一种原子力显微镜探针的制备方法与流程

本发明涉及原子力显微镜探针制备，具体涉及一种原子力显微镜探针的制备方法。

背景技术：

1、原子力显微镜能够在原子级分辨率上对材料进行三维形貌测量，并可实现力学、电学、磁学等多维物性的微观表征，因此在材料科学、生命科学、半导体检测等领域获得了广泛应用，原子力显微镜探针是原子力显微镜的核心耗材部件，其性能直接影响成像分辨率和测量精度，典型的原子力显微镜探针由针尖、悬臂梁和夹持基座三部分组成。

2、目前，制造原子力显微镜探针的主流方法主要有两类：一类是利用碱性溶液（如氢氧化钾koh、四甲基氢氧化铵tmah等）对硅片进行各向异性湿法腐蚀；另一类是使用干法刻蚀工艺制备探针。然而，无论采用上述哪种方法，均面临一个共同的技术难题：需要设置刻蚀停止层以保证悬臂梁厚度的一致性和探针结构的完整性。

3、具体而言，采用湿法腐蚀工艺制造探针时，通常需要在硅片上进行重掺杂以形成腐蚀停止层，或者直接使用绝缘体上硅片的中间埋氧层作为刻蚀停止层；采用干法刻蚀工艺制造探针时，同样需要利用绝缘体上硅片的中间埋氧层作为刻蚀停止层。这两种类型的刻蚀停止层的制备工艺均较为复杂，且对原材料有特殊要求，特别是绝缘体上硅片，其制造工艺复杂、成本高昂，导致原子力显微镜探针的原材料成本居高不下，进而推高了探针的整体制造成本。

4、因此，如何在不依赖复杂刻蚀停止层和昂贵绝缘体上硅片的前提下，实现原子力显微镜探针的低成本、可批量化制造，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种原子力显微镜探针的制备方法，用以解决现有原子力显微镜探针制备成本较高的问题。

2、为解决上述问题，本发明的技术方案如下：一种原子力显微镜探针的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、在硅片正面制备对准标记，以对准标记为准，实现后续工艺中的对准；

4、s2、在硅片正面刻蚀凹槽，并在硅片表面全面沉积psg层，以填充所述凹槽形成牺牲层；

5、s3、使用cmp工艺对硅片正面的psg层进行减薄抛光，至露出凹槽以外区域的硅片；

6、s4、在硅片正面制备器件层，在器件层上制备硅针掩膜；

7、s5、采用干法刻蚀工艺刻蚀成型硅针；

8、s6、采用干法刻蚀工艺刻蚀成型悬臂梁；

9、s7、采用深反应离子刻蚀工艺在硅片背面刻蚀制备探针夹持基座；

10、s8、去除悬臂梁下方一侧的部分牺牲层，释放悬空的原子力显微镜探针。

11、进一步，s1中，所述对准标记的深度或高度为1.5-2um，所述凹槽的深度为0.5-0.8um。

12、进一步，s2中，psg层中磷掺杂质量分数为7%-10%。

13、进一步，s4中，所述器件层为多晶硅层，所述多晶硅层采用lpcvd工艺沉积。

14、进一步，s5中，所述干法刻蚀工艺为低温刻蚀，低温刻蚀工艺参数：衬底温度-110℃~-125℃，icp功率500-1000w，rf功率10-30w，sf6流量10-500sccm，o2流量1-50sccm，腔室压力1.5-2pa，刻蚀完成后硅针顶端直径小于10nm。

15、进一步，s5中，所述干法刻蚀工艺为使用氧化物或金属制备硅针掩膜，利用drie刻蚀工艺制备硅针，硅针侧壁与底面夹角控制在60°-90°，采用sf6刻蚀硅针，刻蚀时衬底温度控制在23℃，sf6流量为100-200sccm，icp功率为50-100w，腔室压力控制在1.5-2pa，刻蚀后，硅针顶端直径小于10nm。

16、进一步，s6中，所述干法刻蚀工艺为drie深反应离子刻蚀或低温刻蚀；

17、所述悬臂梁靠近探针夹持基座一侧边缘超出牺牲层5-10um，所述悬臂梁其余侧边与牺牲层边缘间距3-5um。

18、进一步，s7包括以下步骤：

19、s71、在硅片背面旋涂光刻胶，所述光刻胶的厚度为10-12um，并在90-100℃热板上烘烤5-15分钟；

20、s72、利用光刻机对s71中渲图的光刻胶进行曝光，曝光区域剂量为800-1200mj/cm2，曝光后在室温下于显影剂中显影2-3.5min，然后在100-125℃热板上坚膜15-30分钟，所述显影剂为体积比1:3-5的az400k显影液与异丙醇和去离子水的混合溶液；

