满足自锐效应的AFM探针针尖加工

　　1　引言

　　原子力显微镜(AFM)是一种分辨率极高的表面分析仪器。AFM的工作原理是:将针尖制作在一根弹性常数极小的微悬臂梁上,当样品表面被扫描时,梁前端的针尖与样品表面的微弱原子力会使梁变形,通过检测梁的变形,获得样品的微观表面信息。针尖的几何形状是高分辨率成像的关键因素,特别是针尖曲率半径和高宽比。对于接触模式而言,斥力是短程力,针尖与样品间只涉及几个原子的距离,只要针尖曲率半径很小,高宽比对分辨率的影响就不大;对于非接触模式而言,范德华力、磁力等是长程力,探针的较大部分都要参与样品表面的相互作用,此时,针尖的高宽比的影响增强[1]。针尖高宽比越大、曲率半径越小,AFM分辨率越高。为了使工出的针尖与后续微机电系统(MEMS)工艺兼容,加工出的针尖衬底表面粗糙度要比较低。通过氧化锐化工艺可以使硅针尖曲率半径减小到20 nm以下^[1] ,其高宽比取决于针尖侧壁的晶面族与衬底的夹角。AFM在非接触式测量和扫描深槽结构表面时,需要大高宽比的针尖,因此微针尖的侧壁晶面与衬底的夹角要比较大。尽管已经有很多制作微针尖的方法[2-4],但是对各向异性湿法刻蚀的针尖形状影响因素还没有系统的研究。

　　本文通过对各向异性湿法刻蚀针尖侧壁晶面形成理论和衬底刻蚀速率理论的分析^[5-10], 以及对针尖自锐效应模型晶面交点模型的分析,得出了晶面刻蚀速率对针尖形状的影响。通过实验,分析了各向异性KOH刻蚀中各种参数(溶液浓度、温度、添加剂和掩模方向等)对刻蚀针尖形状的影响,给出针尖侧壁为高倾角晶面族{411}时,满足自锐效应的条件,并且得到满足自锐效应、表面粗糙度低的大高宽比针尖刻蚀的实验参数。

　　2　自锐效应模型与晶面交点模型

　　2.1　自锐效应模型

　　“自锐效应”指的是在掩模脱落后继续刻蚀的过程中(过刻蚀),针尖侧壁晶面能够自动相交于一点,最终仍能得到尖锐针尖结构的现象。

　　如图1a所示,掩模脱落后,继续刻蚀一段时间t,针尖尖端下降高度h ₁,底面下降h ₂。针尖侧壁与衬底的夹角为β,侧壁和底面的刻蚀速率分别为V _W和V _F。

　　当h ₁≥h ₂时,可实现自锐效应,获得尖锐的针尖。所以各向异性刻蚀针尖的自锐条件为h ₁≥h ₂,用各向异性率η来表示为:

　　公式(3)即自锐条件。使用满足自锐条件的刻蚀方法,可以获得尖锐的单晶硅针尖,其顶点曲率半径原理上能接近于原子量级;但随着刻蚀时间的增加,针尖高度会下降。若自锐条件不能得到满足,将会得到如图1b所示的钝化针尖。