孔 洞，具體步驟如下(1)在玻璃片上涂上300納米厚的電子束抗蝕劑——PMMA(聚甲基丙烯 酸甲酯)，在180°C熱板上烘烤60秒；(2)進(jìn)行電子束曝光選用德國(guó)Raith公司的150型 電子束曝光系統(tǒng)，電子束高壓為10千伏，光纜孔徑采用30微米，曝光劑量為60mJ/cm2 ； (3) 顯影顯影20秒，定影20秒；(4)刻蝕采用氬離子刻蝕，能量300電子伏，氣體壓強(qiáng)0. 18 帕，時(shí)間30秒；即可在PMMA絕緣層上得到上表面直徑為40納米、下表面直徑為10納米的 倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用磁控濺射方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積非鐵磁性金 屬材料W，沉積條件為系統(tǒng)真空3X 10_7帕，濺射功率120瓦，氣體壓強(qiáng)0. 07帕；沉積時(shí)間 由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 W，以及在PMMA襯底上沉 積了 300納米厚的金屬W。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉PMMA絕緣層后 只保留倒圓臺(tái)形孔洞里W來作為針尖使用。
實(shí)施例6、制備高分辨率的金屬Pt8tlIr2tl隧道探針
使用電子束曝光(EBL)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法，在300nm厚的ZEP520 (氯 甲基丙烯酸鹽_甲基苯乙烯)絕緣層上，制備出上表面直徑為40納米、下表面直徑為 13納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，具體步驟如下(1)在硅片上涂上300納米厚的電子束抗蝕 劑_ZEP520(氯甲基丙烯酸鹽-甲基苯乙烯)，在200°C熱板上烘烤120秒；(2)進(jìn)行電子束 曝光選用德國(guó)Raith公司的150型電子束曝光系統(tǒng)，電子束高壓為10千伏，光纜孔徑采用 30微米，曝光劑量為30mJ/cm2 ；⑶顯影顯影20秒，定影20秒；⑷刻蝕采用反應(yīng)離子 刻蝕，能量300電子伏，氣體壓強(qiáng)0. 18帕，時(shí)間30秒；即可在PMMA絕緣層上得到上表面直 徑為40納米、下表面直徑為13納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用電子束蒸發(fā)方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的ZEP520(氯甲基丙烯酸 鹽-甲基苯乙烯)襯底上沉積非鐵磁性金屬材料Pt8tlIr2tl合金，沉積條件為系統(tǒng)真空 IXlO-5帕，電流5A，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉 積了 Pt8tlIr2tl合金，以及在ZEP襯底上沉積了 200納米厚的Pt8tlIr2tl合金層，如圖1所示。該 隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉ZEP絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里Pt8tlIr2tl 合金來作為針尖使用。
實(shí)施例7、制備高分辨率的鐵磁性金屬M(fèi)的自旋極化隧道探針
使用與實(shí)施例5中相同的電子束曝光(EBL)結(jié)合離子刻蝕(IE)的方法，在300nm 厚的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)絕緣層上，制備出上表面直徑為40納米、下表面直徑為10 納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用分子束外延方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積鐵磁性金屬Ni，沉積條件為系統(tǒng)真空3X 10,帕，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定，即在 倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 Ni，以及在PMMA襯底上沉積了 100納米厚的金屬Ni。該隧道探 針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉PMMA絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里M來作為針 尖使用。
實(shí)施例8、制備高分辨率的半金屬Co2MnSi的高自旋極化隧道探針
使用與實(shí)施例5中相同的電子束曝光(EBL)結(jié)合離子刻蝕(IE)的方法，在300nm 厚的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)絕緣層上，制備出上表面直徑為40納米、下表面直徑為10 納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