21、s73、采用bosch工艺进行第一次深硅刻蚀，刻蚀深度为250-350um；

22、s74、采用氧气等离子体刻蚀去除残余光刻胶，刻蚀时间为15-20min；

23、s75、采用纯六氟化硫等离子体刻蚀去除深硅刻蚀过程中形成的侧壁，刻蚀时间为15-20min；

24、s76、采用bosch工艺进行第二次深硅刻蚀，直至所述牺牲层或所述器件层的底部完全暴露。

25、进一步，s73中，第一次深硅刻蚀条件为：沉积周期中四氟化碳流量为140-180sccm，腔室压力为18-22mtorr，射频功率为18-22w，电感耦合等离子体功率为800-1200w，温度为13-17℃；

26、刻蚀周期中六氟化硫流量为140-180sccm，腔室压力为18-22mtorr，射频功率为18-22w，电感耦合等离子体功率为800-1200w，温度为13-17℃。

27、进一步，s8中，采用氢氟酸湿法腐蚀或气相氢氟酸干法刻蚀去除部分所述牺牲层。

28、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：通过在普通硅片正面制备凹槽并填充psg层形成牺牲层，替代了传统工艺中依赖绝缘体上硅片埋氧层或重掺杂层作为刻蚀停止层的技术方案，该牺牲层在探针制备过程中起到临时支撑和隔离作用，在工艺后期被选择性去除，从而使探针结构得以悬空释放，这一设计使得本发明能够直接采用成本低廉的普通硅片作为基底材料，无需使用价格昂贵的绝缘体上硅片，也无需进行复杂的重掺杂工艺，显著降低了原子力显微镜探针的原材料成本和制造成本。

29、采用lpcvd工艺全面沉积psg层并结合cmp工艺进行平坦化处理，能够精确控制牺牲层凹槽的填充质量和表面平整度，为后续器件层的均匀沉积提供了高质量的工艺平台，同时，psg层作为牺牲层材料，在后续步骤中可采用氢氟酸湿法腐蚀或气相氢氟酸干法刻蚀高效去除，且对多晶硅器件层和单晶硅衬底具有极高的刻蚀选择性，保证了探针结构的完整性和良品率。

30、采用低温刻蚀工艺制备硅针，通过精确控制衬底温度、气体流量、腔室压力及等离子体功率等工艺参数，使刻蚀成型的硅针顶端直径小于10nm，获得了极高的针尖锐度，从而保障了原子力显微镜的高分辨率成像性能。

31、在硅片背面采用深反应离子刻蚀工艺制备探针夹持基座，通过分步bosch刻蚀、氧气等离子体去胶以及纯六氟化硫侧壁修整等子步骤，能够在硅片背面形成结构完整、边缘平滑的夹持基座，且该基座与正面探针结构通过双面对准工艺精确匹配，确保了探针整体结构的同心度和可靠性。

1.一种原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s1中，所述对准标记（1）的深度或高度为1.5-2um，所述凹槽（2）的深度为0.5-0.8um。

3.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s2中，psg层（3）中磷掺杂质量分数为7%-10%。

4.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s4中，所述器件层（5）为多晶硅层，所述多晶硅层采用lpcvd工艺沉积。

5.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s5中，所述干法刻蚀工艺为低温刻蚀，低温刻蚀工艺参数：衬底温度-110℃~-125℃，icp功率500-1000w，rf功率10-30w，sf6流量10-500sccm，o2流量1-50sccm，腔室压力1.5-6pa，刻蚀完成后硅针（7）顶端直径小于10nm。

6.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s5中，所述干法刻蚀工艺为使用氧化物或金属制备硅针的掩膜，利用drie刻蚀工艺刻蚀硅，硅针（7）侧壁与底面夹角控制在60°-90°，采用sf6刻蚀硅针（7），刻蚀时衬底温度控制在23℃，sf6流量为100-200sccm，icp功率为50-100w，腔室压力控制在1.5-2pa，刻蚀后，硅针（7）顶端直径小于10nm。

7.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s6中，所述干法刻蚀工艺为drie深反应离子刻蚀或低温刻蚀；

8.根据权利要求7所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s7包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s73中，第一次深硅刻蚀条件为：沉积周期中四氟化碳流量为140-180sccm，腔室压力为18-22mtorr，射频功率为18-22w，电感耦合等离子体功率为800-1200w，温度为13-17℃；

10.根据权利要求1所述的原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于：s8中，采用氢氟酸湿法腐蚀或气相氢氟酸干法刻蚀去除部分所述牺牲层（4）。