專利名稱:帶有縮短的彈簧桿的掃描探針顯微鏡探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求
I前敘部分所述的掃描探針顯微鏡探針，帶有一支撐元件，并且?guī)в幸粡椈蓷U，該彈簧桿側(cè)面從支撐元件上伸出，并且在它的自由端部上支撐一探針頭，以及一用于這樣的探針制造的方法。
背景技術(shù)：
掃描力顯微鏡、也稱為掃描探針顯微鏡(SPM)已是眾所周知的，并且被用于用精密的傳感器、所謂的掃描探針顯微鏡探針、以高的分辨率掃描試樣的表面。在所有這樣的顯微鏡中使用了探針，它的傳感器由一彈性的微型桿構(gòu)成，該微型桿在一端具有一用于在探針支架上固定的支撐元件，并且在另一端具有一探針頭，試樣被用該探針頭掃描。
掃描探針顯微鏡是為了建立表面分析技術(shù)而開發(fā)，該表面分析技術(shù)另外使幾個納米或者甚至直到原子范圍分辨率的表面形貌的描繪成為可能。
此外該技術(shù)的一主要核心元件是掃描探針。探針的構(gòu)造和質(zhì)量對可達(dá)到的表面分析的分辨率具有決定性的作用。對于探針的制造創(chuàng)立了不同的方法，該方法要么建立在單晶硅蝕刻的基礎(chǔ)上，要么優(yōu)選的是建立在氮化硅薄膜的基礎(chǔ)上。
由US5753912 —掃描探針顯微鏡探針已是眾所周知的，帶有一稍長形的支撐元件，并且?guī)в幸粡闹卧嗣嫔仙斐龅摹⒅我惶结橆^的彈簧桿，該彈簧桿布置在支撐元件的前端面上。彈簧桿從前端面上伸出，其中支撐元件具有一梯形的橫截面形狀。彈簧桿布置在端面的兩個端面邊棱的較短的邊棱上。
由JP8-262040 —原子力顯微鏡掃描探針和一該掃描探針的加工方法已是眾所周知的，它的探針頭構(gòu)成四面體。微型橫架由硅或者氮化硅制造，其中探針頭成型在微型橫架端面上，并且具有通過娃晶體的〈100〉和〈111〉晶面確定的側(cè)面。
由EP1359593A1已知另一掃描探針顯微鏡傳感器和一用于該傳感器制造的方法，在橫架的自由端上帶有一從微型橫架的表面上伸出的探針頭，其中微型橫架和三面的探針頭由單晶硅〈100〉組成。
由JP10-307144已知一帶有一支撐元件、一微型橫架和一探針頭的懸臂片，在該探針頭中支撐元件由單晶硅制造，并且具有兩個重疊布置的、相互連接的帶有不同形狀的支撐元件部分。微型橫架布置在下面的支撐元件部分上，該支撐元件部分構(gòu)成十字形。上支撐元件部分具有在掃描探針顯微鏡探針的支撐元件中常見的形狀。
由JP5-018740已知一表面掃描探針，帶有一微型橫架和一連接在上面的探針頭，該探針頭作為薄膜由氧化硅或者氮化硅制造，并且?guī)в幸恢卧?，該支撐元件在分派給橫架的一側(cè)具有傾斜的尖角。
總的來說掃描探針顯微鏡的主要缺點是分析的速度太低，因為探針一點一點地在表面上掃描。在這里掃描的速度一方面本身受到掃描機構(gòu)的限制但是同時受到探針彈簧桿的響應(yīng)頻率的限制。當(dāng)前在掃描探針顯微鏡領(lǐng)域的發(fā)展是通過新型系統(tǒng)和探針的開發(fā)改變這一狀況，該探針以明顯地更高的速度工作。[0011]為了實現(xiàn)在這樣的快速掃描探針顯微鏡的探針中必要的響應(yīng)頻率的提高，同時不改變彈簧桿的剛度，彈簧桿在所有尺寸上必須明顯地被縮小。典型地該高頻彈簧桿的長度在20微米以下、它的寬度在5微米以下、并且它的厚度明顯地在I微米以下，并且因此至少在長度和厚度上比現(xiàn)在通常的掃描探針顯微鏡探針的彈簧桿大約小十倍。
尺寸的縮小尤其是對彈簧桿的長度和厚度的可復(fù)制性提出了高的要求，通常使用的掃描探針顯微鏡探針的制造方法不能滿足該要求。而對于厚度波動的降低已經(jīng)有在蝕刻停止層技術(shù)的基礎(chǔ)上借助于在原材料中附加的中間層(例如硅絕緣體基片、注入中間層等等)的眾多的途徑，但迄今為止提出的對彈簧桿的長度確定的解決辦法是不夠的。由于在蝕刻的原始平面和彈簧桿之間大的垂直距離通常使用的彈簧桿長度通過支撐元件的側(cè)面確定的方法是非常不精確的。在蝕刻面的傾斜度中的波動和/或者原材料總厚度的波動導(dǎo)致顯著的彈簧桿長度的變化，該變化對于短彈簧桿是不可接受的。同時在彈簧桿裝配到單獨制造的支撐元件上時、例如通過陽極化結(jié)合對于要達(dá)到的桿的尺寸裝配的波動太大，因此該方法在非常小的彈簧桿時不能使用。對于該問題通常解決的途徑是彈簧桿的結(jié)構(gòu)被明顯的加寬，該寬度通常超過本來的彈簧桿寬度的許多倍。該成形加工的目標(biāo)是，實現(xiàn)一在一定程度上由蝕刻確定工序確定的彈簧桿，該彈簧桿固定在一短的、非常寬的懸臂上(上面所提到的加寬)。支撐元件蝕刻過程的公差因此從本來的彈簧桿轉(zhuǎn)移到該懸臂的長度上。但是實際上懸臂的長度對總的彈簧桿的振動特性具有大的影響，本來的彈簧桿掛在該懸臂上，因此該振動特性又顯著地取決于支撐元件蝕刻過程的公差。作為可選擇的用于彈簧桿事后成形加工的借助于通過聚焦的離子束去除的已知的方法雖然可實現(xiàn)這一目的，但卻是昂貴的單件生產(chǎn)工序。
