一種射頻原子力顯微鏡掃描探針及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡掃描探針，尤其涉及一種可高速讀出的射頻原子力顯微鏡掃描探針及其制備方法，屬于微觀形貌成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，通過檢測(cè)原子間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，獲得樣品表面的微觀形貌?？蓪?duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等表面形貌進(jìn)行微納米尺度的高精度成像，是一種用來研究固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。由于AFM具有原子級(jí)的高空間分辨率、能提供三維表面圖、對(duì)待測(cè)樣品無特殊要求、具有多種成像模式、易于與其他技術(shù)集成等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)、生物、物理、材料等科研領(lǐng)域以及半導(dǎo)體、微電子等工業(yè)領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。
[0003]在AFM系統(tǒng)中，獲取的信號(hào)是通過AFM探針實(shí)現(xiàn)的。目前，常使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，該作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)，利用傳感器檢測(cè)這些變化并將此信號(hào)給反饋系統(tǒng)，可獲得作用力分布信息;將此信號(hào)給反饋系統(tǒng)，可將樣品的表面特性以影像的方式呈現(xiàn)出來，最終獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。
[0004]AFM探針可分為懸臂和針尖兩個(gè)部分，懸臂梁通常由一個(gè)一般100?500μπι長和大約500nm?5μπι厚的硅片或氮化硅片制成。針尖位于懸臂梁的頂端，用來檢測(cè)樣品一針尖間的相互作用力，針尖的尖銳程度直接決定了AFM成像的空間分辨率，受探頭的影響太大。此外，懸臂的共振頻率則直接決定了 AFM的最大成像速度，工作速度較慢。
[0005]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供一種新的射頻AFM探針及其制備方法，利用射頻電路對(duì)電抗的敏感特性，通過感測(cè)針尖與樣品之間的耦合電容，以射頻諧振頻率的變化來呈現(xiàn)樣品的表面特性。利用射頻電路的高速特性，實(shí)現(xiàn)了高速掃描成像的功能。且該探針的分辨率取決于射頻探針對(duì)電容的敏感性而非探針針尖的尖銳程度，對(duì)探針針尖的依賴性較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種新型射頻AFM掃描探針，解決了常規(guī)的AFM探針的上述弊端。
[0007]本發(fā)明還提供了該探針的制備方法。
[0008]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]—種射頻AFM掃描探針，所述的射頻AFM掃描探針包括探針軀干、探針懸臂梁、探針針尖以及射頻傳輸線。所述的射頻AFM掃描探針由射頻絕緣層上娃(Radiο FrequencySilicon-On-1nsulator,RF SOI)材料制備成，用于高速掃描樣品表面，獲取樣品的表面特性信號(hào);所述探針的懸臂梁由硅材料制成;所述探針針尖位于所述探針懸臂梁的一端;所述的射頻傳輸線位于探針軀干的表面，并沿著懸臂梁延伸至探針針尖，提供相應(yīng)的接地、射頻信號(hào)的輸入和輸出；所述的射頻傳輸線的形狀及面積決定射頻電路的諧振頻率，可根據(jù)HFSS三維電磁仿真軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，該射頻傳輸線與射頻電路連接后，對(duì)樣品進(jìn)行形貌掃描時(shí)，由于射頻電路對(duì)電抗(容抗和感抗)極其敏感，樣品表面形貌的變化將弓I起容抗的變化，導(dǎo)致射頻諧振信號(hào)發(fā)生偏移。利用射頻電路的高速特性，通過該射頻諧振信號(hào)作為反饋，解決AFM系統(tǒng)掃描速度較慢的問題，實(shí)現(xiàn)高速掃描成像的功能。
[0010]一種射頻AFM掃描探針的制備方法，包括以下步驟:(I)將RF SOI材料用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法清洗；(2)在清洗后的RF SOI的頂層Si上，利用紫外光刻、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕出約SOnm深的臺(tái)面，并確保各臺(tái)面間隔離；(3)有機(jī)清洗后，通過紫外對(duì)準(zhǔn)光刻，顯影后，用氫氟酸腐蝕掉未被光刻膠覆蓋區(qū)域表面的Si02層，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍20nm厚的金屬Ti和120nm厚的Al，濕法剝離后在氮?dú)夥諊?00°C快速退火30分鐘，形成歐姆接觸；
(4)通過紫外對(duì)準(zhǔn)光刻、電子束蒸發(fā)技術(shù)，蒸鍍20nm厚的Ni和/270nm的Au，濕法剝離后在歐姆接觸上形成射頻傳輸線；(5)最后，通過紫外對(duì)準(zhǔn)光刻和刻蝕技術(shù)，形成探針整體，包括探針軀干、探針懸臂梁和探針針尖。
[0011]本發(fā)明的射頻AFM掃描探針是采用RFSOI材料制備而成，所述的RF SOI與常規(guī)的SOI材料相比，襯底的電阻率為800?1000 Ω.Cmc3RF SOI是將SOI應(yīng)用于高阻抗基板上，能夠顯著地改善芯片的高頻特性，極大地降低電阻衰減以及串?dāng)_噪聲。由于襯底影響射頻信號(hào)的完整性，并對(duì)射頻性能的提升起關(guān)鍵作用。當(dāng)射頻芯片在體硅基片上形成時(shí)，硅的半導(dǎo)特性引起了基板中射頻信號(hào)的衰減；同時(shí)，硅的半導(dǎo)特性還會(huì)導(dǎo)致寄生干擾(串?dāng)_噪聲)的傳輸。將SOI應(yīng)用于高阻抗基板上能夠顯著地改善芯片的高頻特性，極大地降低電阻衰減以及串?dāng)_噪聲。高阻抗SOI基板為射頻和SoC電路設(shè)計(jì)師開辟了全新的境界，使得通常需要昂貴的II1-V族復(fù)合物的功能(如天線切換)得以能夠整合到硅片中，實(shí)現(xiàn)了可比較的性能以及更高的整合水平，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。由于絕緣效率的改進(jìn)，故能達(dá)到密度更高的芯片配置。SOI亦能將處理過的頂層轉(zhuǎn)移至各種低導(dǎo)電度基板(例如玻璃)，進(jìn)一步改善射頻效能。本發(fā)明中所述的RF SOI工藝設(shè)計(jì)和制造用于射頻前端和天線開關(guān)模塊中的開關(guān)芯片。相比傳統(tǒng)的GaAs和SOS工藝，RF SOI可以同時(shí)提供優(yōu)良的性能和低廉的成本。
[0012]本發(fā)明是在常用的硅材料懸臂梁式AFM掃描探針的制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用RFSOI材料，并在探針上集成制備射頻傳輸線。該發(fā)明既繼承了傳統(tǒng)硅懸臂梁式AFM的掃描功能，利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的；又可通過探針上的射頻傳輸線感測(cè)與被測(cè)樣品間的耦合電容，通過射頻諧振頻率作為反饋信號(hào)，取代探針針尖接觸掃描樣品，對(duì)探針針尖的尖銳程度依賴性較小，且利用射頻信號(hào)作為讀出信號(hào)，工作速度較快。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明提供的一種射頻AFM掃描探針結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖中各標(biāo)記分別代表的是:1_探針軀干，2-探針懸臂梁，3-探針針尖，4-射頻傳輸線
[0015]圖2是本發(fā)明提供的一種射頻AFM掃描探針制備過程的示意圖。
[0016]圖中各標(biāo)記分別代表的