原子力显微镜悬臂探头的微加工技术

　　原子力显微术(AFM)是近年来新发展的一种高清晰度的显微技术，它能显示出物休表面附近的势能分布，并根据这种分布，可以直接描绘出物体表面的形貌.在一定的工作方式下，AFM可以分辨出导体或者绝缘体表面的单个原子.组成AFM的关键部分是一个有弹性的力传感器探头，它应包括如下一些特性:一个很锐的尖端、低的力常数和高的机械谐振频率.这些可以利用微加工技术、使用新型方法和缩小探头的尺寸来达到目的.以下所列的都是一些能获得理想的AFM探头特性的微加工工艺.这些加工工艺有:(l)制造不带尖头的510:或si3N;薄膜悬臂梁，(2)通过在51(100)衬底上腐蚀出铸坑，制造带有集成的金字塔尖端的si3N;悬臂梁。(3)利用各向同性腐蚀和各向异性的等离子刻蚀，制造带有锥形尖的510:悬臂梁，(4)利用各向异性腐蚀，制造带正四面体尖头的510:悬臂梁.每一种工艺都利用(100)晶向的硅片作为衬底并且依靠常规的半导休制造工艺。利用上述的方法制造出来的尖头的质量可以达到或超出用于AFM或STM中的常规探头.另外可选择制造尖头的方法是通过孔洞蒸发材料或者利用有选择的CVD淀积使W金属进人一个锥形腐蚀抗.但这些方法都还未能成功地用于制造悬臂梁。

　　一、引言

　　原子力显微镜(AFM)是近年来新发展的一种高空间分辩率的仪器.它可以描出物体表面附近处力场的变化情况.AFM工作时，尖端上的力传感器探头快速扫描样品的表面，尖头与样品之间的作用力的变化就会引起悬臂梁的微小的偏移，这种偏移经过处理可以转换成图像显示出来。在接触式的工作方式下，尖头与样品的接触是在一个很轻的不会造成样品表面损伤的力的支持下完成的。这种方式就是悬臂梁低力探测方式，其垂直方向和横向有人的分辨率。在这种工作方式下，可以得到绝缘体和导体的表面原子级的分辨率图像以及有机物和生物学材料的分子级分辨率的图像.当尖头与样品接触时，通过测量悬臂梁的横向偏移还可以研究摩擦力的情况。在非接触的工作方式下，尖头离样品表而大约100入，此时尖头与样品间的作用力也是可以测量的，这种相互作用力包括范德瓦斯力、磁场力和电场力。非接触工作方式适用于非破坏性的成像，例如，用于研究磁畴的本质或表面的电势.

　　实现AFM的很多技术已经得到很好发展.各种技术都是对扫描遂道显微镜(STM)的微小改动而成.如震动的分离、扫描、样品的获得及成像方法等.至少有三种成熟的方法可以用于测量悬臂梁的亚入级的偏移:真空遂道，光干涉和光束偏移.但对力变化敏感的悬臂梁的结构仍然是AFM的关键间题.在过去，悬臂梁是用手工切薄金属圈或好的金属丝网获得.悬臂梁的尖头可以在臂的一端，用手工粘上金刚石碎片或者把金属丝的一端腐蚀成尖状。AFM所需的小尺寸和轻重量使得手工制造探头显得特别困难，而且其制造的重复性很差。由于AFM中的探头常因损伤或污染而需要替换，所以，需要合适的方法批量制备悬臂梁.以下所述的都是适于AFM中悬臂梁的制造方法，这些方法利用已经成熟的半导体批量制造工艺，且具有制造集成式探头的优点.