SPM探针制备的新进展

　　扫描探针显微技术(Scanning probemicroscopy,SPM)获得越来越广泛的应用,成为微观领域不可缺少的重要检测手段。SPM的分辨能力、功能和检测状态与其探针密切相关,制备可信赖的探针是人们十分关注的课题。

　　制作探针的方法很多:如电化学抛光/腐蚀、化学抛光/腐蚀研磨、机械剪切、受控爆裂、阴极溅射、离子铣削、火焰磨削等,但随着SPM在物理学、化学、生物学、材料学、微电子学、微型机械和光电子学等各个领域广泛应用以及不断地发展,对探针的要求也越来越复杂。传统方法制备的探针,无法满足各种要求,例如为了识别体系中的原子,或不同的分子官能团,必然对探针的化学组成和表面性质有相应要求,需要对针尖进行化学修饰;AFM检测的同时希望得到样品电学性质,需要对探针进行导电以及符合其他要求的处理等。

　　本文从优化探针的结构和功能的角度分别介绍了SPM探针的几种最新制备方法、特点和所适应的应用范围等。

　　1　探针结构优化

　　不同检测目的,探针结构有很大的不同。扫描隧道显微镜等方法主要检测表面电子状态、化学性能等,一般采用针杆针尖结构;原子力显微镜以及一些多功能探针显微镜,其探针结构则相对复杂一些,包含微悬臂以及固定于其末端的针尖。微悬臂是作为高度敏感地探测作用力的传感器,要求低弹性系数和高共振频率,此外横向刚性要高[1]。针尖的尖锐程度直接影响测量精度、分辨率,针尖的几何结构也影响测量可靠性、重复性、使用条件和适应范围等。根据不同需要探针结构会相应地改变。

　　1.1　微悬臂结构改进

　　AFM探针的大规模制作,一般是将微悬臂与针尖作为一体加以制备,悬臂薄而轻,但由于采用硅平版微刻加工工艺,突起的针尖高度一般较低,只适用于那些形貌高低起伏变化不大,表面比较平坦的样品检测。在一些粗糙、有沟槽、深层蚀刻及微机电系统器件的表面检测中,通常要求探针针尖纵横比大,即针尖细而长(如100μm以上),以便探测沟槽底部。普通针尖达不到此要求,有人从探针悬臂结构加以考虑。

　　Thomas Hantschel等人[2]制作的压力金属探针,悬臂做成弯曲状,如图1所示。在透明基片(石英或玻璃)上采用微光刻法制作金属悬臂及探针,激光束可以透过透明基片照射到悬臂并反射到位置检测器上。悬臂可以向下弯曲,末端是AFM针尖。悬臂的长度和弯度决定了针尖的探测深度,一般能达到几十微米到几百微米。探针制备首先是在透明的石英或玻璃基底上沉积牺牲层,其上再溅射沉积作为悬臂的两层薄膜,一层是伸长层,另一层是压缩层,这样当牺牲层去掉后悬臂自然弯曲。悬臂和针尖采用光刻方法,然后再腐蚀加工形成。ThomasHantschel等人用该技术分别制造出MoCr,NiZr针尖,并对深层离子蚀刻表面的沟槽进行了测量,获得较好的效果。