一種射頻原子力顯微鏡掃描探針的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種射頻原子力顯微鏡掃描探針。該探針包括探針軀干(1)、探針懸臂梁(2)、探針針尖(3)和探針軀干上的射頻傳輸線(4)。利用該射頻原子力顯微鏡掃描探針對(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引起容抗的變化，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，解決原子力顯微鏡系統(tǒng)掃描速度較慢的問題，實(shí)現(xiàn)高速掃描成像的功能。
【專利說明】
一種射頻原子力顯微鏡掃描探針
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，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(zhǎng)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)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—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。
[0009]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。
[0010]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】
[0011 ]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；
[0012]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
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0014]圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的射頻AFM掃描探針結(jié)構(gòu)示意圖，包括探針軀干1、探針懸臂梁2、探針針尖3和射頻傳輸線4。探針針尖3位于所述探針懸臂梁2的一端，射頻傳輸線4位于探針軀干I的表面，并沿著懸臂梁2延伸至探針針尖3，射頻傳輸線4的形狀及面積決定射頻電路的諧振頻率，當(dāng)利用探針對(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引起容抗的變化，導(dǎo)致射頻諧振信號(hào)發(fā)生偏移，將此信號(hào)作為反饋，可實(shí)現(xiàn)樣品表面的形貌成像。
[0015]探針針尖3由Si材料制成，其尖銳程度決定AFM成像的空間分辨率。
[0016]射頻傳輸線4的面積及形狀決定射頻電路的諧振頻率，可根據(jù)三維電磁仿真軟件模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0017]本發(fā)明還對(duì)以下進(jìn)行了改進(jìn)。
[0018]在常用的Si材料懸臂梁式AFM探針的基礎(chǔ)上，采用襯底為高阻抗的RFSOI材料制備AFM探針，并在探針上集成制備射頻傳輸線。
[0019]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0020]既可實(shí)現(xiàn)常用的Si懸臂梁式探針的功能，通過檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，又可采用探針上的射頻傳輸線來感測(cè)探針與樣品表面的耦合電容，利用射頻電路的高速特性及對(duì)電抗的敏感特性，采用射頻諧振信號(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。利用射頻諧振頻率作為反饋信號(hào)，取代檢測(cè)原子之間的接觸，來呈現(xiàn)樣品的表面特性，解決了 AFM掃描時(shí)，探針針尖的尖銳程度對(duì)分辨率的影響。
[0021]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種射頻原子力顯微鏡掃描探針，包括探針軀干、探針懸臂梁、探針針尖和射頻傳輸線;其特征在于:所述探針針尖位于所述探針懸臂梁的一端;所述射頻傳輸線位于所述探針軀干的表面，并沿著探針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；利用射頻電路的高速特性及其對(duì)電抗的敏感特性，采用射頻諧振信號(hào)作為反饋，解決原子力顯微鏡系統(tǒng)掃描速度較慢的問題，實(shí)現(xiàn)高速掃描成像的功能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻原子力顯微鏡掃描探針，其特征在于: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)三維電磁仿真軟件模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻原子力顯微鏡掃描探針，其特征在于:所述的射頻原子力顯微鏡掃描探針為懸臂梁式硅探針。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻原子力顯微鏡掃描探針，其特征在于:該探針是采用射頻絕緣層上硅材料制成的硅基射頻探針，探針襯底的電阻率為800?1000 Ω.cm。
【文檔編號(hào)】G01Q60/38GK205426954SQ201620157520
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月1日
【發(fā)明人】蘇麗娜, 顧曉峰, 秦華
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)