然后使用激光脈沖沉積方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積半金屬 Co2MnSi,沉積條件為系統(tǒng)真空度5X10_6帕，激光頻率10赫茲，氮?dú)饬髁?5sCCm，襯底加 熱800°C，即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 Co2MnSi,以及在PMMA襯底上沉積了 100納米厚的 Co2MnSi。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是去掉PMMA絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形 孔洞里Co2MnSi來作為針尖使用。
實(shí)施例9、制備高分辨率的金屬Au的隧道探針。
使用納米壓印的方法，在300nm厚的PMMA絕緣層上，制備出上表面直徑為20納 米、下表面直徑為5納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，具體步驟如下(1)用勻膠機(jī)以3000rpm的轉(zhuǎn) 速在Si襯底上涂上一層300nm厚的PMMA絕緣層薄膜，在180°C熱板上烘烤1分鐘；(2)在 140°C加熱處理襯底，使得PMMA軟化，利用原子力顯微鏡(AFM)的探針以2nm/s的下降和上 升速度進(jìn)行壓印，壓力為600psi，溫度為140°C，(3)壓印完成后采用氬離子刻蝕的方法刻 蝕30秒；即可在PMMA絕緣層上扎出上表面直徑為20納米、下表面直徑為5納米的倒圓臺(tái) 形的孔洞。
然后使用超高真空磁控濺射方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積金 屬Au，沉積條件為系統(tǒng)真空3X 10_7帕，濺射功率120瓦，氣體壓強(qiáng)0. 07帕，即在倒圓臺(tái)形 的孔洞中沉積了 Au，以及在PMMA襯底上沉積了 300納米厚的Au。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際 情況直接使用，或是去掉PMMA絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里Au來作為針尖使用。
實(shí)施例10、制備高分辨率的金屬W的隧道探針。
使用納米壓印的方法，在300nm厚的PMMA絕緣層上，制備出上表面直徑為30納 米、下表面直徑為10納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，具體步驟如下(1)用勻膠機(jī)以3000rpm的轉(zhuǎn) 速在Si襯底上涂上一層300nm厚的PMMA絕緣層薄膜，在180°C熱板上烘烤1分鐘；(2)在 160°C加熱處理襯底，使得PMMA軟化，利用原子力顯微鏡(AFM)的探針以2nm/s的下降和上 升速度進(jìn)行壓印，壓力為1200psi，溫度為160°C;(3)壓印完成后采用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法 刻蝕10秒；即可在PMMA絕緣層上扎出上表面直徑為30納米、下表面直徑為10納米的倒圓 臺(tái)形的孔洞。
然后使用激光脈沖沉積方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積非鐵磁 性金屬材料W，沉積條件為系統(tǒng)真空5X 10_6帕，激光頻率10赫茲，氮?dú)饬髁?5sCCm，襯底 加熱800°C，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定。即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 W， 以及在PMMA襯底上沉積了 100納米厚的金屬W，如圖2所示。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況 直接使用，或是去掉PMMA絕緣層后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里W來作為針尖使用。
實(shí)施例11、制備高分辨率的鐵磁性金屬Fe的自旋極化隧道探針。
10[0078]使用納米壓印的方法，在300nm厚的PMMA絕緣層上，制備出上表面直徑為30納 米、下表面直徑為10納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，具體步驟如下(1)用勻膠機(jī)以3000
rpm的轉(zhuǎn)速在Si襯底上涂上一層300nm厚的PMMA絕緣層薄膜，在180°C熱板上烘 烤1分鐘；(2)在180°C加熱處理襯底，使得PMMA軟化，利用原子力顯微鏡(AFM)的探針以 2nm/s的下降和上升速度進(jìn)行壓印，壓力為1900psi，溫度為180°C ； (3)壓印完成后采用氬 離子刻蝕的方法刻蝕30秒；即可在PMMA絕緣層上扎出上表面直徑為30納米、下表面直徑 為10納米的倒圓臺(tái)形的孔洞。
最后使用分子束外延方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積鐵磁性金 屬Fe，沉積條件為系統(tǒng)真空3X10,帕，系統(tǒng)真空3X10,帕，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備 的濺射速率決定。即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了 Fe，以及在PMMA襯底上沉積了 100納米厚 的金屬Fe。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是用丙酮溶去PMMA絕緣層后只保留倒 圓臺(tái)形孔洞里Fe來作為針尖使用。
實(shí)施例12、制備高分辨率的磁型半導(dǎo)體材料ZnO摻Co的自旋極化隧道探針。
