專利名稱：微尖端線列器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明微尖端線列器件涉及電子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體的說此器件的原理是基于掃描隧道顯微鏡技術(shù)，它可用于進(jìn)行材料表面探知、材料表面微米/納米級加工、高密度數(shù)據(jù)存取三個方面。
背景技術(shù)：
從1982年IBM公司的G.Bining等人發(fā)明隧道顯微鏡(STM)以來，衍生出的原子力顯微鏡(AFM)、掃描探針顯微鏡(SPM)等，已在物理、化學(xué)、電子、材料、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為人們研究微觀世界的強有力的工具。在此基礎(chǔ)上，國外已經(jīng)涌現(xiàn)出各種新型的懸臂梁微尖端器件，目前已經(jīng)被應(yīng)用于高密度數(shù)據(jù)存取、材料表面超微加工、材料表面探知、傳感器等諸多方面。而我國國內(nèi)暫無此方面的專利技術(shù)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于微電子機械(MEMS)加工方法制備的線陣列氮化硅懸臂梁支撐的金屬微尖端器件。本發(fā)明微尖端線列器件的目的在于通過“線列化”解決隧道顯微鏡(STM)單探針在進(jìn)行表面探知、材料表面微納加工、高密度數(shù)據(jù)存取時的低效率問題。其中，線列單元的個數(shù)即是其所提高效率的倍數(shù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種微尖端線列器件，是基于掃描隧道顯微鏡原理的微尖端線列器件，由夾持端、懸臂梁、微尖端三個部分組成，其中，在夾持端上表面固接有焊盤，在焊盤的一側(cè)固接有懸臂梁，懸臂梁伸出于夾持端側(cè)外，懸臂梁的自由端固設(shè)有微尖端，微尖端的針尖向下；其所述焊盤，至少為兩個，兩個焊盤整齊順序排列，在每個焊盤的同側(cè)固接有懸臂梁，懸臂梁伸出于夾持端側(cè)外，彼此平行，每個懸臂梁的自由端固設(shè)有微尖端，微尖端的針尖向下；所述夾持端為單晶硅材料；懸臂梁由附著有鉻和金的低應(yīng)力氮化硅薄膜構(gòu)成；微尖端為鎳金屬材料構(gòu)成。
所述的微尖端線列器件，其所述單晶硅材料夾持端，由單晶硅片制成；其上載有分別控制單個微尖端與外圍電路連接的焊盤。
所述的微尖端線列器件，其所述懸臂梁，為氮化硅懸臂梁，其上附著有鉻和金的薄膜，此層薄膜既作為連接尖端的導(dǎo)線又作為驅(qū)動懸臂梁在z方向運動的驅(qū)動器；每個器件上的懸臂梁由外圍電路控制，同時并行相同操作或分別進(jìn)行不同操作。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端，整體由金屬鎳電鍍生成；其成型的模具為單晶硅通過各項異性腐蝕生成的倒金字塔型凹槽。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端由金屬鎳電鍍生成，其工藝包括第一步，在襯底單面生長低應(yīng)力氮化硅薄膜；第二步，通過干法刻蝕在已生長的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氫氧化鉀溶液進(jìn)行濕法腐蝕，并生成倒金字塔型的腐蝕坑；第四步，使用干法刻蝕在襯底有腐蝕坑的一面形成氮化硅懸臂梁的圖形；第五步，在已經(jīng)形成的懸臂梁圖形上制備鉻與金層作為電鍍基底；第六步，使用電鍍液在金電鍍基底上電鍍鎳，形成鎳的微尖端；第七步，從襯底背面依靠氫氧化鉀溶液腐蝕釋放帶微尖端的氮化硅懸臂梁。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端制作工藝，第一步中，是由晶向為<100>的厚為≤300微米的雙面拋光單晶硅片為襯底，使用低壓化學(xué)氣相淀積方法，在襯底單面生長≤2微米低應(yīng)力氮化硅薄膜。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端制作工藝，第二步中，定位窗口圖形為正方形、圓形，正方形≤5×5微米。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端制作工藝，第五步中，用蒸發(fā)或濺射發(fā)制備鉻與金層，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