除了這些一般由縮小的尺寸引起的帶有彈簧桿和集成的探針頭的這種掃描探針顯微鏡探針制造的困難之外在縮短的彈簧桿時明顯地尖銳化了代替探針頭支撐元件無經(jīng)意的放上的問題。探針通常在相對于待檢查的試樣表面典型地8到15度的稍斜的角度下被裝配在掃描探針顯微鏡中。因此探針的支撐元件在彈簧桿固定點的區(qū)域中非常靠近試樣的表面，因此支撐元件的尖角在探針大約幾度的輕微側(cè)傾斜時可能坐到試樣表面上。這將防礙設(shè)定的功能，并且可能地甚至破壞待檢查的試樣。為了防止這件事情發(fā)生，在現(xiàn)在常用的探針中支撐元件被這樣加工，以便在彈簧桿夾緊的一側(cè)產(chǎn)生盡可能短的邊棱，以使由桿的長度、探針頭的高度和探針的裝配角度產(chǎn)生的間距足夠避免在探針輕微傾斜時支撐元件尖角的放上。
支撐元件傾斜的尖角是通過本來的彈簧桿的明顯更寬的寬度在同時保證整個探針的可操縱性時最經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)形式，該尖角導(dǎo)致在彈簧桿上短的邊棱。該描述的支撐元件短邊棱的制造在通常使用的加工方法如濕式化學(xué)各向異性掏蝕時受到明顯的波動，因此該成形加工不能毫無問題地形成更小的彈簧桿和為此必需的支撐元件邊棱明顯的縮小。同樣可選擇的方法，如支撐元件側(cè)面的鋸開碰到它的極限，因為這里只有平行于彈簧桿方向取向的側(cè)面能實現(xiàn)。但是相對于傾斜鋸開的足夠狹窄的支撐元件由于它的微小的寬度不具可實施性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明以該任務(wù)為依據(jù)，提出一種帶有短的彈簧桿的掃描探針顯微鏡探針，在該彈簧桿中支撐元件或者短邊棱的尖角在探針側(cè)傾斜幾度時不可能坐到試件的表面上，彈簧桿布置在該短邊棱上。本發(fā)明另外的任務(wù)是，提出一種用于要實現(xiàn)的掃描探針顯微鏡探針制造的方法。
根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)通過帶有權(quán)利要求
I所述特征的掃描探針顯微鏡探針以及帶有權(quán)利要求
12所述特征的用于它制造的方法獲得解決。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，給予支撐元件一特殊的形狀，在該形狀下探針頭到位于最近的支撐元件表面縱側(cè)邊棱的側(cè)面間距相對于傳統(tǒng)的探針明顯被縮小和/或者在支撐探針頭的彈簧桿正面和分派的支撐元件表面之間的間距相對于通常的探針明顯被擴(kuò)大。
根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡探針具有一帶有基本上梯形的橫截面形狀的稍長形的支撐元件，其中在支撐元件的前端面上的彈簧桿布置在一端面邊棱上，優(yōu)選的是布置在寬的端面邊棱上。基本上梯形的橫截面形狀也被理解為矩形的和/或者階梯形的橫截面。此外，一由探針頭和一假想的、通過分配給端面邊棱的臨界的尖角平行于支撐元件背面的側(cè)面縱向邊棱延伸的直線構(gòu)成的平面相對于端面邊棱構(gòu)成一至少5度的傾斜角。其中， 臨界尖角被理解為這樣的尖角，該尖角在掃描時離試樣最近。當(dāng)在前端面邊棱上在彈簧桿兩側(cè)每次構(gòu)成兩個尖角時，例如構(gòu)成棱角的形狀，那么這樣的尖角被看作臨界尖角，該尖角具有到彈簧桿最小的距離，并且將首先放到試樣表面上。另外，支撐元件從帶有彈簧桿的探針的前端面到處于對面的探針的后端面的加寬是有意義的，以便改善探針的可操作性，因此探針側(cè)面可被傾斜直到5度，朝向試樣的支撐元件端面邊棱不會接觸到試樣的表面，為此試樣的損壞很大程度上被排除。
