原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

　　1　概　　述

　　1989年,斯坦福大学的T.Albrecht成功地实现了一体化探针和悬臂梁[1],从此原子力显微镜(AFM)力传感器的制作主要以微机械加工技术为手段,以悬臂梁、探针的参数优化为目标发展。在短短的几年里,许多AFM力传感器的研究成果相继发表,主要集中在硅材料制作力传感器方面。T.Albrecht等人提出的以氮化硅为材料的加工工艺利用氮化硅较好的材料性能,首次实现了探针悬臂梁的集成,力传感器尺寸可以很小,力弹性常数可以作到0.01 N/m以下,被商业AFM广泛采用。但与基体材料不一致,温度变化会引起热失配。由于淀积氮化硅厚度难以增加,一般在1μm以下,固有频率难以提高,针尖并不十分理想,探针针形为金字塔形,对于表面起伏较大的样品和非接触模式AFM都不太合适。

　　1989年晚些时候德国IBM的O.Woler等研制成功单晶硅材料的AFM力传感器[2],利用硅的各向异性腐蚀,选择适当的晶向和掩膜,成形三棱锥形探针。背面和正面两次腐蚀成形悬臂梁。其探针高度较高,可达10μm以上并有较好的刚度,表面光滑。

　　1991年瑞士的J.Brugger等人提出的一种力传感器制作工艺[3],其特点是实现了探针悬臂梁的一次成形,探针的针形可以根据工艺参数的选择进行调整,探针高度可较高,可达μm～20μm,且细长,高宽比可达10,但由于没有采用自停止腐蚀,悬臂梁的厚度很难做到很薄,因此悬臂梁的尺寸比较大。

　　1992年和1993年英国南埃普敦大学的M.M.Farooqui等人相继发展了两块和单块掩模板的AFM力传感器制作工艺[4-5]。采用重掺杂P型硅的自致停腐蚀悬臂梁的厚度可以比较薄。用精密锯切释放悬梁探针,省略背面腐蚀掩膜板。采用自对准探针成形工艺,探针和悬臂梁成形两块掩模板合二为一。特点是省略了掩模板,简化了工艺,探针在悬臂梁上的位置准确,针尖半径较小,但以重掺杂P型硅决定探针和悬臂梁的高度,所以探针高度受限制。

　　1994年,美国加州大学C.Liu等人提出一种简单易控的AFM力传感器加工工艺[6],特点是工艺简单,用EPW(Ethylenediamine Pyrocatechol Water,乙二胺、邻苯二酚水溶液)腐蚀硅,重掺杂P型硅的自致停腐蚀悬臂梁的厚度容易控制,但探针的高度比较小,而针尖半径偏大。

　　如上分析了国外已有AFM力传感器微机械加工工艺,特点及其各自存在的主要问题,因此研究根据AFM力传感器的性能要求和结构参数来设计适于批量生产的力传感器加工工艺很有必要。本文对此进行了研究。

　　2　关键工艺步骤的实验研究

　　本文工艺研究的力传感器如图1所示:

　　分析力传感器的微机械加工工艺,可见其中影响悬梁厚度的P+自停止腐蚀,悬臂梁探针一次成形的RIE刻蚀,以及探针针尖的锐化等工艺是影响力传感器性能参数的关键步骤,也是非常规工艺,为确定其工艺参数,进行了实验研究。