所述的微尖端線列器件，其所述微尖端制作工藝，第六步中，電鍍液是以磺胺基鎳、氯化鎳、硼酸為溶質(zhì)的電鍍液，電鍍≤5微米的鎳，形成鎳的微尖端。
本發(fā)明的微尖端線列器件，各微尖端可以通過外電路并行控制或分別控制；使用<100>晶向的單晶硅作為襯底制造，成本低廉；通過標(biāo)準(zhǔn)微電子機械(MEMS)工藝加工，成品率高；可以并行完成掃描隧道顯微鏡所能勝任的所有任務(wù)，如材料表面并行探知、材料表面并行微米/納米級加工、高密度存儲等。


圖1為本發(fā)明微尖端線列器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明微尖端線列器件加工流程示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明微尖端線列器件大體上由夾持端1、懸臂梁2、微尖端3，三個部分組成。其中，在夾持端1上表面固接有復(fù)數(shù)個焊盤4，復(fù)數(shù)個焊盤4整齊順序排列，在每個焊盤4的同側(cè)固接有懸臂梁2，懸臂梁2伸出于夾持端1側(cè)外，彼此平行，每個懸臂梁2的自由端固設(shè)有微尖端3，微尖端3的針尖向下。
夾持端1，材料為晶向是<100>的單晶硅，尺寸為1×0.5厘米、厚300微米，用于支撐整個器件結(jié)構(gòu)，其上擁有分別控制單個微尖端3放電的焊盤4。焊盤4尺寸為1×1毫米，將微尖端3的針尖與外部電路連接，可通過控制程序單獨或統(tǒng)一操作。懸臂梁2，長400微米、寬30微米，主體材料為氮化硅，厚2微米，其上附著有鉻和金的雙層膜，分別厚50埃與100埃。鉻和金的雙層膜的作用相當(dāng)于導(dǎo)線，其于氮化硅形成了一種雙變體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)基于熱膨脹系數(shù)的巨大差異，可以在需要的情況下通過改變懸臂梁2溫度使微尖端3在z軸方向運動。微尖端3，由金屬鎳電鍍生成，底切面尺寸5×5微米、高7微米，其尖端處曲率半徑小于50納米。依靠尖端放電的原理，當(dāng)在焊盤4上于其所要加工的材料之間加上微小電壓時(如5v)，就可以在尖端處產(chǎn)生很大的電場(約109V/m，反比于尖端與襯底間距離)，從而使空氣電離產(chǎn)生隧道電流。這種鎳尖端不光可以通過隧道電流加工和感知材料表面，還可以被熱電阻加熱依靠高溫來加工材料，或直接用其進(jìn)行納米壓印。
為了實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，如圖2所示，本器件由晶向為<100>的厚為300微米的雙面拋光單晶硅片為襯底5。第一步，使用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)法，在襯底單面生長2微米低應(yīng)力氮化硅薄膜6。第二步，通過干法刻蝕在已生長的氮化硅薄膜上生成微尖端3的定位窗口，圖形為5×5微米正方形7。第三步，使用氫氧化鉀(KOH)溶液進(jìn)行濕法腐蝕，并生成倒金字塔型的腐蝕坑8。第四步，使用干法刻蝕在襯底有腐蝕坑的一面形成氮化硅懸臂梁的圖形。第五步，在已經(jīng)形成的懸臂梁圖形上蒸發(fā)50埃的鉻與100埃的金9作為電鍍基底。第六步，使用以磺胺基鎳(Ni(NH2SO3)2·6H2O)、氯化鎳(NiCl2·6H2O)、硼酸(H3BO3)為溶質(zhì)的電鍍液在金電鍍基底上電鍍5微米的鎳，形成鎳的微尖端3。第七步，從襯底背面依靠氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕釋放帶微尖端3的氮化硅懸臂梁。
權(quán)利要求