此外，支撐元件具有一稍長形的凸起，該凸起沿著支撐元件的縱向方向延伸，其中至少凸起構(gòu)成具有基本上梯形或者矩形的橫截面形狀，并且彈簧桿在端面布置在支撐元件凸起的狹窄的端面邊棱上。
通過凸起在支撐元件上的實現(xiàn)，彈簧桿固定在它的狹窄的端部上，并且它的高度補償探針可能的側(cè)面傾斜，尤其是在小的短的彈簧桿時可靠地避免了支撐元件放在試件表面上。通過帶有支撐元件的臨界尖角的邊棱從后支撐元件面確定轉(zhuǎn)移到前支撐元件面上，彈簧桿位于該前支撐元件面上，可進(jìn)行更簡單的、并且尤其是可復(fù)制的加工。
由于掃描探針顯微鏡測量系統(tǒng)的加工公差，并且由于探針裝配的公差典型的最大的傾斜在一直到5度的數(shù)量級上。在這樣的傾斜時，支撐元件邊棱可以可靠地被避免放到試樣表面上，當(dāng)凸起或者在上面固定的彈簧桿的高度H相對于支撐元件邊棱的長度L適用于
tan (5。) L/2 < H 時
由此以近似的方式得出
H > L/20
根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的傳感器的結(jié)構(gòu)形式是優(yōu)選的，在該結(jié)構(gòu)形式中在支撐探針頭的彈簧桿背面和支撐凸起的支撐元件背面之間的垂直距離至少是支撐元件端面邊棱寬度的1/20，帶有在上面固定的彈簧桿的凸起布置在該邊棱上。
有利的方式是支撐元件和彈簧桿的原材料是單晶硅，并且至少支撐元件的端面由硅晶體的〈111〉晶面構(gòu)成，彈簧桿固定在該支撐元件上。此外這是有利的，當(dāng)原材料具有集成的蝕刻停止層時，以便確定彈簧桿的厚度。[0028]在掃描探針顯微鏡探針的另一優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，支撐元件連同凸起由一種材料組成，并且彈簧桿由第二種材料組成。此外作為支撐元件和凸起的材料可以設(shè)有玻璃或者硅，并且作為彈簧桿的材料可設(shè)有非晶態(tài)的薄膜。
在本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)形式中支撐元件、凸起和彈簧桿分別由不同的材料組成。支撐元件的材料可以是玻璃、凸起的材料可以是硅、并且彈簧桿的材料可以是非晶態(tài)的薄膜。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式中，支撐元件的側(cè)面和凸起的側(cè)面可具有一致的傾斜度，并且相互成階梯形連接。此外本發(fā)明的一結(jié)構(gòu)形式是優(yōu)選的，在該結(jié)構(gòu)形式中至少端面具有一側(cè)凹的形狀，彈簧桿固定在該端面上。此外這是有利的，當(dāng)支撐元件的縱向側(cè)面優(yōu)選的是相互沿著彈簧桿的方向走向。在這樣的結(jié)構(gòu)形式中，支撐元件側(cè)面在彈簧桿之下優(yōu)選的是至少部分地通過硅晶體的〈111〉晶面構(gòu)成，并且〈111〉晶面受到制造的限制通過作為蝕刻過程的停止線的橫線確定，該橫線在彈簧桿一側(cè)支撐元件的背面之上相對于彈簧桿方向正交走向。
按照根據(jù)本發(fā)明的方法，根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡探針可以由一件制造，或者至少彈簧桿首先單獨被加工，并且緊接著與支撐元件、并且當(dāng)存在時、優(yōu)選的是與它的凸起相連接。與此同時支撐元件，如果它具有一凸起，可被整體加工，或者由兩個拼合的部件組成。
根據(jù)本發(fā)明的方法，有利的方式是至少具有兩個緊接著的加工工序。首先帶有或者沒有凸起的彈簧桿和支撐元件的形狀通過蝕刻工序從原材料的第一材料面起形成。然后彈簧桿的厚度通過蝕刻從原材料處于對面的另外的第二材料面起調(diào)整。與此同時優(yōu)選的是支撐元件的側(cè)面縱向側(cè)面從原材料的第一材料面加工出，并且端面，彈簧桿固定在該端面上，從原材料另外的第二材料面起加工出。
在有利的方法過程時在支撐元件的縱向側(cè)面和/或者凸起以及彈簧桿形狀通過各向異性蝕刻從原材料的第一材料面加工出之后，并且在原材料的每個材料面包括蝕刻的結(jié)構(gòu)用耐蝕刻的保護(hù)膜覆蓋之后從另一材料面起在支撐元件的探針的前后端面上進(jìn)行側(cè)面的蝕刻。此外，尤其是前端面這樣被加工，彈簧桿在該端面上伸出，當(dāng)蝕刻從第二材料面同樣借助于各向異性濕式化學(xué)方法完成時，并且保護(hù)膜在蝕刻過程之后被選擇性地去除。