使用納米壓印的方法，在300nm厚的聚乙烯醇LB膜襯底上，制備出上表面直徑為 40納米、下表面直徑為10納米的倒圓臺(tái)形的孔洞，具體步驟如下(1)用標(biāo)準(zhǔn)的提拉法在硅 襯底上制備聚乙烯醇LB膜；(2)利用原子力顯微鏡(AFM)的探針以2nm/s的下降和上升速 度進(jìn)行壓印，壓力為1700psi，溫度為180°C;(3)壓印完成后采用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法刻蝕 10秒；即可在聚乙烯醇LB膜襯底上扎出上表面直徑為40納米、下表面直徑為10納米的倒 圓臺(tái)形的孔洞。
最后使用激光脈沖沉積方法在該具有倒圓臺(tái)形的孔洞的PMMA襯底上沉積磁型 半導(dǎo)體材料(ZnO)95Co5,沉積條件為系統(tǒng)真空5X10_6帕，激光頻率10赫茲，氮?dú)饬髁?95%(^，襯底加熱8001，系統(tǒng)真空3/10_1°帕，沉積時(shí)間由薄膜生長(zhǎng)設(shè)備的濺射速率決定。 即在倒圓臺(tái)形的孔洞中沉積了摻Co的ZnO，以及在PMMA襯底上沉積了 100納米厚的摻Co 的ZnO。該隧道探針可根據(jù)實(shí)際情況直接使用，或是用丙酮溶去PMMA絕緣層后只保留倒圓 臺(tái)形孔洞里摻Co的ZnO來作為針尖使用。
雖然已結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了充分的描述，但需要注意，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，各種改變和修改都是可能的。因此，除了這種改變和修改背離本發(fā)明的范疇之 外，它們都應(yīng)被包括在本發(fā)明之中。
本發(fā)明所述的探針制備方法同樣適用于原子力顯微鏡(AFM)探針、磁力顯微鏡 (MFM)探針、掃描探針顯微鏡(SPM)、透射電子顯微鏡(TEM)發(fā)射陰極的制備。
權(quán)利要求
一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，包括如下的步驟1)在Si襯底兩側(cè)利用化學(xué)氣相沉積的方法各制備一絕緣層薄膜，然后利用紫外光刻的方法在其一側(cè)開一個(gè)0.2×0.2平方毫米的窗口，利用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法除去窗口內(nèi)的絕緣層薄膜；然后把該樣品放入65℃、4mol/L的KOH溶液中進(jìn)行蝕刻，由于KOH溶液刻蝕Si的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其刻蝕絕緣層薄膜的速率，因此將Si襯底中央部分刻蝕，露出另一側(cè)的絕緣層薄膜；2)在步驟1)得到的Si襯底的另一側(cè)的絕緣層薄膜上，使用聚焦離子束刻蝕方法，電子束曝光結(jié)合離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕的方法，或納米壓印的方法，制備出倒圓臺(tái)形的孔洞，所述的倒圓臺(tái)形的孔洞上表面的直徑為3～100納米，下表面的直徑為0.3～50納米，其上表面與下表面的直徑相差很大，已近似為倒圓錐形；3)使用常規(guī)方法在步驟2)制得的具有倒圓臺(tái)形的孔洞的絕緣層薄膜上和Si襯底的中央部分沉積導(dǎo)電材料，直至其中充滿所述的導(dǎo)電材料，所述在具有倒圓臺(tái)形孔洞的絕緣層薄膜上沉積的導(dǎo)電材料所構(gòu)成的導(dǎo)電層的厚度為50～1000納米，即得到用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，該隧道探針可直接使用。
2.如權(quán)利要求
1所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，其特征在于所 述步驟1)中，所述的絕緣層薄膜為Si，SiO2或SiN，電子束曝光用抗蝕劑，紫外光刻用光刻膠，或LB 膜組成的膜層，其厚度為10 500納米；所述的電子束曝光用抗蝕劑為正性抗蝕劑或負(fù)性化學(xué)放大抗蝕劑；所述的紫外光刻用光刻膠為環(huán)氧基紫外負(fù)性光刻膠，聚硅烷，高支化堿性丙烯酸化聚 酯，聚乙烯醇肉桂酸酯或光敏聚酰亞胺；所述的LB膜為聚苯乙烯LB膜，聚乙烯醇LB膜，聚對(duì)苯撐乙烯撐LB膜，聚苯胺LB膜， 熱解聚酰亞胺LB膜或硬脂酸錳LB膜。
3.如權(quán)利要求
1所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，其特征在于所 述步驟2)中，所述的聚焦離子束刻蝕方法是采用聚焦離子束系統(tǒng)，離子束流采用10PA，離子束點(diǎn)停 留時(shí)間為30微秒，離子束步長(zhǎng)為5納米，離子束發(fā)射電流為2. 2微安，離子束刻蝕絕緣層薄 膜的時(shí)間為0. 1 0. 5秒；所述的電子束曝光結(jié)合離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕的方法的具體步驟如下(1)在玻璃 片或者硅片上涂上300納米厚的電子束曝光用抗蝕劑，在180°C熱板上烘烤60秒；(2)進(jìn)行 電子束曝光采用電子束曝光系統(tǒng)，電子束高壓為10千伏，光纜孔徑采用30微米，曝光劑量 為60mJ/cm2 ；⑶顯影顯影20秒，定影20秒；⑷刻蝕采用氬離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕；所述的納米壓印的方法的具體步驟如下(1)用勻膠機(jī)以3000rpm的轉(zhuǎn)速在Si襯底上 涂上一層絕緣層薄膜，在180°C熱板上烘烤1分鐘；(2)在140 180°C加熱處理絕緣層薄 膜襯底，使得絕緣層薄膜軟化，利用原子力顯微鏡的探針、隧道掃描顯微鏡的探針、或者具 有針尖壓印的模具進(jìn)行壓印；探針下降和上升的速度為2nm/s，壓力為600 1900psi ； (3) 壓印完成后采用氬離子刻蝕的方法刻蝕30秒，或者采用化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法刻蝕10秒；所 述具有針尖壓印的模具的針尖直徑為10-50nm。