1.一種微尖端線列器件，是基于掃描隧道顯微鏡原理的微尖端線列器件，由夾持端、懸臂梁、微尖端三個部分組成，其中，在夾持端上表面固接有焊盤，在焊盤的一側(cè)固接有懸臂梁，懸臂梁伸出于夾持端側(cè)外，懸臂梁的自由端固設(shè)有微尖端，微尖端的針尖向下；其特征在于，所述焊盤，至少為兩個，兩個焊盤整齊順序排列，在每個焊盤的同側(cè)固接有懸臂梁，懸臂梁伸出于夾持端側(cè)外，彼此平行，每個懸臂梁的自由端固設(shè)有微尖端，微尖端的針尖向下；所述夾持端為單晶硅材料；懸臂梁由附著有鉻和金的低應(yīng)力氮化硅薄膜構(gòu)成；微尖端為鎳金屬材料構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述單晶硅材料夾持端，由單晶硅片制成；其上載有分別控制單個微尖端與外圍電路連接的焊盤。
3.按照權(quán)利要求1所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述懸臂梁，為氮化硅懸臂梁，其上附著有鉻和金的薄膜，此層薄膜既作為連接尖端的導(dǎo)線又作為驅(qū)動懸臂梁在z方向運動的驅(qū)動器；每個器件上的懸臂梁由外圍電路控制，同時并行相同操作或分別進(jìn)行不同操作。
4.按照權(quán)利要求1所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端，整體由金屬鎳電鍍生成；其成型的模具為單晶硅通過各項異性腐蝕生成的倒金字塔型凹槽。
5.按照權(quán)利要求1所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端由金屬鎳電鍍生成，其工藝包括第一步，在襯底單面生長低應(yīng)力氮化硅薄膜；第二步，通過干法刻蝕在已生長的氮化硅薄膜上生成微尖端的定位窗口；第三步，使用氫氧化鉀溶液進(jìn)行濕法腐蝕，并生成倒金字塔型的腐蝕坑；第四步，使用干法刻蝕在襯底有腐蝕坑的一面形成氮化硅懸臂梁的圖形；第五步，在已經(jīng)形成的懸臂梁圖形上制備鉻與金層作為電鍍基底；第六步，使用電鍍液在金電鍍基底上電鍍鎳，形成鎳的微尖端；第七步，從襯底背面依靠氫氧化鉀溶液腐蝕釋放帶微尖端的氮化硅懸臂梁。
6.如權(quán)利要求5所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端制作工藝，第一步中，是由晶向為<100>的厚為≤300微米的雙面拋光單晶硅片為襯底，使用低壓化學(xué)氣相淀積方法，在襯底單面生長≤2微米低應(yīng)力氮化硅薄膜。
7.如權(quán)利要求5所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端制作工藝，第二步中，定位窗口圖形為正方形、圓形，正方形≤5×5微米。
8.如權(quán)利要求5所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端制作工藝，第五步中，用蒸發(fā)或濺射法制備鉻與金層，鉻厚≤50埃、金厚≤100埃。
9.如權(quán)利要求5所述的微尖端線列器件，其特征在于，所述微尖端制作工藝，第六步中，電鍍液是以磺胺基鎳、氯化鎳、硼酸為溶質(zhì)的電鍍液，電鍍≤5微米的鎳，形成鎳的微尖端。
全文摘要
微尖端線列器件，由單晶硅材料的夾持端、附著有鉻和金的氮化硅懸臂梁、鎳金屬的微尖端構(gòu)成。本發(fā)明的微尖端線列器件，各微尖端可以通過外電路并行控制或分別控制；使用<100>晶向的單晶硅作為襯底制造，成本低廉；通過標(biāo)準(zhǔn)微電子機械(MEMS)工藝加工，成品率高；可以并行完成掃描隧道顯微鏡所能勝任的所有任務(wù)，如材料表面并行探知、材料表面并行微米/納米級加工、高密度存儲等。
文檔編號G12B21/02GK1885438SQ20051001198
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者焦斌斌, 陳大鵬, 歐毅, 葉甜春 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所