優(yōu)選的是掃描探針顯微鏡探針的制造用下面的工序進(jìn)行，在該工序中首先彈簧桿由在娃片的第一材料面上在蝕刻停止層之上的娃層加工出。然后娃片的第一材料面包括蝕刻的結(jié)構(gòu)用耐蝕刻的保護(hù)膜覆蓋，緊接著在耐蝕刻的保護(hù)膜中開一個窗口，該窗口把彈簧桿排除在外，并且同時確定支撐元件的蝕刻停止線，該蝕刻停止線確定彈簧桿的長度。然后借助于濕式化學(xué)各向異性方法在打開的窗口之內(nèi)這樣蝕刻硅，以使彈簧桿通過掏蝕被完全剝露出來，并且在彈簧桿之下構(gòu)成硅晶體〈111〉晶面。緊接著借助于濕式化學(xué)各向異性方法支撐元件從硅片的第二材料面這樣被加工出，以使硅晶體〈111〉晶面構(gòu)成蝕刻過程的側(cè)面，該側(cè)面與事先由處在對面的硅片的第一材料面構(gòu)成的在彈簧桿之下的〈111〉晶面會合。濕式化學(xué)各向異性蝕刻方法被繼續(xù)進(jìn)行，以便至少在彈簧桿之下的區(qū)域中形成一新的帶有側(cè)凹的側(cè)面輪廓的〈111〉晶面，其中對在兩個從前面和背面蝕刻的〈111〉晶面之間位于敞開的表面的快速蝕刻侵蝕被充分利用。最后保護(hù)膜被有選擇地去除。
此外，對于凸起的形成合適的是，在保護(hù)膜去除之后另一保護(hù)膜被涂敷到包括蝕刻面的硅片的背面上，并且然后借助于各向異性蝕刻方法從硅片的前面由支撐元件中加工出凸起，該凸起同時包括彈簧桿。緊接著新的保護(hù)膜又被有選擇地去除。


下面結(jié)合附圖借助于不同的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明。本發(fā)明的其它特征由附圖和它與權(quán)利要求
所述相連系的說明得出。單個的特征在本發(fā)明的不同的結(jié)構(gòu)形式中本身可以單獨地或者組合地被實現(xiàn)。
其中在示意圖中
圖I表示的是一帶有凸起的第一種根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡傳感器；
圖2表示的是一根據(jù)圖I所示在沒有蝕刻停止層的原材料中同時進(jìn)行的傳感器的彈簧桿和凸起的成形加工；
圖3表示的是一根據(jù)圖I所示在沒有蝕刻停止層的原材料中連續(xù)進(jìn)行的傳感器的彈簧桿和凸起的成形加工；
圖4表示的是一根據(jù)圖I所示在帶有蝕刻停止層的原材料中連續(xù)進(jìn)行的傳感器的彈簧桿和凸起的成形加工；
圖5表示的是根據(jù)圖I所示帶有緊接著的傳感器的拼合的支撐元件、凸起和彈簧臂的分開制造和成形加工；
圖6表示的是根據(jù)圖I所示帶有緊接著的傳感器的拼合的支撐元件和帶有彈簧桿的凸起的分開制造和成形加工；
圖7表示的是一帶有側(cè)凹側(cè)面的第二種根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡探針；
圖8表示的是根據(jù)圖7所示的掃描探針顯微鏡探針的成形加工的制造過程；
圖9表示的是一帶有側(cè)凹側(cè)面并且?guī)в型蛊鸬牡谌N根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡探針；并且
圖10表示的是由圖9所示的掃描探針顯微鏡探針的成形加工的制造過程。
具體實施方式
在實施例的說明中涉及到上面、下面、正面、背面和這一類的掃描探針顯微鏡探針通常的使用位置的概念，在該掃描探針顯微鏡探針中，彈簧臂用一個指向下面的探針頭從上面掃描位于下面的試樣。在附圖中為了表示通常遮住的細(xì)節(jié)跟使用位置相反探針用指向上面的探針頭繪出。
圖I表示了一帶有支撐元件2的掃描探針顯微鏡探針1，在該支撐元件中彈簧桿3從一細(xì)長形的凸起4開始，該凸起由支撐元件2支撐。彈簧桿3 —般地在彈簧桿背面6上支撐著一遠(yuǎn)離支撐元件2的探針頭5。支撐元件2側(cè)面具有一縱向側(cè)面7，并且凸起4具有一縱向側(cè)面8，以及后橫向側(cè)面9、10，該橫向側(cè)面分別連接兩個縱向側(cè)面7或者8。在前端面12上，彈簧臂3在該端面上伸出，一共同的前端面13位于探針I(yè)的后端面11上的橫向側(cè)面9、10的對面。凸起4從支撐元件2的支撐元件背面14上凸出來，并且以到它的縱向側(cè)邊22相同的側(cè)面距離排列。通過凸起4決定的彈簧桿3相對于支撐元件2的背面14提高的位置彌補了掃描探針顯微鏡探針I(yè)的可能的側(cè)面傾斜。