4.如權(quán)利要求
1所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，其特征在于所述步驟3)中的常規(guī)方法包括分子束外延方法，磁控濺射方法，電子束蒸發(fā)，激光脈沖沉積 法，化學(xué)氣相沉積法，電鍍法，或電化學(xué)沉積法。
5.如權(quán)利要求
1所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，其特征在于所 述步驟3)中所述的導(dǎo)電材料為非磁性金屬材料、鐵磁性材料、半金屬磁性材料、磁性半導(dǎo) 體材料或非磁性半導(dǎo)體材料。
6.如權(quán)利要求
5所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，其特征在于所 述的非磁性金屬材料為W、Pt、Ir、Au、Ag、Cu、Ru、Al或Cr ；所述的鐵磁性材料為3d過渡族磁性金屬、稀土金屬、Co-Fe合金、Co-Fe-B合金、 Nd-Fe-B合金、Ni-Fe合金或Gd-Y合金；所述的半金屬磁性材料為 Fe304、CrO2, La1^xSrxMnO3> La1^yCayMnO3> Pr1^zSrzMnO3 或 Co2MnSi ；在所述 LahSrxMnO3 中，0. 16 < χ < 1. O ；在所述 LahyCayMnO3 中，0. 18 < y < 0. 5 ； 在所述 Pr1^zSrzMnO3 中，0. 3 < ζ < 1. O ；所述的磁性半導(dǎo)體材料為摻雜Fe、Co、Ni、V或Mn的ΖηΟ，摻雜Fe、Co、Ni、V或Mn的 TiO2,摻雜 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 HfO2,摻雜 Fe、Co、Ni、V 或 Mn 的 SnO2，摻雜 Mn 的 GaAs，摻 雜Mn的InAs，摻雜Mn的GaN或摻雜Mn的ZnTe ；所述的半導(dǎo)體為 Si、Ga、GaN, GaAs、Ga-Al-As, In-Ga-As 或 InAs。
7.如權(quán)利要求
1至6之一所述的用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針的制備方法，還包括 步驟4)4)把步驟3)制備好的樣品放入丙酮中浸泡，直至絕緣層薄膜和位于其上孔洞中的倒 圓臺(tái)形的導(dǎo)電材料分離，Si襯底也隨著絕緣層脫落，用去離子水清洗保留在倒圓臺(tái)形孔洞 里的導(dǎo)電材料，即得到本發(fā)明另一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針，該倒圓臺(tái)形的導(dǎo)電 材料可裝在掃描隧道顯微鏡的針尖上使用。
8.一種使用權(quán)利要求
1至6之一所述的制備方法得到的用于掃描隧道顯微鏡的隧道 探針，包括一硅襯底和其兩側(cè)的絕緣層薄膜，在Si襯底和其一側(cè)的絕緣層薄膜中間開有一 個(gè)0.2X0. 2平方毫米的窗口 ；在Si襯底另一側(cè)的絕緣層薄膜上有一倒圓臺(tái)形的孔洞，在此 孔洞中充滿了導(dǎo)電材料，其上的Si襯底的窗口中充滿了相同的導(dǎo)電材料；所述的絕緣層薄 膜為Si，SiO2或SiN，電子束曝光用抗蝕劑，紫外光刻用光刻膠，或LB膜組成的膜層，其厚度 為10 500納米；所述的倒圓臺(tái)形的孔洞上表面的直徑為3 100納米，下表面的直徑為 0. 3 50納米；所述的導(dǎo)電材料為非磁性金屬材料、鐵磁性材料、半金屬磁性材料、磁性半 導(dǎo)體材料、或非磁性半導(dǎo)體材料。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種用于掃描隧道顯微鏡的隧道探針及其制備方法。本發(fā)明利用預(yù)先打孔再沉積的方法，并通過控制聚焦離子束刻蝕，電子束曝光，離子刻蝕，或反應(yīng)離子刻蝕的方法的工藝參數(shù)，得到針尖直徑為納米水平、分辨率高的細(xì)小的探針?？筛鶕?jù)實(shí)際情況，直接使用或是去掉絕緣層薄膜襯底后只保留倒圓臺(tái)形孔洞里的導(dǎo)電材料，來作為針尖使用。本發(fā)明不會(huì)引入雜質(zhì)、針尖表面不易產(chǎn)生碳層和氧化物層，保證了探針針尖化學(xué)組分的單一；制得的探針不局限于常規(guī)的鎢絲、鉑-銥絲等細(xì)金屬絲，可根據(jù)需要，得到各種導(dǎo)電材料制得的針尖；也可以制備出單晶的隧道針尖；和常規(guī)的方法無法得到的自旋極化率為100％的半金屬隧道針尖。
文檔編號(hào)H01L21/00GKCN101079331 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200610066899
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2006年3月31日
發(fā)明者張曉光, 王天興, 韓秀峰, 魏紅祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (7), 非專利引用 (3),