扫描探针刻蚀技术的机理分析及进展

　　扫描探针显微镜(SPM)是指一系列利用探针作为探测工具,在样品表面扫描成像获得表面信息的显微镜的统称。自1982年Gerd Bining和Hein2rich Roher发明第一台扫描探针显微镜──扫描隧道显微镜以来,已相继出现了多种扫描探针显微镜。按其不同的成像机理,扫描探针显微镜大致可分为隧道显微镜、原子力显微镜、热显微镜、电子发射显微镜、离子导电显微镜及近场光学显微镜等。扫描探针显微镜不仅是一种可直接观察到物质表面的微观形貌的高精度显微工具,还是一种可以在微纳米尺度上对样品表面进行刻蚀的加工工具。专家预测,SPM在工业领域中的市场,将大大超过其在科研与教学领域中的市场,超越了作为认识世界的显微镜的意义,成为创造财富的纳米机器。

　　扫描探针刻蚀技术(SPL)是基于SPM进行纳米加工中的一项主要技术。常用的工具为扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。近年来,基于STM/AFM的扫描探针刻蚀技术的迅速发展,这里就该项技术在机械加工、电致加工、热致加工及“蘸水笔”技术等主要方面介绍其机理研究动态和发展概貌。

　　1　机械刻蚀加工

　　机械刻蚀加工是指SPM针尖与样品在接触模式下,通过控制针尖施加几十微牛作用力,直接在样品表面刻蚀出纳米级图形。Loenen等最先报导此方法[1]。又如Silva等用STM探针尖在云母表面的金镀层上机械刻蚀得到约70 nm宽的凹槽[2],目前多采用AFM针尖进行研究。

　　在不同材料表面上进行纳米机械刻蚀方面,众多学者作了大量工作。例如:刻蚀加工中一般要求SPM针尖的材料硬度应高于样品硬度,有不少学者采用金刚石针尖代替硅或氮化硅针尖,在金属或金属膜表面进行机械刻蚀加工。

　　在机械刻蚀加工过程中产生的刻屑与针尖的曲率半径通常限制了纳米结构的分辨率。复合图形及三维立体的加工,则表征了对纳米级厚度材料去除技术的控制水平,同时也是微机械发展的需要,有着实际意义。在这方面的试验研究,如法国的S·Te2gen和德国的B·Krache镀在云母上的薄金膜上加工出直线和圆[3]。北京大学的陈海峰课题组在Au2Pa合金膜上使用DI公司125 nm的Si针尖,施加20μN作用力在100 nm×100 nm范围内刻画出唐诗和北大校徽,深度2 nm,最小线宽为2 nm[4]。J·M·Lee等采用金刚石针尖在金属表面上加工出了三维台阶[5]。微纳米器件的加工也是机械刻蚀技术应用的一个重要方面。Bouchiat等人利用AFM针尖在硅片上的高分子膜上机械刻蚀制造出了单电子晶体管[6]。Mamin等人利用AFM机械刻蚀实现了原子只读存储器[7]。

　　此外。研究机械刻蚀加工方法与其它加工方法相结合,批量加工微纳米器件,将是一个重要的研究课题。