掃描探針顯微鏡探針I(yè)的支撐元件2和凸起4具有一梯形的橫截面形狀，其中彈簧桿3布置在凸起4的前端面13的前狹窄的下端面邊棱15上。凸起4位于支撐元件2的、前尖角16的中間，該前尖角通過兩個端面邊棱15'、15"的較寬的端面邊棱15'相連接，其中細(xì)長形的凸起4沿著支撐元件2和彈簧桿3的縱向方向在支撐元件2的長度的一部分上延伸。與此同時探針I(yè)的形狀不僅可通過彈簧桿3和凸起4和支撐元件2的同時進(jìn)行的蝕刻工藝確定而且可通過在分開的工序中相互獨立的加工實現(xiàn)。
在第一種情況下，典型地凸起4和彈簧桿3，如在圖2a至圖2d中在前視圖和側(cè)視圖中表示的，在支撐元件2的背面14上同時由原材料17從第一材料面18起加工出，并且彈簧桿3緊接著由另外的第二材料面19，可能地與本來的支撐元件2的加工一同減薄到額定厚度，其中原材料17的第二材料面19構(gòu)成支撐元件2的正面27。
同時在其它的附圖中，背面14歸入第一材料面18，并且支撐元件2的正面27歸入第二材料面19。但是同時可選擇的方案是，如在圖3a至圖3d中在同樣的視圖中表示的，彈簧桿3厚度的確定可在凸起4和彈簧桿3加工之前通過薄的膜片20的實現(xiàn)而完成(圖3a、b)。彈簧桿3和凸起4緊接著由膜片20和以后的支撐元件2的實心的原材料17加工 出(圖 3c、d)。
在單獨加工的情況下，彈簧桿3和凸起4在兩個相互分開的工序中實現(xiàn)。通常首先彈簧桿3的形狀由原材料17從第一材料面18加工出，緊接著被保護(hù)起來，并且在彈簧桿3周圍加工出凸起4。但是，該順序顛倒過來同樣是可行的。如在上面所描述的同時進(jìn)行加工的方案中彈簧桿3的厚度要么可以第二材料面19為出發(fā)點通過原材料17的事后的減薄被實現(xiàn)，要么可通過原材料17的事前的減薄被實現(xiàn)。
在使用單晶硅作為原材料17加工探針I(yè)時，凸起4和彈簧桿3的加工從第一材料面18根據(jù)已知的通常的濕式化學(xué)或者干式化學(xué)各向異性的蝕刻方法的一種通過蝕刻完成。同樣材料17的減薄從處在對面的第二材料面19起通過濕式化學(xué)各向異性的蝕刻完成，因為在這里在晶體結(jié)構(gòu)的充分利用下產(chǎn)生傾斜的端面13，該端面在探針I(yè)使用時顯示出更好的可接近性的優(yōu)點，在該探針中通常一激光束聚焦在彈簧桿3上。但是通常具有垂直的側(cè)壁的各向異性干式化學(xué)方法同樣也是可行的。
一凸起4和彈簧桿3分開加工的特殊情況由帶有集成的蝕刻停止層21的原材料17的利用獲得，如在圖4a至4f中示意繪出的。在單晶硅的情況下這樣的蝕刻停止層21例如可以通過集成的二氧化硅層(所謂的氧化硅基片或者絕緣體硅基片)或者通過高濃度的硼的注入產(chǎn)生。這樣集成的蝕刻停止層21可以利用，以便以高精度調(diào)節(jié)彈簧桿3的厚度，當(dāng)彈簧桿3在蝕刻停止層21之上由薄的可以極度均勻的厚度加工的層實現(xiàn)時，而支撐元件2基本上在蝕刻停止層21之下被從剩下的原材料17中加工。在上面描述的減薄過程中，蝕刻停止層21防止了彈簧桿厚度變化的擴(kuò)大。借助于兩級方法用于降低支撐元件2放到試件上的風(fēng)險的上面描述的凸起4的實現(xiàn)為此不受影響。
在探針I(yè)的情況下，該探針不是通過由同樣的原材料17加工出，而是通過事先分開實現(xiàn)的彈簧桿3和支撐元件2的拼合被實現(xiàn)，所述的凸起4，如圖5a-5e所示，同樣可以在拼合之前被集成到支撐元件2上。對此可選擇的方案凸起4也可以與彈簧桿3 —起加工，其中然后凸起4與彈簧桿3 —起，如在圖6a-6f中示意繪出的，被裝配到支撐元件2上。在合適的材料和蝕刻方法的選擇時，凸起4也可以在拼合之后再由支撐元件2中加工出，尤其是蝕刻出。
所描述的帶有凸起4的支撐元件2的形狀的另一特殊情況是支撐元件2的縱向側(cè)面7的構(gòu)成以及凸起4的縱向側(cè)面8的構(gòu)成具有一相同的傾斜度，并且側(cè)面7對側(cè)面8具有一成階梯形的過渡。通過支撐元件2和凸起4的特殊的橫截面形狀，探針I(yè)也可以顯著地傾斜，如它對掃描探針顯微檢查的有些應(yīng)用所必需的，沒有支撐元件2放到試樣表面上的風(fēng)險。
由不同的第一或者第二材料面18、19 分開成形帶有側(cè)面的縱向側(cè)面7、8和重要的端面13的方法的主要優(yōu)點是在利用各向異性濕式化學(xué)硅蝕刻時不形成明顯的尖角。因此跟僅從原材料17的一個材料面18、19起帶有使支撐元件2和凸起4具有一種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的方法相反，支撐元件2的尖角16也精確地通過硅單晶的緩慢的蝕刻的〈111〉晶面確定。
根據(jù)本發(fā)明，在探針I(yè)中根據(jù)圖7所示彈簧桿3的長度的精確的、均質(zhì)的和能復(fù)制的確定通過一由原材料17的相同的第一材料面18在彈簧桿3和支撐元件2之間過渡的蝕刻的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。其中，如通常在表面顯微機械技術(shù)中，彈簧桿3通過覆蓋的彈簧桿3側(cè)面的掏蝕剝露出來。緊接著從處在對面的原材料17的第二材料面19進(jìn)行支撐元件2的真正的加工，在該材料面中處在彈簧桿3之下的原材料17的多余的材料同時被去除。
在使用單晶硅作為支撐元件2的原材料17和各向異性濕式化學(xué)蝕刻方法時可以利用晶體〈111〉晶面極低的蝕刻率，以便確定在彈簧桿3之下的支撐元件2的端面13。在硅晶體合適的取向時彈簧桿3的掏蝕精確地停止在與彈簧桿的縱軸線垂直的在彈簧桿3旁邊確定的蝕刻停止線25處。通常在彈簧桿3之下產(chǎn)生的蝕刻面首先是傾斜的。當(dāng)緊接著的蝕刻從原材料17的處于對面的第二材料面19這樣進(jìn)行，以使蝕刻面與事先由第一材料面18構(gòu)成的彈簧桿掏蝕的端面13會合，并且在蝕刻面會合之后充分地過蝕時，那么在彈簧桿3之下構(gòu)成一側(cè)凹的〈111〉晶面作為端面13，該端面精確地在事先確定的蝕刻停止線25處在彈簧桿3旁邊結(jié)束。在原材料17的第一材料面18和第二材料面19之間調(diào)整存在的誤差以及原材料17的厚度波動僅僅作為在收縮邊棱26之下不同大小的飛邊對支撐元件2的前端面13產(chǎn)生影響。但是，可選擇的方案是在完整的端面13構(gòu)成之前，過蝕也可以已經(jīng)被中斷。應(yīng)僅僅直接在彈簧桿3之下側(cè)凹〈111〉晶面已經(jīng)被構(gòu)成。以該方式一按照圖7構(gòu)成的帶有一側(cè)凹的端面13的形狀的掃描探針顯微鏡探針I(yè)可以被制造出。
當(dāng)彈簧桿3在上面所描述的實施例中同樣由硅組成時，那么帶有集成的蝕刻停止層21的原材料17的使用是必須的。彈簧桿3并且可能地集成的探針頭5首先由上面的硅層、即從原材料17的第一材料面18借助于濕式化學(xué)或者干式化學(xué)的蝕刻方法根據(jù)圖8a、b的圖樣加工出，并且緊接著用一合適的保護(hù)膜23例如二氧化硅或者氮化硅保護(hù)膜覆蓋，如圖8c所示。緊接著，支撐元件2的蝕刻停止線25被蝕刻確定，其中彈簧桿3同樣必須保持被保護(hù)，參見圖8d、e。在緊接著的彈簧桿3的掏蝕時，集成的蝕刻停止層21防止了對彈簧桿3背面的蝕刻侵蝕，如圖8f、g、h清楚地表明的。
用于彈簧桿3的長度精確確定的方法可與帶有凸起4的支撐元件2的方案相組合(圖9)。為此，如在圖10a、b中所不，在彈黃桿3從弟一材料面18起蝕刻之后圍繞著彈黃桿3的窗口必須首先被打開，并且該窗口被完全掏蝕。緊接著支撐元件2從第二材料面19起被用足夠的過蝕蝕刻，因此在彈簧桿3之下產(chǎn)生側(cè)凹的〈111〉晶面。這時支撐元件2的第二材料面19連同從該面出發(fā)蝕刻的端面9、10、13還必須用適當(dāng)?shù)睦缍趸杌蛘叩璞Ｗo(hù)膜23保護(hù)，并且從第一材料面18起蝕刻出凸起4。最后保護(hù)膜23根據(jù)圖IOc選擇性地被去除。[0064]在圖7和圖9中，在支撐元件2的蝕刻停止線25、收縮邊棱26和上面27之間的蝕刻面彼此未按比例表示。此外，在收縮邊棱26之下的蝕刻面、 即沿著彈簧桿3的方向相對于支撐元件2的剩余部分在高度上為了表示清楚放大了好幾倍繪出。特別是在圖9中，凸起4由原材料17在收縮邊棱26和蝕刻停止層21之間加工出，因此收縮邊棱26離蝕刻停止層21的距離在兩個在圖7、9中表示的實施例中基本上是相同的。端面13組合了所有端面的蝕刻面，該蝕刻面從支撐元件2的上面27 —直延伸到蝕刻停止層21。
權(quán)利要求
1.用于掃描探針顯微鏡的探針(I)，帶有一細(xì)長的支撐元件(2)，并且?guī)в幸粡闹卧?2)端面上伸出的、支撐一探針頭(5)的彈簧桿(3)，其中支撐元件(2)沿著彈簧桿(3)的縱向方向具有一基本上梯形的輪廓，該輪廓在前端面(13)上帶有相互平行延伸的較長的橫向邊棱(15')和較短的橫向邊棱(15")，并且在前端面(13)的所述較長的橫向邊棱(15')上帶有臨界的尖角(16)，該臨界的尖角在掃描時離試樣最近，其特征在于，支撐元件(2)具有一細(xì)長的凸起(4)，該凸起沿著支撐元件(2)的縱向延伸，并且該凸起(4)沿著支撐元件(2)的縱向具有一基本上梯形的輪廓，帶有一與支撐元件(2)的所述橫向邊棱(15'，15")平行地間隔距離地在所述前端面(13)上延伸的、與橫向邊棱(15'，15")相比縮短的端面橫向邊棱(15)，其中所述彈簧桿(3)在支撐元件⑵的凸起⑷的端面橫向邊棱(15)上突出地布置，并且其中該凸起⑷連同彈簧桿(3)設(shè)置在支撐元件⑵的前端面(13)的較長的橫向邊棱(15')上，并且一假想的、由一條與所述支撐元件(2)的兩個側(cè)面縱向側(cè)邊棱(22)平行地穿過所述臨界的尖角(16)延伸的直線和探針頭(5)確定的平面相對于所述支撐元件(2)的在掃描時離試樣最近的那條橫向邊棱(15'，15")至少具有5度的傾斜角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，在支撐著探針頭(5)的彈簧桿背面(6)和支撐著凸起(4)的支撐元件背面(14)之間的垂直距離H至少是支撐元件(2)的所述較長的橫向邊棱(15')的寬度L的1/20，帶有在上面固定的彈簧桿(3)的凸起(4)布置在該較長的橫向邊棱(15')上。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，支撐元件(2)和彈簧桿(3)的原材料(17) 是單晶硅，并且至少支撐元件(2)的前端面(13)由硅晶體的〈111〉晶面構(gòu)成，彈簧桿(3)固定在該支撐元件上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的探針，其特征在于，作為原材料(17)具有集成的蝕刻停止層(21)，以便確定彈簧桿(3)的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，支撐元件(2)包括凸起(4)由一種材料組成，并且彈簧桿(3)由第二種材料組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的探針，其特征在于，支撐元件(2)和凸起(4)由玻璃或者硅組成，并且彈簧桿(3)由非晶體的薄膜組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，支撐元件(2)、凸起(4)和彈簧桿(3)分別由不同的材料組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的探針，其特征在于，支撐元件(2)由玻璃、凸起(4)由硅、并且彈簧桿(3)由非晶體的薄膜組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，支撐元件⑵的縱向側(cè)面(7)和凸起(4)的縱向側(cè)面(8)具有一致的傾斜度，并且相互成階梯形地連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的探針，其特征在于，至少前端面(13)具有一側(cè)凹的形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的探針，其特征在于，所述前端面(13)在彈簧桿(3)的下方至少部分地通過硅晶體的〈111〉晶面構(gòu)成，并且〈111〉晶面受到制造的限制通過橫線(25)確定，該橫線在支撐元件(2)的彈簧桿一側(cè)的背面(14)之上相對于彈簧桿方向正交走向。
12.用于根據(jù)前面的權(quán)利要求
1-4或者9-11中任一項所述的用于掃描探針顯微鏡的探針(I)制造的方法，其中，該探針(I)帶有一支撐元件(2)和一連接在該支撐元件上的彈簧桿(3)，該彈簧桿(3)在其自由端處支撐一探針頭(5)，其特征在于下面的工序 彈簧桿⑶和帶有凸起⑷的支撐元件⑵的形狀通過蝕刻工序從原材料(17)的第一材料面(18)起構(gòu)成,并且 彈簧桿(3)的厚度通過蝕刻原材料(17)的另外處于對面的第二材料面(19)來調(diào)整。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的方法，其特征在于，支撐元件(2)的縱向側(cè)面(7)從原材料(17)的第一材料面(18)加工出，并且前端面(13)從原材料(17)的第二材料面(19)加工出，彈簧桿(3)固定在該前端面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求
12或13所述的方法，其特征在于下面的工序探針⑴的支撐元件⑵的縱向側(cè)面⑵和凸起⑷的縱向側(cè)面⑶以及彈簧桿形狀 (3)通過各向異性蝕刻從原材料(17)的第一材料面(18)加工出， 原材料(17)的第一材料面(18)包括蝕刻的結(jié)構(gòu)用耐蝕刻的保護(hù)膜(23)覆蓋， 至少支撐元件(2)的前端面(13)以原材料(17)的對面的第二材料面(19)為出發(fā)點借助于各向異性濕式化學(xué)方法進(jìn)行蝕刻，并且保護(hù)膜(23)有選擇地去除。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求
12或13所述的方法，其特征在于， 將一種具有位于內(nèi)部的蝕刻停止層(21)并具有第一材料面(18)和第二材料面(19)的硅片用作原材料(17)，并且首先彈簧桿(3)由在蝕刻停止層(21)之上的硅層從硅片的第一材料面(18)加工出， 然后硅片的材料面(18)包括蝕刻的結(jié)構(gòu)用耐蝕刻的保護(hù)膜(23)覆蓋， 緊接著在耐蝕刻的保護(hù)膜(23)中開一窗口，該窗口把彈簧桿(3)排除在外，并且同時確定支撐元件(2)的蝕刻停止線(25)，該蝕刻停止線確定彈簧桿(3)的長度， 然后借助于濕式化學(xué)各向異性方法在打開的窗口之內(nèi)這樣蝕刻硅，以使彈簧桿(3)通過掏蝕被完全剝露出來，并且在彈簧桿(3)之下形成硅片的〈111〉晶面， 然后借助于濕式化學(xué)各向異性方法將支撐元件(2)從硅片的第二材料面(19)這樣被加工出，以使硅晶體的〈111〉晶面構(gòu)成蝕刻過程的前端面(13)，該端面與事先由處在對面的硅片的第一材料面(18)構(gòu)成的在彈簧桿(3)之下的〈111〉晶面會合， 緊接著濕式化學(xué)各向異性蝕刻方法一直繼續(xù)進(jìn)行，以便至少在彈簧桿(3)之下的區(qū)域中形成一新的帶有側(cè)凹的側(cè)面輪廓的〈111〉晶面，其中對在兩個從前面和背面蝕刻的〈111〉晶面之間的處于敞開的表面的快速蝕刻侵蝕被充分利用，并且最后保護(hù)膜(23)被有選擇地去除。
16.根據(jù)前面的權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于， 在保護(hù)膜(23)去除之后，另一保護(hù)膜(23)被涂敷到包括蝕刻側(cè)面的硅片的第二材料面(19)上， 然后借助于各向異性蝕刻方法從硅片的第一材料面(18)由支撐元件(2)中加工出凸起(4)，該凸起同時包括彈簧桿(3)， 最后新的保護(hù)膜(23)又被有選擇地去除。
17.用于制造根據(jù)前面的權(quán)利要求
5-8中任一項所述的用于掃描探針顯微鏡的探針(I)的方法，該探針(I)帶有一支撐元件(2)和一連接在該支撐元件上的彈簧桿(3)，該彈簧桿在其自由端處支撐一探針頭(5)，其特征在于，至少彈簧桿(3)首先被單獨加工，并且緊接著與凸起⑷相連接，其中支撐元件⑵和凸起⑷能夠被整體加工或者能夠 被拼合。
專利摘要
本發(fā)明涉及帶有縮短的彈簧桿的掃描探針顯微鏡探針，所述掃描探針顯微鏡探針(1)包括支撐元件(2)和彈簧桿(3)，其中，該彈簧桿布置成相對于支撐元件(2)凸出。為此，支撐元件(2)沿縱向具有一細(xì)長的凸起(4)，彈簧桿(3)固定在凸起的前端面(12)上，彈簧桿(3)的長度可以高的精度調(diào)節(jié)。具有凸起(4)的支撐元件(2)防止了在探針(1)傾斜時支撐元件(2)無意放置在試樣上。彈簧桿縱向界定的高的精度能夠按照所提出的制造方法實現(xiàn)重復(fù)制造小的、高頻彈簧桿(3)，以實現(xiàn)這種掃描探針顯微鏡探針。
文檔編號G01Q60/38GKCN101540209 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910127659
公開日2012年10月24日 申請日期2009年3月19日
發(fā)明者C·里克特, T·蘇爾茲巴赫 申請人:納米世界股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6),